Traktionsstromkreis

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Wenn wir mit den Traktionsstromkreis beginnen, landen wir bei modernen elektrischen Lokomotiven immer wieder auf dem Dach und wenn wir es genau nehmen wollen, bei der Fahrleitung. Auf Grund der geschichtlichen Entwicklung der Bahnen gibt es in Europa viele unterschiedliche Stromsysteme. Lange Jahre waren Fahrzeuge für mehrere Systeme eher selten anzutreffen. Das änderte sich jedoch in den Jahren ab 2000.

Das bei der Bestellung der Maschine zugedachte Einsatzgebiet, sah vor, dass die Lokomotive fünf verschiedene Länder befährt. Dabei besassen drei davon sogar noch das gleiche System und könnten daher mit einer einfacheren Lokomotive befahren werden. Bei den beiden anderen Ländern sah es jedoch anders aus, denn dort gab es Strecken mit Gleichstrom unterschiedlicher Spannung. So benötigte die Lokomotive bereits drei Systeme.

Bei einem solch umfangreichen Einsatzgebiet kommt es daher unweigerlich dazu, dass die Lokomotive mit vier Stromsystemen betrieben werden muss. Die Anbieter haben in ihren Plattformen nicht alle erdenklichen Kombinationen vorgesehen und greifen daher bei einer nicht passenden Konfiguration der Systeme zu einer Mehrsystemlokomotive, die über die vier gängigsten Systeme verfügt. Daher gab es nur die Variante Vectron MS.

Bevor wir die elektrische Ausrüstung der Lokomotive im Detail angehen, müssen wir die Spannungen der einzelnen Systeme und Länder genauer ansehen, denn so erkennen wir, dass die gewählte Lokomotive die einzig mögliche Lösung war und man so oder so auf vier verschiedene Stromsysteme für die Maschine setzen musste. Daher blicken wir in einer Tabelle auf das Einsatzgebiet der Lokomotive für die BLS Cargo AG.

Land System Spannung Sonderfälle Bemerkungen
NL Gleichstrom 1,5 kV 25 kV 50 Hz Neubaustrecken mit AC
D Wechselstrom 15 kV 16,7 Hz Keine  
A Wechselstrom 15 kV 16.7 Hz Keine  
CH Wechselstrom 15 kV 16.7 Hz Keine  
I Gleichstrom 3 kV 25 kV 50 Hz Schnellfahrstrecken mit AC

 

Sie sehen, dass wir drei Grundsysteme haben, aber in den beiden Ländern, die mit Gleichstrom arbeiten, auch Strecken mit Wechselstrom von 25 kV und 50 Hz existierten. Damit benötigt eine universell verwendbare Lokomotive auf diesem Rayon vier unterschiedliche Stromsysteme, die mit der Vectron MS Variante problemlos abgedeckt werden konnten. Somit war klar, dass es eine Lokomotive für vier Systeme braucht.

Wir wechseln nun auf die Lokomotive. Dazu muss die unterschiedliche Spannung aus der Fahrleitung auf das Dach überragen werden. Wie bei den elektrischen Lokomotiven üblich, wird dazu ein Stromabnehmer benötigt. Bei der Lokomotive gab es auf dem Dach vier solche Stromabnehmer. Damit diese so nahe wie möglich montiert werden konnten, bildeten sie zwei Gruppen, die über je einem Drehgestell platziert wurden.

Verwendet wurden Einholmstromabnehmer. Nur bei diesen war es überhaupt ohne spezielle Konstruktionen möglich, die notwendige Nähe zu erreichen. Dabei funktionierten sämtliche Stromabnehmer mit Hilfe von Federn und Druckluft.

Um den Stromabnehmer zu heben, wurde Druckluft benötigt, die in einen Zylinder strömte und so die Kraft der Senkfeder aufhob. Die Hubfeder sorgte dafür, dass sich der Stromabnehmer hob.

Durch die Federn konnte der in den einzelnen Vorschriften vorgegebene Anpressdruck leicht eingestallt werden. Obwohl der Stromabnehmer ein Gewicht von rund 700 Kilogramm hatte, konnte man ihn mit einem Finger leicht anheben.

Sie sehen, dass die Federn für einen optimalen Abgleich gesorgt hatten und so die Druckluft alleine den notwenigen Unterschied ausmachte. Um den Bügel zu senken, entfernte man einfach die Druckluft.

Hauptunterschied waren die an den Stromabnehmern montierten Schleifleisten. Diese mussten für die befahrenen Länder abgestimmt werden.

Dankbarerweise war man sich sowohl in Deutschland, als auch Österreich über die Ausrüstung einig. So konnte mit vier Stromabnehmern insgesamt fünf Länder befahren werden. Es gab sogar Lösungen, die im Notfall einen Betrieb bei ausgefallenem Stromabnehmer erlaubt hätten.

