Bahnstrom

=====   Hz gegenüber 16,7 Hz =====
Umformer für Bahnstrom mit 25 MVA im Umformerwerk Karlsruhe
Die Netzfrequenz des Bahnstromnetzes wird, ebenso wie die 50-Hertz-Netzfrequenz des Europäischen Verbundnetzes, in einem bestimmten Toleranzbereich gehalten. Die aktuelle tatsächliche Netzfrequenz ist unter anderem von der aktuellen Nachfrage und dem aktuellen Angebot an elektrischer Energie abhängig und daher schwankend. Der Toleranzbereich für 16,7-Hertz-Systeme im Bahnstromnetz beträgt 16,5 Hertz bis 16,83 Hertz während 99,5 % eines Jahres und 15,67 Hertz bis 17,33 Hertz während der restlichen 0,5 % eines Jahres.
Zum Leistungsausgleich zwischen dem Bahnstromnetz und dem europäischen Verbundnetz werden unter anderem Umformer eingesetzt. Dies ist eine mechanische Kombination zweier rotierender elektrischer Maschinen, wie in nebenstehender Abbildung dargestellt, von denen eine als Motor und eine als Generator arbeitet. Damit kann zwischen den verschiedenen Stromnetzen mit unterschiedlicher Netzfrequenz Leistung übertragen werden. Bei den dabei verwendeten doppelt gespeisten Asynchronmaschinen ist ein Schlupf notwendig. Diese Maschinen werden anstelle von Synchronmaschinen eingesetzt, um den Leistungsfluss und dessen Richtung am Umformer steuern zu können. Die Einstellung des Leistungsflusses erfolgt mittels Regler über den mit Schleifringen ausgeführten Läuferkreis.
Da der Sollwert der Netzfrequenz im europäischen Verbundnetz mit 50 Hertz exakt der dreifache Wert des ehemaligen Sollwertes  Hertz im Bahnstromnetz ist, kam es in der Vergangenheit besonders zu lastschwachen Zeiten wie in der Nacht dazu, dass der für die Asynchronmaschine nötige Schlupf null wurde. In diesem synchronen Lauf kommt es im Läuferkreis zu einer unerwünschten Gleichstromkomponente auf einer Phase, die zu einer ungleichmäßigen thermischen Belastung der Maschine führt und in Extremfällen den thermischen Betriebsschutz und eine Notabschaltung auslösen kann.
Durch eine Versetzung der Sollfrequenz der Regelung seit 1995 von  Hertz auf nun 16,7 Hertz wird auch in lastschwachen Betriebszeiten ein geringer Schlupf in der Asynchronmaschine gewährleistet, dies entspricht einer Abweichung von 0,2 % und liegt innerhalb des zulässigen Toleranzbereiches. Dadurch wird in diesem stationären Fall der dann langsam rotierende Gleichstromanteil gleichmäßig über die Phasen des Läuferkreises und die Bürsten der Schleifringe verteilt, womit auch die thermische Belastung verteilt wird und lokale Überhöhungen vermieden werden. Zwar kann auch mit der neuen Sollfrequenz von 16,7 Hertz bei Schwankungen der Frequenz kurzzeitig ein unerwünschter Synchronlauf im Maschinensatz auftreten, allerdings ist dies durch die Regelung nur ein vorübergehendes Ereignis, welches nicht als stationärer Betriebszustand auftreten kann. Damit wird die thermische Belastung der Komponenten der Umformer in zulässigen Grenzen gehalten.
Dass genau 16,7 Hertz gewählt wurden, hat dabei keine tiefere Bedeutung. Bei zu großer Verschiebung hätte es allerdings Probleme mit Triebfahrzeugen gegeben, deren Technik für eine Frequenz um  Hertz ausgelegt ist. Die Bahnstromnetze von Deutschland, Österreich und der Schweiz stellten am 16. Oktober 1995 um 12:00 Uhr die ''Sollfrequenz'' auf 16,7 Hertz um. Bei den auf Leistungselektronik basierenden HGÜ-Kurzkupplungen spielt die Umstellung der Bahnfrequenz keine Rolle, ebenso in elektrisch vom restlichen Bahnnetz isolierten Abschnitten, die mit rotierenden Umformern aus Synchronmaschinen betrieben werden.

Frage: Was bedeutet ein Umformer, der zum Leistungsausgleich eingesetzt wird?
Antwort: Dies ist eine mechanische Kombination zweier rotierender elektrischer Maschinen, wie in nebenstehender Abbildung dargestellt, von denen eine als Motor und eine als Generator arbeitet.