Courant alternatif

Courant alternatif à basse fréquence
Les moteurs électriques courants, à commutation, peuvent aussi être alimentés en courant alternatif (moteur universel), parce que l'inversion du sens du courant à la fois dans le stator et le rotor ne change pas la direction du couple. Toutefois, l'inductance d'un enroulement ne permet pas de réaliser de gros moteurs aux fréquences standard des réseaux de distribution. Un certain nombre de pays européens, dont l'Allemagne, l'Autriche, la Suisse, la Norvège et la Suède, ont standardisé le courant alternatif monophasé à 15 kV 16,2/3 Hz (un tiers de la fréquence standard) (auparavant des tensions de 6 kV et 7,5 kV avaient été employées). Aux États-Unis (avec leur système de distribution électrique à 60 Hz), la fréquence de 25 Hz (une ancienne fréquence standard, désormais obsolète de distribution) est utilisée sous 11 kV entre Washington et New York. Une section équipée en 12,5 kV 25 Hz entre New York et New Haven (Connecticut) fut convertie en 60 Hz dans le dernier tiers du xxe siècle.
Les moteurs sont alimentés par l'intermédiaire d'un transformateur commutateur qui permet de modifier la tension, aussi les résistances ne sont pas nécessaires. Les équipements auxiliaires sont pilotés par des moteurs à basse tension à commutation, alimentés par un enroulement séparé du transformateur principal, et sont de taille raisonnablement petite.
Les fréquences inhabituelles supposent que l'électricité soit convertie à partir du courant fourni par réseau public par des moteurs-générateurs ou des inverseurs statiques dans les sous-stations d'alimentation du réseau, ou produite par des postes électriques complètement séparés.

Courant alternatif à fréquence standard
Les premières tentatives d'utiliser du courant alternatif monophasé à la fréquence standard de 50 Hz ont eu lieu en Hongrie dans les années 1930, puis en Allemagne. Toutefois, ce n'est que dans les années 1950 que l'usage de ce courant dit « à fréquence industrielle » a débuté (autour d'Annecy, sous l'impulsion de Louis Armand), puis s'est vraiment répandu, notamment avec l'électrification de la transversale Nord-Est (Valenciennes - Thionville) en France.
De nos jours, certaines locomotives dans ce système utilisent un transformateur et un redresseur qui fournissent un courant continu à basse tension aux moteurs. La vitesse est contrôlée par commutation des enroulements du transformateur. Des locomotives plus sophistiquées utilisent des circuits à thyristors ou à transistors IGBT pour produire un courant alternatif vibré ou même à fréquence variable qui ensuite alimente directement les moteurs de traction.
Ce système est économique. Pour éviter des déséquilibres de phase dans les systèmes d'alimentation extérieurs, on a fait appel, dans les débuts, à des transformateurs triphasés/monophasés ou triphasés/diphasés. Ces deux types de transformateur réduisent les déséquilibres entre phases sans les supprimer. Ils permettent par contre d'orienter convenablement le vecteur de phase résultant au secondaire chaque fois que nécessaire et en particulier dans le cas où l'on veut mettre en parallèle plusieurs sous-stations qui ne présentent pas le même indice horaire au primaire (ex : 0-4-8 pour le 225 kV et 3-7-11 pour du 63 kV). Cette solution a été appliquée sur 3 sous-stations des banlieues 25 kV Ouest, Est et Nord de Paris vers les années 1966/1968, dans le but d'alimenter ces trois réseaux en parallèle. Aujourd'hui, les locomotives grâce à l'IGBT avec moteurs de traction à fréquence variable, ont un courant d'appel faible au démarrage. Cela permet de prendre l'alimentation des sous stations directement entre deux phases. Cela engendre des déséquilibres sur la troisième phase mais est considéré comme acceptable car évitant l'acquisition de ces transformateurs spéciaux très coûteux. Un système de courants trop déséquilibrés peut d'une part engendrer des interférences électromagnétiques notables et d'autre part poser des problèmes au niveau même de la production de courant (l'alternateur).
Le système alternatif monophasé 25 kV 50 Hz est utilisé en France, en Grande-Bretagne, en Finlande, au Danemark sur certaines lignes en Belgique notamment les LGV, dans les pays de l'ex Union soviétique, l'ex-Yougoslavie, en Inde, au Japon et dans certaines parties de l'Australie (toutes les électrifications du Queensland et d'Australie occidentale), tandis qu'aux États-Unis on utilise communément des courants de 12,5 et 25 kV à 60 Hz. Le 25 kV 50Hz est le courant de référence pour toutes les lignes à grande vitesse et les longues distances, même lorsque le reste du réseau est électrifié avec un autre type de courant. C'est la cas notamment en Espagne, en Italie, aux Pays-Bas, en Afrique du Sud, à Taïwan, en Chine, etc.

2x25 kV
C'est une formule utilisée pour minimiser le nombre de sous-stations pour alimenter la ligne. La sous-stations alimente la caténaire et un feeder en sont en opposition de phase et à un potentiel de 25 kV par rapport au rail, soit une différence de potentiel de 50 kV entre la caténaire et le feeder. A intervalle régulier, un auto-transformateur connecte le rail le feeder et la caténaire pour alimenter le train en 25 kV.
Les LGV françaises et la plupart des axes nouvellement électrifiés en France le sont sur ce principe.