Die Leistungsbestimmung

Wir haben die elektrische Lokomotive nun fertig erstellt. Begonnen hatten wir auf dem Dach, dann begaben wir uns in den Maschinenraum und landeten schliesslich bei den Triebmotoren. Was uns jetzt noch fehlt, ist, wie wir die Leistung einer elektrischen Lokomotive bestimmen. In Anbetracht der unterschiedlichen Lösungen ist das sicherlich ein Punkt, den man nicht vernachlässigen sollte. Daher lohnt es sich, wenn wir die Leistung einer Lokomotive bestimmen.

Im Gegensatz zur Dampflokomotive haben wir es hier etwas einfacher. Der Grund liegt bei den Bauteilen, wo man nicht so genau hineinsieht. Daher haben diese Bauteile Schilder, wo man deren technische Daten ablesen kann. So muss man noch schnell rechnen und schon ist man fertig. Doch bei den Bauteilen kommt nun ein neuer Punkt hinzu, den wir bei den Dampflokomotiven nicht hatten und den wir sicher ansehen müssen.

Elektrische Bauteile erwärmen sich, wenn man sie belastet. Diese Wärme muss aber abgeführt werden können. Daher bekommen wir eine Beschränkung, die gegeben ist, wenn wir längere Zeit mit der Lokomotive arbeiten. Wir müssen also wissen, was ich dauerhaft leisten kann, bevor die Lokomotive beschädigt wird. Doch sehen wir und das alles etwas genauer an, denn diese Beschränkungen sind wirklich wichtig.

Bei den Dampflokomotiven lernten wir die Anfahrzugkraft kennen. Eine weitere Angabe gab es nicht. So können wir annehmen, dass dort diese Anfahrzugkraft beibehalten werden konnte. Die Dampfmaschine verlor einfach immer etwas mehr Zugkraft, je schneller man fuhr. Es stellt sich nun aber die Frage, ob das bei einer elektrischen Lokomotive auch geht? Die Antwort ist klar. Es geht so nicht, denn nun haben wir wegen der Erwärmung eine zeitliche Beschränkung.

Man spricht bei elektrischen Lokomotiven von drei Richtwerten für die Leistung. In Tat und Wahrheit sind viel mehr Werte vorhanden, die angesehen werden könnten. Auf die muss das Personal achten, aber wir können sie weglassen. So sind Werte vorhanden, die ganz klar besagen, dass man diese nur während einem bestimmten Zeitraum benutzen darf. Hier jede Zeit aufzulisten ginge zu weit, deshalb nehmen wir einfach ein Beispiel und bestimmen nun die Leistungsfaktoren.

 

Leistungsfaktoren

Die Leistungsfaktoren sind Werte, die eine zeitliche Beschränkung aufweisen. Wir haben nun Leistungen, die kurzfristig, über eine Stunde oder dauernd abgerufen werden können. Genau diese drei Werte, sind für eine elektrische Lokomotive massgebend, denn diese Werte verhindern, dass man die Bauteile zu stark erwärmen kann und diese so zerstört werden. Daher sollten wir uns diesen Leistungsfaktoren unbedingt annehmen.

Die Maximalleistung: Die Maximalleistung einer Lokomotive ist die Leistung, die man maximal Nutzen kann. Würde man diese Leistung überschreiten, könnte das Bauteil sofort beschädigt werden. Das hängt jedoch nicht von der Kühlung der Bauteile ab. Sondern ist klar die Leistung, die das Bauteil maximal erbringen kann. Bei einer Überschreitung ist das Teil nur schon von seiner Bemessung her verloren.

Schauen wir uns das anhand der Dampfmaschine einmal an. Dort lernten wir kennen, dass der Dampf mit einem bestimmten Druck auf einen Kolben mit einer bestimmten Grösse drückt. Das ist die Maximalleistung, denn es ist nicht mehr möglich. Die Fläche kann nicht vergrössert werden und der maximal zulässige Druck im Kessel überwacht das Sicherheitsventil. Genau diesen Wert bestimmt man bei einer elektrischen Lokomotive auch, nur dass jetzt einige Punkte beachtet werden müssen.

