Spannungsregulierung modern

Jahrelang entwickelten sich die vorher vorgestellten Regelungen der Spannung. Dabei zeigten sich bei allen drei Systemen die besten Lösungen. So lohnt es sich, wenn wir uns nun als Ausgangslage einen kurzen Überblick verschaffen. So wissen wir gleich, wie es zur den nun vorgestellten Lösungen gekommen ist, denn gerade diese letzten Schritte der jeweiligen Systeme zeigten, wie sich die Zukunft entwickeln sollte.

Bei Bahnen mit Wechselstrom hatte sich die Stufenschaltersteuerungen durchgesetzt. Hingegen kamen schon früh Lokomotiven in den Einsatz, die mit Gleichrichter arbeiteten. Diese zeigten gegenüber den Lokomotiven mit Stufenschalter Vorteile. So konnten die Zugkraftsprünge des Stufenschalters eliminiert werden. Das führte zu feineren Abstufungen der Fahrzeuge und so zu einem besseren Zugkraftverhalten. Eine weitere Entwicklung mit direkt angeschlossenen Motoren war daher nicht mehr zu erwarten.

Hingegen zeigten sich die Bahnen mit Gleichstrom mit der Choppersteuerung sehr zufrieden. Die Geschwindigkeit konnte praktisch ohne Verluste geregelt werden. Hinzu kam, dass man keine Zugkraftsprünge hatte, da man die Zugkraft nahezu stufenlos regulieren konnte. Da man bei Lokomotiven für Wechselstrom schon Schritte in diese Richtung erkennen konnte, war bei Gleichstrom kaum eine grosse Weiterentwicklung zu erwarten. Die Choppersteuerung funktionierte einfach zu gut.

Beim Drehstrom war man früh stehen geblieben. Die komplizierte Fahrleitung und die schwere Regelung der Fahrmotoren hatten dazu geführt, dass man kaum auf neue Systeme setzte. Jedoch hatte man beim Drehstrom einen Fahrmotor, der so robust war, dass er ideal für die Eisenbahn war. Man konnte ihn aber bei den anderen Systemen nicht einsetzen, da er nur mit Drehstrom betrieben werden konnte. Hinzu kam, dass keine neuen Netze mit Drehstrom entstanden.

So gesehen zeigte sich deutlich, dass bei den Bahnen mit Wechselstrom ein Schritt in eine moderne Ansteuerung der Fahrmotoren erfolgen würde. Gerade die Choppersteuerung hätte sich bei den Bahnen mit Wechselstrom gut umsetzen können. Jedoch war diese nicht mit dem Wechselstrom direkt zu verwirklichen. Man musste eine neue Lösung suchen und fand diese bei einer neuen Art der Regelung.

 

Die Stromrichtertechnik

Die Stromrichtertechnik war bei Bahnen mit Gleichstrom eigentlich schon vorhanden. Die dort verwendete Choppersteuerung mit der Gleichrichtung der Wechselspannung führte schon fast zur Stromrichtertechnik. Daher betrachten wir eine Lösung, die sich nur bei Bahnen mit Wechselstrom entwickeln musste, denn die anderen Systeme hatten dafür schlicht keine Verwendung. So gesehen, bewegen wir uns nun zur einheitlichen Lokomotive.

Im Gegensatz zu den Lösungen bei den Bahnen mit Gleichstrom hatte man hier nach der Gleichrichtung der Wechselspannung einen Wellenstrom erhalten. Dieser hatte daher immer noch die Halbwellen der Wechselspannung und war nicht vollständig stabilisiert, wie das bei Bahnen mit Gleichstrom der Fall war. Daher nutzte man diese Halbwellen um die Leistung der Fahrmotoren zu regeln. Man nannte diesen Schritt Phasenanschnitttechnik.

Die Phasenanschnitttechnik: Damit man die Drehzahl der Fahrmotoren regulieren konnte, schnitt man die Phase der Halbwelle einfach an einem bestimmten Punkt. So wurde weniger Spannung zum Fahrmotor geführt. Je mehr von der Halbwelle nun zugeschaltet wurde, desto schneller drehte sich der Motor und die Lokomotive beschleunigte. Grundsätzlich entsprach das der Choppersteuerung, auch wenn hier andere Lösungen gewählt werden mussten.

