Stellen Sie sich vor, Sie steigen in einen ICE in Frankfurt am Main, der Sie nach Paris bringen soll. Was wie eine selbstverst\u00e4ndliche Reise in einem vereinten Europa erscheint, ist aus technischer Perspektive eine kleine Meisterleistung. Denn der Zug muss w\u00e4hrend dieser Fahrt nicht nur L\u00e4ndergrenzen \u00fcberwinden, sondern auch die Grenzen zwischen v\u00f6llig unterschiedlichen elektrischen Welten. In Deutschland versorgt er seine Motoren mit Wechselstrom der Frequenz 16,7 Hertz, in Frankreich hingegen mit 50 Hertz \u2013 der Frequenz des \u00f6ffentlichen Stromnetzes.<\/p>\n\n\n\n
Diese Besonderheit wirft Fragen auf: Warum hat die deutsche Bahn \u00fcberhaupt eine eigene Frequenz? Ist das in anderen L\u00e4ndern auch so? Und gibt es vielleicht noch weitere spezielle Frequenzen f\u00fcr besondere Anwendungen? Dieser Artikel taucht tief in die faszinierende Welt der elektrischen Sonderfrequenzen ein, erkl\u00e4rt die historischen und technischen Hintergr\u00fcnde und zeigt, wie vielf\u00e4ltig die Stromversorgung jenseits der bekannten 50 oder 60 Hertz sein kann.<\/p>\n\n\n\n
Bevor wir uns mit den Besonderheiten des Bahnstroms besch\u00e4ftigen, ist es wichtig, das grundlegende Konzept der Frequenz zu verstehen. Bei Wechselstrom \u00e4ndert sich die Richtung des Stromflusses periodisch. Die Frequenz gibt an, wie oft pro Sekunde diese Richtungs\u00e4nderung stattfindet. Gemessen wird sie in der Einheit Hertz (Hz), wobei 1 Hz einer Schwingung pro Sekunde entspricht.<\/p>\n\n\n\n
Im \u00f6ffentlichen Stromnetz betr\u00e4gt die Frequenz in Europa 50 Hz, was bedeutet, dass der Strom 50 Mal pro Sekunde seine Richtung wechselt. In Nordamerika und Teilen S\u00fcdamerikas sind es 60 Hz. Diese Werte haben sich historisch als Kompromiss zwischen verschiedenen technischen Anforderungen etabliert: H\u00f6here Frequenzen erm\u00f6glichen kleinere und leichtere Transformatoren, niedrigere Frequenzen reduzieren die Verluste bei der \u00dcbertragung \u00fcber weite Strecken.<\/p>\n\n\n\n
Die deutsche Bahn hingegen verwendet mit 16,7 Hz eine deutlich niedrigere Frequenz. Um zu verstehen, warum, m\u00fcssen wir eine Reise in die Anf\u00e4nge der Elektrotechnik unternehmen.<\/p>\n\n\n\n
Die Elektrifizierung der Eisenbahnen begann um die Wende vom 19. zum 20. Jahrhundert. Die Ingenieure standen vor einem grundlegenden Dilemma:<\/p>\n\n\n\n
F\u00fcr den Bahnbetrieb waren Motoren notwendig, die ein hohes Drehmoment beim Anfahren und eine gute Regelbarkeit bieten. Der ideal geeignete Motor daf\u00fcr war der Gleichstrom-Reihenschlussmotor<\/strong>. Gleichstrom lie\u00df sich aber nicht einfach \u00fcber weite Strecken transportieren, da man die Spannung nicht ohne Weiteres transformieren konnte. Wechselstrom hingegen lie\u00df sich durch Transformatoren leicht auf hohe Spannungen f\u00fcr den verlustarmen Transport bringen und am Verbrauchsort wieder heruntertransformieren. Die damals verf\u00fcgbaren Wechselstrommotoren (vor allem Asynchronmotoren) waren f\u00fcr den Bahnbetrieb jedoch ungeeignet, da sie kein ausreichendes Anlaufdrehmoment boten.<\/p>\n\n\n\n Die geniale L\u00f6sung war ein Kompromiss: Man fand heraus, dass ein speziell konstruierter Reihenschlussmotor zwar grunds\u00e4tzlich auch mit Wechselstrom funktioniert, bei der damals \u00fcblichen Frequenz von 50 Hz jedoch massive Probleme bereitete. Der Grund war der induktive Widerstand<\/strong> der Motorwicklungen. Dieser Widerstand steigt mit der Frequenz. Bei 50 Hz war der induktive Widerstand so hoch, dass er den f\u00fcr das Anfahren ben\u00f6tigten hohen Strom begrenzte und f\u00fcr eine hohe Blindleistung sorgte. Die Motoren waren schwach und ineffizient.