Drehstromantrieb (Eisenbahn)

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Die Drehstromantriebstechnik ist eine Art des Antriebs für elektrische Triebfahrzeuge, bei der Drehstrommotoren für den Antrieb eingesetzt werden. Eine elektrische Lokomotive mit Drehstromantrieb wurde erstmals 1892 von Siemens & Halske gebaut. Der Einsatz von Drehstrommotoren bietet generell Vorteile durch hohe Effizienz bei vergleichsweise geringem Wartungs- und Materialaufwand.

Grundsätzlich gibt es drei Varianten des Drehstromantriebs, bedingt durch die unterschiedliche Erzeugung und Zufuhr des Drehstroms in das Triebfahrzeug: Drehstromzuführung über die Oberleitung und Drehstromgewinnung im Fahrzeug erstens durch Umformer und zweitens durch Umrichter.

Drehstromzuführung über Oberleitung

Siemens Fahrzeug von 1897 für den Versuchsbetrieb Groß-Lichterfelde - Zehlendorf
Siemens Drehstromtriebwagen von 1903 mit dreipoligem Stromabnehmer

Bei den ersten Versuchsanordnungen wurde der Drehstrom dem Triebfahrzeug über eine seitliche dreipolige Fahrleitung zugeführt, was aufwändige Konstruktionen der Oberleitungen und der Stromabnehmer erfordert. Für die Gestaltung der dreipoligen Oberleitungen im Bereich von Weichen und Kreuzungen konnten keine für den Regelbetrieb praktikablen Lösungen gefunden werden.

Nachdem Siemens & Halske in den Jahren 1899 und 1900 auf einer kurzen Versuchsstrecke in Groß-Lichterfelde bei Berlin die grundsätzliche Eignung von Drehstrom für Bahnen nachweisen konnte, sollten anschließend Versuchsfahrten auf einer längeren Eisenbahnstrecke durchgeführt werden. Mit der Inbetriebnahme des Kraftwerks Oberspree, des ersten Drehstromkraftwerks Deutschlands, stand ab 1897 im Raum Berlin eine leistungsfähige Stromversorgung zur Verfügung. Für die Versuche wurde mit der Studiengesellschaft für Elektrische Schnellbahnen ein neues Unternehmen gegründet, an dem namhafte Unternehmen der Elektro-, Maschinenbau- und Waggonbauindustrie beteiligt wurden. Auf dem 23 km langen geradlinigen Abschnitt Marienfelde–Zossen der Königlich Preußischen Militär-Eisenbahn wurde die Versuchsstrecke eingerichtet. Im Jahr 1901 wurden die ersten Fahrten durchgeführt, die viele neue Erkenntnisse für den Eisenbahnbetrieb brachten, insbesondere für die Gestaltung des Oberbaus und der Fahrzeuge. Nach der Ertüchtigung von Strecke und Fahrzeugen konnte 1903 ein Geschwindigkeits­weltrekord mit 210,3 km/h erreicht werden.[1][2]

Da eine dreipolige Oberleitung wie bei den Versuchsstrecken an vielen Orten keinen Platz fand, wurde bei den kommerziellen Drehstromelektrifikationen ab 1896 der Weg über eine zweipolige Fahrleitung gewählt und die dritte Phase an Erde gelegt, den dritten Pol bilden also die Schienen. Derart elektrifizierte Bahnen existieren heute noch vier, nämlich die Zahnradbahnen auf die Jungfrau und den Gornergrat in den Schweizer Alpen, die Chemin de Fer de la Rhune in den französischen Pyrenäen sowie die Corcovado-Bergbahn in Brasilien. Um eine ununterbrochene Stromzuführung aller Phasen im Weichenbereich zu gewährleisten, verkehren die Triebfahrzeuge auf derartigen Strecken mit gehobenen Stromabnehmern an beiden Fahrzeugenden.