Um Ihnen die Phasenanschnitttechnik vorzustellen, müssen Sie sich einen Hügel vorstellen. Dieser Hügel sehen wir im Schnitt und erhalten so in etwas das Bild einer Halbwelle unserer Phase. Von diesem Hügel schneiden wir nun einen Teil ab. Der Hügel wird dadurch kleiner. Je mehr wir nun abschneiden, desto kleiner wird der Hügel. Genau das machen wir mit der Phase bei der Phasenanschnitttechnik, und erhalten so unterschiedliche Spannungen für den Fahrmotor.

Da sich dieser Schnitt in jeder Phase wiederholen musste, benötigte man einen sehr schnellen Schalter. Diesen schnellen Schalter fand man in der Elektronik.

Daher wurde diese Regelung der Zugkraft mit elektronischen Bauteilen und nicht mehr mit Stufenschaltern oder Hüpfern aufgebaut. Wir haben uns nun weiter vom Wechselstrom entfernt, als das bei der Umformervariante der Fall war, denn nun wurden die Phasen geschnitten. Der Schalter hiess übrigens Thyristor.

Der Thyristor war das Bauteil der Elektronik, das in der modernen Antriebsregelung den Durchbruch schaffte. Dabei war der Thyristor trotz seinen komplizierten Namen ein einfache Bauteil, das sich sehr gut bei den Lokomotiven mit dieser Technik einbauen liess.

Es lohnt sich daher, wenn wir den Thyristor etwas genauer ansehen, denn dieses Bauteil bildet die Grundlage nahezu der gesamten modernen Regelung der Zugkraft.

Der Thyristor ist im Grunde einfach eine Diode. Das heisst, er lässt den Strom nur in eine Richtung fliessen und sperrt diesen in der Gegenrichtung. Man kann daher den Thyristor durchaus auch als Diode verwenden. Da er aber teurer als die hier verwendeten Dioden ist, wird meisten diese verwendet. Im Gegensatz zur Diode kann der Thyristor aber geschaltet werden. Das heisst, er wird erst leitend, wenn er durch ein Signal gezündet wird. Dreht die Richtung des Stromes sperrt er jedoch wieder.

Der Zeitpunkt der Zündung kann nun beliebig gewählt werden. So ist der Thyristor nur in einem definierten Teil leitend. Es erfolgt eine Regelung der Spannung. Man kann daher den Thyristor als sehr schnellen Schalter bezeichnen, der nur in einem Teilbereich des Wellenstromes schaltet. Dieser Effekt kam schon bei den Lokomotiven zum Einsatz, die den Thyristor als Schalter benutzten um die Gleichrichtertechnik zu verbessern. Jetzt ging man jedoch noch einen Schritt weiter.

Man baute mit den Thyristoren spezielle Schaltungen auf, die Stromrichter genannt wurden. Diese Stromrichter kombinierten nun den schnellen Schalter mit einem Gleichrichter. Die negativen Halbwellen wurden nun gedreht. So bekam man einen Wellenstrom, dessen Phasen angeschnitten werden konnten. Die Phasenanschnitttechnik war fertig entwickelt und konnte nun verwendet werden.

Diese Stromrichter werden dabei korrekterweise auch Thyristorstromrichter genannt. Es kommen in so einem Thyristorstromrichter immer mehrere Thyristoren zur Anwendung. Aufgebaut werden sie dabei als normale Brückenschaltung, wie bei den Dioden. Eine Regelung der Spannung mit mehreren Anzapfungen am Transformator war somit entfallen. Man benötigte nur noch die für die Fahrmotoren passende Spannung und schnitt dabei einfach ab, was zu viel war.

Lokomotiven, die mit diesen Stromrichtern versehen wurden, können stufenlos beschleunigen. Sie verhalten sich dabei wie Lokomotiven, die bei Gleichstrom mit der Choppersteuerung geregelt werden. Der Grund dafür liegt hier beim Thyristor, denn die Zündung kann sehr feinfühlig verändert werden und so zündet der Thyristor immer ein wenig früher und stellt so ein klein wenig mehr Spannung zur Verfügung.