<\/p>\n\n\n\n Die L\u00f6sung bestand darin, die Frequenz deutlich abzusenken. Dadurch sinkt der induktive Widerstand, und die Motoren konnten zufriedenstellend betrieben werden. So entstanden die speziellen „Bahnmotoren“ f\u00fcr den Betrieb mit reduzierter Frequenz.<\/p>\n\n\n\n Die Wahl fiel schlie\u00dflich auf 16 2\/3 Hz<\/strong> \u2013 genau ein Drittel der \u00f6ffentlichen Netzfrequenz von 50 Hz. Dieses exakte Verh\u00e4ltnis von 1:3 war damals ein gro\u00dfer Vorteil, weil man zur Umwandlung des Stroms aus dem \u00f6ffentlichen 50-Hz-Netz spezielle rotierende Umformer einsetzen konnte, die auf diesem Teilerverh\u00e4ltnis basierten. Diese Umformer bestanden im Wesentlichen aus einem Motor, der mit 50 Hz lief, und einem direkt gekoppelten Generator, der 16 2\/3 Hz erzeugte. Die Synchronisation war durch das feste \u00dcbersetzungsverh\u00e4ltnis einfach zu realisieren.<\/p>\n\n\n\n Weil die Bahn eine von der \u00f6ffentlichen Versorgung abweichende Frequenz verwendet, kann sie den Strom nicht einfach aus der Steckdose beziehen. Sie betreibt deshalb ein eigenst\u00e4ndiges, gro\u00dffl\u00e4chiges Stromnetz. Dieses Bahnstromnetz ist eines der gr\u00f6\u00dften „Inselnetze“ Europas und umfasst:<\/p>\n\n\n\n Die urspr\u00fcngliche Frequenz von 16 2\u20443 Hz (also 16,666… Hz) wurde sp\u00e4ter geringf\u00fcgig auf 16,7 Hz<\/strong> ge\u00e4ndert. Diese Anpassung war notwendig, um technische Probleme mit den Umformern zu vermeiden, die bei dem exakten Teilerverh\u00e4ltnis von einem Drittel auftraten. Durch die minimale Abweichung wird verhindert, dass sich in den rotierenden Maschinen unerw\u00fcnschte Schwingungen aufbauen. Die Differenz ist so gering (nur 0,033 Hz), dass sie f\u00fcr die Funktion der Fahrzeuge keine Rolle spielt und von diesen problemlos toleriert wird.<\/p>\n\n\n\n Die heutige Leistungselektronik macht die reduzierte Frequenz eigentlich \u00fcberfl\u00fcssig. Moderne Z\u00fcge wandeln den 16,7-Hz-Bahnstrom mit Umrichtern an Bord in Gleichstrom um und erzeugen daraus wiederum Drehstrom mit variabler Frequenz f\u00fcr leistungsstarke und kompakte Drehstrom-Asynchronmotoren. Diese Motoren haben die klassischen Reihenschlussmotoren weitgehend abgel\u00f6st.<\/p>\n\n\n\n Dennoch ist eine Umstellung des gesamten Systems auf 50 Hz oder Gleichstrom aus wirtschaftlichen Gr\u00fcnden nicht absehbar. Die bestehende Infrastruktur mit ihren tausenden Kilometern Leitungen, hunderten Unterwerken und zehntausenden Fahrzeugen repr\u00e4sentiert einen Investitionswert von mehreren Milliarden Euro. Eine Umstellung w\u00fcrde bedeuten, praktisch die gesamte Bahnstromversorgung und alle Fahrzeuge zu ersetzen \u2013 ein auf Jahrzehnte hinaus unrealistisches Unterfangen.<\/p>\n\n\n\n Die 16,7-Hz-Bahnstromversorgung ist eine Besonderheit, die es so nur in wenigen L\u00e4ndern gibt. Weltweit haben sich verschiedene Bahnstromsysteme etabliert, die man grob in drei Kategorien einteilen kann.<\/p>\n\n\n\n Neben Deutschland, \u00d6sterreich und der Schweiz (den „DACH“-L\u00e4ndern“) verwenden auch Norwegen und Schweden das 15-kV-16,7-Hz-System. Diese L\u00e4nder haben ihre Bahnelektrifizierung fr\u00fch begonnen und sich auf dieses System geeinigt, was heute grenz\u00fcberschreitenden Verkehr erleichtert. In den USA existiert im Nordosten (z.B. im Nordostkorridor zwischen Washington und Boston) ein historisch gewachsenes Bahnstromnetz mit 25 Hz und 11 kV bzw. 12,5 kV, das aus \u00e4hnlichen \u00dcberlegungen entstand.