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eb - Elektrische Bahnen Vectron-Lokomotiven (Vorschau)

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B 2580<br />

8-9/2012<br />

<strong>Elektrische</strong><br />

<strong>Bahnen</strong><br />

August/September<br />

Elektrotechnik<br />

im Verkehrswesen<br />

Standpunkt<br />

Reibungsloser Verkehr auf der Schiene<br />

Fokus<br />

Praxis<br />

<strong>Vectron</strong>-<strong>Lokomotiven</strong> – erste unbefristete Zulassung<br />

Bahnstrom-Hochspannungsleitung SBB – ÖBB in Betri<strong>eb</strong><br />

Report<br />

Schienenfahrzeuge von A(nforderung) bis Z(ulassung)<br />

Felssturz auf der Gotthardstrecke<br />

Forum<br />

Zukunftsentscheidungen nach zweierlei Maß<br />

Thema<br />

Induktive Energieübertragung für Elektrofahrzeuge im Testbetri<strong>eb</strong><br />

<strong>Bahnen</strong> auf dem neuesten Stand<br />

Fahrdrahtenteisungsanlage für Bahn und Tram<br />

Erster Mittelfrequenz-Tranktionstransformator im Betri<strong>eb</strong>seinsatz<br />

Fahrzeuge<br />

Tri<strong>eb</strong>züge Desiro ML für die SNCB<br />

<strong>Vectron</strong> DE – die kraftstoffsparende dieselelektrische Lokomotive<br />

Last Mile – die neue Funktion der TRAXX AC3-<strong>Lokomotiven</strong><br />

Energiespeicher auf Straßen- und Stadtbahnfahrzeugen – das erste Serienprojekt<br />

Projekte<br />

Elektromobilität bei schweren Nutzfahrzeugen<br />

SupraTrans II – Fahrversuchsanlage für eine Magnetbahn mit Supraleitern<br />

Rail Power Supply Systems / <strong>Bahnen</strong>ergieversorgung<br />

Queensland Rail’s proof of concept for OpenPowerNet<br />

Kompakte DC-Schaltanlage für die Bahnstromversorgung der Jungfraubahnen<br />

Oberleitung / Overhead Contact Line<br />

Nachspannvorrichtung für Fahrleitungen von Nahverkehrsbahnen<br />

Infrared thermography – application for fixed installations at SNCF<br />

Betri<strong>eb</strong><br />

<strong>Elektrische</strong>r Betri<strong>eb</strong> bei der Ofot-Bahn in Norwegen<br />

Historie<br />

<strong>eb</strong> – <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> im Jahre 1912 – Teil 2


Mit vielen, bisher<br />

unveröffentlichten<br />

Bildern<br />

Wechselstrom- Zugbetri<strong>eb</strong><br />

in Deutschland<br />

Band 3: Die Deutsche Reichsbahn<br />

Teil 1 – 1947 bis 1960<br />

Eine einzigartige, chronologische Beschreibung der Entwicklung<br />

der Tri<strong>eb</strong>fahrzeuge, Bahnstromversorgungs- und Fahrleitungsanlagen<br />

sowie des Werkstättenwesens dieser Zeit.<br />

Bereits 1947 beschäftigte sich die Deutsche Reichsbahn mit dem<br />

Gedanken zur Wiederelektrifi zierung des im Jahr zuvor demontierten<br />

elektrischen Streckennetzes. 1950 folgten dann konkrete Schritte, die<br />

nach Verhandlungen mit der UdSSR in einem Staatsvertrag endeten.<br />

Einen sofortigen Wiederaufbau des Demontagegutes verhinderten der<br />

Zustand von <strong>Lokomotiven</strong> und Anlagen sowie DDR-interne Streitereien<br />

ü ber das anzuwendende Bahnstromsystem. Trotzdem gelang es 1955<br />

den elektrischen Zugbetri<strong>eb</strong> wieder aufzunehmen.<br />

In diesem Band werden die nach Kriegsende bei der AEG und<br />

den SSW verbli<strong>eb</strong>enen Reparaturloks, Arbeiten der AEG fü r die<br />

Besatzungsmacht, die Vertragsverhandlungen mit der UdSSR<br />

und der Aufbau des Kraftwerkes, der Unterwerke, Fern- und<br />

Fahrleitungsanlagen beschri<strong>eb</strong>en.<br />

Dieses Werk veranschaulicht ein Stü ck Zeitgeschichte und<br />

beschreibt die Zusammenhänge zwischen den technischen,<br />

wirtschaftlichen sowie den gesellschaftlichen und politischen<br />

Entwicklungen dieser Epoche.<br />

P. Glanert / Th. Scherrans / Th. Borbe / R. Lü deritz<br />

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Standpunkt<br />

Reibungsloser Verkehr auf der Schiene –<br />

Herausforderungen und Perspektiven<br />

Deutschland ist mobil, Tag für Tag. Immer<br />

mehr Menschen pendeln zwischen<br />

Wohnort und Arbeitsplatz. Seit den<br />

1990er Jahren ist der Anteil der Berufspendler<br />

von 31 Prozent auf mehr als 40 Prozent<br />

gestiegen, wie das Institut für Arbeitsmarkt- und Berufsforschung<br />

errechnete. Und die Pendler nehmen<br />

immer größere Strecken in Kauf.<br />

Daran lässt sich eindrucksvoll belegen, dass<br />

Mobilität eines der grundlegenden Themen unserer<br />

Zeit ist. Der Vorteil des Schienenverkehrs gegenüber<br />

der Straße liegt hierbei auf der Hand: Es ist ein<br />

leistungsfähiges, zuverlässiges und umweltfreundliches<br />

System, sowohl für den Personen- als auch<br />

den Güterverkehr. Das steigende Verkehrsaufkommen<br />

lässt sich nur durch moderne und kundenfreundliche<br />

Schienenverkehrsfahrzeuge im Fern-,<br />

Regional- und Nahverkehr bewältigen und umweltfreundlich<br />

gestalten!<br />

Doch die gesamte Branche steht vor großen<br />

Herausforderungen: Im Lauf der nächsten Jahre<br />

steht mehr als die Hälfte des regionalen Schienenverkehrs<br />

zur Ausschreibung an – dies umfasst über<br />

300 Millionen Zugkilometer. In dieser Situation<br />

muss langfristig gedacht und doch zügig und pragmatisch<br />

gehandelt werden. Die Ausschreibung und<br />

Beschaffung von Neufahrzeugen könnte beispielsweise<br />

durch die Aufgabenträger parallel zur Vergabe<br />

der Verkehrsverträge an die Betreiber stattfinden,<br />

um sicherzustellen, dass die neuen Fahrzeuge rechtzeitig<br />

zur Betri<strong>eb</strong>saufnahme zur Verfügung stehen.<br />

Zudem darf in diesem Zusammenhang die Finanzierung<br />

der Verkehre und der Fahrzeugbeschaffung<br />

nicht vergessen werden! Hierzu ist die Fortschreibung<br />

beziehungsweise Ausweitung der Regionalisierungsmittel<br />

nach 2014 unbedingt notwendig.<br />

Zusätzlich lohnt es sich, über die Steigerung der<br />

Attraktivität des Schienenverkehrs für institutionelle<br />

Anleger nachzudenken, ähnlich wie bei der aktuellen<br />

Diskussion über den Einstieg von Investoren in<br />

die Netzanbindung von Offshore-Windparks.<br />

Doch damit nicht genug: Zulassungsverfahren<br />

für neue Züge sind<br />

zu einem langwierigen und riskanten<br />

Prozess geworden. Sicherheit ist unbestreitbar<br />

unser höchstes Ziel, doch neue<br />

Lösungen beinhalten oft ein hohes<br />

Maß an Komplexität und ziehen damit<br />

vielfältige Prüfanforderungen nach<br />

sich. Hier müssen europaweit geltende<br />

Standards eine angemessenere Planbarkeit<br />

für Hersteller und Betreiber<br />

sicherstellen.<br />

Auf europäischer Ebene muss weiterhin<br />

das Thema leistungsfähiger ERTMS<br />

Signaltechnik und damit der Ausbau<br />

der transnationalen Güterverkehrskorridore<br />

vorangetri<strong>eb</strong>en werden, um Sicherheit,<br />

Leistungsfähigkeit und Interoperabilität zu steigern<br />

und damit weitere Argumente für einen reibungslosen<br />

Schienenverkehr zu schaffen.<br />

Viele interessante Baustellen liegen vor uns<br />

und diese werden sicherlich auch Thema auf der<br />

Innotrans Messe sein. Besuchen Sie uns vom 18.<br />

bis zum 21. September in Berlin, um sich mit uns<br />

darüber auszutauschen.<br />

Wir freuen uns auf Sie.<br />

Ihr<br />

Martin Lange<br />

Vorstand Transport<br />

ALSTOM Deutschland AG<br />

110 (2012) Heft 8-9<br />

377


Inhalt<br />

8-9 / 2012<br />

<strong>Elektrische</strong><br />

<strong>Bahnen</strong><br />

Elektrotechnik<br />

im Verkehrswesen<br />

Forum<br />

Th. Schütte<br />

390 Zukunftsentscheidungen nach zweierlei<br />

Maß bei Anlagen und Investitionen?<br />

U. Behmann<br />

394 Zukunftsentscheidungen nach zweierlei<br />

Maß bei Finanzrechnungen?<br />

395 Leserforum: Betri<strong>eb</strong> ohne Oberleitung<br />

Thema<br />

Standpunkt<br />

Martin Lange<br />

377 Reibungsloser Verkehr auf der Schiene –<br />

Herausforderungen und Perspektiven<br />

Fokus<br />

Praxis<br />

M. Binswanger<br />

380 <strong>Vectron</strong>-<strong>Lokomotiven</strong> – erste unbefristete<br />

Zulassung<br />

U. Behmann<br />

381 Bahnstrom-Hochspannungsleitung SBB – ÖBB<br />

in Betri<strong>eb</strong> und Ringschlüsse im SBB-Netz<br />

Report<br />

R. Granzer<br />

384 Schienenfahrzeuge von A(nforderung) bis<br />

Z(ulassung)<br />

U. Behmann<br />

387 Felssturz auf der Gotthardstrecke mit<br />

Alarm durch den Fahrleitungsschaden<br />

M. Binswanger, R. Granzer<br />

396 Induktive Energieübertragung für Elektrofahrzeuge<br />

im Testbetri<strong>eb</strong><br />

R. Granzer<br />

401 <strong>Bahnen</strong> auf dem neuesten Stand<br />

J. Brändli<br />

407 Fahrdrahtenteisungsanlage für Bahn<br />

und Tram<br />

U. Behmann<br />

408 Erster Mittelfrequenz-Traktionstransformator<br />

im Betri<strong>eb</strong>seinsatz<br />

Hauptbeiträge<br />

Fahrzeuge<br />

M. Kopp, D. Schwanke<br />

414 Tri<strong>eb</strong>züge Desiro ML für die SNCB<br />

Desiro ML trains for SNCB<br />

Trains automoteurs Desiro ML pour la SNCB<br />

U. Fösel, J. Schurr, J. Baltes<br />

420 <strong>Vectron</strong> DE – die kraftstoffsparende dieselelektrische<br />

Lokomotive<br />

<strong>Vectron</strong> DE – the fuel-saving diesel locomotive<br />

from Siemens<br />

<strong>Vectron</strong> DE – la locomotive diesel Siemens à<br />

faible consommation en carburant<br />

Titelbild<br />

Train on Sunset<br />

© Alexander Evstafyev


Inhalt<br />

Ch. Schätzer, Ph. Hetzelt, L. Still<br />

432 Last Mile – die neue Funktion der<br />

TRAXX AC3-<strong>Lokomotiven</strong><br />

Last Mile – actual generation of TRAXX AC3<br />

locomotives<br />

Last Mile – l’actuelle génération des locomotives<br />

TRAXX AC3<br />

M. Klohr, A. Maroschik<br />

444 Energiespeicher auf Straßen- und Stadtbahnfahrzeugen<br />

– das erste Serienprojekt<br />

Energy storage units on tram and light-rail vehicles<br />

– the first series project<br />

Accumulateurs d’énergie sur les rames de tramway<br />

et de métro – le premier projet en série<br />

Projekte<br />

F. Gerstenberg, M. Lehmann, F. Zauner<br />

452 Elektromobilität bei schweren<br />

Nutzfahr zeugen<br />

Electrical mobility of heavy-duty trucks<br />

L’électromobilité chez les véhicules utilitaires lourds<br />

L. Kühn, O. de Haas, D. Berger, L. Schultz,<br />

H. Olsen, St. Röhlig<br />

461 SupraTrans II – Fahrversuchsanlage für<br />

eine Magnetbahn mit Supraleitern<br />

SupraTrans II – test drive facility for a superconductor-based<br />

maglev train<br />

SupraTrans II – installation d’essais de circulation<br />

pour un train à sustentation magnétique avec<br />

des supraconducteurs<br />

Rail Power Supply Systems /<br />

<strong>Bahnen</strong>ergieversorgung<br />

T. Bagnall, I. Imrie, M. Jacob<br />

470 Queensland Rail’s proof of concept for<br />

OpenPowerNet<br />

Queensland Rail – Machbarkeitsstudie für Open-<br />

PowerNet<br />

Etude de faisabilité de Queensland Rail pour le<br />

programme OpenPowerNet<br />

P. Aeschbacher, G. Roth, A. Schomburg<br />

476 Kompakte DC-Schaltanlage für die Bahnstromversorgung<br />

der Jungfraubahnen<br />

Compact DC switchgear for traction power supply at<br />

Jungfraubahnen<br />

Des panneaux de commande CC compacts pour les<br />

Jungfraubahnen<br />

Oberleitung / Overhead Contact Line<br />

M. Godek<br />

484 Nachspannvorrichtung für Fahrleitungen<br />

von Nahverkehrsbahnen<br />

Tensioning device for overhead lines of local trains<br />

Système de tension de lignes de contact pour réseaux<br />

urbains<br />

R. Lanselle, Ph. D’Hoop<br />

488 Infrared thermography – application for<br />

fixed installations at SNCF<br />

Infrarot-Thermografie – Anwendung für ortsfeste<br />

Bahnstromanlagen der SNCF<br />

Thermographie infrarouge – application pour<br />

installations fixes de la SNCF<br />

Betri<strong>eb</strong><br />

Th. Pedersen, T. N. Sørensen, R. Puschmann<br />

495 <strong>Elektrische</strong>r Betri<strong>eb</strong> bei der Ofot-Bahn in<br />

Norwegen<br />

Electric operation of the Ofot Railway in Norway<br />

La traction électrique sur la ligne d’Ofot en Norvège<br />

Nachrichten<br />

504 <strong>Bahnen</strong>, Unternehmen, Energie und<br />

Umwelt, Personen, Produkte und<br />

Lösungen<br />

520 Impressum<br />

U 3 Termine<br />

Historie<br />

517 <strong>eb</strong> – <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> im Jahre 1912 – Teil 2


Fokus Praxis<br />

<strong>Vectron</strong>-<strong>Lokomotiven</strong> – erste unbefristete<br />

Zulassung<br />

Die Zulassungsaktivitäten für den <strong>Vectron</strong>, die neue Siemens-Lokomotivgeneration, erstrecken sich<br />

bereits auf eine Reihe europäischer Bahnnetze. Die für die Zulassung und die sonstigen Nachweise<br />

erforderlichen Messfahrten laufen zurzeit oder sind bereits abgeschlossen.<br />

Bild 1:<br />

DC-<strong>Vectron</strong> 193 951<br />

mit Güterzug in Polen<br />

(Fotos: Siemens).<br />

In diesem Zusammenhang hatte der <strong>Vectron</strong> in<br />

Polen und Schweden unter anderem Zugkraft-Messfahrten<br />

zu absolvieren. Auf einer polnischen Strecke<br />

mit einer Steigung von 6 ‰ im Bereich zwischen<br />

Zawiercie und Warschau konnte ein Güterzug von<br />

3 800 t (Bild 1) problemlos angefahren werden.<br />

Bei einem weiteren Test mit 4 000 t in der Ebene<br />

wurden aus dem Stand nach 200 m Fahrstrecke<br />

bereits 15 km/h erreicht. Die eingesetzte Lokomo-<br />

tive war ein DC-<strong>Vectron</strong> mit 80 t und 5,2 MW. Die<br />

Lokomotive ist derzeit bei DB Schenker Polen im<br />

Rahmen von Zulassungsaktivitäten im Einsatz. Ein<br />

weiterer <strong>Vectron</strong> desselben Typs wird zum gleichen<br />

Zweck mit bis zu 160 km/h im Intercity-<br />

Verkehr Warschau – Krakau eingesetzt (Bild 2). Er<br />

bedient diese Strecke täglich zweimal und legt dabei<br />

1 250 km zurück.<br />

In Schweden hatte ein AC-<strong>Vectron</strong> im Rahmen der<br />

Zulassungsaktivitäten beispielsweise einen Güterzug<br />

mit rund 2 300 t auf einer 6 km langen 10-‰-Strecke<br />

zu befördern. Die 6,4-MW-Lokomotive konnte über<br />

die gesamte Steigung hinweg 40 km/h als Mindestgeschwindigkeit<br />

einhalten.<br />

Nach erfolgreicher Erprobung unter winterlichen<br />

Bedingungen in Nordschweden (Bild 3) hat der <strong>Vectron</strong><br />

eine vorläufige Zulassung für das schwedische<br />

Netz erhalten. Aktuell wird die Lokomotive auf der<br />

Strecke von Göt<strong>eb</strong>org über Västerås nach Sundsval<br />

eingesetzt.<br />

Für das DC-Netz Polens ist der <strong>Vectron</strong> <strong>eb</strong>enfalls<br />

bereits vorläufig zugelassen. Für die Normalspurstrecken<br />

der Schweiz sowie für Italien und die Niederlande<br />

laufen die Zulassungsaktivitäten. Die zulassungsrelevanten<br />

Fahrten in Österreich und Deutschland<br />

sind bereits abgeschlossen.<br />

Als erste unbefristete Zulassung in Europa liegt für<br />

den <strong>Vectron</strong> inzwischen diejenige für Rumänien vor.<br />

Bin<br />

Bild 2:<br />

DC-<strong>Vectron</strong> 193 952 im IC-Verkehr im April 2012 in Warschau.<br />

Bild 3:<br />

AC-<strong>Vectron</strong> 193 923 Anfang 2012 während des Wintertests auf<br />

der Erzbahn in Schweden.<br />

380 110 (2012) Heft 8-9


Praxis Fokus<br />

Bahnstrom-Hochspannungsleitung<br />

SBB – ÖBB in Betri<strong>eb</strong> und Ringschlüsse<br />

im SBB-Netz<br />

Die zentral versorgten 16,7-Hz-Bahnstromnetze der ÖBB und der SBB sind seit vielen Jahrzehnten<br />

jeweils zweifach mit dem der DB verbunden [1]. Nun ist auch die schon lange angestr<strong>eb</strong>te direkte<br />

Bahnstrom-Hochspannungsleitung zwischen den beiden Ländern in Betri<strong>eb</strong>.<br />

Seit Ende April 2012 ist im schweizerischen Kanton<br />

St. Gallen und im österreichischen Bundesland Vorarlberg<br />

eine Verbindung zwischen den 16,7-Hz-Bahnstromversorgungsnetzen<br />

von SBB und ÖBB möglich.<br />

Die einschleifige, für 100 MVA bemessene Übertragungsleitung<br />

2 AC 132 kV dafür besteht aus einer 26 km<br />

langen Freileitung vom SBB-Unterwerk Gossau (SG) bis<br />

in die Nähe der SBB-Betri<strong>eb</strong>sstelle und Verkehrsstation<br />

Rüthi (SG) etwa mittig der linksrheinischen Strecke Sargans<br />

– Buchs – St. Margrethen – Rorschach und einer<br />

11 km langen Kabelstrecke von dort zum rechtsrheinischen<br />

ÖBB-Unterwerk Feldkirch an der Arlbergstrecke.<br />

Aus der Verkabelung der Rheinkreuzung zwecks Landschaftsschutz<br />

ergab sich für den Kuppelumspanner<br />

132/110 kV zwangsläufig ein Standort im ÖBB-Netz,<br />

weil dieses mit Erdschlusslöschung betri<strong>eb</strong>en wird und<br />

deshalb das Kabel nicht vertragen würde.<br />

Bei Rüthi wird die bestehende einschleifige 132-kV-<br />

Übertragungsleitung Sargans – St. Margrethen zunächst<br />

nur gekreuzt. Im August 2012 haben hier<br />

jedoch die vorbereitenden Maßnahmen zum Bau<br />

einer Schaltanlage und eines Unterwerkes zur 15-kV-<br />

Einspeisung der Bahnstrecke begonnen, und zwar auf<br />

demselben Gelände wie eine neu entstehende Anlage<br />

3 AC 380/220 kV 50 Hz des Netzbetreibers Axpo.<br />

Die neue Übertragungsleitung stellt zunächst<br />

noch keinen Netzverbund her, sondern versorgt<br />

nur den westlichen Teil der Arlbergstrecke, solange<br />

die ÖBB diese für große Baumaßnahmen von ihrem<br />

Netz abgetrennt versorgen müssen.<br />

Die SBB plant, etwas südlich von Gossau eine<br />

120-MW-Frequenzumrichteranlage zu bauen. Der<br />

Standort Winklen ergab sich, weil dort Anschluss<br />

an 3 AC 220 kV 50 Hz möglich ist. Auslöser ist der<br />

erwartete Leistungszuwachs im Raum Zürich und in<br />

der Nordostschweiz. Die Umrichteranlage soll nach<br />

derzeitigem Stand auch versuchsweise dazu dienen,<br />

bei einer SBB-ÖBB-Netzkupplung in Feldkirch die<br />

Übergabeleistung dort zu regeln, nachdem der Kuppelumspanner<br />

ohne Querregler ausgeführt wurde.<br />

Die bestehende SBB-Doppelleitung 2 AC 66 kV<br />

Gossau – Etzel wird derzeit auf 132 kV umg<strong>eb</strong>aut<br />

und dabei einschleifig in das Unterwerk Rapperswil<br />

eingeführt. Dieses Projekt soll bis etwa 2015 abgeschlossen<br />

werden.<br />

Mit der 132-kV-Schaltanlage in Rüthi wird Anfang<br />

2014 ein weiterer der dringend notwendigen<br />

Ringschlüsse im Übertragungsleitungsnetz der SBB<br />

hergestellt (Bild 1). Für den anderen einschleifigen<br />

zwischen Massaboden und Airolo liegt der rund 25 km<br />

lange Abschnitt von Ulrichen im Goms durch das<br />

Nufeneng<strong>eb</strong>iet bis Airolo auf einer seit mehreren Jahren<br />

fertig gestellten Gemeinschaftsleitung, ist jedoch<br />

noch nicht in Betri<strong>eb</strong>. Der in der Luftlinie rund 30 km<br />

lange Abschnitt Massaboden – Ulrichen ist auf der<br />

gemeinschaftlichen Gommerleitung mit genehmigt (<strong>eb</strong><br />

Heft 9/2011 S. 490), jedoch haben Private hiergegen<br />

Beschwerden zum Bundesverwaltungsgericht erhoben.<br />

Höchst spannend.<br />

Damals waren unsere<br />

Erndungen Maßarbeit.<br />

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110 (2012) Heft 8-9<br />

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381


Fokus Praxis<br />

Der 132-kV-Schaltposten Airolo wird erst auf die<br />

Fertigstellung der Gommerleitung g<strong>eb</strong>aut. In Ulrichen<br />

ist ein Unterwerk zur Versorgung der Matterhorn-Gotthard-Bahn<br />

(MGB) geplant.<br />

Uwe Behmann<br />

[1] Behmann, U.; Koeltzsch, W.: <strong>Bahnen</strong>ergienetzverbund<br />

Deutschland – Österreich – Schweiz. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong><br />

106 (2008), H. 3, S. 115–124.<br />

[2] Hosp, H.; Pfander, J.-P.; Suter, R.: Bahnstrom-Hochspannungsleitung<br />

über den Alpenkamm für die Gotthardbahn.<br />

In: Elektri sche <strong>Bahnen</strong> 95 (1997), H. 3, S. 51– 60.<br />

Kommentar: Gegen GAU, für Vernunft<br />

Bild 1:<br />

Übertragungsnetz SBB<br />

Stand Juli 2012 (Grafikvorlage:<br />

SBB). Man<br />

beachte die konsequente<br />

Differenzierung der<br />

Symbole für Erzeugerwerke<br />

mit und ohne<br />

Unterwerk.<br />

Mt der Netzkupplung in Feldkirch haben SBB und ÖBB sich weitere Redundanz und noch höhere Verfügbarkeit ihrer<br />

autarken <strong>Bahnen</strong>ergiesysteme geschaffen als durch ihre bilateralen Kupplungen mit dem DB-Netz. In Deutschland<br />

hat man dagegen von Staats wegen untersuchen lassen, ob dieses seit fast hundert Jahren bewährte System durch<br />

dezentrale Versorgung des DB-Oberleitungsnetzes ersetzt werden kann (<strong>eb</strong> Heft 12/2011 Seiten 634–637). Mögliche<br />

energiewirtschaftliche Hintergründe hier beiseite gelassen: Vordergründig geht es dabei um Begehrlichkeiten<br />

auf die in sechs Jahrzehnten oft mühsam erkämpften Trassen der Bahnstromleitungen 2 AC 110 kV 16 2 / 3<br />

Hz. Zwar<br />

scheint momentan bei dem Thema doch noch die Vernunft zu siegen, aber die nächste Attacke hiergegen kommt<br />

ja in einigen Jahren bestimmt. Mit der Möglichkeit, ihre Netze direkt zu kuppeln, haben die <strong>Bahnen</strong> der beiden<br />

Alpenländer jedenfalls für einen GAU bei ihrem großen Frequenzpartner vorgesorgt.<br />

Und was Leitungsbauten angeht: Selbst durch das Sanktuarium Gotthard-Region konnte vor Jahren noch eine<br />

Freileitung g<strong>eb</strong>aut werden [2], wohl weil es letztlich genügend Einsicht in Notwendigkeiten gab. In Deutschland,<br />

wo in den aktuellen Kurzreportagen natürlich nur Protestierer zu Worte kommen, schmetterte kürzlich ein Opponentengesicht<br />

in Großaufnahme, dass man von ihm aus mit Höchstspannungskabeln sofort loslegen „darf“(!). Das<br />

Vielfache an Investitionen dafür, zu bezahlen über die Stromrechnungen von Haushalten, Gewerbe und Industrie<br />

oder über Subventionen zu Lasten von anderer Infrastruktur und Sozialem oder auf Pump, interessiert dabei wohl<br />

nicht. Und dass sich dann vor der Atmosphäre zunächst noch das Erdreich erwärmt, wird man erst später merken.<br />

Aber vielleicht folgt ja noch rechtzeitig die Forderung, die benötigten 4 000 km als Supraleiterkabel zu verlegen.<br />

Be<br />

382 110 (2012) Heft 8-9


Ist kontinuierliche Bahnstromversorgung möglich ?<br />

Natürlich.<br />

Transportable Gleichrichterunterwerke (tGUW) stellen in Umbausituationen eine<br />

kontinuierliche Stromversorgung von elektrischen Strassenbahnen sicher. Ein<br />

komplett ausgerüstetes tGUW enthält alle wesentlichen Komponenten: gasisolierte<br />

Mittelspannungsschaltanlage, Gleichrichter, Gleichstromschaltanlage, Eigenbedarfsanlage<br />

sowie Stationsleittechnik. Für den Einsatz von tGUW im Stadtg<strong>eb</strong>iet, also im<br />

bewohnten Umfeld, werden n<strong>eb</strong>en allen Sicherheitsvorschriften auch Lärmschutz<br />

und Immisionsrichtlinien eingehalten. Weitere Informationen finden Sie unter<br />

www.abb.de/railway<br />

ABB AG<br />

Energietechnik<br />

Telefon: +49 ( 0 ) 621 381 3000<br />

Telefax: +49 ( 0 ) 621 381 2645<br />

E-Mail: powertech@de.abb.com


Fokus Report<br />

Schienenfahrzeuge von A(nforderung) bis<br />

Z(ulassung)<br />

Bericht vom Eisenbahntechnischen Kolloquium 2012 der TU Darmstadt<br />

Aerodynamik<br />

Lichtraum<br />

EMV<br />

LST<br />

RAMS<br />

Bild 1:<br />

Fahrbahnspezifische Schnittstellen (Grafik: DB Netz).<br />

Spurführung<br />

Ermüdungsschäden<br />

Fahrstabilität<br />

Fahrzg-<br />

Fahrweg<br />

Wechselwirkung<br />

Rad-<br />

Schiene<br />

Kontakt<br />

Rad-Schiene-Wechselwirkung<br />

Schall &<br />

Erschütterungen<br />

Stromabnehmer<br />

/<br />

Oberleitung<br />

Bogenlauf<br />

Verschleiß<br />

Bild 2:<br />

Wesentliche Parameter der Wechselwirkung zwischen Fahrzeug und Fahrweg<br />

(Grafik: DB Netz).<br />

Seit dem Jahr 2000 führt das Fachg<strong>eb</strong>iet Bahnsysteme<br />

und Bahntechnik der TU Darmstadt zu Beginn<br />

des Sommers ein Eisenbahntechnisches Kolloquium<br />

zu aktuellen Themen des Systems Eisenbahn durch.<br />

Das Kolloquium am 14. Juni 2012 befasste sich unter<br />

dem Motto Schienenfahrzeuge von A(Anforderung) bis<br />

Z(ulassung) mit Themen bezüglich neuer Schienenfahrzeuge.<br />

Dabei wurde von zu erfüllenden betri<strong>eb</strong>lichen<br />

Aufgaben und den einzuhaltenden wirtschaftlichen<br />

Kriterien während der vorgesehenen Nutzung<br />

ausgegangen. Alle Anforderungen an ein neues<br />

Schienenfahrzeug sind in einem Lastenheft vom<br />

Besteller zusammenzufassen. In dem Pflichtenheft<br />

zu einem neuen Schienenfahrzeug bieten Hersteller<br />

technische Lösungen, Herstellungstechnologien<br />

sowie Prüf- und Inbetri<strong>eb</strong>setzungsverfahren usw.<br />

für das neue Schienenfahrzeug an. Der Prozess zur<br />

Beschaffung eines neuen Schienenfahrzeugs schließt<br />

mit der Genehmigung zur Inbetri<strong>eb</strong>nahme ab.<br />

Am Beispiel der Anforderungen des Hochgeschwindigkeitsverkehrs<br />

(HGV) in Deutschland wurde<br />

von Dipl.-Ing. (FH) Rainer Lutterbach (DB Fernverkehr)<br />

ausgehend vom vorhandenen Fahrzeugpark<br />

IC/EC und ICE der Prozess zur Beschaffung neuer<br />

Schienenfahrzeuge erläutert. Der vorhandene Fahrzeugpark<br />

ist historisch gewachsen und typenreich. Er<br />

enthält teilweise auch Fahrzeuge kleiner Bauserien.<br />

Aufgrund des teilweise hohen Alters der Fahrzeuge<br />

sind der Betri<strong>eb</strong> der Fahrzeuge und deren Instandhaltung<br />

häufig sehr aufwendig. Das Alterungsverhalten<br />

der Leistungselektronik und der Elektronik in der<br />

Leittechnik einschließlich der zugehörigen Software,<br />

der Obsoleszenz der elektrotechnischen Ausrüstung,<br />

muss ermittelt und bei der Gewährleistung der<br />

Betri<strong>eb</strong>ssicherheit der Fahrzeuge während deren L<strong>eb</strong>ensdauer<br />

berücksichtigt werden. Es ergibt sich ein<br />

zunehmend steigender Ersatzbedarf für Fahrzeuge<br />

des HGV. Die Bestellung neuer Fahrzeuge muss auf<br />

der Grundlage einer hohen Standardisierung in Europa<br />

erfolgen, die langfristig Bestand hat. Damit besteht<br />

die Möglichkeit, einen Fahrzeugtyp über einen<br />

längeren Zeitraum zu beschaffen. In Auswertung<br />

von Schäden an Fahrzeugen müssen die technischen<br />

Lösungen der Fahrzeuge so gewählt werden, dass<br />

die Betri<strong>eb</strong>ssicherheit jederzeit gewährleistet ist. Daraus<br />

ergibt sich, dass alle Beteiligten bei der Entwicklung,<br />

der Herstellung, der Zulassung und dem anschließenden<br />

Betri<strong>eb</strong> eng miteinander kooperieren<br />

müssen. Es wurde eindringlich darauf hingewiesen,<br />

dass das System Eisenbahn dabei im Vordergrund<br />

stehen muss.<br />

Bei der Planung des Beschaffungsprozesses ist<br />

unbedingt der Vorgang der Erteilung der Inbetri<strong>eb</strong>nahmegenehmigung<br />

für das Fahrzeug gemäß den<br />

europäischen Regelungen zu berücksichtigen. International<br />

wird an diesen Vorgängen gearbeitet.<br />

384 110 (2012) Heft 8-9


Report Fokus<br />

In dem Vortrag von Dipl.-Ing. S<strong>eb</strong>astian Schön<br />

(TU Darmstadt) mit dem Thema Neue Fahrzeuge<br />

und Umlaufpläne wurde mit Hilfe eines Datenauswertungs-<br />

und Visualisierungsprogramm erläutert,<br />

wie unter Berücksichtigung zum Beispiel der Fahrzeugverfügbarkeit<br />

und der zur Verfügung stehenden<br />

Infrastruktur die Umlaufplanung der Schienenfahrzeuge<br />

rationell durchgeführt werden kann.<br />

Dr.-Ing. Gunnar Baumann (DB Netz) erläuterte in<br />

dem Vortrag Wechselwirkung zwischen Fahrzeug und<br />

Fahrweg zunächst kurz die technischen Schnittstellen<br />

in der Infrastruktur (Bild 1). Auch aus der Grafik wird<br />

deutlich, dass die umfangreichen Schnittstellen, die<br />

im System Eisenbahn vorhanden sind, immer komplex<br />

zu betrachten sind.<br />

Die Aspekte Kontakt Rad-Schiene (Bild 2) und<br />

aerodynamische Wechselwirkungen wurden detaillierter<br />

vorgestellt. In Deutschland wird der HGV<br />

vorwiegend als Linienverkehr, in Frankreich vorwiegend<br />

als Streckenverkehr durchgeführt. Beim<br />

Linienverkehr müssen die Fahrzeuge sowohl den<br />

Anforderungen im konventionellen Geschwindigkeitsbereich<br />

als auch für hohe Geschwindigkeiten<br />

gerecht werden. Häufig entsteht dadurch ein Zielkonflikt<br />

zum Beispiel bei der Drehgestellkonstruktion<br />

zwischen dem Fahrverhalten im Gleisbogen<br />

und der Fahrstabilität. Seit etwa 25 Jahren wird<br />

an den Schienen die Rollkontaktermüdung wahrgenommen.<br />

In der Schiene bilden sich zwischen dem<br />

Fahrspiegel und der Fahrkante viele kleine Risse.<br />

Diese Risse können zu einem Schienenbruch führen.<br />

Der aktuelle Erkenntnisstand wurde erläutert.<br />

Es sind noch weitere umfangreiche gemeinsame<br />

Arbeiten seitens der Bereiche Infrastruktur und<br />

Fahrzeuge erforderlich.<br />

Aus Sicherheitsgründen werden Tunnel nur noch<br />

eingleisig g<strong>eb</strong>aut. Die Querschnitte der Tunnelröhren<br />

sind demzufolge kleiner als bei zweigleisigen<br />

Tunneln. An den Tunneleingängen müssen Portale<br />

vorhanden sein, die ein genügend langsames Aufsteilen<br />

der Druckwelle gewährleistet. Es sei darauf<br />

hingewiesen, dass die Dynamik der Druckwelle auch<br />

Auswirkungen auf das Zusammenwirken von Stromabnehmer<br />

und Oberleitung hat, das ergänzend zu<br />

beurteilen ist.<br />

Gegenwärtig wird das EU-Projekt Aerotrain bearbeitet,<br />

in dem die Grundlagen für eine einheitliche<br />

europäische Bewertung aerodynamischer Belange<br />

im HGV auch unter Berücksichtigung der Einflüsse<br />

von Seitenwind getroffen werden sollen.<br />

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Sicher unterwegs mit der „Dritten Schiene“.<br />

Die Powerlines Group zählt in Europa zu den führenden Anbietern für den Aufund<br />

Ausbau von energietechnischen Infrastrukturanlagen. Im Geschäftsbereich<br />

Nahverkehr bietet die international tätige Unternehmensgruppe mit dem „Third<br />

Rail Center of Competence“ ein modernes, sicheres und ökonomisch ausgewogenes<br />

System, um öffentliche Verkehrsmittel zuverlässig mit Strom zu versorgen.<br />

Das Unternehmen investiert laufend in Forschung und Entwicklung und setzt mit<br />

seiner innovativen Produktlinie bahnbrechende Maßstäbe bei „Dritte Schiene“-<br />

Systemen. Das zukunfts weisende Erzeugnis stellt eine Glanzleistung der Ingenieurskunst<br />

dar und begeistert mit Präzisionsarbeit sowie Umweltfreundlich keit.<br />

Die Aluminiumstromschiene weist beste Laufeigenschaften auf und verbessert<br />

die technische Leistung der Anlagen. Zudem können alle zum Einsatz gelangenden<br />

Komponenten zur Gänze recycelt werden.<br />

Mehr als 30 Jahre Erfahrung zeichnen die Powerlines Group aus. Das spiegelt<br />

sich in der Projektabwicklung sowie im gesamten Leistungsspektrum wider. Alle<br />

Schritte greifen optimal ineinander und sorgen für ein hochwertiges und langl<strong>eb</strong>iges<br />

Stromschienensystem.<br />

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110 (2012) Heft 8-9<br />

385


Fokus Report<br />

Dipl.-Ing. Alexander Hohlfeld (DB Regio) referierte<br />

zum Thema Anforderungen – Das Lastenheft in der<br />

Praxis. Bei der Formulierung von Anforderungen<br />

für ein neues Schienenfahrzeug sind sowohl interne<br />

Interessen der DB Regio als auch externe Vorgaben<br />

zum Beispiel von Behörden und Verkehrsverbünden<br />

zu berücksichtigen. Alle Belange werden mit Hilfe eines<br />

Anforderungsmanagements in einem Betri<strong>eb</strong>lich<br />

- kommerziellen Lastenheft für das Fahrzeug festgelegt.<br />

Das Anforderungsmanagement ist Bestandteil<br />

des gesamten Beschaffungsprozesses, der mit Hilfe<br />

eines Dokumentationssystems durchgeführt wird.<br />

Aus der Sicht eines Fahrzeugherstellers wurde<br />

das Thema Herstellung – mit Qualität und Sicherheit<br />

zur Fahrzeugabnahme von Dipl.-Ing. Peter Honegger<br />

(Bombardier Transportation) erläutert. Die Anforderungen<br />

des europäischen Marktes bedingen, dass<br />

die Fahrzeuge länderübergreifend eingesetzt werden<br />

können. Das bedeutet unter anderem, dass für die<br />

Fahrzeuge alle in Europa vorhandenen Spannungssysteme<br />

in den Fahrleitungen in geeigneter Weise<br />

berücksichtigt werden müssen. Wird der Grundpreis<br />

eines elektrischen Tri<strong>eb</strong>fahrzeugs, das einer Plattform-Familie<br />

angehört, für das Spannungssystem<br />

DC 3 kV zu 100 % bewertet, kostet ein Tri<strong>eb</strong>fahrzeug<br />

für ein Spannungssystem 1 AC 15 kV 16,7 Hz<br />

oder 1 AC 25kV 50 Hz etwa 103 %, ein Viersystem-<br />

Tri<strong>eb</strong>fahrzeug für Gleich- und Wechselspannungen<br />

etwa 115 % des Grundpreises. Weiterhin sind für die<br />

Konzipierung von Schienenfahrzeugen viele europäische<br />

und nationale Anforderungen zu berücksichtigen.<br />

Dazu gehören unter anderem unterschiedliche<br />

Zugsicherungssysteme als Schwerpunkt, fünf<br />

unterschiedliche Umgrenzungsprofile, acht unterschiedliche<br />

Vorgaben für Stromabnehmer und deren<br />

Wippen sowie vier unterschiedliche Zugfunksysteme.<br />

Die Berücksichtigung mehrerer Zugsicherungssysteme<br />

auf einem Fahrzeug ist ein wesentlicher<br />

Kostenfaktor bei der Herstellung der Fahrzeuge. Bei<br />

der Berücksichtigung der Zugsicherungssysteme für<br />

den Betri<strong>eb</strong> in den Niederlanden, in Deutschland,<br />

in Österreich, in der Schweiz und in Italien erhöhen<br />

sich die Fahrzeugkosten gegenwärtig noch um bis<br />

zu 25 %. Es ist deshalb im Einzelfall zu prüfen, ob der<br />

Verkehr in dieser Relation kostengünstiger mit einem<br />

Tri<strong>eb</strong>fahrzeugwechsel an geeigneter Stelle durchgeführt<br />

werden kann.<br />

Für das europäische Eisenbahnsystem gelten hohe<br />

Sicherheitsstandards. Daraus, aber auch aus anderen<br />

Gründen ergibt sich, dass für den Betri<strong>eb</strong> eines Eisenbahnsystems<br />

komplexe Einrichtungen genutzt<br />

werden, die in einem umfangreichen Abstimmungsund<br />

Prüfungsprozess für den Eisenbahnbetri<strong>eb</strong> zugelassen<br />

werden müssen. Der Zulassungsprozess muss<br />

in der folgenden Zeit wesentlich effektiver gestaltet<br />

werden, um die Zulassungszeit zu verkürzen und<br />

Kosten zu senken. Organisatorische Ansätze dazu<br />

sind bereits realisiert und müssen weiter ausg<strong>eb</strong>aut<br />

werden. Dazu gehören unter anderem die Entwicklung<br />

kompetenter Teams qualifizierter Mitarbeiter in<br />

den beteiligten Gremien, das Handbuch Eisenbahnfahrzeuge<br />

und das Verfahren Cross Acceptance.<br />

In dem Vortrag Zulassung – Verfahren bei Schienenfahrzeugen<br />

stellte Dipl.-Ing. Andreas Spiegel (Eisenbahn-Bundesamt)<br />

ausführlich die aktuellen Regelungen<br />

zur Inbetri<strong>eb</strong>nahme von Fahrzeugen vor. Die<br />

Struktur der EG-Regelwerke Richtlinien, Technische<br />

Spezifikationen Interoperabilität (TSI) und Europäische<br />

Normen wurde verständlich erläutert. Der Prozess<br />

der Inbetri<strong>eb</strong>nahme eines Fahrzeugs besteht aus den<br />

Teilschritten Erstellung der Nachweise, Gutachterliche<br />

Bewertung, Sicherstellung der Kohärenz, Behördliche<br />

Prüfung und schließt mit der Erteilung der Inbetri<strong>eb</strong>nahmegenehmigung<br />

positiv ab.<br />

Am Ende des Kolloquiums beschri<strong>eb</strong> Dipl.-Ing.<br />

Helmut Fendt (Luftfahrtbundesamt) unter dem Motto<br />

Von A (wie Antrag) bis Z (wie Zulassung) im Luftverkehr<br />

die erforderlichen Vorgänge bei der Zulassung<br />

von Luftfahrzeugen. Die Grundlage des Handelns<br />

bilden wie im Eisenbahnwesen europäische Regelwerke<br />

und nationale Verordnungen und Gesetze.<br />

Für das Zulassungsprozedere ist in Europa die Europäische<br />

Agentur für Flugsicherheit (EASA) in Köln-<br />

Deutz verantwortlich. Das Luftfahrtbundesamt (LBA)<br />

in Braunschweig ist als nationale Behörde beteiligt.<br />

Der technische Maßstab für die Zulassung wird<br />

in einer Bauvorschrift festgelegt. Alle Luftfahrzeuge<br />

einer Serie sollen einen gleich hohen Mindeststandard<br />

erfüllen, wie er in der Bauvorschrift festgelegt<br />

ist. Es ist ein Muster definiert, nach dem die Stücke<br />

einer Serie g<strong>eb</strong>aut werden. Das Muster wird einer<br />

Musterprüfung unterzogen, nach deren erfolgreichen<br />

Abschluss die Musterzulassung erfolgt und in einem<br />

Gerätekennblatt bescheinigt wird. Die Musterprüfung<br />

wird von einem von der EASA zugelassenen<br />

Entwicklungsbetri<strong>eb</strong> durchgeführt. Die Herstellung<br />

der Stücke erfolgt nach Musterunterlagen, die der<br />

Entwicklungsbetri<strong>eb</strong> während der Musterprüfung erarbeitet<br />

und über die Bauunterlagen/Handbücher<br />

festgelegt hat. Das Luftfahrzeug wird genau nach<br />

diesen technischen Zeichnungen, Fertigungsverfahren<br />

und Angaben gefertigt. Die Herstellung der<br />

Luftfahrzeuge erfolgt von Herstellungsbetri<strong>eb</strong>en, die<br />

vom LBA zugelassen wurden, nach den genehmigten<br />

Handbüchern. Die Verkehrszulassung erfolgt auf<br />

der Grundlage des nationalen Rechts in der Zuständigkeit<br />

des LBA. Ein Luftfahrzeug wird zugelassen,<br />

wenn die Musterzulassung erfolgt ist, der Nachweis<br />

der Verkehrssicherheit geführt ist, der Halter des<br />

Luftfahrzeugs eine Haftpflichtversicherung zur Deckung<br />

der Haftung unterhält und die technische<br />

Ausrüstung des Luftfahrzeugs so gestaltet ist, dass<br />

das durch seinen Betri<strong>eb</strong> entstehende Geräusch das<br />

nach dem jeweiligen Stand der Technik unvermeidbare<br />

Maß nicht übersteigt.<br />

Roland Granzer<br />

386 110 (2012) Heft 8-9


Report Fokus<br />

Felssturz auf der Gotthardstrecke mit<br />

Alarm durch den Fahrleitungsschaden<br />

Bei einem gewaltigen Gestein- und Geröllsturz auf der Gotthardstrecke löste der Fahrleitungsschaden<br />

den Erstalarm aus, was die teils rigorosen, teils abgestuften Regeln bei Spannungsausfall in<br />

der Schweiz, Österreich und Frankreich bestätigt. Die Regeln für das DB-Netz bleiben unverändert<br />

weit dahinter zurück.<br />

Am 5. Juni 2012 kurz vor 9 Uhr brachen auf der Nordrampe<br />

in km 53,2 der hier links der Reuss verlaufenden<br />

Gotthardstrecke, das ist rund 1 km vor dem<br />

Bahnhof Gurtnellen, auf 50 bis 70 m Breite und etwa<br />

80 m Höhe geschätzt 2 000 bis 3 000 m 3 Gestein und<br />

Geröll ab und stürzten zum Teil auf die Bahngleise<br />

(Bild 1). Die Menge war fast das Zehnfache derjenigen,<br />

die am 7. März 2012 an der benachbarten<br />

Hangpartie abgegangen war, und der Abbruch wird<br />

als „Jahrhundertereignis“ bezeichnet.<br />

Weil weiterhin loses Gestein abzustürzen drohte<br />

und dadurch alle Arbeiten unterhalb des Hanges blockiert<br />

waren, wurden am 18. Juni über Mittag mittels<br />

in 25 Sprenglöchern verteilten 300 kg Sprengstoff<br />

weitere rund 2 000 m 3 Fels weggesprengt. Danach<br />

waren zuerst umfangreiche Hangsicherungsarbeiten<br />

notwendig. Dazu wurden nicht nur über die abgesprengte<br />

Felspartie Fangnetze gespannt, sondern<br />

auch am Fuße des Felsens über die ganze Breite der<br />

Abbruchstelle ein weiteres Netz montiert, sowie der<br />

flache Hang zwischen Abbruchstelle und Bahnstrecke<br />

mit Kokosmatten überdeckt und mit einem weiteren<br />

Netz befestigt. Diese Fläche soll alsbald wieder<br />

begrünt werden und es soll ein neuer Schutzwald<br />

aufgeforstet werden. Baumaschinen, Netze und<br />

Schutzmatten wurden mit mehreren tausend Helikopterflügen<br />

herangeschafft. Die Schutznetze sind<br />

nach dem Konzept Naturgefahren-Alarmanlagen im<br />

System der schweizerischen Zugkontrolleinrichtungen<br />

mit Sensoren ausgerüstet, die Ausdehnungen<br />

und Erschütterungen erfassen und melden (Abschnitt<br />

6 in [1]).<br />

Erst nach diesen Sicherungsmaßnahmen konnte<br />

die Streckenausrüstung wieder hergestellt werden.<br />

Dabei waren zweimal 170 m Gleis mit Schotterbett,<br />

vier Fahrleitungs-Einzelstützpunkte und die<br />

Fahrleitungen komplett zu erneuern. Diese Arbeiten<br />

waren am Montag, 2. Juli in den Frühstunden soweit<br />

abgeschlossen, dass im Laufe des Tages Prüf- und<br />

Abnahmefahrten möglich waren und ab den Abendstunden<br />

wieder Güterzüge ohne jede Einschränkung<br />

fahren konnten. Am Folgetag begann auch der Reisezugverkehr<br />

wieder fahrplanmäßig.<br />

Im Regelfall rollen täglich rund 120 Güterzüge<br />

über die Gotthardstrecke. Soweit Züge nicht in den<br />

Rangierbahnhöfen Basel-Muttenz und Domodossola<br />

I zurückgehalten wurden, fuhren sie zum großen<br />

Teil über die Lötschbergachse, sowohl auf der<br />

Bergstrecke mit umfangreichen Schi<strong>eb</strong>ediensten als<br />

auch durch den Lötschberg-Basistunnel, in kleinerem<br />

Umfang auf anderen Wegen und in jedem Falle<br />

durch den Simplontunnel. Dessen Kapazität konnte<br />

planerisch von 90 auf 135 Güterzugtrassen am Tag<br />

gesteigert werden, wovon am Spitzentag 12. Juni<br />

113 Trassen genutzt wurden. Das war beachtlich,<br />

denn der 20 km lange Zweiröhrentunnel ist zurzeit<br />

wegen seiner Grundsanierung auf halber Länge nur<br />

eingleisig befahrbar (<strong>eb</strong> Heft 9/2011, Seite 485–<br />

486). Der unterbrochene Schienenpersonenverkehr<br />

Bild 1:<br />

Felsabrutsch auf SBB-Gotthardtrecke Abschnitt Erstfeld – Göschenen<br />

km 53,2 bei Gurtnellen am 5. Juni 2012, oben halbmittig unbeschädigte<br />

Arbeits bühne für Sicherungsarbeiten nach Abrutsch am 7. März 2012<br />

(Foto: SBB, am Ereignistag kurz nach 11 Uhr).<br />

110 (2012) Heft 8-9<br />

387


Fokus Report<br />

Bild 2:<br />

Felssturz auf ÖBB-Strecke Amstetten – Selzthal, Abschnitt Kleinreifling – Hieflau, km 73,1 bei Ennskraftwerk Schönau, in der Nacht 7./8.<br />

Oktober 2002; Endlage Lokomotive nach mehrfachem Überschlag, Tri<strong>eb</strong>fahrzeugführer † (Fotos: Sammlung Behmann).<br />

wurde mit Omnibuseinsatz zwischen Flüelen und<br />

Göschenen überbrückt.<br />

Die unmittelbaren Arbeiten bei Gurtnellen werden<br />

5 bis 6 Mio. CHF kosten, und für den Mehraufwand<br />

bei Logistik und Bahnbetri<strong>eb</strong> wird ein zweistelliger<br />

Millionenbetrag geschätzt.<br />

Die SBB investiert in ihrem Netz pro Jahr etwa<br />

30 Mio. CHF in Schutzwälder und Schutzbauten wie<br />

Galerien oder Lawinenverbauungen, und sie lässt<br />

die Natur entlang kritischer Strecken ständig beobachten.<br />

Rund drei Viertel der heute vorhandenen<br />

4 000 Schutzbauten auf dem SBB-Netz stehen an<br />

oder auf der Gotthardstrecke. Mit der Eröffnung<br />

des Gotthard-Basistunnels im Jahr 2016 wird dieses<br />

hochalpine G<strong>eb</strong>iet unterquert.<br />

Derartige Ereignisse bleiben nicht immer ohne<br />

unmittelbare Folgen für den Bahnbetri<strong>eb</strong>, wie Bild 2<br />

anschaulich zeigt. Nach offizieller SBB-Mitteilung<br />

löste am 5. Juni die Zerstörung der Fahrleitung die<br />

erste Alarmmeldung aus (Bild 3). Deshalb ist gut zu<br />

verstehen, dass die <strong>Bahnen</strong> in der Schweiz und in<br />

Österreich diese Chance einer Notfallinformation<br />

seit einigen Jahren mit größter Konsequenz nutzen<br />

[2]. N<strong>eb</strong>en solchen Naturereignissen können auch<br />

schwere Entgleisungen wie in Eschede die Primärursache<br />

sein; wichtig ist es, dann einen unmittelbaren<br />

Folgeaufprall möglichst zu verhindern.<br />

Auf dem DB-Streckennetz ist dagegen die Lage<br />

seit dem letzten Bericht zu diesem Thema (<strong>eb</strong> Heft<br />

5/2012, Seite 180–181) bei Redaktionsschluss unverändert.<br />

Die Richtlinie (Ril) 492.0005 erlaubt DB-<br />

Tri<strong>eb</strong>fahrzeug führern (Tf) weiterhin, je nach Regelauslegung<br />

1 oder 1,5 min ung<strong>eb</strong>remst weiter zu rollen,<br />

was auf den Schnellfahrstrecken bei 250 bis 300 km/h<br />

etwa 4 bis 7 km bedeutet, und danach eine „geeignete<br />

Stelle“ zum Anhalten zu suchen, und sie gibt<br />

keinen Hinweis auf eine dabei anstehende Betri<strong>eb</strong>sgefahr.<br />

In Frankreich ist seit 1996 bei Geschwindigkeiten<br />

über 160 km/h sofortige Betri<strong>eb</strong>sbremsung und überall<br />

nach 20 s Schnellbremsung vorgeschri<strong>eb</strong>en, und<br />

das Warum wird im Reglement erklärt (<strong>eb</strong> 4/1997,<br />

Seite 107). Für fremde Eisenbahnverkehrsunternehmen<br />

(EVU) fehlt jedoch in der öffentlich zugänglichen<br />

Fassung der für sie geltenden DB-Ril 492.1005 weiterhin<br />

eine Bestimmung zum Anhalten, während eine<br />

Fassung gleichen Datums in der DB-internen Datenbank<br />

eine eindeutige 1-min-Regel enthält.<br />

Uwe Behmann<br />

Bild 3:<br />

Zerstörte Fahrleitungsanlagen bei Gurtnellen als erste Alarmauslöser<br />

(Foto: Steffen Röhlig, 7. Juni 2012).<br />

[1] Schorno, R.; Schmidt, Ch.; Nietlispach, U.: Zugkontrolleinrichtungen<br />

in der Schweiz. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong><br />

109 (2011), H. 9, S. 448–458.<br />

[2] Behmann, U.: Null-Toleranz-Regel bei Spannungsausfall<br />

in der Schweiz und Österreich. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong><br />

104 (2006), H. 8-9, S. 444–446; H. 10, S. 520; H. 12,<br />

S. 608.<br />

388 110 (2012) Heft 8-9


Report Fokus<br />

Kommentar: Weiterhin Fahren<br />

auf Verdacht<br />

Derzeit nutzen 380 EVU das DB-Netz, ohne diejenigen<br />

des DB-Konzerns, ohne die schweizerischen und<br />

französischen <strong>Bahnen</strong> – deren Tf sich im Ernstfall nach<br />

den im Heimatland geltenden rigorosen Vorschriften<br />

richten werden – und ohne die nur Dieseltraktion<br />

betreibenden also zwischen 200 und 300. Deren<br />

Züge und in vorderster Stelle deren Fahrpersonale<br />

dürfen in einer Standardsituation mit einem höheren<br />

Risiko fahren als DB-Züge und -Personale – und das<br />

1 1 / 2 Jahre nach Bekanntwerden des Sachverhaltes.<br />

Entweder der VDV oder alle verantwortungsfreudigen<br />

Eisenbahnbetri<strong>eb</strong>sleiter selbst sollten also die Sache<br />

für ihre Unternehmen regeln, was laut Ministeriumsmeinung<br />

ihre gesetzliche Aufgabe ist – siehe Faksimile<br />

Bild 1, in dem auch das Eisenbahn-Bundesamt (EBA)<br />

angesprochen ist.<br />

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Bundesministerium für Verkehr zum Thema mit Hinweis auf gesetzliche<br />

Aufgaben der Eisenbahnunternehmen und Information über<br />

Weiterleitung zum Eisenbahn-Bundesamt (Sammlung Behmann).<br />

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110 (2012) Heft 8-9<br />

389<br />

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Fokus Forum<br />

Zukunftsentscheidungen nach zweierlei<br />

Maß bei Anlagen und Investitionen?<br />

Eine Studie hat untersucht, ob erneuerbare Energien direkt in das autarke 16,7-Hz-Netz der DB fließen<br />

oder aus dem 50-Hz-Landesnetz bezogen und umgewandelt werden sollten. Unterschiede bei den<br />

jeweiligen Anlagenkonfigurationen und den Investitionen dafür wirken auffällig zu Ungunsten der<br />

direkten 16,7-Hz-Einspeisung.<br />

Bild 1:<br />

Als Abbildung 20 in<br />

[1] gezeigtes Beispiel<br />

für An schluss eines<br />

20-MW- Wind parks an<br />

Bahn strom schaltanlage<br />

2 AC 110 kV 16,7 Hz;<br />

Energiefluss von unten<br />

nach oben, 2AC-Anlagen<br />

einpolig dargestellt.<br />

Das Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik<br />

(IWES) an der Universität Kassel hat<br />

mit drei Partnern in einer groß angelegten Studie die<br />

Möglichkeiten für gesteigerte Anwendung Erneuerbarer<br />

Energien (EE) in der <strong>Bahnen</strong>ergieversorgung<br />

der DB beleuchtet [1]. Im Abschnitt 4.1.3 sind dort<br />

verschiedene Varianten für den Anschluss von Windparks,<br />

Kleinwasserkraftwerken und Fotovoltaikanlagen<br />

an 16,7-Hz-Bahnnetze sowohl an 2 AC 110 kV<br />

wie an 1 AC 15 kV dargestellt und beschri<strong>eb</strong>en.<br />

Es werden folgende Varianten untersucht:<br />

• Ein Park aus acht 2,5-MW-Windkraftanlagen mit<br />

eigener Schaltanlage 3 AC 10 kV 50 Hz, aus der<br />

redundant in statischen Umrichtern in 16,7 Hz<br />

umgewandelt, danach auf 2 AC 110 kV hochgespannt<br />

und über eine 5 km lange Leitung in die<br />

Sammelschiene 2 AC 110 kV einer bestehenden<br />

DB-Anlage gespeist wird (Bild 1, 110-kV-Anlagen<br />

einpolig dargestellt).<br />

• Kleinwasserkraftwerk oder Fotovoltaikanlage<br />

mit 2,5 MW Leistung, die nicht redundant über<br />

statischen Umrichter 16,7 Hz, (nicht dargestellten)<br />

Umspanner und eine 20 km lange Verbindungsleitung<br />

in die nächste Schaltanlage 1 AC<br />

15 kV speisen, hier dargestellt als Unterwerk<br />

(Bild 2).<br />

• Kleinwasserkraftwerk 2,5 MW, das über einen<br />

statischen Umrichter 16,7 Hz erzeugt und die<br />

Leistung über einen Blockumspanner 0,69/15 kV<br />

auf eine Sammelschiene einspeist, von der zwei<br />

Abzweige über eine 2 km lange Doppelleitung<br />

mit jeweils eigenem Leistungsschalter (im Freien?)<br />

an eine aufgetrennte Fahrleitung und ein<br />

weiterer über eine 20 km lange, im Plural bezeichnete<br />

Verbindungsleitung parallel der Strecke<br />

bis zur nächsten 15-kV-Schaltanlage gehen<br />

(Bild 3).<br />

Sodann folgen in einer Tabelle „Kosten von Anschlussvarianten“,<br />

womit zunächst überwiegend die<br />

Investitionen gemeint sind (Bild 4). Sie werden mit<br />

Werten für Anschlüsse an 50-Hz-Netze verglichen,<br />

zu deren Schema aber keine das Verständnis und<br />

den Vergleich emöglichende Grafik gezeigt wird.<br />

Schließlich kommen mit einer unbekannten „Annuität“<br />

berechnete Kapitalkosten.<br />

Im nächsten Abschnitt 4.1.4 steht dann als Fazit:<br />

„Der Anschluss von zusätzlichen EE-Anlagen an<br />

das 110-kV und an die 15-kV-16,7-Hz-Ebene der<br />

Deutschen Bahn ist teurer als ein Anschluss an die<br />

gleiche Spannungs<strong>eb</strong>ene im 50-Hz-Verbund- und<br />

Verteilnetz“, was dann noch etwas näher diskutiert<br />

und geringfügig relativiert wird.<br />

Die in der Tabelle stehenden Zahlen für die Anschlüsse<br />

an die Netze mit den zwei verschiedenen<br />

Frequenzen sind überraschend, man kann sogar<br />

sagen befremdlich. Schon auf den ersten Blick erscheint<br />

es vollkommen unplausibel, dass bei den vier<br />

Varianten die Kapitalkosten bei 16,7 Hz das 2,5-Fache,<br />

5-Fache, 10-Fache und 33-Fache (!) derjenigen<br />

bei 50 Hz betragen sollen. Nähere Analysen offenbaren<br />

dafür zwei Ursachenkomplexe, von denen<br />

einer, die Wahl der technischen Lösungen, hier im<br />

Folgenden betrachtet wird.<br />

390 110 (2012) Heft 8-9


Forum Fokus<br />

Erzeugung<br />

Windkraft<br />

Für den Hochspannungsanschluss eines Windparks<br />

sind die ersten Positionen für beide Frequenzen zwar<br />

unterschiedlich erklärt, jedoch mit einheitlichem Betrag<br />

3,00 Mio. EUR angesetzt.<br />

Dabei ist für 50 Hz ohne jede Unterlage nicht erkennbar,<br />

was im Einzelnen gemeint ist, zum Beispiel<br />

wo diese Anlage stehen soll, warum zwei 20-MVA-<br />

Umspanner aufgestellt werden sollen und wofür<br />

20 Mittelspannungsabgänge vorgesehen sind. Nicht<br />

nur wegen dieser Überdimensionierung muss die<br />

16,7-Hz-Vergleichsanlage niedriger veranschlagt<br />

werden, sondern auch, weil sie nur zweipolig ist.<br />

Sodann ist es unverständlich, dass der Windpark<br />

zunächst 50 Hz erzeugen soll, die dann mit<br />

6 Mio. EUR angelasteter Investition in 16,7 Hz umgewandelt<br />

werden. Große Windkraftanlagen sind<br />

unabhängig von der Art des Generators in der Regel<br />

mit Umrichtern ausgerüstet, um sie über einen<br />

für die beste Windausnutzung hinreichend großen<br />

Drehzahlbereich zu betreiben, beispielsweise 1 : 2,5<br />

oder 1 : 1,75 [2]. Dabei sind die Umrichter entweder<br />

als Vollumrichter an einen Synchrongenerator<br />

angeschlossen oder als Schlupfumrichter an einen<br />

rotorgespeisten Asynchrongenerator. Mit heutiger<br />

Technik ist es dabei vollkommen gleichgültig, welche<br />

Ausgangsfrequenz gewählt wird; dies ist bei<br />

Synchrongeneratoren mit Vollumrichtern nur noch<br />

eine Softwarefrage [3]. In [4] wurde nochmals konkret<br />

gezeigt, wie vorteilhaft eine niedrigere Frequenz<br />

für Windkraftanlagen ist, zum Beispiel bei Getri<strong>eb</strong>en<br />

und langen Kabelstrecken.<br />

Das in der Studie genannte Argument gegen<br />

16,7 Hz „derzeit am Markt nicht verfügbar“ ist nicht<br />

gültig: Seit Jahrzehnten gibt es statische Zweirichtungs-Umrichter<br />

für 16,7 Hz standardmäßig in Leistungsklassen<br />

10 bis 30 MW für stationäre Anlagen<br />

und in Leistungsklassen darunter zu Tausenden als<br />

Traktionsumrichter geliefert und bewährt.<br />

Bild 2:<br />

Als Abbildung 22 in [1] gezeigte Beispiele für Anschluss einer Fotovoltaikanlage und eines<br />

