Železničná napájacia sústava

Historické súvislosti

Úroveň techniky sa od doby počiatkov elektrifikácie železničných tratí výrazne zvýšila. Medzi najdôležitejšie zmeny, ktoré ovplyvňovali elektrický pohon vlakov, patrí rozvoj elektrickej distribučnej siete, pokrok v konštrukcii elektrických motorov, polovodičovej techniky a riadiacej elektroniky.
História napájacích sústav je sprevádzaná snahou využiť výhody jednosmerného i striedavého prúdu. Zatiaľ čo v minulosti toto kombinovanie často viedlo k usmerňovaniu striedavného prúdu na jednosmerný, rozvoj silnoprúdovej polovodičovej techniky a výhody trojfázového asynchrónneho motora viedli k tomu, že dnes sa často premieňa jednosmerný prúd na trojfázový striedavý s voliteľnou frekvenciou, ktorým sa asynchrónny trakčný motor napája.
Hlavným trendom je postupné presadzovanie úspornejšej, ale technicky náročnejšej striedavej trakcie nad jednosmernou.
V súčasnosti sa v elektrifikovanej koľajovej doprave používa niekoľko napájacích sústav; dôvody sú najmä historické, trate sa elektrifikovali za rôznej úrovne techniky. Zmeniť na existujúcej trati napájaciu sústavu (najmä v prípade prestavby z jednosmernej na striedavú) si vyžaduje výmenu elektrického zariadenia meniarní a výmenu či zásadnú rekonštrukciu elektrickej výzbroje hnacích vozidiel.
Problematický je i prechod vlaku medzi dvoma sústavami – ak vlak neťahá viacsystémový rušeň, je potrebný preprah. V prípade viacsystémového rušňa je nutné stiahnuť zberač elektrického prúdu pred niekoľkometrovým neutrálnym poľom, prepnúť výzbroj rušňa do nasledujúcej sústavy a vztýčiť zberač pod trolejom druhej sústavy.
Kvôli zložitosti preprahu a cene viacsystémových rušňov môže i dnes dôjsť k elektrifikácii konštrukčne zastaranejšou, ale v krajine majoritnou napájacou sústavou.

Začiatky elektrickej trakcie

Pri prvých pokusoch i na prvých elektrifikovaných tratiach sa používal jednosmerný prúd s napätím 600 – 1 500 V. Dôvody možno hľadať vo vtedajšej úrovni techniky – motory na jednosmerný prúd bolo možné jednoducho regulovať (odporová regulácia) a meniť smer jazdy (výmena pólov). Jednosmerná napájacia sústava vyžaduje iba jeden trolejový vodič (resp. napájaciu koľajnicu), druhý pól je v koľajniciach (nevýhoda – dochádza ku vzniku blúdivých prúdov). Nutnosť používať jednosmerný prúd spočiatku nebola obmedzujúca, prvé dráhy mali často vlastnú elektráreň, keďže elektrická distribučná sieť ešte nebola rozvinutá (v raných dobách elektrifikácie vznikali dokonca i jednosmerné distribučné siete). Neskôr sa prešlo k usmerňovaniu striedavého prúdu zo siete jednosmerný v meniarňach. Usmerňovalo sa elektromechanicky (sústroj (striedavý) motor–dynamo), od 30. rokov 20. storočia ortuťovými usmerňovačmi.

Sústava 600–850 V jednosmerná

V železničnej doprave táto sústava funguje na juhovýchode Anglicka. Začiatky tejto sústavy siahajú do obdobia pred prvou svetovou vojnou, keď ju na svojich tratiach zaviedla spoločnosť London and South Western Railway (L&SWR), konkrétne s napätím 650 V. Od roku 1955 zaviedli BR na novo elektrifikovaných úsekoch napätie 750 V. 
Napájacia sústava s napätím 600 alebo 750 V jednosmerného prúdu sa dnes používa najmä na pohon mestských liniek električiek a trolejbusov (Bratislava, Košice, Žilina, Praha, Brno...), keďže tu nie je potrebné prenášať tak veľké výkony na značné vzdialenosti. Pražské metro je napájané jednosmernou sústavou s napätím 750 V.

Sústava 1,5 kV jednosmerná

Táto sústava vychádza z možností techniky v dobe jej vzniku, v období medzi svetovými vojnami. V dnešnej dobe dobe táto sústava prináša obmedzenia, pretože nie je schopná zvládať dnes požadované výkony. Jej nahradeniu zatiaľ bránia ekonomické dôvody. 
V rámci Európy sa používa v južnej časti Francúzska (okrem vysokorýchlostných tratí) a v Holandsku. Na Slovensku túto sústavu používajú Tatranské elektrické železnice. Sieť S-Bahn v Hamburgu používa jednosmernú napájaciu sústavu s napätím 1,2 kV.

