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.
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Land |
System |
Spannung |
Sonderfälle |
Bemerkungen |
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NL |
1,5 kV |
25 kV 50 Hz |
Neubaustrecken mit AC |
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D |
Wechselstrom |
15 kV 16,7 Hz |
Keine |
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A |
Wechselstrom |
15 kV 16.7 Hz |
Keine |
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CH |
Wechselstrom |
15 kV 16.7 Hz |
Keine |
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I |
Gleichstrom |
3 kV |
25 kV 50 Hz |
Schnellfahrstrecken |
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Sie sehen, dass wir drei Grundsysteme
haben, aber in den beiden Ländern, die mit 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. 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 Direkt an der Dachleitung und somit an den Stromabnehmern, war der Hauptschalter für Wechselstrom angeschlossen wor-den. Parallel zum Hauptschalter war der Erdungsschalter vor-handen. Dieser erlaubte es, die elektrische Einrichtung mit
Wechsel-spannung 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 Vakuum-hauptschalter. 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 Trans-formator 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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