Kleinwasserkraftwerks, jeweils 2,5 MW, an Bahnstromschaltanlage 1 AC 15 kV 16,7 Hz;<br />

Energiefluss von oben nach unten (auch in Bild 3).<br />

Fotovoltaik<br />

Es ist auch unverständlich, dass bei der 2,5-MW-<br />

Fotovoltaikanlage ein Umrichter für den 16,7-Hz-<br />

Anschluss steht und diesen mit 0,20 Mio. EUR belastet.<br />

Keine Fotovoltaikanlage der Welt erzeugt<br />

von selbst 3 AC 50 Hz, sondern zu jeder gehört<br />

zwangsläufig ein DC/AC-Umrichter, und welche<br />

Frequenz und Phasenzahl dieser liefert spielt keine<br />

Rolle. Er gehört also nicht zu den Investitionen für<br />

den Anschluss, sondern <strong>eb</strong>enso wie die in Bild 2<br />

nicht dargestellten und in Bild 4 nicht mit veranschlagten<br />

Umspanner und Schaltanlagen sowie<br />

die Solarzellen zur Anlage selbst. Ein namhafter<br />

110 (2012) Heft 8-9<br />

Bild 3:<br />

Als Abbildung 21 in [1] gezeigtes Beispiel für Anschluss eines 2,5-MW-Kleinwasserkraftwerks<br />

sowohl an Bahnstromschaltanlage als auch an Fahrleitungsnetz 1 AC 15 kV 16,7 Hz.<br />

391


Fokus Forum<br />

Hersteller von Umrichtern für Fotovoltaik liefert<br />

Bordnetzumrichter für Eisenbahnfahrzeuge aus<br />

demselben Komponentenbaukasten.<br />

Wasserkraft<br />

Ebenso verblüfft bei den 2,5-MW-Wasserkraftanlagen,<br />

dass dafür bei den 16,7-Hz-Anschlüssen<br />

Umrichter für 0,75 Mio. EUR angesetzt sind. Wie<br />

die Beispiele Bad Abbach mit 4 MW, Kjossfossen mit<br />

1,8 MW und Kammerl mit 3 x 0.3 MW beweisen,<br />

die alle in 15-kV-Netze einspeisen [5; 6; 7], ist die<br />

Regelbauart ein Synchrongenerator ohne Umrichter,<br />

weil die Wasserkraft nicht sekundenschnell<br />

fluktuiert wie die Windkraft. Bei langsam drehenden<br />

Typen von Wasserturbinen ist die niedrige<br />

Frequenz mit entsprechend geringerer Generatorpolzahl<br />

sogar ein Vorteil. Wenn Hersteller oder<br />

Betreiber es zweckmäßig finden, andere Maschinenarten<br />

oder variable Drehzahl zu verwenden,<br />

ist dies eine Effizienzfrage der Anlage selbst und<br />

hat nichts damit zu tun, mit welcher Frequenz die<br />

Leistung abgeführt wird.<br />

Eher am Rande ist allerdings in der Studie<br />

angemerkt, dass man nur von vorhandenen Wasserkraftwerken<br />

ausgeht, die schon am Landesnetz<br />

3 AC 50 Hz arbeiten. Das erscheint insofern<br />

plausibel, als wohl Neubauten solcher Werke in<br />

Deutschland kaum noch – wie es so schön heißt<br />

– „genehmigungsfähig“ sind [8]. Für bestehende<br />

Werke gibt es aber eine viel bessere Perspektive als<br />

die in Jahrzehnte alten Betri<strong>eb</strong>smitteln verlustreich<br />

erzeugte elektrische Energie noch umzurichten:<br />

bei fälliger oder auch vorgezogener Modernisierung<br />

die Turbinen, Generatoren, Maschinenumspanner<br />

und Schaltanlagen für 2 AC 16,7 Hz zu<br />

bauen, wie es für das schwedische Kraftwerk<br />

Älvkarl<strong>eb</strong>y in der [6] zu Grunde liegenden Diplomarbeit<br />

untersucht wurde.<br />

In der Studie wird dieser Weg auch verschämt<br />

angesprochen; warum er nicht konkret behandelt<br />

wurde, verwundert.<br />

Übertragung und Netzanbindung<br />

Bild 4:<br />

In Tabelle 7 in [1] angesetzte Investitionen und berechnete Kapitalkosten für Anschlüsse an<br />

16,7-Hz-Bahnnetz nach Bildern 1 bis 3, zum Vergleich fiktiv Anschlüsse an Schaltanlagen<br />

3 AC 50 Hz.<br />

Wie bei den 110-kV-Schaltanlagen muss es auch bei<br />

den 5 km langen 110-kV-Leitungen für den Windkraftanschluss<br />

einen Unterschied machen, ob diese<br />

zweipolig oder dreipolig sind. Für 50 Hz sind deshalb<br />

statt 1,5 Mio. EUR richtiger 1,8 Mio. EUR anzusetzen,<br />

so wie die 2 km lange Mittelspannungsleitung der<br />

drei anderen Varianten bei 50 Hz korrekt höher veranschlagt<br />

ist als für 16,7 Hz.<br />

Es ist auch nicht zu verstehen, warum bei 16,7 Hz<br />

die Erweiterung der zweipoligen 110-kV-Freiluftanlage<br />

um zwei Leistungsschalter- und vier Trennschalterfelder<br />

(Bild 1) mit 0,24 Mio. EUR billiger sein soll<br />

als die der einpoligen 15-kV-Innenraumschaltanlagen<br />

um ein Feld mit 0,28 Mio. EUR, was fast schon<br />

einer 15-kV-Neuanlage gleichkommt; hier erscheint<br />

ein Drittel bis höchstens die Hälfte des Betrages<br />

sachgerecht.<br />

Ohne Kenntnis von Gründen sind bei der<br />

letzten Variante der Tabelle die 20 km lange,<br />

2,0 Mio. EUR teure „Verbindungsleitung“ zur<br />

392 110 (2012) Heft 8-9


Forum Fokus<br />

nächsten DB-Schaltanlage und deren Erweiterung<br />

für 0,28 Mio. EUR nicht zu verstehen, wenn doch<br />

gleichzeitig über 2 km Leitung redundant in die<br />

Streckenfahrleitungen gespeist wird (Bild 3). Ohne<br />

diese Ergänzung ist die Variante identisch mit der<br />

vorigen, sodass nicht nur diese beiden Positionen<br />

hier keinen Sinn erg<strong>eb</strong>en und fehl am Platze<br />

sind, sondern auch die 15-kV-Schaltanlage bei<br />

der EE-Anlage mit ihren 1,2 Mio. EUR. Stattdessen<br />

ist an der Strecke ein einfachster Schaltposten<br />

erforderlich, der wie bei den bestehenden 15-kV-<br />

Schalt anlagen aus schutztechnischen Gründen drei<br />

Speiser braucht, und in den Fahrleitungen eine<br />

weitere Trennung. Dafür können zusammen allenfalls<br />

0,4 Mio. EUR angesetzt werden.<br />

Ob im Vergleich dazu die in der Tabelle mit<br />

30 000 EUR veranschlagten 50-Hz-Ortsnetzstationen<br />

in Fertiggaragen für das Einspeisen und selektive<br />

Übertragen von 2,5 MW geeignet sind, erscheint<br />

sehr fragwürdig, wird hier aber angesichts der anderen<br />

Unplausibilitäten nicht weiter untersucht.<br />

Die Betreiber von 16 2 / 3<br />

-Hz-Netzen sollten größeres<br />

Selbstvertrauen haben und den Politikern eindringlich<br />

aufzeigen, wie deren Vorteile und Potenziale<br />

zum Wohle des Steuerzahlers mehr zu nutzen sind.<br />

Ein ausgewogener und den örtlichen Verhältnissen<br />

angepasster Einspeisungsanteil direkt in das Bahnnetz<br />

nutzt die EE höher als auf dem verlustbehafteten<br />

Umweg über das 50-Hz-Netz und anschließende<br />

Umrichtung. Das ist ein besserer Weg, das Bahnstromnetz<br />

zur Entlastung des strapazierten 50-Hz-<br />

Netzes zu benutzen als nach manchen anderen<br />

Vorstellungen.<br />

Überhaupt sollte man nicht nur in Deutschland,<br />

sondern überall endlich damit aufhören, die<br />

16 2 / 3<br />

-Hz-Erzeugungs- und -Übertragungssysteme als<br />

etwas Exotisches, Antiquiertes oder sogar Anrüchiges<br />

anzusehen und zu behandeln. Man wird noch<br />

staunen, welches Potenzial hierin nicht nur für Bahnanwendungen<br />

steckt [9], und je eher und ernsthafter<br />

man sich damit befasst, desto größer und nachhaltiger<br />

wird der Nutzen für Technik, Betri<strong>eb</strong>, Ökologie<br />

und Ökonomie sein.<br />

Dr. Thorsten Schütte, Västerås<br />

Literatur + Links<br />

Bewertung<br />

Im Gesamtbild irritiert die teils massive, teils subtile,<br />

durchweg aber übereinstimmende Tendenz zu<br />

Ungunsten direkter Anbindung von EE-Anlagen<br />

an das 16,7-Hz-Bahnstromnetz der DB gewaltig.<br />

Honi soit qui mal y pense – Ein Schelm wer Böses<br />

dabei denkt!<br />

Die Korrekturen gemäß den beiden vorigen<br />

Abschnitten führen insgesamt zu Investitionsbeträgen,<br />

die sich angesichts der in der Studie wie<br />

in dieser Analyse möglichen Genauigkeit nicht<br />

belastbar von denen für die 50-Hz-Anbindungen<br />

unterscheiden.<br />

Dagegen lässt, wie gezeigt werden kann, der Einsatz<br />

von Normschaltanlagen der DB sogar Vorteile<br />

erwarten.<br />

Schlussbemerkungen<br />

[1] Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik<br />

(IWES) u. a. (Hrsg.): Bahnstrom Regenerativ<br />

– Analyse und Konzepte zur Erhöhung des Anteils der<br />

Regenerativen Energie des Bahnstroms – Endbericht,<br />

September 2011. http://www.iwes.fraunhofer.de/de/<br />

publikationen0/u<strong>eb</strong>ersicht/publikationen_veroeffentlichungengesamt/2011/bahnstrom_regenerativ.html<br />

[2] Behmann, U.: Windenergiepark alpha ventus. In: <strong>Elektrische</strong><br />

<strong>Bahnen</strong> 108 (2010), H. 5, S. 226–229.<br />

[3] Schütte, Th.; Ström, M.; Gustavsson, B.: Erzeugung und<br />

Übertragung von Windenergie mittels Sonderfrequenz.<br />

In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 99 (2001), H. 11, S. 435– 443;<br />

100 (2002), H. 1-2, S. 74.<br />

[4] Schütte, Th.: Leistungsübertragung bei Windenergieanlagen<br />

und -parks. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 108 (2010),<br />

H. 5, S. 230.<br />

[5] Rehm, H.; Kupper, R.; Schulz-Gerchow, F.: Donaukraftwerk<br />

Bad Abbach zur <strong>Bahnen</strong>ergiererzeugung. In: <strong>Elektrische</strong><br />

<strong>Bahnen</strong> 99 (2001), H. 11, S. 453– 460.<br />

[6] Siles Blacutt, C.; Abrahamsson, L.; Schütte, Th.: <strong>Bahnen</strong>ergie-Primärerzeugung<br />

16 2 / 3 Hz in Norwegen und<br />

Schweden. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 108 (2010), H. 1-2,<br />

S. 80 – 83.<br />

[7] Specht, R.: Geschichte und Technik des Wasserkraftwerks<br />

Kammerl. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 99 (2001),<br />

H. 11, S. 444– 452.<br />

[8] Mazurciewicz, J.: Hochrheinkraftwerk Rheinfelden und<br />

Wasserkraft in Deutschland. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 109<br />

(2011), H 10, S. 526–531; Behmann, U.; Braun, E.: Hintergrund:<br />

Wasserkraftwerke, S. 531–532.<br />

[9] Erlich, I.: Hochspannungsnetz der Zukunft (Vortragscharts).<br />

http://www.forum-netzintegration.de/uploads/<br />

media/DUH_Erlich_06052010.pdf<br />

110 (2012) Heft 8-9<br />

393


Fokus Forum<br />

Zukunftsentscheidungen nach zweierlei<br />

Maß bei Finanzrechnungen?<br />

Wenn für ein Technikkonzept zwei Varianten verglichen werden, muss man davon ausgehen dürfen, dass<br />

dafür dieselben Basiszahlen gelten und benutzt werden. Zumindest gehört es sich, im Falle von Unterschieden<br />

diese zu nennen und zu begründen. Warum ist das anders, und zwar zum Nachteil, wenn es um<br />

16,7-Hz-Erzeu gung für die DB geht?<br />

Die in [1] beschri<strong>eb</strong>enen Merkwürdigkeiten bei den<br />

Anlagenkonfigurationen und den dort als „Kosten“<br />

bezeichneten Investitionsbeträgen machen neugierig,<br />

sich auch die darunter zugeordneten „Investkosten“<br />

näher anzusehen (Bild 4 in [1]). Schlüsselgröße für die<br />

Beurteilung wäre der zugrunde gelegte Annuitätsfaktor,<br />

der sich per Rückrechnung ergibt und zu dem<br />

sich dann passende Kombinationen von Zinssatz und<br />

Abschreibungszeit ermitteln lassen. Dabei zeigt sich<br />

überraschend (Tabelle 1):<br />

• Es sind nicht überall dieselben Annuitätsfaktoren<br />

angesetzt, sondern insgesamt sechs verschiedene.<br />

• Dadurch werden für Einspeisungen in das 16,7-Hz-<br />

Bahnnetz die Kapitalkosten gegenüber denen in<br />

das 50-Hz-Landesnetz systematisch um 7, 15, 29<br />

und 33 % teurer gerechnet und dargestellt.<br />

Das gilt unabhängig davon, ob und wie die jeweiligen<br />

Investitionsbeträge der Sache und der Höhe nach<br />

berechtigt, angemessen und vergleichbar sind [1].<br />

Die unterschiedlichen Faktoren bedeuten<br />

• bei gleichem Abschreibungszeitraum n = 30 Jahre<br />

TABELLE 1<br />

Annuitätsfaktoren und Parameterpaarungen zu Investitionen<br />

für Netzanbindungen von EE-Anlagen (Bild 4 in [1]).<br />

Annuitätsfaktor rückgerechnet als Quotient aus Kapitalkosten und<br />

Investitionssumme, hier auf 10 – 4 gerundet geschri<strong>eb</strong>en<br />

Werte für Zinssatz und Abschreibungszeit aus finanzmathematischem<br />

Tabellenwerk linear interpoliert, Zinssatz dann hier auf 0,1 % und Zahl<br />

der Jahre ganzzahlig gerundet geschri<strong>eb</strong>en<br />

1 Windpark 20 MW an Hochspannungsnetz<br />

2 Kleinwasserkraftwerk 2,5 MW an Mittelspannungsnetz<br />

3 Fotovoltaikanlage 2,5 MW an Mittelspannungsnetz<br />

4 Kleinwasserkraftwerk 2,5 MW an Fahrleitungsnetz<br />

1 2 3 4<br />

Annuitätsfaktor<br />

16,7 Hz<br />

50 Hz<br />

Verhältnis<br />

Zinssatz bei 30 a<br />

Abschreibung<br />

16,7 Hz<br />

50 Hz<br />

Abschreibung bei<br />

Zinsatz 4,0 %<br />

16,7 Hz<br />

50 Hz<br />

0,0764<br />

0,0712<br />

1,07<br />

6,5 %<br />

5,8 %<br />

19 a<br />

21 a<br />

0,0756<br />

0,0585<br />

1,29<br />

6,5 %<br />

4,1 %<br />

19 a<br />

29 a<br />

0,0778<br />

0,0585<br />

1,33<br />

6,7 %<br />

4,1 %<br />

18 a<br />

29 a<br />

0,0670<br />

0,0585<br />

1,15<br />

5,3 %<br />

4,1 %<br />

23 a<br />

29 a<br />

um 0,7 bis 2,6 % höhere kalkulatorische Zinsen<br />

• oder bei gleichem Zinssatz i = 4,0 % um 2 bis<br />

11 Jahre kürzere Abschreibungszeiten<br />

• oder andere Paarungen dieser beiden Größen<br />

Im Übrigen ist es rätselhaft, wie die auf 1,– EUR<br />

genauen Kapitalkosten werte zustande kommen (Bild 4<br />

in [1]), denn keiner der sechs rückgerechneten Faktoren<br />

steht exakt so in den einschlägigen finanzmathematischen<br />

Tabellen. Deshalb entstehen auch beim<br />

Ablesen und Interpolieren zugehöriger Zinssätze und<br />

Abschreibungszeiten die nicht-ganzzahligen Werte (Tabelle<br />

1). Und mit der Formel a = i / [1 - (1 + i) -n ] bis auf<br />

sechs Stellen genau hat hoffentlich niemand gerechnet<br />

angesichts der Grobrundungen bei den Investitionen.<br />

Wenn nur Fehler beim Wertablesen, Rechnen oder<br />

Aufschreiben die Ursache wären, müssten die Abweichungen<br />

nach beiden Seiten gleichmäßig auftreten;<br />

selbst bei maximal möglichen acht Werten wären zwei<br />

gegen sechs noch halbwegs unverfänglich gewesen.<br />

Die durchweg einseitige Auswirkung macht es jedoch<br />

schwer, hier keine zielgerichtete Politik zu befürchten<br />

– aber ist es denn vorstellbar, dass bei Zukunftsthemen<br />

des Landes derartig manipuliert wird? Oder war jemand<br />

sogar überzeugt und hat es nur stillschweigend<br />

eingeschleust, dass mittelgroße Anlagen für 50 Hz<br />

eineinhalbmal so lange halten wie solche für 16,7 Hz?<br />

Schon vor Jahrzehnten mussten sich die DB-Fachleute<br />

einmal gegen ein solches Absurdikum wehren: In den<br />

1950er Jahren wurde propagiert, dass der Kraftschluss<br />

unter elektrischen <strong>Lokomotiven</strong> bei 50 Hz im Fahrdraht<br />

um ein Drittel höher wäre als bei 16 2 / 3 Hz.<br />

Welches Gewicht die so zustande gekommenen<br />

Kapitalkosten in den weiteren Rechenerg<strong>eb</strong>nissen<br />

hatten und inwieweit sie damit die Schlussfolgerungen<br />

bestimmt und schon unternehmerische oder gar<br />

politische Entscheidungen beeinflusst haben, ist zu<br />

prüfen und allfällig zu korrigieren. Zutiefst befremdlich<br />

ist der Vorgang allemal – welche der möglichen<br />

Erklärungen auch immer zutrifft. Andere Komplexe<br />

der Energiewende in Deutschland werden hoffentlich<br />

anders behandelt.<br />

Uwe Behmann<br />

[1] Schütte, Th.: Zukunftsentscheidungen nach zweierlei<br />

Maß bei Anlagen und Investitionen? In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong><br />

110 (2012), H. 8-9, S. 390–393.<br />

394 110 (2012) Heft 8-9


Forum Fokus<br />

Leserforum<br />

Ihre Meinung ist gefragt. Kommentare und Diskussionsbeiträge richten Sie bitte per Post oder E-Mail<br />

leserforum@<strong>eb</strong>-elektrische-bahnen.de direkt an die Redaktion.<br />

Betri<strong>eb</strong> ohne Oberleitung<br />

Leserforum <strong>eb</strong> 3/2012, S. 60, und <strong>eb</strong> 5/2012, S. 182<br />

Herr Albrecht ist meinen Ausführungen offenbar<br />

mit großer Akribie gefolgt und hat versucht, die<br />

Schwachstellen zu finden. Auf dem Streckenabschnitt<br />

zwischen Berlin und Hamburg hat er sie<br />

gefunden. Aus dem Umstand, dass er nur diesen<br />

Abschnitt betrachtet und die Weiterfahrt nach Kopenhagen<br />

in seiner Berechnung weggelassen hat,<br />

wage ich nun zu schließen, dass er mit seinen<br />

sehr gründlichen Methoden im weiteren Verlauf der<br />

Strecke <strong>eb</strong>enso wie in meinen Betrachtungen zum<br />

Nahverkehr keine „Würmer“ gefunden hat.<br />

Ich glaube nämlich nicht, dass der Zug in Hamburg<br />

25 Minuten wird stehenbleiben müssen, um<br />

die Energiespeicher nachzuladen. Zumal sich die<br />

Weiterfahrt von dort so gemächlich gestaltet, dass<br />

die Akkumulatoren sich mit zwei Motoren allmählich<br />

wieder aufladen sollten. Die Rückspeisung beim<br />

Bremsen wird das Ihre dazu beitragen.<br />

Wurde die Rückspeisung in der Rechnung von<br />

Herrn Melzer berücksichtigt? Sie ist als herausragender<br />

Vorteil der Elektrotraktion gegenüber dem Dieselmotor<br />

unverzichtbarer Bestandteil des Projekts,<br />

sonst ist dieses von vornherein gescheitert. Warum<br />

wird die angenommene Akkumulator-Kapazität nur<br />

zu 46 % genutzt? Dies wird leider nicht erklärt. Was<br />

ist der „optimale“ Ladezustand eines Akkumulators?<br />

Optimal wofür?<br />

Die Strecke Berlin – Hamburg stellt einen Extremfall<br />

dar. So weit fährt selten ein Zug ohne Zwischenhalt.<br />

Der Vorteil elektrischer Traktion fällt gerade dort<br />

gering aus; umso weniger kann die Nachrüstung<br />

der Energiespeicher bewirken. Der Abschnitt wäre<br />

nie geschri<strong>eb</strong>en worden, gäbe es nicht die glücklose<br />

Baureihe 605. Die Kernfrage müsste eigentlich<br />

lauten, warum diese Züge auf dieser durchgehend<br />

elektrifizierten Strecke überhaupt eingesetzt werden,<br />

herumstehen und zum Teil unter suboptimalen Einsatz-Bedingungen<br />

„aufg<strong>eb</strong>raucht“ werden. Ob man<br />

sie nicht sinnvoller für Studien, wie die <strong>Bahnen</strong> mit<br />

den Ölpreisen der Zukunft umzugehen gedenken,<br />

einsetzen sollte?<br />

Stefan Fassbinder, per E-Mail<br />

Es wurde nur die Teilstrecke Berlin – Hamburg berechnet,<br />

weil erstens für diesen Abschnitt konkrete Strecken- und<br />

Geschwindigkeitsprofile vorhanden waren und zweitens<br />

die Erg<strong>eb</strong>nisse im Hinblick auf die Sinnhaftigkeit des Energiespeichereinsatzes<br />

eindeutig waren. In der Variante<br />

mit 3 Dieselmotoren (DM) und 1 Energiespeicher (ES)<br />

wird der ES für die stets auf minimalen Energi<strong>eb</strong>edarf<br />

hin optimierte Zugfahrsimulation nur zu 1 % entladen.<br />

Er ist also nahezu überflüssig. In der Variante 2 DM und<br />

2 ES muss tatsächlich in Hamburg 25 min nachgeladen<br />

werden, weil die Leistung der verbleibenden DM zu<br />

gering ist, um zu fahren (es wird ja nicht einmal mehr<br />

die zulässige Streckenhöchstgeschwindigkeit erreicht)<br />

und gleichzeitig nachzuladen. Die Rückspeisung wurde<br />

selbstverständlich in der Simulation genutzt, sie spielt<br />

in diesem Fernverkehrsszenario aber so gut wie keine<br />

Rolle, da sie im Verhältnis zum Anteil Fahren viel zu<br />

selten auftritt. G<strong>eb</strong>remst wird ja nur an den wenigen<br />

Halten und bei negativen Geschwindigkeitswechseln.<br />

Nennenswerte Effekte durch Rückspeisung sind tendenziell<br />

nur bei Nahverkehrsanwendungen und im G<strong>eb</strong>irge<br />

zu erwarten.<br />

Die Zugfahrtsimulation wurde wie beschri<strong>eb</strong>en auf<br />

den geringsten Energi<strong>eb</strong>edarf der gesamten Zugfahrt<br />

hin optimiert. Deshalb wird auch im Szenario 2 DM<br />

und 2 ES der ES nur zu 46 % entladen. Eine weitere Entladung<br />

bringt in diesem Fall energetisch keinerlei Vorteile.<br />

Bei stärkerer Entladung steigen die Verluste im ES,<br />

die sich auch negativ auf die L<strong>eb</strong>ensdauer auswirken,<br />

auf Grund größerer Ent-/Ladeströme bei geringeren<br />

Batteriespannungen.<br />

Andreas Albrecht<br />

Die Redaktion behält sich vor, Le serzuschriften sinnwahrend<br />

zu kürzen.<br />

110 (2012) Heft 8-9<br />

395


Fokus Thema<br />

Induktive Energieübertragung für<br />

Elektrofahrzeuge im Testbetri<strong>eb</strong><br />

Im Rahmen eines Pilotprojektes in Augsburg hat Bombardier Ende Mai 2012 das Funktionsprinzip eines<br />

Systems der induktiven, also berührungsfreien Energieübertragung auf Elektrofahrzeuge und den<br />

betri<strong>eb</strong>snahen Test eines damit ausgerüsteten Straßenbahnzuges vorgeführt. Der Einsatz des Systems<br />

bei Regionalbahnen gehört prinzipbedingt nicht zu den Projektzielen.<br />

Das neue System für die berührungslose Übertragung<br />

elektrischer Energie mit der Bezeichnung Bombardier<br />

PRIMOVE kann als Teil der weltweiten Initiative<br />

für mehr E-Mobilität verstanden werden. Das<br />

Bewusstwerden der das Klima schädigenden Wirkung<br />

von CO 2<br />

gab Anlass zu einer technischen Offensive<br />

mit dem Ziel, als Abhilfe im Verkehrsbereich mehr<br />

elektrische Antri<strong>eb</strong>stechnik einzusetzen. Die Preisentwicklung<br />

bei den Kraftstoffen dürfte dieses Anliegen<br />

unterstützt haben infolge der Einschätzung, dass<br />

sich die Elektroenergie möglicherweise geringer verteuern<br />

wird als fossile Brennstoffe. Die Auswirkungen<br />

sind in Summe erh<strong>eb</strong>lich. Der Verkehrs bereich bindet<br />

laut Angabe des Bundesministeriums für Verkehr, Bau<br />

und Stadtentwicklung (BMVBS) immerhin 30 % des<br />

gesamten Energi<strong>eb</strong>edarfs in Deutschland.<br />

Zudem l<strong>eb</strong>t gegenwärtig schätzungsweise bereits<br />

die Hälfte der Weltbevölkerung in Städten und der<br />

Anteil steigt weiter. Daraus ist unter anderem die Aufgabenstellung<br />

abzuleiten, den Verkehr in den Städten<br />

energieeffizienter, leistungsfähiger und insbesondere<br />

auch emissionsärmer durchzuführen [1; 2; 3]. Die<br />

PRIMOVE-Technologie stellt sich diesen Vorgaben.<br />

Bild 1:<br />

Illustration der PRIMOVE-Einrichtungen an der Infrastruktur; links Container mit Wechselrichter,<br />

dahinter Funkempfänger für die Schaltkommandos und Schalteinrichtung selbst; rechts Teil der<br />

dreiphasigen Primärwicklung zwischen den Straßenbahnschienen (Foto: Bombardier).<br />

PRIMOVE-Technik<br />

Das Wirkprinzip der induktiven Energieübertragung<br />

gründet sich auf das eines 3AC-Mittelfrequenz-Transformators.<br />

Dessen magnetischer Kreis enthält hier<br />

allerdings zwischen Primär- und Sekundärteil einen<br />

Luftspalt. Die Primärwicklung wird als dreiphasige<br />

Wicklung beispielsweise in Form von Kabelsegmenten,<br />

wie in Bild 1 für den Fall einer Straßenbahn-Infrastruktur<br />

gezeigt, in die Fahrbahn eing<strong>eb</strong>ettet. Der<br />

Sekundärteil des Transformators wird als flaches Element<br />

auf der Fahrzeugunterseite ang<strong>eb</strong>aut (Bild 2).<br />

Der aus konventioneller Sicht mit rund 140 mm<br />

Länge außerordentlich große Luftspalt ergibt sich<br />

aus dem im Straßenverkehr g<strong>eb</strong>otenen Abstand<br />

zwischen der Fahrbahn und der Unterseite des Fahrzeugs.<br />

Vom konkreten Anwendungsfall abhängig<br />

verlangt er eine sehr hohe magnetische Feldstärke,<br />

die von der umrichtergespeisten Primärwicklung in<br />

den Kabelsegmenten zu erzeugen ist.<br />

Diese technische Herausforderung wird ergänzt<br />

durch die <strong>eb</strong>enfalls äußerst anspruchsvolle Vorgabe,<br />

dass im Fahrzeug und an dessen Außenseite<br />

am Fahrweg sehr enge Grenzwerte für die magnetische<br />

Feldstärke eingehalten werden müssen.<br />

Damit hängt die Besonderheit zusammen, dass<br />

stets nur vom Fahrzeug überdeckte Kabelsegmente<br />

zur induktiven Energieübertragung aktiv geschaltet<br />

sein dürfen. Das automatische Schaltmanagement<br />

obliegt einem sensorgestützten Kommunikationssystem<br />

auf Funkbasis, das vom Fahrzeug aus die<br />

jeweiligen leistungselektronischen Schaltvorgänge<br />

im Umrichterbehälter (Bild 1) steuert und sich dort<br />

auch befindet.<br />

Nach Herstellerangaben erfüllt die PRIMOVE-<br />

Technologie bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit<br />

(EMV) alle gegenwärtig geltenden Codes<br />

und Normen. Es wird darauf hingewiesen, dass hinsichtlich<br />

der durch den Betri<strong>eb</strong> des Mittelfrequenz-<br />

Transformators im öffentlichen Raum verursachten<br />

Magnetfeldemission die Empfehlungen der Internationalen<br />

Kommission zum Schutz vor nichtionisierender<br />

Strahlung (ICNIRP) eingehalten werden. Interferenzen<br />

mit anderen Systemen treten nicht auf. Der<br />

Betri<strong>eb</strong> elektronischer Geräte wie zum Beispiel von<br />

Mobiltelefonen oder gar Herzschrittmachern wird<br />

396 110 (2012) Heft 8-9


Thema Fokus<br />

nicht beeinträchtigt. Die gleiche Aussage trifft auch<br />

für die Einrichtungen der leistungselektronischen<br />

Ansteuerung des Mittelfrequenz-Transformators zu.<br />

Die induktive Energieübertragung mit dem<br />

PRIMOVE-System ist stationär, also im Stillstand eines<br />

Fahrzeuges an einzelnen definierten Speisepunkten,<br />

oder dynamisch während des Fahrtverlaufs spurgeführter<br />

Fahrzeuge möglich.<br />

Die zum Fahrzeug übertragene elektrische Energie<br />

nimmt, soweit sie nicht für Hilfseinrichtungen<br />

und bei dynamischer Ladung unmittelbar für die<br />

Traktion abverlangt wird, ein Energiespeicher auf.<br />

Dieser Energiespeicher wird im Übrigen auch der jeweils<br />

vorübergehenden Aufnahme zurückgewonnener<br />

Bremsenergie geschuldet und ist abhängig von<br />

dem Fahrzeugeinsatz zu bemessen. Die erforderlichen<br />

Steuerungs- und Regelungsaufgaben sind von<br />

einem Energiemanagement-System zu koordinieren.<br />

Das Prinzip des PRIMOVE-Systems einschließlich<br />

ergänzter Energiespeicher und aller zugehörigen<br />

Komponenten ist in Bild 3 dargestellt.<br />

Für die induktive Übertragung zu PRIMOVE-Systemen<br />

kann die elektrische Energie bei dem angedachten<br />

Leistungsspektrum von etwa 100 kW bis 500 kW<br />

pro Fahrzeug aus einem beim Betri<strong>eb</strong> von Straßenbahnen<br />

ohnehin vorhandenen DC-Netz 600 V oder<br />

750 V oder aus einem 3AC-Netz 400 V 50 Hz entnommen<br />

werden. Die PRIMOVE-Technologie anzuwenden,<br />

kann somit für Straßen- und Stadtbahnen<br />

sowie Elektrobusse <strong>eb</strong>enso in Betracht kommen wie<br />

für Pkw und Kleintransporter. Der Einsatz im schweren<br />

Lkw-Verkehr ist <strong>eb</strong>enfalls grundsätzlich möglich<br />

Bezüglich wirtschaftlicher Angaben wie Wirkungsgrad<br />

einer Anlage, Zuverlässigkeit des Systems und<br />

spezifischen Investitions- und Betri<strong>eb</strong>skosten verweist<br />

der Hersteller auf unterschiedlich vorhandene<br />

regionale Bedingungen und die Abhängigkeit unter<br />

anderem von der geplanten Nutzung und der konkreten<br />

Auslegung.<br />

Testanlage Augsburg<br />

Ab September 2010 hat Bombardier in Zusammenarbeit<br />

mit der Verkehrsgesellschaft der Stadtwerke<br />

in Augsburg ein PRIMOVE-System installiert. Das<br />

Projekt wurde vom BMVBS gefördert. Die PRIMOVE-<br />

Anlage befindet sich auf einem vorübergehend nicht<br />

betri<strong>eb</strong>enen Regel-Streckenabschnitt der Straßenbahnlinie<br />

3 auf dem Messegelände. Die Augsburger<br />

Straßenbahn hat eine Spurweite von 1 000 mm. Die<br />

Teststrecke verfügt über aneinander anschließende<br />

je 8 m lange Betonelemente, in welche die Kabel<br />

der Primärwicklung des Mittelfrequenz-Transformators<br />

eingelegt sind. Diese Kabelsegmente liegen<br />

zwischen den beiden Schienen und sind bis zu deren<br />

Oberkante mit Straßenbelag bedeckt. Die Spulen<br />

werden aus dem DC-750-V-Netz der Straßenbahn<br />

über statische Umrichter gespeist (Bild 1) und so angesteuert,<br />

dass von ihnen immer nur die örtlich unter<br />

dem Straßenbahnzug übertragungsfähigen unter<br />

Spannung stehen. Die jeweils aktiven erzeugen<br />

zur berührungslosen Energieübertragung an ihrer<br />

Oberfläche das dazu erforderliche Magnetfeld. Im<br />

Anwendungsfall in Augsburg beträgt die Frequenz<br />

nach Herstellerangaben 20 kHz.<br />

Korrespondierend mit dieser Streckenausrüstung<br />

hat Bombardier einen firmeneigenen Zweirichtungs-<br />

Straßenbahnzug mit zwei PRIMOVE-Sekundärspulen<br />

Bild 2:<br />

Sekundärteil des PRIMOVE-Mittelfrequenztransformators, ang<strong>eb</strong>aut<br />

an der Unterseite des Fahrzeugkastens (Foto: Bombardier).<br />

110 (2012) Heft 8-9<br />

Bild 3:<br />

Übersicht über die Anordnung der Bauelemente des PRIMOVE-Systems und Energiespeicherlösung<br />

(Grafik: Bombardier).<br />

397


Fokus Thema<br />

te in dem berührungslos mit Energie versorgten<br />

Straßenbahnzug das fahrdynamische Verhalten aus<br />

Fahrgastsicht eingeschätzt werden. Dabei waren<br />

subjektiv keinerlei Auffälligkeiten gegenüber einem<br />

konventionell über eine Oberleitung gespeisten Zug<br />

festzustellen. Dan<strong>eb</strong>en legte Bombardier großen<br />

Wert darauf, in mehreren Illustrationspunkten an<br />

der Strecke und im Zug auf die fortlaufend ausgewiesenen,<br />

jeweils unbedenklich geringen Messwerte<br />

der elektromagnetischen Emissionen aufmerksam<br />

zu machen. Hiernach hat sich das System traktionstechnisch<br />

und hinsichtlich der nachgewiesenen<br />

normtechnischen Werte als praxistauglich erwiesen.<br />

Bild 4:<br />

Fünfteiliger Bombardier-Straßenbahnzug<br />

bei der Fahrt auf der<br />

PRIMOVE-Testanlage<br />

in Augsburg (Foto:<br />

Martin Binswanger).<br />

und den zugehörigen Einrichtungen des Energiemanagements<br />

ausgerüstet (Bild 4).<br />

Ein nach dem PRIMOVE-Prinzip umg<strong>eb</strong>auter Pkw<br />

wurde <strong>eb</strong>enfalls vorgestellt (Bild 5). Er vertritt das<br />

Einsatzfeld des Individualverkehrs.<br />

Testbetri<strong>eb</strong><br />

In Testreihen auf der Versuchsstrecke in Augsburg<br />

wurde die Zuverlässigkeit des Systems bei den unterschiedlichsten<br />

Betri<strong>eb</strong>sbedingungen, beispielsweise<br />

auch im Winter und bei verschmutzter Fahrbahn,<br />

nachgewiesen. Nach Herstellerangaben wurde die<br />

vollständige Einhaltung aller geltenden Vorgaben hinsichtlich<br />

der EMV durch externe Gutachter bestätigt.<br />

Am 31. Mai 2012 bestand die Gelegenheit, das<br />

PRIMOVE-System in einem praxisnahen Testbetri<strong>eb</strong><br />

zu beurteilen. In einer Reihe von Fahrspielen konn-<br />

Bild 5:<br />

Zum Elektrofahrzeug umg<strong>eb</strong>auter Kleinbus in Augsburg mit unten<br />

seitlich sichtbarem PRIMOVE-Sekundärteil als Energieaufnahmeeinheit<br />

(Foto: Martin Binswanger).<br />

HINTERGRUND<br />

Zur Historie von Akkumulatorfahrzeugen<br />

<strong>Elektrische</strong> Fahrzeuge, die von Akkumulatoren<br />

gespeist wurden, waren bereits vor mehreren<br />

Jahrzehnten unter anderem bei der deutschen<br />

Post als Verteilerfahrzeuge im Stadtbereich als<br />

Lkw mittlerer Tragfähigkeit (Wikipedia: Sigmund<br />

Bergmann) und bei der Deutschen Reichsbahn<br />

und später auch bei der Bundesbahn<br />

als Akkumulator-Tri<strong>eb</strong>wagen (Wikipedia: Wittfeld-Akkumulatortri<strong>eb</strong>wagen)<br />

im Einsatz. Die in<br />

jeweiligen technischen Entwicklungsetappen<br />

zur Verfügung stehenden elektrischen Energiespeicher<br />

besitzen einschränkende spezifische<br />

Eigenschaften hinsichtlich Speicherkapazität,<br />

zulässiger Lade- und Entladeströme und Masse.<br />

Die Eigenmasse der Speicher reduziert einerseits<br />

die Nutzmasse des Fahrzeugs und nimmt andererseits<br />

selbst Energie für den eigenen Transport<br />

in Anspruch. Auf die L<strong>eb</strong>ensdauer eines<br />

Energiespeichers haben die bei den Lade- und<br />

Entladevorgängen fließenden Ströme Einfluss.<br />

Damit erg<strong>eb</strong>en sich die erforderlichen großen<br />

Ladezeiten für die Akkumulatoren.<br />

Mit Hilfe eines technischen Systems verfügbarer<br />

Komponenten, die aufeinander abgestimmt<br />

eingesetzt werden, können wirtschaftliche Lösungen<br />

für Beförderungs- und Transportaufgaben<br />

entwickelt werden. Mit der PRIMOVE-Technologie<br />

besteht die Möglichkeit, die erforderliche Antri<strong>eb</strong>senergie<br />

kontinuierlich über eine entsprechend<br />

ausgerüstete Strecke zur Verfügung zu stellen. Die<br />

für die Energieübertragung erforderliche Spurführung<br />

muss dabei in geeigneter Weise gesichert<br />

werden. Sie ist aber auch geeignet, die Energiespeicher<br />

eines Fahrzeugs für den Traktionsantri<strong>eb</strong><br />

an stationären Ladestationen im erforderlichen<br />

Umfang nachzuladen. Damit wird zum Beispiel<br />

ein Linienverkehr im ÖPNV mit Elektrobussen<br />

grundsätzlich ermöglicht.<br />

rg<br />

398 110 (2012) Heft 8-9


Thema Fokus<br />

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Betri<strong>eb</strong>seinsatz<br />

Nach Angaben der Verkehrsgesellschaft in Augsburg<br />

wurde bei der Straßenbahn vor wenigen Monaten<br />

die Erneuerung eines Großteils des Fahrzeugparks<br />

abgeschlossen, so dass dort der Einsatz der PRI-<br />

MOVE-Technologie in Serienfahrzeugen zunächst<br />

nicht ansteht. Es ist aber vorgesehen, ab dem<br />

Jahresende 2012 in Augsburg einen Linienbus mit<br />

PRIMOVE-Technik zu erproben. Großes Interesse<br />

wird dabei der Vergleich mit den gas- und dieselbetri<strong>eb</strong>enen<br />

Bussen hinsichtlich der Betri<strong>eb</strong>serg<strong>eb</strong>nisse<br />

und der Fahrgastakzeptanz finden.<br />

Die Braunschweiger Verkehrs-AG (BVAG) wird<br />

einen Abschnitt des vorhandenen Busnetzes mit<br />

dem PRIMOVE-System ergänzen. Die Metropolregion<br />

Hannover Braunschweig Göttingen Wolfsburg hat im<br />

April 2012 als eine von vier Regionen den Zuschlag<br />

als nationales Schaufenster Elektromobilität erhalten<br />

[3]. Das Schaufenster Elektromobilität betrachtet die<br />

gesamte Wertschöpfungskette Fahrzeug – Energie<br />

und Infrastruktur – Verkehr. Am 1. Juni 2012 hat<br />

die BVAG ein Projekt Elektrobus begonnen. Es sieht<br />

vor, auf den Braunschweiger Ringlinien M19 und<br />

M29 als Ergänzung zu den bereits verkehrenden<br />

110 (2012) Heft 8-9<br />

18-m-Dieselbussen zwei 12 m lange Busse einzusetzen,<br />

die mit Energiespeichern ausgerüstet elektrisch<br />

betri<strong>eb</strong>en werden. Das stationäre Nachladen der<br />

Bild 6:<br />

Demonstration des im Fahrtverlauf fortwährend wechselnden Schaltzustandes der jeweils von<br />

dem Fahrzeug überdeckten aktiven Kabelsegmente, verdeutlicht durch Leuchten am Gleis, die<br />

zu den Kabelsegmenten parallel geschaltet sind (Foto: Bombardier).<br />

399


Fokus Thema<br />

Energiespeicher soll punktförmig an voraussichtlich<br />

drei ausgewählten Haltestellen mittels der PRIMOVE-<br />

Technologie erfolgen. Die Ladestationen werden mit<br />

DC 600 V aus dem <strong>Bahnen</strong>ergieversorgungsnetz der<br />

Straßenbahn gespeist. Sie sollen deshalb in der Nähe<br />

von Kreuzungen der Bus- mit Straßenbahnlinien errichtet<br />

werden. An den Haltestellen auf dem Cityring<br />

steht für das Nachladen der Energiespeicher die für<br />

den Fahrgastwechsel übliche Haltezeit von 20 bis<br />

30 s zur Verfügung, während an der Endhaltestelle<br />

am Hauptbahnhof eine längere Nachladezeit möglich<br />

ist. Die Strecke der dafür festgelegten Linien<br />

führt vom Hauptbahnhof über den City-Ring um die<br />

Innenstadt. Sie ist 12 km lang.<br />

An dem Projekt Elektrobus sind weiter die<br />

TU Braunschweig, Braunschweig ENERGY und<br />

Bombardier einbezogen. Die TU Braunschweig<br />

ist an der Entwicklung der induktiven Energieübertragung<br />

[4] beteiligt und wird das Projekt<br />

wissenschaftlich begleiten. Der Hersteller der<br />

PRIMOVE-Elektrobusse ist noch nicht benannt.<br />

Halle 2.2,<br />

Stand 201<br />

Freigelände<br />

Der Linienbetri<strong>eb</strong> für das Projekt<br />

Elektrobus mit 12-m-Elektrobussen<br />

soll 2013 aufgenommen werden.<br />

Ein vorübergehender Vorlaufbetri<strong>eb</strong><br />

mit elektrisch angetri<strong>eb</strong>enen Midibussen<br />

wird angestr<strong>eb</strong>t. Das Projekt<br />

wird vom BMVBS mit einem Betrag<br />

von 2,9 Mio. EUR gefördert.<br />

Martin Binswanger, Roland Granzer<br />

[1] Fassbinder, S.: Konzepte elektrischer Antri<strong>eb</strong>sausrüstungen<br />

für Betri<strong>eb</strong> ohne Oberleitung. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong><br />

110 (2012), H. 3, S. 60 – 65.<br />

[2] Klohr, M.; Maroschik, A.: Energiespeicher auf Straßenund<br />

Stadtbahnfahrzeugen – das erste Serienprojekt. In:<br />

<strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 110 (2012), H. 8-9, S. 444–451.<br />

[3] Lange, J.; Knothe, Th.; Thie, S.: Der Weg zum Elektrobus<br />

– in Sachsen zu erfahren. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 110<br />

(2012), H. 7, S. 316 –323.<br />

[4] BVAG-Pressemitteilung vom 04. Juni 2012.<br />

Kommentar: Chancen für induktive Energieübertragung<br />

Bei dem Bestr<strong>eb</strong>en, mehr elektrische Antri<strong>eb</strong>stechnik<br />

im Verkehr einzusetzen, ist sicherlich zunächst<br />

an den spurg<strong>eb</strong>undenen Verkehr und hier an die<br />

Umstellung von Bahnlinien auf elektrischen Betri<strong>eb</strong><br />

zu denken. Oder an eine Verlängerung elektrifizierter<br />

Strecken durch nichtelektrifizierte Abschnitte<br />

mit Hilfe von Energiespeichern auf den elektrischen<br />

Fahrzeugen [1; 2; 3]. Oder, wie in der Innenstadt<br />

von Bordeaux ausgeführt, an die Sonderlösung mit<br />

einer dritten Schiene, der Fahrleitung am Boden,<br />

die nur unter dem Fahrzeug aktiviert wird und die<br />

Energie über Stromabnehmer einspeist.<br />

Wenn keine dieser Lösungen in Betracht<br />

kommt, kann für spurg<strong>eb</strong>undene Fahrzeuge bis<br />

hin möglicherweise zu den Oberleitungs-Bussen<br />

das PRIMOVE-System einspringen, insbesondere<br />

in sensiblen innerstädtischen Bereichen.<br />

Für längere Streckenabschnitte allerdings, demnach<br />

insbesondere bei Regionalzügen, erschweren<br />

• bei stationärer Ladung der hohe Energiespeicherbedarf<br />

und der in der verfügbaren<br />

Ladezeit hohe Leistungsbedarf bei niedriger<br />

Speisespannung und<br />

• bei dynamischer Ladung der große Aufwand<br />

an Streckenausrüstung, die zudem in hohem<br />

Maße und dann weitgehend unverrückbar von<br />

der Fahrzeugauslegung her bestimmt wird,<br />

die Anwendung der PRIMOVE-Technologie heutigen<br />

Standes.<br />

Bei dem Verkehr ohne Spurbindung, insbesondere<br />

dem Individualverkehr, ist die neuartige<br />

Technik darauf angewiesen, dass die stationären<br />

Ladestellen jeweils präzise genug angefahren<br />

werden, damit beim Ladevorgang die EMV-<br />

Grenzwerte verlässlich eingehalten werden und<br />

die Energieübertragung bestimmungsgemäß<br />

abläuft. Eine weitere Erschwernis ist, dass einzurichtende<br />

öffentliche Ladestationen den konventionellen<br />

Tankstellen entsprechend für möglichst<br />

alle Kunden und ihre unterschiedlichen<br />

Fahrzeuge gleichermaßen geeignet sein sollten.<br />

Hierzu bietet ein noch festzulegendes, frei wählbares<br />

elektrisches Steckersystem mit zugehöriger<br />

Speisespannung gegenüber der induktiven<br />

Energieübertragung, die auch jeweiligen<br />

fahrzeugspezifischen Anforderungen unterliegt,<br />

möglicherweise mehr Chancen für eine großräumige<br />

Vereinheitlichung.<br />

Das könnte bedeuten, dass die vorgestellte<br />

Technik heutigen Standes im nicht spurg<strong>eb</strong>undenen<br />

Verkehr nicht unbedingt generell interessant<br />

werden wird, sondern vorzugsweise für<br />

einheitliche, überschaubar abgegrenzte Fahrzeugflotten,<br />

wie sie zum Beispiel im Zustelldienst,<br />

aber insoweit auch beim Bus-Linienverkehr,<br />

vorkommen.<br />

bi<br />

400 110 (2012) Heft 8-9


Thema Fokus<br />

<strong>Bahnen</strong> auf dem neuesten Stand<br />

Zahlreiche Neuerungen bei Siemens werden unter dem Motto Produkte und Lösungen für die Mobilität<br />

in und zwischen den Städten auch auf der InnoTrans 2012 zu sehen sein. Ein Überblick.<br />

Vor dem Hintergrund, dass seit 2010 mehr als die<br />

Hälfte der Weltbevölkerung in städtischen G<strong>eb</strong>ieten<br />

l<strong>eb</strong>t und sich dieser Anteil in den folgenden Jahren<br />

weiter erhöhen wird, will Siemens effektive Verkehrslösungen<br />

für energieeffiziente und kostengünstige<br />

Mobilität in und zwischen den Städten anbieten, die<br />

auch für die Fahrgäste attraktiv sind. Die Siemens-<br />

Division Rail Systems hat Schienenfahrzeuge für den<br />

öffentlichen Personennahverkehr (ÖPNV) bis zum<br />

Hochgeschwindigkeitsverkehr (HGV) im Programm<br />

(Bild 1) und stellt auf der InnoTrans zahlreiche<br />

Neuerungen vor.<br />

Avenio-Straßenbahnen<br />

Eine Weiterentwicklung der Combino-Fahrzeuge<br />

für Budapest sind die Avenio-Straßenbahnzüge für<br />

Den Haag [1; 2]. Der zu 100 % niederflurige Avenio<br />

besteht aus mehreren Einzelgelenkfahrzeugen. Die<br />

zweiachsigen Fahrwerke sind um ± 4,5 °drehbar.<br />

Dadurch kann bei Fahrten durch Gleisbögen der<br />

Verschleiß sowohl an den Rädern als auch an<br />

den Schienen vermindert werden. Die Geräuschemission<br />

der Fahrzeuge konnte durch weitere<br />

Maßnahmen wie gummigefederte Radreifen, voll<br />

abgefederten Fahrwerksantri<strong>eb</strong> und insgesamt<br />

geräuschärmerer Betri<strong>eb</strong> der Antri<strong>eb</strong>sausrüstung<br />

beim Fahren und beim Bremsen gesenkt werden.<br />

Im Stillstand der Fahrzeuge werden die Hilfsbetri<strong>eb</strong>e<br />

mit vermin derter Leistung betri<strong>eb</strong>en oder<br />

ganz abgeschaltet. In den Jahren 2014 und 2015<br />

liefert 40 vierteilige Avenio nach Den Haag. Sie sind<br />

35 m lang und bie ten 70 Sitzplätze, die gesamte<br />

Kapazität beträgt 238 Fahrgäste (Tabelle 1). Der<br />

Auftrag umfasst n<strong>eb</strong>en der Lieferung der Fahrzeuge<br />

auch die Ausbildung des belgischen Personals und<br />

die Lieferung von Ersatzteilen, eine Option für die<br />

Lieferung von bis zu weiteren 40 Avenio-<strong>Bahnen</strong><br />

ist vereinbart. Zur InnoTrans wird ein begehbares<br />

Mock-up des Avenio ausgestellt (Bild 2).<br />

Avenio-Fahrzeuge sind auch Teil eines schlüsselfertigen<br />

Straßenbahnsystems in Doha, der Hauptstadt<br />

Katars, mit 11,5 km Streckenlänge der Spurweite<br />

1 435 mm und 25 Haltestellen. Der Auftrag<br />

umfasst n<strong>eb</strong>en den Straßenbahnfahrzeugen die<br />

Anlagen zur <strong>Bahnen</strong>ergieversorgung, die Einrichtungen<br />

der Signal- und Kommunikationstechnik<br />

und ein Depot für die Fahrzeuge. Geliefert werden<br />

19 dreiteilige Straßenbahnzüge (Bild 3) für jeweils<br />

239 Fahrgäste, die mit einem Hybridenergiespeichersystem<br />

Sitras HES aus Doppelschichtkondensatoren<br />

und Akkumulatoren ausgerüstet sind. Die<br />

Energiespeicher werden im Depot geladen und sind<br />

so dimensioniert, dass das gesamte Straßenbahnsystem<br />

oberleitungsfrei betri<strong>eb</strong>en werden kann. Unterwegs<br />

werden sie an den Haltestellen nachgeladen,<br />

dazu sind Depot und Haltestellen mit Deckenstromschienen<br />

ausgestattet. Zentrale Gleichrichterunterwerke<br />

(GUw) speisen mehrere stationäre<br />

Ladestationen an den Haltestellen. Sie werden von<br />

TABELLE 1<br />

Ausgewählte technische Daten des vierteiligen<br />

Avenio für Den Haag.<br />

Anzahl der Räder angetri<strong>eb</strong>en/gesamt<br />

Antri<strong>eb</strong>sleistung<br />

Spurweite<br />

Radabstand<br />

Raddurchmesser neu<br />

Leergewicht<br />

Nennspannung<br />

12/16<br />

6 x 120 kW<br />

1 435 mm<br />

1 800 mm<br />

600 mm<br />

49,4 t<br />

DC 600 V<br />

Anfahrbeschleunigung 1,2 m/s ²<br />

Höchstgeschwindigkeit<br />

80 km/h<br />

Bild 1:<br />

Übersicht zur Fahrzeugproduktion Siemens Rail Systems (Grafik: Siemens).<br />

110 (2012) Heft 8-9<br />

401


Fokus Thema<br />

Bild 2:<br />

Mock-up Avenio Den<br />

Haag im Siemens-Werk<br />

Wien (Foto: Granzer).<br />

3 AC 11 kV 50 Hz-Netzen gespeist und erzeugen die<br />

<strong>Bahnen</strong>ergie mit der für Straßenbahnnetze üblichen<br />

Spannung von DC 750 V. Ein hybrides Sitras HES<br />

Energiespeichersystem für Straßenbahnfahrzeuge<br />

ist seit 2008 in Portugals Hauptstadt Lissabon in<br />

Betri<strong>eb</strong> und ermöglicht den Fahrzeugen dort, einen<br />

oberleitungsfreien Streckenabschnitt von etwa<br />

2 500 m Länge zu durchfahren.<br />

Metro-Züge Inspiro<br />

Die Warschauer U-Bahn GmbH hat bei dem Konsortium<br />

Siemens und Newag in Novy Sacz 35 sechsteilige<br />

Metro-Züge Inspiro [3] bestellt, die ab<br />

Ende 2012 ausgeliefert werden sollen (Bilder 4<br />

und 5). Die Motorwagen besitzen vier luftgekühlte<br />

Asynchronfahrmotore, die von einem fremdbelüfteten<br />

SIBAC IGBT-Kompaktumrichter gespeist<br />

werden. Die Züge sind für den Zweirichtungsbetri<strong>eb</strong><br />

vorgesehen und besitzen jeweils einen Führerstand<br />

an den Zugenden. Die einzelnen Wagen<br />

sind durch Kurzkupp lungen miteinander verbunden,<br />

eine Trennung des Zuges in der Mitte ist über<br />

eine halbautomatische Kupplung möglich. Beide<br />

Zughälften können selbstständig rangieren. Die<br />

Endwagen des Zuges sind mit Kupplungen ausgerüstet<br />

(Tabelle 2).<br />

Dem aktuellen Stand der Inspiro-Plattform entsprechen<br />

auch die 21 sechsteiligen U-Bahn-Züge des<br />

Typs C2, die Ende 2010 von den Stadtwerken München<br />

(SWM) bestellt wurden und sich am Design der<br />

letzten Münchner Fahrzeuggeneration Typ C orientieren.<br />

Die Wagenkästen bestehen aus Aluminium.<br />

Sie sind zu 97 % recycelbar. Einige technische Daten<br />

sind in der Tabelle 3 aufgeführt.<br />

Regionaltri<strong>eb</strong>zug Desiro<br />

Bild 3:<br />

Avenio-Straßenbahnzug für Doha, Katar (Designstudie: Siemens).<br />

Bild 4:<br />

Mock-up Inspiro Warschau im Siemens-Werk Wien (Foto: Siemens).<br />

Für die Russische Eisenbahn (RŽD) hat Siemens den<br />

Regionalzug Desiro RUS (Bild 6) als Zweisystemzug<br />

DC 3 kV und 1 AC 25 kV 50 Hz entwickelt [4]. An<br />

einem motorisierten Kopf- und einem Mittelwagen<br />

des dritten Zuges, der in Krefeld gefertigt wurde,<br />

wurden in der Klima-Wind-Kanal-Anlage Rail Tec<br />

Arsenal Wien in den Monaten April bis Juni 2012<br />

umfangreiche Prüfungen vorgenommen. Sie dienten<br />

als Funktionstests und waren Voraussetzung für<br />

mikroklimatische Zertifizierungen. Für die Stromabnehmer<br />

musste zum Beispiel nachgewiesen werden,<br />

dass sie sich sowohl mit Eisbelag bis 3 mm als auch<br />

mit einem dickeren Belag Nassschnee bei Temperaturen<br />

von –7 °C störungsfrei h<strong>eb</strong>en und senken<br />

lassen. Auch Prüfungen mit schnellem Temperaturwechsel<br />

von + 5 °C auf –15 °C, wie sie nach der Ausfahrt<br />

aus einem Tunnel auftreten können, wurden<br />

durchgeführt. Die Prüfungserg<strong>eb</strong>nisse dienen der<br />

Feinabstimmung des Fahrzeugleitsystems mit seinen<br />

umfangreichen Komponenten. Sie werden aber<br />

auch bei künftigen Entwicklungen von Fahrzeugen<br />

berücksichtigt. Insgesamt betrug die Prüfdauer in<br />

Wien zehn Wochen. Anschließend wurde auch die ser<br />

Zug zum RŽD-Instandhaltungsdepot Metallostroy<br />

bei St. Petersburg transportiert. Am 30. Mai 2012<br />

wurde der erste Desiro RUS-Tri<strong>eb</strong>zug der russischen<br />

Öffentlichkeit während einer kurzen Zugfahrt vorge-<br />

402 110 (2012) Heft 8-9


Thema Fokus<br />

stellt, auf dem Freigelände InnoTrans 2012 wird ein<br />

in Krefeld gefertigter Tri<strong>eb</strong>zug zu sehen sein.<br />

Die elektrischen Regionaltri<strong>eb</strong>züge vom neuen Typ<br />

Desiro City sollen auf der Thameslink-Route in London<br />

verkehren (Bild 7). Diese Züge erhalten die Drehgestelle<br />

SF 7000 (Bild 8), eine Weiterentwicklung der<br />

Drehgestelle SF 5000 der Desiro UK-Tri<strong>eb</strong>züge. Die<br />

zweiachsigen Drehgestelle besitzen unter anderem<br />

eine zweistufige Federung und Innenlager. Der Schienen-<br />

und Radverschleiß soll durch geringeres Gewicht,<br />

eine kleinere unabgefederte Masse und geringeren<br />

Radsatzabstand reduziert werden (Tabelle 4).<br />

<strong>Vectron</strong>-Plattform<br />

Das Konzept der Lokomotivfamilie <strong>Vectron</strong> [5; 6] wurde<br />

um eine AC-Lokomotive mittlerer Leistung ergänzt<br />

(Bild 9), die zur InnoTrans vorgestellt wird. Sie besitzt<br />

eine Nennleistung von 5 200 kW, während die die bisher<br />

vorgestellten elektrischen <strong>Vectron</strong>-<strong>Lokomotiven</strong> für<br />

eine Nennleistung von 6 400 kW bemessen sind. Nach<br />

Herstellerangaben können mit der neuen Lokomotive<br />

beispielsweise Güterzüge einer Bruttomasse von<br />

2 100 t mit 100 km/h in der Ebene gefahren werden.<br />

Es besteht die Möglichkeit, die <strong>Lokomotiven</strong> mit einem<br />

neu entwickelten Rangierdiesel-Modul auszurüsten,<br />

dessen Dieselmotor 180 kW Nennleistung besitzt (Tabelle<br />

5). Zum Rangierbetri<strong>eb</strong> liegen weitere Angaben<br />

wie Zugkraft und Geschwindigkeit noch nicht vor.<br />

<strong>Vectron</strong>-<strong>Lokomotiven</strong> besitzen eine strukturinterne<br />

