ระบบจ่ายกระแสไฟฟ้า AC จะเป็นแบบเหนือศีรษะได้อย่างเดียว กระแสสลับสามารถเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าให้ลดลงได้ภายในหัวรถจักร ใช้แรงดันไฟฟ้าที่สูงมากเพื่อให้มีกระแสน้อยลง สายส่งจึงมีขนาดเล็กลง ซึ่งหมายถึงการสูญเสียพลังงานน้อยลงไปตามทางยาวของเส้นทางรถไฟ

กระแสสลับความถี่ต่ำ

มอเตอร์ไฟฟ้า DC ที่มีตัวสลับทิศทางธรรมดา ยังสามารถเลี้ยงด้วย AC (มอเตอร์ทั่วไป) เพราะการย้อนกลับของกระแสในสเตเตอร์และโรเตอร์ไม่เปลี่ยนทิศทางของแรงบิด อย่างไรก็ตามการเหนี่ยวนำของขดลวดที่ทำให้ตอนเริ่มต้นของการออกแบบมอเตอร์ขนาดใหญ่เป็นไปไม่ได้ในทางปฏิบัติที่ความถี่ AC มาตรฐาน นอกจากนี้ AC ก่อให้เกิดกระแสไหลวน (eddy current) โดยเฉพาะอย่างยิ่งใน pole สนามที่ไม่เคลือบ ซึ่งก่อให้เกิดความร้อนสูงเกินไปและการสูญเสียประสิทธิภาพ ในศตวรรษที่ก่อนหน้านี้ห้าประเทศในยุโรป ได้แก่ เยอรมนี, ออสเตรีย, สวิตเซอร์แลนด์, นอร์เวย์และสวีเดนสร้างมาตรฐานที่ 15 kV 16 2/3 เฮิรตซ์ (หนึ่งในสามของความถี่ไฟปกติ) AC เฟสเดียว ในความพยายามที่จะบรรเทาปัญหาดังกล่าว เมื่อตุลาคม 16, 1995, เยอรมนี, ออสเตรียและสวิสเปลี่ยนการกำหนดที่ 16 ⅔ Hz เป็น 16.7 เฮิร์ตซ์ (แม้ว่าความถี่ที่เกิดขึ้นจริงไม่ได้เปลี่ยน, การข้ดกำหนดมีการเปลี่ยน; ในทั้งสองกรณีความเบี่ยงเบนทางความถี่ไปจากความถี่กลางอยู่ที่± 1/3 เฮิร์ตซ์ )

ในประเทศสหรัฐอเมริกา, ใช้ 25 Hz, ความถี่เก่าที่ครั้งหนึ่งพบบ่อยในอุตสาหกรรมถูกนำใช้ในระบบของแอมแทรก ที่ 11 กิโลโวลต์ในภาคตะวันออกเฉียงเหนือระหว่างวอชิงตันดีซีและนครนิวยอร์กและระหว่างแฮร์ริส, ซิลเวเนียและฟิลาเดลเฟีย 12.5 กิโลโวลต์ 25 Hz ส่วนระหว่างมหานครนิวยอร์กและนิวเฮเวน, คอนเนตทิคัทถูกดัดแปลงเป็น 60 Hz ในไตรมาสที่สามสุดท้ายของศตวรรษที่ 20

ในสหราชอาณาจักร, ลอนดอน, ไบรท์ตัน, ชายฝั่งตอนใต้ รถไฟเป็นหัวหอกในการใช้พลังงานไฟฟ้าระบบเหนือศีรษะของสายส่งชานเมืองในลอนดอน, สะพานลอนดอนถึงวิกตอเรียถูกเปิดการจราจรบน 1 ธันวาคม 1909 วิกตอเรียถึงคริสตัลพาเลซผ่าน Balham และนอร์วูดตะวันตกเปิดพฤษภาคม 1911 เพคแฮมไรอ์ถึงนอร์วูดตะวันตกเปิดในมิถุนายน 1912 การขยายเส้นทางทำไม่ได้เนื่องจากสงครามโลกครั้งที่หนึ่ง สองเส้นทางเปิดใน 1925 ภายใต้ทางรถไฟสายใต้ให้บริการ Coulsdon เหนือและสถานีรถไฟซัตตัน. การรถไฟใช้ไฟฟ้าที่ 6.7 กิโลโวลต์ 25 เฮิร์ตซ์ ได้มีการประกาศใน 1926 ว่าทุกเส้นทางจะถูกแปลงเป็น DC รางที่สามและระบบเหนือศีรษะสุดท้ายจะใช้จนถึงเดือนกันยายน 1929