Die Maximalleistung ist die höchste Leistung, die erbracht werden kann. Man benutzt diesen Wert gerne um ihn in Datenblättern aufzuschreiben. Das Fahrzeug glänzt dann mit seiner gigantischen Leistung und man kann stolz darauf sein. Durch diesen Trick kann man plötzlich etwas präsentieren, das man eigentlich gar nicht hat und ist darauf erst noch stolz. Das war bei den Dampflokomotiven sogar problemlos möglich. Nur bei der elektrischen Lokomotive ist es ein kleiner Schwindel, denn jetzt kommt die Zeit.

Das Fahrzeug kann diese Maximalleistung auf Grund der Bemessung der Bauteile erbringen. Dabei gelten aber zeitliche Beschränkungen von ca. 3 – 5 Minuten. Das hängt stark vom jeweiligen Land und von der Bahngesellschaft ab. Die schweizerischen Bundesbahnen SBB nehmen hier den Wert von 3 Minuten an. Das heisst, diese Leistung kann nur während drei Minuten erbracht werden. Das ist kurz und deshalb wenig aussagekräftig. Kaum ein Zug fährt wirklich nur drei Minuten.

Die Stundenleistung: Da wir die Maximalleistung nur über einen sehr kurzen Zeitraum abrufen können, müssen wir einen Wert finden, der etwas aussagekräftiger ist. Dieser Wert ist die Stundenleistung. Jetzt gilt für die Erfassung, wie es der Namen schon sagt, eine zeitliche Spanne von 60 Minuten. Dieser Wert ist daher besser für die Angabe der Leistung einer elektrischen Lokomotive geeignet, denn er ist ehrlicher, als die Maximalleistung.

Mit dieser Leistung können wir die Lokomotive eine Stunde lang betreiben, ohne dass wir einen Schaden befürchten müssen. Die Abkühlung der Bauteile reicht dazu aus. Wird diese Zeit überschritten, können die Bauteile nicht mehr ausreichend gekühlt werden und wir müssen mit einem Schaden rechnen. Eine Stunde ist lang und daher gut für die Angaben geeignet. Kaum ein Zug wird so lange verkehren und dabei diese Leistung ununterbrochen abführen.

Genau hier können wir die Dampfmaschine nicht mehr zum Vergleich hinzuziehen. Die Dampfmaschine kennt keine zeitliche Beschränkung, denn der Dampf ist heiss und somit auch die Dampfmaschine. Daran ändert sich während dem Betrieb nichts mehr. Somit gibt es bei der Dampfmaschine keine Stundenleistung, sondern nur eine Maximalleistung. Sie sehen, es gibt bei der Bestimmung der Leistung tatsächlich Unterschiede zwischen den beiden Bauarten.

Man kann daher eine Dampflokomotive nicht direkt mit einer elektrischen Lokomotive vergleichen. Die Stundenleistung entspricht eigentlich einer dauernd zu erbringenden Leistung. Daher wird diese Stundenleistung oft zur Angabe der Leistung benutzt. Erst jetzt erkennen wir den Sprung von der Dampflokomotive zur elektrischen Lokomotive direkt. Wir nehmen dazu zwei Muster und betrachten nun einmal deren Angaben.

 

Lokomotive Leistung im Datenblatt Maximalleistung
C 5/6 1‘074 kW 1‘074 kW
Ce 6/8 II 1‘650 kW 1‘980 kW

 

So gesehen, hatte die elektrische Lokomotive im direkten Vergleich sogar fast die doppelte Leistung. Da man nun aber bei den Lokomotiven die Leistung während einer Stunde nahm, meint man anhand des Datenblattes, dass es nur knapp 600 kW waren. Doch noch haben wir eine Leistung, die noch einschränkender wirkt und die wir natürlich nicht weglassen wollen, denn der Wert wird nicht mehr überall angegeben.

Die Dauerleistung: Der tiefste Wert, den man angeben kann, ist die Dauerleistung. Bei der Dauerleistung bestehen keine zeitlichen Begrenzungen mehr. Damit haben wir nun die Möglichkeit mit der Lokomotive und dieser Dauerleistung endlos lange zu fahren. Bei Dampflokomotiven entsprach diese Leistung noch der Maximalleistung. Bei elektrischen Lokomotiven reduziert sich der Wert jedoch deutlich.