Deformationszone, das so genannte Front-End, das<br />

über Flansche mit dem Fahrzeugkasten verbunden<br />

ist und bei Beschädigungen leicht ausgewechselt<br />

werden kann. Das Konzept ermöglicht auch kostengünstig<br />

weitere Lokomotiv-Konfigurationen. Ist beim<br />

schweren Güterverkehr in besonderen Anwendungsfällen<br />

die Doppeltraktion von <strong>Lokomotiven</strong> über den<br />

gesamten Fahrweg erforderlich, kann statt dessen<br />

auch eine Doppellokomotive aus beispielsweise zwei<br />

einzelnen <strong>Lokomotiven</strong> eingesetzt werden. Damit<br />

werden zwei der ursprünglich vier vorhandenen<br />

Führerstände der <strong>Lokomotiven</strong> nicht benötigt, ein<br />

Front-End jeder Lokomotive wird dann durch ein<br />

Heck-End ersetzt. Der Hersteller möchte mit dieser<br />

Vorgehensweise auch zu ähnlichen Überlegungen<br />

für <strong>Lokomotiven</strong> anregen, die im schnellfahrenden<br />

Reisezugverkehr im Wendezugbetri<strong>eb</strong> eingesetzt sind<br />

und definiert mit dem Wagenzug gekuppelt sind.<br />

eignet sich der statische Frequenz-Umrichter Sitras<br />

SFC plus [7; 8; 9], der mit der modularen Multilevel-<br />

Direct-Converter-Technik (MMDC) arbeitet, elektrische<br />

Energie 3 AC 110 kV 50 Hz in elektrische<br />

Energie 2 AC 110 kV 16,7 Hz umzurichten. Auf der<br />

50 Hz-Seite sind die Umrichter für Netzspannungen<br />

bis 400 kV reali sierbar. Auf der 16,7-Hz-Seite besteht<br />

die Möglichkeit, ohne Bahntransformatoren eine<br />

Spannung entsprechend der Fahrleitungs-Nenn-<br />

TABELLE 2<br />

Ausgewählte technische Daten Inspiro für die U-Bahn Warschau.<br />

Radsatzfolge<br />

Spurweite<br />

Länge über Kupplung<br />

Fahrzeugbreite<br />

Fußbodenhöhe über SO<br />

Raddurchmesser neu/abgenutzt<br />

Max. Radsatzlast<br />

Wagenkastenmaterial<br />

Minimaler Gleisbogenradius<br />

Streckengleis/Betri<strong>eb</strong>shof<br />

Bo’Bo‘+2‘2‘+Bo’Bo‘+<br />

Bo’Bo‘+2‘2‘+Bo’Bo‘<br />

1 435 mm<br />

117 800 mm<br />

2 740 mm<br />

1 130 mm<br />

850/770 mm<br />

12,6 t<br />

Aluminium<br />

300/60 m<br />

Nennspannung<br />

DC 750 V<br />

Fahrleitung<br />

seitlich angeordnete Stromschiene<br />

Höchstgeschwindigkeit<br />

90 km/h<br />

Anfahrbeschleunigung 1,2 m/s ²<br />

Bremsverzögerung 1,3 m/s ²<br />

Innengeräuschpegel nach ISO 3381<br />

75 dB(A)<br />

im Fahrgastraum bei v = 80 km/h<br />

Innengeräuschpegel nach ISO 3381<br />

im Führerstand bei v = 80 km/h<br />

67 dB(A)<br />

Sitzplätze 256<br />

Stehplätze bei 7 Fahrgästen/m ² 1 450<br />

<strong>Bahnen</strong>ergieversorgung mit Sitras<br />

Für die <strong>Bahnen</strong>ergieversorgung liefert die Geschäftseinheit<br />

Rail Elektrification der Siemens-Division<br />

Smart Grid Anlagen der Leistungselektronik. So<br />

Bild 5:<br />

Rohbau Wagenkasten Inspiro Warschau im Siemens-Werk Wien (Foto: Granzer).<br />

110 (2012) Heft 8-9<br />

403


Fokus Thema<br />

Bild 6:<br />

Im Klima-Wind-<br />

Kanal von Rail<br />

Tec Arsenal in<br />

Wien wird der<br />

Regionaltri<strong>eb</strong>zug<br />

Desiro RUS für<br />

die Russischen<br />

Eisenbahnen<br />

(RŽD) getestet<br />

(Foto: Siemens).<br />

spannung von 15 kV bereitzustellen. Ein Umrichter<br />

kann für Leistungen von 12 MVA bis 120 MVA dimensioniert<br />

werden.<br />

Elektronische Blindleistungskompensations-Einrichtungen<br />

sind geeignet, an ausgewählten Netzknoten<br />

in Wechsel- und in Drehstromnetzen die<br />

belastungsabhängigen Spannungsschwankungen<br />

zu reduzieren. N<strong>eb</strong>en der Verbesserung der Spannungsqualität<br />

werden dadurch auch die Übertragungsverluste,<br />

die bei dem Transport von Blindleistung<br />

entstehen, im Netz reduziert. Siemens bietet<br />

ein aktives Blindleistungskompensations-System an.<br />

Die Anlage arbeitet auf der Basis der Voltage-Sourced-Converter-Technik,<br />

einer modularen Multilevel-<br />

Stromrichtertechnik.<br />

Mit ähnlichen technischen Lösungen ist es auch<br />

möglich, in Drehstromnetzen eventuell vorhandene<br />

Bild 7:<br />

Auf Basis der Desiro-Plattform wurde der Desiro City für den S-Bahn-, Regional- und<br />

Interregionalverkehr in Großbritannien entwickelt (Studie: Siemens).<br />

Spannungsunsymmetrien, die beispielsweise durch eine <strong>Bahnen</strong>ergieversorgung<br />

1 AC 25 kV 50 Hz entstehen, zu korrigieren.<br />

Zur starkstromtechnischen Ausrüstung von Gleichrichterunterwerken<br />

(GUw) können Bahngleichrichter einschließlich<br />

der zugehörigen Transformatoren geliefert werden.<br />

Mit Hilfe von Wechselrichtern Sitras TCI können GUw<br />

rückspeisefähig errichtet werden. Damit ist es möglich,<br />

elektrische Bremsenergie, die in ein DC-<strong>Bahnen</strong>ergienetz<br />

eingespeist wird, vollständig für weitere Verbraucher von<br />

Elektroenergie im DC-<strong>Bahnen</strong>ergienetz und im speisenden<br />

3AC-Mittelspannungsnetz-50 Hz zu nutzen.<br />

DC-<strong>Bahnen</strong>ergienetze können mit stationären Energiespeichern<br />

Sitras SES ausgerüstet werden. Die Energie wird<br />

in Doppelschichtkondensatoren gespeichert. Die Anlagen<br />

können in den Betri<strong>eb</strong>sarten Spannung (im Speis<strong>eb</strong>ereich) stabilisieren<br />

und Energie sparen betri<strong>eb</strong>en werden. In der ersten<br />

Betri<strong>eb</strong>sart wird der Energiespeicher dann entladen, wenn<br />

die Netzspannung an einer Messstelle unter einen Grenzwert<br />

fällt. Das Aufladen erfolgt dann aus dem Fahrleitungsnetz,<br />

wenn die Netzspannung einen oberen Grenzwert wieder<br />

überschritten hat. Beim Energiesparen wird die Energie, die<br />

bei der Rekuperationsbremsung erzeugt wird, gespeichert<br />

und steht anschließend beim weiteren Betri<strong>eb</strong> des Bahnsystems<br />

für die Traktion wieder zur Verfügung.<br />

Die beim Bremsen von Fahrzeugen erzeugte elektrische<br />

Energie kann auch auf dem Fahrzeug vorübergehend gespeichert<br />

werden. Die mobilen Energiespeicher Sitras MES, die Doppelschichtkondensatoren<br />

besitzen, und Sitras HES, die sowohl<br />

Doppelschichtkondensatoren als auch Akkumulatoren besitzen,<br />

sind dafür geeignet. Mit dem Energiespeichersystem Sitras HES<br />

können abschnittsweise fahrleitungsfreie Nahverkehrssysteme<br />

aufg<strong>eb</strong>aut werden. Damit ist es etwa möglich, städt<strong>eb</strong>aulich<br />

sensible Bereiche in ein Nahverkehrssystem einzubeziehen.<br />

TABELLE 3<br />

Ausgewählte technische Daten der U-Bahn München Typ C2.<br />

Radsatzfolge<br />

Bo’Bo‘+Bo’Bo‘+Bo’Bo‘+<br />

Bo’Bo‘+Bo’Bo‘+Bo’Bo‘<br />

Spurweite<br />

1 435 mm<br />

Wagenkastenmaterial<br />

Aluminium<br />

Länge über Kupplung<br />

115 000 mm<br />

Fahrzeugbreite<br />

2 900 mm<br />

Fußbodenhöhe über SO<br />

1 100 mm<br />

Raddurchmesser neu/abgenutzt<br />

850/770 mm<br />

Leergewicht<br />

180,0 t<br />

Maximale Radsatzlast<br />

13,5 t<br />

Sitzplätze 220<br />

Minimaler Gleisbogenradius<br />

Streckengleis/Betri<strong>eb</strong>shof<br />

270/70 m<br />

Nennspannung<br />

DC 750 V<br />

Fahrleitung<br />

seitlich angeordnete Stromschiene<br />

Höchstgeschwindigkeit<br />

90 km/h<br />

Anfahrbeschleunigung 1,2 m/s ²<br />

Bremsverzögerung 1,3 m/s ²<br />

Fahrgastkapazität bei vier<br />

Fahrgästen/m ² 940<br />

404 110 (2012) Heft 8-9


Thema Fokus<br />

TABELLE 4<br />

Technische Daten zum Drehgestell SF 7000.<br />

Tri<strong>eb</strong>drehgestell<br />

Laufdrehgestell<br />

Radsatzfolge Bo 2<br />

Spurweite<br />

1 435 mm<br />

Höchstgeschwindigkeit<br />

160 km/h<br />

Radsatzabstand 2 200 mm 2 100 mm<br />

Raddurchmesser neu/ abgenutzt<br />

820/760 mm<br />

Primärfederung/ Radsatzführung<br />

Gummischichtfeder/Schwingarm<br />

Sekundärfederung<br />

Luftfedern<br />

Zug-Druck-Stange<br />

Drehzapfen<br />

Antri<strong>eb</strong><br />

teilweise abgefedert<br />

Motor<br />

235 kW, luftgekühlt<br />

Mechanische Bremse Klotzbremse Wellenscheibenbremse<br />

Bild 8:<br />

Laufdrehgestell SF 7000 im Siemens-Werk Wien für<br />

den elektrischen Regionaltri<strong>eb</strong>zug Desiro City (Foto:<br />

Granzer).<br />

Das Netzleitsystem Vicos RSC integriert unterschiedliche<br />

SCADA-Applikationen (Supervisory Control<br />

and Data Acquisition) in einem Steuerungs- und<br />

Überwachungssystem. Es kann unter anderem als<br />

Netzleitsystem für <strong>Bahnen</strong>ergieversorgungssysteme<br />

mit den Aufgaben der Überwachung und der Steuerung<br />

des Systems eingesetzt werden. Dabei können<br />

automatische Reaktionen auf ausgewählte Systemereignisse<br />

vorgesehen werden. Das Netzleitsystem<br />

analysiert Daten in Echtzeit und stellt Auswertungen<br />

von historischen Daten zur Verfügung. Betri<strong>eb</strong>svorgänge<br />

werden ausgewertet und Systemdaten archiviert.<br />

In das System kann ein Instandhaltungs- und<br />

Störungsmanagement eing<strong>eb</strong>aut werden.<br />

Das Simulationsprogramm Sitras Sidytrac ermöglicht,<br />

Zugfahrten in Fahrplänen zu nachzubilden und Leistungsflussberechnungen<br />

von <strong>Bahnen</strong>ergienetzen durchzuführen.<br />

Die Rechenerg<strong>eb</strong>nisse dienen zum Beispiel der<br />

Überprüfung bestehender und der Dimensionierung zu<br />

planender <strong>Bahnen</strong>ergieversorgungsanlagen.<br />

Mit dem Analyse-Tool Sicat Dynamic kann das Zusammenwirken<br />

von Stromabnehmer und Oberleitung<br />

für konkrete Tri<strong>eb</strong>fahrzeugeigenschaften bei vorgeg<strong>eb</strong>enen<br />

Oberleitungsanlagen untersucht werden. Die<br />

Erg<strong>eb</strong>nisse können sowohl bei der Beurteilung der<br />

Tri<strong>eb</strong>fahrzeug- als auch der Oberleitungseigenschaften<br />

berücksichtigt werden. Die Befahrgüte der Oberleitung<br />

kann beurteilt werden.<br />

Service<br />

Mit effektiven Servicekonzepten will Siemens hohe<br />

Zuverlässigkeit und die möglichst ständige Verfügbarkeit<br />

eines Verkehrssystems mindestens während<br />

der vorgesehenen L<strong>eb</strong>ensdauer sichern. Neu ist hier<br />

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<strong>Bahnen</strong> als System verstehen<br />

• Beratung, Planung und Softwareentwicklung<br />

• Begutachtung und Zertifizierung<br />

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110 (2012) Heft 8-9<br />

405


Fokus Thema<br />

TABELLE 5<br />

Ausgewählte technische Daten der <strong>Vectron</strong> AC-<br />

Lokomotive mittlerer Leistung.<br />

Spannungssysteme<br />

Radsatzfolge<br />

Leistung<br />

Anfahrzugkraft<br />

Höchstgeschwindigkeit<br />

Spurweite<br />

Leistung Rangierdieselmotor<br />

1 AC 15 kV 16,7 Hz oder<br />

1 AC 25 kV 50 Hz<br />

Bo’Bo‘<br />

5 200 kW<br />

300 kN<br />

160 km/h<br />

1 435 mm bis 1 668 mm<br />

180 kW<br />

Bild 9:<br />

<strong>Elektrische</strong> <strong>Vectron</strong>-<br />

Lokomotive mittlerer<br />

Leistung (5 200 kW)<br />

(Foto: Siemens).<br />

RailBam, ein akustisches Verfahren, das bei vorbeifahrenden<br />

Zügen deren Geräuschemission analysiert.<br />

Das System erkennt auffällige Geräusche, die auf<br />

einen hohen Verschleiß oder gar Defekte an Radlagern<br />

hinweisen. Unstetigkeiten in der Geräuschanalyse<br />

werden über die zugehörige Leittechnik des<br />

Verkehrssystems weitergeleitet, damit weitere Maßnahmen<br />

an den Fahrzeugen vorbereitet und durchgeführt<br />

werden können. Das System wird in einem<br />

Pilotprojekt mit dem Fahrzeugpark des Desiro UK [10;<br />

11] in Großbritannien bereits erfolgreich eingesetzt.<br />

Siemens besitzt bereits mehrjährige Erfahrungen zur<br />

Instandhaltung von Desiro UK-Zügen in Großbritannien<br />

[12]. In Russland haben Siemens und Betreiber<br />

RŽD für die Regionalzüge Desiro RUS <strong>eb</strong>enfalls einen<br />

Instandhaltungsvertrag abgeschlossen.<br />

Automatisieren und optimieren<br />

Durch neu entwickelte Technologien und IT-gestützte<br />

Lösungen will Siemens Mobility and Logistics die<br />

Leistungsfähigkeit der Verkehrssysteme steigern,<br />

ohne wesentlich in neue Infrastruktur zu investieren.<br />

Wesentlich ist dabei, die L<strong>eb</strong>enszykluskosten<br />

zu reduzieren und die Streckendurchlassfähigkeit<br />

zu erhöhen, um den steigenden Transportbedarf<br />

möglichst ohne zusätzliche Kosten zu realisieren.<br />

Der Energieverbrauch und die CO 2<br />

-Emission für die<br />

Verkehrsdurchführung sollen gesenkt werden. Die<br />

hohen Anforderungen an die Sicherheit und Zuverlässigkeit<br />

in der Betri<strong>eb</strong>sdurchführung sind dennoch<br />

zu gewährleisten. Durch eine weitere Standardisierung<br />

in der Bahntechnik und Vernetzung von<br />

Subsystemen ist eine langfristige Investitionssicherheit<br />

zu erreichen.<br />

So stellt Siemens zur InnoTrans 2012 eine Dispositions-<br />

und Servicezentrale vor, die Planung, Überwachung<br />

und Steuerung von Prozessen in Verkehrssystemen<br />

komplex realisieren kann. Die Vernetzung der<br />

einzelnen Systemkomponenten miteinander ermög-<br />

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Freigelände<br />

Literatur<br />

licht eine effizientere, teilweise automatisierte<br />

Entscheidungsfindung für<br />

das Gesamtsystem und optimiert die<br />

Betri<strong>eb</strong>sabläufe in den Komponenten.<br />

Die Zentrale übernimmt die Aufgaben<br />

eines Betri<strong>eb</strong>sleitsystems, des Instandhaltungsmanagements<br />

und der Fahrgastinformation.<br />

Die IT-Lösung wird<br />

mittels Multitouch-Applikationen und<br />

visionärer Bedienelemente visualisiert.<br />

Roland Granzer<br />

[1] Richter, W.-D.; U<strong>eb</strong>el, L.; Kristen, G.: Combino Plus bei<br />

der Straßenbahn in Budapest zwei Jahre im Einsatz. In:<br />

<strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 106 (2008), H. 10, S. 439–447.<br />

[2] N. N.: Straßenbahnkonzept Avenio. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong><br />

107 (2009), H. 4-5, S. 245.<br />

[3] N. N.: Die Metroplattform Inspiro. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong><br />

109 (2011), H. 3, S. 144–146.<br />

[4] Granzer, R.: Desiro RUS. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 110 (2012),<br />

H. 6, S. 244–246.<br />

[5] Chl<strong>eb</strong>owski, J.; Fösel, U.: <strong>Vectron</strong> – neue <strong>Lokomotiven</strong>generation<br />

für Europa. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 108<br />

(2010), H. 8-9, S. 398–400.<br />

[6] Mahr, W.; Driller, J.; Lütscher, J.: Cross Acceptance –<br />

Partnerschaftliches Vorgehen bei der Zulassung der<br />

<strong>Vectron</strong>-Lokomotive. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 109 (2011),<br />

H. 11, S. 608–611.<br />

[7] Halfmann, U.; Recker, W.: Modularer Multilevel-Bahnumrichter.<br />

In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 109 (2011), H. 4-5,<br />

S. 174–179.<br />

[8] N. N.: Umrichter Nürnberg Bahnstromumrichter für<br />

E.ON in Nürnberg. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 107 (2009),<br />

H. 3, S. 157.<br />

[9] N. N.: Ersatz von Synchron-Synchron-Umformern durch<br />

Umrichter. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 108 (2010), H. 1-2,<br />

S. 93.<br />

[10] N. N.: Desiro UK für Großbritannien. In: <strong>Elektrische</strong><br />

<strong>Bahnen</strong> 106 (2008), H.10, S. 175.<br />

[11] N. N.: Weitere Desiro für Großbritannien. In: <strong>Elektrische</strong><br />

<strong>Bahnen</strong> 110 (2012), H. 4, S. 159.<br />

[12] N. N.: Bewertung der Zuverlässigkeit von Desiro-<br />

Tri<strong>eb</strong>zügen in Großbritannien. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong><br />

109 (2011), H. 1-2, S. 92.<br />

406 110 (2012) Heft 8-9


Thema Fokus<br />

Fahrdrahtenteisungsanlage für Bahn<br />

und Tram<br />

Durch winterliche Kälte und Luftfeuchtigkeit können Fahrleitungen vereisen. Die Eisbildung an den<br />

Fahrdrähten beeinträchtigt die Stromaufnahme des Fahrzeuges. Lichtbögen, hoher Verschleiß der<br />

Kontaktelemente oder Betri<strong>eb</strong>sstörungen können die Folge sein. Kummler + Matter hat nun eine bewährte<br />

Enteisungsanlage weiterentwickelt.<br />

Um Fahrdrähte zu enteisen oder vorbeugend vor<br />

Vereisung zu schützen, eignet sich – wie bei Tragflächen<br />

von Flugzeugen – die Imprägnierung mit<br />

einem Frostschutzmittel. Die Enteisungsanlage ProFil<br />

von Kummler + Matter arbeitet dazu mit einem besonderen<br />

Verfahren: Die Sprühanlage besteht aus<br />

mehreren Ventil-Düse-Kombinationen auf einem<br />

quer montierten Sprüharm unmittelbar unter dem<br />

Fahrdraht. Ultraschallsensoren erfassen die aktuelle<br />

Position des Fahrdrahtes über dem Sprüharm, und<br />

nur die Düse direkt unter dem Draht versprüht<br />

einen erhitzten, rotierenden Flüssigkeitsn<strong>eb</strong>el, die<br />

übrigen sind deaktiviert. Der Sprühn<strong>eb</strong>el folgt dadurch<br />

dem Zick-Zack des Drahtes. Diese Maßnahme<br />

reduziert den Flüssigkeitsverbrauch auf das Notwendige.<br />

Das ganze System arbeitet im energiesparenden<br />

Niederdruckbereich von rund 4,5 bar.<br />

Speziell für diese Anlage sind zwei verschiedene<br />

Mischungen verfügbar, die beide nach den Vorschriften<br />

des schweizerischen Bundesamtes für<br />

Gesundheit (BAG) biologisch abbaubar sind: eine<br />

eisbrechende Glykol-Wasser-Mischung und eine präventiv<br />

einzusetzende Mischung mit zusätzlichem<br />

Silikon-Anteil. Mit dem Inhalt des 30-l-Behälters<br />

kann zwei Stunden lang gearbeitet werden. Die<br />

nicht versprühten Anteile der Mischung fließen zurück<br />

in die Aufbereitung, werden wieder erhitzt und<br />

stehen erneut zur Verfügung. Das Verfahren lässt sich<br />

Bild 1:<br />

Auf Hilfswagen installierte ProFil-Fahrdrahtenteisungsanlage<br />

(Foto: BDWM).<br />

Bild 2:<br />

ProFil-Anlage im Einsatz bei der Rhätischen Bahn<br />

(Foto: RhB).<br />

am besten bei Temperaturen zwischen 0 bis –15 °C<br />

einsetzen, seine Wirkung hält je nach Witterung fünf<br />

bis si<strong>eb</strong>en Tage an.<br />

Die erste derartige Anlage wurde im Januar 2006<br />

bei der Gornergratbahn (GGB) auf der Strecke Zermatt-Gornergrat<br />

in Betri<strong>eb</strong> genommen und seither<br />

ständig weiterentwickelt. Optimierte Sensortechnik<br />

und aktualisierte Steuersoftware, verbesserte Verkabelung<br />

sowie gesteckte statt geschraubter Flüssigkeitsleitungen<br />

kennzeichnen den technischen Stand<br />

von heute. Vorgesehen ist in einem nächsten Schritt,<br />

Simatic-Steuerungstechnik von Siemens einzubauen.<br />

Die Besonderheiten dieser Enteisungsanlage bestehen<br />

in der Drahtverfolgung mit Hilfe von Ultraschallsensoren<br />

sowie in der Möglichkeit, den Fahrdraht<br />

sowohl von Vereisungen zu befreien als auch<br />

präventiv zu behandeln. Der modulare System aufbau<br />

erlaubt eine leichte Montage auf praktisch allen<br />

Fahrzeugen sowie den einfachen Abbau nach der<br />

Wintersaison. Das System ist prinzipiell auch für Straßenbahnen<br />

und Tram-Train-Systeme<br />

bis 3 kV DC mit linear geführtem Fahrdraht<br />

einsetzbar, wie am Beispiel der<br />

2010 eröffneten Stadtbahn im norwegischen<br />

Bergen zu sehen ist.<br />

Jasmin Brändli,<br />

Kummler + Matter, Zürich,<br />

www.kuma.ch<br />

Halle 26<br />

Stand 226<br />

110 (2012) Heft 8-9<br />

407


Fokus Thema<br />

Erster Mittelfrequenz-Traktionstransformator<br />

im Betri<strong>eb</strong>seinsatz<br />

Die Frequenz 16 2 / 3 Hz war der Schlüssel zu starken und robusten Bahnmotoren und zu günstiger Energieübertragung<br />

mit Hochspannung, aber sie kostet große und schwere Transformatoren. Höhere<br />

Frequenz kann hier viel Platz und Masse sparen. In der Schweiz fährt jetzt das weltweit erste Tri<strong>eb</strong>fahrzeug<br />

mit via Leistungselektronik gespeister Mittelfrequenztransformation.<br />

Einführung<br />

Bild 1:<br />

Grundschaltung eines modernen AC-Tri<strong>eb</strong>fahrzeugs (alle Bilder: ABB).<br />

1 AC-Fahrleitung 5 DC-Zwischenkreis<br />

2 Fahrschienen (Bahnerde) 6 Traktionsumrichter<br />

3 Niederfrequenz-Haupttransformator (NFT) 7 Traktionsmotoren<br />

4 Netzumrichter<br />

Bild 2:<br />

Grundschaltung eines AC-Tri<strong>eb</strong>fahrzeugs mit Mittelfrequenztransformator.<br />

1 AC-Fahrleitung 5 Mittelfrequenztransformator (MFT)<br />

2 Fahrschienen (Bahnerde) 6 Niederspannungsumrichter<br />

3 Netzdrossel 7 Traktionsmotoren<br />

4 Hochspannungsumrichter<br />

Der Kardinalgrund, Anfang des 20. Jahrhunderts für<br />

elektrische <strong>Bahnen</strong> die Frequenz 16 2 / 3 Hz einzuführen,<br />

war die Physik der Wechselstromkommutie rung bei<br />

den Einphasen-Reihenschlussmotoren. Diese Funktion<br />

ist seit nunmehr einem Vierteljahrhundert vollständig<br />

von der Leistungselektronik übernommen (Bild 1).<br />

G<strong>eb</strong>li<strong>eb</strong>en war ein gleichfalls physikalisch bedingter<br />

Kollateraleffekt bei den Haupttransformatoren auf den<br />

Tri<strong>eb</strong>fahrzeugen, der hingenommen und beherrscht<br />

werden musste: Weil bei Leistungstransformatoren der<br />

Eisenkern für die Führung des magnetischen Flusses<br />

bemessen sein muss und weil dessen notwendiger<br />

Wert umgekehrt proportional zur Frequenz der zu<br />

transformierenden Spannung sein muss, sind Transformatoren<br />

für 16 2 / 3<br />

Hz von Natur aus größer und schwerer<br />

als solche gleicher Leistung für 50 oder 60 Hz.<br />

Bei <strong>Lokomotiven</strong> ist das nicht unbedingt immer<br />

nachteilig, denn hohe Radsatzlasten ermöglichen bei<br />

gleicher Kraftschlussausnutzung hohe Zugkräfte zum<br />

Beschleunigen oder beim Befahren von Steigungen.<br />

Bei Tri<strong>eb</strong>zügen mit verteilten Antri<strong>eb</strong>en spielt dieser<br />

Zusammenhang keine so große Rolle mehr, jedoch<br />

ist hier der verfügbare Einbauraum stark begrenzt.<br />

Bei Hochgeschwindigkeitszügen kommt hinzu, dass<br />

ihre Radsatzlasten strenge Grenzwerte nicht überschreiten<br />

dürfen. Hier engen also Größe und Masse<br />

der Haupttransformatoren die Spielräume der Konstrukteure<br />

von Schienenfahrzeugen stark ein.<br />

Den Ausweg bietet wieder die Physik an, nämlich<br />

nun mit höherer Frequenz betri<strong>eb</strong>ene Transformatoren<br />

zu bauen. Dabei sinken deren Masse und Volumen,<br />

während umgekehrt bei gleicher Materialwahl<br />

die Verluste steigen. Günstige Kombinationen dieser<br />

Parameter liegen nach heutigem Stand im einstelligen<br />

kHz-Bereich.<br />

An dieser Lösung wurde seit fast zwei Jahrzehnten<br />

überall intensiv gearbeitet. Nunmehr hat ABB<br />

einen betri<strong>eb</strong>sreifen Prototyp mit der Bezeichnung<br />

Power Electronic Traction Transformer (PETT, leistungselektronischer<br />

Bahntransformator) fertiggestellt<br />

und erprobt diesen als weltweit ersten betri<strong>eb</strong>smäßig<br />

in der SBB-Rangierlokomotive Ee 3/3 933 001, vormals<br />

934 560, im Bahnhof Genève (Genf Cornavin). Der<br />

zeitliche Ablauf dieses Projekts ist Tabelle 1 dargestellt.<br />

408 110 (2012) Heft 8-9


Thema Fokus<br />

Grundprinzip des PETT<br />

In dem neuen Schema müssen die elektrischen Eingangsgrößen<br />

zuerst von der Frequenz der Fahrleitungsnetze<br />

in solche von Mittelfrequenz umgewandelt,<br />

dann transformiert und schließlich wieder so<br />

umgewandelt werden, wie es für die weiteren Stufen<br />

bis zu den Fahrmotoren geeignet ist. Bild 2 zeigt dazu<br />

das Grundschema und erlaubt Vergleiche mit demjenigen<br />

in Bild 1. Man sieht auf beiden Seiten des Mittelfrequenztransformators<br />

(MFT) Umrichter in dem<br />

grundsätzlich gleichen Aufbau aus Eingangssteller,<br />

DC-Zwischenkreis (ZK) und Ausgangssteller wie bei<br />

allen Standardumrichtern von AC-Tri<strong>eb</strong>fahrzeugen.<br />

Die Unterschiede bestehen in den Werten der Spannungen<br />

und Frequenzen an den Schnittstellen. So<br />

liegt am netzseitigen Eingang nicht die herabtransformierte<br />

Spannung, sondern die volle Netzspannung.<br />

Im Eingang ist als einziges noch für 16,7 Hz<br />

ausgelegtes Element eine Drossel erforderlich.<br />

Funktional sind alle Komponenten dafür ausgelegt,<br />

Wirkleistung in beiden Richtungen zu übertragen<br />

und zu steuern, also auch für elektrisches<br />

Rückspeis<strong>eb</strong>remsen. Auch arbeiten sie alle AC-seitig<br />

als Vierquadrantensteller (4QS), können also Blindleistung<br />

mit jeder beli<strong>eb</strong>igen Phasenlage liefern oder<br />

aufnehmen und nach außen vorzugsweise mit Leistungsfaktor<br />

1 betri<strong>eb</strong>en werden.<br />

Funktionen und Aufbau des PETT 1<br />

Kaskadenschaltung<br />

Eine der großen Herausforderungen dieser Topologie<br />

bestand in der hochspannungsseitigen Umrichtung<br />

am Eingang. Aktuell und auch auf absehbare Zeit verfügbare<br />

Halbleiterelemente reichen nicht aus, die AC-<br />

Nennspannungen 15 kV bei 16,7 Hz oder 25 kV bei<br />

50 und auch 60 Hz mit ihren nach EN höchstzulässigen<br />

nichtpermanenten Werten 18 und 29 kV zu sperren.<br />

Als Lösung für die erforderliche Reihenschaltung<br />

kombiniert ABB nicht viele Halbleiter zu einzelnen<br />

Ventilen, sondern baut eine Kaskadenschaltung aus<br />

einzelnen Umrichtermodulen, deren Ausgänge auf<br />

der DC-Seite parallel geschaltet sind; dies wird auch<br />

multi-level-Schema genannt (Bild 3). Bauelemente<br />

sind nach dem Stand der Technik natürlich IGBT.<br />

In diesen Modulen definiert das Projekt nun die<br />

Schnittstellen neu. Der Eingang mit dem ersten ZK wird<br />

als Active Front End (AFE, aktive Einspeiseeinheit) bezeichnet<br />

und die eigentliche Innovation aus Mittelfrequenzumrichtern<br />

und -transformator mit dem zweiten ZK als<br />

DC/DC-Umrichter, während die dort anzuschließenden<br />

Traktionsumrichter gar nicht dazugehören (Bild 3). Der<br />

AFE-Block ist im Wesentlichen eine H-Brücke, die das<br />

Laden der ZK-Kondensatoren reguliert.<br />

110 (2012) Heft 8-9<br />

Diese Topologie macht den Umrichter skalierbar<br />

und ermöglicht m-von-n-Redundanz. So reichen nach<br />

derzeitigem Stand si<strong>eb</strong>en Stufen für 18 kV und zwölf<br />

für 29 kV, mögliche Überschreitungen dieser Werte<br />

erfordern jeweils eine weitere Stufe und nochmals<br />

eine zusätzliche dient als Reserve. Wenn wie in China<br />

27,5 kV als Nennspannung gilt und Werte bis 33 kV<br />

vorkommen, muss entsprechend aufgestockt werden.<br />

Beim Prototyp PETT 1 lässt sich jedes Modul bei<br />

einem internen Fehler mit seinem Schalter SC überbrücken<br />

(Bild 3), sodass der Umrichter mit voller<br />

Leistung weiter betri<strong>eb</strong>en werden kann.<br />

Ein weiterer Vorteil der Kaskadentopologie besteht<br />

darin, dass die Module verschachtelt takten. Wenn<br />

dies gleichmäßig erfolgt, das heißt bei n Stufen um<br />

jeweils 360 °/n versetzt, entsteht netzseitig eine resultierende<br />

Schaltfrequenz, die n-mal so groß ist wie die<br />

tatsächliche Schaltfrequenz der einzelnen Brücken.<br />

Das führt zu einer geringeren Verzerrung als bei herkömmlichen<br />

Traktionsumrichtern, weshalb auf ein<br />

Oberwellenfilter am Eingang verzichtet werden kann.<br />

TABELLE 1<br />

Zeittafel der bisherigen Entwicklung.<br />

2000<br />

2005<br />

Januar 2008<br />

ab Anfang 2008<br />

März – Juni 2008<br />

F<strong>eb</strong>ruar – März 2011<br />

Juni 2008 – Januar 2011<br />

Januar – Juni 2011<br />

14. Juli 2011<br />

Juli – September 2011<br />

1. F<strong>eb</strong>ruar 2012<br />

15. September 2012<br />

Demonstrationsprojekt PETT 0 eingeleitet<br />

Laborversuche von PETT 0 abgeschlossen<br />

Vertrag mit SBB über Erprobung PETT 1 auf Lokomotive Ee 3/3<br />

Entwicklung und Engineering der Teilsysteme<br />

Kontrollversuche und Validierung der Leistunghauptelemente<br />

Lastversuche mit PETT 1 im Hochleistungsprüffeld in Turgi<br />

Projektdurchführung mit Simulationen, Engineering und Bau<br />

Umbau Lokomotive Ee 934 560 zu 933 001 und Einbau PETT 1<br />

erste Fahrten im Bahnhof Monbrillant<br />

Zulassungsverfahren bei SBB und Bundesamt für Verkehr (BAV)<br />

offizieller Betri<strong>eb</strong>sbeginn<br />

5 000 km im Rangierbetri<strong>eb</strong> erreicht<br />

Bild 3:<br />

PETT1-Modul.<br />

AC/DC aktive Einspeiseeinheit (AFE) MFT Mittelfrequenztransformator<br />

DC/DC DC/DC-Umrichter L r<br />

, L m<br />

interne MFT-Induktivitäten<br />

SC Kurzschließer im AC-Eingang C r<br />

externe Resonanzkapazität<br />

S1 – S8 IGBT C3, C4 Zwischenkreis und Ausgang DC 1,5 kV<br />

C1, C2 Zwischenkreis DC 3,6 kV<br />

409


Fokus Thema<br />

Mittelfrequenz-Transformatoren<br />

Kernstücke der DC/DC-Umrichter und somit in ihren<br />

Details auch Betri<strong>eb</strong>sgeheimnis des Herstellers sind<br />

natürlich die MFT der Module, die auch nicht die<br />

entfernteste Ähnlichkeit mit herkömmlichen Leistungstransformatoren<br />

mehr haben. Sie haben noch<br />

Eisenpakete, allerdings sehr kleine, aus nanokristallinem<br />

Material. Ihre Hauptaufgaben sind:<br />

• galvanische Trennung von Hochspannungs- und<br />

Niederspannungsseite<br />

• Anpassung der ZK-Spannung der AFE 3,6 kV an<br />

die ZK- und Lastspannung 1,5 kV<br />

• Unterstützen des weichen Schaltens der IGBT-Module<br />

mittels ihrer Induktivitäten L r<br />

und L m<br />

TABELLE 2<br />

Hauptarbeiten beim Umbau der SBB-Lokomotive 934 560<br />

zur 933 001 für PETT1-Erprobung.<br />

Ausbau des Zweispannungs-Haupttransformators mit Ölkühler und<br />

des Stromrichters für AC-Betri<strong>eb</strong><br />

mechanische Anpassungen für PETT einschließlich Kühlern und für<br />

andere Einbauten<br />

Einbau des PETT und neuer, wesentlich verstärkter Hilfsbetri<strong>eb</strong>eversorgungen<br />

und Batterieladung<br />

Anschalten des PETT-Konstantspannungsausgangs 1,5 kV an die DC-<br />

Widerstandsstufensteuerung<br />

Anpassen der Schnittstellen zwischen vorhandener und hinzukommender<br />

Elektronik<br />

Da die dielektrischen Herausforderungen mit der<br />

Reduzierung der Gesamtgröße steigen, muss dieser<br />

Aspekt sorgfältig untersucht werden.<br />

Entsprechend den beiden ZK-Spannungen ist ihr<br />

Übersetzungsverhältnis 2,4 : 1. Sie haben 150 kW<br />

Nennleistung bei sehr hoher Leistungsdichte und<br />

können kurzzeitig bis 225 kW belastet werden.<br />

LLC-Schaltmodus<br />

Die Streu- und Magnetisierungsinduktivitäten jedes<br />

MFT bilden mit einem externen Kondensator einen<br />

Resonanzkreis (Bild 3) mit folgenden Vorteilen:<br />

• großer Ausgangsregelbereich<br />

• geringe Schaltverluste primärseitig durch Zero<br />

Voltage Switching (ZVS, spannungsloses Schalten)<br />

über den gesamten Lastbereich<br />

• niedriger Abschaltstrom, jedoch kein echtes Zero<br />

Current Switching (ZCS, stromloses Schalten)<br />

• geringe Spannungsbelastung und echtes ZCS sekundärseitig<br />

• lastunabhängiger Betri<strong>eb</strong> bei Resonanzfrequenz<br />

Aufgrund der Resonanzkreiseigenschaften könnte<br />

zwar die Veränderung der Schaltfrequenz zum Regeln<br />

der Ausgangsspannung genutzt werden, jedoch wird<br />

dies im PETT 1 und wahrscheinlich auch künftig nicht<br />

angewendet. Die Module werden rückkopplungsfrei<br />

mit der konstanten Schaltfrequenz 1,75 kHz betri<strong>eb</strong>en,<br />

die unterhalb der Resonanzfrequenz liegt.<br />

Regelungssystem<br />

Bild 4:<br />

PETT1-Ölkessel für drei Blöcke aus je drei Mittelfrequenztransformatoren<br />

(rechts) unter gelber Abdeckung und für Eingangsdrossel und Vorladekreiskomponenten<br />

unter blauer Abdeckung.<br />

Die Regelungsvorgaben lassen sich wie folgt zusammenfassen:<br />

• Einhalten eines sinusförmigen Eingangsstroms<br />

• Einstellen beli<strong>eb</strong>iger Leistungsfaktorwerte<br />

• konstante DC-Mittelwerte der Zwischenkreisspannungen<br />

• Abschottung gegen Netzoberschwingungen<br />

Als Hardware dient der AC 800PEC Controller von<br />

ABB, der die Integration von schnellen und langsamen<br />

Regelungsfunktionen erlaubt.<br />

Aufbau<br />

Bild 5:<br />

PETT 1 komplett aus Transformatorenkessel (unten, links in Bild 4) und<br />

Gerüst mit neun Modulen aus AFE, Halbleitern der DC/DC-Umrichter und<br />

Zwischenkreiskondensatoren; l = 2,66 m, b = 1,20 m, h = 1,53 m.<br />

Im Demonstrator PETT 1 sitzen drei Blöcke aus je drei<br />

MFT sowie die Netzdrossel und ein Vorladekreis aus<br />

Widerstand und Hochspannungsschütz gemeinsam<br />

in einem ölgefüllten Kessel (Bild 4). Über diesem<br />

sind in einem Gerüst die anderen Komponenten der<br />

neun DC/DC-Umrichter und der zugehörigen AFE<br />

angeordnet (Bild 5). Diese Komponenten werden<br />

mit de-ionisiertem Wasser gekühlt.<br />

410 110 (2012) Heft 8-9


Thema Fokus<br />

PETT-Demonstrator in der SBB-Lokomotive Ee 933 001<br />

Kommentar: Was lange währt<br />

Der Stolz der Projekteure in Genf und in Turgi über<br />

die Weltpremiere, AC-Traktionsleistung via Mittelfrequenztransformation<br />

im Tagesbetri<strong>eb</strong> zu übertragen,<br />

ist berechtigt. Es verdient aber auch einen Blick fast<br />

50 Jahre zurück, als bei den AEG-Vierspannungslokomotiven<br />

der DB die Traktions leistung aus dem Stromkreis<br />

DC-Fahrleitungsnetz mit Leistungselektronik in<br />

AC 110 Hz umgewandelt und dann wie unter AC weiter<br />

verarbeitet wurde [1]. Konzeptionell und sicherlich<br />

auch in den Büros, Laboren und Prüffeldern war man<br />

wohl weiter an der Sache dran [2], aber erst vor si<strong>eb</strong>en<br />

Jahren gab es ein 1-MW-Demonstrationsmodell in<br />

einer Halle zu sehen [3]. Warum dieses den Weg auf<br />

die Schienen nicht fand, war nicht zu erfahren, offenbar<br />

ist er lang. Nach dem Durchbruch darf man<br />

gespannt sein, ob sich das Konzept <strong>eb</strong>enso zielstr<strong>eb</strong>ig<br />

und wann es sich so vollständig durchsetzt wie die<br />

Drehstromantri<strong>eb</strong>s technik; an Widerständen hat es der<br />

wahrlich nicht gemangelt.<br />

Dahinter steht aber noch eine Perspektive, ja Vision,<br />

die weit über Europa und Skandinavien hinausreicht.<br />

Nicht erst seit gestern wird aufgezeigt, wie alle Widrigkeiten<br />

der heutigen 50-Hz-<strong>Bahnen</strong>ergie versor gung auf<br />

einen Schlag mit Umrichtern ausgeräumt sind. Danach<br />

kommt nämlich die Frage, ob es denn für die anschließende<br />

Übertragung im Fahrleitungsnetz nichts Besseres<br />

gibt als wieder 50 Hz? Die Antwort der Physik darauf ist<br />

so klar, dass nur die Sorge vor schwereren Transformatoren<br />

sie vern<strong>eb</strong>eln kann, und da klärt sich der Himmel<br />

nun zuerst über Genf auf. Die Frequenz 16 2 / 3<br />

Hz ist<br />

nicht nur immer noch, sondern gerade wieder frisch<br />

genormt [4].<br />

Be<br />

[1] Tietze, Ch.: Die elektrische Ausrüstung der Mehrsystemlokomotiven<br />

E 410 und E 310 mit Thyristorleistungsstromrichtern,<br />

Bauart AEG. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 37 (1966), H. 11,<br />

S. 259–265.<br />

[2] Kratz, G.; Strasser, H.: Antri<strong>eb</strong>skonzepte für zukünftige elektrische<br />

Tri<strong>eb</strong>fahrzeuge. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 96 (1998),<br />

H. 11, S. 333–337.<br />

[3] Victor, M.: Energieumwandlung auf AC-Tri<strong>eb</strong>fahrzeugen<br />

mit Mittelfrequenztransformator. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong><br />

103 (2005), H. 11, S. 505–510.<br />

[4] IEC 60196:2009 Normfrequenzen.<br />

Bei der Suche nach einem Fahrzeug für die Betri<strong>eb</strong>s erprobung<br />

ging es nicht darum, mit möglichst hoher Leistung oder<br />

möglichst viel zu fahren, sondern rein um die Zweckmäßigkeit.<br />

Das Hauptziel sollte sein, die Praktikabilität der<br />

Technologie zu untersuchen und zu beweisen, dass<br />

das Prinzip und die Lösung betri<strong>eb</strong>smäßig funktionieren.<br />

Auch sollte der Aufwand dafür möglichst<br />

niedrig bleiben.<br />

Die Wahl fiel schließlich auf die in Genf Cornavin<br />

beheimatete Vierspannungs-Rangierlokomotive<br />

Ee 3/3 IV 934 560 (siehe Hintergrund), also bei angenehmer<br />

Nähe zwischen Einsatzort und Sitz der Projektleitung.<br />

Die SBB stellte die Lokomotive zur Verfügung,<br />

während ABB alle Aus-, Um- und Einbauten durchführte.<br />

HINTERGRUND<br />

Die jetzt zur weltweit ersten betri<strong>eb</strong>smäßigen<br />

Erprobung der Mittelfrequenztransformation<br />

ausgewählte SBB-Lokomotive stammt aus einer<br />

Großfamilie mit dem weitgehend einheitlichen<br />

mechanischen Grundkonzept Ee 3/3,<br />

worin E für Rangierlokomotive, e für elektrisch<br />

mit Stromabnehmer und 3/3 für Zahl der angetri<strong>eb</strong>enen/Gesamtzahl<br />

der Radsätze steht;<br />

die Konfiguration mit Stangenantri<strong>eb</strong> über<br />

Blindwelle heißt auch einfach „C“. Von 1928<br />

bis 1966 beschaftten die SBB in si<strong>eb</strong>en ziemlich<br />

gleichmäßig über die Jahrzehnte verteilten<br />

Tranchen 136 Stück für AC 15 kV 16 2 / 3<br />

Hz<br />

ausgerüstet. Als von Frankreich her die Elektrifizierung<br />

mit AC 25 kV 50 Hz an und über die<br />

schweizerische Grenze bis Basel gedrungen<br />

war, kamen 1957/58 sechs Zweifrequenzlokomotiven<br />

Ee 3/3 II in drei elektrisch verschiedenen<br />

Varianten hinzu, davon zwei <strong>Lokomotiven</strong><br />

von der SNCF übernommen. Schließlich<br />

folgten 1962/63 zehn Exemplare Ee 3/3 IV , die<br />

auch noch für DC 1,5 kV und DC 3 kV ausgerüstet<br />

und vorrangig für den Einsatz in Genf<br />

und in Chiasso bestimmt waren. Sie hatten<br />

die Betri<strong>eb</strong>snummern 16551 bis 16560, später<br />

934 551 bis 934 560. N<strong>eb</strong>en konventioneller<br />

DC-Widerstandsstufensteuerung kam für den<br />

AC-Betri<strong>eb</strong> trotz eröffneter Si-Halbleiter-Aera<br />

ein Hg-Dampf stromrichter von Sécheron mit<br />

Gittersteuerung für Phasenanschnitt. Ab 1992<br />

wurden diese Excitrons durch eine einstufige<br />

halbgesteuerte Thyristorbrücke und die rotierenden<br />

Erreger- und Hilfsbetri<strong>eb</strong>eumformer<br />

durch GTO-Umrichter ersetzt. Mit dem Umbau<br />

zur 933 001 (Bild 1 in <strong>eb</strong> Heft 5/2012 Seite<br />

219) arbeitet die unveränderte DC-Steuerung<br />

jetzt auch im Netz AC 15 kV, denn der PETT<br />

liefert konstant DC 1,5 kV. Besonderheit beim<br />

Antri<strong>eb</strong> ist ein verbunderregter 1,5-kV-Doppelmotor,<br />

im 3-kV-Netz in Serie zu schalten; die<br />

Widerstandsbremse ist fahrdrahtunabhängig.<br />

Be<br />

110 (2012) Heft 8-9<br />

411


Fokus Thema<br />

Bild 6:<br />

Schaltplan für<br />

PETT1-Betri<strong>eb</strong> in<br />

SBB-Rangierlokomotive<br />

Ee 3/3 933 001.<br />

Umschaltung und<br />

Umgruppierung für<br />

Betri<strong>eb</strong> mit DC 1,5 kV<br />

oder 3 kV Fahrleitungsspannung<br />

nicht dargestellt.<br />

Die wesentlichen Arbeiten sind in Tabelle 2 genannt,<br />

wovon die Verknüpfung der PETT-Elektronik neuesten<br />

Standards mit der vorhandenen Steuerelektronik<br />

MICAS S besonders anspruchsvoll war. Wesentlich<br />

war, dass die DC-Ausgangs spannung des PETT mit<br />

der Nennspannung der Fahrmotoren übereinstimmte;<br />

dass diese zusammen nur 470 kW Nennleistung<br />

haben, ist für den erklärten Zweck der Betri<strong>eb</strong>serprobung<br />

unerh<strong>eb</strong>lich.<br />

Bild 6 zeigt den elektrischen Gesamtaufbau des<br />

PETT 1 und seine Einbindung in den Hauptstromkreis<br />

des Fahrzeugs, die Bilder 7 und 8 vermitteln<br />

Eindrücke zum mechanischen Einbau.<br />

TABELLE 3<br />

Weitere Produktentwicklung PETT.<br />

Mittelsegment<br />

Mittel- bis Hochsegment<br />

Hochsegment<br />

1<br />

Zielwerte<br />

Leistung<br />

MVA<br />

1,25<br />

2,3<br />

4,5<br />

Masse 1<br />

t<br />

2,25<br />

3,6<br />

6,1<br />

Dichte 1<br />

kVA/kg<br />

≈0,55<br />

≈0,65<br />

≈0,75<br />

Leistungsdaten, Merkmale und<br />

Vorteile des PETT<br />

Der Demonstrator PETT 1 hat 1,2 MW Nennleistung<br />

entsprechend acht intakten Modulen. Deren<br />

thermische Kapazität erlaubt kurzzeitig 1,8 MW,<br />

wofür die Halbleiter bemessen sind.<br />

Das Gesamtaggregat (Bild 5) mit Kühlmittelfüllungen<br />

und allen externen Kühlaggregaten wiegt<br />

4,5 t, was 0,27 kVA/kg entspricht. Die nächste Generation<br />

des PETT, die zurzeit entwickelt wird, soll<br />

mit 0,5 bis 0,75 kVA/kg deutlich darüber liegen<br />

(Tabelle 3). Als Sekundärspannung kann dabei<br />

auch DC 3 kV zweckmäßig werden, besonders für<br />

höhere Leistungen oder für Fahrzeuge zum Einsatz<br />

auch unter dieser Fahrleitungsspannung. Die Leistungsdichte<br />

heutiger Kombinationen aus Transformator<br />

und IGBT-Umrichter bis zum DC-ZK liegt<br />

im Bereich von 0,2 bis 0,35 kVA/kg, zum Beispiel<br />

wiegt eine solche Gruppe für 15 kV 16,7 Hz mit<br />

2,3 MVA Leistung etwa 7 t.<br />

Der Sprung um den Faktor 2 bis 3 soll bei der<br />

nächsten PETT-Generation unter anderem durch<br />

den Wegfall der Ölkühlung erreicht werden.<br />

412 110 (2012) Heft 8-9


Thema Fokus<br />

Die Halbierung der Masse und die entsprechend<br />

kleineren Abmessungen gegenüber der jetzigen<br />

Technik sind einer der beiden Hauptvorteile<br />

des PETT. Dadurch gibt es viel mehr Freiheiten,<br />

Tri<strong>eb</strong>züge allgemein und besonders Doppelstocktri<strong>eb</strong>züge<br />

und solche für den Hochgeschwindigkeitsverkehr<br />

flexibel und modular zu konfigurieren.<br />

PETT können viel einfacher auf Wagendächern<br />

unterg<strong>eb</strong>racht werden, wo die Statik weniger als<br />

4 t schwere Aggregate verlangt, oder unter Wagenböden.<br />

Einige weitere Daten und Merkmale des PETT<br />

im Vergleich zur konventionellen Lösung sind in<br />

den Tabellen 4 und 5 aufgezählt. Dabei sticht als<br />

zweiter Hauptvorteil die deutlich höhere Energieeffizienz<br />

hervor. Über die Prüffelderg<strong>eb</strong>nisse hinaus<br />

haben Simulationsrechnungen für Fahrten durch<br />

die Schweiz um 10 bis 15 % geringeren Energi<strong>eb</strong>edarf<br />

von Zügen mit PETT erg<strong>eb</strong>en.<br />

Die niedrigen Einschaltstromstärken sind günstig<br />

für den Netzbetri<strong>eb</strong>, die besseren EMV-Verhältnisse<br />

erleichtern und verkürzen die Zulassungsprozeduren<br />

und der Verzicht auf große Ölmengen<br />

auf den Fahrzeugen ist für Netze mit vielen und<br />

langen Tunneln sowie unterirdischen Bahnhöfen<br />

vorteilhaft.<br />

Ein interessanter Aspekt sind auch die Schallemissionen.<br />

Dabei sind Pegelwerte relativ unwichtig,<br />

denn gegenüber der jetzigen MFT-Frequenz<br />

1,75 kHz sind 5 bis 10 kHz angestr<strong>eb</strong>t, womit die<br />

Schallfrequenz ≥10 kHz für Menschenohren kaum<br />

bis nicht mehr hörbar wird.<br />

Für die Investitionen gilt, dass eine dermaßen neuartige<br />

Technik zunächst noch ihren Preis haben wird,<br />

bis sie zum Standard geworden ist. Die Verfügbarkeit<br />

schließlich wird durch die Redundanzen innerhalb<br />

der PETT wie durch Buskonfigurationen steigen.<br />

Als kommende Anwendungsfelder sieht man,<br />

nach Prioritäten gereiht:<br />

1. vorrangig Tri<strong>eb</strong>züge für 15 kV 16,7 Hz, besonders<br />

doppelstöckige und für Hochgeschwindigkeitsverkehr<br />

2. später dasselbe für 25 kV 50 oder 60 Hz und für<br />

Zwei- oder Mehrspannungsfahrzeuge<br />

3. Zweikraft-Tri<strong>eb</strong>züge und -<strong>Lokomotiven</strong><br />

4. Retrofits, Umbau von DC-Fahrzeugen auf AC-<br />

Betri<strong>eb</strong> und Ähnliches.<br />

Anmerkung: Der Bericht beruht auf der Quelle [1] und<br />

einem Besuch bei ABB Sécheron in Genf Zimeysa mit<br />

ausführlichen Informationen durch den letztgenannten<br />

Autor und Produktmanager.<br />

Uwe Behmann<br />

[1] Claessens, M.; Dujic, Dr.; Canales, Fr.; Steinke, J. K.; Stefanutti,<br />

Ph.; Vetterli, Ch.: Kleiner, leichter, effizienter – Ein<br />

leistungselektronischer Traktionstransformator (PETT).<br />

In: ABB technik Nr. 1/2012, S. 11–17.<br />

Bild 7:<br />

Einbausituation in SBB-Rangierlokomotive für PETT 1 (Mitte längs), Öl- und Wasser-Kühlaggregate<br />

(vorne links) und neuen Hilfsbetri<strong>eb</strong>eumrichter sowie neues Batterieladegerät<br />

(Mitte vorn).<br />

Bild 8:<br />

Einbau PETT 1 in umgenummerte SBB-Rangierlokomotive im Werk ABB Sécheron in Genf Zimeysa<br />

im Mai 2011; im rechten Vorbau unverändert Anfahrwiderstände und Stufenschaltwerk.<br />

TABELLE 4<br />

Vergleichsdaten PETT mit konventionellem Schema.<br />

konventionell PETT künftig<br />

Leistungsdichte<br />

Wirkungsgrad bei Nennlast<br />

Einschaltstrom : Nennstrom<br />

TABELLE 5<br />

Vergleichsmerkmale PETT mit konventionellem Schema.<br />

konventionell PETT künftig<br />

DC-Zugsammelschiene 1<br />

EMV-Probleme<br />

Brand- und Umweltschutz<br />

Schallemissionen<br />

Investitionen<br />

Zuverlässigkeit<br />

Verfügbarkeit<br />

1<br />

für Traktion<br />

2<br />

durch Redundanz<br />

kVA/kg<br />

%<br />

nein<br />

herausfordernd<br />

herausfordernd<br />

herausfordernd<br />

bekannt<br />

bekannt<br />

gut<br />

0,2 ... 0,35<br />

88 ... 90<br />

5 ... 10<br />

0,5 ... 0,75<br />

>95<br />


Fahrzeuge<br />

Tri<strong>eb</strong>züge Desiro ML für die SNCB<br />

Michael Kopp, Dirk Schwanke, Erlangen<br />

Die SNCB erhält aus der Siemens-Fahrzeugplattform Desiro ML insgesamt 305 elektrische Tri<strong>eb</strong>züge<br />

für den Regionalverkehr unter anderem im Raum Brüssel. Es handelt sich um dreiteilige Einheiten<br />

in Einzelwagen-Bauweise einerseits für Netze mit AC 25 kV und DC 3 kV sowie andererseits nur für<br />

DC-Betri<strong>eb</strong>. Zugunsten eines über die gesamte Zuglänge durchgehenden Fahrgastbereichs sind elektrische<br />

Großkomponenten überwiegend im Dachbereich unterg<strong>eb</strong>racht.<br />

DESIRO ML TRAINS FOR SNCB<br />

For regional transport purposes, among others in the Brussels region, SNCB will receive a total of<br />

305 electric trains from Siemens’ Desiro ML vehicle platform. The train is a multiple unit consisting<br />

of three individual cars designed to run in networks of 25 kV AC and 3 kV DC on the one hand and<br />

pure DC networks on the other. In order to ensure a low-floor design across the entire length of<br />

the train, most of the large electrical components have been accommodated in the roof sections of<br />

the train.<br />

TRAINS AUTOMOTEURS DESIRO ML POUR LA SNCB<br />

Siemens livre à la SNCB 305 trains automoteurs Desiro ML pour le trafic régional, notamment dans<br />

l’agglomération bruxelloise. Il s’agit d’unités composées de trois voitures, d’une part pour les réseaux<br />