Beim Stromabnehmer eins wurde eine Schleifleiste montiert, die den Vorgaben der Schweiz entsprach. Daher kamen hier 1 450 mm breite Schleifleisten mit Schleifstücken aus Kohle und isolierten Notlaufhörnern zur Anwendung. Der benachbarte Stromabnehmer zwei unterschied sich nur in Bezug auf das verwendete Material vom ersten Modell. Hier waren für Italien Schleifstücke aus Kupfer vorhanden. Notfalls konnte man beide Stromabnehmer aber in beiden Ländern verwenden.

Damit kommen wir zu den beiden anderen Stromabnehmer. Der Pantograph drei verfügte dabei über eine Schleifleiste von 1 950 mm. Die Schleifstücke wurden aus Kupfer gestaltet, womit dieser Bügel in den Niederlanden unter Gleichstrom eingesetzt werden konnte.

Die Schleifstücke bei der Nummer vier bestanden jedoch bei gleicher Breite aus Kohle und wurden unter Wechselstrom in den Niederlanden, sowie Deutschland und in Österreich verwendet. Auch hier war theoretisch ein Notbetrieb mit dem anderen Modell möglich.

Wir haben nun die Spannung der unterschiedlichen Systeme auf das Dach der Lokomotive übertragen und können uns nun dem weiteren Strompfad zuwenden. Daher wurden die vier Stromabnehmer, mit einer Dachleitung verbunden.

Im Detail die Dachleitungen anzusehen bringt nicht viel, da es sich dabei um einfache flache Profile aus Kupfer handelte. Die Schnittstellen und die Trennstellen konnten gelöst werden.

Dabei gab es jedoch eine Besonderheit, die nicht unerwähnt bleiben darf. Die mit den breiten Schleifleisten versehenen Stromabnehmer wurden nicht direkt mit der Dachleitung verbunden.

Der Grund war, dass diese Stromabnehmer bei den Bahnen mit den schmalen Profilen geerdet werden mussten. Daher erfolgte der Anschluss über einen zusätzlichen Schalter. Wurde er eingeschaltet, wurden die breiten Stromabnehmer von der Dachleitung getrennt.

Es war jedoch keine Erdung der breiten Stromabnehmer vorhanden, da sie nur auf einen freien Anschluss geschaltet wurden. Sank jedoch der Isolierabstand der Stromabnehmer zur festen Infrastruktur unter den kritischen Wert, gab es keinen Kurzschluss, sondern es entlud sich im schlimmsten Fall nur die induzierte Spannung gegenüber der Erde. Damit waren die massgebenden Vorschriften einiger Länder eingehalten worden.

Die Dachleitung wurde mit einem Überspannungsableiter gegen Blitzeinschläge geschützt. Zudem war ein Spannungswandler vorhanden, der bei Wechselstrom das in der Fahrleitung eingestellte System automatisch erkannte und so verhinderte, dass bei zu hoher Spannung der Hauptschalter eingeschaltet werden konnte. Damit können wir jedoch die Dachleitung verlassen und kommen nun um weiteren Leitungsweg der elektrischen Spannung.

Nun wurde der Leitungsweg der Spannung jedoch geteilt. Dabei erfolgte nun die Aufteilung nach dem in der Fahrleitung vorhandenen Stromsystem. Das heisst, wir haben nun einen Teil für die Wechselstromsysteme und einen für die Systeme mit Gleichstrom erhalten. Die Aufteilung war nötig, weil die Behandlung der Systeme unterschiedliche Baugruppen benötigte. Ich beginne dabei zuerst mit dem System für Wechselstrom.

Direkt an der Dachleitung und somit an den Stromabnehmern, war der Hauptschalter für Wechselstrom angeschlossen worden. Parallel zum Hauptschalter war der Erdungsschalter vorhanden. Dieser erlaubte es, die elektrische Einrichtung mit Wechselspannung gegen Erde zu schalten und so gefahrlose Arbeiten in diesem Bereich zu ermöglichen. Soweit entsprach die Lokomotive den üblichen Maschinen für Wechselstrom.

Beim Hauptschalter des Teils mit Wechselstrom handelte es sich um einen im Maschinenraum eingebauten Vakuumhauptschalter. Diese Hauptschalter hatten sich in den vergangenen Jahren beim Bau von Lokomotiven durchgesetzt, da sie zuverlässig funktionierten und dank dem Vakuum kein Lichtbogen bei den Schaltungen entstehen konnte. Zudem waren sie leichter, als die vergleichbaren Modelle mit Druckluft.