Der Grund liegt bei der Erwärmung der Bauteile. Je höher die Belastung ist, desto mehr Wärme wird erzeugt. Diese Wärme muss jedoch abgeführt werden können. Deshalb gibt es die zeitlichen Beschränkungen. Beschränkungen, die eine elektrische Lokomotive in ihrem Einsatz einschränken. Bei der Dauerleistung erwärmen sich die Bauteile jedoch nur so stark, dass die erzeugte Wärme unverzüglich abgeführt wird.

Nehmen wir nun den Mensch als Beispiel. Sie leben normalerweise mit der Dauerleistung. Die Betriebstemperatur liegt dabei bei ungefähr 36°C. Sie können die vom Körper erzeugte Wärme leicht abführen. Steigern Sie nun die Leistung zum Beispiel mit einem Sprint, kurzfristig, wird der Körper heisser und kann die Wärme nicht mehr abführen. Ihnen wird warm und sie beginnen zu schwitzen. Eine Gegenmassnahme des Körpers setzt ein, denn er will die normale Betriebstemperatur einhalten.

Solche Werte sind natürlich sehr theoretisch, denn bei der Kühlung mit Luft muss man beachten, dass man dieses Fahrzeug immer mit der gleich warmen Luft kühlt. Luft von 10°C kühlt besser als Luft, die schon 40°C warm ist, denn das zu kühlende Element kann dann nicht viel kühler als 40 °C werden. Das merken Sie doch, im Sommer, wenn es heiss ist, schwitzen sie mehr, als im Winter wenn es kühl wird. Der Körper kann so die Kühlung regulieren.

 

Leistungsgrenze

Nachdem wir nun wissen, wie lange wir eine Leistung mit einer elektrischen Lokomotive erbringen dürfen, benötigen wir noch eine weitere Grenze. Diese soll uns Auskunft darüber erteilen, wann wir die maximal mögliche Leistung erreicht haben. Dabei geht es jetzt nicht um die Zeit, sondern um die dabei erreichte Geschwindigkeit. Wo liegt diese Leistungsgrenze, denn die könnte vermutlich auch wichtig sein.

Dazu sind nicht so viele Faktoren, wie bei der zeitlichen Beschränkung der Leistung, massgebend. Auch die Kühlung der Bauteile hat jetzt keinen direkten Einfluss mehr, denn die Leistungsgrenzen auf Grund der Kühlung haben wir ja schon kennen gelernt, und die werden hier eingehalten, denn die Fahrzeuge sind meistens optimal abgestimmt. Trotzdem hat uns diese Leistungsgrenze zu interessieren. Nehmen wir ein Beispiel.

Mit Ihrem Wagen können Sie beschleunigen. Dabei müssen Sie die maximal erlaubte Tourenzahl des Motors beachten. Damit Sie schneller fahren können, haben sie ein Getriebe, das Sie schalten können. Damit erreichten Sie nun eine Geschwindigkeit, die plötzlich nicht mehr erhöht werden kann, denn der Motor vermag dem Luftwiderstand nicht mehr entgegen zu halten. Sie haben daher die Leistungsgrenze erreicht. Die Tourenzahl des Motors könne eventuell noch höher liegen.

Bei elektrischen Lokomotiven ist das ähnlich. Zwar nicht ganz genau gleich, aber ähnlich. Die maximal erlaubte Tourenzahl ist bei den elektrischen Motoren mit der Höchstgeschwindigkeit beschränkt. Das heisst, wir müssen einen anderen Wert nehmen. Ein solcher vergleichbarer Wert ist der maximale Fahrmotorstrom. Der Beschränkt die Leistung des Fahrmotors und entspricht daher einer festen Grösse.

Der Fahrmotorstrom: Die erste Grenze wird uns durch die Fahrmotoren gestellt. Diese können nur bis zu einer bestimmten Leistung belastet werden. Würde man diese Grenze überschreiten, könnte der Motor beschädigt werden, weil die Leistungen zu schwach für diese höhere Belastung wären. Das Metall schmilzt und es kommt zu einem schweren Schaden. Daher ist dieser maximal erlaubte Strom vorgegeben und er darf nicht überschritten werden.