CA 25 kV et CC 3 kV et d’autres part uniquement pour le réseau CC. Les équipements électriques<br />

sont principalement logés en toiture au bénéfice d’une caisse surbaissée sur toute la longueur<br />

de la rame.<br />

Bild 1:<br />

Tri<strong>eb</strong>zug Desiro ML<br />

AM08 während einer<br />

Messfahrt auf dem belgischen<br />

Streckennetz<br />

(Alle Bilder: Siemens).<br />

1 Einführung<br />

Im Mai 2008 haben die belgische Staatsbahn Societé<br />

Nationale des Chemins de fer Belge (SNCB) und<br />

Siemens Mobility einen Vertrag über die Lieferung<br />

von 305 Tri<strong>eb</strong>zügen für den Einsatz im belgischen<br />

Regionalzugverkehr unterzeichnet. Der Auftrag im<br />

Wert von über 1,4 Mrd. EUR war zu diesem Zeitpunkt<br />

der größte im Bereich Rolling Stock, den Siemens je<br />

erhalten hat. Der Auftrag umfasst die Planung, Entwicklung,<br />

Fertigung sowie Zulassung der Fahrzeuge.<br />

Die Bestellung unterteilt sich in drei Lieferlose mit<br />

insgesamt 210 Tri<strong>eb</strong>zügen für DC 3 kV und 95 Mehrsystemtri<strong>eb</strong>züge<br />

für DC 3 kV und AC 25 kV.<br />

Die Züge sind auf<br />

Basis der Siemens-<br />

Fahrzeugplattform<br />

Desiro ML konzipiert,<br />

die mit Blick auf aktuelle<br />

Marktanforderungen<br />

des S-Bahn-,<br />

Regional- und Interregio-Verkehrs<br />

entwickelt<br />

worden ist.<br />

Sie entsprechen den<br />

europäischen Normen<br />

und eignen sich<br />

daher besonders für<br />

den Einsatz in europä-<br />

ischen Ländern. Von dieser neuen Fahrzeugfamilie<br />

haben Ende 2008 die ersten Einheiten ihren Betri<strong>eb</strong><br />

im Netz der Mittelrheinbahn aufgenommen.<br />

Bei der SNCB tragen die Tri<strong>eb</strong>züge die Typenbezeichnung<br />

AM08.<br />

2 Fahrzeugkonzept des<br />

Desiro ML AM08<br />

Der Desiro ML ist, um eine große Flexibilität für<br />

Betri<strong>eb</strong> und Instandhaltung zu erreichen, als Einzelwagenzug<br />

ausgeführt; die Endwagen sind angetri<strong>eb</strong>en,<br />

die Mittelwagen nicht. Im Depot können<br />

Mittelwagen mit geringem Aufwand eingereiht und<br />

später wieder entfernt werden. Dadurch erg<strong>eb</strong>en<br />

sich Vorteile sowohl im Falle, dass bei geändertem<br />

Bedarf die Fahrzeugplatzkapazität schnell angepasst<br />

werden muss, als auch bei Wartungs- und Reparaturarbeiten.<br />

Für die SNCB wurde der Desiro ML AM08 als<br />

dreiteiliger elektrischer Einzelwagenzug, also mit<br />

nur einem Mittelwagen ausgeführt. Er wurde einerseits<br />

als Einsystemvariante ausschließlich für<br />

den Einsatz im Netz DC 3 kV und andererseits als<br />

Mehrsystemvariante für die Fahrleitungsspannungen<br />

DC 3 kV und AC 25 kV 50 Hz entwickelt und<br />

g<strong>eb</strong>aut.<br />

414 110 (2012) Heft 8-9


Fahrzeuge<br />

In Tabelle 1 sind die wesentlichen technischen<br />

Daten des Desiro ML AM08 aufgeführt. Bild 1 zeigt<br />

einen der ersten Tri<strong>eb</strong>züge auf dem belgischen Streckennetz<br />

während einer Messfahrt im Jahr 2011.<br />

Seitenansicht und Grundriss zeigt Bild 2.<br />

Besondere Aufmerksamkeit galt dem Crashverhalten<br />

und dem Brandschutz, bei dem für die Konstruktion<br />

die Bestimmungen nach CEN/TS 45545, für<br />

die Materialbeschaffenheit die DIN 5510-2, Brandschutzstufe<br />

2, und hinsichtlich Toxizität DIN 5510-2<br />

oder EBA-Leitfaden gelten.<br />

3 Baugruppen und Subsysteme<br />

3.1 Bereich Wagenbau<br />

3.1.1 Wagenkastenstruktur<br />

Der Wagenkasten des Desiro ML AM08 ist in Aluminium-Integralbauweise<br />

unter Verwendung von<br />

Strangpressprofilen hergestellt. Der Fahrzeugkopf<br />

wird als geteiltes GFK-Formteil auf eine Aluminium-<br />

Grundstruktur aufgesetzt. Der Bereich unterhalb des<br />

Frontfensters und die Schürzen können im Fall von<br />

kleineren Kollisionen im Interesse begrenzter Reparaturkosten<br />

leicht ausgetauscht werden.<br />

Der AM08 ist gemäß den Szenarien 1 bis 4 der<br />

TSI Crash sowie den Anforderungen der prEN 15227<br />

ausgelegt und realisiert. Durch die Erfüllung dieser<br />

Anforderungen wird für den Kollisionsfall ein hohes<br />

Sicherheitsniveau für Fahrgäste und Tri<strong>eb</strong>fahrzeugführer<br />

erreicht. Im Frontbereich sind hierfür eine<br />

Crashstruktur ausg<strong>eb</strong>ildet sowie ein zentral angeordnetes<br />

Energieverzehrelement montiert, welches<br />

tauschbar ist. Im Bereich der Puffer befinden sich<br />

separat aufgesetzte und leicht ersetzbare Crashabsorber.<br />

Die Wagenkästen der beiden Endwagen<br />

ABx und ABDx des AM08 gehören mit<br />

jeweils 26 906 mm zu den längsten Varianten<br />

der Plattform Desiro ML. Der Mittelwagen misst<br />

26 095 mm. Gegenüber der Variante der Mittelrheinbahn<br />

sind die Wagen damit jeweils um zirka<br />

2,5 m länger. Der Fußboden im Niederflurbereich<br />

zwischen den Drehgestellen liegt 800 mm über<br />

Schienenoberkante (SO).<br />

Alle drei Wagen sind entsprechend den Anforderungen<br />

der SNCB mit zwei Einstiegen je Seite<br />

ausgeführt.<br />

3.1.2 Einstiege und Übergänge<br />

Die Fußbodenhöhe in den Einstiegsbereichen beträgt<br />

<strong>eb</strong>enfalls 800 mm über SO. Die Außentüren<br />

des Fahrgastraumes sind für einen zügigen Fahrgastwechsel<br />

als elektrisch angetri<strong>eb</strong>ene Außenschwenkschi<strong>eb</strong>etüren<br />

mit einer lichten Durchgangsnennweite<br />

von 1 300 mm ausgeführt.<br />

Für niedrige Bahnsteige bilden an den Einstiegen<br />

elektrische Klapptritte eine Trittstufe (Bild 3).<br />

Der Endwagen ABDx, in dem sich der Mehrzweckbereich<br />

sowie der Stellplatz für Rollstühle befindet,<br />

verfügt an einem Einstieg stattdessen über einen<br />

elektrisch angetri<strong>eb</strong>enen tiefliegenden Schi<strong>eb</strong>etritt,<br />

der einerseits zur Verringerung der Spalte<br />

zum Bahnsteig, andererseits als Trittstufe dient.<br />

Als Erleichterung für mobilitätseingeschränkte<br />

Fahrgäste ist im Mehrzweckbereich außerdem<br />

ein Schrank mit einer manuell zu bedienenden<br />

Rollstuhlrampe für diesen Einstiegsbereich unterg<strong>eb</strong>racht.<br />

Um den Zugang zu den Sitzplätzen und den<br />

Fahrgastwechsel insgesamt weiter zu erleichtern,<br />

sind alle Einstiegsbereiche sowie der Niederflurbereich<br />

ohne Stufen oder Rampen realisiert. Der<br />

Hauptgang führt ohne Barrieren niveaugleich durch<br />

den gesamten Zug; lediglich über den Drehgestellen<br />

und am Wagenübergang steigt er mit einer<br />

Rampe auf 895 mm über SO (Bild 4).<br />

TABELLE 1<br />

Technische Daten des dreiteiligen Desiro ML AM08.<br />

Bauart<br />

Einzelwagenzug<br />

Radsatzfolge<br />

Bo’Bo’+2’2’+Bo’Bo’<br />

Fahrzeugbegrenzungsprofil UIC 505-1<br />

Crashtauglichkeit nach TSI Szenario 1, 2, 3<br />

und 4<br />

Brandschutznorm DIN 5510-2<br />

Spurweite mm 1 435<br />

Höchstgeschwindigkeit km/h 160<br />

Steigungsfähigkeit bis ‰ 40<br />

Netzspannung Mehrsystemzug<br />

Einsystemzug<br />

kV DC 3 und AC 25<br />

DC 3<br />

Antri<strong>eb</strong>s- und Bremsleistung maximal kW 2 200<br />

maximale Anfahrzugkraft kN 170<br />

maximale elektrische Bremskraft kN 140<br />

Anzahl Sitzplätze 280<br />

Einstiegs-Fußbodenhöhe über SO mm 800<br />

Zuglänge über Kupplungen mm 79 907<br />

Länge Endwagen ABx/B mm 26 906<br />

Länge Mittelwagen B mm 26 095<br />

maximale Fahrzeughöhe über SO mm 4 243<br />

maximale Wagenkastenbreite mm 2 820<br />

Eigenmasse<br />

Mehrsystemzug<br />

Einsystemzug<br />

t 146,7<br />

140,4<br />

maximale Radsatzlast t 16,4<br />

110 (2012) Heft 8-9<br />

415


Fahrzeuge<br />

Bild 2:<br />

Seitenansicht und<br />

Grundriss des Desiro<br />

ML AM08.<br />

3.1.3 Führerraum<br />

Der Führerraumgrundriss wird von einem mittig angeordneten<br />

Führertisch bestimmt.<br />

Die Bedienelemente und die Anzeigen sind auf Basis<br />

der im Arbeitskreis European Drivers Desk erarbeiteten<br />

Anforderungen angeordnet. Um optimale Sicht- und<br />

Arbeitsbedingungen zu erreichen, ist der Führerraum<br />

mit einem höhenverstellbaren, dreh- und verschi<strong>eb</strong>baren<br />

Führersitz ausgestattet; zusätzlich ist ein<br />

Klappsitz installiert. Die großflächige Frontscheibe<br />

gewährleistet Sichtbedingungen gemäß UIC sowohl<br />

bei Bedienung im Sitzen als auch im Stehen.<br />

Der Führerraum wird vom angrenzenden Fahrgastraum<br />

des Endwagens durch eine gemäß den<br />

aktuellen Brandschutzanforderungen ausgelegte<br />

Trennwand abgeteilt, die auch die Zugangstür mit<br />

Sichtfenster zum Fahrgastraum enthält.<br />

3.1.4 Fahrgastraum<br />

Bei der Gestaltung des Innenraumes wurde großer<br />

Wert auf ein attraktives, modernes und angenehmes,<br />

aber auch instandhaltungsfreundliches Design<br />

gelegt (Bild 4).<br />

In den Einstiegsbereichen, die jeweils mit Glastrennwänden<br />

zum Sitzplatzbereich abgegrenzt sind,<br />

finden sich für die Fahrgäste in Modulen verfügbare<br />

Haltestangen und Abfallbehälter sowie Einrichtungen<br />

für Werbeplakate und Halter für Informationsbroschüren.<br />

Die Sitze des Desiro ML sind nach den neuesten<br />

ergonomischen Erkenntnissen gestaltet. Insgesamt<br />

verfügt der AM08 über 280 Sitzplätze, davon<br />

230 Sitzplätze der zweiten Klasse, 32 Sitzplätze der<br />

ersten Klasse und 18 Klappsitze, sowie Stehplätze für<br />

bis zu 308 Personen.<br />

Der Fahrgastbereich des Endwagens ABx ist ein<br />

Großraum, in dem sich Fahrgastsitze in Reihen- und<br />

Vis-à-vis-Anordnung befinden. Der Wagen verfügt<br />

über 92 Sitzplätze, wovon 16 Sitzplätze für Fahrgäste<br />

der ersten Klasse bestimmt sind.<br />

In die Mitte des Endwagens ABDx wurde der<br />

Mehrzweckbereich konzipiert, welcher Platz für zwei<br />

Rollstühle oder für Fahrräder sowie Kinderwagen<br />

bietet. Der Mehrzweckbereich ist zusätzlich zu den<br />

18 Klappsitzen mit einer behindertengerechten Toilette<br />

ausgestattet. Weiterhin befinden sich in diesem<br />

Endwagen 84 Sitzplätze in Reihen- und Vis-à-vis-<br />

Anordnung, wovon 16 Sitzplätze für Fahrgäste der<br />

ersten Klasse vorgesehen sind.<br />

Der Mittelwagen B ist mit 104 Sitzplätzen der<br />

zweiten Klasse in Reihen- und Vis-à-vis-Anordnung<br />

ausgestattet.<br />

3.1.5 Klimaanlagen<br />

Bild 3:<br />

<strong>Elektrische</strong>r Klapptritt.<br />

Die beiden Endwagen ABx und ABDx verfügen jeweils<br />

über eine Fahrgastraum- und eine Führerraumklimaanlage,<br />

der Wagen B über eine Fahrgastraumklimaanlage.<br />

Die Fahrgastraumklimaanlagen sind für<br />

alle drei Wagen baugleich als Kompaktgerät ausgeführt.<br />

Dieses ist als Dachanlage in der Wagenmitte<br />

montiert.<br />

Jeder Fahrgastraum wird im Kühlbetri<strong>eb</strong> über<br />

Deckenkanäle belüftet, im Heizbetri<strong>eb</strong> bläst Warmluft<br />

im Fußbereich aus, was eine für die Fahrgäste<br />

416 110 (2012) Heft 8-9


Fahrzeuge<br />

angenehme und gleichmäßige Belüftung und Temperaturverteilung<br />

ergibt. Die Klimakanäle zwischen<br />

dem Klimagerät und den Bodenkanälen verlaufen<br />

ohne Einschränkung der Flexibilität im Innenraum.<br />

3.2 Bereich Fahrwerk und mechanische<br />

Bremse<br />

3.2.1 Drehgestelle<br />

Die Endwagen des Desiro ML AM08 sind mit je zwei<br />

Tri<strong>eb</strong>drehgestellen ausgerüstet, der Mittelwagen B<br />

des Tri<strong>eb</strong>zugs mit Laufdrehgestellen.<br />

Die Drehgestelle stammen aus der bewährten<br />

Drehgestellfamilie SF 6500. Antri<strong>eb</strong>s- und Laufdrehgestelle<br />

sind nach einheitlichen Konstruktionsprinzipien<br />

ausgeführt, sodass sich ein hoher Grad an<br />

Gleichteilen besonders für alle instandhaltungsrelevanten<br />

Bauteile wie Radsätze oder Radsatzlager<br />

ergibt. Sie sind für einen guten Fahrkomfort sekundärseitig<br />

luftgefedert, ihre Rahmen sind in H-Form<br />

ausgeführt. Die Radsätze sind mit Monobloc-Rädern<br />

ausgerüstet, welche Radbremsscheiben tragen.<br />

3.2.2 Bremsausrüstung<br />

Der Desiro ML AM08 hat eine direkt gesteuerte elektropneumatische<br />

Druckluftbremse mit lastabhängiger<br />

Bremsdruckregelung. Als Rückfall<strong>eb</strong>ene für Störungsund<br />

Abschleppfälle ist eine indirekte Steuerung über<br />

die durchgehende Hauptluftleitung (HL) vorhanden.<br />

Die HL und die Hauptluftbehälterleitung (HBL) werden<br />

in Mehrfachtraktion automatisch über die Mittelpufferkupplung<br />

am Fahrzeugkopf gekuppelt.<br />

Die Tri<strong>eb</strong>züge nutzen bei Bremsanforderung die<br />

vorhandene Traktionsausrüstung als regeneratives<br />

Bremssystem mit Energierückspeisung in das Netz<br />

vorrangig gegenüber der pneumatischen Bremse.<br />

Zusätzlich ist ein Bremswiderstand auf jedem Endwagen<br />

installiert.<br />

Selektiv je Radsatz wirkt ein elektronischer Gleitschutz.<br />

Weiterhin sind Federspeicherbremsen als<br />

Parkbremse eing<strong>eb</strong>aut. Die Laufdrehgestelle des<br />

AM08 sind mit je einem Magnetschienenbremssystem<br />

in Hochaufhängung ausgestattet. Die seitlich<br />

durch Spurhalter verbundenen Bremsmagnete der<br />

Magnetschienenbremse sind zwischen den Radsätzen<br />

der Laufdrehgestelle im Wagen B paarweise<br />

angeordnet.<br />

Die Druckluftbeschaffungsanlage besteht aus einem<br />

ölfreien Kolbenkompressor und einer nachgeschalteten<br />

Lufttrocknungsanlage. Sie ist zusammen<br />

mit den Steuerungsaggregaten der Bremsanlage<br />

in gut zugänglichen und leicht austauschbaren<br />

Modulen im Unterflurbereich des Endwagens angeordnet.<br />

110 (2012) Heft 8-9<br />

3.3 Bereich Energieversorgung und<br />

Traktions ausrüstung<br />

3.3.1 Gesamtanlage beim elektrischen Desiro ML<br />

Die Energieversorgungs- und Traktionskomponenten<br />

sind in den Endwagen installiert. Alle vier Radsätze<br />

der Endwagen sind angetri<strong>eb</strong>en; dadurch bleibt<br />

die Reibwertausnutzung gering und es lässt sich<br />

damit auch bei schlechten Witterungsverhältnissen<br />

eine hohe Anfahrbeschleunigung erzielen.<br />

Der Desiro ML AM08 ist in der Einsystemvariante<br />

für Speisenetze mit DC 3 kV und in der Mehrsystemvariante<br />

für Netze mit DC 3 kV sowie AC 25 kV 50 Hz<br />

ausgelegt.<br />

Die DC-Hochspannungsanlage besteht aus einem<br />

Stromabnehmer, einem Hauptschalter, Schutz- und<br />

Messeinrichtungen für Oberspannung und Oberstrom,<br />

sowie einem Netzfilter. Sie befindet sich auf<br />

dem Dach eines Endwagens. Der zweite Endwagen<br />

wird über eine eigene, bis auf den Stromabnehmer<br />

gleiche DC-Hochspannungsdachanlage versorgt.<br />

Bei der Mehrsystemversion befindet sich die zusätzliche<br />

AC-Hochspannungsanlage, bestehend aus<br />

Hauptschalter, Oberstrom- und Spannungswandler<br />

sowie Haupttransformator mit Kühlanlage, auf dem<br />

Mittelwagen. Der AC-Stromabnehmer ist auf dem<br />

zweiten Endwagen montiert.<br />

3.3.2 Haupttransformator<br />

Der für den Betri<strong>eb</strong> unter AC 25 kV im Mittelwagen<br />

mit seiner Kühlanlage montierte Transformator besitzt<br />

sekundärseitig vier Traktionswicklungen. Er ist<br />

wie auch alle anderen Gerätecontainer zur Schwingungs-<br />

und Geräuschminimierung elastisch befestigt.<br />

3.3.3 Traktionsstromrichter<br />

Die Traktionsstromrichter<br />

sind eingangsseitig<br />

über die Netzfilterdrossel<br />

direkt an der DC-<br />

Fahrleitungsspannung<br />

angeschlossen. Jeder<br />

Stromrichter hat zwei<br />

Pulswechselrichterausgänge,<br />

die jeweils zwei<br />

Fahrmotoren speisen.<br />

Seine Leistung liegt bei<br />

1100 kW am Rad sowohl<br />

im Antri<strong>eb</strong>s- als<br />

auch im Bremsbetri<strong>eb</strong>.<br />

Der Mehrsystemzug<br />

verfügt auf dem Mittelwagen<br />

zusätzlich über<br />

Bild 4:<br />

Blick in den Innenraum<br />

des Desiro ML AM08.<br />

417


Fahrzeuge<br />

Bild 5:<br />

Einer der ersten überg<strong>eb</strong>enen<br />

Desiro ML AM08<br />

im Betri<strong>eb</strong>seinsatz.<br />

vier 4-Quadrantensteller (4QS), von denen jeweils<br />

zwei die Traktionsumrichter über die nun als Saugdrossel<br />

wirkende DC-Netzfilterdrossel der Endwagen<br />

mit DC speisen.<br />

3.3.4 Antri<strong>eb</strong><br />

Die Asynchron-Fahrmotoren sind für die speziellen<br />

Anforderungen des AM08-Tri<strong>eb</strong>zugs ausgelegt. Der<br />

sechspolige Drehstrommotor ist in der Bauart als<br />

Gehäusemotor ausgeführt. Die Kühlung des eigenbelüfteten<br />

Motors übernimmt ein eing<strong>eb</strong>auter Innenlüfter,<br />

der auf der Läuferwelle sitzt.<br />

Der Antri<strong>eb</strong> ist als achsreitender Querantri<strong>eb</strong> realisiert.<br />

Durch Feder- und Lenkbewegungen des Fahrgestells<br />

entsteht ein Versatz zwischen Motor- und<br />

Ritzelwelle. Diesen Versatz gleicht die Drehmomentanbindung<br />

des Getri<strong>eb</strong>es an den Motor über eine<br />

Bogenzahnkupplung aus. Das Getri<strong>eb</strong>e ist ein zweistufiges<br />

Stirnradgetri<strong>eb</strong>e. Das Großrad sitzt auf der<br />

Radsatzwelle. Der Getri<strong>eb</strong>ekasten stützt sich einerseits<br />

über zwei Lager auf der Radsatzwelle ab, auf der anderen<br />

Seite, der Ritzelseite, stützt sich das Getri<strong>eb</strong>e über<br />

eine Drehmomentstütze am Drehgestellrahmen ab.<br />

3.3.5 Bordnetzversorgung<br />

Ein aus dem DC-Zwischenkreis versorgter<br />

Bordnetz umrichter in IGBT-Technologie je Endwagen<br />

liefert 3 AC 400 V 50 Hz an eine Zugsam-<br />

melschiene des Bordnetzes, welche ihrerseits die<br />

Hilfsbetri<strong>eb</strong>e wie Kühler, Lüfter, Kompressoren und<br />

Pumpen sowie die Klimakompaktgeräte speist. Bei<br />

Ausfall eines Bordnetzumrichters greift durch die<br />

Fahrzeugsteuerung ein Energiemanagement, welches<br />

vorrangig die Traktionshilfsbetri<strong>eb</strong>e versorgt.<br />

Einbußen in der Traktionsperformance werden<br />

hierdurch minimiert.<br />

Jeder Bordnetzumrichter enthält auch ein Batterieladegerät<br />

mit einer Ausgangsleistung von bis zu<br />

11 kW, das wartungsfreie Blei-Gel-Batterien in den<br />

Endwagen einerseits und das zugweite DC-Netz<br />

110 V andererseits speist. Hierüber werden sämtliche<br />

elektronischen Steuerungseinrichtungen sowie die<br />

konventionelle Fahrzeugsteuerung versorgt.<br />

3.4 Bereich Leittechnik und Kommunikation<br />

3.4.1 Fahrzeugleittechnik<br />

Die Steuerungs- und Leit<strong>eb</strong>ene des Desiro ML besteht<br />

aus Komponenten der bewährten Sibas32-<br />

Technologie; sie übernimmt alle Steuer-, Überwachungs-<br />

und Diagnosefunktionen im Tri<strong>eb</strong>zug und<br />

bei Mehrfachtraktion im Zugverband.<br />

Der Datenaustausch zwischen den einzelnen<br />

Steuereinheiten eines Tri<strong>eb</strong>zuges obliegt dem Fahrzeugbus<br />

MVB (Multifunction Vehicle Bus) und zwischen<br />

den einzelnen MVB-Segmenten im Zugverband<br />

dem Zugbus WTB (Wire Train Bus).<br />

3.4.2 Kommunikation und Überwachung<br />

Das Fahrgastinformationssystem des AM08 besteht<br />

aus visuellen und akustischen Subsystemen. So sind<br />

n<strong>eb</strong>en Front-, Seiten- und Innenanzeigen für Zuglauf<br />

und Haltestellen akustische Meldungen per manueller<br />

oder automatischer Durchsage verfügbar. Die<br />

Anzeigen im Innenraum und an der Fahrzeugseite<br />

sowie die Ansagetexte können an die jeweiligen<br />

Anforderungen der SNCB angepasst werden. Ebenso<br />

sind automatische Haltestellenanzeigen und Durchsagen<br />

sowie Informationen über eine GPS-gesteuerte<br />

Ankündigungsautomatik möglich.<br />

Der AM08 ist darüber hinaus mit einem Telematiksystem<br />

ausgestattet, über das Fahrzeugdaten und Informationen<br />

online in eine stationäre Betri<strong>eb</strong>szentrale<br />

übertragen und dort ausgewertet werden können.<br />

4 Betri<strong>eb</strong>saufnahme bei der SNCB<br />

Bild 6:<br />

Sommer 2012 – die AM08-Flotte wächst.<br />

Montagestart für die ersten acht Vorserienzüge war<br />

im Oktober 2009 im Siemens-Werk Krefeld. Diese<br />

je vier Einsystem- und Mehrsystemeinheiten waren<br />

418 110 (2012) Heft 8-9


dann nach abgeschlossener Fertigung und Inbetri<strong>eb</strong>setzung<br />

für Mess- und Zulassungsfahrten unterwegs.<br />

Die Versuchsfahrten fanden im Prüfcenter Wegberg-<br />

Wildenrath, in Bahnprüfzentrum Velim und auf dem<br />

belgischen Netz statt. Alle Erfahrungen hieraus, die<br />

Änderungen an den Fahrzeugen notwendig machten,<br />

wurden umgehend in die Konstruktion der<br />

Serienfahrzeuge eingearbeitet.<br />

Ab Mitte 2011 begann die Montage der weiteren<br />

Mehrsystemzüge im Werk Krefeld und der<br />

verbleibenden Einsystemfahrzeuge bei Bombardier<br />

Transportation im Werk Brügge, das für die Montage<br />

und Inbetri<strong>eb</strong>setzung von 200 Einsystemzügen als<br />

Lieferant an diesem Auftrag beteiligt ist. Im Dezember<br />

2011 wurden die ersten acht Einheiten ausgeliefert<br />

und an die SNCB überg<strong>eb</strong>en (Bild 5). Für beide<br />

Varianten lag zu diesem Zeitpunkt bereits eine Zulassung<br />

mit N<strong>eb</strong>enbestimmungen vor. Die SNCB setzte<br />

die Fahrzeuge vorerst für Schulungen des Fahr- und<br />

Instandhaltungspersonals ein.<br />

Anfang April 2012 erteilte die belgische Zulassungsbehörde<br />

SSICF die uneingeschränkte Zulassung<br />

für beide Fahrzeugvarianten des AM08.<br />

Im Juni 2012 erhielt die SNCB weitere Fahrzeuge.<br />

Gemäß dem vereinbarten Lieferterminplan werden<br />

nach Abschluss des Fertigungshochlaufes je Monat<br />

bis zu zehn Einheiten geliefert, getestet und überg<strong>eb</strong>en<br />

(Bild 6).<br />

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der Elektrotechnik an der Universität<br />

Erlangen; ab 1994 bei Siemens AG tätig im<br />

Vertri<strong>eb</strong> für Hochgeschwindigkeitszüge, ab<br />

1997 Ang<strong>eb</strong>otsverantwortlicher in der Akquisition<br />

für Intercity- und Hochgeschwindigkeitszüge,<br />

ab 2003 Gesamtprojektleiter<br />

ICT2, seit 2006 Leiter Plattform Desiro ML.<br />

Adresse: Siemens AG, IC RL HC CR ML,<br />

Werner-von-Siemens Str. 69,<br />

91051 Erlangen, Deutschland;<br />

Fon: +49 9131 7-42868,<br />

Fax: +49 9131 828-42868;<br />

E-Mail: michael.kopp@siemens.com<br />

Dipl.-Ing. Dirk Schwanke (41), Studium<br />

der Elektrotechnik an der Universität Magd<strong>eb</strong>urg;<br />

ab 1997 bei Siemens in verschiedenen<br />

Positionen tätig, ab 2003 in der<br />

Projektabwicklung von Regionaltri<strong>eb</strong>zügen,<br />

seit 2011 als Projektleiter Desiro ML AM08.<br />

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Fon: +49 9131 7-20370,<br />

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Fahrzeuge<br />

<strong>Vectron</strong> DE – die kraftstoffsparende<br />

dieselelektrische Lokomotive<br />

Ulrich Fösel, Erlangen; Jürgen Schurr, Erlangen; Jörg Baltes, München<br />

Vect ron DE ist der Nachfolger des erfolgreichen Eurorunner. Das Konzept dieser Lokomotive basiert<br />

auf einer konsequenten Weiterentwicklung, wobei möglichst viele Synergien mit den elektrischen<br />

Varianten des <strong>Vectron</strong> genutzt wurden. Zusätzlich wurden gezielt Verbesserungen eing<strong>eb</strong>racht.<br />

Besonderer Wert wurde im Hinblick auf weiter steigende Kraftstoffpreise auf einen niedrigen Kraftstoffverbrauch<br />

gelegt.<br />

VECTRON DE – THE FUEL-SAVING DIESEL LOCOMOTIVE FROM SIEMENS<br />

<strong>Vectron</strong> DE is the successor to the successful Eurorunner series. Taking advantage of every possible<br />

synergy with the electric <strong>Vectron</strong> variants, the locomotive concept is based on a consistent further<br />

development. Targeted improvements have also been made, with particular value being placed on<br />

low fuel consumption in times of further rising fuel prices<br />

VECTRON DE – LA LOCOMOTIVE DIESEL SIEMENS À FAIBLE CONSOMMATION EN CARBURANT<br />

<strong>Vectron</strong> DE est le successeur de l’excellent Eurorunner. Le concept de cette locomotive s’inscrit dans<br />

un développement conséquent utilisant autant que possible les nombreuses synergies offertes par<br />

les variantes électriques du <strong>Vectron</strong>. Des améliorations ciblées ont été réalisées. Une attention particulière<br />

a été apportée à la réduction de la consommation de carburant, élément essentiel en ces<br />

temps d’augmentation constante des prix du carburant.<br />

TABELLE 1<br />

Kenndaten des <strong>Vectron</strong> DE im Vergleich zum Eurorunner ER20.<br />

Eurorunner ER20<br />

Radsatzanordnung Bo‘Bo‘<br />

Spurweite mm 1 435<br />

<strong>Vectron</strong> DE<br />

Gesamtmasse t 80 1 82 bis 88 1<br />

Länge über Puffer mm 19 275 19 975<br />

Drehgestellmittenabstand mm 10 362 10 800<br />

Drehgestellradsatzabstand mm 2 700<br />

Treibraddurchmesser neu/abgenutzt mm 1 100 / 1 020<br />

Umg<strong>eb</strong>ungstemperatur °C – 25 bis +40 – 30 bis +40<br />

Höchstgeschwindigkeit km/h 140 160<br />

Dieselmotorleistung (UIC) kW 2 000 2 200 / 2 400<br />

maximale Anfahrzugkraft kN 250 275<br />

Bremsleistung der Widerstandsbremse<br />

am Rad kW 1 000 1 700<br />

maximale Bremskraft kN 100 150<br />

Nennleistung der Zugenergieversorgung<br />

Antri<strong>eb</strong>sart<br />

Kraftstoffbehälter,<br />

nutzbares Volumen<br />

kVA 400 480<br />

l<br />

Ritzelhohlwellenantri<strong>eb</strong> (RHA)<br />

2 500 Rz-Variante,<br />

4 000 Gz-Variante<br />

Getri<strong>eb</strong>eübersetzung 5,1<br />

1<br />

mit 2 / 3<br />

Vorräten<br />

4 000 Standard,<br />

5 000 optional<br />

1 Einführung<br />

Mit dem Eurorunner ER20, diese Lokomotive<br />

gründet sich auf die Rh2016 für die Österreichischen<br />

Bundesbahnen (ÖBB), hat Siemens<br />

den Markt für vierachsige Diesel-Streckenlokomotiven<br />

in Europa über die letzten Jahre<br />

dominiert. Mit 176 in Europa und fünf in<br />

Asien verkauften Fahrzeugen stellt der ER20<br />

seine Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit<br />

bei 22 Kunden in sechs Ländern tagtäglich<br />

unter Beweis. Zusätzlich ist eine auf dem Eurorunner<br />

basierende Traktionsausrüstung auf<br />

den 200 <strong>Lokomotiven</strong> BB47500 der SNCF,<br />

16 Asiarunner-<strong>Lokomotiven</strong> AR15 für Vietnam<br />

Railways sowie den 44 <strong>Lokomotiven</strong><br />

ER20CF der litauischen Lietuvos Gelezinkeliai<br />

eingesetzt.<br />

Im Rahmen der Weiterentwicklung der<br />

europä ischen Normen war es notwendig,<br />

zahlreiche Details zu überarbeiten. Der Nachfolger<br />

des ER20 sollte mindestens die gleiche<br />

Traktionsfähigkeit aufweisen, aber zusätzlich<br />

ein maximales Maß an sinnhaften Synergien<br />

zu den elektrischen <strong>Vectron</strong>-<strong>Lokomotiven</strong>.<br />

Selbstverständlich war anzustr<strong>eb</strong>en, das<br />

Fahrzeugkonzept so auszurichten, dass daraus<br />

abgeleitete Varianten schnell und kostengünstig<br />

an sich verändernde Marktbedingun-<br />

420 110 (2012) Heft 8-9


Fahrzeuge<br />

gen angepasst werden können. Das heißt der <strong>Vectron</strong><br />

DE war so auszulegen, dass er seine Traktionsaufgaben<br />

auch dann langfristig erfüllen kann, wenn sich<br />

Warenströme und Transportaufgaben, aber auch gesetzliche<br />

oder normative Vorgaben, wie zum Beispiel<br />

eine weitere Abgas-Emissionsstufe nach Stage IIIB,<br />

verändern. Der Fokus lag dabei auf Verkehrsaufgaben<br />

im Bereich des Güterverkehrs. Dennoch ist das Konzept<br />

so ausgelegt, dass auch die Anforderungen des<br />

Reisezugverkehrs voll abgedeckt werden.<br />

Das neue Fahrzeugkonzept basiert somit auf einer<br />

konsequenten Weiterentwicklung der bewährten<br />

Eurorunner-<strong>Lokomotiven</strong>. Dabei flossen die Erkenntnisse<br />

aus dem Einsatz von über 1 600 Eurorunnerund<br />

Eurosprinter-<strong>Lokomotiven</strong> mit nachgewiesener<br />

hoher Zuverlässigkeit mit ein.<br />

Die wichtigsten Kenndaten im Vergleich zum<br />

ER20 zeigt Tabelle 1.<br />

2 Konzeptfindung<br />

2.1 Grundsätzliches zum Motorkonzept<br />

Im Rahmen der Konzeptfindung wurden umfangreiche<br />

Fahrspielrechnungen mit realistischen Fahrverläufen<br />

unter Einhaltung von Planfahrzeiten, Unterwegsaufenthalten<br />

und entsprechenden Rollphasen<br />

durchgeführt. Gerechnet wurden Einsatzprofile sowohl<br />

mit Reisezügen als auch mit Güterzügen.<br />

Parallel begleiteten diesen Entwicklungsprozess<br />

Kostenanalysen alternativer Antri<strong>eb</strong>skonzepte mit<br />

bis zu vier Dieselmotoren. <strong>Lokomotiven</strong> mit mehreren<br />

Motoranlagen sind seit langem bekannt, in<br />

Deutschland beispielsweise die von Krauss-Maffei<br />

entwickelte V200 der Deutschen Bundesbahn mit<br />

Doppelmotoranlage. In den USA wurde im Jahre<br />

2006 erstmals mit der 3GS21C eine so genannte<br />

Gen-Set-Lokomotive mit drei Motoren kleinerer Leistung<br />

ausgeliefert.<br />

Mehrere Diesel-Generator-Anlagen auf <strong>Lokomotiven</strong><br />

europäischen Zuschnitts unterzubringen, stellt<br />

bezüglich des Einbauplatzes eine große Herausforderung<br />

dar. Daher wurde in den Berechnungen<br />

unterstellt, dass bei einer Mehrmotoren-Lokomotive<br />

zwingend permanent-erregte Synchrongeneratoren<br />

erforderlich sind, da diese im Vergleich minimale<br />

Baulängen aufweisen.<br />

In den vergleichenden Rechnungen wurde für<br />

das Mehrmotorenkonzept zunächst eine „optimale“<br />

Betri<strong>eb</strong>sführung angenommen, bei der in jedem Arbeitspunkt<br />

der Lokomotive die Anzahl an Motoren in<br />

Betri<strong>eb</strong> ist, die zu einem minimalen Verbrauch führt.<br />

Aufgrund regelungstechnischer Zwänge wird dieses<br />

Regime nicht realisierbar sein. So wurde im Rahmen<br />

einer Vortragsveranstaltung ein Betri<strong>eb</strong>sregime einer<br />

Mehrmotorenlokomotive vorgestellt, bei dem ab<br />

110 (2012) Heft 8-9<br />

einer benötigten Leistung von 800 kW alle Motoren<br />

im Einsatz sein werden. Auch diese Betri<strong>eb</strong>sführung<br />

wurde betrachtet.<br />

Generell wurde beim Mehrmotorenkonzept angenommen,<br />

dass Dieselmotoren, die gerade nicht<br />

benötigt werden, abgestellt werden. Falls dies nicht<br />

der Fall sein sollte, wird der Verbrauch beim Mehrmotorenkonzept<br />

ansteigen und die Motorbetri<strong>eb</strong>sstunden<br />

werden sich deutlich erhöhen.<br />

Im Zugkraft-/Geschwindigkeitsdiagramm in Bild 1<br />

sind die Widerstandskennlinien typischer Güter- und<br />

Reisezüge eingezeichnet sowie der Zuschaltpunkt<br />

des vierten Motors bei 800 kW.<br />

Daraus ist Folgendes klar ersichtlich:<br />

• Im Güterzugeinsatz werden bei Streckenfahrt ab<br />

zirka 70 km/h in der Ebene auf gerader Strecke<br />

ohne Windeinflüsse schon für Beharrung alle vier<br />

Dieselmotoren benötigt. Während der gesamten<br />

Beschleunigungsphasen und auf Steigungsstrecken<br />

müssen damit grundsätzlich alle Motoren im<br />

Eingriff sein. Das Abschalten einzelner Anlagen ist<br />

somit nur während Roll- und Bremsphasen sowie<br />

im Gefälle möglich.<br />

• Auch im Reisezugdienst werden, zumindest auf<br />

Hauptstrecken, bereits bei Beharrungsfahrt in der<br />

Ebene auf gerader Strecke ohne Windeinflüsse alle<br />

vier Dieselmotoren benötigt, beim Beschleunigen<br />

und in Steigungsstrecken ohnehin. Auch hier ist das<br />

Abschalten einzelner Anlagen folglich nur während<br />

Roll- und Bremsphasen sowie im Gefälle möglich.<br />

Bild 1<br />

Vergleichende Betrachtungen zum Mehrmotorenkonzept von <strong>Lokomotiven</strong> anhand der<br />

Zugkraft-/Geschwindigkeitsdiagramme und der Widerstandskennlinien bei unterschiedlichem<br />

Einsatz.<br />

1 Güterzug mit 800 t Anhängelast in der Ebene<br />

2 Reisezug mit 240 t Anhängelast in der Ebene<br />

3 wie 2 bei 2 ‰ Steigung<br />

4 Zugkraft am Zuschaltpunkt des 4. Dieselmotors beim Güterzug<br />

5 wie 4, jedoch beim Reisezug zu 2 und 3 mit 160 kVA Zugenergieversorgung<br />

6 F-/v-Diagramm für Güterzuglokomotive<br />

7 wie 6 für Reisezuglokomotive mit Zugenergieversorgung 160 kVA<br />

421


Fahrzeuge<br />

Somit müssen beim Mehrmotorenkonzept über einen<br />

erh<strong>eb</strong>lichen Anteil der Fahrzeugbetri<strong>eb</strong>szeit alle<br />

Dieselmotoren eingesetzt werden.<br />

2.2 Vergleich der Kraftstoffverbräuche<br />

anhand der Dieselmotor-Kennfelder<br />

In Bild 2 ist die Kraftstoffeinsparung des Einmotorkonzeptes<br />

gegenüber dem Mehrmotorenkonzept<br />

in l/h für die beiden hier betrachteten Varianten<br />

der Betri<strong>eb</strong>sführung beim Mehrmotorenkonzept<br />

dargestellt. Eingezeichnet ist die theoretische „optimale“<br />

Betri<strong>eb</strong>sführung und die bereits angesprochene<br />

mit Zuschaltung des letzten Motors<br />

ab 800 kW. In beiden Fällen bli<strong>eb</strong>en eventuell<br />

erforderliche Mindesteinschaltzeiten oder andere<br />

technische Einschränkungen unberücksichtigt.<br />

Weiterhin wurde unterstellt, dass jeder Motor sofort<br />

nach dem Zuschalten die benötigte Leistung<br />

abg<strong>eb</strong>en kann.<br />

Auf der y-Achse wurde bewusst nicht der spezifische<br />

Kraftstoffverbrauch in g/kWh angeg<strong>eb</strong>en,<br />

sondern der absolute Verbrauch je Fahrzeug-Betri<strong>eb</strong>sstunde.<br />

Darstellungen des spezifischen Kraftstoffverbrauchs<br />

sind nicht geeignet, da bei sehr kleiner<br />

Motorleistung ein unterschiedlicher spezifischer<br />

Kraftstoffverbrauch einen lediglich untergeordneten<br />

Einfluss auf den tatsächlichen Kraftstoffverbrauch hat.<br />

Es wird deutlich, dass das Mehrmotorenkonzept<br />

nur unterhalb einer Zwischenkreisleistung von zirka<br />

310 kW Verbrauchsvorteile aufweist, die sich im Mittel<br />

zu etwa 8 l/h erg<strong>eb</strong>en.<br />

Bild 2<br />

Kraftstoffeinsparung Δ des Einmotorkonzeptes gegenüber dem Mehrmotorenkonzept in<br />

Abhängigkeit von der Gesamtmotorleistung der Lokomotive.<br />

1 realistisches Betri<strong>eb</strong>sregime beim Mehrmotorenkonzept<br />

2 theoretisches „optimales“ Betri<strong>eb</strong>sregime beim Mehrmotorenkonzept<br />

hellgrün hinterlegt Verbrauchsvorteil des Einmotorkonzeptes<br />

hellrot hinterlegt Verbrauchsvorteil des Mehrmotorenkonzeptes<br />

Über einen sehr weiten Leistungsbereich jedoch<br />

erweist sich das Einmotorkonzept als deutlich<br />

verbrauchsgünstiger. Im Bereich zwischen zirka<br />

800 kW Zwischenkreisleistung und maximaler<br />

Leistung werden im Mittel etwa 25 bis 30 l/h, bei<br />

Volllast sogar mehr als 40 l/h eingespart. Dies ist<br />

insbesondere in dem Leistungsbereich augenfällig,<br />

der beim Mehrmotorenkonzept den Betri<strong>eb</strong> aller<br />

Motoren erfordert.<br />

Die im Diagramm angeg<strong>eb</strong>enen Zeitanteile erg<strong>eb</strong>en<br />

sich als typische Werte aus vielen unterschiedlichen<br />

Einsatz-Szenarien, einschließlich der<br />

Stillstandszeiten sowie sonstigen Leerlauf- und<br />

Schwachlastphasen, wobei der Schwachlastanteil<br />

mit 55 % bewusst hoch angesetzt wurde. Noch<br />

höhere Schwachlastanteile sind eher im Bereich der<br />

Rangierlokomotiven anzutreffen.<br />

Ein Rechenbeispiel mag den Zusammenhang verdeutlichen:<br />

Bei Untersuchungen über 4 000 Fahrzeug-<br />

Betri<strong>eb</strong>sstunden, dies entspricht ungefähr einem<br />

Betri<strong>eb</strong>sjahr, erzielt das Mehrmotorenkonzept<br />

zunächst im angesprochenen Schwachlastbereich<br />

über 2 200 h entsprechend 55 % der Gesamtzeit<br />

einen Verbrauchsvorteil von etwa 8 l/h x<br />

2 200 h = 17 600 l. Demgegenüber steht jedoch<br />

im mittleren bis höheren Leistungsbereich ein Verbrauchsvorteil<br />

des Einmotorkonzepts von etwa<br />

28 l/h x 1 400 h = 39 200 l. Wenn man jetzt noch<br />

berücksichtigt, dass das Fahrzeug für die restlichen<br />

400 Betri<strong>eb</strong>sstunden entsprechend 10 % im<br />

unteren Teillastbereich betri<strong>eb</strong>en wird, wo das Einmotorkonzept<br />

<strong>eb</strong>enfalls leichte Verbrauchsvorteile<br />

aufweist, ergibt sich insgesamt eine Kraftstoffeinsparung<br />

für das Einmotorkonzept von jährlich über<br />

22 000 l. Mit einem Kraftstoffpreis von 1,35 EUR pro<br />

Liter erhält man eine jährliche Einsparung in der<br />

Größenordnung von 30 000 EUR. Unter der durchaus<br />

realistischen Annahme, dass die Kraftstoffpreise<br />

weiter steigen, ist dies ein Betrag, der sich sicher<br />

noch weiter erhöhen wird.<br />

Falls, wie oben erwähnt, nicht benötigte Motoren<br />

im Leerlauf weiterbetri<strong>eb</strong>en werden, steigt<br />

der jährliche Betri<strong>eb</strong>skostenvorteil des Einmotorkonzeptes<br />

auf über 40 000 EUR.<br />

Mit einem geringeren Schwachlast- und Leerlaufanteil,<br />

als in obigen Rechnungen angenommen,<br />

vergrößert sich der Verbrauchsvorteil des Einmotorkonzepts<br />

noch weiter.<br />

Nach diesen grundsätzlichen Betrachtungen<br />

werden im Folgenden konkrete Einsatz-Szenarien<br />

betrachtet. Um mit den Vergleichsrechnungen<br />

möglichst vollständige Einsatz-Szenarien abzudecken,<br />

wurden zusätzlich zu den eigentlichen Zugfahrten<br />

auch Einsatzphasen wie Lokomotivleer- und<br />

Rangierfahrten, Stillstandszeiten mit laufendem<br />

Dieselmotor und Vorheizzeiten im Regio-Einsatz<br />

betrachtet.<br />

422 110 (2012) Heft 8-9


Fahrzeuge<br />

2.3 Berechnung der Kraftstoffverbräuche<br />

2.3.1 Güterzugeinsatz<br />

Für die Güterzug-Szenarien wurde ein Verkehr mit<br />

gemischten Güterzügen und mit unterschiedlichen<br />

Anhängelasten von 760 t und 1 280 t auf einer<br />

nichtelektrifizierten N<strong>eb</strong>enfernstrecke inclusive der<br />

Wartezeiten bis zur Abfahrt sowie der Kreuzungsund<br />

Überholungsaufenthalte betrachtet.<br />

Als der Berechnung zu Grunde zu legende Fahrstrecken<br />

wurden jährlich 100 000 km, 120 000 km<br />

und 140 000 km angenommen; die Erg<strong>eb</strong>nisse zu<br />

diesen unterschiedlichen Jahreslaufleistungen wurden<br />

nicht einfach über eine einheitliche Hochrechnung<br />

identischer Szenarien ermittelt. Vielmehr<br />

wurde dem Umstand Rechnung getragen, dass der<br />

prozentuale Anteil der Schwachlastzeiten üblicherweise<br />

bei geringer jährlicher Laufleistung höher ist<br />

als bei großer. Dadurch nimmt der Kraftstoffverbrauch<br />

in l/km mit steigender Laufleistung ab.<br />

Die in Bild 3 dargestellten Erg<strong>eb</strong>nisse zeigen einen<br />

Vorteil des Einmotorkonzeptes von 5,3 bis 5,5 %.<br />

Die in Bild 4 dargestellten Erg<strong>eb</strong>nisse zeigen einen<br />

Vorteil des Einmotorkonzeptes von 2,6 bis 3,0 %.<br />

2.3.3 Zusammenfassung der Erg<strong>eb</strong>nisse<br />

Für alle Einsatzphasen der betrachteten Szenarien<br />

wurde detailliert der Kraftstoffverbrauch berechnet.<br />

Anschließend wurde über eine möglichst realistische<br />

Hochrechnung der verschiedenen Einsatzphasen auf<br />

ein Betri<strong>eb</strong>sjahr der Gesamtverbrauch und daraus<br />

schließlich der Verbrauch in l/km berechnet. Der<br />

Schmierölverbrauch wurde <strong>eb</strong>enfalls berücksichtigt.<br />

Genaue Berechungen für beide Betri<strong>eb</strong>sregime<br />

der Mehrmotorenlokomotive ergaben eine mögliche<br />

Bandbreite für den Kraftstoffverbrauch. Der<br />

2.3.2 Regio-Einsatz<br />

Für die Regio-Szenarien wurde ein Musterzug mit vier<br />

Doppelstockwagen betrachtet; die durchschnittliche<br />

Leistung der Zugenergieversorgung betrug 160 kVA.<br />

Die Jahreslaufleistungen wurden zu 160 000 km,<br />

200 000 km und 240 000 km angenommen. Zum<br />

Vergleich: Die ER20-<strong>Lokomotiven</strong>, die im Alex-Verkehr<br />

von Netinera sowie auf der Marschbahn bei der<br />

NOB eingesetzt sind, erreichen durchschnittliche<br />

Jahreslaufleistungen im Bereich von 220 000 km bis<br />

240 000 km. Auch hier wurde berücksichtigt, dass<br />

der prozentuale Anteil der Schwachlastzeiten üblicherweise<br />

bei geringer Laufleistung höher ist als bei<br />

großer.<br />

Beim Regio-Einsatz ist noch zu erwähnen, dass<br />

die Sollfahrzeiten für die Fahrspielrechnung aus<br />

realen Fahrplänen einer nicht-elektrifizierten N<strong>eb</strong>enfernstrecke<br />

übernommen wurden, die für die<br />

Baureihe 218 gelten. Bei den hier betrachteten <strong>Lokomotiven</strong><br />

erg<strong>eb</strong>en sich daraus infolge der deutlich<br />

höheren Traktionsleistung zum Teil erh<strong>eb</strong>liche<br />

Rollphasen und damit erhöhte Schwachlastanteile<br />

der Dieselmotoren, die tendenziell einer Mehrmotorenlösung<br />

zugute kämen. Bei einer Anpassung<br />

der Fahrzeiten oder der Platzkapazitäten<br />

und damit einer höheren möglichen Anhängelast<br />

aufgrund der zur Verfügung stehenden höheren<br />

Leistung der neuen Tri<strong>eb</strong>fahrzeuge wird sich<br />

folglich der Vorsprung der Einmotorlösung noch<br />

vergrößern.<br />

110 (2012) Heft 8-9<br />

Bild 3:<br />

Prozentuale Kraftstoffkosten je km Fahrstrecke im Güterzugeinsatz, bezogen auf diejenigen<br />

(100 %) des Einmotorkonzeptes (grün) bei 120 000 km/a.<br />

Bild 4:<br />

Prozentuale Kraftstoffkosten je km Fahrstrecke im Regio-Einsatz, bezogen auf diejenigen (100 %)<br />

des Einmotorkonzeptes (grün) bei 200 000 km/a.<br />

423


Fahrzeuge<br />

Kraftstoffverbrauch beim „optimalen“, jedoch nicht<br />

realisierbaren Betri<strong>eb</strong>sregime ist im Güterzugeinsatz<br />

um 0,1 % und im Regio-Einsatz um 0,3 % besser als<br />

bei der Betri<strong>eb</strong>sführung mit allen Motoren in Betri<strong>eb</strong><br />

ab 800 kW.<br />

Es zeigt sich, dass die Kosteneinsparung des<br />

Einmotorkonzeptes beim Kraftstoffverbrauch gegenüber<br />

einem Mehrmotorenkonzept mit etwa 3 bis<br />

über 5 % erh<strong>eb</strong>lich ist und je nach Einsatzfall mit<br />

steigender jährlicher Laufleistung langsam zunimmt.<br />

Die mögliche Verbesserung beim Mehrmotorenkonzept<br />

durch Optimierung des Betri<strong>eb</strong>sregimes liegt<br />

um etwa eine Zehnerpotenz unter dem tatsächlichen<br />

Unterschied bei den Kraftstoffkosten.<br />

Bild 5:<br />

Widerstandskennlinien eines Doppelstock-Reisezuges mit 240 t (1) sowie eines Güterzuges<br />

mit 800 t (2) und mit 1 200 t (3) Anhängelast in der Ebene zusammen mit dem Zugkraft-/<br />

Geschwindigkeitsdiagramm der Güterzugvariante (4) und der Reisezugvariante des <strong>Vectron</strong><br />

DE bei 160 kVA Zugenergieversorgung (5) sowie des ER20 (6) zum Vergleich.<br />

Die Untersuchungen ergaben somit Vorteile für<br />

das Einmotorkonzept in allen betrachteten Einsatzprofilen,<br />

unabhängig vom Betri<strong>eb</strong>sregime der Mehrmotorenlokomotive.<br />

3 Leistungsauslegung<br />

In Mitteleuropa werden Diesellokomotiven im Regelfall<br />

auf nicht elektrifizierten Haupt- und N<strong>eb</strong>enstrecken<br />

eingesetzt. Dort erledigen sie den<br />

Zubringerverkehr für die elektrifizierten Hauptkorridore,<br />

wo leistungsstärkere elektrische <strong>Lokomotiven</strong><br />

unter anderem die schweren Güterzüge<br />

transportieren.<br />

Eine moderne Diesellokomotive muss kostengünstig<br />

und dennoch flexibel und umweltfreundlich<br />

sein. Trotz der Erfüllung der neuesten<br />

Abgasvorschriften konnte ausreichend Raum für<br />

zusätzliche Zugsicherungssysteme und Freiraum<br />

für zusätzliche Ausstattungspakete wie zum Beispiel<br />

im Falle einer weiteren Abgasstufe nach EUIIIB<br />

für einen Harnstofftank bereitgestellt werden.<br />

Selbstverständlich ist der <strong>Vectron</strong> DE mehrfachtraktionsfähig,<br />

auch in Kombination mit elektrischen<br />

Varianten.<br />

Bild 5 zeigt das Zugkraft-/Geschwindigkeitsdiagramm<br />

und die Fahrwiderstandskennlinien der<br />

zur Leistungsauslegung herangezogenen Züge im<br />

Güter- und Reisezugverkehr.<br />

Hierbei werden folgende Zugkraftüberschüsse<br />

erreicht:<br />

• 4,0 N/kN bei v max<br />

= 160 km/h am Reisezug 1<br />

• 2,5 N/kN bei v max<br />

= 100 km/h am Güterzug 2<br />

• 3,0 N/kN bei v max<br />

= 80 km/h am Güterzug 3<br />

Damit ist der <strong>Vectron</strong> so ausgelegt, dass er ausreichend<br />

Beschleunigungsreserven bietet, um die im<br />

Betri<strong>eb</strong> erforderlichen Höchstgeschwindigkeiten zu<br />

erreichen.<br />

Im Vergleich zum ER20 wurde die Leistung der<br />

elektrodynamischen Bremse von 1 000 auf 1 700 kW<br />

deutlich erhöht. Dies gilt auch für die Bremskraft der<br />

dynamischen Bremse mit 150 kN gegenüber dem<br />

Eurorunner mit 100 kN. Bild 6 zeigt diese deutliche<br />

Verbesserung anschaulich.<br />

4 Mechanischer Aufbau<br />

Bild 6:<br />

<strong>Elektrische</strong> Bremskraft über der Geschwindigkeit beim <strong>Vectron</strong> DE im Vergleich zum ER20.<br />

Der <strong>Vectron</strong> DE ist als Strecken-Diesellokomotive<br />

mit zwei Endführerräumen und der Radsatzanordnung<br />

Bo’Bo’ konzipiert. Die Führerräume sind<br />

identisch zu den elektrischen Lokomotivvarianten,<br />

eine Flucht- oder Wartungsgangtüre dient dem<br />

Übergang in den Maschinenraum.<br />

424 110 (2012) Heft 8-9


Fahrzeuge<br />

Der Maschinenraum ist funktionsbedingt mittels<br />

zweier Trennwände in drei separate Kammern unterteilt:<br />

• Die hinter Führerraum 1 befindliche E-Kammer<br />

enthält die wichtigsten elektrischen Funktionsbaugruppen,<br />

die pneumatische Bremsausrüstung,<br />

die Luftfilteranlage für den Dieselmotor sowie bei<br />

der Reisezugvariante die Zugenergieversorgung<br />

(ZEV).<br />

• In der Mitte der Lokomotive befindet sich die<br />

nach außen hin vollständig gekapselte und damit<br />

schallgedämmte Dieselmotorkammer mit Dieselantri<strong>eb</strong>sanlage,<br />

Abgasanlage und Vorwärm-/<br />

Warmhaltegerät für den Dieselmotor.<br />

• Im dritten Maschinenraumsegment befinden sich<br />

die Dieselmotorkühlanlage, der Bremswiderstand<br />

und der standardmäßig eing<strong>eb</strong>aute Zugsicherungsschrank.<br />

Alle Komponenten im Maschinenraum sind mittig<br />

angeordnet. Zwei durchlaufende Seitengänge gewährleisten<br />

eine gute Zugänglichkeit zu Instandhaltungszwecken.<br />

Bild 7 zeigt das Maschinenraum-<br />

Layout.<br />

Ein wesentliches Merkmal einer Maschinenanlage<br />

mit nur einem Dieselmotor ist ihr einfacher<br />

Aufbau, gekennzeichnet durch die Aufteilung in<br />

möglichst wenige, leicht tauschbare Einzelmodule.<br />

Durch die geringe Anzahl an Schnittstellen sind<br />

mögliche Fehlerquellen für beispielsweise Öl-, Kühlmittel-<br />

oder Kraftstoffleckagen auf ein Minimum<br />

reduziert.<br />

Direkt oberhalb des Dieselmotors ist der in einem<br />

kompakten, robusten selbsttragenden Stahlgehäuse<br />

integrierte Partikelfilter inclusive Schalldämpfer<br />

thermisch isoliert angeordnet. Im Inneren<br />

des Partikelfilters befinden sich einzeln tauschbare<br />

Filterelemente. Durch die gewählte Anordnung des<br />

Partikelfilters oberhalb des Motors können Anzahl<br />

und Länge thermisch hoch belasteter Abgasleitungen<br />

minimiert werden.<br />

Direkt unterhalb der Maschinenanlage befindet<br />

sich der Kraftstofftank, für den zwischen 4 000 l und<br />

5 000 l nutzbaren Volumens gewählt werden kann.<br />

Ein Vorwärm-/Warmhaltegerät mit einer installierten<br />

Heizleistung von 35 kW sorgt für den<br />

verschleißarmen Start des Dieselmotors. Die Energie<br />

für den Start selbst liefern Doppelschichtkondensatoren,<br />

so genannte Ultra-Caps. Dieses<br />

Anlasssystem zeichnet sich sowohl durch wesentlich<br />

besseres Tieftemperaturverhalten als auch<br />

durch den gegenüber konventionellen Starterbatterien<br />

geringeren Wartungsaufwand aus, da<br />

der Aufwand für die sonst übliche Starterbatterie<br />

Bild 7:<br />

Maschinenraum-Layout des <strong>Vectron</strong> DE.<br />

1 Druckluftausrüstung 7 Partikelfilter 13 Zugsicherungsschrank<br />

2 Hauptluftbehälter 8 Dieselmotor 14 Zentrallüfter und Stromrichterkühler<br />

3 E-Block 9 Kühlanlage 15 Vorwärm-/Warmhaltegerät<br />

4 ZS-Gerüst (optional) 10 Bremswiderstand 16 Hilfsbetri<strong>eb</strong>egerüst<br />

5 Generator 11 Batterien<br />

6 Verbrennungsluftfilter 12 Kraftstofftank<br />

110 (2012) Heft 8-9<br />

425


Fahrzeuge<br />

Bild 8:<br />

Belüftungskonzept des <strong>Vectron</strong> DE.<br />

komplett entfällt. Dieses System wurde erstmalig<br />

auf den ER20-<strong>Lokomotiven</strong> umgesetzt. Die Tatsache,<br />

dass viele Wettbewerber dieses Konzept<br />

inzwischen <strong>eb</strong>enfalls einsetzen, untermauert klar<br />

dessen Kundennutzen.<br />

Die Seitenkühlanlage in Turmbauform dient ausschließlich<br />

der Kühlung des Dieselmotors. Hauptmerkmale<br />

des Kühlers sind der hydrostatisch angetri<strong>eb</strong>ene,<br />

stufenlos geregelte Kühlerlüfter und<br />

die Hochleistungsradiatoren aus Aluminium. Für<br />

Instandhaltungsarbeiten kann der Innenraum der<br />

Kühlanlage über eine stirnseitig angeordnete Wartungstüre<br />

niveaugleich betreten werden.<br />

Im Gegensatz zu elektrischen <strong>Lokomotiven</strong> benötigt<br />

eine Diesellokomotive im Maschinenraum<br />

einen wesentlich höheren Luftdurchsatz. Daher ist<br />

der Fahrzeugkasten speziell an den besonderen Luftbedarf<br />

angepasst. Die Verbrennungsluft wird gezielt<br />

durch die seitlich ang<strong>eb</strong>rachte Öffnung in der<br />

E-Kammer angesaugt. Ein Ansaugen von Abgas,<br />

wie es bei der Anordnung der Lufteinlässe im Dachbereich<br />

unweigerlich erfolgen würde, wird somit<br />

vermieden.<br />

Für den hohen Luftbedarf von Dieselmotorkühler<br />

und Bremswiderstand stehen großflächige Ansaugöffnungen<br />

im Kühlerabteil zur Verfügung. In Bild 8<br />

ist das Belüftungskonzept grafisch dargestellt.<br />

5 Dieselantri<strong>eb</strong>sanlage<br />

5.1 Anforderungen an die Abgasemissionen<br />

durch den Gesetzg<strong>eb</strong>er<br />

Die Entwicklung der gesetzlichen Grenzwerte für<br />

Stickoxid- und Partikel-Emissionen, beginnend mit<br />

der bis 2008 gültigen Emissionsstufe UIC 2 bis zur ab<br />

2012 für <strong>Lokomotiven</strong> gültigen EU Stage IIIB, kann<br />

Bild 9 ent nommen werden. Um diese Anforderungen<br />

zu erfüllen war es erforderlich, die Konstruktion<br />

des Dieselmotors gründlich zu überarbeiten. Dabei<br />

ist eine Weiterentwicklung auf Basis des bewährten<br />

Konzeptes entstanden, die sich durch folgende<br />

Merkmale auszeichnet:<br />

• dritte Generation des Common-Rail-Einspritzsystems<br />

• zweistufige Aufladung mit Zwischenkühlung<br />

• gekühlte Abgasrückführung (AGR)<br />

• optimierte Motorregelung mit Abgasemissionsüberwachung<br />

und -regelung<br />

• Thermomanagement zur Regeneration des Dieselpartikelfilters<br />

Diese Maßnahmen mögen zunächst recht aufwändig<br />

erscheinen, sind aber erforderlich, um die folgenden<br />

Entwicklungsziele zu erreichen:<br />

• Erfüllung der Abgasstufe EU IIIB<br />

• Verringerung der Life Cycle Costs (LCC) durch<br />

niedrigeren Kraftstoffverbrauch als bei Vorgängermotoren<br />

• Betri<strong>eb</strong> ohne Harnstoff als zusätzlichem Betri<strong>eb</strong>sstoff<br />