Im Gegensatz zur Choppersteuerung, wo die Einschaltdauer insgesamt verändert wurde, schaltet man hier bei jeder Halbwelle den Teil zu. Daher darf die Choppersteuerung nicht mit der modernen Version mit Stromrichter verwechselt werden, denn nun wird eine Halbwelle geschnitten und nicht mehr ein- oder ausgeschaltet. Daher mein Hinweis, dass wir uns nur Nahe bei den modernen Lösungen befinden.

Der Fachmann hat dabei den Begriff Traktionsstromrichter eingeführt. Der Grund liegt einfach bei der Tatsache, dass Stromrichter einfach überall verwendet wurden, wo Spannungen geregelt werden mussten. So kamen Stromrichter auch bei der Ventilation und bei der Batterieladung zur Anwendung. Ich will hier nicht zu weit in diese Bereiche vordringen, da sie noch behandelt werden. Mit dem Begriff Traktionsstromrichter weiss man letztlich einfach nur genau von welchem Stromrichter gesprochen wird.

Nachdem die Thyristorstromrichter den Start in die moderne Regelung eingeläutet haben, kamen die Entwickler immer zu neuen Ergebnissen. Der Stromrichter wurde nur noch zu einem Teil benötigt und es kamen auch spezielle Thyristoren zur Anwendung. Deshalb war der Stromrichtertechnik nur ein sehr kurzes Leben gegönnt. Fahrzeuge mit dieser Technik galten schon bei der Ablieferung als veraltet. Letztlich gilt aber, dass man ohne die Stromrichter noch nicht da wären wo wir heute sind.

 

Die Umrichtertechnik

Mit den Stromrichtern hatte man die Stufensprünge und den Fahrmotor für Wechselstrom aus der Traktion von Zügen genommen. Es blieben noch Motoren für Gleichstrom und für den Drehstrom im Einsatz. Damit hatte man zwar einen ersten Schritt gemacht, aber am Ziel war man nicht, denn eigentlich wollte man die Vorteile des Motors für Drehstrom nutzen und so einen universellen Fahrmotor schaffen.

Damit sollte auch der Motor für Gleichstrom aus der Traktion verdrängt werden. Es sollte in Zukunft nur noch einen Motor geben, den man verwenden kann. Die Versuche in diese Richtung liefen schon seit Jahren und hatten dabei immer mehr Erfolge zu verzeichnen. Man war auf dem richtigen Weg und das Ziel schien bald erreicht zu sein. Diesen letzten Schritt wollen wir nun begleiten und so die Technik kennen lernen.

Will man einen Motor für Drehstrom bei Bahnen mit Wechselstrom oder mit Gleichstrom einsetzen, kann man das nicht ohne eine Veränderung der Spannungen. Anders gesagt, man musste aus Wechselstrom einen Drehstrom machen. Bisher boten sich hier nur die Umformergruppen an, aber die waren nicht wirtschaftlich genug. Man musste die Spannung umformen, ohne dass man auf den Umformer zurückgreifen musste. Die Lösung hiess letztlich umrichten und nicht umformen.

Der Umrichter: Kernstück der neuen Antriebstechnik für elektrische Lokomotiven war der Umrichter. Der eigentliche Umrichter bestand aus zwei Baugruppen, die mit einem dazwischen liegenden elektrischen Bereich verbunden sind. Diese beiden Baugruppen wurden sogar gleich aufgebaut. So konnte der Umrichter die Spannung in beide Richtungen umwandeln. So konnte auch der letzte Teil der Drehstrommotoren genutzt werden.

Die Umwandlung von Wechselstrom in Drehstrom erfolgt dabei in zwei Schritten. Man kann diese Umwandlung nicht in einem Schritt ausführen, denn man benötigt eine neutrale Form der Spannung und die fand man beim Gleichstrom, der frei von Sinuswellen ist und so bestens für den Umrichter geeignet ist. Sehen wir uns diese drei Schritte beim Wechsel von Wechselstrom auf Drehstrom etwas genauer an. Um den anderen Wechsel zu erfahren, müssen Sie einfach von unten nach oben lesen.