Nach dem Hauptschalter wurde die Spannung durch den Maschinenraum zum unter dem Kasten montierten Transformator geführt. Der Transformator war sowohl für 16.7, als auch für 50 Hertz ausgelegt worden. Dabei hatte man die Spannung aus der Fahrleitung an der Primärspule des Transformators angeschlossen. Diese Wicklung verfügte über keine Anzapfungen und war mit den Erdungsbürsten an den Achsen verbunden worden.

Dadurch floss nun ein elektrischer Strom durch die Primärwicklung und es konnte Leistung übertragen werden. Durch den Eisenkern wurde dadurch ein Magnetfeld erzeugt, dass in den sekundären Spulen die gewünschte Spannung erzeugte. Da diese nun jedoch wegen den unterschiedlichen Spannungen nicht ohne zusätzliche Schaltung verwendet werden konnten, müssen wir uns die sekundären Spulen genauer ansehen.

Es waren vier identisch aufgebaute Sekundärspulen vorhanden. Dabei hatte jede Spule neben den beiden Endanschlüssen auch eine Anzapfung erhalten. Durch die von der Steuerung gewählte entsprechende Schaltung des Endanschlusses oder der Anzapfung, konnte die Spannung in der Zuleitung zum Stromrichter auf einen Wert von 1 500 Volt festgelegt werden. Wobei jetzt nur noch eine unterschiedliche Frequenz vorhanden war.

Wurde die Lokomotive unter 15 000 Volt betrieben war der Endanschluss der sekundären Spule zugeschaltet worden. Bei 25 000 Volt war jedoch die Anzapfung geschaltet. Ein Prinzip, das auch bei reinen Lokomotiven für Wechselstrom erfolgte und so kaum einen Unterschied zu anderen Lokomotiven der Familie Vectron darstellte. Auch andere Hersteller wählten diesen einfachen Strompfad für die Versorgung der Stromrichter.

Zur Kühlung und Isolation des Transformators wurde eine Kühlung mit Flüssigkeit verwendet. Dabei wurde nicht mehr das umweltschädliche Transformatoröl verwendet, sondern es kam der umweltverträgliche Polyolester zur Anwendung.

Damit konnten Umweltschäden bei Beschädigung des nahe am Gleis montierten Trans-formators verhindert werden. Grundsätzlichen wurden Öle bei der Lokomotive nur sehr sparsam verwendet.

Die Wechselspannung wurde dabei zum ersten Teil des Stromrichters geführt. Dabei handelte es sich um einen mit IGBT aufgebauten Stromrichter. Durch die Schaltung 4QS wurde die bisher mit unterschiedlicher Frequenz arbeitende Wechselspannung zu einer Gleichspannung mit 1 500 Volt umgewandelt.

Für beide Systeme mit Wechselstrom wurde bei der Lokomotive eine Leistung von 6 400 Kilowatt angegeben. Damit handelte es sich in diesen Systemen um eine Grenzleistungslokomotive. Höhere Leistungen, die bei 25 000 Volt und 50 Hertz durchaus möglich gewesen wären, konnten nicht mehr auf die Schienen übertragen werden. Daher wurde für beide Wechselstromsysteme der gleiche Wert angegeben.

Wurde die Lokomotive unter Gleichstrom betrieben, wurde der Teil für diese Systeme zugeschaltet. Das hatte nun zur Folge, der Schnellschalter für Gleichstrom als Hauptschalter verwendet wurde. Dabei konnte auch hier ein mit einem Vakuum arbeitendes Modell verwendet werden. Selbstverständlich war auch hier ein Erdungsschalter zum Erden der entsprechenden Anlage vorhanden. Damit haben wir den Teil bereits kennen gelernt.

Die Gleichspannung unterschiedlicher Höhe wurde nun zum Zwischenkreis des Umrichters geführt. Dabei erfolgte der Anschluss der vier vorhandenen Zwischenkreise bei Systemen mit 1 500 Volt in paralleler Schaltung. Bei Systemen mit 3 000 Volt wurden jedoch die beiden Zwischenkreise eines Drehgestells in Reihe geschaltet und nur die Drehgestelle parallel betrieben. So war gesichert, dass jeder Zwischenkreis mit 1 500 Volt arbeitete.

Durch die Schaltung der unterschiedlichen Gleichspannungen ergaben sich nicht die gleichen Werte für die Leistung. So konnte mit der Lokomotive unter 3 000 Volt Gleichstrom noch eine Leistung von 6 000 Kilowatt abgerufen werden. Bei geringerer Spannung sank der Wert jedoch bedingt durch die geänderte Schaltung auf einen Wert von lediglich 3 500 kW. Da damit jedoch nur in den flachen Niederlanden damit gefahren wurde, stellte das kein Problem dar.

Grund für diesen Unterschied war der in der Zuleitung massgebende Strom. Bei vergleichbar hohem Strom von rund 2 000 Ampère, konnte bei geringerer Spannung nicht die gleiche Leistung übertragen werden. Bei 1 500 Volt hätte eine vergleichbare Leistung zu einem Strom in den Stromabnehmern von 4 000 Ampère zur Folge gehabt. Mit zwei Schleifleisten war dieser Wert jedoch schlicht nicht übertagbar.