• kompakter Partikelfilter innerhalb der Abmessungen<br />

eines herkömmlichen Schalldämpfers<br />

• Verzicht auf aktive Regeneration des Dieselpartikelfilters<br />

• bauraum- und gewichtsoptimiertes Design<br />

5.2 Dieselmotortechnik<br />

5.2.1 Evolution der bewährten 4000er Serie<br />

Bild 9:<br />

Schema zur Entwicklung der gesetzlichen Grenzwerte für Stickoxid- und Partikel-Emissionen.<br />

Kern des „Kraftwerks“ des <strong>Vectron</strong> DE ist ein MTU-<br />

Dieselmotor 16V 4000 R84 der neuesten Motor-<br />

426 110 (2012) Heft 8-9


Fahrzeuge<br />

generation mit 2 400 kW Leistung (Bild 10). Dieser<br />

Dieselmotor wurde aus den Vorgängerbaureihen<br />

4000 R43, Abgasstufe EU Stage IIIA, und der sehr<br />

verbreiteten und zuverlässigen Motorbaureihe<br />

4000 R41, Abgasstufe UIC 2, weiterentwickelt. Von<br />

Anfang an wurde dabei die Prämisse verfolgt, möglichst<br />

viel bewährte und qualifizierte Technik zu<br />

übernehmen, nicht zuletzt auch, um die Integration<br />

in vorhandene <strong>Lokomotiven</strong>konzepte weiterhin zu<br />

ermöglichen. Das technische Konzept zur Erfüllung<br />

der Abgasemissionsstufe Stage IIIB, eine Kombination<br />

aus innermotorischen Techniken und einer nachgeschalteten<br />

Abgasnachbehandlung als integriertes<br />

Gesamtsystem, wurde im engen Dialog mit den<br />

Herstellern von <strong>Lokomotiven</strong> festgelegt. Bei diesem<br />

Motor handelt es sich um den ersten Serienmotor in<br />

dieser Leistungsklasse, der bereits heute die neueste<br />

Abgasnorm EU Stage IIIB erfüllt.<br />

Filtersubstrate erfolgt passiv. Aktive Regenerationsbaugruppen,<br />

wie zum Beispiel Brenner oder HC-<br />

Doser, sind nicht vorhanden. Bei der Entwicklung<br />

5.2.2 Innermotorische Emissionstechniken<br />

Das innermotorische Konzept von MTU für die<br />

Abgasstufe EU IIIB sieht als wesentliche Technik<br />

zur Stickoxidreduzierung eine gekühlte, geregelte<br />

Abgasrückführung vor. Es ermöglicht prinzipiell die<br />

exakte und stufenlose Einstellung von Abgasrückführraten<br />

zwischen 0 % und zirka 50 %. Dies macht<br />

sich der Motorregler zunutze, indem er ständig die<br />

Abgasrückführung aufgrund des gemessenen NO x -<br />

Wertes im Abgas auf die erforderliche Rückführrate<br />

regelt. Diese beträgt zirka 25 %. Damit wird einerseits<br />

den Anforderungen des Gesetzg<strong>eb</strong>ers entsprochen,<br />

andererseits kann aber der Kraftstoffverbrauch<br />

in jedem Betri<strong>eb</strong>spunkt des Dieselmotors optimiert<br />

werden. Außerdem bietet dieses Konzept auch Potenzial<br />

für künftige Emissionsstufen. Ein zweistufig<br />

geregeltes Aufladesystem durch drei MTU-Turbolader,<br />

zwei Niederdruck- und einen Hochdruckturbolader,<br />

sorgt in jedem Betri<strong>eb</strong>spunkt und auch<br />

unter extremen Randbedingungen hinsichtlich Ansauglufttemperatur,<br />

Höhe und Gegendruck für eine<br />

gleichbleibend gute Frischluftversorgung des Motors.<br />

Das mehrfach-einspritzfähige Common-Rail-<br />

Einspritzsystem mit Raildrücken bis 2 200 bar sorgt<br />

für geringe Partikelrohemissionen, welche Basis für<br />

eine kompakte und betri<strong>eb</strong>ssichere Auslegung des<br />

Dieselpartikelfilters (DPF) sind. Bild 11 zeigt das<br />

eingesetzte innermotorische Technikportfolio im<br />

Überblick.<br />

Bild 10:<br />

MTU-Dieselmotor Reihe 4000.<br />

Bild 11:<br />

Innermotorisches Technikportfolio im Überblick.<br />

5.2.3 Abgasnachbehandlung<br />

Zur Einhaltung des strengen Partikelgrenzwerts<br />

von 0,025 g/kWh wird ein geschlossener DPF mit<br />

vorgeschaltetem Oxidationskatalysator (DOC) eingesetzt.<br />

Die Regeneration der mit Ruß beladenen<br />

Bild 12:<br />

Schnitt durch den Partikelfilter.<br />

DOC Oxidationskatalysator DPF Dieselpartikelfilter<br />

110 (2012) Heft 8-9<br />

427


Fahrzeuge<br />

Bild 13:<br />

Prinzipschaltbild mit<br />

optionaler Zugenergieversorgung.<br />

des Systems zur Abgasnachbehandlung (AGN)<br />

standen eine bauraum-optimierte Auslegung und<br />

geringe Druckverluste im Vordergrund. Das DPF-<br />

System kann innerhalb des bisherigen Bauraums<br />

des Abgasschalldämpfers unterg<strong>eb</strong>racht werden.<br />

Schalldämm- und Abscheidefunktion sind damit<br />

künftig in einem Bauteil integriert. Durch die deutliche<br />

Reduzierung des Ölverbrauchs sowie durch den<br />

Einsatz von aschearmen Motorölen, so genannten<br />

LOW-SAPS-Ölen, erg<strong>eb</strong>en sich lange Wartungsintervalle<br />

für das DPF-System, die auf die Hauptwartungsintervalle<br />

des Motors abgestimmt sind.<br />

Der modulare Aufbau ermöglicht es, die einzelnen<br />

DOC- und DPF-Substrate einzeln zu tauschen, und<br />

reduziert damit die Standzeiten der Lokomotive<br />

während der Wartung. Bild 12 zeigt einen Schnitt<br />

durch den Partikelfilter.<br />

5.2.4 Kraftstoffverbrauch<br />

Der Optimierung des Kraftstoffverbrauchs wurde<br />

von Anfang an höchste Bedeutung beigemessen.<br />

Dieselangetri<strong>eb</strong>ene <strong>Lokomotiven</strong> werden ihre dominante<br />

Stellung im nicht elektrifizierten Schienenverkehr<br />

in den nächsten Jahrzehnten nur dann behalten,<br />

wenn die klassischen Luftschadstoffe Stickoxide<br />

und Rußpartikel ohne Zunahme des Kraftstoffverbrauchs<br />

reduziert werden. Mithilfe der innermotorischen<br />

Emissionstechniken und eines mit Schwerpunkt<br />

Effizienz konzipierten DPF-Systems gelang es,<br />

den spezifischen Kraftstoffverbrauch gegenüber den<br />

Vorgängermotoren sogar leicht abzusenken, und<br />

dies bei einer NO x -Reduktion um 40 % und einer<br />

Partikelreduktion um etwa 90 %.<br />

5.3 Hauptabmessungen und Gewicht<br />

Aufgrund der sehr kompakten Anordnung der Abgasturbolader<br />

und der Zwischenkühler bli<strong>eb</strong>en die<br />

Hauptabmessungen einschließlich DPF im Vergleich<br />

zum Vorgängermotor nahezu unverändert. Gerade<br />

im Vergleich mit einem möglichen Alternativkonzept<br />

mit SCR-Anlage (Selective Catalytic Reduction)<br />

besteht darin ein großer Vorteil. Eine Gewichtszunahme<br />

im Vergleich zum Vorgängermotor war in<br />

Anbetracht der vielen zusätzlichen Systeme und<br />

Komponenten unvermeidbar. Dennoch war es ein<br />

Entwicklungsziel, die Gewichtszunahme auf ein Minimum<br />

zu begrenzen. Diesbezüglich hat sich die<br />

zweistufige Aufladung als sehr vorteilhaft erwiesen.<br />

Ein Konzept mit einstufiger Aufladung, wie in der<br />

Konzeptphase betrachtet, aber nicht ausgeführt,<br />

428 110 (2012) Heft 8-9


Fahrzeuge<br />

hat hinsichtlich Systemgewicht von Motor, DPF und<br />

Rückkühler Nachteile gezeigt. Die zweistufige Aufladung<br />

ermöglicht durch ihre hohe Gegendruckfähigkeit<br />

ein deutlich kompakteres DPF-Design. Zudem<br />

können Luftverhältnis und AGR-Rate abhängig von<br />

den Umg<strong>eb</strong>ungsrandbedingungen eingestellt werden,<br />

was den Rückkühlbedarf und damit die Kühlergröße<br />

reduziert. Das zusätzliche Gewicht des dritten<br />

Abgasturboladers und der beiden Zwischenkühler<br />

wird dadurch überkompensiert.<br />

6 <strong>Elektrische</strong> Ausrüstung<br />

6.1 Basis-Traktionsausrüstung<br />

6.1.1 Antri<strong>eb</strong>sstrang<br />

Auch bei der elektrischen Ausrüstung für Traktion<br />

und Hilfsbetri<strong>eb</strong>e wurde ein einfacher Aufbau mit<br />

wenigen Schnittstellen zwischen den Baugruppen<br />

realisiert. Das Konzept steht für eine hohe Zuverlässigkeit,<br />

die bei Diesellokomotiven einen besonders<br />

hohen Stellenwert hat, da gegenüber elektrischen<br />

<strong>Lokomotiven</strong> bei Teilausfall einer Anlage mit hoher<br />

Wahrscheinlichkeit die Gestellung einer Hilfslokomotive<br />

nötig wird. Der Energi<strong>eb</strong>edarf für die Hilfsbetri<strong>eb</strong>e<br />

wurde auf das notwendige Minimum reduziert.<br />

Der elektrische Antri<strong>eb</strong>sstrang (Bild 13) der Lokomotive<br />

besteht aus einem Drehstromsynchrongenerator<br />

(G), einem Stromrichter mit IGBT-Leistungshalbleitern<br />

und vier vom Stromrichter versorgten<br />

Drehstrom-Asynchronfahrmotoren (M).<br />

Der zentrale Stromrichterblock (E-Block) enthält<br />

die gesamte elektrische Ausrüstung zur Steuerung<br />

der Lokomotive. Dieses Konzept wurde zum ersten<br />

Mal bei den ER20 umgesetzt. Nach der Umstellung<br />

auf IGBT-Halbleiter wurden Weiterentwicklungen<br />

dieses Konzeptes auf den 44 <strong>Lokomotiven</strong><br />

Typ ER20CF für Litauen, 16 AR15-<strong>Lokomotiven</strong> für<br />

Vietnam sowie den 200 BR47500 für die SNCF<br />

eingesetzt. Weitere 150 abgewandelte Stromrichter<br />

sind für die ER24PC beauftragt oder bereits geliefert.<br />

Mit dem Stromrichterblock für den <strong>Vectron</strong> DE<br />

wurde der nächste Evolutionsschritt vollzogen. Im<br />

Wesentlichen wurde hierbei die Leittechnikstruktur<br />

der Diesellokomotiven mit derjenigen der Elektrolokomotiven<br />

vereinheitlicht.<br />

Je zwei Fahrmotoren werden durch einen Pulswechselrichter<br />

(PWR) aus dem Spannungszwischenkreis<br />

versorgt. Der Zwischenkreis wird über eine<br />

ungesteuerte Gleichrichterbrücke (GR) aus einem<br />

schleifringlosen Drehstromsynchrongenerator gespeist.<br />

Der Stromrichterblock enthält einen Hilfsbetri<strong>eb</strong>ewechselrichter<br />

(HBU), der aus dem Zwischenkreis<br />

ein Hilfsbetri<strong>eb</strong>enetz 3 AC 440 V 60 Hz zur<br />

Versorgung der internen Verbraucher speist. Bei<br />

der Regio-Lokomotive mit Energieversorgung (ZEV)<br />

der einpoligen Zugsammelschiene (ZS) umfasst der<br />

Stromrichter zusätzlich einen Zugsammelschienenumrichter<br />

(ZSU).<br />

Die Anordnung der PWR, HBU und ZSU an einem<br />

gemeinsamen Zwischenkreis ermöglicht beim elektrischen<br />

Bremsen, die Bremsenergie zur Versorgung<br />

der Hilfsbetri<strong>eb</strong>e und der Zugsammelschiene und<br />

damit für einen energieoptimalen Betri<strong>eb</strong> der Lokomotive<br />

zu nutzen.<br />

Mit Hilfe des Bremsstellers (BST) und des Bremswiderstandes<br />

kann elektrisch g<strong>eb</strong>remst werden. Im<br />

Gegensatz zum ER20 ist der Bremswiderstand jedoch<br />

in Turmbauform wie bei den elektrischen<br />

Varianten des <strong>Vectron</strong> aufg<strong>eb</strong>aut. Dadurch konnte<br />

die Leistung der dynamischen Bremse auf 1 700 kW<br />

gesteigert werden, eine deutliche Erhöhung im Vergleich<br />

zum ER20.<br />

6.1.2 Antri<strong>eb</strong> und Tri<strong>eb</strong>drehgestell<br />

Als Antri<strong>eb</strong> hat die DE-Lokomotive den in 1 000<br />

Exemplaren und seit zehn Jahren bewährten und<br />

oberbauschonenden Ritzelhohlwellenantri<strong>eb</strong>, wie er<br />

standardmäßig in allen Siemens-Diesellokomotiven<br />

3<br />

2<br />

1<br />

4 5 6 7 8<br />

9<br />

10<br />

11<br />

Bild 14:<br />

Schnitt durch Fahrmotor und Antri<strong>eb</strong> mit dem Radsatz.<br />

1 N-Endlager 7 Lamellenkupplung<br />

2 Läufer 8 Drehmomentstütze<br />

3 Ständer 9 Ritzel<br />

4 Lufteinlass 10 Getri<strong>eb</strong>egehäuse<br />

5 Befestigungen zum Drehgestell 11 Großrad<br />

6 D-Endlager<br />

110 (2012) Heft 8-9<br />

429


Fahrzeuge<br />

Bild 15:<br />

Drehgestell des <strong>Vectron</strong> DE.<br />

vom Typ Eurorunner eingesetzt wird. Er unterscheidet<br />

sich vom Antri<strong>eb</strong> der elektrischen Varianten des<br />

<strong>Vectron</strong> durch die auf den Dieselmotor angepasste<br />

Bemessungsleistung, was zugleich der nächstkleineren<br />

Leistungsklasse des Fahrmotors entspricht. Die<br />

daraus resultierende Gewichtseinsparung wurde für<br />

ein größeres Tankvolumen genutzt und verringert<br />

gleichzeitig die Oberbaubelastung.<br />

Der Ritzelhohlwellenantri<strong>eb</strong> zeichnet sich gegenüber<br />

dem bei vielen <strong>Lokomotiven</strong> erfolgreich eingesetzten<br />

Tatzlagerantri<strong>eb</strong> insbesondere durch seine<br />

wesentlic h reduzierte unabgefederte Masse aus, was<br />

zu einer Reduzierung des Verschleißes am Oberbau<br />

beiträgt. Nach Ansicht vieler europäischer Fachleute<br />

ist der Tatzlagerantri<strong>eb</strong> aufgrund der höheren unabgefederten<br />

Massen für Geschwindigkeiten über<br />

140 km/h ungeeignet. Somit ist ein Ritzelhohlwellenantri<strong>eb</strong><br />

für eine Lokomotive mit maximaler Geschwindigkeit<br />

von 160 km/h die ideale Wahl.<br />

Der Fahrmotor ist starr mit dem Drehgestellrahmen<br />

verbunden. Das Getri<strong>eb</strong>e sitzt auf der Radsatzwelle<br />

und stützt sich über eine Drehmomentstütze<br />

am Drehgestellrahmen ab. Die Drehmomentübertragung<br />

zwischen dem Fahrmotor und Getri<strong>eb</strong>e<br />

erfolgt über eine wartungsfreie Stahllamellenkupplung,<br />

welche gleichzeitig für den Ausgleich der Relativbewegungen<br />

sorgt und insoweit den Motor vom<br />

achsreitenden Getri<strong>eb</strong>e entkoppelt. Bild 14 zeigt im<br />

Schnittbild den Fahrmotor, die Kupplung und den<br />

Antri<strong>eb</strong> mit dem Radsatz.<br />

Im Gegensatz zu anderen Antri<strong>eb</strong>sarten ist das<br />

antri<strong>eb</strong>sseitige Lager durch Fett geschmiert und<br />

nicht durch das Öl des Getri<strong>eb</strong>es. Dadurch wird eine<br />

kritische Schnittstelle zum Beispiel von Tatzlagerantri<strong>eb</strong>en<br />

eliminiert.<br />

Das Drehgestell des <strong>Vectron</strong> DE (Bild 15) ist eine<br />

Weiterentwicklung des lange bewährten Drehgestells<br />

SF3 des ER20. Es wurde an die aktuelle Normenlage<br />

angepasst und seine maximale Geschwindigkeit von<br />

140 km/h auf 160 km/h erhöht. Damit ist n<strong>eb</strong>en dem<br />

Güterverkehr auch der Regionalverkehr in vollem Umfang<br />

abgedeckt. Zusätzlich wurde die maximal mögliche<br />

Radsatzlast auf 22 t angehoben. Diese Maßnahmen<br />

wurden bereits bei der Entwicklung der ER24PC berücksichtigt.<br />

6.2 Zusatzausrüstung für den<br />

Reisezugverkehr<br />

6.2.1 Anforderungen<br />

Lokomotivbespannte Reisezüge machen es möglich,<br />

das Investitionsvolumen durch getrennte Beschaffung<br />

von <strong>Lokomotiven</strong> und Wagen zu verteilen. Somit<br />

bietet sich eine hohe Flexibilität bei der Planung,<br />

der Beschaffung und bei der Anpassung an das Passagieraufkommen.<br />

Der <strong>Vectron</strong> DE ist universell einsetzbar sowohl<br />

für Güterzüge als auch für Züge im Regional- und<br />

im schnellen Reisezugverkehr bis 160 km/h. Das modulare<br />

Konzept erlaubt problemlos eine Umrüstung<br />

von der Fracht- zur Passagierlokomotive selbst in der<br />

zweiten L<strong>eb</strong>enshälfte der Lokomotive.<br />

Der Einsatz im Personenverkehr erfordert im Vergleich<br />

zum Güterverkehr zusätzliche Vorkehrungen.<br />

So muss zum Beispiel die Versorgung des Wagenzuges<br />

mit Energie sichergestellt werden, der Wendezugbetri<strong>eb</strong><br />

und die Abfertigung des Zuges möglich sein<br />

sowie eine Zulassung für das Befahren langer Tunnel<br />

vorliegen. Und letztendlich müssen die <strong>Lokomotiven</strong><br />

eine Leistung aufweisen, die dem Einsatzfall bestmöglich<br />

gerecht wird. Der <strong>Vectron</strong> DE bietet für all diese<br />

Anforderungen eine kundengerechte Lösung.<br />

Bereits in der Cargo-Variante ist der <strong>Vectron</strong> DE mit<br />

einer Zugsammelschienen-Ringleitung ausgerüstet,<br />

sodass er in einen Zug mit ZS eingereiht werden kann.<br />

In der Reisezugvariante wird die Lokomotive standardmäßig<br />

mit einer Zugenergieversorgung für AC<br />

1 000 V 22 Hz mit einer Leistung von 480 kVA ang<strong>eb</strong>oten.<br />

Der E-Block ist um den ZSU ergänzt. Die Filterung<br />

der dort erzeugten Wechselspannung sowie die Überwachung<br />

und Verteilung der Spannung auf die ZS-<br />

Dosen erfolgt in einem separaten ZS-Gerüst, welches<br />

unmittelbar n<strong>eb</strong>en dem E-Block ang<strong>eb</strong>racht ist. Durch<br />

die Unterbringung im Maschinenraum konnte eine<br />

Reduktion des verfügbaren Tankvolumens, wie es beim<br />

ER20 noch notwendig war, vermieden werden. Somit<br />

steht beim <strong>Vectron</strong> DE ein nutzbares Tankvolumen von<br />

4 000 l auch im Passagierbetri<strong>eb</strong> zur Verfügung.<br />

Eine Erweiterung um die Zugenergieversorgung<br />

ist daher auch nachträglich ohne aufwändige Umbauten<br />

an der Lokomotive möglich.<br />

6.2.2 Zugsteuerungen<br />

Weiterhin ist der <strong>Vectron</strong> optional mit verschiedenen,<br />

vor allem im Reisezugverkehr erforderlichen<br />

430 110 (2012) Heft 8-9


Fahrzeuge<br />

Zugsteuerungen ausgerüstet. So ist für den Wendezugbetri<strong>eb</strong><br />

das Verfahren ZWS und für die Mehrfachtraktion<br />

von Zugteilen das Verfahren ZMS verfügbar.<br />

Zusätzlich sind ein Wendezugbetri<strong>eb</strong> und eine Mehrfachtraktionssteuerung<br />

mit dem WTB basierend auf<br />

dem österreichischen Fernsteuerkonzept möglich.<br />

Als Abfertigungsverfahren stehen TB0, SAT und TAV<br />

zur Verfügung.<br />

Literatur<br />

[1] Fösel, U.; Hammer, W.; Thoma, C.; Höscheler, B.: Auslegung<br />

der elektrischen <strong>Vectron</strong>-<strong>Lokomotiven</strong>. In: <strong>Elektrische</strong><br />

<strong>Bahnen</strong> 110 (2012), H. 1-2, S. 12–20.<br />

[2] Thoma, C.; Hammer, W.: <strong>Vectron</strong> – die neue <strong>Lokomotiven</strong>generation<br />

für den europäischen Schienenverkehr.<br />

In: ZEVrail 135 (2011) Tagungsband SFT Graz 2011,<br />

S. 64– 80.<br />

6.2.3 Fahrgastinformation<br />

Der <strong>Vectron</strong> verfügt optional für den Einsatz im Personenverkehr<br />

über ein Fahrgastinformationssystem,<br />

gleichartig zu dem in den elektrischen <strong>Vectron</strong>-<br />

Varianten. Dieses beinhaltet eine zweizeilige Zugzielanzeige,<br />

eine Ansagemöglichkeit für den Tri<strong>eb</strong>fahrzeugführer<br />

und eine Notrufmöglichkeit für die<br />

Fahrgäste. Die Funktionalität ist auf das überwiegend<br />

in Deutschland eingesetzte Wagenmaterial<br />

abgestimmt. In Europa existiert eine Vielzahl unterschiedlicher<br />

Kommunikationsprotokolle, auf die<br />

der <strong>Vectron</strong> im Einzelfall jederzeit angepasst werden<br />

kann.<br />

AUTORENDATEN<br />

Dipl.-Ing. (Univ.) Ulrich Fösel (49);<br />

Studium der Elektrotechnik an der Universität<br />

Erlangen; seit 1990 bei Siemens<br />

AG, Sector Infrastructure and Cities, Rail<br />

Systems in verschiedenen Positionen<br />

der Akquisition und Projektleitung tätig;<br />

seit 2006 Leiter des Produkt portfolio-<br />

Managements <strong>Lokomotiven</strong>.<br />

Adresse: Siemens AG, IC RL LOC PPM,<br />

Werner-von-Siemens-Str. 67,<br />

91052 Erlangen, Deutschland;<br />

Fon: +49 9131 743763,<br />

Fax: +49 9131 82843763;<br />

E-Mail: Ulrich.Foesel@siemens.com<br />

7 Ausblick<br />

Mit dem <strong>Vectron</strong> DE ist ein hochflexibles und zukunftsorientiertes<br />

Produkt auf den Markt gekommen.<br />

Es kombiniert bewährte und stabile Lösungen<br />

aus den Eurorunner- und Eurosprinter-Familien mit<br />

Innovationen wie beispielsweise einem Dieselmotor<br />

nach neuesten Abgasvorschriften. Diverse Basisparameter<br />

wie zum Beispiel die Leistung, die Reichweite<br />

oder die Leistungsfähigkeit der elektrischen Bremse<br />

wurden gegenüber dem ER20 deutlich erhöht.<br />

Mit den vordefinierten Optionspaketen bietet der<br />

<strong>Vectron</strong> DE am Markt einen attraktiven Lösungsraum,<br />

in dem jeder Kunde für seinen jeweiligen Bedarf<br />

schnell eine individuelle Lösung für seine Transportaufgaben<br />

zusammenstellen kann. Das flexible<br />

Konzept ermöglicht darüber hinaus eine aufwandsarme<br />

Auf- oder Umrüstung zwischen verschiedenen<br />

Korridoren, sodass die <strong>Lokomotiven</strong> innerhalb kurzer<br />

Zeit für neue Verkehrsaufgaben einsatzfähig sind.<br />

Damit deckt der <strong>Vectron</strong> DE die Bedürfnisse des europäischen<br />

Schienenverkehrs auf den nichtelektrifizierten<br />

Strecken ab. Jeder Betreiber ist damit bestens<br />

für die Zukunft gerüstet.<br />

<strong>Vectron</strong> DE wird zunächst als bestehende Cargo-Variante<br />

in Deutschland zugelassen. Die hierfür<br />

erforderlichen lauftechnischen Versuchsfahrten<br />

sind abgeschlossen. Weitere Zulassungen sind in<br />

Planung. Die weiteren Typ- und Zulassungsfahrten<br />

werden im eigenen Prüf- und Validation-Center in<br />

Wegberg-Wildenrath (PCW) durchgeführt.<br />

Dipl.-Ing. Jürgen Schurr (44); Studium<br />

der Elektrotechnik an der Universität<br />

Stuttgart; seit 1995 bei Siemens AG,<br />

Sector Infrastructure and Cities, Rail<br />

Systems im Fahrzeug-Engineering tätig;<br />

seit 1998 mit Projektstart ÖBB Rh2016<br />

Projektierung der Traktionsausrüstung<br />

von Diesellokomotiven.<br />

Adresse: Siemens AG, IC RL LOC EN<br />

AL3, Werner-von-Siemens-Str. 67,<br />

91052 Erlangen, Deutschland;<br />

Fon: +49 9131 746594,<br />

Fax: -+49 9131 82846594;<br />

E-Mail: Juergen.Schurr@siemens.com<br />

Dipl.-Ing. (FH) Jörg Baltes (43);<br />

Studium an der Fachhochschule<br />

Braunschweig/Wolfenbüttel, ab 1997<br />

Konstrukteur bei Krauss-Maffei-Verkehrstechnik<br />

GmbH, München, ab 2001<br />

technische Projektierung und Ang<strong>eb</strong>otserstellung<br />

bei Bombardier Transportation,<br />

Kassel; seit 2005 technische<br />

Projektierung bei Siemens AG, Sector<br />

Infrastructure and Cities, Rail Systems,<br />

seit 2008 Subsystemverantwortlicher für<br />

Diesel-Antri<strong>eb</strong>sanlagen.<br />

Adresse: Siemens AG, IC RL LOC EN<br />

AL 3, Krauss-Maffei-Str. 2,<br />

80997 München, Deutschland;<br />

Fon: +49 89 28852-3422, Fax: -3158;<br />

E-Mail: Joerg.Baltes@siemens.com<br />

110 (2012) Heft 8-9<br />

431


Fahrzeuge<br />

Last Mile – die neue Funktion der<br />

TRAXX AC3-<strong>Lokomotiven</strong><br />

Christoph Schätzer, Philipp Hetzelt, Ludwig Still, Mannheim<br />

Das Last-Mile-System ist ein erstmalig in der aktuellen Generation der TRAXX AC3-<strong>Lokomotiven</strong><br />

implementiertes System für einen Betri<strong>eb</strong> in oberleitungsfreien Netzabschnitten. Es handelt sich<br />

dabei um ein dieselelektrisches Aggregat in Kombination mit einer Zusatzbatterie. Mit der Einspeiseleistung<br />

dieser Zusatzkomponenten kann ein 1500-t-Zug mit kleiner Geschwindigkeit gefahren<br />

werden.<br />

LAST MILE – ACTUAL GENERATION OF TRAXX AC3 LOCOMOTIVES<br />

The Last Mile system allows operation on non electrified network sections and is implemented for<br />

the first time on the actual generation of TRAXX AC3 locomotives. This system consists of a diesel<br />

generator set in combination with an additional battery package. With the available power of these<br />

components it is possible to move trains with a mass of 1500 t in a low speed range.<br />

LAST MILE – L’ACTUELLE GÉNÉRATION DES LOCOMOTIVES TRAXX AC3<br />

Le système Last-Mile, intégré dans l’actuelle génération des locomotives TRAXX AC3, est le premier<br />

système permettant l’opération de locomotives AC sur des sections non-électrifiées du réseau ferré.<br />

Ce système est composé d’un générateur diesel-electrique combiné à un ensemble supplémentaire<br />

de batteries. La puissance d’alimentation délivrée par ces nouveaux composants permet à la locomotive<br />

de tracter un train de 1 500 t à vitesse réduite.<br />

1 Einführung<br />

Im Zusammenhang mit der Bestellung der Baureihe<br />

(BR) 145 im Jahr 1994 und der Einlösung<br />

der Lieferoption über 400 Stück der BR 185 [1]<br />

im Jahr 1998 begann die Entwicklung der TRAXX-<br />

<strong>Lokomotiven</strong>-Plattform [2], die bis heute weit über<br />

Bild 1:<br />

Erste Lokomotive der BR 187, TRAXX-Variante AC3 mit Last-Mile-Funktion.<br />

1 000 Fahrzeuge zählt. Die erste Variante war die<br />

Zweisystem lokomotive TRAXX AC für den Betri<strong>eb</strong><br />

unter 15 kV 16 2 / 3<br />

Hz und 25 kV 50 Hz.<br />

Die Liberalisierung des Schienenverkehrs führte<br />

rasch dazu, dass sich private Verkehrsunternehmen in<br />

stetig wachsender Anzahl n<strong>eb</strong>en den Staatsbahnen<br />

im Markt etablierten und <strong>Lokomotiven</strong> anforderten,<br />

die unter anderem länderübergreifend einsetzbar<br />

sind. In den Folgejahren wurde daher die Plattform<br />

stetig vergrößert und technologisch weiterentwickelt.<br />

Ein wichtiger Meilenstein war hierbei die<br />

Mehrsystem-Lokomotive TRAXX MS mit der daraus<br />

abgeleiteten Variante TRAXX DC für Gleichstromnetze<br />

und der dieselelektrischen Variante TRAXX DE.<br />

Im Unterschied zu der Geräteanordnung mit Mittelgang<br />

bei den bisherigen Drehstromlokomotiven sind<br />

Stromrichter und Hochspannungskomponenten, das<br />

so genannte Power Package, in der Mitte des Maschinenraums<br />

angeordnet. Die Vorteile aus diesem<br />

zentral organisierten Layout wurden bei der Entwicklung<br />

der nächsten Generation von AC-<strong>Lokomotiven</strong>,<br />

der TRAXX AC3, konsequent umgesetzt [3]. Mit geschicktem<br />

Zusammenführen aller zur Speisung der<br />

Lokomotive benötigten Leistungswandler im Zentrum<br />

des Maschinenraumes ließ sich Platz für den<br />

Einbau zusätzlicher innovativer Systeme gewinnen.<br />

Im Vorfeld der Entwicklung der TRAXX AC3 wurden<br />

detaillierte Analysen der Marktanforderungen<br />

432 110 (2012) Heft 8-9


Fahrzeuge<br />

durchgeführt; dabei zeigte sich unter anderem der<br />

Wunsch von Bahnbetreibern im Güterverkehr, auch<br />

den „letzten Kilometer“ (Last Mile, LM) bis zum Ziel<br />

in Terminals und Anschlussgleisen ohne Zuhilfenahme<br />

einer Rangierlokomotive auf dort meist oberleitungsfreien<br />

Abschnitten zu überbrücken. Bombardier<br />

hat hierfür die TRAXX-AC3-Plattform mit einer<br />

neuen Last-Mile-Funktion erweitert (Bild 1, Tabelle<br />

1). Deren Vorteile liegen auf der Hand: Senkung<br />

der Kosten, da eine Rangierlokomotive nicht mehr<br />

benötigt wird, und eine erh<strong>eb</strong>liche Zeitersparnis in<br />

der logistischen Abwicklung.<br />

2 Anforderungen an die Last-<br />

Mile-Funktionalität<br />

Das Last-Mile-System soll in Anlehnung an die Bedürfnisse<br />

im Rangierbetri<strong>eb</strong> in der Lage sein, eine<br />

Zugmasse von bis zu 1 500 t bei „mäßiger Steigung“<br />

bis auf 25 km/h zu beschleunigen. Die Zugkraft im<br />

Anfahrpunkt sollte dabei nahe an den bei Netzbetri<strong>eb</strong><br />

maximalen Wert von 300 kN heran kommen,<br />

damit ein Last-Mile-Betri<strong>eb</strong> mit unverändertem Zugverband<br />

möglich ist.<br />

Für eine solche Traktionsaufgabe ist je nach Rollmaterial<br />

eine primäre Einspeiseleistung von 320 kW<br />

bis 420 kW erforderlich. Bei 300 kN Zugkraft im<br />

regulären Netzbetri<strong>eb</strong> und betri<strong>eb</strong>swarmen Komponenten<br />

treten in den Antri<strong>eb</strong>smotoren, dem Haupttransformator<br />

und dem Stromrichter Verluste von<br />

über 300 kW auf. Der Leistungsbedarf für die Hilfsbetri<strong>eb</strong>e<br />

kann zusätzlich noch bis zu 80 kW betragen.<br />

Die benötigte Energiemenge für einen praxistauglichen<br />

Last-Mile-Betri<strong>eb</strong> streut je nach Anwendung<br />

in einem weiten Bereich. So könnten zur Überbrückung<br />

kurzer Distanzen 150 kWh ausreichend<br />

sein. Für den flexiblen praxisgerechten Betri<strong>eb</strong> mit<br />

Stillstandzeiten ohne Oberleitung sind jedoch gespeicherte<br />

Energiemengen von 400 kWh und mehr<br />

erforderlich.<br />

Diese Angaben machen deutlich, dass dem Last-<br />

Mile-Leistungsmanagement besondere Bedeutung<br />

zukommt, um die im Vergleich zum Netzbetri<strong>eb</strong><br />

geringe Einspeiseleistung optimal für die eigentliche<br />

Traktionsaufgabe zu nutzen.<br />

Um die von einem Hilfsaggregat eingespeiste<br />

Leistung und die daraus berechneten Zugkräfte unter<br />

realen Bedingungen zu validieren, wurden 2009<br />

bei Blankenberg im Harz Versuche durchgeführt.<br />

Als Versuchseinheit diente eine TRAXX DE der<br />

BR 285 mit angehängtem 1 500-t-Güterzug. Die<br />

18 mit Kies beladenen Güterwagen waren mit Rollenlagern<br />

ausgestattet. Die Steigungen innerhalb<br />

der 1,1 km langen Teststrecke lagen zwischen 0 ‰<br />

im ersten Teil der Strecke und maximal 7 ‰ gegen<br />

Ende der Teststrecke. Über die Antri<strong>eb</strong>ssteuerung<br />

wurden Traktionsleistung und maximale Zugkraft<br />

begrenzt und das Rangieren des Zuges mit unterschiedlichen<br />

Obergrenzen für Antri<strong>eb</strong>sleistung und<br />

Zugkraft getestet.<br />

Wie in Bild 2 beispielhaft gezeigt, wurde diese<br />

Zugkonfiguration bei einer auf knapp 135 kW limitierten<br />

Traktionsleistung aus dem Stillstand in 25 s<br />

auf 5 km/h und in 300 s auf 10 km/h beschleunigt.<br />

Die dann folgende Geschwindigkeitsabsenkung ist<br />

auf den Anstieg der Steigung am Ende der Teststrecke<br />

zurückzuführen. Die Gesamtzugkraft in dem Diagramm<br />

ist durch Addition der Zugkraft der beiden<br />

Motorgruppen ermittelt worden. Die konstant gehaltene<br />

tatsächliche Traktionsleistung bestätigt sich<br />

nach dem Diagramm, beispielsweise für den Punkt<br />

v = 10 km/h, zu P Tr<br />

= F∙v max<br />

= 132 kW.<br />

Die Versuche machen deutlich, dass mit vergleichsweise<br />

geringer Einspeise- und Traktionsleistung<br />

Güterzüge mit kleiner Geschwindigkeit bewegt<br />

werden können. Sie bildeten die Grundlage für die<br />

Dimensionierung des Last-Mile-Systems.<br />

3 Last-Mile-Konzeptrealisierung<br />

Zunächst war als netzunabhängige Energieversorgung<br />

lediglich eine Diesel-Generator-Einheit (Last<br />

Mile Diesel, LMD) unter Einhaltung der Abgasnor-<br />

TABELLE 1<br />

Hauptdaten der Lokomotive BR187, TRAXX AC3,<br />

mit Last-Mile-Funktion.<br />

AC-Netzspannungen<br />

15 kV 16,7 Hz<br />

25 kV 50 Hz<br />

Bo‘Bo‘<br />

Radsatzanordnung<br />

Länge über Puffer mm 18 900<br />

Drehgestellmittenabstand mm 10 390<br />

Spurweite mm 1 435<br />

Raddurchmesser neu/abgenutzt mm 1 250/1 170<br />

Antri<strong>eb</strong>sart<br />

Tatzlager<br />

Getri<strong>eb</strong>eübersetzung 5,227<br />

Gesamtmasse mit Last-Mile-Funktion t 87<br />

Höchstgeschwindigkeit km/h 140 / (160)<br />

Umg<strong>eb</strong>ungstemperatur °C -30 bis +45<br />

maximale Einsatzhöhe über NN m 1 400<br />

Anfahrzugkraft betri<strong>eb</strong>lich/maximal kN 300/320<br />

maximale elektrische Bremskraft<br />

kN<br />

150<br />

optional 240<br />

Dauerleistung/Maximalleistung kW 5 600/6 000<br />

Nennleistung Zugsammelschiene kVA 800<br />

Leistung Last-Mile-Dieselaggregat kW 230<br />

Volumen Last-Mile-Dieseltank l 400<br />

110 (2012) Heft 8-9<br />

433


Fahrzeuge<br />

men Stage IIIB vorgesehen. Der Wechsel des Maschinenraumlayouts<br />

der neuen Plattform TRAXX AC3<br />

zu einer Anordnung mit zentralem Power Package<br />

in der Mitte wie bei den TRAXX-MS-<strong>Lokomotiven</strong><br />

eröffnete einen zusammenhängenden Einbauraum<br />

für die LMD-Einheit.<br />

Für die Einhaltung der Emissionsvorschrift Stage<br />

IIIB wird im Vergleich zur früheren Vorschrift Stage<br />

IIIA durch Abgasrückführung, Partikelfitersystem und<br />

höherer Kühlerleistung ein etwa 10 % größeres Einbauvolumen<br />

benötigt.<br />

Um die eingangs abgeschätzte Einspeiseleistung<br />

von mindestens 300 kW zu erreichen und um eine<br />

langfristige und flexible Energieversorgung zu gewährleisten,<br />

wurde ein zur LMD-Energieversorgung<br />

unterstützendes autonomes Zusatzbatteriesystem<br />

(Last Mile Battery, LMB) <strong>eb</strong>enfalls im Maschinenraum<br />

integriert. Die LMD-Anlage deckt im Wesentlichen<br />

die Grundlast ab, das LMB-System den Spitzenlastbereich<br />

bei Traktionsanforderung.<br />

Mit dieser erstmalig auf einer elektrischen Streckenlokomotive<br />

eingesetzten Hybridlösung kann die<br />

Energie somit über die Oberleitung oder davon unabhängig<br />

über die Dieselanlage und Zusatzbatterie<br />

oder bei geringem Zugkraftbedarf auch nur aus der<br />

Zusatzbatterie eingespeist werden. Mit Blick auf die<br />

schnelle Weiterentwicklung bei der Batterietechnik<br />

lässt sich mittelfristig durch Austausch des vorhandenen<br />

Batteriesystems die Systemleistung erhöhen. Die<br />

Grundkonzeption der implementierten Technik für<br />

oberleitungsfreien Betri<strong>eb</strong>, wie Schaltungstopologie,<br />

Leistungs- und Energiemanagement, kann beibehalten<br />

werden.<br />

4 Hauptstromkreis der<br />

Lokomotive AC3<br />

Bild 3 zeigt den Hauptschaltplan mit der Anbindung<br />

der beiden zusätzlichen Speiseeinheiten LMD<br />

und LMB. Die Grundschaltung des Traktionskreises<br />

ist identisch mit der Schaltung der bestehenden<br />

TRAXX-<strong>Lokomotiven</strong> für AC-Netze. Über den<br />

Stromabnehmer, den Hauptschalter, die Primärwicklung<br />

des Traktionstransformators und die vier<br />

Traktionswicklungen wird die Speisespannung als<br />

angepasste Sekundärspannung den beiden Stromrichtern<br />

zugeführt.<br />

Die vier 4-Quadrantensteller (4qS) wandeln die<br />

sekundäre Transformatorspannung in eine höhere<br />

Zwischenkreisspannung um, aus der jeder Fahrmotor<br />

über je einen eigenen Wechselrichter eine<br />

frequenz- und spannungsvariable Drehs pannung<br />

erhält.<br />

Um die Einbauräume für die LMD-Einheit und<br />

das LMB-System zu gewinnen (Bild 4), wurden<br />

auf der Basis der TRAXX-MS-Lokomotive alle elektrischen<br />

Komponenten, die zur Energieumwandlung,<br />

zur Verteilung und Absicherung erforderlich<br />

Bild 2:<br />

Vorversuche mit Diesellokomotive BR 285: Zugkraft und Geschwindigkeit als Funktion der Zeit bei auf etwa 135 kW limitierter Traktionsleistung.<br />

grün/rote Linie Zugkraft F pro Drehgestell (MGr1 und MGr2) in kN<br />

schwarze Linie gesamte Antri<strong>eb</strong>sleistung P aller vier Fahrmotoren in kW<br />

blaue Linie Geschwindigkeit v des Zuges in 0,1 km/h<br />

434 110 (2012) Heft 8-9


Fahrzeuge<br />

sind, in der Mitte des Maschinenraumes in zwei<br />

Teilgerüsten, Stromrichter (CON) und Hochspannungs-Hilfsbetri<strong>eb</strong>egerüst<br />

(HAC), zusammengefasst.<br />

Durch die zentrale Integration dieser beiden<br />

Funktionseinheiten sind zahlreiche Schnittstellen<br />

und Verkabelungen innerhalb des Maschinenraumes<br />

entfallen.<br />

Bild 5 zeigt die Stromrichterschrankeinheit, in<br />

der beide Traktionsstromrichter als eigenständige<br />

Funktionseinheiten mit entsprechend zugeordneter<br />

MITRAC ® -Antri<strong>eb</strong>ssteuerung angeordnet sind.<br />

Die 4,5-kV-IGBT-Module jedes Stromrichters sind<br />

in drei gekapselten Modulen im unteren Schrankteil,<br />

das Einspeisefeld mit den Schaltgeräten und<br />

den Schnittstellen zum Haupttransformator<br />

in der Mitte des Schrankes und damit direkt<br />

über dem Transformatoranschlussfeld<br />

angeordnet.<br />

Während bei der Vorgänger-BR<br />

TRAXX AC2 [2] die 3-phasigen Hilfsbetri<strong>eb</strong>e<br />

über eine separate Transformatorwicklung<br />

und zwei separate Umrichterbaueinheiten<br />

gespeist werden, sind bei der AC3 die beiden<br />

Hilfsbetri<strong>eb</strong>ewechselrichter im Stromrichterschrank<br />

integriert. Im Fehlerfall erfolgt<br />

eine entsprechende Umgruppierung,<br />

so dass die Speisung der Verbraucher ohne<br />

betri<strong>eb</strong>liche Einschränkung von nur einem<br />

Hilfsbetri<strong>eb</strong>ewechselrichter vorgenommen<br />

wird.<br />

Um im Last-Mile-Betri<strong>eb</strong> alle vier Fahrmotoren<br />

speisen zu können und um Volumen<br />

und Gewicht einzusparen, sind die beiden<br />

autonomen Stromrichter über Trennschalter<br />

verbunden.<br />

1 330 kWh. Durch die sich zukünftig weiter verschärfenden<br />

Emissionsvorschriften ist zu erwarten,<br />

dass sich der Aufwand und der Platzbedarf für eine<br />

LMD-Einspeiseeinheit weiter erhöhen werden. Daher<br />

ist bei der konventionellen Energieerzeugung über<br />

Verbrennungstechnik bei gleicher Volumen- und<br />

Gewichtsvorgabe zukünftig keine Verbesserung zu<br />

erwarten.<br />

Bei eingeschalteter LMD-Anlage liegt die vom Generator<br />

erzeugte 3-phasige Spannung über einen AC-<br />

Schnellschalter (SG1) am Hilfsbetri<strong>eb</strong>enetz an. Im regulären<br />

Last-Mile-Betri<strong>eb</strong> ist das Koppelschütz (S4aux)<br />

beider Hilfsbetri<strong>eb</strong>ezweige geschlossen (Bild 3). Bei<br />

5 Diesel-Generator-Einheit<br />

(LMD)<br />

Die LMD-Anlage (Bild 6) ist eine eigenständige<br />

Funktionseinheit; sie besteht aus einem<br />

230-kW-Dieselmotor Deutz TCD2013 mit<br />

einer Nenndrehzahl n N<br />

= 1 800 min -1 , dem<br />

Dieselvorbaukühler, einem Oxydationskatalysator<br />

mit nachgeschaltetem Partikelfiltersystem,<br />

einem angeflanschten 240-kVA-<br />

Synchrongenerator sowie der kompletten<br />

Steuereinrichtung für das Aggregat. Dieser<br />

Motortyp wird in größeren Stückzahlen im<br />

LKW-Bereich eingesetzt. Der 400 l fassende<br />

Dieseltank ist auf der Fahrzeugunterseite<br />

ang<strong>eb</strong>racht und von beiden Fahrzeugseiten<br />

befüllbar. Bei einem Kraftstoffverbrauch von<br />

0,22 kg/kWh entspricht die Dieselmenge,<br />

inklusive Generatorwirkungsgrad, einer gespeicherten<br />

elektrischen Energie von etwa<br />

Bild 3:<br />

Übersicht über Hauptstromkreis der TRAXX AC3 mit LMD und LBM.<br />

Bild 4:<br />

Maschinenraumanordnung mit Last-Mile-Komponenten.<br />

FML Fahrmotorlüftertürme 1-4 CLT Kühlturm<br />

LMD Last-Mile-Diesel-Aggregat LMB Last-Mile-Zusatzbatterie-Einheit<br />

COM Elektronikschrank AUXT Hilfsbetri<strong>eb</strong>etransformator<br />

FES Feuerlöscheinheit CMP Luftgerüst<br />

ATC1 Zugsicherungssystem 1 ATC2 Zugsicherungssystem 2<br />

CON Stromrichtergerüst LVC Niederspannungsgerüst<br />

HAC Hochspannungs- und<br />

Hilfsbetri<strong>eb</strong>sgerüst<br />

110 (2012) Heft 8-9<br />

435


Fahrzeuge<br />

stillstehendem Fahrzeug und eingeschaltetem Dieselmotor<br />

sind somit ohne Stromrichtertaktung alle<br />

Hilfsbetri<strong>eb</strong>e betri<strong>eb</strong>sbereit und können wie bei einer<br />

externen Depotspeisung bedarfsweise zu- oder abgeschaltet<br />

werden. Über die beiden Hilfsbetri<strong>eb</strong>etransformatoren<br />

wird die für die Traktion notwendige, vom<br />

LMD-Aggregat gelieferte Energie dem Traktionszwischenkreis<br />

und weiter den vier Fahrmotoren zugeführt.<br />

Abhängig von der Lastanforderung wird die LMD-<br />

Einheit drehzahlvariabel zwischen 1 350 min -1 und<br />

1 800 min -1 betri<strong>eb</strong>en.<br />

6 Zusatzbatteriesystem (LMB)<br />

6.1 Batterietechnologie<br />

Die Zusatzbatterie ist eine eigenständige und von<br />

der 110-V-Fahrzeugbatterie galvanisch getrennte<br />

Funktionseinheit (Bild 7).<br />

Um die eventuellen Risiken der neuesten Batterietechnologien<br />

zu vermeiden, wurde für die erste<br />

Anwendung einer solchen Hybridanlage eine für<br />

Traktionszwecke geeignete konventionelle Batterietechnik<br />

gewählt. Verwendet werden verschlossene<br />

12-V-Blei-Säure-Blockbatterien (VRLA) der Serie<br />

XFC Flex der Firma Hawker. Dieser Batterietyp<br />

ist in Dünnplatten-Reinbleitechnologie ausgeführt<br />

und zeichnet sich durch hohe Leistungsfähigkeit,<br />

Energiedichte und Zyklenfestigkeit aus. Durch diese<br />

Kombination eignet sich dieser Typ besonders<br />

für Traktionsanwendungen [4]. Der Elektrolyt ist<br />

in einem fiberglasähnlichen Separator (Absorbed<br />

Glass Mat, AGM), einer Art Vlies fixiert. Durch die<br />

physikalische Bindung zwischen den Separatorfasern,<br />

den Bleiplatten und dem Blockgehäuse wird<br />

Auslaufsicherheit und hohe mechanische Festigkeit<br />

gegen Vibrationen erreicht.<br />

Der elektrochemische Aufbau der Batterie erlaubt<br />

es, die Batterien mit hohen Ladeströmen und damit<br />

kurzen Ladezeiten aufzuladen. Der optimale Ladenennstrom<br />

liegt im Bereich (0,4 ... 0,7) ∙ C 5<br />

∙ 1/h,<br />

mit C 5<br />

= Nennkapazität in A ∙ h bei 5-stündiger Entladung.<br />

Eine 80 % teilentladene Batterie kann je<br />

nach Ladestrom in 1,8 h bis 2,5 h auf nahezu 100 %<br />

aufgeladen werden. Ein hoher Ladenennstrom ist<br />

wichtig, damit sich eine gleichmäßig homogene<br />

chemische Reaktion über die verfügbare Fläche<br />

verteilt. Kleine Ladeströme führen zu inhomogenen<br />

Strukturen und beeinträchtigen das Speichervermögen<br />

der Batterie.<br />

Durch Gasrekombination entfällt ein Nachfüllen<br />

mit Wasser bei dieser Batterietechnik. Diese bekannte<br />

Batterietechnologie reduziert die Risiken bei der<br />

Fahrzeugzulassung, da Grundstoffmaterialien und<br />

Brandeigenschaften vergleichbar mit der Fahrzeugbatterie<br />

sind.<br />

Bei fahrdrahtlosem Betri<strong>eb</strong> werden entsprechend<br />

Bild 8 die beiden Batterieanschlüsse über die Lastschütze<br />

S1Batt, S2Batt und eine Glättungsdrossel<br />

LCh mit dem Traktionsstromrichter verbunden. Eine<br />

Phase des 4qS von Stromrichter 2 wird als 2-Quadranten-Batteriechopper<br />

(2qS) genutzt, um Energie in<br />

beide Richtungen zu übertragen.<br />

Bei Energietransport von der Batterie zum Traktionszwischenkreis<br />

arbeitet das System als Hochsetzsteller.<br />

Die niedrigere Batteriespannung UBatt wird<br />

dadurch in eine höhere Zwischenkreisspannung UD<br />

umgewandelt. Beim Laden der Batterie kehrt sich die<br />

Stromrichtung um, das System arbeitet in diesem<br />

Betri<strong>eb</strong> als Tiefsetzsteller.<br />

Bild 5:<br />

MITRAC ® -IGBT-Stromrichterschrank TC 3360 AC.<br />

Bild 6:<br />

Last-Mile-Diesel-Aggregat.<br />

436 110 (2012) Heft 8-9


Fahrzeuge<br />

6.2 Aufbau, Belüftung und Schutz des<br />

Batteriesystems<br />

Das komplette Batteriesystem ist in einem separaten<br />

Batteriesystemschrank unterg<strong>eb</strong>racht und bezüglich<br />

Belüftung in zwei Teile aufgeteilt (Bild 7).<br />

Die Batterieeinheit mit Sensoren, Glättungseinrichtung,<br />

Analog-/Digitalmodulen, Lüfter befindet<br />

sich in einem separaten und lufttechnisch vom Maschinenraum<br />

getrennten Bereich des Batterieschrankes.<br />

Die einzelnen 12-V-Blockbatterien sind auf vier<br />

Schranketagen verteilt. Der Batterieraum hat zur<br />

Belüftung nach außen zwei Öffnungen. Eine davon<br />

befindet sich im Bodenbereich zur Fahrzeugunterseite<br />

hin, die andere Öffnung ist im oberen Bereich des<br />

Schrankes mit dem Unterdruckbereich des Kühlturmes<br />

verbunden. Um die beim Lade-/Entladevorgang<br />

auftretende Verlustwärme der Batterien abzuführen,<br />

ist zur Unterstützung des natürlichen Luftkreislaufes<br />

im oberen Schrankbereich ein Lüfter eing<strong>eb</strong>aut.<br />

Durch den vom Lüfter erzeugten Unterdruck stellt<br />

sich durch die Öffnungen am Schrankboden und<br />

zum Kühlturmansaugbereich hin eine forcierte Luftströmung<br />

ein. Bei jedem Lade-/Entladevorgang wird<br />

dieser Lüfter eingeschaltet. Nach dem Abschalten<br />

hat der Lüfter definierte Nachlaufzeiten, um Restwärme<br />

des Schrankes ins Freie zu transportieren.<br />

Zum Schutz gegen Kurzschluss und Überströme<br />

sind im Plus- und Minuszweig nach der Batterie<br />

Sicherungen und Lasttrennschütze eing<strong>eb</strong>aut. Diese<br />

Bauteile sind in einem lufttechnisch separaten Einbauraum<br />

innerhalb des Schrankes unterg<strong>eb</strong>racht.<br />

Die Schutzorgane sind überwacht und führen<br />

bei Störungen zu Schutzreaktionen, die eine sofortige<br />

Sperre der Steller sowie eine Potenzialtrennung<br />

durch Öffnen der Schütze zur Folge haben.<br />

Über Messwandler werden Batteriestrom und<br />

Batteriespannung erfasst, bei Überschreitung von<br />

Grenzwerten wird der Batteriekreis gesperrt und<br />

vom Traktionskreis getrennt.<br />

Das Betätigen eines der im Führerraum angeordneten<br />

Not-Aus-Tasters oder auch ein Stromrichterfehler<br />

führt über Hardwareverriegelungen im Batterieschrank<br />

zum Öffnen der beiden Batterieschütze.<br />

Die beiden Leistungsanschlüsse zum Batterieschrank<br />

sind mit einem isolierenden Stecker vom<br />

Gerüst trennbar. Für Inbetri<strong>eb</strong>setzung und Wartung<br />

können die in Reihe geschalteten Batterieeinheiten<br />

zusätzlich durch im Schrank angeordnete Leistungssteckkontakte<br />

in kleinere Spannungseinheiten aufgeteilt<br />

werden (Bilder 7 und 8).<br />

Wie die Komponenten des Mittelspannungsteils<br />

ist der Batterieschrank ins Fahrzeugschlüsselkonzept<br />

einbezogen. Die Zugänglichkeit des Batterieschrankes<br />

ist erst freigeg<strong>eb</strong>en, wenn das Fahrzeug<br />

ordnungsgemäß abgerüstet ist, das Batteriesystem<br />

abgetrennt und entsprechende Potenziale kurzgeschlossen<br />

und geerdet sind.<br />

110 (2012) Heft 8-9<br />

6.3 Batterieladung<br />

Über ein Batteriemanagement wird die abgeg<strong>eb</strong>ene<br />

und zugeführte Batterieladung berechnet, der<br />

aktuelle Ladezustand der Batterie ermittelt und am<br />

Fahrzeugdisplay angezeigt.<br />

Die Batterie kann auf zwei Arten aufgeladen werden,<br />

einmal über den Fahrdraht und zum anderen<br />

auch während des Last-Mile-Betri<strong>eb</strong>s aus der Diesel-<br />

Generatoreinheit.<br />

Bei Betri<strong>eb</strong> am Fahrdraht erhält der Fahrzeugführer<br />

bei Stillstand eine Information über den Ladezustand<br />

der Zusatzbatterie und kann bei Bedarf<br />

über ein Symbol im Display den Batterieladevorgang<br />

freig<strong>eb</strong>en. Danach wird die Schaltung entsprechend<br />

Bild 8 konfiguriert.<br />

Bild 7:<br />

Last-Mile-Batterie-Einheit.<br />

437


Fahrzeuge<br />

Während des Last-Mile-Betri<strong>eb</strong>s wird bei Leistungsüberschuss<br />

des Diesel-Generator-Sets und ab<br />

einem definierten Ladezustand die Batterie vom<br />

Zwischenkreis aus über den Batteriechopper nachgeladen.<br />

In der Regel tritt dieser Fall immer im traktionslosen<br />

Zustand auf, wenn nur die Hilfsbetri<strong>eb</strong>e<br />

versorgt werden. In diesem Fall ist immer genügend<br />

überschüssige Leistung vorhanden, um einen definiert<br />

hohen Ladestrom zu garantieren und damit einen<br />

homogenen chemischen Aufladevorgang zu gewährleisten.<br />

Bei anstehender Traktionsanforderung<br />

wird die temporäre Batterieaufladung beendet. Der<br />

2qS-Batteriechopper wechselt gleitend die Energietransportrichtung<br />

und stellt durch Hochsetzen der<br />

Batteriespannung dem Zwischenkreis eine zusätzliche<br />

Traktionsleistung zur Verfügung.<br />

Der Ladevorgang der Batterie erfolgt nach der<br />

üblichen I/U-Ladecharakteristik für verschlossene<br />

Bleibatterien. Die Regelgrößen sind Batteriestrom<br />

und Batteriespannung.<br />

Über zwei PT100-Fühler wird die Batterietemperatur<br />

gemessen und die Ladesollwertspannung mit<br />

dem Temperaturkorrekturfaktor λ u<br />

= -4 mV/K je Zelle<br />

korrigiert. Dem Batteriespannungsregelkreis ist ein<br />

Batteriestromregelkreis unterlagert, dessen Stromsollwert<br />

auf den Nennladestrom oder auch auf einen<br />

niedrigeren Wert begrenzt wird.<br />

Sobald der Istwert der Batteriespannung die temperaturkompensierte<br />

Ladeschlussspannung erreicht<br />

hat, wird der Ladestrom so reduziert, dass die Batteriespannung<br />

konstant bleibt. Nach Unterschreitung<br />

definierter Minimalströme wird der Ladevorgang<br />

beendet.<br />

Zusätzlich zu der Summenspannungsmessung<br />

der gesamten Batterie werden die Spannungsniveaus<br />

der einzelnen Blockbatterien über unmittelbar<br />

vor den Batteri<strong>eb</strong>löcken angeordneten Monitoreinrichtungen<br />

erfasst. Die einzelnen Blockspannungen<br />

werden dezentral ausgewertet, als Sammelmeldung<br />

zusammengefasst und an ein digitales Eingabegerät<br />

der übergeordneten Leitelektronik gemeldet.<br />

Um ein Überladen und das Auseinanderlaufen der<br />

Spannungen der in Reihe geschalteten Batteri<strong>eb</strong>löcke<br />

zu vermeiden, sorgt die Monitoreinrichtung für<br />

einen passiven Spannungsausgleich mit einer aktiven<br />

Rückmeldung zum übergeordneten Lademanagement.<br />

Die Meldung maximale Ladespannung führt<br />

zu einer angepassten Reduktion des Ladestroms und<br />

nach definierter Zeit wird der Ladevorgang beendet.<br />

6.4 Ladezustands-Management<br />

Während des LMB-Betri<strong>eb</strong>s wird der Ladezustand<br />

vom Batteriemanagement über ein Ladungsbilanzverfahren<br />

ermittelt und dem Fahrzeugführer am<br />

Display angezeigt. Bei diesem Verfahren wird von<br />

einer definierten Rekalibrierung nach wenigen Zyklen<br />

ausgegangen. Der Ausgangsladezustand Q BLad0<br />

ergibt sich durch Messung der Batterieleerlaufspannung<br />

nach definierter Ruhephase. Der dynamische<br />

Ladezustand q Bsoc<br />

(t) während des Entlade- und Ladezyklus<br />

wird über die Ladungsbilanzierung wie folgt<br />

bestimmt:<br />

(1)<br />

Als Nennkapazität Q BN5<br />

wird die vom Hersteller<br />

angeg<strong>eb</strong>ene 5-stündige Batteriekapazität<br />

C 5<br />

angesetzt.<br />

q BEntl<br />

ist der erreichbare Entladegrad einer<br />

Bleibatterie, der maßg<strong>eb</strong>lich vom Entladestrom<br />

abhängt.<br />

q BLad<br />

ist der Ladefaktor und beträgt für<br />

AGM-Batterien ungefähr 1,1.<br />

7 Leistungs- und<br />

Lastmanagement<br />

Bild 8:<br />

Prinzipschaltbild für die Zustände Last-Mile-Betri<strong>eb</strong> und Batterieladung über die Fahrleitung.<br />