Liste der Bahnstrecken, die je mit Drehstrom elektrifiziert waren
Spurweite Von Bis Spannung (Volt) Frequenz Bahngesellschaft, Strecke, Bemerkung

1435		 1898
1901		 1901
1903

38 – 48		 Siemens & Halske / kurze Drehstrom-Versuchsstrecke Groß-Lichterfelde–Zehlendorf sowie
Studiengesellschaft für Elektrische Schnellbahnen / Schnellfahrversuche auf der Militäreisenbahn Marienfelde–Zossen bei Berlin,
beide mit dreipoliger Fahrleitung neben der Strecke
1000 1895 1910 400 40 TEL: Tram Lugano, Versuchsbetrieb mit 350 Volt ab Dezember 1895, ab 1910 Gleichstrombetrieb
1000 1898
1930		 (heute) 550
750		 40
50		 Gornergratbahn: Zermatt–Gornergrat
0800 1899 1960 500 40 Riffelalptram: Riffelalp Station–Riffelalp Hotel, eingestellt nach Hotelbrand, heute wieder in Betrieb mit Akkubetrieb
1000 1898
1960
1964		 (heute) 650
650
1125		 40
50
50		 Jungfraubahn Kleine Scheidegg–Eigergletscher, 2. August 1899 Rotstock, 18. Juni 1903 Eigerwand, 25. Juli 1905 Eismeer, 1. August 1912 Jungfraujoch, ursprüngliche Frequenz auch mit 38 Hz angegeben
1000 1898 1964 750 33 StEB Stansstad–Engelberg, 1964 mit Brünigbahn verbunden und auf Wechselstrom umgestellt
0600 1898 1908 200 -- Hoteltram Évian-les-Bains (300 m)
1435 1899 1932–33 750 40 EB/BTB Burgdorf–Thun, ab 17. Juni 1919 auch EB Hasle-Rüeggsau–Langnau, 1932–33 auf Wechselstrom umgestellt
1000 1900 1914 500 40 SSS/SStB Schwyz Bahnhof–Schwyz, 1914 bis Ibach verlängert und auf Gleichstrom umgestellt, 1963 eingestellt
1899 1... 3000 16 2/3 Ganz-Versuchsstrecke auf der Óbuda-Insel 1,5 km
1435 1900 1911 3000 16 2/3 Wöllersdorfer Werke in Wöllersdorf-Steinabrückl von Firma Ganz, Ungarn
1435 1902 1976 3600 16 2/3 RA/FS Veltlinbahn Lecco–Chiavenna/Sondrio, Hersteller Ganz; ausgeweitet auf Monza–Lecco, FAV/FS Sondrio–Tirano (insgesamt 130 km, bis 1930 mit 3000 V/15 Hz). Ab 1914 zusammenhängendes Netz von der französischen Grenze in Menton (Ligurische Küste) und Modane (italienischer Teil der Mont-Cenis-Bahn), via Turin und Giovipass bis Genua, Livorno und Fornovo, darin Alessandria/Asti-S.Giuseppe di Cáiro als letzte bis 1976 in Betrieb, und isoliert davon: Trento–Brenner sowie Bozen–Meran (elektrifiziert 1929–34, umgestellt 1952 und 1965), Firenze-Bologna (elektrifiziert 1927, umgestellt 1934–35), heute alle Strecken 3000 V Gleichstrom
1435 1928 194. 10000 45 FS Rom–Tivoli–Sulmona (23. März 1929), ab 1935 nur noch Mandela–Sulmona, im Zweiten Weltkrieg beschädigt, danach mit 3000 V Gleichstrom wiederaufgebaut (siehe Ferrovia Roma-Sulmona-Pescara)
1000 1905 1969 750 50 BrMB Brunnen–Morschach–Axenstein, 1969 eingestellt und abgebrochen
1435 1906 1930 3000 16 SBB/BBC Drehstrombetrieb Brig–Iselle (Simplontunnel), vom 31. Juli 1919 bis 1927 ausgeweitet auf Brig–Sion, umgestellt auf Wechselstrom
1435 1909 1927 6600 25 Great Northern: alter Cascade-Tunnel, USA, umgestellt auf Wechselstrom, 1929 durch neuen Tunnel ersetzt, ab 1956 Dieselbetrieb
1435 1909 1958 500 50 Bergbahn Rheineck-Walzenhausen: Tram Rheineck Bahnhof–Talstation der Standseilbahn, heute durchgehender Betrieb Zahnrad- und Adhäsionsbahn
1000 1910
1976
(heute)		 750
900		 50
60		 Corcovado-Bergbahn: Rio de Janeiro–Corcovado
1668 1911 1966 5200 25 Compañía de los Caminos de Hierro del Sur de España, dann Compañía de los Ferrocarriles Andaluces, schließlich RENFE: Santa Fe–Gérgal, etappenweise erweitert auf Almería–Nacimiento (1963, 46,8 km), nur für Erzzüge, ab 1989 Gleichstrombetrieb, 1996 Mine geschlossen, nur noch Dieselbetrieb
1000 1912 1966 3000 50 CFHMP Bergbahn Luchon–Superbagnères
1000 1914
1930		 (heute) 3000 25
50		 VFDM/CFTA Chemin de Fer de la Rhune: Col de St-Ignace–La Rhune
0900 1927 1949 3000 50 Rheinische AG für Braunkohlebergbau und Brikettfabrikation (RAG) (Privatbetreiber): Zahnradbahn Tagebau Gruhlwerk in Kierberg bei Köln: die 700 Meter lange Strecke verband die Braunkohle-Tagebaue mit der Brikettfabrik des Gruhlwerkes.
dreipolige Fahrleitung
1200 1950 1975 500 50 StGM: St. Gallen–Mühlegg, Umbau aus Standseilbahn, 1975 Umbau zu automatischer Standseilbahn mit einem Wagen