Die Spannung aus der Fahrleitung wurde entweder direkt oder über einen Transformator zu einem Stromrichter geführt. Dieser Stromrichter war jedoch eine Weiterentwicklung des vorher beschriebenen Thyristorstromrichters und bestand aus anderen Bauteilen, die nicht mit dem Thyristor verwechselt werden sollten. Dazu kommen wir aber später noch genauer. Die Aufgabe des Stromrichters ist aber identisch. Das heisst, es entsteht aus dem Wechselstrom ein Gleichstrom.

So gesehen, gab es bis jetzt keinen Unterschied zur Stromrichtertechnik, denn man könnte diese Gleichspannung für die Fahrmotoren nutzen. Da man das nicht wollte, nannte man diesen Bereich Zwischenkreis. Bei der Wahl des passenden Zwischenkreises hätte man hier auch die Gleichspannung von Bahnen, die mit Gleichstrom arbeiten, einführen können. Man hatte nun einen Punkt, der von verschiedenen Systemen gleich gespeist wurde.

Die vom Stromrichter abgegebene Gleichspannung kommt in den Zwischenkreis. Das ist ein geschlossener Stromkreis, der normalerweise keine angeschlossenen Verbraucher hat. Er stellt die Verbindung zwischen dem Eingangsstromrichter, also den Stromrichter von vorhin, und dem nachgeschalteten Wechselrichter her. Damit sind die beiden Stromrichter eigentlich durch diesen Zwischenkreis getrennt worden.

Nötig ist dieser Zwischenkreis eigentlich nur, weil man nicht direkt aus Wechselstrom einen Drehstrom machen kann. Man benötigt also diesen Zwischenschritt. So ergab sich der Name. Wenn wir die Lokomotive jedoch unter Gleichstrom betreiben, können wir den Transformator und den Stromrichter einfach umgehen und speisen direkt in den Zwischenkreis ein. Wir haben auf einfache Weise die Möglichkeit, die Lokomotive unter zwei Systemen fahren zu lassen.

Andererseits können wir beim Zwischenkreis auch Gleichstrom beziehen, den wir zum Beispiel für die Ladung der Batterien benötigen. Das heisst der Zwischenkreis ist also real vorhanden und nicht nur in der Schaltung vermerkt. Für die Fahrmotoren sind wir aber immer noch nicht am Ziel angelangt. Wir wollen schliesslich Drehstrom und den erzeugen wir mit dem Wechselrichter. Wobei Sie schnell erkennen werden, dass wir eigentlich einen zweiten Stromrichter haben.

Der dritte und letzte Schritt beim Umformer ist der Wechselrichter. Es handelt sich dabei um einen Stromrichter, der aber aus Gleichstrom einen Wechselstrom erzeugt. Er wird daher umgekehrt betrieben. Jedoch konnte man für einen Wechselrichter keine normalen Thyristoren nehmen, da diese nicht gekippt werden konnten. So musste man neuartige Schaltelemente verwenden.

Beim Wechselrichter liegen die Unterschiede zwischen einem Umrichter und einem normalen Stromrichter, denn der Umrichter kann im Gegensatz zum normalen Stromrichter Wechselstrom erzeugen. Man nennt ihn deshalb jetzt Wechselrichter. Das muss aber nicht immer so sein. Betreibt man den Umrichter in die entgegengesetzte Richtung wird aus dem Stromrichter ein Wechselrichter und umgekehrt. Wir haben eine bidirektionale Verbindung erhalten.

Wir wissen jetzt, wie ein Umrichter grob betrachtet funktioniert und dass er nicht mit einem klassischen Stromrichter verglichen werden kann. Dies obwohl durchaus die gleichen Begriffe verwendet werden. Nur mit was für Bauteilen arbeitet man denn in einem Umrichter? Der Thyristor des Stromrichters ist hier, wie ich schon erwähnt habe, schlicht überfordert. Es müssen spezielle Bauteile her und das waren anfänglich spezielle Thyristoren. Daher lohnt es sich, wenn wir diese ansehen.