Bild 8 zeigt ein vereinfachtes SchaltBild für<br />

den Last-Mile-Betri<strong>eb</strong>. Der Hauptschalter<br />

und alle Eingangsstromrichter sind gesperrt<br />

und galvanisch von der Transformatorsekundärseite<br />

getrennt. Auf der linken Bildseite<br />

dargestellt sind die beiden Speisequellen<br />

LMB und LMD, die ihre Leistung über den<br />

Batteriechopper und über den Hilfsbetri<strong>eb</strong>e-<br />

438 110 (2012) Heft 8-9


Fahrzeuge<br />

wechselrichter in den Traktionszwischenkreis<br />

CD einspeisen. Rechts vom Zwischenkreis<br />

CD ist einer der Traktionswechselrichter<br />

stellvertretend für alle vier Wechselrichter<br />

(WR11…22) mit Fahrmotor dargestellt.<br />

Von der im Vergleich zum Fahrdrahtbetri<strong>eb</strong><br />

verfügbaren Einspeiseleistung gilt es,<br />

einen möglichst hohen Anteil für die Traktion<br />

zu nutzen und die Anteile für die Systemverluste<br />

und die Hilfsbetri<strong>eb</strong>eleistung zu minimieren.<br />

Auftretende Leistungsänderungen<br />

und Leistungsschwankungen sind dabei zu<br />

kontrollieren und niedrig zu halten, damit<br />

die verfügbare Leistung beider Teilsysteme<br />

im Bedarfsfall zu nahezu 100 % nutzbar ist,<br />

ohne dass Systeminstabilität auftritt.<br />

Wie eingangs beschri<strong>eb</strong>en, soll die Grundlast<br />

über das LMD und die dynamische Spitzenlast<br />

durch das LMB abgedeckt werden.<br />

Im oberleitungsfreien Betri<strong>eb</strong> werden vom<br />

Leistungsmanagement nur die zwingend benötigten<br />

Hilfsbetri<strong>eb</strong>everbraucher wie Luftpresser,<br />

Fahrzeugbatterieladung, Stromrichterkühlmittelpumpe<br />

und einige Kleinlüfter<br />

freigeg<strong>eb</strong>en. Die größeren Lüfter werden<br />

abhängig der Temperatur der zu kühlenden<br />

Komponenten bedarfsweise zugeschaltet. Der Leistungsbedarf<br />

für die Hilfsbetri<strong>eb</strong>e wird somit von im<br />

Netzbetri<strong>eb</strong> 60 bis 80 kW auf 20 bis 50 kW im oberleitungsfreien<br />

Betri<strong>eb</strong> reduziert.<br />

Im BlockschaltBild 9 ist der Leistungsfluss von den<br />

beiden Energiequellen LMD und LMB unter Berücksichtigung<br />

der Systemverluste und deren Einfluss auf<br />

die Zugkraftaufbereitung schematisch dargestellt.<br />

Nach Abzug der Dieselkühler- und der Generatorverluste<br />

können etwa 86 % der Wellenleistung<br />

des Dieselmotors und damit maximal 200 kW in<br />

das Hilfsbetri<strong>eb</strong>enetz eingespeist werden. Über die<br />

Bild 9:<br />

Blockschaltbild für die regelungstechnische Zugkraftaufbereitung im Last-Mile-Betri<strong>eb</strong>.<br />

Hilfsbetri<strong>eb</strong>etransformatoren und die Hilfsbetri<strong>eb</strong>ewechselrichter<br />

wird die Differenzleistung aus Generatorleistung<br />

minus Hilfsbetri<strong>eb</strong>eleistung dem<br />

Traktionszwischenkreis zur Verfügung gestellt. Die<br />

demnach von der LMD-Anlage für Traktion zur Verfügung<br />

stehende Leistung P D_CD<br />

ergibt sich durch Subtraktion<br />

der Verluste für Dieselkühler P vDKühl<br />

, Generator<br />

P vGen<br />

und der Leistung für die aktiven Hilfsbetri<strong>eb</strong>e<br />

P HB<br />

von der aktuellen Dieselmotorleistung P Dmot<br />

.<br />

Vom Batteriesystem aus wird unter Berücksichtigung<br />

der Stellerdrosselverluste P vLCh<br />

und Batteriestellerverluste<br />

P vBCh<br />

an den Zwischenkreis die Zusatzleistung<br />

P B_CD<br />

übertragen.<br />

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110 (2012) Heft 8-9<br />

439


Fahrzeuge<br />

Aus der Summenleistung P CDmax<br />

beider Einspeisesysteme<br />

und nach Abzug der Verluste im Wechselrichter<br />

P vWR<br />

und in den Traktionsmotoren P vTrMot<br />

steht<br />

für die eigentliche Traktionsaufgabe eine maximale<br />

Leistung P Tr_max<br />

zur Verfügung.<br />

Über die Fahrzeuggeschwindigkeit v ergibt<br />

sich die maximal zulässige Zugkraft F 1zmax<br />

. Zur<br />

Stabilisierung des Gesamtsystems im Bereich der<br />

Maximalauslastung wird die erlaubte Zugkraft F 1zmax<br />

mit Variablen, die aus der Dieselmotordrehzahl n D<br />

(K FnD<br />

) und dem Dieselmotorlastfaktor p load<br />

(K FpLoad<br />

)<br />

g<strong>eb</strong>ildet werden, multipliziert. Mit dieser danach<br />

maximal zulässigen Zugkraft F 2zmax<br />

wird die vom<br />

Zugkraftsteller angeforderte Sollzugkraft F soll<br />

auf F 1soll<br />

begrenzt. Von der Antri<strong>eb</strong>ssteuerung wird dieser in<br />

eine Fahrmotordrehmomentvorgabe und damit Ist-<br />

Zugkraft umgesetzt.<br />

8 Zugkraft im Last-Mile-Betri<strong>eb</strong><br />

Bild 10:<br />

Zugkraft, Fahrwiderstand und Leistung im Last-Mile-Betri<strong>eb</strong> in Abhängigkeit<br />

von der Fahrzeuggeschwindigkeit.<br />

1 P zu_elekt<br />

= über LMD und LMB maximal eingespeiste elektrische Leistung in kW<br />

2 PT r_max<br />

= maximale Traktionsleistung in kW<br />

3 F 2zmax<br />

= maximale Zugkraft in kN<br />

4 W zges<br />

(1500) = Widerstandskennlinie für einen 1 500-t-Güterzug mit Wälzlagern in kN<br />

5 W zges<br />

(400) = Widerstandskennlinie für einen 400-t-Güterzug mit Wälzlagern in kN<br />

Fahrwiderstand Wagen W f-Wa<br />

= 1,4 + 0,0002 · v 2<br />

Fahrwiderstand Lokomotive W f_Tr<br />

= 2,5 + 0,00045 · v 2 mit W f<br />

in N/kN, v in km/h<br />

Bild 11:<br />

Anfahrzeiten t a<br />

für Lokomotive mit 1 500 t (links) und mit 400 t (rechts) Anhängelast im Last-<br />

Mile-Betri<strong>eb</strong> in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit.<br />

In Bild 10 sind die maximal erreichbare Zugkraft<br />

F 2zmax<br />

und die Traktionsleistung P Tr_max<br />

sowie die Fahrwiderstandskennlinien<br />

W zges<br />

für einen Zug mit 1 500 t<br />

und mit 400 t in der Ebene in Abhängigkeit der Geschwindigkeit<br />

v dargestellt. Für die Fahrwiderstände<br />

W f<br />

sind die nach Strahl für Wagen mit Wälzlagern angenäherten<br />

Widerstandsformeln zu Grunde gelegt.<br />

Die über das LMD und LMB größte zugeführte<br />

elektrische Leistung P zu_elekt<br />

ist in Bild 10 schwarz<br />

gepunktet dargestellt. Von der verfügbaren Dieselmotorleistung<br />

sind 10 % als Regelreserve vorgesehen.<br />

Wie die Kurvenverläufe zeigen, sind,<br />

bedingt durch die limitierte Einspeiseleistung<br />

P zu_elekt<br />

, der möglichen Zugkraft F 2zmax<br />

und damit<br />

der verfügbaren Traktionsleistung P Tr_max<br />

klare<br />

Grenzen gesetzt. Durch den physikalischen Zusammenhang<br />

P Tr_max<br />

= F 2zmax<br />

∙v ist im Anfahrpunkt,<br />

da v = 0 km/h, die Traktionsleistung zwangsläufig<br />

immer Null.<br />

Der kritischste Punkt ist der Anfahrpunkt. Infolge<br />

des Losbrechmoments und zum Teil noch nicht vollständig<br />

gelöster Bremsen wird das maximale Motordrehmoment<br />

benötigt. Allein zur Deckung der<br />

Motorverluste sind im Anfahrpunkt mit Nennzugkraft<br />

und Nennzwischenkreisspannung für die vier<br />

Fahrmotoren bei betri<strong>eb</strong>swarmer Fahrmotorwicklungstemperatur<br />

180 kW an den Motorwechselrichterausgängen<br />

erforderlich. Durch eine abgesenkte<br />

Zwischenkreisspannung werden die Oberschwingungsverluste<br />

der Fahrmotoren und die Stromrichtertaktverluste<br />

reduziert, wodurch auch mit der<br />

begrenzten Einspeiseleistung eine Anfahrzugkraft<br />

mit vier Fahrmotoren möglich wird, die nahe an<br />

der am Netz maximalen Anfahrzugkraft von 300 kN<br />

liegt. Der Einfluss der Fahrmotortemperatur auf die<br />

verfügbare Zugkraft ist infolge des hohen Motorgrundschwingungsstroms<br />

und des dadurch dominanten<br />

Verlustanteils der Motoren im Anfahrpunkt<br />

am größten.<br />

440 110 (2012) Heft 8-9


Fahrzeuge<br />

Entsprechend dem in Bild 10 dargestellten Rechenerg<strong>eb</strong>nis<br />

fällt die realisierbare Zugkraft F 2zmax<br />

bei<br />

konstanter maximaler Einspeiseleistung P zu_elekt<br />

nicht<br />

ganz mit 1/v ab und die eigentliche übertragbare<br />

Traktionsleistung P Tr_max<br />

nimmt zunächst linear zu.<br />

Die durch abnehmende Zugkraft und damit Momenten-<br />

und Stromreduktion in den Fahrmotoren<br />

einhergehenden abnehmenden Grundschwingungsverluste<br />

kommen bei ansteigender Geschwindigkeit<br />

der verfügbaren Traktionsleistung P Tr_max<br />

zugute. Ab<br />

etwa 15 km/h erreicht die Traktionsleistungskurve<br />

ihren maximalen Wert. Oberhalb dieser Geschwindigkeit<br />

haben die geschwindigkeitsabhängige Motorstromreduktion<br />

und damit die Motorverluste nur<br />

noch untergeordneten Einfluss auf die ansonsten<br />

konstanten Systemverluste und den Hilfsbetri<strong>eb</strong>eleistungsbedarf.<br />

Der Schnittpunkt der Widerstandskennlinien mit<br />

der Zugkraftkennlinie F 2zmax<br />

in Bild 10 ergibt die theoretisch<br />

erreichbare Zuggeschwindigkeit. Für eine<br />

<strong>eb</strong>ene Strecke erg<strong>eb</strong>en sich 22 km/h für einen Zug<br />

mit 1 500 t und 51 km/h für einen 400-t-Zug.<br />

Bild 11 zeigt die Anfahrzeiten t a<br />

der beiden Zugkonfigurationen<br />

unter Berücksichtigung der zusätzlichen<br />

rotierenden Massen für eine <strong>eb</strong>ene Strecke<br />

in Abhängigkeit der Geschwindigkeit v. So werden<br />

ohne Berücksichtigung der Zugkraftaufbauzeit<br />

5 km/h für den 1 500-t-Zug nach zirka 20 s und für<br />

einen 400-t-Zug nach etwa 6 s erreicht.<br />

9 Last-Mile-Ablaufsteuerung<br />

Bei der Einführung der Last-Mile-Funktionalität wurde<br />

speziell auf eine benutzerfreundliche und einfach<br />

strukturierte Bedienung geachtet. Dabei tritt die<br />

komplexe Ablaufsteuerung in den Hintergrund und<br />

erlaubt dem Tri<strong>eb</strong>fahrzeugführer eine einfache und<br />

auf den Betri<strong>eb</strong> abgestimmte Bedienung.<br />

Hierzu wird zwischen zwei Betri<strong>eb</strong>szuständen unterschieden.<br />

Zur Auswahl stehen zum einen der<br />

kombinierte Betri<strong>eb</strong> mit LMD und LMB und zum<br />

anderen ein reiner LMB-Betri<strong>eb</strong>. Durch die begrenzte<br />

Energie der Batterie ist der reine LMB-Betri<strong>eb</strong> nur<br />

für kurze Fahrten der Lokomotive ohne Anhängelast<br />

sinnvoll.<br />

Die Bedienung dieser beiden Betri<strong>eb</strong>szustände<br />

findet in zwei Ebenen statt. In der ersten Last-Mile-<br />

Bedien<strong>eb</strong>ene (Bild 12) kann über das Display die Art<br />

des Last-Mile-Betri<strong>eb</strong>szustandes ausgewählt werden.<br />

Hierzu werden im Display ein Motorsymbol (oben<br />

links) und ein Batteriesymbol (Mitte links) angezeigt.<br />

Durch die Auswahl des Motorsymbols wird zunächst<br />

nur der Dieselmotor gestartet. Der Dieselmotor<br />

kann bereits während des Netzbetri<strong>eb</strong>es gestartet<br />

und damit vorgewärmt werden, um dann ohne<br />

Betri<strong>eb</strong>spause den oberleitungsfreien Netzabschnitt<br />

befahren zu können.<br />

Sobald der Dieselmotor läuft, erscheint auf dem<br />

Display das Auswahlsymbol Last Mile On, welches<br />

den Last-Mile-Dieselbetri<strong>eb</strong> inklusive der Zusatzbatterie<br />

aktiviert. Erst nach Auswahl dieses Symbols wird<br />

das Fahrzeug automatisch in den Last-Mile-Betri<strong>eb</strong>szustand<br />

g<strong>eb</strong>racht. Der Hauptschalter wird geöffnet,<br />

der Stromabnehmer gesenkt und das LMD-Aggregat<br />

wird mit dem 3-phasigen Hilfsbetri<strong>eb</strong>enetz verbunden.<br />

Weiterhin wird die Batterie mit dem Eingangskreis<br />

des Stromrichters verbunden, so dass bei Traktionsanforderung<br />

die Zusatzleistung aus der Batterie<br />

zur Verfügung steht.<br />

Wird hingegen nicht das Dieselmotor-, sondern das<br />

Batteriesymbol betätigt, so wird der reine LMB-Betri<strong>eb</strong>szustand<br />

angewählt. Auch dieser muss durch das<br />

dann erscheinende Symbol Last Mile On aktiviert und<br />

damit übernommen werden. Erst dann findet die tatsächliche<br />

Umkonfiguration des Betri<strong>eb</strong>szustandes statt.<br />

In der zweiten Bedien<strong>eb</strong>ene (Bild 13) besteht die<br />

Möglichkeit, die Anzahl der aktiven Fahrmotoren zu bestimmen<br />

sowie das Laden für die Batterie freizug<strong>eb</strong>en.<br />

Bild 12:<br />

Grundbild für Last-Mile-Bedienung.<br />

Bild 13:<br />

Konfigurationsansicht für Last-Mile-Bedienung.<br />

110 (2012) Heft 8-9<br />

441


Fahrzeuge<br />

Während im LMD-Betri<strong>eb</strong> mit Unterstützung der<br />

Batterie zwischen vier, zwei und nur einem Fahrmotoren<br />

ausgewählt werden kann, steht aufgrund<br />

der geringeren Leistung im reinen LMB-Betri<strong>eb</strong><br />

die Wahl zwischen zwei und einem Fahrmotor zu<br />

Verfügung.<br />

In der zweiten Bedien<strong>eb</strong>ene befindet sich außerdem<br />

das Symbol, durch welches das Laden der<br />

Batterie freigeg<strong>eb</strong>en werden kann. Das Ladungsmanagement<br />

der LMB gibt dem Tri<strong>eb</strong>fahrzeugführer<br />

im Netzbetri<strong>eb</strong> bei längeren Stillstandzeiten einen<br />

Hinweis über den Ladungszustand der Batterie sowie<br />

eine Empfehlung, die Batterie zu laden mit Angabe<br />

der benötigten Ladedauer. Die Freigabe der Ladung<br />

geschieht dann durch die Betätigung des entsprechenden<br />

Symbols.<br />

10 Zusammenfassung und<br />

Ausblick<br />

Mit der Entwicklung der dritten Generation der<br />

Plattform TRAXX AC ist es gelungen, eine Hochleistungs-Elektrolokomotive<br />

mit der Funktionalität<br />

einer kleinen Rangierlokomotive zu erweitern. Die<br />

dafür eingesetzten bordeigenen Systeme sind eine<br />

Dieselgeneratoreinheit und eine Zusatzbatterie.<br />

Durch die Einspeiseleistung beider Systeme von<br />

knapp 300 kW ist es möglich, bei intelligenter Steuerung<br />

der Lastflüsse Zugkräfte zu erzeugen, mit<br />

denen eine Anhängelast bis etwa 1500 t gezogen<br />

werden kann.<br />

Die Anforderungen an das Hybridsystem für den<br />

fahrdrahtlosen Betri<strong>eb</strong> wurden durch Versuchsfahrten<br />

mit einer Diesellokomotive und einer charakteristischen<br />

Last ermittelt.<br />

Potenzial für weitere Entwicklungen, insbesondere<br />

im Hinblick auf die aktuelle Dynamik im Bereich<br />

der Elektromobiliät, ist bereits heute sichtbar. Mit<br />

der Kombination eines Dieselgenerators mit einem<br />

Batteriespeicher ist die Grundlage hierfür im Fahrzeug<br />

bereits gelegt. Sobald leistungsstärkere bahntaugliche<br />

Batteriespeicher verfügbar sein werden,<br />

können diese in die bestehende Struktur eingesetzt<br />

und die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems gesteigert<br />

werden.<br />

Gegenwärtig befinden sich drei mit dem Last-<br />

Mile-System ausgerüstete TRAXX-AC3-Vorserienlokomotiven<br />

in der Inbetri<strong>eb</strong>nahme und werden<br />

dann eine intensive Test- und Erprobungsphase<br />

durchlaufen. Mit dem Leasingunternehmen Railpool<br />

ist bereits ein erster Kunde für fünf <strong>Lokomotiven</strong><br />

mit der neuen Funktionalität gewonnen<br />

worden. Erfahrungen aus den Erprobungsfahrten<br />

werden in einer späteren Veröffentlichung dargestellt.<br />

Literatur<br />

[1] Buscher, M.; Pawlak, J.: Baureihe 185: Modulare Mehrzwecklokomotive<br />

für den grenzüberschreitenden<br />

Verkehr. In <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 98 (2000), H. 4, S. 125.<br />

[2] Buscher, M.; Köck, F.; Trotsch, P.; Bikle, U.: TRAXX: Integrale<br />

Plattform zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit<br />

des Schienenverkehrs. In: ETR Eisenbahntechnische<br />

Rundschau 55 (2006), H. 9.<br />

[3] Altman, L.; Honegger, P.; Krönke, M.; Sonnleitner, W.;<br />

Eikenberg, M.: Die nächste Generation TRAXX – Weiterentwicklung<br />

einer erfolgreichen Lokomotivplattform.<br />

In: ZEVrail (2011), Tagungsband SFT Graz 2011.<br />

[4] Hawker XFC Flex Anwenderhandbuch.<br />

AUTORENDATEN<br />

Dr.-Ing. Christoph Schätzer<br />

(46), Studium der Elektrotechnik und<br />

Promotion an der TU Darmstadt; ab<br />

2003 Systemingenieur bei Bombardier<br />

in Mannheim für elektrische Antri<strong>eb</strong>e<br />

von Elektro- und Diesellokomotiven, ab<br />

2005 technischer Projektleiter bei der<br />

Entwicklung der TRAXX DE, ab 2008<br />

verschiedene Leitungspositionen im<br />

Bereich Advanced System-Development<br />

und System-Engineering; seit 2011 Leiter<br />

System- und Fahrzeug-Engineering<br />

für die TRAXX E-<strong>Lokomotiven</strong>.<br />

Adresse: Bombardier Transportation,<br />

Neustadter Str. 62,<br />

68309 Mannheim, Deutschland;<br />

Fon: +49 621 7001-1072;;<br />

E-Mail: christoph.schaetzer@<br />

de.transport.bombardier.com<br />

Dipl.-Ing. Philipp Hetzelt (30), Studium<br />

der Elektrotechnik an der RWTH<br />

Aachen; ab 2008 bei Bombardier tätig<br />

im System-Engineering für Stromrichter<br />

und Antri<strong>eb</strong>e; seit 2011 im Bereich<br />

System- und Fahrzeug-Engineering<br />

im Projekt TRAXX AC3 zuständig für<br />

Stromrichter und Last Mile Battery.<br />

Adresse: wie oben;<br />

Fon: +49 621 7001-1388;<br />

E-Mail: philipp.hetzelt@de.transport.<br />

bombardier.com<br />

Dipl.-Ing. Ludwig Still (59), Studium<br />

der Elektrotechnik TU Darmstadt;<br />

ab 1979 bei Vorgängerfirmen von<br />

Bombardier in der Stromrichterentwicklung<br />

und seit 1988 im System-<br />

Engineering tätig, Specialist-Engineer<br />

für Stromrichter und Antri<strong>eb</strong>stechnik im<br />

<strong>Lokomotiven</strong>-Engineering.<br />

Adresse: wie oben;<br />

Fon: +49 621 7001-1175;<br />

E-Mail: ludwig.still@de.transport.<br />

bombardier.com<br />

442 110 (2012) Heft 8-9


Fahrzeuge<br />

Energiespeicher auf Straßen- und Stadtbahnfahrzeugen<br />

− das erste Serienprojekt<br />

Markus Klohr, Andreas Maroschik, Mannheim<br />

In 2007 erhielt Bombardier von der Rhein-Neckar-Verkehr GmbH (RNV) den Auftrag, 19 Fahrzeuge mit<br />

einer Antri<strong>eb</strong>sausrüstung mit Energiespeicher auszuliefern. Der Aufsatz beschreibt die unterschiedlichen,<br />

inzwischen ausgelieferten Fahrzeugvarianten sowie das Konzept der Antri<strong>eb</strong>sausrüstung mit Energiespeicher<br />

und die Erfahrungen aus dem Fahrgastbetri<strong>eb</strong>. Die gemessenen Energieeinsparungen und deren<br />

Einflussfaktoren werden vorgestellt und diskutiert.<br />

ENERGY STORAGE UNITS ON TRAM AND LIGHT-RAIL VEHICLES – THE FIRST SERIES PROJECT<br />

In 2007, Bombardier received from the Rhein-Neckar-Verkehr GmbH (RNV) the order to deliver 19 vehicles<br />

with a drive system including an energy storage unit. This article describes the various types of vehicles so<br />

far delivered, the concept of the driving system with energy store, and the experience gathered in passenger<br />

transport service. Presented and discussed are the measured energy savings and its influential factors.<br />

ACCUMULATEURS D’ÉNERGIE SUR LES RAMES DE TRAMWAY ET DE MÉTRO – LE PREMIER PROJET EN SÉRIE<br />

En 2007, la société de transports Rhein-Neckar-Verkehr (RNV) a commandé à Bombardier 19 véhicules<br />

entraînés par accumulateur d’énergie. L’article décrit les différentes variantes de véhicules qui ont déjà été<br />

livrés ainsi que le système d’entraînement par accumulateur d’énergie et les expériences faites en service<br />

voyageurs. Les économies d’énergie mesurées et leurs facteurs d’influence sont présentés pour discussion.<br />

1 Einleitung<br />

Spätestens seit der Umweltkonferenz in Kyoto zum<br />

Thema Klimaveränderungen ist der umweltschonende<br />

Ressourceneinsatz ein zentrales Thema der<br />

Menschheit geworden. Ein wichtiges Thema ist<br />

die Senkung des Energieverbrauchs und damit des<br />

Schadstoffausstoßes. Ein Stadtbahnfahrzeug verursacht<br />

jährliche Energiekosten von etwa 30 000 EUR,<br />

Bild 1:<br />

Si<strong>eb</strong>enteilige Variante der Variobahn der HSB mit MITRAC Energy<br />

Saver.<br />

eine Senkung des Energieverbrauchs würde nicht<br />

nur eine entsprechende Kostenreduktion, sondern<br />

auch eine Reduktion des Kohlendioxidausstoßes der<br />

Energieerzeugenden Kraftwerke bedeuten. Dies ist<br />

eine eindeutige ökologische und ökonomische Verbesserung,<br />

insbesondere bei Berücksichtigung von<br />

steigenden Energiekosten. Um dies zu erreichen,<br />

müssen neue Wege beschritten werden, da selbst<br />

deutliche Verbesserungen von einzelnen Komponenten<br />

im Antri<strong>eb</strong>ssystem eines Stadtbahnfahrzeugs nur<br />

zu einem relativ geringen Energiesparpotenzial führen.<br />

Erwiesenermaßen ist nur mithilfe einer grundlegenden<br />

Änderung des heutigen Antri<strong>eb</strong>ssystems<br />

ein Weg zu größerer Energieeinsparung möglich.<br />

Die Modifizierung des Antri<strong>eb</strong>ssystems basiert auf<br />

einem Energiespeicher, der die Bremsenergie aufnimmt<br />

und diese während des nächsten Beschleunigungsvorgangs<br />

als Antri<strong>eb</strong>senergie wieder abgibt [1;<br />

2; 3]. Konventionelle Stadtbahnfahrzeuge verfügen<br />

zwar über die Möglichkeit, durch Umwandlung von<br />

Brems energie in elektrische Energie und Rückspeisung<br />

ins Gleichstromnetz Energie zu sparen, jedoch<br />

ist dies nur möglich, wenn sich entweder gleichzeitig<br />

ein weiterer Straßenbahnzug als Verbraucher im<br />

Speiseabschnitt befindet oder wenn die Gleichrichterunterwerke<br />

rückspeisefähig g<strong>eb</strong>aut sind. Energie,<br />

die nicht rückgespeist werden kann, wird über den<br />

Bremswiderstand des Antri<strong>eb</strong>ssystems in Wärme umgesetzt.<br />

Stadtbahnfahrzeuge mit Energiespeicher<br />

können nahezu die gesamte Bremsenergie nutzen,<br />

was eine wesentliche Einsparung bedeutet.<br />

444 110 (2012) Heft 8-9


Fahrzeuge<br />

2 Fahrzeugtechnik<br />

2.1 Historie<br />

Im Jahr 1998 haben die Heidelberger Straßen- und<br />

Bergbahn AG (HSB), die Mannheimer Versorgungsund<br />

Verkehrsgesellschaft mbH (MVV), die Oberrheinischen<br />

Eisenbahn-Gesellschaft AG (OEG) und die<br />

Verkehrsbetri<strong>eb</strong>e Ludwigshafen (VBL) einen Auftrag<br />

über die Lieferung von 36 Straßenbahnen mit weiteren<br />

Lieferoptionen an die Firma Adtranz verg<strong>eb</strong>en.<br />

Im Verlauf der folgenden Jahre wurden die<br />

Verkehrsaktivitäten der vier Unternehmer 2004 an<br />

die Rhein-Neckar-Verkehr GmbH (RNV) übertragen.<br />

Der andere Vertragspartner Adtranz wurde 2001 an<br />

Bombardier verkauft.<br />

Die unterschiedlichen Betri<strong>eb</strong>sanforderungen der<br />

einzelnen Verkehrsunternehmer konnten nur durch<br />

die Bestellung von verschiedenen Fahrzeugausführungen<br />

erfüllt werden (Tabelle 1). Alle Varianten<br />

wurden jedoch mit gleichen Basis-Systemen und<br />

Komponenten ausgerüstet.<br />

Die bereits 1998 vereinbarten Lieferoptionen<br />

wurden in drei weiteren Losen bei Bombardier abgerufen.<br />

Das zweite Los, bestehend aus 16 Fahrzeugen,<br />

wurde in den Jahren 2006 bis 2007 ausgeliefert.<br />

Als drittes Los (Option 2) wurden 19 Fahrzeuge<br />

zwischen 2009 und 2010 ausgeliefert. Im Jahr 2011<br />

wurde mit weiteren 11 Fahrzeugen das vierte Los<br />

bestellt. Die Auslieferung wird in Jahren 2012 und<br />

2013 erfolgen.<br />

Die technische Ausführung der Lose 1 und 2<br />

sowie der Lose 3 und 4 ist nahezu identisch. Zwischen<br />

den Losen zwei und drei wurde vor allem<br />

die elektrische Ausrüstung dem weiterentwickelten<br />

technischen Stand angepasst. Dabei wurde der<br />

wassergekühlte Duostromrichter 13SG44 durch den<br />

deutlich kompakteren, luftgekühlten Stromrichter<br />

MITRAC ® TC 550 ES (13SG76) ersetzt. Gleichzeitig<br />

wurde auch der Wechsel in der Fahrzeugleittechnik<br />

auf MITRAC ® 2 vollzogen. Die neue Technik ermöglicht<br />

den serienmäßigen Einsatz eines von Bombardier<br />

neu entwickelten Energiespeichers. Diese<br />

Möglichkeit wurde bei allen 30 Fahrzeugen der Lose<br />

3 und 4 realisiert.<br />

Die Fahrzeuge wurden als fünf- oder si<strong>eb</strong>enteilige<br />

Variante der Variobahn bestellt. Bei allen Fahrzeugen<br />

beträgt die Fußbodenhöhe 350 mm im Niederflurbereich<br />

und 630 mm über den Tri<strong>eb</strong>fahrwerken. Alle<br />

Fahrgast einstiege sind im Niederflurbereich angeordnet.<br />

Der Niederfluranteil beträgt 70 %.<br />

Beim si<strong>eb</strong>enteiligen Fahrzeug wird der Fahrgastraum<br />

durch drei Klimaanlagen temperiert. Die<br />

Fahrerkabinen sind mit separaten Kompaktklimageräten<br />

ausgestattet. Für die Fahrgäste stehen, wie<br />

in Bild 1 sichtbar, je Seite fünf doppelflügelige<br />

Schwenkschi<strong>eb</strong>etüren mit einer Breite von 1 300 mm<br />

zur Verfügung. Eine zusätzliche einflügelige Tür befindet<br />

sich im Fahrerraum.<br />

Das aus den DC 24 V- und den 3 AC 400 V 50 Hz-<br />

Stromkreisen bestehende Bordnetz wird durch einen<br />

Bordnetzumrichter (BNU) gespeist, der unmittelbar<br />

mit der Fahrleitungsspannung DC 750 V betri<strong>eb</strong>en<br />

wird. Der BNU besitzt eine Nennscheinleistung von<br />

55 kVA. Die Kühlkreise der Fahrgastklimaanlagen, die<br />

Kompaktklimageräte der Fahrerräume und etliche<br />

Gerätelüfter werden von dem 3 AC 400 V 50 Hz-Netz<br />

versorgt. Die Fahrzeugbatterie hat eine Kapazität<br />

von 200 Ah und wird durch das im BNU integrierte<br />

Batterieladegerät geladen.<br />

3 Antri<strong>eb</strong>ssystem<br />

3.1 Konzept des Antri<strong>eb</strong>ssystems<br />

2.2 Fahrzeugtechnik<br />

110 (2012) Heft 8-9<br />

Die fünfteiligen Fahrzeuge besitzen zwei Tri<strong>eb</strong>fahrwerke<br />

und ein Lauffahrwerk. Die si<strong>eb</strong>enteiligen Fahrzeuge<br />

haben drei Tri<strong>eb</strong>fahrwerke und ein Lauffahrwerk.<br />

Der ab Los 3 erneuerte Antri<strong>eb</strong>sstrang besteht<br />

je Tri<strong>eb</strong>fahrwerk aus einem luftgekühlten Duostromrichter,<br />

einem 30 kW Bremswiderstand, einem Energiespeicher<br />

in Doppelschichtkondensator-Technologie<br />

und zwei Drehstrom-Asynchronmotoren mit<br />

einer Leistung von je 95 kW. Der aus der Oberleitung<br />

mit DC 750 V versorgte Stromrichter, der Bremswiderstand<br />

und der Energiespeicher sind in separaten<br />

aber sich aneinander reihenden Containern modular<br />

aufg<strong>eb</strong>aut.<br />

Die Herausforderung bestand dabei darin, auf<br />

dem Platz des bisherigen Traktionsstromrichters<br />

auch noch den Energiespeicher n<strong>eb</strong>st seiner Schaltund<br />

Schutzeinrichtungen einzubauen. Dies gelang<br />

nur durch konsequente Optimierung der Anordnung<br />

der Komponenten und die Verwendung hochintegrierter<br />

neuer Technologien wie die Verwendung von<br />

IGBT-Dualschaltern als Wechselrichter. Dadurch entstand<br />

eine für die Dachmontage vorgesehene sehr<br />

kompakte Einheit mit bisher nicht erreichten Leis-<br />

TABELLE 1<br />

Vergleich der Fahrzeugvarianten.<br />

Verkehrsunternehmen Länge<br />

m<br />

Breite<br />

m<br />

Anzahl<br />

Module<br />

Einrichter/<br />

Zweirichter<br />

Doppeltraktion<br />

HSB 39,42 2,4 7 ZR nein<br />

OEG 30,53 2,4 5 ZR ja<br />

MVV 42,78 2,4 7 ER nein<br />

VBL 30,53 2,4 5 ER nein<br />

445


Fahrzeuge<br />

TABELLE 2<br />

Technischen Daten des Stromrichtergerätes<br />

MITRAC C 550 ES.<br />

Nennspannung V DC 600/750<br />

Eingangsstrom A 1 x 300<br />

Ausgangsspannung V 556<br />

Ausgangsstrom A 2 x 220<br />

Gewicht ca. kg 403<br />

Abmessungen ca. mm 1700 x 860 x 450<br />

tungsdichten (Bild 2). Die kompakte Stromrichterbaugruppe<br />

in der linken Bildmitte (blaue Deckplatte)<br />

enthält zwei getrennte Wechselrichter n<strong>eb</strong>st Bremssteller<br />

inklusive Ansteuerung und die Leistungselektronik<br />

zur Ansteuerung der Energiespeicher. Sie ist<br />

dabei in der Lage, Motoren bis zu einer Leistung von<br />

jeweils 120 kW zu speisen.<br />

Tabelle 2 zeigt die technischen Daten des Stromrichtergerätes<br />

MITRAC ® TC 550 ES<br />

3.2 Anbindung des Energiespeichers an<br />

das Antri<strong>eb</strong>ssystem<br />

Bild 2:<br />

Stromrichtergerät<br />

MITRAC ® TC 550 ES mit<br />

MITRAC ES 500 (Energy<br />

Saver).<br />

Bild 3:<br />

Übersichtsschaltplan des Traktionssystems der HSB-Variobahn mit Energiespeicher.<br />

Zu einem funktionierenden System gehören n<strong>eb</strong>en<br />

dem reinen Energiespeicher ein Stellglied und eine<br />

Regelung. Der Energiespeicher wird hier über einen<br />

bidirektionalen Tiefsetzsteller mit dem Zwischenkreis<br />

verbunden, damit immer die richtige Leistung vom<br />

oder in den Energiespeicher eingestellt werden kann<br />

(Bild 3). Die einzelnen Komponenten wie Halbleiter,<br />

Drossel und Sensoren konnten in den Standardstromrichter-Container<br />

integriert werden und führen<br />

daher nicht zu zusätzlichem Platzbedarf.<br />

Die Regelung, das so genannte Energie-Management,<br />

steuert über den Tiefsetzsteller den Leistungsfluss<br />

vom und zum Energiespeicher. Das Energie-<br />

Management kann für verschiedene Betri<strong>eb</strong>sarten<br />

optimiert werden. Hier können beispielsweise folgende<br />

Betri<strong>eb</strong>sregime eingestellt werden:<br />

• Reduzierung der vom Fahrleitungsnetz aufgenommenen<br />

Energie<br />

• Reduktion der vom Netz aufzunehmenden Leistungsspitzen<br />

• Reduktion des Spannungsabfalls über der Fahrleitung<br />

oder auch fahrleitungsloser Betri<strong>eb</strong><br />

Das Energie-Management kann prinzipiell so eingestellt<br />

werden, dass über das Fahrleitungsnetz auch<br />

die Bremsenergie eines anderen Fahrzeugs, das sich<br />

im gleichen Speiseabschnitt befindet, aufgenommen<br />

werden kann.<br />

3.2.1 Energiespeichergerät<br />

Bild 4:<br />

Ansicht (geöffnet)<br />

des MITRAC ES 500<br />

zusammen mit der<br />

Bremswiderstandsrückkühleinheit<br />

Das Energiespeichergerät enthält 320 Doppelschichtkondensatoren,<br />

verteilt auf zwei elektrisch unabhängige<br />

Säulen mit je acht Modulen. Speziell für das Projekt RNV<br />

ist das Energiespeichergerät mechanisch mit der Bremswiderstands-<br />

und Rückkühleinheit verbunden (Bild 4).<br />

Das Gerät wird durch zwei Drehstromlüfter forciert<br />

luftgekühlt, die über das Drehstrombordnetz gespeist<br />

werden. Es enthält zudem alle zur Überwachung und<br />

Steuerung über das Energiemanagement notwendigen<br />

Mess- und Schutzorgane. Die Zuschaltung der Elemente<br />

wird über das Stromrichtergerät gesteuert. Tabelle 3<br />

zeigt die technischen Daten des MITRAC ® ES 500.<br />

446 110 (2012) Heft 8-9


Fahrzeuge<br />

Da es sich um einen Energiespeicher mit großem<br />

Energieinhalt handelt, erfordert der Umgang im<br />

Service besondere Vorsicht, da bei Fehlfunktionen<br />

die Energiespeicher noch unter Spannung stehen<br />

könnten. Daher ist der Leistungskreis zweistufig redundant<br />

elektrisch trennbar und gewährleistet damit<br />

einen erhöhten Berührungsschutz im Falle von Reparatur-<br />

und Wartungsarbeiten.<br />

Herzstück des Energiespeichers sind die Speichermodule<br />

(Bild 5), die die Doppelschichtkondensatoren<br />

und deren Verbinder beinhalten. Sie sind kurzschlussfest,<br />

zertifiziert und getestet nach Bahnstandard<br />

DIN IEC 61881-3 [6] und erfüllen die Brandschutznormen<br />

DIN 5510 und NF 16-102 [4; 5]. Die Vorteile<br />

der Modulbauweise sind n<strong>eb</strong>en dem Schutz gegen<br />

Umwelteinflüsse eine integrierte Kühloberfläche und<br />

die Herstellung der Isolation zur Hochspannung in<br />

einer handlichen Montageeinheit. Die zur Sicherheitskette<br />

gehörende Überwachungselektronik ist im Modul<br />

integriert. Sie beinhaltet eine Einzelzellspannungsüberwachung,<br />

die Zellspannungsausgleichsfunktion,<br />

das Balancing, sowie eine Temperaturüberwachung.<br />

Die Feedbacksignale werden potentialfrei herausgeführt.<br />

Die übergeordnete Überwachung fängt weitere<br />

Fehlerfälle wie Überstrom etc. zusätzlich ab. Durch<br />

den kompakten Aufbau mit dem Gehäuseschutzgrad<br />

IP65 ist zudem eine hervorragende Begrenzung der<br />

Fehlerausweitung realisiert worden. Die Energie- und<br />

Leistungsdichte des Moduls ist sehr hoch.<br />

3.3 Betri<strong>eb</strong>sarten des Energiespeichers<br />

Das Energiespeichergerät kann bei RNV-Fahrzeugen<br />

in zwei Betri<strong>eb</strong>smodi eingesetzt werden:<br />

• Energiespar-Betri<strong>eb</strong> (ES), maximale Energiespeicherspannung<br />

400 V<br />

• Oberleitungsfreier Betri<strong>eb</strong> (CFO), maximale Energiespeicherspannung<br />

432 V<br />

Im ES-Betri<strong>eb</strong> wird die komplette Ablaufsteuerung<br />

durch das Energiemanagement realisiert. Dabei ist<br />

die Entladung abhängig von der Beschleunigung und<br />

der Geschwindigkeit des Fahrzeugs. Außerdem werden<br />

die Maximalstromgrenzen des Energiespeichers<br />

berücksichtigt. Im Normalbetri<strong>eb</strong> (ES) ist der Energiespeicher<br />

zu Beginn der Beschleunigung auf die<br />

entsprechende Maximalspannung geladen. Dies wird<br />

durch das Energiemanagement im vorangegangenen<br />

Bremsvorgang sichergestellt. Die im Energiespeicher<br />

gespeicherte Energie wird eingesetzt, um die dem<br />

Fahrleitungsnetz zu entnehmende Leistung während<br />

des Beschleunigungsvorgangs zu reduzieren. Die Verteilung<br />

der zur Verfügung stehenden Energie über<br />

das Fahrspiel wird dabei durch das Energiemanagement<br />

gesteuert. Beim elektrischen Bremsbetri<strong>eb</strong> wird<br />

der Energiespeicher geladen. Dabei ist die Ladung<br />

des Energiespeichers vorzugsweise höher bewertet<br />

110 (2012) Heft 8-9<br />

TABELLE 3<br />

Technischen Daten des Energiespeichers MITRAC ES 500.<br />

Nennspannung V DC 432<br />

Eingangsstrom A 2 x 125<br />

Maximalstrom A 2 x 400<br />

Nennkapazität F 2 x 18,7<br />

Energieinhalt kWh 2 x 0,5<br />

Gewicht ca. kg 438<br />

Abmessungen ca. mm 1700 x 670 x 600<br />

gegenüber der Rückspeisung ins Fahrleitungsnetz<br />

und der Nutzung des Bremswiderstands. Der Einsatz<br />

des Bremswiderstands wird über die Höhe der<br />

Zwischenkreisspannung gesteuert. Für den Fall, dass<br />

der Energiespeicher während der Bremsung nicht<br />

vollständig geladen wurde (zum Beispiel Bremsung in<br />

einer Steigung), wird der Energiespeicher im weiteren<br />

zeitlichen Verlauf aus dem Fahrleitungsnetz während<br />

des Stillstandes im Haltestellenbereich nachgeladen.<br />

Der Energiespeicher wird auch während der Aufrüstphase<br />

zum Beispiel im Betri<strong>eb</strong>shof geladen. Der<br />

Ladevorgang dauert etwa 2 min. Der dabei auftretende<br />

Ladestrom ist dabei so klein, dass bei stehendem<br />

Fahrzeug keine Schäden an der Berührungsstelle<br />

von Schleifleiste und Fahrdraht auftreten können.<br />

Der Ladevorgang kann bei jedem Ladezustand durch<br />

den Fahrbefehl abg<strong>eb</strong>rochen werden. In diesem Fall<br />

erfolgt die vollständige Aufladung im Laufe des Betri<strong>eb</strong>s<br />

über die ersten Fahrspiele.<br />

Die eingesetzten Fahrzeuge mit Energiespeichern<br />

bieten die Möglichkeit, optional zum ES-Betri<strong>eb</strong> in<br />

Bild 5:<br />

Speichermodul des MITRAC ES<br />

500 54 V, 150 F, 18 kg.<br />

447


Fahrzeuge<br />

den so genannten oberleitungsfreien Betri<strong>eb</strong> (CFO)<br />

zu wechseln, das heißt, das Fahrzeug kann ohne<br />

Energieentnahme aus dem Fahrleitungsnetz betri<strong>eb</strong>en<br />

werden. Dabei hängt die mögliche Fahrstrecke<br />

von der Topografie der Strecke (zum Beispiel Steigung),<br />

der Fahrgeschwindigkeit und der geforderten<br />

Hilfsbetri<strong>eb</strong>eleistung ab. Im oberleitungsfreien<br />

Betri<strong>eb</strong> ist die Beschleunigung auf 0,6 m/s ² und die<br />

Betri<strong>eb</strong>sgeschwindigkeit auf 30/h begrenzt. Um den<br />

nutzbaren Energieinhalt des Speichers gegenüber<br />

dem ES-Betri<strong>eb</strong> zu vergrößern, wird die Speicherspannung<br />

auf die Nennspannung der Doppelschichtkondensatoren<br />

erhöht. Mit dem so ausgerüsteten<br />

Fahrzeug konnten so während Demonstrationsfahrten<br />

Strecken bis 1 000 m zurückgelegt werden.<br />

Wird das Antri<strong>eb</strong>ssystem zum Beispiel beim Abrüsten<br />

deaktiviert, wird der Energiespeicher über den<br />

Bremswiderstand automatisch entladen.<br />

4 Erfahrungen aus dem Betri<strong>eb</strong>seinsatz<br />

4.1 Messungen zur Inbetri<strong>eb</strong>nahme<br />

Während der umfangreichen Inbetri<strong>eb</strong>nahmehandlungen<br />

wurden im gesamten Streckennetz der RNV<br />

Testfahrten durchgeführt, die messtechnisch überwacht<br />

wurden. N<strong>eb</strong>en den üblichen Einstellungen<br />

der Fahrzeug- und Betri<strong>eb</strong>ssteuerung wurde dabei<br />

versucht, eine möglichst universelle Ansteuerung<br />

des Speicherstellers und optimale Einstellungen des<br />

Energiemanagements zu finden. Aufgrund der Größe<br />

des Kundennetzes setzt dies natürlich einen einfachen<br />

und in manchen Fällen nicht idealen Ansatz voraus.<br />

Für spezielle Kundenszenarien wie zum Beispiel<br />

Stützung der Fahrleitungsspannung am Ende eines<br />

Speis<strong>eb</strong>ereiches müssen gesonderte Ansätze verfolgt<br />

werden. Bild 6 zeigt die bei einer solchen Messfahrt<br />

ermittelten Verläufe der Traktionsleistungen mit und<br />

ohne den Einsatz des Energiespeichers.<br />

Das linke Bild zeigt die Verläufe bei dem ohne<br />

Energiespeicher gefahren wurde. Dabei wird während<br />

der Beschleunigung die volle Traktionsleistung<br />

aus dem Netz bezogen. Während der Bremsphase<br />

wird die Rückspeiseleistung in das Fahrleitungsnetz<br />

aufgrund des Erreichens der maximal zulässigen<br />

Fahrleitungsspannung von 900 V begrenzt und ein<br />

Großteil der verfügbaren Leistung im Bremswiderstand<br />

in Wärmeenergie umgesetzt. Anders beim Einsatz<br />

des Energiespeichers (rechtes Bild). Die gesamte<br />

Bremsenergie wird in den Hilfsbetri<strong>eb</strong>en verbraucht,<br />

dem Energiespeicher zugeführt oder in das Fahrleitungsnetz<br />

zurückgespeist. Während des folgenden<br />

Beschleunigungsvorgangs wird etwa nur die Hälfte<br />

der erforderlichen Traktionsleistung aus dem Fahrleitungsnetz<br />

bezogen. Der andere Teil wird vom<br />

Energiespeicher zur Verfügung gestellt. Der Bremswiderstand<br />

wird in diesem Beispiel nicht benötigt. In<br />

diesem Fahrspiel kann eine Energieeinsparung von<br />

30 % nachgewiesen werden.<br />

4.2 Ermittlung der Energi<strong>eb</strong>ilanz<br />

Randbedingungen<br />

Im August und September 2011 wurden an einem<br />

si<strong>eb</strong>enteiligen HSB-Stadtbahnfahrzeug Energieverbrauchmessungen<br />

in verschiedenen Streckenabschnitten<br />

der RNV durchgeführt. Um realitätsnahe<br />

Erg<strong>eb</strong>nisse zu erhalten wurden alle Messungen mit<br />

2<br />

/ 3 Beladung des Fahrzeugs durchgeführt. Als Messstrecken<br />

wurden folgende drei Abschnitte ausgewählt:<br />

1. Eine 21,3 km lange, innerstädtische Strecke<br />

Bild 6:<br />

Gemessene Verläufe der Zwischenkreis-, Eingangs-, Speicher- und Bremswiderstandsleistung in einem Fahrspiel mit 50 km/h während der Inbetri<strong>eb</strong>nahme,<br />

ohne Energiespeicher (links) und mit Energiespeicher (rechts).<br />

blau Traktionseingangsleistung grün Energiespeicherleistung<br />

rot Zwischenkreisleistung braun Bremswiderstandsleistung<br />

448 110 (2012) Heft 8-9


Fahrzeuge<br />

mit einem großen Anteil von 30 km/h-Zonen.<br />

Streckenverlauf: Rangierbahnhof – Gewerkschaftshaus<br />

– Paradeplatz – Hauptbahnhof – Universität<br />

– Alte Feuerwache – Käfertal – Heddesheim.<br />

2. Eine 16 km lange städtische Strecke, vorwiegend<br />

mit Höchstgeschwindigkeiten von 50-60 km/h. Streckenverlauf:<br />

Heddesheim – Käfertal – Uniklinikum –<br />

Rosengarten – Planetarium – Rangierbahnhof.<br />

3. Eine 12 km lange Überlandstrecke mit Höchstgeschwindigkeiten<br />

von 60-80 km/h. Strec ken verlauf:<br />

Erdingen Bahnhof – Collini Center.<br />

Während der Messfahrten wurden auf der DC 750 V-<br />

Spannungs<strong>eb</strong>ene folgende elektrische Größen gemessen<br />

(Bild 7):<br />

• Fahrleitungsspannung (U Netz<br />

)<br />

• Ströme zu/von den Stromrichtern (I SR1<br />

, I SR2<br />

, I SR3<br />

, I HB<br />

)<br />

• Ströme zu/von den Energiespeicher (I ES1<br />

, I ES2<br />

)<br />

• Energiespeicherspannung (U ES1<br />

, U ES2<br />

)<br />

Die Messwerte der beiden Energiespeicher wurden<br />

nur am Stromrichtergerät 2 erfasst. Unter der Annahme,<br />

dass alle Energiespeicher sich gleich verhalten,<br />

wurden diese Werte auch für die Stromrichter 1<br />

und 3 übernommen.<br />

Um vergleichbare Messungen mit möglichst gleichen<br />

Randbedingungen zu erhalten, wurden bei den<br />

Messfahrten alle Heiz- und Klimaanlagen abgeschaltet.<br />

Jede Messstrecke wurde mit und ohne Energiespeicher<br />

befahren.<br />

Erg<strong>eb</strong>nisse der Messfahrten<br />

4. Innerstädtische Messstrecke.<br />

Die zum großen Teil innerstädtische Messstrecke<br />

wurde dreimal mit einem aktiven und zweimal mit<br />

einem gesperrten Energiespeicher befahren. Die<br />

Fahrzeit betrug 65 bis 75 min. Die durchschnittliche<br />

Einsparung an Antri<strong>eb</strong>senergie betrug auf die-<br />

ser Strecke 6,15 %. Bei der genaueren Betrachtung<br />

der Messwerte wurde ein deutlicher Unterschied<br />

zwischen dem 10,5 km langen, durch Fußgängerund<br />

30 km/h-Zonen führenden Abschnitt und<br />

dem 10,8 km langen, restlichen Abschnitt sichtbar.<br />

In dem innerstädtischen Abschnitt mit Höchstgeschwindigkeiten<br />

unterhalb 30 km/h und relativ<br />

langen Ausrollphasen konnte keine Energieeinsparung<br />

nachgewiesen werden. Anders sehen die Erg<strong>eb</strong>nisse<br />

im restlichen Streckenabschnitt aus. Auf<br />

denen wurde eine mittlere Energieeinsparung von<br />

9,5 % bzw. 3,7 kWh ermittelt.<br />

5. Städtische Messstrecke<br />

Die städtische Messstrecke mit kleinem Überlandund<br />

Innenstadtanteil wurde zweimal mit einem<br />

aktiven und dreimal mit einem gesperrten Energiespeicher<br />

befahren. Die Fahrzeit betrug zwischen<br />

38 und 41 min. Die mittlere Einsparung<br />

der durch die Antri<strong>eb</strong>e verbrauchten Energie lag<br />

bei 19,25 % beziehungsweise 9,5 kWh.<br />

6. Überlandmessstrecke<br />

Die 12 km lange Strecke wurde je einmal mit einem<br />

Bild 7:<br />

Vereinfachter Hauptstromplan<br />

mit Messpunkten.<br />

ES Energiespeicher<br />

SR Stromrichter<br />

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110 (2012) Heft 8-9<br />

449


Fahrzeuge<br />

aktiven und einem gesperrten Energiespeicher, mit<br />

Spitzengeschwindigkeiten bis 80/h befahren. Die<br />

Fahrzeit betrug zwischen 21 und 24 min. Die mit<br />

dem Energiespeicher erzielte Einsparung der Antri<strong>eb</strong>senergie<br />

betrug 29,37 % bzw. 10,3 kWh.<br />

Analyse und Bewertung<br />

Die Auswertung der Messungen zeigt, dass eine große<br />

Bandbreite der bei den Messfahrten ermittelten<br />

Energieeinsparungen vorhanden ist. Daher erscheint<br />

es notwendig, diese Abhängigkeiten etwas näher zu<br />

untersuchen. Es wurde eine Auswertung der Energi<strong>eb</strong>ilanzen<br />

in Abhängigkeit der Geschwindigkeitszyklen<br />

für die ersten beiden Messfahrten durchgeführt.<br />

Dazu wurden jeweils die Einsparungen jedes einzelnen<br />

Fahrzyklus ermittelt und für einzelne Bänder<br />

zusammengefasst. Dabei lassen sich die Mittelwerte<br />

sowie die Maximal und Minimalwerte bestimmen.<br />

Die letzte Messung auf der Überlandstrecke konnte<br />

wegen der geringeren Datenmenge nicht in die<br />

Auswertung einbezogen werden. Damit bli<strong>eb</strong> bei<br />

dieser Auswertung die Messung mit den höchsten<br />

Einsparwerten unberücksichtigt. Die Erg<strong>eb</strong>nisse dieser<br />

Analyse sind in Bild 8 dargestellt.<br />

Betrachtet man lediglich die Traktionsenergie<br />

(Bild 8 rechts), so liegt das Maximum der Energieeinsparung<br />

bei Zyklusgeschwindigkeiten um<br />

50 km/h bei etwa 24 %. Die Spannweite liegt dabei<br />

zwischen 8 % und 33 %. Werden die Hilfsbetri<strong>eb</strong>e<br />

berücksichtigt (Bild 8 links), so ändert sich lediglich<br />

die prozentuale Höhe der Einsparung, die jetzt bei<br />

etwa 20 % liegt. Der Absolute Wert der Traktionsenergieeinsparung<br />

bleibt dabei gleich. Man erkennt<br />

<strong>eb</strong>enfalls, dass bei geringen Geschwindigkeiten geringe<br />

Energieeinsparwerte erreichbar sind und die<br />

Streuung dabei auch sehr hoch ist, der Mittelwert<br />

liegt im leicht negativen Bereich. Der Hauptgrund<br />

für die Streuung liegt darin begründet, dass die miteinander<br />

zu vergleichenden Fahrprofile nicht über<br />

den gesamten Verlauf identisch sind. Treten zwei<br />

ähnliche Profile auf, erreicht man den oberen Streubereich.<br />

Sind die beiden Profile sehr unterschiedlich,<br />

so landet man eher im unteren Streubereich. Somit<br />

Bild 8:<br />

Gemessene Energieeinsparungen in Abhängigkeit der maximalen<br />

Zyklusgeschwindigkeit mit (links) und ohne (rechts) Hilfsbetri<strong>eb</strong>e.<br />

grün Energieeinsparungen mit Messvarianz<br />

rot Trendlinie der Mittelwerte<br />

zeigt der Mittelwert den Trend für eine mittlere Energieeinsparung<br />

im Zyklus für eine längere Zeitdauer.<br />

Bringt man nun die Einsparungen in Abhängigkeit<br />

der Zyklusgeschwindigkeit gewichtet mit Ihrer<br />

Häufigkeit während der im vorherigen Abschnitt beschri<strong>eb</strong>enen<br />