Drehstromgewinnung mit Umformer

Rotierender Umformer. Links die Gleichstrommaschine, rechts der Drehstromgenerator

Bei einem Umformer, bestehend aus zwei rotierenden elektrischen Maschinen, treibt ein Gleich- oder Wechselstrommotor über eine gemeinsame Achse einen Drehstromgenerator an, welcher den Drehstrom für die Drehstrommotoren erzeugt. So wird aus dem Gleich- oder Wechselstrom der Fahrleitung in der Lokomotive der Drehstrom erzeugt. Erstmals wurde dieses Prinzip 1923 von Kálmán Kandó praktisch ausgeführt mit dem Bau der MÁV-Baureihe V50, die aus der Fahrleitung Einphasenwechselstrom mit Industriefrequenz bezog, welcher durch einen rotierenden Umformer in Drehstrom für die zwei Fahrmotoren umgewandelt wurde.

Drehstromantrieb mit Umrichter

120 002 in Würzburg 1984

Mittels Leistungselektronik werden bei Frequenzumrichtern die Drehstrommotoren in der Lok angesteuert, wobei die elektrische Energie erst an Bord aus dem über die Fahrleitung zugeführten Gleichstrom oder Einphasen-Wechselstrom in Traktionsumrichtern in Drehstrom umgewandelt wird. Die Motoren sind über die Stromrichter gut zu steuern und zeichnen sich durch eine sehr gute Leistungsfähigkeit bei geringerem Gewicht aus.

Anfang der 1970er Jahre kam es zu den ersten Erprobungen durch die dieselelektrischen Versuchslokomotiven der Baureihe Henschel-BBC DE 2500. Nach einer Kleinserie der Henschel E 1200 war die erste in größerer Serie gebaute Drehstromlokomotive der Welt die deutsche Baureihe 120 mit Traktionsumrichtern vom heutigen Bombardier-Transportation-Werk Mannheim.

Literatur

  • Peter-Klaus Budig: Stromrichtergespeiste Drehstromantriebe : Theorie und Betriebsverhalten von Asynchronantrieben. VDE-Verlag, Berlin 2001, ISBN 3-8007-2371-9.
  • Eberhard Seefried: Frequenzgesteuerte Drehstrom-Asynchronantriebe : Betriebsverhalten und Entwurf. (Herausgegeben von Germar Müller) 2., bearbeitete Auflage. Verlag Technik, Berlin 1992, ISBN 3-341-00995-7.
  • D. Bätzold: 100 Jahre elektrische Lokomotiven (3). In: Der Modelleisenbahner, Ausgabe 7/1979.
  • Hans G. Wägli, Schienennetz Schweiz, Réseau ferré suisse. AS-Verlag, Zürich 2010 (Dritte überarbeitete Auflage), ISBN 978-3-909111-74-9.
  • Nico Molino: Trifase in Italia 1902–1925. Gulliver, Torino 1991, ISBN 88-85361-08-0.
  • Nico Molino: Trifase in Italia 1925–1976. Gulliver, Torino 1991, ISBN 88-85361-12-9.

Einzelnachweise

  1. ↑ O. Lasche, Berlin: Die Schnellbahnwagen der Allgemeinen Elektrizitäts-Gesellschaft in Berlin, Seiten 626–627 In: Polytechnisches Journal, Verlag J. G. Cotta, Stuttgart, 1901.
  2. ↑ M. Buhle und W. Pfitzner, Dresden: Die Schnellbahnwagen der Studiengesellschaft für elektrische Schnellbahnen in Berlin, Teil 1, Seiten 449–452, Teil 2, Seiten 481–484 In: Polytechnisches Journal, Verlag J. G. Cotta, Stuttgart, 1904.
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