<\/p>\n\n\n\n Ab den 1950er-Jahren setzte sich in Frankreich das 25-kV-50-Hz-System durch und wurde danach zum weltweiten Standard f\u00fcr Neubaustrecken. Der gro\u00dfe Vorteil: Man kann den Strom direkt aus dem \u00f6ffentlichen Netz beziehen und spart sich ein teures eigenes Bahnstromnetz. Durch Fortschritte in der Leistungselektronik (Quecksilberdampfgleichrichter, sp\u00e4ter Halbleiter) konnten die Nachteile der h\u00f6heren Frequenz f\u00fcr die Motoren ausgeglichen werden. Heute werden praktisch alle Hochgeschwindigkeitsstrecken der Welt (TGV in Frankreich, AVE in Spanien, HSL in Gro\u00dfbritannien, viele Strecken in China) mit 25 kV \/ 50 Hz (oder 60 Hz in L\u00e4ndern mit 60-Hz-Netzen) betrieben.<\/p>\n\n\n\n Gleichstrom wurde oft dort gew\u00e4hlt, wo man viele, aber relativ leichte Z\u00fcge mit h\u00e4ufigen Stopps hat, wie im Vorort- und U-Bahn-Verkehr. Gleichstrommotoren waren lange Zeit hervorragend regelbar. Der Nachteil von Gleichstrom ist, dass die Spannung nicht einfach transformiert werden kann. Deshalb m\u00fcssen die Spannungen relativ niedrig sein (\u00fcblich sind 750 V, 1,5 kV oder 3 kV), was hohe Str\u00f6me und entsprechend dicke Leitungen erfordert. Die Niederlande (1,5 kV), Belgien (3 kV) und Italien (3 kV auf vielen Altstrecken) sind Beispiele f\u00fcr L\u00e4nder mit gro\u00dfen Gleichstromnetzen.<\/p>\n\n\n\n Die Unterschiede sind historisch bedingt. Als die ersten Bahnstrecken elektrifiziert wurden, gab es noch keine internationalen Standards. Jedes Land oder jede Bahngesellschaft w\u00e4hlte das System, das es f\u00fcr das Beste hielt, basierend auf den damaligen technischen M\u00f6glichkeiten, den geografischen Gegebenheiten und den verf\u00fcgbaren finanziellen Mitteln. Diese historisch gewachsenen Strukturen zu vereinheitlichen, w\u00e4re mit enormen Kosten verbunden.<\/p>\n\n\n\n Die Existenz so vieler verschiedener Systeme ist eine gro\u00dfe Herausforderung f\u00fcr den internationalen Verkehr. Ein Zug, der von Deutschland nach Frankreich, Belgien oder in die Niederlande fahren soll, muss mehrsystemf\u00e4hig<\/strong> sein. Das bedeutet, er muss unter allen vorkommenden Spannungen und Stromarten (16,7 Hz AC, 25 kV\/50 Hz AC, 1,5 kV DC, 3 kV DC etc.) fahren k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n Moderne Hochgeschwindigkeitsz\u00fcge wie der ICE 3M (mehrsystemf\u00e4hig) oder die TGV POS sind daf\u00fcr ausgelegt. Sie verf\u00fcgen \u00fcber spezielle Transformatoren und Umrichter, die je nach Land und Strecke automatisch oder manuell auf das jeweilige Stromsystem umschalten. Diese Technik ist komplex und teuer, aber f\u00fcr einen reibungslosen grenz\u00fcberschreitenden Verkehr unerl\u00e4sslich.<\/p>\n\n\n\n Die 16,7 Hz der Bahn sind nicht die einzige Abweichung von der Norm. In der Industrie und in der Geschichte der Elektrotechnik finden sich zahlreiche weitere Frequenzen, die f\u00fcr spezielle Zwecke entwickelt wurden.<\/p>\n\n\n\n Ein besonders aufschlussreiches Dokument ist die DIN 40005<\/strong> aus dem Jahr 1969 mit dem Titel „Nennfrequenzen f\u00fcr elektrische Anlagen und Betriebsmittel“. Diese Norm legte ein ganzes Spektrum von Frequenzen fest, die f\u00fcr verschiedene industrielle Anwendungen vorgesehen waren. Die Existenz einer solchen Norm zeigt, dass der Bedarf an unterschiedlichen Frequenzen in der Industrie einst so gro\u00df war, dass er standardisiert werden musste.<\/p>\n\n\n\n Die Norm umfasste unter anderem folgende Frequenzen:<\/p>\n\n\n\n Jede dieser Frequenzen hatte ihren spezifischen Anwendungsbereich, der durch technische Optimierungen bestimmt wurde.