Messfahrten in Verbindung lassen sich<br />

die ermittelten Einsparwerte bestätigen. Die in den<br />

Messfahrten ermittelten Energieeinsparwerte sind<br />

damit durchaus erklärbar und plausibel. Die höchsten<br />

Werte werden in Systemen mit eigenen Trassen<br />

und geringen Anteilen von Fußgängerzonen und mit<br />

dem Autoverkehr gemischten Strecken erreicht.<br />

4.3 Erwartungen zur L<strong>eb</strong>ensdauer und<br />

Zuverlässigkeit<br />

Für den Betreiber ist natürlich die Zuverlässigkeit eines<br />

solchen Systems extrem wichtig, da er mit der höchstmöglichen<br />

Ausbeute aus dem Energieeinsparpotential<br />

kalkuliert. Für den operativen Betri<strong>eb</strong> eines Straßenbahnsystems<br />

hat eine Störung oder ein Ausfall des Speichers<br />

auf dem Fahrzeug keinerlei Einfluss, da der Antri<strong>eb</strong><br />

seine volle Funktionalität auch alleine aufrechterhalten<br />

kann. Innerhalb der letzten zweieinhalb Jahre lässt sich<br />

eine sehr geringe Ausfallrate des Speichers durch Ausfälle<br />

der Speicherelemente ermitteln. Diese liegen innerhalb<br />

der im Vorfeld definierten Wert<strong>eb</strong>ereiche.<br />

Während der Entwicklung des Energiespeichers<br />

wurden aufwändige Untersuchungen und Tests<br />

durchgeführt. Sowohl die Berechnungen auf Basis von<br />

Betri<strong>eb</strong>szeiten und Klimadaten als auch beschleunigte<br />

Alterungstests mit realen Belastungszyklen bei hohen<br />

Umg<strong>eb</strong>ungstemperaturen zeigen eine L<strong>eb</strong>ensdauererwartung<br />

der Energiespeicher von 15 Jahren. Die<br />

Alterung der Speichermodule im Feld wird in regelmäßigen<br />

Abständen durch Bestimmung der Kapazitätsveränderung<br />

und des Anstiegs des Innenwiderstands<br />

überwacht. Auch hier zeigen sich die erwarteten und<br />

prognostizierten Verläufe und bestätigen damit bisher<br />

diese Annahmen und Vorhersagen.<br />

5 Ausblick<br />

Das vorgestellte Antri<strong>eb</strong>ssystem MITRAC ® TC550 ES<br />

mit Energiespeicher MITRAC ES500 erlaubt dem<br />

Kunden einen ressourcenschonenden und klimafreundlichen<br />

Einsatz seiner Straßenbahnfahrzeuge.<br />

Energieeinsparungen von bis zu 30 % konnten<br />

auch durch Messfahrten im Netz des Kunden auf<br />

ausgewählten Teilstrecken nachgewiesen werden.<br />

Basierend auf den gewonnenen Messdaten wird<br />

zusammen mit dem Kunden an weiteren Verbesserungen<br />

des Energiemanagements und Anpassungen<br />

an besondere Netzsituationen durchgeführt. Die<br />

Zuverlässigkeit des Systems liegt dabei innerhalb der<br />

vorhergesagten Wert<strong>eb</strong>ereiche. Die Einlösung einer<br />

450 110 (2012) Heft 8-9


Fahrzeuge<br />

weiteren Option durch den Kunden unterstreicht<br />

das Vertrauen, dass in die neue Technik gesetzt wird.<br />

Literatur<br />

[1] Steiner, M.; Scholten, J.; Steinegger, H.; Jenewein, T.: Energy<br />

Storage Systems for Improved Efficiency of Railway<br />

Vehicles, WCRR, Köln 2001.<br />

[2] Hentschel, F.; Mueller, K.; Steiner, M.: Energy Storage on<br />

Urban Railway Vehicles, UIC Railway Efficiency Conference,<br />

May 2000.<br />

[3] Steiner, M.; Scholten, J.: Energy Storage Systems on<br />

board of Railway Vehicles, Nordic Rail Conference,<br />

Jönköping 2003.<br />

[4] DIN 5510-1 Vorbeugender Brandschutz in Schienenfahrzeugen.<br />

[5] NF 16-102 Railway vehicles, Fire Behavior, material selection,<br />

electrical equipment.<br />

[6] DIN IEC 61881-3 Bahnanwendungen, Betri<strong>eb</strong>smittel<br />

auf Bahnfahrzeugen, Kondensatoren für Leistungselektronik<br />

– Teil 3: Doppelschichtkondensatoren.<br />

AUTORENDATEN<br />

Dr.-Ing. Markus Klohr (40), Studium<br />

der Energietechnik an der TU Darmstadt,<br />

mit anschließender Promotion, seit 2003<br />

bei Bombardier Transportation, Division<br />

Propulsion & Controls, seit 2004 technisch<br />

Verantwortlich für die Entwicklung<br />

Energiespeicher und Batteriesysteme<br />

Adresse: Bombardier Transportation,<br />

PPC/TEDS, Neustadter Str. 62,<br />

68309 Mannheim, Deutschland;<br />

E-Mail: markus.klohr@de.transport.<br />

bombardier.com<br />

Dipl. Ing. Andreas Maroschik (51),<br />

Studium der Elektronik und Automatisierungstechnik<br />

an der Akademie für Bergbau<br />

und Hüttenwesen in Krakau, zwischen<br />

1988 und 2008 bei Siemens AG in<br />

verschiedenen Funktionen, seit 2008 bei<br />

Bombardier Transportation, Division Light<br />

Rail Vehicle (LRV); verantwortlich für LRV<br />

Engineering am Standort Mannheim.<br />

Adresse: Bombardier Transportation, LRV/<br />

EM, Neustadter Str. 62,<br />

68309 Mannheim, Deutschland;<br />

E-Mail: andreas.maroschik@de.transport.<br />

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Tel. + 43 7223 86181<br />

Fax. + 43 7223 86181 30<br />

Storkowerstraße 113<br />

D - 10407 Berlin<br />

Tel. + 49 30 4530 631 10<br />

Fax. + 49 30 4530 631 21<br />

Humboldtstraße 9<br />

D - 04105 Leipzig<br />

Tel. + 49 341 22469 0<br />

Fax. + 49 341 22469 99<br />

Bussestraße / Am Güterbahnhof<br />

D - 14943 Luckenwalde<br />

Tel. + 49 3371 620466<br />

Fax. + 49 3371 620467<br />

e-mail: contact@europten.com<br />

www.europten.com<br />

110 (2012) Heft 8-9<br />

451


Projekte<br />

Elektromobilität bei schweren<br />

Nutzfahrzeugen<br />

Frank Gerstenberg, Berlin; Michael Lehmann, Erlangen; Florian Zauner, Nürnberg<br />

Die Senkung des CO 2<br />

-Ausstoßes ist ein wichtiges Klimaschutzziel. Die elektrische Traktion von schweren<br />

Nutzfahrzeugen kann hierfür einen wichtigen Beitrag leisten. Im Rahmen eines Forschungsprojektes<br />

wurden der Betri<strong>eb</strong> der Fahrzeuge mit diesel-elektrischer Hybridtechnik und deren kontinuierliche Energieversorgung<br />

mit Fahrleitungen erarbeitet und praktisch erprobt und die ökologische Wirksamkeit<br />

aufgezeigt. Im Hinblick auf die Serienanwendung sind noch ergänzende Entwicklungen erforderlich.<br />

ELECTRICAL MOBILITY OF HEAVY-DUTY TRUCKS<br />

The reduction of CO 2<br />

exhaust forms an important climatic target. For this goal the electric hauling of<br />

heavy-duty vehicles can make an important contribution. Within a research and development program<br />

the operation of vehicles equipped with a diesel-electric hybrid propulsion and energy supply<br />

via overhead contact lines was designed and tested. The ecological efficiency was demonstrated.<br />

For practical applications further developments regarding some components are necessary.<br />

L’ÉLECTROMIBILITÉ CHEZ LES VÉHICULES UTILITAIRES LOURDS<br />

La réduction des émissions de CO 2<br />

est un objectif important de la protection climatique. La traction<br />

électrique des véhicules utilitaires lourds peut largement contribuer à sa réalisation. Dans le cadre<br />

d’un projet de recherche, l’exploitation de véhicules à propulsion hybride diesel-électrique et leur<br />

alimentation énergétique continue par ligne de contact ont été mises au point et essayées dans la<br />

pratique. L’efficience écologique a été démontrée. Pour l’application en série, des mises au point<br />

complémentaires sont toutefois nécessaires.<br />

1 Herausforderung Güterverkehr<br />

Die von Progtrans im Auftrag des Bundesministeriums<br />

für Verkehr erstellte Studie [1] sagt für den gesamten<br />

Güterverkehr in Deutschland bis 2050 eine Zunahme<br />

um rund 110 % gegenüber der Transportleistung im<br />

Jahr 2005 vorher. Diese Zunahme gilt für jeden der<br />

betrachteten Verkehrsträger Straße, Schiene und Binnenschifffahrt,<br />

wenn der bestehende Modalsplit gleich<br />

bleibt. Die prognostizierte Verdopplung der Güterverkehrsleistung<br />

bis 2050 kann nur von allen Verkehrsträgern<br />

gemeinsam bewältigt werden. Dazu müssen<br />

die Verkehrsträger ihre Transportkapazitäten erh<strong>eb</strong>lich<br />

ausbauen, ihre Energieeffizienz deutlich verbessern<br />

und die Emissionen reduzieren. Hierfür bietet sich die<br />

Nutzung der elektrischen Energie für den Straßengüterverkehr<br />

an. Das Forschungsprojekt „Elektromobilität<br />

bei schweren Nutzfahrzeugen zur Umweltentlastung<br />

von Ballungsräumen“ (ENUBA) str<strong>eb</strong>t dieses Ziel<br />

an. Das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz<br />

und Reaktorsicherheit förderte das Projekt. Die Siemens<br />

AG wurde mit der Projekt abwicklung betraut.<br />

Im Hinblick auf die deutliche Zunahme des Güterverkehrs<br />

erfordert bereits die Beibehaltung der<br />

gegenwärtigen CO 2<br />

-Emissionen gewaltige Anstrengungen.<br />

Eine Annäherung an die für Europa formulierten<br />

Ziele, die CO 2<br />

-Emissionen gegenüber 1990<br />

um insgesamt 80 % und im Verkehrssektor um 60 %<br />

zu senken [2], ist ohne neue Antri<strong>eb</strong>stechniken im<br />

Straßengüterverkehr nicht möglich.<br />

2 Handlungsoptionen für das<br />

Forschungsprojekt<br />

2.1 Technologischer Handlungsraum<br />

Der technologische Handlungsraum für das Projekt<br />

ENUBA wird einerseits begrenzt durch Strategien zur<br />

Verkehrsverlagerung und zum vermehrten Einsatz<br />

nachhaltiger Kraftstoffe bei verschiedenen Verkehrsträgern<br />

[3] sowie durch zahlreiche Initiativen zur<br />

aktiven Förderung der individuellen Elektromobilität<br />

mit Akkumulatoren und der zugehörigen Ladeinfrastrukturen<br />

[4]. Auf der anderen Seite stehen als<br />

klassische Elektromobilitätslösungen die über mehr<br />

als 100 Jahre ständig weiterentwickelten elektrischen<br />

<strong>Bahnen</strong> für hohe Geschwindigkeiten, Fahrgastzahlen<br />

und Transportmassen, deren forcierter Einsatz <strong>eb</strong>enfalls<br />

zur Senkung des CO 2<br />

-Ausstoßes beitragen soll [3].<br />

Anforderungsgerechte Lösungen für den individuellen<br />

und flexiblen Personen- und Güterverkehr über mittlere<br />

und größere Entfernungen sind eher unterreprä-<br />

452 110 (2012) Heft 8-9


Projekte<br />

sentiert, obwohl bereits vor 75 Jahren für bestimmte<br />

Nutzfahrzeugklassen die abschnittsweise Elektrifizierung<br />

von Fernverkehrsstraßen als Synthese aus dem<br />

effizienten Verkehrsträger Eisenbahn und dem flexiblen<br />

Verkehrsträger Straße vorgeschlagen wurde [5; 6].<br />

Bild 1 fasst zusammen, dass Verkehrsvermeidung<br />

(a), Verlagerung auf andere Verkehrsträger (b), Effizienzsteigerung<br />

der bestehenden Verkehrsträger (c, d)<br />

nicht geeignet sind, bei insgesamt steigenden Transportleistungen<br />

die CO 2<br />

-Emissionen im Straßengüterverkehr<br />

signifikant zu senken. Auch das im motorisierten<br />

Individualverkehr an Bedeutung gewinnende<br />

batterie-elektrische Fahren (e) und Nachladen ist auf<br />

absehbare Zeit für lange Fahrten schwerer Nutzfahrzeuge<br />

nicht verfügbar. Auch Brennstoffzellenantri<strong>eb</strong>e<br />

(f) als Antri<strong>eb</strong>s- und Speichersystem können den<br />

Leistungs- und Energi<strong>eb</strong>edarf schwerer Lkw über<br />

große Entfernungen nicht allein abdecken, würden<br />

aber ein Antri<strong>eb</strong>ssystem mit kontinuierlicher Energieversorgung<br />

auf versorgungsfreien Zwischen- und<br />

Anschlussstrecken gut ergänzen.<br />

Demgegenüber stellt die Elektrifizierung des<br />

Straßengüterverkehrs, insbesondere der schweren<br />

Nutzfahrzeuge auf den am stärksten belasteten<br />

Netzabschnitten, eine Option mit erh<strong>eb</strong>lichem CO 2<br />

-<br />

Senkungspotenzial dar. Durch die Elektroenergie und<br />

den Einsatz verschiedener, insbesondere erneuerbarer<br />

Primärenergieträger können auch im Straßengüterverkehr<br />

Fahrleistung und CO 2<br />

-Emissionen entkoppelt<br />

werden. Dabei kann auf den jahrzehntelangen Erfahrungen<br />

bei Planung und Betri<strong>eb</strong> elektrischer Verkehrsinfrastrukturen<br />

und Fahrzeuge aufg<strong>eb</strong>aut werden.<br />

Im Forschungsvorhaben ENUBA wurde eine Vorzugslösung<br />

zum Betri<strong>eb</strong> schwerer Nutzfahrzeuge<br />

mit diesel-elektrischer Hybridantri<strong>eb</strong>stechnik an Einrichtungen<br />

zur kontinuierlichen Energieversorgung,<br />

das heißt Fahrleitungen mit den zugehörigen Speisestationen<br />

(Unterwerke), erarbeitet und praktisch<br />

erprobt. Der Beitrag [7] berichtete über das Projekt<br />

und wesentliche Erg<strong>eb</strong>nisse.<br />

• Definition der weiteren Entwicklungsschritte als Vorbereitung<br />

einer Pilotierung im öffentlichen Raum<br />

Die Laufzeit des geförderten Projekts betrug 15 Monate<br />

von Juli 2010 bis September 2011. Die für<br />

das Entwicklungsprojekt ENUBA kurze Projektlaufzeit<br />

erforderte eine zügige Festlegung der technischen<br />

Parameter der Vorzugslösung, um Zeit für Spezifikation,<br />

Bestellung und Lieferung der Komponenten<br />

mit langen Lieferzeiten sowie für die Teilsysteme mit<br />

hohem Entwicklungsaufwand zu haben. Erst daran<br />

und parallel zur Errichtungs- und Erprobungsphase<br />

schlossen sich konzeptionelle Arbeiten und Studien<br />

mit Blick auf die späteren Anwendungsg<strong>eb</strong>iete an.<br />

Die Entwicklung der Funktionsmuster und die Errichtung<br />

der Versuchsanlage wurden bis Ende Mai 2011<br />

abgeschlossen, sodass danach rund drei Monate für<br />

die Integration und Erprobung als wesentlicher Bereich<br />

des Projekts verfügbar waren und intensiv und<br />

erfolgreich genutzt werden konnten.<br />

Die komplexe Aufgabe erforderte interdisziplinäre,<br />

standortübergreifende Zusammenarbeit mehrerer<br />

Geschäftseinheiten der Siemens AG. Wesentliche<br />

Akteure und Teilprojekte waren:<br />

• die Gesamtprojektleitung als Koordinator der internen<br />

und externen Schnittstellen sowie mit<br />

der Gesamtzuständigkeit für Infrastruktur und<br />

Versuchsbetri<strong>eb</strong><br />

• der Bereich Antri<strong>eb</strong>stechnik als Projektpartner mit<br />

der Zuständigkeit für Beschaffung, Umrüstung<br />

und Zulassung der Versuchsfahrzeuge<br />

• die Entwicklung und Erprobung des intelligenten,<br />

geregelten, mechatronischen Stromabnehmers<br />

2.2 Förderprojekt ENUBA<br />

Gegenstand des Forschungsvorhabens ENUBA (Elektromobilität<br />

bei schweren Nutzfahrzeugen zur Umweltentlastung<br />

von Ballungsräumen) war die Entwicklung<br />

und Erprobung einer umfassenden Lösung zur Nutzung<br />

elektrischer Energie im Wirtschaftsverkehr mit<br />

schweren Nutzfahrzeugen mit den Hauptbereichen:<br />

• Entwicklung einer technischen Vorzugslösung<br />

zum Einsatz elektrischer Energie im Wirtschaftsverkehr<br />

mit schweren Nutzfahrzeugen<br />

• Erprobung der Vorzugslösung auf einer Versuchsstrecke<br />

zum Nachweis der technischen Machbarkeit<br />

• ökonomische und ökologische Bewertung der<br />

Vorzugslösung hinsichtlich wirtschaftlicher Machbarkeit<br />

und CO 2<br />

-Senkungspotenziale<br />

Bild 1:<br />

Ziele und Ansätze zur Verringerung der CO 2<br />

-Emissionen im<br />

Güterverkehr.<br />

110 (2012) Heft 8-9<br />

453


Projekte<br />

• Entwicklung der Werkzeuge zur ökologischen und<br />

ökonomischen Bewertung und Anwendung auf<br />

die Vorzugslösung und deren Anwendung durch<br />

den Bereich Mobility-Consulting<br />

Ergänzend zu den internen Partnern wurden auch<br />

externe technische und wissenschaftliche Partner einbezogen.<br />

Ein mittelständischer Nutzfahrzeugumrüster<br />

übernahm die Integration des diesel-elektrischen Hybridantri<strong>eb</strong>s<br />

sowie die Montage des Stromabnehmers.<br />

Als wissenschaftlicher Partner untersuchte die Fakultät<br />

Verkehrswissenschaften Friedrich List der TU Dresden<br />

Möglichkeiten zur Zustandsermittlung von Schleifstücken<br />

von Stromabnehmern und führte vergleichende<br />

Schallmessungen mit einem Mikrofon array durch.<br />

3 Hybridfahrzeuge mit Energieversorgung<br />

aus gemeinsamer<br />

Infrastruktur<br />

3.1 Systemaufbau<br />

Die Vorzugslösung mit kontinuierlicher Energieversorgung<br />

mehrerer Fahrzeuge an einer gemeinsam<br />

genutzten Infrastruktur besteht wie typische elektrische<br />

Verkehrssysteme aus den vier Komponenten<br />

(1) elektrisches Fahrzeug,<br />

(2) Energieversorgung,<br />

(3) Fahrweg,<br />

(4) Betri<strong>eb</strong>sführung mit Leitstellen.<br />

Bild 2 von der Versuchsanlage verdeutlicht diese<br />

Einteilung. Die Komponenten werden nachfolgend<br />

anhand der entwickelten Funktionsmuster und Prototypen<br />

genauer beschri<strong>eb</strong>en.<br />

3.2 <strong>Elektrische</strong> Infrastruktur<br />

3.2.1 Anlagenauslegung und Traktionsenergieversorgung<br />

Betrachtet man die Gesamtanlage in Energieflussrichtung<br />

für den Leistungsbezug, so bildet die Traktionsenergieversorgung<br />

bestehend aus Unterwerken<br />

und Fahrleitungsanlagen die erste Komponente. Für<br />

das jeweilige Einsatzg<strong>eb</strong>iet ist eine Spannungs<strong>eb</strong>ene<br />

auszuwählen, die einerseits elektrische Kriterien wie<br />

Stromtragfähigkeit der Fahrleitung und Spannungshaltung<br />

berücksichtigt. Andererseits sind die Anzahl<br />

zu versorgender Fahrzeuge sowie die Integration der<br />

Antri<strong>eb</strong>skomponenten in die Fahrzeuge und der Gesamtanlage<br />

in den Verkehrsraum zu beachten. Anschließend<br />

werden die Unterwerkskomponenten und<br />

die Fahrleitung dimensioniert und der Anschluss des<br />

Unterwerks ans Netz des lokalen Energieversorgers<br />

konfiguriert.<br />

Bei der elektrischen Spannung für die Versuchsanlage<br />

mit nur zwei zu versorgenden Fahrzeugen fiel<br />

die Wahl auf DC 670 V Nennspannung mit einem<br />

gegenüber DIN EN 50163 [8] (Bahnanwendungen<br />

– Speisespannungen von Bahnnetzen) reduzierten<br />

Spannungsband. Dies wurde maßg<strong>eb</strong>lich durch die<br />

fahrzeugseitig verfügbaren Komponenten bestimmt,<br />

die für den Einsatz in Hybridbussen entsprechend<br />

dem weit verbreiteten Industriestandard für rund<br />

DC 700 V ausgelegt sind. Abgesehen von der elektrischen<br />

Schnittstelle zum Stromabnehmer konnte so<br />

das bei Stadtbussen bereits häufig eingesetzte serielle<br />

Hybridantri<strong>eb</strong>ssystem ELFA [9] nahezu unverändert<br />

genutzt werden. Die Wahl einer der sonst für Nahverkehrsbahnen<br />

standardisierten Spannungs<strong>eb</strong>enen<br />

DC 600 V oder DC 750 V hätte umfangreichere Änderungen<br />

am Antri<strong>eb</strong>ssystem bedeutet, die in der kurzen<br />

Projektlaufzeit nicht umsetzbar gewesen wären.<br />

Bild 2:<br />

Gesamtsystem und seine Komponenten.<br />

Bild 3:<br />

DC-Unterwerk der Versuchsanlage mit Holzverkleidung.<br />

454 110 (2012) Heft 8-9


Projekte<br />

Bild 3 zeigt das in einem Container installierte Unterwerk,<br />

das n<strong>eb</strong>en Mittelspannungsdrehstrom- und<br />

Gleichspannungsschaltanlage, Leistungstransformator<br />

(450 kVA) und Zwölfpulsdiodengleichrichter auch<br />

über einen gesteuerten Sechspulswechselrichter zur<br />

Rückspeisung elektrischer Bremsenergie der Fahrzeuge<br />

verfügt. Einen vereinfachten Übersichtsschaltplan zeigt<br />

Bild 4. Ausgehend von Simulationsrechnungen und<br />

einer Anschlussbewertung erteilte der lokale Energieversorger<br />

die Genehmigung für Energi<strong>eb</strong>ezug und<br />

Rückspeisung im Gleich- beziehungsweise Wechselrichterbetri<strong>eb</strong>.<br />

Um das Unterwerk möglichst harmonisch<br />

in die Umg<strong>eb</strong>ung einzubetten, wurde für die Versuchsanlage<br />

eine Holzverkleidung gewählt. Für andere<br />

ländliche oder städtische Umg<strong>eb</strong>ungen sind optisch<br />

oder baulich angepasste Lösungen alternativ möglich.<br />

mit Kohleschleifstücken für zahlreiche Stromabnehmerdurchgänge<br />

pro Stunde geeignet ist.<br />

3.3 Hybrid-Lkw mit intelligentem<br />

Stromabnehmer<br />

3.3.1 Stromabnehmerentwicklung<br />

Bei der elektrischen Infrastruktur konnte überwiegend<br />

auf Standardkomponenten zurückgegriffen<br />

Bild 4:<br />

Übersichtsschaltplan<br />

DC-Unterwerk und<br />

Fahrzeug.<br />

3.2.2 Fahrleitung<br />

Die rund 1 500 m lange Fahrleitungsanlage mit<br />

1 250 m nutzbarer Länge musste ähnlich wie bei<br />

Obus-Anlagen zweipolig ausgeführt werden, da anders<br />

als bei Schienenbahnen der Rückstrom nicht über<br />

den Fahrweg geführt werden kann. Abgestimmt mit<br />

dem Arbeitsbereich des Stromabnehmers zwischen<br />

4,7 m bis 5,3 m Höhe und seitlicher Beweglichkeit<br />

innerhalb der elektrifizierten Fahrspur wurden für den<br />

Versuchsbetri<strong>eb</strong> zwei Kettenwerke in 1,35 m Abstand<br />

installiert.<br />

Jedes Kettenwerk besteht aus einem mit 10 kN<br />

nachgespannten Tragseil BzII 120 mm² und einem<br />

mit 20 kN nachgespannten, hochfesten, magnesiumlegierten<br />

Fahrdraht mit 150 mm ² Querschnitt.<br />

Die Leiter werden mit Gewichtssätzen im Innern der<br />

Abspannmasten nachgespannt. Der Mastabstand,<br />

also die Längsspannweite, beträgt 65 m. Obwohl die<br />

Gesamtlänge der Anlage nur eine Nachspannlänge<br />

erfordert hätte, wurden zwei verkürzte Nachspannlängen<br />

installiert, um das Verhalten des Stromabnehmers<br />

auch in Parallelfeldern erproben zu können.<br />

Die Nennhöhe des Fahrdrahts über der Fahrbahn<br />

liegt bei 5,15 m. Die Systemhöhe, der größte<br />

Abstand zwischen Tragseil und Fahrdraht, beträgt<br />

1,70 m. Bild 5 zeigt die Anlage. Nur der rechte<br />

Fahrstreifen wurde elektrifiziert. Die Masten wurden<br />

gemeinsam mit Industrie-Designern gestaltet.<br />

Für reale Anwendungen ist eine günstige Fahrdrahthöhe<br />

festzulegen, die kompatibel mit den Durchfahrtshöhen<br />

und elektrischen Schutzabständen bei<br />

Straßen- und Schilderbrücken ist und nur wenige Unterbrechungen<br />

der Fahrleitung erfordert. Als wesentliche<br />

Randbedingungen sind dabei die Festlegungen zu<br />

Verkehrsraum und Fahrzeughöhen zu beachten, die<br />

unter anderem in den Richtlinien zur Anlage von Autobahnen<br />

[10] definiert werden. Außerdem muss noch<br />

untersucht werden, ob der für die Versuchsanlage<br />

gewählte hochfeste Fahrdraht in der Kontaktpaarung<br />

110 (2012) Heft 8-9<br />

Bild 5:<br />

Fahrleitung und Fahrbahn.<br />

455


Projekte<br />

Bild 6:<br />

3-D-Modell des<br />

Stromabnehmers<br />

mit Tragkonstruktion.<br />

werden, die anzupassen und ansprechend zu gestalten<br />

waren. Demgegenüber musste beim Fahrzeug<br />

und dort insbesondere beim Stromabnehmer technisches<br />

Neuland betreten werden.<br />

Der Stromabnehmer muss bei Geschwindigkeiten<br />

bis 90 km/h ein zuverlässiges An- und Abbügeln gewährleisten.<br />

Weiterhin sollte der Stromabnehmer mit<br />

Sensorik- und Aktorikeinrichtungen zum Ausgleich<br />

von Bewegungen innerhalb der Fahrspur nachgeregelt<br />

werden. Dafür wird zur Vergrößerung der<br />

Regelreserve der Fahrdraht ohne Zick-Zack verlegt,<br />

weshalb der Stromabnehmer auch für einen gleichmäßigen<br />

Verschleiß der Schleifstücke sorgen muss.<br />

Umfangreiche Untersuchungen verschiedener Varianten<br />

bezüglich Höhenregelung und Drehpunkt führten<br />

zur mechanischen Gestaltung entsprechend Bild 6.<br />

Dieses Bild zeigt den Stromabnehmer mit zwei<br />

Wippen mit je zwei Schleifstücken, dem Gestänge<br />

eines Trolley-Stromabnehmers und der zweistufigen<br />

pneumatischen Regelung. Nach den Voruntersuchungen<br />

wurde diese Ausführung zunächst an einem<br />

Labormuster verwirklicht und umfangreich erprobt.<br />

Anschließend wurden zwei Funktionsmuster aufg<strong>eb</strong>aut<br />

und mechanisch, elektrisch und steuerungstechnisch<br />

in die Versuchsfahrzeuge integriert. N<strong>eb</strong>en der<br />

mechanischen und elektrischen Gestaltung waren für<br />

die automatische Nachregelung umfangreiche Arbeiten<br />

für die Fahrleitungserkennung erforderlich, unter<br />

anderen mittels optischer Verfahren. Außerdem wurde<br />

ein Touchpanel zur Bedienung in der Fahrerkabine<br />

eing<strong>eb</strong>aut und ein Diagnose- und Konfigurationstool<br />

entwickelt und im Touchpanel-PC implementiert.<br />

Die Arbeiten verliefen erfolgreich und nach kurzer<br />

Inbetri<strong>eb</strong>setzungsphase konnte der Stromabnehmer<br />

auf der Versuchsanlage intensiv erprobt werden, wobei<br />

er sich bei den vorhandenen Umg<strong>eb</strong>ungs- und<br />

Verkehrsbedingungen als stabil erwies. Die sichere<br />

Funktion der seitlichen Nachführung und vertikalen<br />

Kontaktkraftregelung ermöglichte sowohl Fahrten<br />

unter normalen Betri<strong>eb</strong>sbedingungen als auch unter<br />

Ausnahm<strong>eb</strong>edingungen, wie<br />

• das Fahren in Schlangenlinien innerhalb der elektrifizierten<br />

Fahrspur ohne Abbügeln,<br />

• schnelle Überholmanöver mit zuverlässigem Abund<br />

Anbügeln bei bis zu 90 km/h,<br />

• das Fahren bei Regen und regennasser Fahrbahn<br />

einschließlich Gischt-Effekten,<br />

• Notbremsungen,<br />

• das Fahren über nachgestellte Hindernisse und<br />

Schlaglöcher.<br />

Auch bei der Stromabnehmersteuerung wurde ein<br />

neuer Ansatz verfolgt. So wurde etablierte Hardware<br />

für speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS)<br />

mit moderner Software verbunden. Diese Software<br />

baut auf objektorientierter Programmierung auf Basis<br />

vereinheitlicher Modellierungssprachen (Unified<br />

Modeling Language / UML) und W<strong>eb</strong>-Techniken für<br />

die grafischen Benutzer-Schnittstellen auf. Dadurch<br />

werden flexible Architekturen unterstützt und die<br />

schnelle Migration zwischen Betri<strong>eb</strong>ssystemen und<br />

Prozessor-Plattformen einschließlich des Einsatzes<br />

mobiler Endgeräte, zum Beispiel Smartphones, als<br />

Eingabe- und Anzeigeinstrument ermöglicht.<br />

3.3.2 Lkw mit serieller Hybridantri<strong>eb</strong>stechnik<br />

Als Versuchsfahrzeuge wurden zwei serienmäßige,<br />

ballastierte 18-t-Lkws mit einem seriellen Hybridantri<strong>eb</strong><br />

ausgestattet. Der Antri<strong>eb</strong> mit den Hauptkomponenten<br />

Generator, Gleichrichter, Zwischenkreis<br />

mit Energiespeicher, Umrichter und Fahrmotor wurde<br />

bisher vor allem bei Stadtbussen eingesetzt und<br />

ist dort bei mehr als tausend Fahrzeugen [9] erfolgreich<br />

im Einsatz. Für den Oberleitungsbetri<strong>eb</strong> musste<br />

dieser Antri<strong>eb</strong> ertüchtigt und mit einer Interfac<strong>eb</strong>ox<br />

mit Schützen, Überspannungsschutz durch Überspannungsableiter<br />

und Überstromschutz mittels Sicherungen<br />

ergänzt werden. Generator und Fahrmotor<br />

sind permanenterregte Synchronmaschinen. Als<br />

Gleich- und Umrichter wurden identische Bausteine<br />

des Typs ELFA-II für maximal DC 750 V eingesetzt.<br />

Im Betri<strong>eb</strong> ohne Fahrleitung fahren die Fahrzeuge<br />

im diesel-elektrischen Modus, wobei die Kombination<br />

aus Dieselmotor und Generator die elektrische<br />

Antri<strong>eb</strong>senergie erzeugt. Der rein elektrische Modus<br />

beschreibt das Fahren an der Fahrleitung, über die<br />

die Energie für den elektrischen Antri<strong>eb</strong> bezogen<br />

wird. Der Energiespeicher, ausgeführt mit leistungsfähigen<br />

Kondensatoren, ist zur Überbrückung kurzer<br />

Kontaktverluste zwischen Stromabnehmer und Fahrleitung<br />

und zur Vermeidung von Zugkrafteinbrüchen<br />

beim Moduswechsel erforderlich.<br />

Den Hauptstromplan des Antri<strong>eb</strong>s zeigt Bild 7. In<br />

Tabelle 1 werden die Kenndaten der Versuchsfahrzeuge<br />

in beiden Antri<strong>eb</strong>smodi gegenübergestellt,<br />

Die meisten Antri<strong>eb</strong>skomponenten wurden in einem<br />

verkleideten Gestell hinter der Fahrerkabine ange-<br />

456 110 (2012) Heft 8-9


Projekte<br />

ordnet, das gleichzeitig den Stromabnehmer trägt.<br />

Für zukünftige Anwendungen bestehen die großen<br />

Herausforderungen, weniger Zusatzgewicht zu erzeugen<br />

und keinen Laderaum zu beanspruchen.<br />

3.4 Leittechnik, Telematik und<br />

Straßenverkehrstechnik<br />

Die Untersuchung der technischen Machbarkeit eines<br />

elektrischen Traktionssystems für den Schwerlastverkehr<br />

bestehend aus Fahrleitung und Lkw mit<br />

Stromabnehmer war Schwerpunkt des Forschungsvorhabens<br />

ENUBA. Darüber hinaus wurden auch<br />

umfangreiche konzeptionelle Arbeiten zu den straßenverkehrs-<br />

und leittechnischen Aspekten dieses<br />

Verkehrssystems durchgeführt. Dazu gehörten Studien<br />

zur Energiemessung und -abrechnung, zur Integration<br />

der elektrischen Fahrzeuge in die bestehenden<br />

Verkehrsabläufe im Normal- und im Ausnahm<strong>eb</strong>etri<strong>eb</strong><br />

sowie zur Nutzerregistrierung und Prüfung der<br />

Berechtigungen zur Nutzung der Infrastruktur.<br />

Auf der Versuchsanlage wurden erste praktische<br />

Erfahrungen zu diesem Themenkreis gesammelt,<br />

zum Beispiel beim Aufbau verschiedener leitungsg<strong>eb</strong>undener<br />

und drahtloser Kommunikationsstrecken<br />

über kurze und lange Entfernungen zur Fahrzeug-<br />

Infrastruktur-Kommunikation und zur Fernauslesung<br />

von Unterwerks- und Fahrzeugdaten. Weiterhin<br />

wurden Funktionsmuster für Diagnoseeinrichtungen<br />

erprobt, zum Beispiel eine vergleichende, infrastrukturseitige<br />

Fahrdrahtanhubmessung und eine Einrichtung<br />

zur Schleifstückinspektion und -diagnose<br />

vor dem Anbügeln. Diese Einrichtungen erhöhen<br />

Leistungsfähigkeit, Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit<br />

des Verkehrssystems.<br />

4 Erprobung mit Funktionsmustern<br />

4.1 Überblick über den Versuchsbetri<strong>eb</strong><br />

Die Erprobung der neuentwickelten Komponenten<br />

Fahrzeugantri<strong>eb</strong> und Stromabnehmer war zentraler<br />

Gegenstand des Forschungsvorhabens. Dazu wurde<br />

auf einem ehemaligen Militärflughafen eine geeignete,<br />

nicht öffentliche Fläche gefunden, auf der die<br />

Versuchsanlage errichtet werden konnte. Das Bauordnungsverfahren<br />

wurde zügig abgeschlossen und<br />

im ersten Quartal 2011 begannen die Gründungsarbeiten<br />

für die Oberleitungsmasten. Die Bauarbeiten<br />

endeten im Mai 2011 mit der Inbetri<strong>eb</strong>setzung des<br />

Unterwerks. Im Rahmen des Bauordnungsverfahrens<br />

wurde ein Standsicherheitsnachweis für die Masten<br />

erbracht. Vor Betri<strong>eb</strong>saufnahme waren TÜV-Abnahmen<br />

für das Unterwerk und für die Zulassung der<br />

Versuchsfahrzeuge erforderlich.<br />

110 (2012) Heft 8-9<br />

Bild 7:<br />

Hauptstromplan des seriellen diesel-elektrischen Hybridantri<strong>eb</strong>s.<br />

AUX Auxiliaries / Hilfsbetri<strong>eb</strong>e<br />

DICO Digital Controller / Digitalsteuerung<br />

ECU Engine Control Unit / Motorsteuerung<br />

PEM GEN Permanenterregter Generator<br />

PEM DRIVE Permanenterregter Fahrmotor<br />

VPM Voltage Protection Module / Überspannungsschutz<br />

TABELLE 1<br />

Kenndaten der Versuchsfahrzeuge.<br />

Größe Einheit Versuchs-Lkw<br />

elektrisch<br />

Versuchs-Lkw<br />

diesel-elektrisch<br />

Masse t 18,0 18,0<br />

Leistung Dieselmotor PS n/a 410<br />

Leistung Generator kW n/a 200<br />

Leistung Fahrmotor kW 260 200<br />

Drehmoment Nm 4 500 (max.) 2 700<br />

Beschleunigung<br />

0–60 km/h s 14,6 15,7<br />

Beschleunigung<br />

0–90 km/h s 38,5 46,6<br />

TABELLE 2<br />

Statistische Angaben zum Betri<strong>eb</strong> auf der Versuchsanlage.<br />

Fahrten beziehungsweise Vorgänge<br />

Anzahl / Strecke<br />

Versuchsfahrten / Anzahl an An- und Abbügelvorgängen 1 700<br />

zurückgelegte elektrische Fahrstrecke auf Versuchsanlage<br />

Dieselel-ektrische Fahrstrecke auf Versuchsanlage<br />

Diesel-elektrische Fahrstrecke außerhalb der Versuchsanlage<br />

1 500 km<br />

2 500 km<br />

4 500 km<br />

Vollbremsungen aus verschiedenen Geschwindigkeiten 70<br />

Fahrten über Hindernisse 150<br />

Fahrten bei Nacht 50<br />

Fahrten mit Anhänger, insgesamt 40 t Gesamtgewicht 500<br />

457


Projekte<br />

In den folgenden Wochen wurden zunächst Prüfungen<br />

zur Integration der Teilsysteme und anschließend<br />

der Gesamtanlage durchgeführt. Daran schlossen sich<br />

zahlreiche Mess- und Vergleichsfahrten in vielen system-<br />

und verkehrstechnisch relevanten Situationen<br />

an. Einen Auszug aus der Versuchsstatistik zeigt Tabelle<br />

2. Die Versuchsfahrten fanden sowohl mit den 18 t<br />

schweren Lkw als auch mit ballastierten Anhängern als<br />

40-t-Lastzug statt. Von den vielen Prüferg<strong>eb</strong>nissen werden<br />

anschließend zwei Themen genauer vorgestellt.<br />

4.2 Ausgewählte Prüferg<strong>eb</strong>nisse<br />

4.2.1 Stromaustausch und Rückspeisung<br />

Bild 8:<br />

Stromverlauf während des Energieaustauschs zwischen zwei Lkw.<br />

A Anbügeln Lkw 1 und Lkw 2<br />

B Versorgung der Hilfsbetri<strong>eb</strong>e<br />

C Beschleunigung Lkw 1 bis v Ü<br />

D Fahrt Lkw 1 mit konstanter Leistung<br />

E Beschleunigung Lkw 2 bis v Ü<br />

,<br />

F Lkw 1 stoppt die Leistungsaufnahme<br />

G Laden des Speichers und Lkw 2 fährt mit konstanter Leistung<br />

H Lkw 1 bremst und Lkw 2 fährt mit konstanter Leistung<br />

I Lkw 1 bremst und stoppt<br />

J Lkw 2 weicht aus<br />

K Hilfsbetri<strong>eb</strong>e Lkw 1<br />

Bild 8 zeigt anhand des im Unterwerk gemessenen<br />

Speisestroms, wie die zwei Hybrid-Lkw an der Fahrleitung<br />

elektrischen Strom austauschen. Mit etwas<br />

Abstand beschleunigen beide Fahrzeuge (Punkte<br />

A–E). Anschließend stoppt das vordere Fahrzeug die<br />

Stromaufnahme und bremst elektrisch, während der<br />

hintere Lkw weiter Strom aufnimmt. Im Unterwerk<br />

wird dann nur der Differenzstrom zwischen dem zurückgespeisten<br />

und dem vom anderen Fahrzeug benötigten<br />

Strom gemessen (Punkte H–I). Bei anderen<br />

Versuchen wurde nachgewiesen, dass bei elektrischer<br />

Bremsung beider Lkw rund 400 kW Leistung ins Netz<br />

des Energieversorgers zurückgespeist werden.<br />

Der Stromaustausch zwischen bremsenden und<br />

beschleunigenden Tri<strong>eb</strong>fahrzeugen ist bei elektrischen<br />

Voll- und Nahverkehrsbahnen seit Jahrzehnten<br />

Stand der Technik, stellt bei individuellen Nutzfahrzeugen<br />

jedoch einen technologischen Meilenstein<br />

dar. Gleiches gilt für die Rückspeisung elektrischer<br />

Energie bei Bremsvorgängen ins übergeordnete<br />

Netz der Energieversorgung, wenn sich im gleichen<br />

Fahrleitungsabschnitt keine aufnahmefähigen Verbraucher<br />

befinden. Insbesondere bei Gefällen kann<br />

diese Rückspeisung signifikant zu Einsparungen an<br />

Traktionsenergie und CO 2<br />

-Emissionen führen.<br />

4.2.2 Vergleichende Schallmessungen<br />

Bild 9:<br />

Schallemissionen bei 15 und 90 km/h im elektrischen und diesel-elektrischen Modus.<br />

a diesel-elektrischer Betri<strong>eb</strong> b elektrischer Betri<strong>eb</strong><br />

Bild 9 zeigt die Erg<strong>eb</strong>nisse vergleichender Schallemissionsmessungen<br />

bei 90 km/h Fahrgeschwindigkeit<br />

im rein elektrischen und diesel-elektrischen<br />

Modus. Der Stromabnehmer stellt keine signifikante<br />

Schallquelle dar. Bei niedrigen Geschwindigkeiten<br />

dominieren die Dieselmotor- und Kompressorgeräusche<br />

und bei höheren Geschwindigkeiten erwartungsgemäß<br />

die Rollgeräusche. Messtechnisch nicht<br />

untersucht, jedoch subjektiv deutlich wahrnehmbar<br />

ist die ganz erh<strong>eb</strong>liche Verringerung der Geräuschund<br />

Vibrationsbelastungen in der Fahrerkabine beim<br />

Wechsel vom diesel-elektrischen zum rein elektrischen<br />

Antri<strong>eb</strong>smodus.<br />

458 110 (2012) Heft 8-9


Projekte<br />

5 Ökologische Bewertung und<br />

Einsatzg<strong>eb</strong>iete<br />

Begleitende ökologische und ökonomische Studien<br />

belegen, dass die Elektrifizierung erh<strong>eb</strong>liches Potenzial<br />

zur Umweltentlastung bei allen Verkehren mit zahlreichen<br />

Lkw-Fahrten auf konzentriertem Raum bietet.<br />

Bei der untersuchten elektrischen Traktion auf Teilabschnitten<br />

bleiben alle vorhandenen und gewohnten<br />

Anlagen wie Zufahrten, Lager- und Umschlaganlagen,<br />

Wege und auch die Arbeitsabläufe für Auftragg<strong>eb</strong>er,<br />

Spediteure und Fahrer bestehen. Nur die Fahrzeugtechnik<br />

wird den geänderten verkehrlichen und<br />

energietechnischen Rahmenbedingungen angepasst.<br />

Die elektrotechnische Ausrüstung entlang der ausgewählten<br />

Strecke ist mit überschaubarem Mitteleinsatz<br />

herzustellen.<br />

In zwei vordringlichen Einsatzg<strong>eb</strong>ieten ist die<br />

elektrische Traktion besonders sinnvoll:<br />

• Shuttleverkehre über kurze und mittlere Entfernungen<br />

bis etwa 50 km, zum Beispiel zwischen Güterverkehrszentren<br />

und Häfen oder Fabrikanlagen<br />

• Anbindungen von Gruben und Minen an zentrale<br />

Lager- und Umladestellen<br />

Diese Einsatzg<strong>eb</strong>iete bieten sich an, wenn die Transportmengen<br />

einen direkten Bahnanschluss nicht<br />

rechtfertigen oder wenn dieser aufgrund der Topografie<br />

nicht möglich ist.<br />

Aus Bild 10 ist zu erkennen, dass wegen des prognostizierten<br />

Wachstums des Güterverkehrs die bisher<br />

vorgesehenen Maßnahmen wie forcierter Ausbau<br />

des Eisenbahnverkehrs, Optimierung der Logistikketten<br />

und Effizienzsteigerungen der Verbrennungsantri<strong>eb</strong>e<br />

die Zunahme der CO 2<br />

-Emissionen sowohl<br />

für Einzelrelationen als auch insgesamt nur bremsen<br />

können. Erst durch die Elektrifizierung besonders<br />

aufkommensstarker Verbindungen und den Einsatz<br />

diesel-elektrischer Hybrid-Lkw wird eine Trendwende<br />

hin zu sinkenden CO 2<br />

-Emissionen erreicht.<br />

Dieser Handlungsbedarf beim Güterfern- und -regionalverkehr<br />

wurde auch im letzten Jahresgutachten<br />

des Sachverständigenrats für Umweltfragen identifiziert.<br />

Unter Abwägung der spezifischen Vorteile<br />

der Verkehrsträger sowie ihrer Wachstumsgrenzen<br />

wurden sowohl eine signifikante Stärkung des Eisenbahngüterverkehrs<br />

aber auch die Errichtung von<br />

Fahrleitungen auf ausgewählten Achsen für einen<br />

elektrifizierten Straßengüterverkehr empfohlen [11].<br />

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planen und führen Sie Instandhaltungen durch<br />

und sind für die Steuerung von Kontraktoren verantwortlich.<br />

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Nach Ihrer elektrotechnischen Ausbildung zum<br />

Techniker oder Meister verfügen Sie über mehrere<br />

Jahre Berufserfahrung bei einem Unternehmen im<br />

Bereich der Eisenbahninfrastruktur. Ihre Expertenkenntnisse<br />

in ESTW Thales oder Oberleitungsanlagen<br />

verbinden Sie mit der Bereitschaft zur Fortbildung in<br />

weitere, vielfältige Techniken der BASF-Werksbahn.<br />

Eine gute Arbeitsorganisation und Teamfähigkeit<br />

runden Ihr Profil ab.<br />

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110 (2012) Heft 8-9<br />

459


Projekte<br />

[10] FGSV – Forschungsgesellschaft für Straßen- und<br />

Verkehrswesen (Hrsg.): RAA – Richtlinien für die Anlage<br />

von Autobahnen. Köln, 2008.<br />

[11] SRU – Sachverständigenrat für Umweltfragen (Hrsg.):<br />

Umweltgutachten 2012 – Verantwortung in einer begrenzten<br />

Welt. Berlin, 2012.<br />

AUTORENDATEN<br />

Bild 10:<br />

Prognose der<br />

CO 2<br />

-Emissionen im<br />

Straßengüterverkehr<br />

bis 2050.<br />

Danksagung<br />

Die beteiligten Geschäftseinheiten der Siemens AG<br />

danken dem Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz<br />

und Reaktorsicherheit als Fördermittelg<strong>eb</strong>er und<br />

der VDI/VDE Innovation + Technik GmbH als Projektträger<br />

für die interessierte und intensive Projektbegleitung<br />

und -förderung sowie den externen Projektpartnern für<br />

die kollegiale und kooperative Zusammenarbeit.<br />

Literatur + Links<br />

[1] Progtrans (Hrsg.): Abschätzung der langfristigen Entwicklung<br />

des Güterverkehrs in Deutschland bis 2050.<br />

Studie im Auftrag des BMVBS, Basel, 2007, (unveröffentlichter<br />

Bericht).<br />

[2] Europäische Kommission (Hrsg.): Fahrplan für den<br />

Übergang zu einer wettbewerbsfähigen CO 2<br />

-armen<br />

Wirtschaft bis 2050. Mitteilung der Kommission an<br />

das Europäische Parlament, KOM(2011) 112, Brüssel,<br />

2011. http://eur-lex.europa.eu<br />

[3] Europäische Kommission (Hrsg.): WEISSBUCH, Fahrplan<br />

zu einem einheitlichen europäischen Verkehr s-<br />

raum – Hin zu einem wettbewerbsorientierten und<br />

ressourcenschonenden Verkehrssystem. KOM(2011)<br />

144, Brüssel, 2011. http://eur-lex.europa.eu<br />

[4] Die Bundesregierung (Hrsg.): Regierungsprogramm<br />

Elektromobilität. Berlin, 2011. http://www.bundesregierung.de<br />

[5] Dönges, F.: Die Verstromung der Reichsautobahnen – Ein<br />

Beitrag zur Synthese zwischen Schiene und Straße. In:<br />

VTW – Verkehrstechnische Woche 30 (1936), H. 3, S. 29.<br />

[6] Oertel, W.: <strong>Elektrische</strong>r Schnellverkehr mit Oberleitungs-Omnibussen<br />

auf der Reichsautobahn. In: VTW –<br />

Verkehrstechnische Woche 30 (1936), H. 8, S. 93–96.<br />

[7] Behmann, U.; Buhl, E.: LKW unter Strom gesetzt. In:<br />

<strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 110 (2012), H. 5, S. 175–177.<br />

[8] DIN EN 50163: 2005-07: Bahnanwendungen – Speisespannungen<br />

von Bahnnetzen.<br />

[9] Siemens AG – Industry Sector – Drive Technologies<br />

(Hrsg.): Wie machen wir Stadtbusse sauberer und<br />

komfortabler? Produktbeschreibung ELFA-Antri<strong>eb</strong>s-<br />

System, Siemens AG I DT. Nürnberg, 2011.<br />

Dipl.-Ing. Frank Gerstenberg (50),<br />

studierte Elektrotechnik an der TU Dresden.<br />

Von 1987 bis 2003 war er Entwickler<br />

für Steuerungssoftware mechatronischer<br />

Systeme, unter anderem bei der AEG<br />

Postautomation. Bei der Siemens AG ist<br />

er seit 1996 in verschiedenen Positionen<br />

einschließlich Projekt- und Gruppenleitungen<br />

tätig und leitet Software- und<br />

interdisziplinäre Teams. Standorte seiner<br />

Tätigkeit waren Berlin, Konstanz, München<br />

sowie Arlington/Texas. Seit 2010 ist<br />

er Abteilungsleiter Control Software und<br />

Projektleiter der Stromabnehmer-Neuentwicklung<br />

im Forschungsprojekt ENUBA.<br />

Adresse: Siemens AG, IC MOL IL SPA,<br />

Rudower Chaussee 29,<br />

12489 Berlin, Deutschland;<br />

Fon: +49 30 639-26432;<br />

Fax: +49 30 86-838301;<br />

E-Mail: frank.gerstenberg@siemens.com<br />

Dr.-Ing. Michael Lehmann (31)<br />

studierte Verkehrsingenieurwesen an<br />

der Fakultät Verkehrswissenschaften<br />

„Friedrich List“ der Technischen Universität<br />

Dresden mit der Spezialisierung<br />

in Planung und Betri<strong>eb</strong> elektrischer<br />

Verkehrssysteme. Von 2006 bis 2009<br />

war er Stipendiat der Siemens AG am<br />

Lehrstuhl für <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> der TU<br />

Dresden und forschte dort zu Bahnsystemen<br />

mit hohen Spannungen. Seit 2009<br />

ist er bei der Siemens AG als Spezialist<br />

für elektrische Verkehrssysteme mit dem<br />

Schwerpunkt Entwicklungsprojekte und<br />

Systemintegration tätig.<br />

Adresse: Siemens AG, IC MOL TI TE,<br />

Werner-von-Siemens-Str. 65,<br />

91052 Erlangen, Deutschland;<br />

Fon: +49 9131 723617,<br />

Fax: +49 9131 82823617;<br />

E-Mail: lehmann.michael@siemens.com<br />

Dipl.-Ing (FH) Florian Zauner (29)<br />

studierte Maschinenbau mit Fachrichtung<br />

Fahrzeugtechnik an der Georg-<br />

Simon-Ohm-Hochschule in Nürnberg.<br />

Von 2008 bis 2010 war er im Projektmanagement<br />

in der Automobilindustrie<br />

tätig. Seit Ende 2010 ist er bei der<br />

Siemens AG Projektleiter für elektrische<br />

Antri<strong>eb</strong>ssysteme.<br />

Adresse: Siemens AG, I DT LD TD HD PM,<br />

Vogelweiherstr. 1-15,<br />

90441 Nürnberg, Deutschland;<br />

Fon: +49 911 433-7286, Fax: -7939;<br />

E-Mail: zauner.florian@siemens.com<br />

460 110 (2012) Heft 8-9


Projekte<br />

SupraTrans II – Fahrversuchsanlage für<br />

eine Magnetbahn mit Supraleitern<br />

Lars Kühn, Oliver de Haas, Dietmar Berger, Ludwig Schultz, Henning Olsen, Steffen Röhlig, Dresden<br />

In Dresden wurde das SupraTrans-System weiterentwickelt und eine Fahrversuchsanlage errichtet.<br />

Sie gestattet umfangreiche Fahrversuche und Komponententests. Die Anlage ist gegenüber dem Demonstrator<br />

durch höhere Belastbarkeit, höhere Geschwindigkeiten und eine vollständig kontaktfreie<br />

Energieübertragung gekennzeichnet.<br />

SUPRATRANS II – TEST DRIVE FACILITY FOR A SUPERCONDUCTOR-BASED MAGLEV TRAIN<br />

The SupraTrans system was further developed and a test drive facility built up in Dresden. The latter<br />

permits complex drive tests to be made as well as the testing of components. Compared to the<br />

demonstrator, the facility is characterized by a higher loadability, higher speeds and a completely<br />

contactless energy transmission.<br />

SUPRATRANS II – INSTALLATION D’ESSAIS DE CIRCULATION POUR UN TRAIN À<br />

SUSTENTATION MAGNÉTIQUE AVEC DES SUPRACONDUCTEURS<br />

A Dresde, les ingénieurs ont mis au point une nouvelle version du système SupraTrans et réalisé une<br />

installation qui permet d’effectuer des essais de circulation et des tests de composants très poussés.<br />

Les avantages de l’installation d’essais par rapport au démonstrateur sont une plus grande capacité<br />

de charge, des vitesses plus élevées et une transmission de l’énergie entièrement sans contact.<br />