Hier bewegen wir uns nun bei den Werten, die wir als Leistungsfaktoren angesehen haben. Denn die Ströme in den Fahrmotoren dürfen eine gewisse Zeit eingehalten werden. Diese Ströme beschränken den Fahrmotor jedoch nur bis zur Dauerbelastung. Mit dieser kann er theoretisch endlos beschleunigen. Das ginge so weit, bis er den Luftwiderstand nicht mehr überwinden kann. Dann hat das Fahrzeug seine maximale Geschwindigkeit erreicht.

Jedoch kann man bei elektrischen Lokomotiven eine weitere Beschränkung einführen. Denn der Strom im Fahrmotor wird durch den Transformator beeinflusst. In diesem wird nun aber auch eine Leistung benötigt. Daher muss der Transformator ebenfalls in unsere Berechnung einbezogen werden, denn er bestimmt eigentlich die Leistungsgrenze. Wenn der Transformator nicht mehr Leistung geben kann, fällt der Strom am Fahrmotor zusammen und wir erreichen den Punkt ohne Beschleunigung eher.

Der Primärstrom: Für die Bestimmung der maximalen Leistung des Transformators müssen wir den Primärstrom beachten. Dieser Wert gibt an, wie stark der Transformator belastet werden kann. Damit haben wir eine weitere Beschränkung. Diese ist bei den meisten elektrischen Lokomotiven meistens als erster Punkt erreicht. Jetzt haben wir die Leistungsgrenze in Bezug auf die Geschwindigkeit erreicht.

Durch die Leistung des Transformators wird bestimmt, bei welcher Geschwindigkeit die maximale Zugkraft und somit die maximale Leistung der Lokomotive erreicht ist. Diese Grenze liegt nicht bei der angegebenen Höchstgeschwindigkeit sondern bei einem oft unlogisch erscheinenden Wert. Dieser Wert stellt die Leistungsgrenze dar und die ist von den Bahngesellschaften oft gewünscht worden. Denn damit kann man die Zugkraft einstellen.

Ich zeige Ihnen hierzu ein paar Beispiele auf, dazu benutze ich eine kleine Tabelle:

 

Loktyp Leistung Grenze Höchstgeschwindigkeit
Re 4/4 II 4'700 kW 100 km/h 140 km/h
Re 4/4 III 4'700 kW 85 km/h 125 km/h
Re 6/6 7’832 kW 104 km/h 140 km/h
Re 460 6'100 kW 80 km/h 230 km/h

 

Sie können in der Tabelle viel erkennen. Die Re 460 erreicht als erste Lokomotive die Leistungsgrenze, hat aber die höchste Höchstgeschwindigkeit. Die Re 6/6 erreicht diesen Wert erst 24 km/h später und darf nur 140 km/h fahren. Damit können wir erkennen, dass man bei einer Lokomotive auch bei hoher Geschwindigkeit eine grosse Zugkraft erwartet hatte. Bei der anderen Lokomotive konnte die Leistungsgrenze tiefer angesetzt werden, weil sie bei hoher Geschwindigkeit keine grossen Lasten ziehen muss.

Interessanter sind aber die beiden anderen Lokomotiven in der Tabelle. Die Re 4/4 II hat die gleiche Stundenleistung wie die Re 4/4 III. Jedoch erreicht eine die Leistungsgrenze bei 85 km/h. Die andere erst bei 100 km/h. Das zeigt sich dann bei der Zugkraft, denn die Anhängelasten dieser Lokomotiven unterscheiden sich. Die Lokomotive mit der tieferen Leistungsgrenze hat eine viel höhere Zugkraft und damit eine grössere Normallast.

Wir haben nun die Leistung bestimmt. Wir haben aber auch erfahren, dass bei elektrischen Lokomotiven die Daten durch die Kühlung beschränkt werden. Damit man das Gewicht reduzieren konnte und sich die Leistung trotzdem erhöhen liess, musste man dafür sorgen, dass die Bauteile ausreichend gekühlt wurden. Daher baute man bei den elektrischen Lokomotiven künstliche Kühlungen ein. Diese wollen wir nun ansehen.

 

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