ในระบบดังกล่าว มอเตอร์แรงฉุดสามารถได้รับกระแสไฟป้อนผ่านหม้อแปลงที่มีหลาย tap การเปลี่ยนแทปช่วยให้แรงดันไฟฟ้าที่มอเตอร์จะมีการเปลี่ยนแปลงโดยไม่ต้องมีตัวต้านทานไฟฟ้า เครื่องจักรอุปกรณ์เสริมจะถูกขับด้วยมอเตอร์สลับทางขนาดเล็กที่ได้รับพลังงานมาจากขดลวดแรงดันต่ำแยกต่างหากของหม้อแปลงหลัก

การใช้คลื่นความถี่ต่ำต้องใช้ไฟฟ้าที่ได้รับการดัดแปลงมาจากกระแสไฟจากการไฟฟ้าโดยมอเตอร์-เจนเนอเรเตอร์หรืออินเวอร์เตอร์แบบคงที่ที่สถานีย่อยหรือผลิตไฟฟ้าที่สถานีไฟฟ้าแยกต่างหาก

ตั้งแต่ปี 1979 มอเตอร์เหนี่ยวนำสามเฟสได้เกือบจะกลายเป็นที่ใช้กันในระดับสากล มันถูกป้อนกระแสโดย static four-quadrant converter ซึ่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าคงที่ให้กับ pulse-width modulator inverter ที่จ่ายไฟฟ้าให้มอเตอร์สามเฟสความถี่แปรได้

ระบบกระแสสลับหลายเฟส

รถไฟกระแสไฟฟ้า AC 3 เฟสถูกใช้ในอิตาลี สวิตเซอร์แลนด์และสหรัฐอเมริกาในต้นศตวรรษที่ 20 ระบบในตอนต้นใช้

ความถี่ต่ำ (16⅔ Hz) และแรงดันไฟฟ้าที่ค่อนข้างต่ำ (3,000 หรือ 3,600 โวลต์) ระบบจะสร้างพลังงานจากการเบรก ป้อนกลับไปยังระบบ จึงมีความเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับรถไฟที่ใช้ในเขตภูเขา (หัวรถจักรอีกขบวนสามารถใช้พลังนี้ได้) ระบบมีข้อเสียของการที่ต้องใช้ตัวนำเหนือศีรษะสอง (หรือสาม) ที่แยกเป็นสัดส่วนบวก return path ผ่านทางราง หัวรถจักรไฟฟ้าทำงานที่ความเร็วคงที่ ที่หนึ่ง, สองหรือสี่สปีด

ระบบยังถูกนำมาใช้บนภูเขาสี่ลูก รถไฟใช้ 725-3,000 V at 50 หรือ 60 Hz: (Corcovado Rack ในริโอเดอจาเนโร, บราซิล, Jungfraubahn และ Gornergratbahn ในประเทศสวิสเซอร์แลนด์และ Petit รถไฟ de la Rhune ในประเทศฝรั่งเศส)

มาตรฐานความถี่กระแสสลับ

เฉพาะในปี 1950 หลังการพัฒนาในประเทศฝรั่งเศส (20 kV; ต่อมา 25 กิโลโวลต์) และรถไฟอดีตประเทศสหภาพโซเวียต (25 kV) ได้มาตรฐานความถี่เฟสเดียวกระแสสลับกลายเป็นที่แพร่หลาย ความถี่ที่ใช้คือ 50 Hz

สหรัฐปกติจะใช้ 12.5 หรือ 25 kV 25 Hz หรือ 60 Hz. กระแสไฟ AC เป็นที่นิยมใช้สำหรับรถไฟความเร็วสูงและรถไฟระยะทางไกลสายทางใหม่ๆ

ทุกวันนี้ หัวรถจักรบางหัวในระบบนี้ใช้หม้อแปลงไฟฟ้​​าและวงจรเรียงกระแสเพื่อจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันต่ำในรูปของพั้ลส์ให้กับมอเตอร์ ความเร็วจะถูกควบคุมโดยการแท๊ปในหม้อแปลง หัวจักรที่ซับซ้อนมากขึ้นใช้ทรานซิสเตอร์หรือ IGBT เพื่อสร้างกระแสสลับที่ถูกตัดยอดคลื่นหรือแม้แต่ปรับความถี่ได้ เพื่อส่งไปยัง AC มอเตอร์เหนี่ยวนำที่ใช้ในการฉุดลากขบวนรถ