Sústava 3 kV jednosmerná

V 20. rokoch 20. storočia vznikla potreba ďalej zvyšovať výkon elektrických rušňov, čo bolo možné zvýšením prúdu alebo napätia. Zvyšovanie prúdu viedlo k vysokým stratám v už tak hrubých vodičoch trakčného vedenia. Preto bolo zvýšené trakčné napätie na 3 kV, ktoré predstavuje pre jednosmernú sústavu technický limit (najmä pre komutátor motora – jednosmerný prúd sa zložito transformuje, a preto je nutné poháňať motor priamo trakčným napätím).
Výhodou tejto sústavy je jednoduchosť vozidiel, jednoduchá rekuperácia. K nevýhodám donedávna patrila stratová odporová regulácia výkonu. Ďalej je nutné zabezpečiť ochranu kovových predmetov v okolí trate proti účinkom blúdivých prúdov. Zásadným obmedzením sústavy je, že nedokáže preniesť výkon porovnateľný so striedavou sústavou napriek tomu, že prierez trolejového drôtu je väčší. Preto sa aj v Taliansku na nové vysokorýchlostné trate používa striedavá sústava 25 kV 50 Hz.
Priekopníkom tejto sústavy bolo Taliansko. Dnes sa používa okrem neho aj v Španielsku, Belgicku, Slovinsku, Rusku, Poľsku, Lotyšsku, Estónsku a v severnej časti Česka a Slovenska.
V Česku je táto trakcia jednou zo štyroch. Prepraví však väčšinu cestujúcich i nákladu v štáte. Podľa štúdie pre SŽDC z roku 2017 by na zmenu 3 kV jednosmernej sústavy na 25 kV sústavu striedavú bolo potrebných 79 miliárd korún českých. Úspory energie po zmene by však mali byť až 30% nákladov z roku 2015. Prvým prepnutým úsekom by mal byť úsek Nedakonice – Řikovice na trati Přerov – Břeclav. Prepojenie so Slovenskom by malo mať prioritu ako aj koridor Břeclav – Havlíčkův Brod – Kutná Hora – Kolín – Lysá nad Labem – Děčín – štátna hranica s Nemeckom.

Striedavá sústava 15 kV 16,7 Hz (pôvodne 16⅔ Hz)

Jednosmerný komutátorový elektromotor možno napájať i striedavým prúdom s nízkou frekvenciou. To viedlo k myšlienke využitím frekvenčného meniča znížiť sieťovú frekvenciu na 1/3: 16⅔ Hz. Táto frekvencia bola zvolená tak, aby sa jednoducho vyrábala rotačnými frekvenčnými meničmi. Napätie z trakčného vedenia sa na rušni v odbočkovom transformátore znižuje na napätie trakčného motora. Výkon sa reguluje skokovo zapájaním či odpájaním odbočiek.
Výhodou tohto systému v dobe jeho vzniku bolo vyššie napätie v trolejovom vedení, vďaka ktorému sa znížil prúd potrebný pre prenos rovnakého výkonu, a tým aj straty. V porovnaní s modernou striedavou sústavou so sieťovou frekvenciou je nevýhodou nutnosť znižovať frekvenciu v meniarňach a o čosi väčší a ťažší transformátor v trakčnom vozidle.
S rozvojom polovodičovej techniky sa frekvencia zmenila na 16,7 Hz v dôvodu obmedzenia rezonančných javov v rozvodnej sieti.
Touto sústavou boli elektrifikované trate už v prvej dekáde 20. storočia. Dnes sa používa v Nemecku, Rakúsku, Švajčiarsku, Nórsku a Švédsku. Krátke úseky sa nachádzajú aj na území Česka a Slovenska v pohraničných oblastiach.

Striedavá sústava 3 x 3 kV 15 Hz

Priekopníkom využitia striedavého prúdu na železnici bol „otec elektrického vlaku“ Kálmán Kandó, ktorý v roku 1894 vyvinul vysokonapäťový indukčný trojfázový motor a generátor pre elektrické lokomotívy. Použitie trojfázového prúdu viedlo k nutnosti vybudovať dvojvodičové trakčné vedenie (tretia fáza bola v koľajniciach). Touto sústavou bola v roku 1902 elektrifikovaná trať Valtellina v Taliansku, prvá elektrifikovaná hlavná trať v Európe. V nasledujúcich rokoch boli takto elektrifikované mnohé železnice v severnom Taliansku, podľa čoho sa sústava nazýva taliansky systém. Sústava sa prestala používať v roku 1975
Výhodou bola prirodzená regulácia otáčok – pri prekročení synchrónnych otáčok prejde motor do generatorického režimu a funguje ako brzda. Nevýhodou bola zložitosť vedenia. 
Dnes sa trojfázová sústava používa na niektorých zubačkách (ozubnicových tratiach).

Striedavá sústava 25 kV 50 Hz

I trojfázová sústava bola náročná na infraštruktúru v pomeroch povojnového Maďarska, a preto vyvinul Kálman Kandó v 20. rokoch 20. storočia sústavu využívajúcu jednu fázu s bežnou sieťovou frekvenciou. Prvá trať bola touto sústavou elektrifikovaná v 30. rokoch na úseku Budapešť-Nyugati–Alag. Vtedajšie lokomotívy využívajúce túto sústavu boli vybavené odbočkovým transformátorom a rotačným fázovým meničom napájajúcim viacfázový striedavý motor.
Až do 60. rokov 20. storočia sa zdalo, že Maďarsko zostane so svojou sústavou osamotené. Prudký rozvoj polovodičovej techniky spôsobil návrat k tejto sústave, ktorá je dnes považovaná za najperspektívnejšiu. Má najmenšie straty spôsobené prenosom a trakčné vedenie je možné po transformácii napájať z bežnej rozvodnej siete. 
Problémom tejto sústavy je potreba rovnakého zaťaženia fáz rozvodnej siete, preto sú jednotlivé úseky napájané z rôznych fáz. Problémy sú aj pri rekuperačnom brzdení (nízky účinník, deformovaný priebeh napätia a prúdu, nárazové dodávky), preto sa mu niektorí dodávatelia elektrickej energie bránia.
Táto sústava sa používa v Portugalsku, Spojenom kráľovstve, na severe Francúzska, v Dánsku, Maďarsku, Bielorusku, Rumunsku, Litve, na Ukrajine, celom Balkáne a v južnej časti Česka a Slovenska.