<\/p>\n\n\n\n Die Frequenz 25 Hz wurde nicht nur f\u00fcr Bahnanwendungen in den USA genutzt, sondern auch f\u00fcr andere industrielle Zwecke. In den fr\u00fchen Tagen der Elektrifizierung wurden 25-Hz-Generatoren in einigen Wasserkraftwerken installiert, weil man glaubte, dass diese Frequenz f\u00fcr den Transport \u00fcber gro\u00dfe Entfernungen und f\u00fcr den Betrieb von Industrie motoren besonders geeignet sei. In der Region um Niagara Falls in den USA\/ Kanada gab es ein ausgedehntes 25-Hz-Netz, das erst in den letzten Jahrzehnten schrittweise auf 60 Hz umgestellt wurde.<\/p>\n\n\n\n W\u00e4hrend die Bahn und einige historische Industrieanlagen niedrige Frequenzen nutzen, werden in der modernen Industrie oft hohe Frequenzen eingesetzt. Die wichtigsten Anwendungen sind:<\/p>\n\n\n\n Auch in Fahrzeugen und Flugzeugen finden sich abweichende Frequenzen. In Flugzeugen wird oft eine Frequenz von 400 Hz verwendet. Der Grund: Bei 400 Hz k\u00f6nnen Transformatoren, Motoren und Generatoren deutlich kleiner und leichter gebaut werden als bei 50 oder 60 Hz \u2013 ein entscheidender Vorteil in der Luftfahrt, wo jedes Gramm z\u00e4hlt. Die Generatoren werden entweder direkt von den Triebwerken angetrieben (die Drehzahl bestimmt dann die Frequenz) oder \u00fcber Umrichter aus dem Gleichstrom-Bordnetz gespeist.<\/p>\n\n\n\n Auch auf Schiffen finden sich oft 60-Hz-Netze, selbst wenn das Heimatland ein 50-Hz-Land ist. Dies liegt h\u00e4ufig an der Herkunft der Schiffsausr\u00fcstung oder an der Wahl der USA als wichtigem Handelspartner.<\/p>\n\n\n\n Heute werden spezielle Frequenzen oft nicht mehr durch eigene Netze oder Generatoren bereitgestellt, sondern durch leistungselektronische Umrichter<\/strong>. Ein Umrichter kann aus dem vorhandenen 50-Hz- oder 60-Hz-Netz praktisch jede beliebige Frequenz erzeugen, die f\u00fcr eine bestimmte Anwendung ben\u00f6tigt wird. Das erm\u00f6glicht eine flexible und effiziente Versorgung von Sonderverbrauchern, ohne dass ein eigenes, teures Netz mit abweichender Frequenz aufgebaut werden muss. Auch moderne Bahnfahrzeuge nutzen dieses Prinzip: Sie wandeln den 16,7-Hz-Bahnstrom intern in Gleichstrom und dann in Drehstrom variabler Frequenz f\u00fcr die Fahrmotoren um.<\/p>\n\n\n\n Die Welt der elektrischen Frequenzen ist vielf\u00e4ltiger, als es der Blick auf die heimische Steckdose vermuten l\u00e4sst. Die 16,7 Hz der deutschen Bahn<\/strong> sind ein faszinierendes Relikt aus der Pionierzeit der Elektrotechnik, das sich aufgrund der enormen Investitionen in die Infrastruktur bis heute gehalten hat. Sie sind ein lebendiges Beispiel daf\u00fcr, wie historische technische Entscheidungen die Gegenwart pr\u00e4gen.<\/p>\n\n\n\n Im internationalen Vergleich zeigt sich, dass Deutschland, \u00d6sterreich, die Schweiz und Skandinavien mit diesem System einen Sonderweg gegangen sind, w\u00e4hrend sich der Gro\u00dfteil der Welt f\u00fcr das einfachere und kosteng\u00fcnstigere 25-kV-50-Hz-System<\/strong> entschieden hat. Die daraus resultierende Notwendigkeit der Mehrsystemf\u00e4higkeit stellt hohe technische Anforderungen an moderne Z\u00fcge.<\/p>\n\n\n\n Dar\u00fcber hinaus offenbart ein Blick in die Industrie und Technikgeschichte eine ganze Palette weiterer Sonderfrequenzen<\/strong> \u2013 von 25 Hz in den USA bis zu mehreren tausend Hertz in Induktions\u00f6fen und Flugzeugen. Diese Vielfalt zeigt, dass die Frequenz von 50 Hz zwar ein sinnvoller Kompromiss f\u00fcr die allgemeine Stromversorgung ist, f\u00fcr spezifische technische Anforderungen jedoch oft Anpassungen notwendig sind. Dank moderner Leistungselektronik lassen sich diese Anforderungen heute flexibel und effizient erf\u00fcllen, ohne dass f\u00fcr jede Anwendung ein eigenes Stromnetz errichtet werden muss.