Schaltelemente beim Umrichter: Bei den Stromrichtern haben wir den Thyristor kennen gelernt. Damit haben wir erfahren, dass er ein schneller Schalter ist. Das Problem war hingegen, dass er sich nur einschalten konnte. Die Ausschaltung erfolgte immer, wenn sich die Richtung der Spannung kehrte. Damit konnte man nicht bestimmen, wann der Thyristor auszuschalten hat. Aber genau das benötigte man bei einem Umrichter, so dass wir uns dessen Schaltelemente ansehen müssen.

Die Entwicklung der GTO-Thyristoren brachte den endgültigen Durchbruch und die Umrichtertechnik konnte umgesetzt werden. Diese GTO (Gate Turn Off) Thyristoren konnten im Gegensatz zu ihren Vorgängern nach dem Zünden zu einem beliebigen Zeitpunkt wieder gelöscht werden. Beim GTO musste daher nicht abgewartet werden, bis der Nulldurchgang kam. Dank den GTO-Thyristoren konnten die ersten Wechselrichter aufgebaut werden. Die Schritte, die nötig wurden um eine beliebige Spannung zu erzeugen, konnte man nun frei wählen.

Die GTO-Thyristoren verwendete man also überall im Umrichter. Für Sie heisst das, dass der Stromrichter beim Umformer aus GTO- und beim klassischen Stromrichter aus normalen Thyristoren besteht. Deshalb sagte ich, dass man den Stromrichter beim Umrichter nicht mit einem normalen Thyristorstromrichter vergleichen darf. Der Stromrichter beim Umrichter konnte kippen und so zum Wechselrichter werden. Umgekehrt ging das natürlich auch.

Betrieb man den GTO als Wechselrichter, schaltet man den GTO in Bruchteilen von Sekunden aus und wieder ein. Dadurch konnte man nun mit definierten Schaltfolgen einen Wechselrichter aufbauen, der eine variable Frequenz hatte und der so sämtliche Vorteile des Motors für Drehstrom hervorbringen konnte. Der Dabei geformte Wechselstrom oder Drehstrom hatte zwar leichte Ecken, aber das spielte bei der Versorgung keine Rolle.

Man entwickelte die Technik jedoch immer weiter und so hatten auch die GTO-Thyristoren ausgedient. Es kamen nun die Transistoren zur Anwendung. Am Prinzip änderte man jedoch nichts mehr, man war am Ziel und konnte nun auch bei Bahnen mit Wechselstrom Motoren für Drehstrom verwenden. Damit wir vollständig informiert sind, betrachten wir nun die Lösung mit Transistoren. Willkommen in der Welt der IGBT.

Den letzten Schritt zur heutigen Technik machte man mit den IGBT Transistoren. Diese ausgeschrieben Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren genannten Bauteile hatten gegenüber den bisherigen GTO den Vorteil, dass sie leichter waren und einfacher gekühlt werden konnten. Ausschlaggebend für den Wechsel war das geringere Gewicht der IGBT, denn Umrichterlokomotiven waren tendenziell immer zu schwer geworden. So konnte man nun auch das Gewicht bei vergleichbarer Leistung einhalten.

Dabei arbeitet der Transistor beim IGBT ähnlich wie der Thyristor. Nur vereinfachten die IGBT den Aufbau der Lokomotiven und so auch den Aufwand, den man betreiben musste, um eine Lokomotive für mehrere Stromsysteme zu bauen. Bei mit IGBT ausgerüsteten Lokomotiven ist die universale Spannungsversorgung eigentlich schon automatisch vorhanden, es muss nur noch die Software angepasst werden. Man war am Ziel angelangt und hatte nun die Umformung und Drehstrommotoren.

Mit der Umrichtertechnik wurde aus der bisherigen elektrischen Lokomotive ein allseits einsetzbares Fahrzeug. Es spielte keine Rolle mehr, was in der Fahrleitung für eine Spannung vorhanden war. Die Fahrleitungen von Drehstrom verhinderten, dass man wirklich sämtliche Stromsysteme einspeisen konnte. Der Umrichter konnte daher je nach Wunsch mit Wechsel- oder Gleichstrom betrieben werden. Die Spannung stellte man im Zwischenkreis ein und so hatte man alles, was man benötigte.

 

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