ระบบนี้ค่อนข้างประหยัด แต่ก็มีข้อบกพร่องของ: เฟสของระบบไฟฟ้าภายนอกจะถูกโหลดอย่างไม่เท่ากันและเกิดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่สร้างอย่างมีนัยสำคัญเช่นเดียวกับเสียงรบกวนอย่างมีนัยสำคัญ

รายชื่อประเทศที่ใช้ 25 กิโลโวลต์ AC 50 Hz ระบบเฟสเดียวสามารถพบได้ในรายการของระบบกระแสสำหรับการลากรถไฟไฟฟ้า

เพื่อป้องกันความเสี่ยงของ out of phase ของไฟฟ้าจากหลายแหล่ง หลายช่วงของสายส่งจากสถานีที่ต่างกันจะต้องถูกแยกออกอย่างเคร่งครัด สิ่งนี่ทำได้โดย Neutral Section (หรือ Phase Breaks), มักจะถูกจัดให้ที่สถานีจ่ายและอยู่ระหว่างสถานีจ่ายนั้น แม้ว่าปกติมีเพียงครึ่งหนึ่งที่ทำงานอยู่ในเวลาใดเวลาหนึ่ง ที่เหลือถูกจัดให้เพื่อให้สถานีป้อนปิดตัวลงและพลังงานจะถูกจ่ายมาจากสถานีป้อนที่อยู่ติดกัน Neutral Section มักจะประกอบด้วยส่วนสายดินของลวดซึ่งถูกแยกออกจากสาย live โดยวัสดุฉนวน, ลูกถ้วยเซรามิกที่ถูกออกแบบเพื่อให้อุปกรณ์รับกระแสไฟฟ้าบนหัวรถจักร (pantograph) สามารถจะเคลื่อนออกมาจากส่วนหนึ่งไปที่ส่วนอื่น ๆได้อย่างราบรื่น ส่วนสายดินป้องกันการเกิดอาร์คจากเซ็กชั่น live หนึ่งไปยังอีกเซ็กชั่นหนึ่ง เพราะความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าที่อาจจะสูงกว่าแรงดันไฟฟ้าระบบปกติมาก ถ้าเซ็กชั่น live มีเฟสต่างกันและและเบรกเกอร์วงจรป้องกันอาจจะไม่สามารถหยุดยั้งกระแสได้อย่างปลอดภัย เพื่อป้องกันความเสี่ยงจากการอาร์คระหว่างสาย live กับดิน, เมื่อขบวนรถวิ่งผ่านส่วน neutral, รถไฟต้องไหลไปเองและวงจรเบรกเกอร์จะต้องเปิด ในหลาย ๆ กรณีงานนี้จะทำโดยพนักงานขับรถ. เพื่อช่วยพวกเขา, กระดานเตือนจะถูกจัดให้ก่อนที่จะถึงส่วน neutral กระดานเตือนต้วต่อไปจะแจ้งเตือนพนักงานขับรถให้ปิดวงจรเบรกเกอร์อีกครั้งหนึ่ง, พนักงานขับรถจะต้องไม่ทำเช่นนี้จนกว่า pantograph ตัวหลังจะผ่านกระดานไปแล้ว ในสหราชอาณาจักรอุปกรณ์ที่เรียกกันว่า Automatic Power Control (APC) จะเปิดและปิดวงจรไฟฟ้านี้โดยอัตโนมัติ ซึ่งทำได้โดยการใช้ชุดของแม่เหล็กถาวรควบคู่ไปกับการสลับเส้นทางด้วยเครื่องตรวจจับบนรถไฟ การดำเนินการเฉพาะที่จำเป็นโดยคนขับก็คือการปิดพลังงานไฟฟ้าและปล่อยให้ขบวนไหลเลื่อนไปเอง อย่างไรก็ตามกระดานเตือนยังคงมีในจุดที่และในส่วนที่กำลังเข้าไปยังส่วน neutral

ในเส้นทางรถไฟความเร็วสูงฝรั่งเศส, ในรางเชื่อมอุโมงค์ข้ามช่องแคบความเร็วสูงที่ 1 ของสหราชอาณาจักรและในอุโมงค์ข้ามช่องแคบ neutral section จะถูกควบคุมโดยอัตโนมัติ

ในสาย ชิงกันเซ็ง ของญี่ปุ่น section ที่ switch ด้วยกราวด์ ถูกติดตั้งแทน neutral section section จะตรวจจับขบวนรถไฟที่กำลังวิ่งอยู่ภายใน section นี้ และทำการสลับแหล่งพลังงานโดยอัตโนมัติภายใน 0.3 วินาที, ซึ่งไม่จำเป็นต้องปิดไฟอีกเลย