¿Cómo y por qué se decidió que la frecuencia del sistema de tracción era de 16,2 / 3 (50/3) Hz?

Answer 1

Varias frecuencias de CA extrañas todavía se utilizan en lugares para la potencia de tracción del ferrocarril eléctrico; 16 2/3 Hz es solo uno de ellos. La razón es completamente histórica, pero las grandes inversiones hundidas ahora dificultan la conversión a frecuencias estándar.

Al igual que con la energía eléctrica en general, la CA se introdujo originalmente en los ferrocarriles eléctricos para reducir las pérdidas de cableado resistivo con voltajes más altos que los prácticos con CC.

Los motores de tracción de bobinado en serie accionados por CC ya se habían vuelto comunes debido a su excelente par de arranque y control de velocidad relativamente fácil sin electrónica moderna. Teóricamente, también pueden funcionar con CA porque al invertir la polaridad de los devanados del rotor y del estator se mantiene el par en la misma dirección. Sin embargo, en la práctica, los devanados grandes y las piezas polares pesadas tenían demasiada reactancia inductiva y pérdidas de corriente parásita a 50 o 60 Hz, por lo que se generaron frecuencias de CA de baja frecuencia especiales para accionarlas.

Noruega, Suecia y el norte de Alemania todavía usan 16 2/3 Hz (50/3 Hz). Austria, Suiza y el sur de Alemania también solían usar 16 2/3 Hz, pero en 1995 cambiaron a 16,7 Hz, ya no exactamente 50/3 Hz. La mitad sur del Corredor Noreste de Amtrak de EE. UU. Entre Washington DC y la ciudad de Nueva York, la conexión Keystone entre Harrisburg y Filadelfia PA, y varios ferrocarriles de cercanías cercanos todavía utilizan 25 Hz. (La sección norte entre Nueva York y Boston se construyó más recientemente con 60 Hz).

Estas bajas frecuencias se volvieron innecesarias con la invención de los rectificadores de arco de mercurio y especialmente los rectificadores de semiconductores que podrían convertir CA de cualquier frecuencia a bordo de una locomotora a CC para motores de tracción.

Answer 2

Al comienzo de la tracción electrificada, se utilizaron motores de la serie DC. Estos motores tienen una característica pecular: alto par de arranque, que es necesario para que un sistema arranque el tren con mucha carga.
Estos motores generalmente se clasificaron en algún lugar de 650-700 voltios. Por lo tanto, se necesitaba un aislamiento pesado para los equipos a bordo. La magnitud de CC no se podía variar fácilmente en esos momentos, a diferencia de la CA, donde un transformador hace este trabajo. Era necesario mantener estable el nivel de voltaje, por lo que las estaciones de alimentación de rectificadores tenían que mantenerse separadas cada pocos kilómetros para regular el voltaje. (las líneas aéreas llevaban corriente continua). Esto fue costoso.
Un método alternativo era entregar la energía con un esquema de CA de alto voltaje, que tenía bajas pérdidas, y el transformador a bordo reduciría (reduciría) la magnitud del voltaje al necesario. Para esto, tenía que usarse un motor de CA o un rectificador, que convertiría la energía alterna en energía de CC. Los rectificadores estaban equipados con interruptores de arco de mercurio. Estos interruptores, a diferencia de los interruptores de estado sólido que usamos hoy en día, eran muy delicados de manejar, y estos rectificadores eran demasiado frágiles para usarse en una locomotora de rápido movimiento.
Entonces, el motor de CA (motor de inducción) era una opción viable. Estos motores proporcionan un alto par de arranque a una frecuencia más baja, por lo que se eligieron 15 kV, 16 2/3 Hz; exactamente un tercio de la frecuencia de red de 50 Hz. Generar 50/3 Hz fue relativamente fácil, lo único que se necesitaba era reducir el número de polos de los generadores por un factor de 3. Por ejemplo, un generador se enrollaría con dos polos en lugar de seis, si la velocidad del eje no fuera cambiado (usando convertidores rotativos).
Varios países europeos como Alemania, Noruega, Suecia, Suiza y Austria utilizan este sistema. (La electrificación temprana de la tracción comenzó solo en Europa).
Todo esto tuvo que hacerse debido a la ausencia de electrónica moderna. Ahora usamos un sistema de 25kV 50Hz, ya que las unidades electrónicas de potencia pueden hacer funcionar eficientemente motores de corriente alterna y pueden operar con varios modos.
Reemplazar los 50/3 Hz con los 50 Hz modernos puede ser muy costoso, por lo que estas líneas preestablecidas se ejecutan tal cual. Pero, las líneas más nuevas estarían utilizando solo 25kV, 50 Hz de suministro.