1 Ausgangssituation und<br />

Zielsetzung<br />

Die Entwicklung von Supraleitern am Dresdner Leibniz-<br />

Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden<br />

in den 1990er Jahren führte zu der Idee, die auf<br />

Supraleitern basierenden Magnetlager in technischen<br />

Anwendungen zu nutzen. Zunächst wurde die Technologie<br />

in einem Lift angewendet, bei dem die Führung<br />

des Förderkorbs berührungsfrei realisiert wurde.<br />

Eine erste Bahnanwendung wurde mit dem Projekt<br />

SupraTrans in den Jahren 2000 bis 2006 entwickelt<br />

und mit einem Demonstrator realisiert. Der Demonstrator<br />

wurde erstmals 2004 auf der InnoTrans<br />

in Berlin einer Öffentlichkeit vorgestellt (Bild 1).<br />

Prinzipien und Aufbau des Demonstrators sind in [1]<br />

detailliert beschri<strong>eb</strong>en.<br />

Gleichwohl waren mit dem ersten Demonstrator<br />

noch zahlreiche technische Fragen ungelöst. Schließlich<br />

wurde im Jahre 2009 die Idee in Angriff genommen,<br />

eine Versuchsanlage zu entwickeln und aufzubauen,<br />

die Versuche in größerem Umfang ermöglichen<br />

und deren Fahrzeug auch als Versuchsträger für Komponenten<br />

dienen sollte. Und es sollte die Grundlage für<br />

einen Mehrzugbetri<strong>eb</strong> geschaffen werden.<br />

Die Versuchsanlage des als SupraTrans II bezeichneten<br />

Projekts weist gegenüber dem Demonstrator<br />

von 2004 folgende Hauptunterschiede auf:<br />

• Vergrößerung der Spurweite mit dem Ziel größerer<br />

Fahrzeuge mit einer höheren Tragkraft<br />

110 (2012) Heft 8-9<br />

• Aufbau eines Gleisovals neu mit g<strong>eb</strong>ogenen Fahrwegsegmenten<br />

mit dem Ziel, höhere Fahrgeschwindigkeiten<br />

zu erzielen und auch Langzeitversuche<br />

zu ermöglichen<br />

• Änderung des Antri<strong>eb</strong>skonzepts: Alle aktiven Elemente<br />

des Antri<strong>eb</strong>s wurden in das Fahrzeug<br />

verlegt, der Fahrweg besteht nur aus passiven Elementen,<br />

das Fahrzeug bewegt sich selbst, damit<br />

ist grundsätzlich ein Mehrzugbetri<strong>eb</strong> möglich.<br />

• Aufbau einer kontinuierlichen kontaktlosen Energieversorgung<br />

• Realisierung einer Leit- und Sicherungstechnik,<br />

die grundsätzlich einen gesicherten Mehrzugbetri<strong>eb</strong><br />

gestattet<br />

Bild 1:<br />

Demonstrator Supra-<br />

Trans I auf der Inno-<br />

Trans 2004 in Berlin<br />

(Foto: Röhlig).<br />

461


Projekte<br />

Bestandteil des Fahrwegs ist eine Schleppweiche, die<br />

ein Ausfädeln von Fahrzeugen aus dem Rundfahrweg<br />

ermöglicht.<br />

2 Supraleitende Magnetlager<br />

Durch die Entwicklung einer Apparatur zur Verflüssigung<br />

von Gasen konnte der Niederländer<br />

Heike Kamerlingh Onnes im Jahre 1911 die physikalischen<br />

Eigenschaften der Stoffe bei Temperaturen<br />

nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt<br />

bestimmen. Bei Messungen des elektrischen Widerstandes<br />

von Quecksilber machte er eine ungewöhnliche<br />

Entdeckung. Die Messwerte wichen<br />

von der erwarteten Widerstandsgeraden beim Erreichen<br />

der Temperatur von 4,2 K plötzlich ab und<br />

fielen auf unmessbar kleine Werte. Ein Material<br />

ohne elektrischen Widerstand hätte eine unendliche<br />

Leitfähigkeit. Heike Kamerlingh Onnes nannte<br />

diesen Effekt Supraleitung.<br />

Heute ist bekannt, dass Supraleitung einen quantenmechanischen<br />

Zustand beschreibt, der unterhalb<br />

einer kritischen Temperatur, einer kritischen<br />

Stromdichte und eines kritischen Magnetfeldes in<br />

einigen Metallen und Keramiken auftritt. N<strong>eb</strong>en<br />

dem Null-Widerstandes ist das Verdrängen von magnetischen<br />

Feldern aus dem Supraleiter deren zweite<br />

charakteristische Eigenschaft. Die daraus entstehende<br />

abstoßende Kraftwirkung zwischen Supraleiter<br />

und magnetischem Erreger kann für Magnetlager<br />

genutzt werden.<br />

Im Jahr 1986 wurde mit der neuen Klasse der<br />

supraleitenden Kuprate von Bednorz und Müller die<br />

Hochtemperatur-Supraleitung entdeckt. Deren kritische<br />

Temperatur liegt typischerweise oberhalb von<br />

77 K (–196 °C), dem Siedepunkt des flüssigen Stickstoff.<br />

Supraleitung dringt damit in einen Temperaturbereich<br />

vor, der eine breite technische Anwendung<br />

möglich macht.<br />

Anders als bisher können die neuen Hochtemperatursupraleiter<br />

Magnetfelder eindringen lassen<br />

indem diese zu einzelnen Flussschläuchen zusammengezogen<br />

werden. Die Flussschläuche können an<br />

Defekten, die gezielt in den Supraleiter eing<strong>eb</strong>racht<br />

wurden, haften. Dadurch ist es möglich das Magnetfeld<br />

einer Magnetschiene im Supraleiter durch<br />

Abkühlen des Supraleiters zu speichern. Eine Verschi<strong>eb</strong>ung<br />

des Supraleiters aus der ursprünglichen<br />

Magnetfeldkonfiguration wird durch eine Rückstellkraft<br />

beantwortet, wodurch der Supraleiter stabil in<br />

der ursprünglichen Position schw<strong>eb</strong>t [2].<br />

Das Herzstück der supraleitenden Lagerung besteht<br />

aus dem magnetischen Fahrweg und aus<br />

Hochtemperatur-Supraleiterblöcken (HTSL), die in<br />

Kält<strong>eb</strong>ehältern, so genannten Kryostaten, angeordnet<br />

sind. Für den Betri<strong>eb</strong> müssen die Supraleiter auf<br />

eine Temperatur von –196 °C gekühlt werden. Beim<br />

Abkühlen speichern die in einem definierten Abstand<br />

zur Magnetschiene angeordneten Supraleiter das<br />

Schienenmagnetfeld. Sie sind dadurch in der Lage,<br />

eine bestimmte Position quer zur Schiene von sich<br />

aus zu halten. Ihre supraleitende Arbeitstemperatur<br />

wird in Kryostaten, vorerst durch Kühlung in flüssigem<br />

Stickstoff, gewährleistet.<br />

3 Fahrversuchsanlage<br />

3.1 Fahrweg und Tragsystem<br />

Bild 2:<br />

Fahrwegelement der<br />

Versuchsanlage SupraTrans<br />

II (Foto: D. Berger).<br />

Bild 3:<br />

YBCO-Supraleiter<br />

(Foto: Krabbes)<br />

Der Fahrweg besteht aus zwei parallelen magnetischen<br />

Führungsschienen. Es ist eine magnetische<br />

Anordnung erforderlich, die ein homogenes Feld<br />

entlang der Fahrtrichtung und möglichst große<br />

Feldgradienten senkrecht dazu aufweist. Da die<br />

Kräfte zwischen Supraleiter und Magneten proportional<br />

zur Feldstärke und zum Feldgradienten<br />

sind, müssen durch die Magnetschienen hohe<br />

und g<strong>eb</strong>ündelte Feldstärken bereitgestellt werden.<br />

Diese greifen ausreichend weit in den Raum über<br />

der Schiene, um einen genügend großen Luftspalt<br />

zwischen Fahrzeug und Schiene zu erreichen.<br />

Gleichzeitig darf das Feld nicht in den umliegenden<br />

Raum streuen. All diese Anforderungen werden<br />

zunächst durch eine Anordnung von Perma-<br />

462 110 (2012) Heft 8-9


Projekte<br />

nentmagneten und Flusssammlern aus Weicheisen<br />

oder Stahl erfüllt [1].<br />

Der in Bild 2 dargestellte Fahrweg stellt eine<br />

Weiterentwicklung des Fahrweges des SupraTrans-<br />

Demonstrators dar. Wesentliche Merkmale des neuen<br />

Fahrwegs sind:<br />

• Das magnetische Design wurde für höhere Flussdichten<br />

über der Magnetschiene optimiert, um<br />

höhere Trag- und Führkräfte durch asymmetrische<br />

Flusssammleranordnung zu gewährleisten.<br />

• Das mechanische Design wurde verbessert, in<br />

dem Aluminium H-Profil zur Aufnahme der beträchtlichen<br />

abstoßenden Kräfte der Magnetanordnung<br />

durch einzelne Klammern ersetzt wurde.<br />

Dadurch kann die Magnetschiene in verschiedenen<br />

Radien und Biegungen für Steigung und<br />

Kurvenüberhöhung gefertigt werden.<br />

• Die Klammerbauweise erlaubt eine vereinfachte<br />

und automatisierte Montage der Magnetschiene,<br />

wodurch sich die Fertigungszeit und -kosten reduzieren<br />

lassen und gleichzeitig ein verbesserter<br />

Schutz vor Unfällen bei der Handhabung von<br />

großen Magneten geg<strong>eb</strong>en ist.<br />

• Die Klammerbauweise erlaubt <strong>eb</strong>enfalls einen<br />

deutlich flacheren Aufbau des Magnetgleises.<br />

Fahrzeugseitig werden in insgesamt vier Kryostaten<br />

jeweils 24 Blöcke der supraleitenden YBa 2<br />

Cu 3<br />

O 7-σ<br />

-Keramik<br />

(YBCO; Bild 3) befestigt und durch Betankung mit<br />

flüssigem Stickstoff auf einer Temperatur von -196 °C<br />

gehalten. Auch bei der Kryostat-Technologie wurden<br />

wesentliche Verbesserungen im Vergleich zum<br />

SupraTrans-Demonstrator erreicht.<br />

Die bei SupraTrans II erstmalig verwendeten Hybridkryostate<br />

erreichen eine Standzeit von 24 h im<br />

Vergleich zu neun Stunden beim Vorgängermodell.<br />

Wesentlicher Unterschied ist die vollständige Trennung<br />

in ein Innen- und ein Außengefäß, die durch<br />

eine Vakuumisolation voneinander getrennt sind<br />

(Bild 4). Die YBCO-Blöcke werden nicht mehr direkt<br />

von flüssigem Stickstoff umspült, sondern befinden<br />

sich im Vakuumraum und werden über eine Kupferplatte<br />

an den Stickstofftank angekoppelt. Diese<br />

Anordnung erhöht gleichzeitig die L<strong>eb</strong>ensdauer der<br />

YBCO-Keramik, da keine Feuchtigkeit in Poren eindringen<br />

kann und somit die Rissbildung im Warm-<br />

Kalt-Zyklus vermindert wird. Die Bauhöhe der neuen<br />

Hybrid-Kryostate konnte halbiert werden.<br />

Besonders kritisch ist die Dicke der Isolierschicht<br />

zwischen den Supraleitern und der Magnetschiene,<br />

da sie den lichten Schw<strong>eb</strong>espalt einschränkt. Diese<br />

konnte auf 3 mm beschränkt werden.<br />

Die Kenndaten des Kryostaten sind in Tabelle 1<br />

zusammengestellt.<br />

Grundsätzlich können die Kryostate auch aktiv<br />

gekühlt werden. Diese Lösung wurde bei Supra-<br />

Trans II jedoch noch nicht umgesetzt.<br />

110 (2012) Heft 8-9<br />

Die Kraft, die zwischen den supraleitenden Blöcken<br />

und der Schiene wirkt, hängt von deren Position<br />

zueinander ab, und zwar zunächst von der Position<br />

des Supraleiters beim Abkühlen und danach von<br />

seinen Lageänderungen. Je kleiner beim Abkühlen<br />

der vertikale Abstand ist, desto größere Seitenführungskräfte<br />

werden erreicht, während die maximale<br />

Tragkraft kleiner wird. Bei 13 mm Abstand beträgt die<br />

Kraft 115 N, was abzüglich der Dicke des Kryostatbodens<br />

10 mm lichtem vertikalen Luftspalt entspricht.<br />

Für die 40 Supraleiterblöcke ergibt das 470 kg tragbare<br />

Masse bei gleichmäßiger Verteilung. Wird das<br />

Fahrzeug in einem realistischen Be- und Entladeszenario<br />

um etwa die Hälfte entlastet, sinkt die Kraft je<br />

Block um 60 N, der Luftspalt wird nur 5 mm größer.<br />

Der magnetische Fahrweg bildet zusammen mit<br />

den in den Kryostaten befindlichen YBCO-Blöcken<br />

das Trag- und Führsystem der Magnetbahn, welches<br />

mit Ausnahme des Stickstoffs zur Kühlung der YBCO-<br />

Blöcke keine zusätzliche Energie für die Funktionen<br />

Tragen und Führen erfordert.<br />

3.2 Antri<strong>eb</strong>ssystem<br />

Als berührungsfreier Antri<strong>eb</strong> wurde sowohl ein synchroner<br />

als auch ein asynchroner Linearmotor in<br />

Betracht gezogen. Wegen der Vorgabe, mehrere<br />

Bild 4:<br />

Schnitt durch einen Kryostaten<br />

(Grafik: evico).<br />

Bild 5:<br />

Kryostat<br />

(Foto: Röhlig).<br />

463


Projekte<br />

TABELLE 2<br />

Kenndaten Antri<strong>eb</strong>.<br />

Nennschub Linearmotor<br />

Nennluftspalt<br />

Fahrzeuge individuell und mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten<br />

auf dem Fahrweg betreiben zu<br />

können, fiel die Wahl auf einen Kurzstator. Bei<br />

dieser Statorvariante befindet sich der Stator mit<br />

der dreisträngigen Wicklung und einer Polteilung<br />

τp = 57 mm im Fahrzeug.<br />

Der Linearmotor wurde nicht wie ursprünglich bei<br />

SupraTrans I als Doppelkammvariante ausgeführt,<br />

um eine Ineinandergreifen zwischen Fahrzeug und<br />

Fahrweg zu vermeiden. Diese widerspräche der<br />

grundsätzlichen Forderung, zweier unabhängiger<br />

Ebenen und der Möglichkeit des kontinuierlichen<br />

Antri<strong>eb</strong>s im Kurvenbereich.<br />

Für die synchrone Variante sprechen eine höhere<br />

Schubkraft und die gute Regelbarkeit. Nachteilig<br />

TABELLE 1<br />

Kenndaten des Kryostaten mit Supraleitern.<br />

Art des Kryostats<br />

Hybridkryostat geschlossen<br />

Material des Kryostatbehälters<br />

Isolation<br />

maximale Geschwindigkeit<br />

Nennspannung<br />

Nennstrom<br />

800 N<br />

6 mm<br />

20 km/h (5,56 m/s)<br />

3AC 400 V<br />

45 A<br />

Nennschlupf 0,42<br />

Nennfrequenz<br />

Edelstahl<br />

Vakuum<br />

Material Supraleiter YBa 2<br />

Cu 3<br />

O 7-δ<br />

Aufbau Supraleiter<br />

dreikeimig<br />

Abmessungen Supraleiter 64 mm x32 mm x 12 mm<br />

(Länge x Breite x Höhe)<br />

Anzahl Supraleiter pro Kryostat 24<br />

Supraleiterfläche 492 cm ²<br />

Kühlmittel flüssiger Stickstoff LN 2<br />

Volumen Kühlmitteltank<br />

Standzeit/ Operationszeit<br />

Abdampfrate<br />

Levitationskraftdichte<br />

(abhängig von Magnetfeldkonfiguration)<br />

Levitationskraft<br />

Anschlüsse<br />

Abmessungen absolut<br />

(Länge x Breite x Höhe)<br />

Gewicht (trocken)<br />

2,5 l<br />

> 20 h<br />

0,1 l/h<br />

4 – 4,5 N/cm ² bei 8–10 mm Luftspalt<br />

> 2000 N<br />

• Vakuumanschluss mit Ventil<br />

• Sicherheitsventil<br />

• Einfüllstutzen für Kühlmittel<br />

• Entlüftungsstutzen<br />

437 mm x 182 mm x 112 mm<br />

17 kg<br />

82 Hz<br />

sind die hohe Anziehungskraft zwischen eisenbehaftetem<br />

Stator und der Permanentmagnetleiste im<br />

Fahrweg, der zusätzliche Aufwand an Permanentmagnetmaterial<br />

entlang des Fahrwegs, den Fahrkomfort<br />

beeinträchtigende Rastkräfte und eine zur<br />

Antri<strong>eb</strong>sregelung notwendige genaue Positionsmessung.<br />

Für den asynchronen Linearmotor sprächen<br />

der einfache Aufbau des Sekundärteils im Fahrweg,<br />

eine geringere Normalkraft zwischen Stator und<br />

Sekundärteil, die bei Schlupfwerten größer 0,8 sogar<br />

abstoßend wirkt und eine einfache U/f-Steuerung<br />

des Motorstromrichters im OPEN-LOOP-Betri<strong>eb</strong>.<br />

Für die Fahrversuchsanlage SupraTrans II wird ein<br />

asynchroner Kurzstator-Linearmotor mit einer Länge<br />

von 1 200 mm und einer aktiven Breite von 140 mm<br />

als individueller Fahrzeugantri<strong>eb</strong> der Firma Oswald<br />

eingesetzt. Die günstigeren Fahrwegkosten durch das<br />

einfache Sekundärteil, die niedrigeren anziehende<br />

Normalkräfte und die Möglichkeit den Antri<strong>eb</strong>sstromrichter<br />

im OPEN-LOOP-Betri<strong>eb</strong> ohne hochgenaue Positionserkennung<br />

der Magnetpole des Sekundärteils<br />

zu betreiben waren hierfür ausschlagg<strong>eb</strong>end. Aufgrund<br />

der vergleichsweise weichen Lagerung der supraleitenden<br />

Magnetlagertechnologie wird der Antri<strong>eb</strong><br />

mit einem vergleichsweise großen Nennluftspalt von<br />

6 mm betri<strong>eb</strong>en. Bedingt durch den großen Luftspalt<br />

ist die Streureaktanz im Vergleich zur Hauptreaktanz<br />

des Motors groß, wodurch der Statorstrom über den<br />

gesamten Schlupfbereich nur um Faktor 2 ansteigt.<br />

Normalerweise sind hier Werte im Bereich von 10 und<br />

größer zu erwarten. Diese Tatsache begünstigt eine<br />

niedrigere Normalkraft. Die Kenndaten des Antri<strong>eb</strong>s<br />

sind in Tabelle 2 zusammengestellt.<br />

Das Drehfeld wird durch den Motorstromrichter<br />

bereitgestellt. Die Antri<strong>eb</strong>senergie wird direkt von den<br />

Pick-up-Modulen des Energieversorgungssystems in<br />

den Zwischenkreis (DC 560 V) des Motorstromrichters<br />

eingespeist (Bild 6). Über einen Fahrh<strong>eb</strong>el wird<br />

die Sollfrequenz des Drehfeldes dem Motorstromrichter<br />

vorgeg<strong>eb</strong>en. Der 3AC-Eingang des industriell<br />

gefertigten Motorstromrichters wird nicht genutzt.<br />

3.3 Stationäre Energieversorgung<br />

Da mit SupraTrans II eine grundsätzlich berührungslose<br />

Technik umgesetzt werden sollte, wurde für<br />

die Energieversorgung des Fahrzeugs ein industriell<br />

gefertigtes Energieübertragungs system der Firma<br />

Wampfler gewählt.<br />

Dieses besteht aus einem Konverter, welcher aus<br />

3AC 400 V 50 Hz einen Strom von 125 A mit einer<br />

Frequenz von 20 kHz bei variabler Spannung in die<br />

im Fahrweg angeordneten Leiterschleifen einspeist<br />

(Bild 7). Fahrzeugseitig dienen zwei so genannte<br />

Pick-up-Module mit eing<strong>eb</strong>auter Steuerelektronik<br />

zur Energieübertragung. Jedes dieser Module verfügt<br />

über eine Maximalleistung von 2,5 kW bei<br />

464 110 (2012) Heft 8-9


Projekte<br />

einem Luftspalt zwischen Leiterschleife und Modul<br />

von 7 mm. Auf ein Fahrzeug können somit maximal<br />

5 kW übertragen werden. Bild 8 zeigt den Fahrweg<br />

mit allen Fahrwegkomponenten.<br />

Die Energieversorgung der Fahrversuchsanlage<br />

gestattet die gleichzeitige Benutzung von sechs Pickup-Modulen,<br />

das heißt es könnten drei Fahrzeuge<br />

gleichzeitig auf der Versuchsanlage verkehren.<br />

3.4 Fahrzeug<br />

3.4.1 Allgemeines<br />

Für die Fahrversuchsanlage wurde ein Fahrzeug konzipiert,<br />

mit dem Messfahrten zur Bestimmung der<br />

Fahr- und Fahrzeugdynamik durchgeführt und auch<br />

Beförderungskonzepte und der Einfluss unterschiedlicher<br />

Lastwechselzyklen auf das Trag-/Führsystem<br />

getestet werden können. Das Fahrzeug ist darüber<br />

hinaus ein Versuchsträger für die Systemkomponenten<br />

Kryostate, Antri<strong>eb</strong>sstrang, Energieversorgungssystem,<br />

Hub-/Bremsvorrichtung, Anzeige- und Bedienelemente<br />

und die Bordelektronik.<br />

tri<strong>eb</strong>en und von Führungsbolzen geführt nach unten<br />

gedrückt. Sobald die Fußplatte die Magnetschiene<br />

berührt und der Antri<strong>eb</strong> weiter aktiv ist, wird das<br />

Fahrzeug ausgehoben.<br />

Zwischen den zwei Sitzen (5) ist das Bedienpaneel<br />

angeordnet. Es umfasst die Komponenten<br />

Konsole (6) mit Fahrtrichtungsh<strong>eb</strong>el, Hauptschalter<br />

als Schlüsselschalter, Einschaltknopf, Ausschaltknopf<br />

und Touchscreen-Display (7). In der Unteransicht<br />

sind der Primärteil des Antri<strong>eb</strong>s (10) in der Mitte<br />

des Fahrzeugs zu erkennen, das sich aufgrund seiner<br />

zentrierten Lage neutral auf die Asymmetrie der Gewichtsverteilung<br />

auswirkt. Unterhalb sind die beiden<br />

Pick-up-Module des induktiven Energieversorgungssystems<br />

angeordnet. Die Position der Abnehmer im<br />

Fahrzeug ist aufgrund der Lage der fahrwegseitigen<br />

Energieversorgungskabel festgelegt. Die hohe Masse<br />

von jeweils 17 kg pro Abnehmer würde zu einer stark<br />

asymmetrischen Gewichtsverteilung im Fahrzeug<br />

führen. Um diese asymmetrische Gewichtsverteilung<br />

auszugleichen, musste eine Vielzahl von Komponenten,<br />

deren Gesamtgewicht etwa dem der Abnehmer<br />

3.4.2 Mechanik<br />

Pick-Up-Module<br />

DC 560 V<br />

Bild 9 zeigt das Konstruktionsmodell des unverkleideten<br />

Fahrzeugs mit den beiden Achsen und die im<br />

Fahrzeug befindlichen Komponenten. Die beiden Kryostatträger<br />

(3) sind über den Grundrahmen (1) miteinander<br />

verbunden. Die Kryostatträger können starr und<br />

drehbar gelagert betri<strong>eb</strong>en werden. Der Grundrahmen<br />

besteht aus dem Hauptrahmen und Versteifungs- und<br />

Befestigungselementen. Diese Elemente sind notwendig,<br />

um die elektrischen Komponenten und die Sitze<br />

auf dem Fahrzeug zu befestigen und dienen darüber<br />

hinaus der Versteifung und Stabilisierung der Rahmenkonstruktion.<br />

Durch die supraleitende Magnetlagerung<br />

kann das Fahrzeug als Leichtbau ausgeführt<br />

werden. Der Grundrahmen und die Kryostatträger<br />

wurden deshalb als Aluminium-Schweißkonstruktion<br />

ausgeführt. Die Fahrzeugmasse wird über den Hauptrahmen,<br />

die Lagerung und die Traversen auf die vier<br />

Kryostate gleichmäßig verteilt. Der Abstand der Achsdrehpunkte<br />

beträgt 1 700 mm. Die fahrzeugseitigen<br />

Komponenten des Trag-/Führsystems, die Kryostate (8)<br />

mit den darin befindlichen Supraleitern, sind fest mit<br />

den Kryostatträgern verbunden.<br />

Bei der Brems- und Fixiervorrichtung (2) im Fahrzeug<br />

des SupraTrans II handelt es sich im Gegensatz<br />

zur Hubvorrichtung des SupraTrans I um keine<br />

stationäre Komponente des Fahrwegs, sondern um<br />

eine bewegliche Komponente, die Bestandteil des<br />

Fahrzeugs ist. Um das Fahrzeug zur Initialisierung<br />

oder zum sicheren Halt zu fixieren und auszuh<strong>eb</strong>en,<br />

wird die Fußplatte von einem Linearantri<strong>eb</strong> ange-<br />

3 AC<br />

DC 560 V<br />

Motorstromrichter<br />

DC 560 V<br />

3 AC<br />

U/f-Steuerung<br />

mit Fahrh<strong>eb</strong>el<br />

ASM<br />

3 AC<br />

Bild 6:<br />

Blockschaltbild Antri<strong>eb</strong><br />

(Grafik: evico).<br />

Bild 7:<br />

Grundaufbau<br />

Energieversorgung<br />

(Grafik: evico).<br />

Bild 8:<br />

Fahrweg (Foto:<br />

Röhlig).<br />

1 Magnetschienen<br />

2 Kurzschlussläufer<br />

des<br />

Linearantri<strong>eb</strong>s<br />

3 Leiter des<br />

Energieübertragungssystems<br />

4 Einspeisung des<br />

Energieübertragungssystems<br />

110 (2012) Heft 8-9<br />

465


Projekte<br />

entspricht, auf der linken Fahrzeugseite eing<strong>eb</strong>aut<br />

werden. Die Litium-Ionen-Batterie (9) mit 9 kg Masse<br />

kompensiert das Gewicht der Pick-up-Module nur<br />

teilweise. Weitere Komponenten, wie der Motorstromrichter<br />

(4) hinter dem linken der beiden Sitze<br />

und die beiden Tragschienen der Komponenten der<br />

24-V-Spannungs<strong>eb</strong>ene befinden sich <strong>eb</strong>enfalls auf<br />

der linken Fahrzeugseite.<br />

Die Fahrzeugverkleidung (Bild 10) aus GFK wurde<br />

von Alexander Müller im Rahmen seiner Bachelorarbeit<br />

an der HTW Dresden, Fakultät Gestaltung<br />

entworfen.<br />

3.4.3 Fahrzeugelektrik<br />

Wie bisher beschri<strong>eb</strong>en, ist der Antri<strong>eb</strong> so aufg<strong>eb</strong>aut,<br />

dass sich alle aktiven Komponenten im Fahrzeug<br />

befinden und mit Energie versorgt werden müssen.<br />

Zur Onboard-Ausrüstung zählen (Bild 11):<br />

• Energieübertragungssystem<br />

• Motorstromrichter und Linearmotor sowie Bremswiderstand<br />

• Schutzkleinspannungsbordnetz<br />

• Fahrzeugsteuerung<br />

• Brems- und Fixiereinrichtung<br />

• Schutz- und Messgeräte<br />

• Batterie zur Pufferung der Steuerelektronik<br />

Bild 9:<br />

Fahrzeugaufbau<br />

(Grafik: evico);<br />

Beschreibung im<br />

Text.<br />

Bild 10:<br />

Fahrzeug komplett<br />

mit Haube<br />

(Foto: Uhlemann).<br />

8<br />

1<br />

10<br />

7<br />

6<br />

5<br />

2 3<br />

11<br />

9<br />

4<br />

Die Pick-up-Module liefern eine Spannung DC 560 V<br />

und speisen in den DC-Zwischenkreis eines industriell<br />

gefertigten Motorstromrichters. Dieser stellt eine<br />

Dreiphasenspannung von 400 V mit einer variablen<br />

Frequenz von 0 … 80 Hz zur Speisung des Linearantri<strong>eb</strong>s<br />

bereit. In den DC-Zwischenkreis eing<strong>eb</strong>unden<br />

ist ein Bremswiderstand, der die Bremsenergie in<br />

Wärme wandelt. Auf den Einbau eines Speichers zur<br />

Nutzung der Bremsenergie wurde derzeit verzichtet,<br />

das ist jedoch grundsätzlich möglich und soll in einem<br />

späteren Projektstadium realisiert werden.<br />

Mittels Tiefsetzsteller wird Energie aus dem DC-<br />

560-V-Netz in ein DC-24-V-Netz gespeist. Die an<br />

das 24-V-Netz angeschlossene Batterie puffert dieses<br />

Netz im Falle der Unterbrechung der Fahrweg-<br />

Energieversorgung. Aus dem 24-V-Netz werden alle<br />

Steuer- und Schutzgeräte gespeist.<br />

Der Bordrechner dient der Steuerung des Antri<strong>eb</strong>s<br />

und der Verarbeitung der Signale vom Bediengerät,<br />

welches aus einer Art Fahrschalter und einem Bedienpaneel<br />

mit einem Touchscreen-Monitor besteht. Des<br />

Weiteren werden vom Bordrechner die Daten von<br />

Sensoren für bestimmte Messgrößen verarbeitet.<br />

Für den Fall, dass der Linearantri<strong>eb</strong> versagt, dient<br />

eine unabhängige Bremseinrichtung als zweites<br />

Bremssystem. Da das Fahrzeug bei eingefrorenem<br />

Magnetfeld seine Lage zum Fahrweg nicht verändern<br />

kann, werden fahrzeugseitig Bremskufen<br />

nach unten ausgefahren, mit denen das Fahrzeug<br />

zum Stillstand g<strong>eb</strong>racht werden kann. Die ausgefahrenen<br />

Kufen dienen auch dem Abstellen des<br />

Fahrzeugs bei Betri<strong>eb</strong>sruhe. Beim Einfrieren des<br />

Magnetfeldes fungiert die Einrichtung als Abstandshalter<br />

des Fahrzeugs zum Fahrweg. Die Brems- und<br />

Fixiereinrichtung wird aus dem 24-V-Netz gespeist<br />

und über den Bordrechner und das Bedienpaneel<br />

gesteuert.<br />

Der Bordrechner ist über eine WLAN-Verbindung<br />

ständig mit dem Leitstand verbunden. Alle Bedienhandlungen<br />

können auch vom Leitstand aus vorgenommen<br />

werden. Die Verbindung dient <strong>eb</strong>enso der<br />

Online-Übertragung von Messgrößen vom Fahrzeug<br />

zum Leitstand.<br />

466 110 (2012) Heft 8-9


Projekte<br />

3.5 Leittechnik<br />

Die Leittechnik dient der Ortung des Fahrzeugs auf dem<br />

Fahrweg. Bei Mehrfahrzeugbetri<strong>eb</strong> soll die Leittechnik<br />

Funktionen der Sicherungstechnik übernehmen.<br />

Die Leittechnik basiert auf einem Raumortungssystem.<br />

Dieses besteht aus vier im Raum angeordneten<br />

Antennenarrays und einem fahrzeugbasierten Sender.<br />

Die Position des Fahrzeugs wird im Leitrechner<br />

des Leitstands mittels trigonometrischer Funktionen<br />

unter Berücksichtigung des Laufzeitverhaltens der<br />

Funksignale berechnet. Die Ortung des Fahrzeuges<br />

wird für die Fahrwegüberwachung und letztendlich<br />

für die Fahrwegfreigabe genutzt. Die dafür zusätzlich<br />

erforderliche Geschwindigkeitsangabe wird auf dem<br />

Fahrzeug direkt gemessen und vom Bordrechner an<br />

den Leitrechner übertragen.<br />

Die Leittechnik ist so ausgelegt, dass im Falle einer<br />

Einfahrt in einen gesperrten Bereich die Brems- und Fixiereinrichtung<br />

das Fahrzeug zum Stehen bringt. Diese<br />

Funktionalität gewährleistet den Mehrfahrzeugbetri<strong>eb</strong>.<br />

3.6 Leitstand<br />

Hauptbestandteil des Leitstandes (Bild 12) ist der<br />

Leitrechner. Dieser verfügt über eine Remoteverbindung<br />

mit Bordrechner auf dem Fahrzeug. Dies<br />

ermöglicht einerseits die Anzeige des Bedienpaneels<br />

des Fahrzeugs auf dem Monitor des Leitrechners,<br />

anderseits ist eine direkte Steuerung des Fahrzeugs<br />

möglich. Der Leitrechner übernimmt und steuert<br />

darüber hinaus alle leit- und sicherungstechnischen<br />

Funktionen.<br />

Weiterhin dient der Leitstand zur Analyse von<br />

Fahrzeugdaten die per WLAN-Funkstrecke bereitgestellt<br />

werden. Das Fahrzeug ist dazu mit einem<br />

12-Kanal-Messverstärker ausgestattet. So können<br />

n<strong>eb</strong>en den vom Bordrechner bereitgestellten<br />

System informationen zu Position, Geschwindigkeits-Ist-<br />

und -Sollwert, Motorkenndaten etc. auch<br />

separate Sensoren wie ein mehrachsiger Beschleunigungssensor<br />

angeschlossen und ausgewertet<br />

werden.<br />

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Fahrleitungen<br />

Für die Bereiche Bahnfahrleitungen sowie<br />

Tram- und Trolleybusfahrleitungen<br />

sind wir der kompetente, zuverlässige<br />

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110 (2012) Heft 8-9<br />

467


Projekte<br />

4 Testbetri<strong>eb</strong><br />

Nach 20-monatiger Bauzeit wurde die Anlage am<br />

8. F<strong>eb</strong>ruar 2011 in Betri<strong>eb</strong> genommen. Ziel ist<br />

nunmehr die Erprobung der Fahrzeug- und Fahrwegkomponenten<br />

unter Betri<strong>eb</strong>sbedingungen. Zur<br />

Messdatenerfassung und -auswertung steht das<br />

Linearmotor<br />

Bremswiderstand<br />

Motorstromrichter<br />

Schutzeinrichtungen<br />

Schutzeinrichtungen<br />

DC 560 V Tiefsetzsteller DC 24 V<br />

Bedienpaneel<br />

Sensorik<br />

Brems- und Fixiereinrichtung<br />

Bordrechner<br />

leistungsfähige Analyzer-System PULSE der Firma<br />

Brüel & Kjaer zur Verfügung. Mit diesem System<br />

lassen sich Spannungssignale (0 ... 10 V) beli<strong>eb</strong>iger<br />

Sensoren erfassen, analysieren und weiterverarbeiten<br />

und speichern. Untersucht werden unter<br />

anderem<br />

• das Verhalten des Fahrzeuges bei Querkräften,<br />

• Luftspaltänderungen im Fahrbetri<strong>eb</strong> und bei<br />

wechselnder Belastung,<br />

• das Alterungsverhalten des Fahrweges und die<br />

Langzeitstabilität der Kryostate,<br />

• Änderungen im Magnetfeld des Fahrweges, beispielsweise<br />

bei Kurvenfahrt,<br />

• Energie- und Leistungsbedarf, thermisches Verhalten,<br />

• Langzeitverhalten und Zuverlässigkeit der Systemkomponenten,<br />

• dynamische Eigenschaften und Schwingungen im<br />

Fahrwerk.<br />

Zusätzlich zum Testbetri<strong>eb</strong> werden Besucherführungen<br />

an der Versuchsanlage durchgeführt (vorherige<br />

Anmeldung über die W<strong>eb</strong>site www.supratrans.de<br />

erforderlich). Seit Inbetri<strong>eb</strong>nahme der Anlage haben<br />

von dieser Möglichkeit über 1 900 Besucher<br />

G<strong>eb</strong>rauch gemacht. Dabei wurden mehr als 900 km<br />

mit dem Fahrzeug zurückgelegt (Stand: 31. Juli<br />

2012, Bild 13).<br />

Bild 11:<br />

Blockbild der Bordenergieversorgung<br />

(Grafik: ELBAS).<br />

Pick-up-<br />

Modul<br />

Batterie<br />

5 Ausblick<br />

Nach dem Einbau der Schleppweiche 2012 wird<br />

perspektivisch an der Weiterentwicklung der Bordausrüstung<br />

gearbeitet. Hierzu zählt der Ersatz des<br />

Bremswiderstandes durch einen Speicher zur Nutzung<br />

der Bremsenergie, der Bau eines Fahrwegs mit<br />

Neigungen und Steigungen sowie die Entwicklung<br />

einer auf elektromagnetischem Prinzip basierenden<br />

Weiche, die ohne mechanische Stellglieder auskommen<br />

soll.<br />

Bild 12:<br />

Leitstand<br />

(Foto: D. Berger).<br />

Das Projekt wird gefördert auf Grundlage des Zukunftsinvestitionsgesetzes<br />

(ZuInvG) mit Mitteln des<br />

Bundes und des Freistaates Sachsen.<br />

Literatur<br />

Bild 13:<br />

Fahrbetri<strong>eb</strong> auf der<br />

Versuchsanlage<br />

(Foto: Berger).<br />

[1] de Haas, O.; Schultz, L.; Heinrich, U.; Olsen, H.; Röhlig, S.;<br />

Kühn, L.; Berger, D.; Not<strong>eb</strong>oom, U.: Demonstrator für<br />

Magnetbahnsystem mit Supraleitern im Trag- und Führsystem.<br />

In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 102 (2004), H. 8-9,<br />

S. 369.<br />

[2] Krabbes, G.: Supraleitende Massivmaterialien für die<br />

Levitation. Wissenschaftliche Zeitschrift der Technischen<br />

Universität Dresden 46 (1997), H.3, S. 57–63.<br />

468 110 (2012) Heft 8-9


Connect - Contact - Control<br />

AUTORENDATEN<br />

Dipl.-Ing. (FH) Lars Kühn (36), Studium an der Hochschule für Technik<br />

und Wirtschaft (HTW) Dresden, 2003 – 2006 wissenschaftlicher Mitarbeiter<br />

an der HTW, bis 2009 am Leibniz-Institut als wissenschaftlicher Mitarbeiter,<br />

seit 2009 bei evico GmbH verantwortlich für supraleitende Magnetlager.<br />

Adresse: evico GmbH,<br />

Großenhainer Str. 101,<br />

01127 Dresden, Deutschland;<br />

Fon: +49 351 811263-0. Fax: -19;<br />

E-Mail: l.kuehn@evico.de;<br />

Dr. rer. nat. Oliver de Haas (41), Physikstudium an der Technischen<br />

Universitä t (TU) Dresden, Promotion am Leibniz-Institut für Festkörper- und<br />

Werkstoffforschung Dresden (IFW), seit 2003 dort wissenschaftlicher Mitarbeiter<br />

und Projektleiter; seit 2004 geschäftsführender Gesellschafter der evico GmbH.<br />

Adresse: wie oben;<br />

Fon: +49 351 811263-0;<br />

Fax: -19, E-Mail: dehaas@evico.de;<br />

Dipl.-Ing. Dietmar Berger (54), Studium Elektrotechnik an der Technischen<br />

Universität Dresden, 1995 – 2009 Berechnungsingenieur bei der Baumüller<br />

Kamenz GmbH, seit 2009 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Leibniz-<br />

Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW).<br />

Adresse: IFW Dresden, Postfach 27 01 16, 01171 Dresden, Deutschland;<br />

Fon: +49 351 4659-572;<br />

E-Mail: d.berger@ifw-dresden.de;<br />

Prof. Dr. rer. nat. Ludwig Schultz (55), Physikstudium und Promotion<br />

an der Universitä t Gö ttingen, einjä hriger Forschungsaufenthalt am IBM<br />

Forschungszentrum Yorktown Hights, danach am Siemens Forschungslabor in<br />

Erlangen beschä ftigt; seit 1993 Professor an der TU Dresden und Direktor am<br />

IFW, seit 2006 wissenschaftlicher Direktor des IFW Dresden<br />

Adresse: wie oben;<br />

Fon: +49 351 4659-321, Fax: -460;<br />

E-Mail: l.schultz@ifw-dresden.de<br />

Dipl.-Ing. Henning Olsen (43); Studium an der Hochschule für Verkehrswesen<br />

„Friedrich List“ Dresden, seit 1995 Mitarbeiter der ELBAS GmbH,<br />

2003 Gruppenleiter Systementwicklung, ab 2009 Gruppenleiter Studien und<br />

Entwicklung.<br />

Adresse: ELBAS <strong>Elektrische</strong> Bahnsysteme Ingenieur-Gesellschaft mbH, A DNV<br />

KEMA company, Königsbrücker Str. 34, 01099 Dresden, Deutschland;<br />

Fon: +49 351 82992-52;<br />

E-Mail: henning.olsen@dnvkema.com;<br />

Dr.-Ing. Steffen Röhlig (49), Studium und Promotion an der Hochschule<br />

für Verkehrswesen „Friedrich List“ Dresden, seit 1991 Geschäftsführer der<br />

ELBAS GmbH, seit 2011 Business Director Transportation Systems, Division<br />

Europe bei DNV KEMA Energy and Systainabilty.<br />

Adresse: siehe oben;<br />

Fon: +49 351 82992-11;<br />

E-Mail: steffen.roehlig@dnvkema.com<br />

110 (2012) Heft 8-9<br />

Schaltbau GmbH<br />

81829 München<br />

contactschaltbau.de


Rail Power Supply Systems<br />

Queensland Rail’s proof of concept for<br />

OpenPowerNet<br />

Trevor Bagnall, Brisbane; Ian Imrie, Sydney; Martin Jacob, Dresden<br />

Queensland Rail is the Brisbane City network operator and conducted a prove of concept for the railway<br />

power supply simulation tool OpenPowerNet. OpenPowerNet runs in co-simulation with the railway operation<br />

simulator OpenTrack. The average total energy consumption deviation was with 6.1 % well in the<br />

accepted range and made Queensland Rail confident to order multiple licenses of the simulation tools.<br />

QUEENSLAND RAIL – MACHBARKEITSSTUDIE FÜR OpenPowerNet<br />

Queensland Rail veranlasste eine Machbarkeitsstudie für das Simulationsprogramm OpenPowerNet<br />

zur <strong>Bahnen</strong>ergieversorgungsberechnung. OpenPowerNet läuft in einer Co-Simulation mit dem Betri<strong>eb</strong>ssimulator<br />

OpenTrack. Die Abweichung des durchschnittlichen Energieverbrauchs war mit 6,1 %<br />

deutlich im akzeptierten Bereich und veranlasste Queensland Rail mehrere Lizenzen der Simulationsprogramme<br />

zu bestellen.<br />

ETUDE DE FAISABILITÉ DE QUEENSLAND RAIL POUR OpenPowerNet<br />

Queensland Rail, l’opérateur du réseau ferré à Brisbane, a mené une étude de faisabilité pour le<br />

programme de simulation OpenPowerNet qui calcule l’alimentation électrique du réseau. Open-<br />

PowerNet fonctionne en co-simulation avec le simulateur d’exploitation OpenTrack. Avec 6,1 %,<br />

l’écart avec la consommation d’énergie moyenne était dans la fourchette acceptable. Ce résultat qui<br />

a incité Queensland Rail à commander plusieurs licences des programmes de simulation.<br />

1 Queensland Rail<br />

In 1976, construction commenced on an ambitious<br />

25 kV AC system which would eventually provide<br />

electric suburban, interurban and freight services over<br />

the most extensive electrified system in Australia.<br />

The first electric trains operated from Mitchelton<br />

to Darra in 1979. From this first service the system<br />

has been expanded with extensions and new lines to<br />

the network that exists today.<br />

Today, Queensland Rail operates 201 3 car Electric<br />

Multiple Unit train sets on the City network, see<br />

Figure 1. The network covers the Brisbane suburban<br />

area with 145 stations. Services transported 55 million<br />

passengers in the 2010/2011 fiscal year.<br />

The City network is radial. Through services from<br />

the North operate via the city centre to the Western,<br />

Southern and South Eastern suburbs and vice versa.<br />

The major stabling centre for City network services is<br />

on the northern city centre periphery at Mayne with<br />

limited outlying stabling areas towards the network<br />

extremities.<br />

The power supply performance software tool Open-<br />

PowerNet [1] was developed by the Institute for Railway<br />

Technology Dresden (IFB Dresden) to simulate<br />

rail network performance in conjunction with the<br />

OpenTrack [2] rail network simulator developed by<br />

OpenTrack Technology GmbH of Zurich Switzerland.<br />

Plateway Pty. Limited is the Australasian distributor<br />

of both products.<br />

The operational simulation is done by OpenTrack<br />

in co-simulation with OpenPowerNet. OpenPowerNet<br />

has a retroactive effect to OpenTrack, see<br />

Fig ure 2.<br />

OpenPowerNet is designed to calculate:<br />

• electrical load flow of DC, 1 AC and 2 AC railway<br />

power supply systems<br />

• electromagnetic coupling due to conductor arrangement<br />

and current [3]<br />

• energy balance considering recovery and station<br />

as well as vehicle energy storages<br />

• load analysis of equipment<br />

• touch voltage<br />

• electromagnetic field<br />

• short circuit currents<br />

2 The simulation tool<br />

OpenPower Net<br />

3 Proof of Concept Setup<br />

The proof of concept was designed to validate the<br />

simulation software OpenPowerNet and to verify<br />

the model configuration. The test was conducted<br />

in close cooperation between Queensland Rail pro-<br />

470 110 (2012) Heft 8-9


Rail Power Supply Systems<br />

viding input data and measurements, Plateway Ltd.<br />

creating the OpenTrack model and IFB Dresden preparing<br />

the OpenPowerNet model.<br />

In the first step, the model would be verified by<br />

comparing single train runs to the simulation. A single<br />

train run has the advantage to have well defined<br />

and known measurement conditions.<br />

The second step was to compare the measured<br />

energy consumption for 5 consecutive days of a 4 h<br />

morning peak period with the simulation. The pass<br />

fail criteria were defined by Queensland Rail as a<br />

maximum 10 % deviation between measurement<br />

and simulation. The simulation should be performed<br />

not knowing the measurements to have an impartial<br />

evaluation.<br />

The Cleveland line was chosen, as this line is<br />

typical for Brisbane’s commuter network. The test<br />

section was from Park Road to Cleveland. The line is<br />

feed from Lytton Junction transformer station. The<br />

station has two transformers, each feeding in separate<br />

directions, see Figure 3.<br />

The traction power supply system is 1 AC 25 kV<br />

50 Hz utilising 18 booster transformers to reduce stray<br />

currents. The total line length is 32 km with a 19 km<br />

double track section and an 11 km single track section.<br />

4 Modelling<br />

The first step was to assess the existing data and<br />

to compare this data as far as possible with the<br />

installation on site. For instance the existence and<br />

location of all booster transformers, connections<br />

from return wire to rails, signal locations and speed<br />

indicators.<br />

After assessment the modelling was straight forward<br />

using the following main input parameter:<br />

• track gradients, curves, line speed limit<br />

• turnout location<br />

• stations and platform<br />

• traction effort<br />

• maximum deceleration<br />

• vehicle mass, length<br />

• auxiliary power<br />

• vehicle efficiency of the traction power system<br />

• traction power and booster transformers<br />

• resistance and cross section configuration layout<br />

of all conductors<br />

The vehicle mass was considered particularly as the<br />

passenger load changes from station to station. Evaluation<br />

of the ridership proved a steady weight of<br />

passenger rise from Cleveland to Park Road, see Figure<br />

4. This was modelled by trains having different<br />

payload. As the current OpenTrack version allows to<br />

change the payload at each station it would have<br />

been easier today.<br />

110 (2012) Heft 8-9<br />

Figure 1:<br />

Queensland Rail City network with Cleveland line, the simulation scope is marked with a<br />

yellow dotted line [4].<br />

Figure 2:<br />

The co-simulation of OpenTrack and OpenPowerNet.<br />

471


Rail Power Supply Systems<br />

As the timetable has a time reserve, especially at<br />

the single track section, this needed to be considered.<br />

An overall performance factor of 90 % and a<br />

separate performance factor of 80 % at the single<br />

line section considered the time reserve. The performance<br />

factor reduces the utilised traction power and<br />

maximum travel speed.<br />

The modelling of the timetable includes 42 courses<br />

for each 4 h morning peak. As Queensland Rail<br />

has seven different vehicles types and the type allocation<br />

to courses varies every day it was necessary to<br />

prepare a separate timetable for each day.<br />

Figure 3:<br />

Cleveland Line sectioning diagram.<br />

Figure 4:<br />

Cumulative passenger weight of the Cleveland line.<br />

5 Calibration<br />

The calibration run took place early morning January<br />

30 th and January 31 st 2012. The runs included<br />

express runs and all stations runs according to the<br />

timetable. Acceleration runs at both ends of the<br />

test section on both tracks were also carried out.<br />

All measurements were compared to simulations.<br />

Comparing the voltage drop during acceleration at<br />

the end of the lines allowed the verification of the<br />

electrical network model.<br />

The measurements at the train were the basis to<br />

verify the total efficiency, maximum acceleration<br />

and auxiliary power consumption of the train. This<br />

was an important step as the existing vehicle data<br />

has been not very detailed. Figure 5 shows the very<br />

good congruence of the measured and simulated<br />

values. It also shows the significant influence of the<br />

driving behaviour as the congruence is only good<br />

where the measured and simulated speed respective<br />

acceleration is the same.<br />

6 Simulation and results<br />

Figure 5:<br />

Calibration run H818 from Park Road to Cleveland at section from Manly to Cleveland.<br />

thick curves measurements red electrical power<br />

thin curves simulation green speed<br />

blue voltage<br />

A simulation per day was done in about one<br />

hour plus half hour to run the automatic analysis.<br />

The consideration of timetable reserve and used<br />

performance factor gives a good congruence<br />

between planned and simulated timetable, see<br />

Figure 6.<br />

Beside the consumed energy a number of other<br />

simulation results are available. These are minimum<br />

pantograph voltage, traction and booster transformer<br />

load, feeder load etc., see Figure 7 to Figure 10.<br />

The total energy consumption per day has been<br />

presented to Queensland Rail and compared to the<br />

measurements. These results showed that Open-<br />

PowerNet was able to simulate the actual energy<br />

consumption within the required accuracy of 10 %<br />

for the 5 day average as well as for each individual<br />

day, see Figure 11.<br />

472 110 (2012) Heft 8-9


Rail Power Supply Systems<br />

Figure 6:<br />

The Tuesday morning peak timetable.<br />

dashed planned time<br />

solid simulated time<br />

green 6 Car EMU 6 motor (no recovery)<br />

orange 6 Car EMU 8 motor (no recovery)<br />

blue 6 Car SMU/IMU (with recovery)<br />

pink 6 Car Hybrid EMU 6 & 8 motor (no recovery)<br />

Figure 7:<br />

Minimum pantograph voltage of the Tuesday morning p eak from 6 am to 10 am<br />

at the Cleveland line.<br />

Figure 8:<br />

Busbar and feeder load of the Lytton Junction substat ion as time rated load<br />

periods curve.<br />

Figure 9:<br />

The busbar voltage and current versus time of the Lyt ton Junction substation.<br />

110 (2012) Heft 8-9<br />

Figure 10:<br />

The busbar current of the Lytton Junction feeder as time rated load periods curve.<br />

473


Rail Power Supply Systems<br />

After cross checking the measurements to the simulation<br />

a glitch in the model could be detected. It<br />

was then obvious that the auxiliary power consumption<br />

of the courses waiting at the terminus in Cleveland<br />

has been much lower than expected. According to<br />

the timetable there is always one train stabling in Cleveland.<br />

Additional simulations considered this effect<br />

and result in an even better congruence be tween the<br />

measurements and the simulations, see Figure 12.<br />

References + Links<br />

[1] http://www.openpowernet.de<br />

[2] http://www.opentrack.ch<br />

[3] Lehmann, M.; Neumann, H.: Network calculation with<br />

method of node potentials and consideration of electromagnetic<br />

coupling. <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 106 (2008),<br />

H. 8-9, S. 416–420.<br />

[4] TRANSLink w<strong>eb</strong>site: http://translink.com.au/resources/<br />

travel-information/network-information/maps/120618-<br />

busway-and-train-network.jpg<br />

AUTORENDATEN<br />

Trevor Bagnall (32), CPEng MIEAust<br />

RPEQ, Principal Engineer – High Voltage<br />

Systems, Queensland Rail.<br />

Address: Queensland Rail,<br />

RC2-4, 309 Edward Street,<br />

Brisbane, QLD 4000, Australia.<br />

Figure 11:<br />

Deviations of simulated energy consumption to measur ements at Lytton Junction Feeding<br />

Station from 30.01.2012 to 03.02.2012 at morning peak 6 am to 10 am, Cleveland to Park<br />

Road for the proof of concept.<br />

Ian Imrie (71), CPEng FIEAust, Technical<br />

& Commercial Analyst, Plateway<br />

Pty. Limited.<br />

Address: Plateway Ltd.,<br />

6/3 Sutherland Street,<br />

CLYDE NSW 2142, Australia.<br />

Dipl.-Ing. (FH) Martin Jacob (38),<br />

1997–2002 study of automation technology<br />

at the Hochschule für Technik<br />

und Wirtschaft Dresden, since 2002<br />

member at the Institut für Bahntechnik<br />

GmbH, Branch Dresden.<br />

Address: IFB GmbH,<br />

Wiener Str. 114–116, 01219 Dresden,<br />

Germany;<br />

phone: +49 351 87759-42, fax: -90;<br />

e-mail: mj@bahntechnik.de<br />

Figure 12:<br />

Deviations of simulated energy consumption to measureme nts at Lytton Junction Feeding<br />

Station from 30.01.2012 to 03.02.2012 at morning peak 6 am to 10 am, Cleveland to Park<br />

Road considering the lower auxiliary power at Cleveland terminus.<br />

474 110 (2012) Heft 8-9


Fahrleitungsmontagezug für den Gotthard-Basistunnel<br />

Intelligente Lösungen für nachhaltige Bahninfrastruktur<br />

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Technische Ausrüstung für den Katzenbergtunnel<br />

auf der Ausbau- und Neubaustrecke Karlsruhe–Basel


<strong>Bahnen</strong>ergieversorgung<br />

Kompakte DC-Schaltanlage für die <strong>Bahnen</strong>ergieversorgung<br />

der Jungfraubahnen<br />

Peter Aeschbacher, Zürich; Gabriel Roth, Interlaken; Alexander Schomburg, Erlangen<br />

Im Rahmen eines Erneuerungsprogramms ertüchtigten die Jungfraubahnen die DC-1500-V-Bahnstromversorgung<br />

für die Berner Oberland Bahn und die Wengernalpbahn in der Unterstation Grindelwald-Grund.<br />

Der Gleichrichtertransformator, der Diodengleichrichter und die DC-Bahnschaltanlage<br />

wurden ausgetauscht. Die neu installierte DC-Schaltanlage mit integriertem Diodengleichrichter<br />

zeichnet sich durch einen extrem geringen Platzbedarf aus und ermöglichte den Einbau der neuen<br />

Anlage im vorhandenen G<strong>eb</strong>äude und deren Inbetri<strong>eb</strong>nahme ohne vorherigen Ausbau der bisherigen<br />

Anlage. Die Anlage arbeitet seit ihrer Indienststellung störungsfrei.<br />

COMPACT DC SWITCHGEAR FOR TRACTION POWER SUPPLY AT JUNGFRAUBAHNEN<br />

Within their re-engineering program Jungfraubahnen retrofitted the DC 1500 V substation Grindelwald-Grund<br />

supplying the Berner Oberland Bahn and the Wengernalpbahn. The rectifier transformer,<br />

the diode rectifier and the DC switchgear were replaced. The newly installed DC switchgear<br />

including the diode rectifier is characterized by an extremely low space requirement enabling the<br />

installation of the new equipment in the existing building and their commissioning before dismantling<br />

the old equipment. The substation has operated without any disturbance since its restarting.<br />

DES PANNEAUX DE COMMANDE CC COMPACTS POUR LES JUNGFRAUBAHNEN<br />

Dans le cadre d’un programme de rénovation, les Jungfraubahnen ont modernisé la sous-station<br />

de Grindelwald-Grund qui alimente le Berner Oberland Bahn et le Wengernalpbahn en CC 1500 V.<br />

Le transformateur redresseur, le redresseur à diodes et le panneau de commande CC ont été remplacés.<br />

Le nouveau panneau de commande CC à redresseur à diodes intégré se caractérise par un<br />

encombrement extrêmement réduit, ce qui a permis de loger et de mettre en service la nouvelle<br />

installation dans le bâtiment existant sans avoir à démonter l’ancienne installation. Depuis sa mise<br />

en service, l’installation fonctionne sans aucune perturbation.<br />

1 Die Jungfraubahnen und ihre<br />

Bahnstromversorgung<br />

1.1 Geschichtliche Entwicklung<br />

Die rasante Zunahme des alpinen Tourismus löste im<br />

ausgehenden 19. Jahrhundert im schweizerischen<br />

Alpenraum einen wahren Bergbahn-Bauboom aus.<br />

Im Jahr 1871 nahm mit der Viznau-Rigi-Bahn am<br />

Vierwaldstättersee die erste Zahnradbahn Europas<br />

den Betri<strong>eb</strong> auf. Im Jahr 1889 folgte die mit 480 ‰<br />

heute noch steilste Zahnradbahn der Welt auf den<br />

Pilatus. Kurz darauf wurden auch im Jungfraug<strong>eb</strong>iet<br />

im Berner Oberland wichtige touristische Ausflugsziele<br />

erschlossen. Innerhalb von nur drei Jahren wurden<br />

die Berner Oberland Bahn (BOB), die Bergbahn<br />

Lauterbrunnen-Mürren (BLM), die Brienz-Rothorn<br />

Bahn, die Schynige Platte Bahn (SPB) und die Wengernalpbahn<br />

(WAB) mit 63 km kumulierter Länge,<br />

davon 38 km mit Zahnstange, fertiggestellt. Alle<br />

diese <strong>Bahnen</strong> sind heute noch erfolgreich in Betri<strong>eb</strong>.<br />

Getri<strong>eb</strong>en vom Erfolg dieser Bergbahnen wurde<br />

im Jahr 1896 mit dem Bau der Jungfraubahn (JB)<br />

begonnen, der bis heute spektakulärsten Zahnradbahnstrecke<br />

der Alpen. Der Zürcher Industrielle Adolf<br />

Guyer-Zeller initiierte dieses für damalige Verhältnisse<br />

außerordentlich gewagte Vorhaben.<br />

Ausgehend von der Bergstation der Wengernalpbahn<br />

auf der Kleinen Scheidegg auf 2061 m.ü.M.<br />

wurden die ersten 2 200 m bis zur Station Eigergletscher<br />

innerhalb von zwei Jahren realisiert. Der<br />

Bau des über 7 200 m langen Tunnels durch die Eigernordwand<br />

und durch den Mönch zum Jungfraujoch<br />

dauerte unter teilweise widrigsten Bedingungen<br />

weitere 14 Jahre – doppelt so lange wie geplant [1].<br />

Erst 1912 konnte die höchste Bahnstation Europas<br />

auf 3 454 m.ü.M. in Betri<strong>eb</strong> genommen werden.<br />

Der ursprüngliche Plan, die Bahn bis zum Gipfel<br />

der Jungfrau auf 4 158 m.ü.M. zu führen, wurde nie<br />

mehr verwirklicht.<br />

1.2 Die Bergbahngruppe „Jungfraubahnen“<br />

Zwanzig Jahre nach Eröffnung ging die Jungfraubahn<br />

mit der benachbarten Wengernalpbahn eine<br />

476 110 (2012) Heft 8-9


<strong>Bahnen</strong>ergieversorgung<br />

Betri<strong>eb</strong>sgemeinschaft ein. Beide Gesellschaften bli<strong>eb</strong>en<br />

rechtlich und finanziell weiterhin unabhängig.<br />

1945 konnten auch die Berner Oberland <strong>Bahnen</strong><br />

mit der Schynige Platte Bahn in die Gemeinschaft<br />

integriert werden, wodurch die Zusammenarbeit in<br />

betri<strong>eb</strong>licher und in technischer Sicht vereinfacht<br />

wurde. Heute bilden die <strong>Bahnen</strong> JB, WAB, BOB, SPB<br />

und BLM zusammen mit einigen Seilbahnen und<br />

Wintersportanlagen die Bergbahngruppe Jungfraubahnen<br />

unter gemeinsamer Führung mit Sitz in<br />

Interlaken. Die Gruppe beschäftigt rund 700 Mitarbeiter<br />

und erschließt n<strong>eb</strong>en dem Jungfraujoch<br />

noch viele weitere Ausflugsziele sowie die Bergdörfer<br />

Grindelwald, Wengen und Mürren. Die Gruppe erzielt<br />

gut 160 Mio. CHF Jahresumsatz (130 Mio. EUR)<br />

und befördert jährlich 3,6 Mio. Gäste auf einen ihrer<br />

Ausflugsberge. Alleine das Jungfraujoch zählte im<br />

vergangenen Jahr 765 000 Besucher.<br />

1.3 Bahnstromversorgung<br />

Die Firma Alioth, Münchenstein, elektrifizierte im<br />

Jahr 1910 die Wengernalpbahn mit der für die<br />

damaligen Verhältnisse hohen Gleichspannung DC<br />

1 500 V. Vier Jahre später stellten auch die Berner<br />

Oberland Bahn und die Schynige Platte Bahn von<br />

Dampfbetri<strong>eb</strong> auf elektrischen Betri<strong>eb</strong> um. Obwohl<br />

diese <strong>Bahnen</strong> zur Elektrifizierung die gleiche Spannung<br />

nützten, wurden die <strong>Bahnen</strong> anfänglich getrennt<br />

versorgt. Zur Umwandlung des 7,5-kV-40-Hz-<br />

Drehstroms, welcher aus zwei Wasserkraftwerken der<br />

Jungfraubahnen geliefert wurde, dienten rotierende<br />

Umformer, ergänzt durch Batterieanlagen zur Abdeckung<br />

der Leistungsspitzen. Genügten zu Beginn<br />

des elektrischen Betri<strong>eb</strong>s zwei Umformeranlagen,<br />

ergänzt durch zwei Boosterstationen [2], mussten<br />

mit zunehmendem Verkehr im Laufe der Zeit weitere<br />

DC-Unterwerke g<strong>eb</strong>aut werden. Insbesondere die<br />

schrittweise Ablösung der elektrischen Loks durch<br />

leistungsstärkere Tri<strong>eb</strong>wagen nach dem zweiten<br />

Weltkrieg erforderte kürzere Einspeisedistanzen und<br />

Verstärkungsleitungen mit größeren Querschnitten.<br />

Dabei wurden die Gleichstromnetze von BOB, SPB<br />

und WAB schrittweise zusammengeschaltet und bilden<br />

heute ein gemeinsames, 50 km langes Netz<br />

(Bild 1) mit insgesamt zehn DC-Unterwerken mit<br />

je 1 bis 3 MW Leistung, wobei zwei Unterwerke mit<br />

Wechselrichteranlagen zur Rückspeisung der Rekuperationsenergie<br />

ausgestattet sind.<br />

Die Bergbahn Lauterbrunnen-Mürren (BLM) ist<br />

innerhalb der Bahngruppe ein Sonderfall. Als Adhäsionsbahn<br />

mit maximal 52 ‰ Steigung und einer wegen<br />

der engen Kurvenradien auf 30 km/h limitierten<br />

Höchstgeschwindigkeit ist ihr Leistungsbedarf mit<br />

208 kW pro Fahrzeug verhältnismäßig bescheiden.<br />

So wird die 4 280 m lange Strecke auch nur von zwei<br />

Gleichrichtern an den Endpunkten Grütschalp und<br />

Mürren mit DC 560 V versorgt. Die Charakteristik<br />

von Strecke und Bahnstromversorgung entspricht<br />

tatsächlich eher derjenigen einer Straßenbahn als<br />

der einer Bergbahn. Die BLM wird deshalb auch li<strong>eb</strong>evoll<br />

„Alpentram“ genannt.<br />

Die Jungfraubahn ist nicht Teil des Gleichstromnetzes.<br />

Sie wurde von Anfang an mit Drehstrom<br />

elektrifiziert. Zwei parallel laufende Fahrdrähte und<br />

die Schiene bilden die drei Außenleiter, eine Bahnstromversorgung,<br />

welche heute n<strong>eb</strong>en der Jungfraubahn<br />

weltweit nur noch bei drei weiteren <strong>Bahnen</strong>,<br />

nämlich der Gornergratbahn (Wallis, Schweiz), der<br />

Corcovadobahn (Rio de Janeiro, Brasilien) und der<br />

Chemin de Fer de la Rhune (Pyrenäen, Frankreich)<br />

im Einsatz ist. Für Zahnradbahnen, welche weitestgehend<br />

mit konstanter Geschwindigkeit unterwegs<br />

sind und somit nur im Anfahr- und Abbremsbereich<br />

geregelt werden müssen, bot die Drehstromtechnik<br />

zur Bauzeit der Bahn einige wichtige Vorteile. Zum<br />

einen konnte der Bahnstrom mit einfachen Transformatoren<br />

anstelle der damals aufwändigen Gleichrichteranlagen<br />

erzeugt werden, zum anderen waren<br />

die Drehstrommotoren schon damals leichter, günstiger<br />

und betri<strong>eb</strong>ssicherer als Gleichstrommotoren.<br />

Ein weiterer wichtiger Vorteil war die einfache Art der<br />

Energierückgewinnung auf der Talfahrt, indem der<br />

Bild 1:<br />

Bahnlinien der Jungfraubahnen.<br />

110 (2012) Heft 8-9<br />

477


<strong>Bahnen</strong>ergieversorgung<br />

Drehstrommotor dem Netzdrehfeld voreilt und damit<br />

auf einfache Weise als Generator wirkt. Die Fahrgeschwindigkeit<br />

ist dabei nur um die doppelte Schlupfgeschwindigkeit<br />

höher als auf der Bergfahrt [3]. Wenn<br />

keine gleichzeitig bergwärts fahrenden Züge den<br />

eingespeisten Strom direkt aufnehmen können, wird<br />

dieser über die Bahntransformatoren mit geringen<br />

Verlusten ins Versorgungsnetz zurückgespeist.<br />

Zahnradbahnen werden auf der Talfahrt ausschließlich<br />

durch die generatorisch wirkenden Fahrmotoren<br />

g<strong>eb</strong>remst. Die mechanischen Bremsen<br />

müssen zwar in der Lage sein, den Zug dreimal<br />

hintereinander sicher zum Stand zu bringen [4],<br />

sind aber aufgrund ihrer begrenzten thermischen<br />

Belastbarkeit nicht für Dauerbetri<strong>eb</strong> geeignet. Bei<br />

der Jungfraubahn wird die Bremsenergie seit jeher<br />

ins Netz zurückgespeist, das heißt rekuperiert. Von<br />

den Gleichstrombahnen der Jungfrauregion ist bei<br />

der Wengernalpbahn und der Berner Oberland Bahn<br />

vorwiegend der modernere Teil der Flotte rekuperationsfähig.<br />

Bei der Schynige Platte Bahn, welche bis<br />

heute mit hundertjährigen, zweiachsigen Elektroloks<br />

verkehrt, wird der gesamte Bremsstrom verheizt.<br />

Die Rückspeisewirkungsgrade beim Einspeisepunkt<br />

am Gleichrichter betragen je nach Fahrzeugtyp<br />

zwischen 40 % und 60 %. Obwohl moderne<br />

Stromrichterfahrzeuge mit Asynchronmotoren weitaus<br />

bessere elektrische Wirkungsgrade aufweisen, ist<br />

der Rückspeisewirkungsgrad nicht höher, weil die<br />

ganze elektrische und mechanische Wirkungsgradkette<br />

bestehend aus Speisung-Rückleitung, Stromrichter,<br />

Motor, Hilfsbetri<strong>eb</strong>e, Getri<strong>eb</strong>e, Zahnradsystem<br />

auf der Berg- und Talfahrt, also doppelt, in<br />

die Wirkungsgradrechnung eingehen. Während der<br />

Hauptverkehrszeiten kann der zurück gewonnene<br />

Strom durch bergwärts fahrende Züge direkt wieder<br />

aufgenommen werden. In Randzeiten hingegen<br />

wird die Rekuperationsenergie über Wechselrichter<br />

in das übergeordnete 16-kV-Mittelspannungsnetz<br />

übertragen. Das Netz der BOB/SPB/WAB verfügt<br />

hierfür in Alpiglen und Wengen über zwei Wechselrichter,<br />