Ab dem Zwischenkreis war der Weg der Traktionsenergie bei allen vier Stromsystemen der Lokomotive identisch. Dabei wurden an jedem Zwischenkreis die Wechselrichter der einzelnen Fahrmotoren angeschlossen. Dadurch entstand nun ein Drehstrom mit unterschiedlicher Spannung und Frequenz. Auch hier wurden, wie beim Stromrichter beim Eingang, als Schaltelemente die bewährten IGBT-Transistoren verwendet.

Auch die Stromrichter, die in zwei jeweils einem Drehgestell zugeordneten Baugruppen montiert wurden, mussten gekühlt werden. Auch in diesem Bereich wurde mit einer Kühlung mit Hilfe von Flüssigkeiten gearbeitet. Dabei konnte in diesem Bereich jedoch Wasser verwendet werden. Dabei wurde normales Wasser verwendet und die Baugruppen gegenüber dem Kühlmittel isoliert. Eine Lösung die dank den IGBT möglich wurde.

Die vier Fahrmotoren waren als Drehstrommotoren konstruiert worden. Die hier verwendeten Asynchronmotoren waren sehr gut für den Betrieb bei Eisenbahnen geeignet und konnten auch im Stillstand mit voller Leistung betrieben werden. Jeder Fahrmotor konnte dabei eine maximale Anfahrzugkraft von 75 kN erzeugen. Für die Lokomotive ergab das bei allen vorhandenen Systemen eine Anfahrzugkraft von 300 kN.

Unterschiede gab es bei der Leistungsgrenze und bei der Endzugkraft. So wurde die Leistungsgrenze bei Wechselstrom und bei Gleichstrom mit 3 000 Volt bei einer Geschwindigkeit von 84 km/h erreicht. Die Endzugkraft lag bei Wechselstrom bei 110 kN und 200 km/h. Bei Gleichstrom wurden 140 kN bei 160 km/h erreicht. Mit Gleichstrom von 1 500 Volt wurde die Leistungsgrenze jedoch bei 50 km/h erreicht und die Endzugkraft betrug 75 kN bei 160 km/h.

Auch die Fahrmotoren mussten künstlich gekühlt werden. Hier kam jedoch eine Ventilation mit Luft zur Anwendung. Diese sorgte dafür, dass die Fahrmotoren nicht zu heiss wurden und sorgte zudem dafür, dass keine Feuchtigkeit in die Fahrmotoren gelangen konnte. Zudem wurde durch den künstlichen Luftstrom auch allfälliger Schmutz aus den Motoren geblasen, so dass sie im Betrieb immer sauber blieben.

Eine Eigenschaft der Fahrmotoren war, dass sie automatisch kippten, wenn die Geschwindigkeit des Rotors die durch das Drehfeld vorgegebene Drehzahl überschritt. Dadurch arbeiteten die Fahrmotoren nun als Generatoren und gaben Leistung ab. Diesen Effekt nutzte man zur elektrischen Bremsung der Lokomotive. Dabei wurden auch die Stromrichter gekippt und die Leistung von bis zu 240 kN an die Fahrleitung abgegeben.

Da diese Art der elektrischen Bremse nur bei Wechselstrom ohne Einschränkungen funktionierte, müssen wir den Betreib unter Gleichstrom etwas genauer ansehen. Diese Netze konnten nur bis zu einem bestimmten Wert Leistung von der Lokomotive aufnehmen. So war ein zuverlässiger Betrieb der elektrischen Bremse jedoch nicht mehr möglich und die Bremse konnte ausfallen, was natürlich nicht gewünscht war.

Aus diesem Grund wurden am Zwischenkreis zusätzliche Bremswiderstände angeschlossen. Diese wurden durch die Steuerung nicht, anteilsmässig oder voll zur Aufnahme der Leistung von den Fahrmotoren verwendet. Vorrangig wurde jedoch die Nutzstrombremse verwendet, so dass die Bremswiderstände bei Wechselstrom nur als Drosseln arbeiteten. Die Widerstandsbremse war somit nur bei Gleichstrom vorhanden.

Da die Bremswiderstände bei der Aufnahme der vollen Leistung stark erhitzt wurden, mussten auch sie gekühlt werden. Daher waren sie mit einer Kühlung, die mit Luft arbeitete, versehen worden. Dabei wurde die Luft jedoch so stark erhitzt, dass hier ein anderer Weg gewählt werden musste. Das werden wir jedoch bei der Betrachtung der Neben- und Hilfsbetriebe genauer kennen lernen. Wir können daher den Teil für die Traktion abschliessen.

 

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