Drehstromantrieb (Eisenbahn)
Die Drehstromantriebstechnik ist eine Art des Antriebs für elektrische Triebfahrzeuge, bei der dreiphasige 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 ins Fahrzeug über mehr als einpolige Oberleitung oder die Einphasen-Wechselstrom-Oberleitung mit Drehstromgewinnung im Fahrzeug, früher durch mechanische Umformer, inzwischen durch elektronische Umrichter.
Drehstromzuführung über Oberleitung
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.
Als erste Hauptbahnlinie der Welt wurde im Jahr 1902 die Veltlinbahn und von ihr ausgehend ein größeres Drehstrom-Netz in Norditalien ebenfalls mit zweipoliger Oberleitung elektrifiziert, das bis in die 1970er Jahre betrieben wurde. 1906 folgte der Drehstrombetrieb Brig–Iselle mit dem 19,8 km lange Simplontunnel, der zu diesem Zeitpunkt nur mit Drehstrombahnen sicher betrieben werden konnte. Um eine ununterbrochene Stromzuführung aller Phasen im Weichenbereich zu gewährleisten, verkehren die Triebfahrzeuge auf derartigen Strecken mit gehobenen Stromabnehmern an beiden Fahrzeugenden.
| Spurweite | Von | Bis | Spannung (Volt) | Frequenz | Bahngesellschaft, Strecke, Bemerkung |
|---|---|---|---|---|---|
| 1435 | 1898 | 1901 | 10.000 | 38 – 48 | Siemens & Halske / kurze Drehstrom-Versuchsstrecke Groß-Lichterfelde–Zehlendorf bei Berlin mit dreipoliger Fahrleitung neben der Strecke |
| 1435 | 1901 | 1903 | 10.000 | 38 – 48 | Studiengesellschaft für Elektrische Schnellbahnen / Schnellfahrversuche auf der Militäreisenbahn Marienfelde–Zossen bei Berlin 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 |
| 800 | 1899 | 1960 | 500 | 40 | Riffelalptram: Riffelalp Station–Riffelalp Hotel, eingestellt nach Hotelbrand, heute wieder in Betrieb mit Akkus |
| 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 |
| 600 | 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. | 10.000 | 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 | 1924 1930 | (heute) | 3000 | 25 50 | VFDM/CFTA Chemin de Fer de la Rhune: Col de St-Ignace–La Rhune |
| 900 | 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
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
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, die einen Generator zur Stromerzeugung erhielt. Nach einer Kleinserie der Henschel E 1200 im Jahr 1976 für die Ruhrkohle AG war die erste in größerer Serie gebaute Drehstromlokomotive der Welt die deutsche Baureihe 120 mit Traktionsumrichtern vom heutigen Standort Mannheim von Alstom ab 1979 (Vorserie) bzw. ab 1987 (Serienlieferung). Die Antriebstechnik der Baureihe 120 wurde ab 1983 in den Versuchszug InterCityExperimental und ab 1988 in die Serienlieferungen des ICE 1 übernommen.
Literatur
- Peter-Klaus Budig: Stromrichtergespeiste Drehstromantriebe : Theorie und Betriebsverhalten von Asynchronantrieben. VDE-Verlag, Berlin 2001, ISBN 3-8007-2371-9.
- Nico Molino: Trifase in Italia 1902–1925. Gulliver, Torino 1991, ISBN 88-85361-08-0.
- Hans G. Wägli, Schienennetz Schweiz, Réseau ferré suisse. AS-Verlag, Zürich 2010 (Dritte überarbeitete Auflage), ISBN 978-3-909111-74-9.
- Guy Depraetere: Drehstrom in Italien – 1902-1976, Der Lok-Vogel 1–4/2011
- D. Bätzold: 100 Jahre elektrische Lokomotiven (3). In: Der Modelleisenbahner, Ausgabe 7/1979.
- Andreas Moglestue: Vom Quecksilberdampf zum Hybridleistungsschalter – 100 Jahre Leistungselektronik, ABB review 2/2013
- Eberhard Seefried: Frequenzgesteuerte Drehstrom-Asynchronantriebe : Betriebsverhalten und Entwurf. (Herausgegeben von Germar Müller) 2., bearbeitete Auflage. Verlag Technik, Berlin 1992, ISBN 3-341-00995-7.