<\/p>\n\n\n\n Die Informationen in diesem Artikel basieren auf allgemein zug\u00e4nglichem technischem und historischem Wissen sowie auf folgenden Quellen:<\/p>\n\n\n\n Einleitung Stellen Sie sich vor, Sie steigen in einen ICE in Frankfurt am Main, der Sie nach Paris bringen soll. Was wie eine selbstverst\u00e4ndliche Reise in einem vereinten Europa erscheint, ist aus technischer Perspektive eine kleine Meisterleistung. Denn der Zug muss w\u00e4hrend dieser Fahrt nicht nur L\u00e4ndergrenzen \u00fcberwinden, sondern auch die Grenzen zwischen v\u00f6llig unterschiedlichen […]<\/p>\n","protected":false},"author":2,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[11,33,35,36],"tags":[],"class_list":["post-441","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-aus-dem-bauch-heraus","category-technik-praxis","category-technisch","category-technologiegeschichte"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/technodidact.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/441","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/technodidact.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/technodidact.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/technodidact.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/users\/2"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/technodidact.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=441"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/technodidact.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/441\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/technodidact.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=441"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/technodidact.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=441"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/technodidact.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=441"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}Die technische Umsetzung: Ein eigenes Stromnetz<\/h3>\n\n\n\n
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Die \u00c4nderung von 16 2\/3 Hz zu 16,7 Hz<\/h3>\n\n\n\n
Moderne Entwicklungen: Ist 16,7 Hz heute noch notwendig?<\/h3>\n\n\n\n
Teil 2: Bahnstromsysteme im internationalen Vergleich<\/h2>\n\n\n\n
Tabelle: Die wichtigsten Bahnstromsysteme der Welt<\/h3>\n\n\n\n
Systemtyp<\/th> Spannung<\/th> Frequenz<\/th> Verbreitung \/ Beispiele<\/th><\/tr><\/thead> Sonderfrequenz-Wechselstrom<\/strong><\/td> 15 kV<\/td> 16,7 Hz<\/strong><\/td> Deutschland, \u00d6sterreich, Schweiz, Norwegen, Schweden<\/strong><\/td><\/tr> Netz-Wechselstrom<\/strong><\/td> 25 kV<\/td> 50 \/ 60 Hz<\/strong><\/td> Weltweit am h\u00e4ufigsten<\/strong> (Frankreich, Spanien, Italien, Gro\u00dfbritannien, China, Russland)<\/td><\/tr> Gleichstrom<\/strong><\/td> 1,5 kV \/ 3 kV<\/td> 0 Hz<\/td> Niederlande (1,5 kV), Belgien, Italien, Polen, Spanien (3 kV)<\/td><\/tr><\/tbody><\/table><\/figure>\n\n\n\n Das 16,7-Hz-System (Mitteleuropa und Skandinavien)<\/h3>\n\n\n\n
Das 25-kV-50-Hz-System (Der Weltstandard)<\/h3>\n\n\n\n
Gleichstromsysteme<\/h3>\n\n\n\n
Warum ist die Welt nicht einheitlich?<\/h3>\n\n\n\n
Die Herausforderung: Mehrsystemf\u00e4higkeit<\/h3>\n\n\n\n
Teil 3: Weitere Sonderfrequenzen f\u00fcr besondere Anwendungen<\/h2>\n\n\n\n
Historische Norm: DIN 40005<\/h3>\n\n\n\n
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25 Hz \u2013 Die amerikanische Bahnfrequenz und mehr<\/h3>\n\n\n\n
Hohe Frequenzen in der Industrie<\/h3>\n\n\n\n
\n
Sonderfall: Flugzeuge und Schiffe<\/h3>\n\n\n\n
Die moderne L\u00f6sung: Umrichter<\/h3>\n\n\n\n
Fazit<\/h2>\n\n\n\n
Quellen<\/h2>\n\n\n\n
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