- Nico Molino: Trifase in Italia 1925–1976. Gulliver, Torino 1991, ISBN 88-85361-12-9.
Weblinks
Einzelnachweise
- ↑ O. Lasche, Berlin: Die Schnellbahnwagen der Allgemeinen Elektrizitäts-Gesellschaft in Berlin, Seiten 626–627 (Seite nicht mehr abrufbar, festgestellt im April 2023. Suche in Webarchiven) Info: Der Link wurde automatisch als defekt markiert. Bitte prüfe den Link gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis. In: Polytechnisches Journal, Verlag J. G. Cotta, Stuttgart, 1901.
- ↑ M. Buhle und W. Pfitzner, Dresden: Die Schnellbahnwagen der Studiengesellschaft für elektrische Schnellbahnen in Berlin, Teil 1, Seiten 449–452 (Memento des vom 30. Dezember 2015 im Internet Archive) Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis., Teil 2, Seiten 481–484 (Memento des vom 13. Dezember 2015 im Internet Archive) Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis. In: Polytechnisches Journal, Verlag J. G. Cotta, Stuttgart, 1904.
Existierende Strecken: Jungfraubahn 1898 | Gornergratbahn 1898 | Chemin de Fer de la Rhune 1914/24 | Corcovado Bergbahn 1910
Später umelektrifizierte Strecken: Veltlinbahn | Ferrovia Alta Valtellina | Bahnstrecke Modane–Turin | Trento–Brenner | Bozen–Meran | Firenze-Bologna | TEL Tram Lugano 1896–1910 | StEB Stansstad–Engelberg 1898–1964 | BTB Burgdorf–Thun-Bahn 1899–1933 | SSS/SStB Schwyzer Strassenbahnen 1900–1914 | SBB/BBC Drehstrombetrieb Brig–Iselle 1906–1930 | Great Northern alter Cascade-Tunnel 1909–1927 | RhW Tram Rheineck 1909–1958 | RENFE Gérgal–Santa Fe-Alhama 1911–1966 | SBB Sion–Brig 1919–1927 | EB Hasle-Rüegsau–Langnau 1919–1932
Frühere Drehstromelektrifikationen: Riffelalptram 1898–1960 | Hoteltram Évian-les-Bains 1898–1908 | Wöllersdorfer Militärgleis 1902–1911 | BrMB Brunnen-Morschach-Bahn 1905–1969 | CFHMP Luchon–Superbagnières de Luchon 1912–1966 | Mühleggbahn 1950–1975 | RAG Zahnradbahn Tagebau Gruhlwerk 1927–1949
Versuchsbetriebe: Drehstrom-Versuchbetrieb von Siemens & Halske | Ganz-Versuchsstrecke auf der Óbuda-Insel | Drehstrom-Versuchsbetrieb Brig–Iselle
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Henschel-BBC DE2500 diesel-electric locomotive.
Lokomotive der Drehstrom-Versuchsstrecke Groß-Lichterfelde–Zehlendorf. Die Lokomotive wurde 1899 mit der Fabriknummer 303 von Siemens & Halske erbaut. Das Bild zeigt die Lokomotive nach dem Umbau von 1900, wo der ursprüngliche Holzkasten bereits durch einen Metallaufbau ersetzt war. Die Lok ist heute im Verkehrsmuseum Dresden ausgestellt.
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DB Baureihe 120 (Vorserie) im Bw Würzburg Hbf
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Der ICE-Vorläufer InterCityExperimental auf der Güterstrecke Karlsfeld (b.München)–Olching. Es war die erste Ausfahrt des vollständigen Zuges, am Tag vor der offiziellen Präsentation. Die Fahrzeuge, von vorn nach hinten: 410 001, 810 002, 810 001, 810 003, 410 002
A high speed train driven with three phase current from 1903. Train manufactured by Siemens, Germany.
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Gornergratbahn kurz vor der Station "Gornergrat" (Wallis / Schweiz)