Rückgewinnung von Bremsenergie bei Schienenverkehrsmitteln (Teil I) von Hans Streiff, SEAK, Dipl. El.-Ing. ETHZ, Nussbaumen |
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| Historische Entwicklung Literaturhinweis Erweiterte Aufgaben für die Netzbremse im Rahmen der "Bahn 2000" und der NEAT Literaturverzeichnis Anmerkungen
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| Grundsätzliches zur Rückgewinnung von Bremsenergie | |
| Bei keinem anderen Verkehrsmittel als beim
elektrisch betriebenen, an eine Fahrleitung gebundenen oder allenfalls mit einem Speicher
versehenen Landfahrzeug lässt sich die aus der Beharrungsbremsung bei Talfahrten und bei
Verzögerungsbremsungen anfallende Bremsenergie rückgewinnen, das heisst ins
Versorgungsnetz zurückspeisen.
In einer ersten Stufe wird damit an die Wiederaufladung des Speichers bei einem Akkumulator-Triebfahrzeug gedacht. Auch eine Versorgung der Hilfsbetriebe und Komfortanlagen innerhalb einer Zugskomposition zählt dazu. So speisen verschiedene Zahnrad-Bergbahnen bei Talfahrt -- oft mit gesenktem Stromabnehmer -- die Konvektionsheizkörper in den Personenabteilen sowie den Kompressor durch den Bremsstrom der generatorisch arbeitenden Fahrmotoren. Diese Verbraucher sind parallel zu den Bremswiderständen geschaltet. Die Bremswiderstände setzen die verbleibende Bremsenergie in Wärmeenergie um. Eine weitere Stufe stellt die Rückspeisung der Bremsenegie über den Stromabnehmer in das Stromversorgungsnetz dar, das bei den Kollektiv-Verkehrsmitteln in Form von Fahrleitungs- oder Stromschienenanlagen mit den vorgelagerten Unterwerken und Hochspannungsnetzen in Erscheinung tritt. Die Unterwerke bestehen bei Bahnen mit Wechselstrombetrieb aus Transformatoren mit Schalt- und Schutzeinrichtungen; bei Bahnen und Trolleybusnetzen mit Gleichstrombetrieb kamen früher Umformergruppen und Quecksilberdampf-Gleich- und Wechselrichter, oft auch Lastausgleichs-Akkumulatorbatterien hinzu, deren Funktionen heute weitgehend durch Halbleiter-Gleichrichter mit Silizium-Halbleiterventilen erfüllt werden. Die Hochspannungsnetze sind entweder die dreiphasigen Landesvorsorgungsnetze (Drehstrom mit der Frequenz von 50 Hertz) oder die einphasigen Bahnnetze (Einphasenwechselstrom mit der Frequenz von 16,7, anfänglich 16 2/3 Hertz). Zum Energieaustausch zwischen beiden Netzen enthalten grössere Unterwerke oft Netzkupplungs-Umformer (rotierende Maschinensätze) oder -Umrichter (statische Halbleitersätze). Gegenwärtig weisen in der Regel alle Kollektiv-Verkehrsmittel -- vom Trolleybus als nicht-schienengebundenes über die Strassenbahn, Stadtbahn, Metro, Regionalbahn und Vollbahn bis zur Zahnradbahn -- eine auf generatorisch arbeitenden Fahrmotoren basierende elektrodynamische Bremse für Energierückspeisung auf, sofern das Antriebssystem auf einem mit steuerbaren Halbleiterventilen versehenen Stromrichter beruht. Derartige Bremseinrichtungen sind unter der Bezeichnung Netzbremse oder Rekuperationsbremse bekannt. Als steuerbare Halbleiter stehen je nach Antriebssystem entweder Netz-Thyristoren oder Frequenz-Thyristoren zur Verfügung. Jene schalten im Takt der Netzfrequenz (sog. netzgeführte Stromrichter, nur bei Betrieb mit Einphasen-Wechselstrom verwendbar); letztere arbeiten mit wesentlich höheren Taktfrequenzen und sind heute insbesondere als sog. Abschalt- (d.h. GTO-) Thyristoren, in jüngsterZeit auch als Inverse-Gate-Bipolar-Transistor (IGBT) allgemein im Einsatz.
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| Historische Entwicklung | |
Obwohl die Netzbremse erst seit der Herstellung von Thyristoren mit hoher Leistungsdichte für den Bau leistungsfähiger, kompakt gebauter Antriebsstromrichter praktisch uneingeschränkt Anwendung findet, gelangten schon in der Periode der sogenannten Direktmotorantriebe Triebfahrzeug-Serien mit Netzbremsen zum Einsatz. Beim Direktmotorantrieb werden die Fahrmotoren direkt aus dem Betriebsstromsystem, das heisst mit der gleichen Stromart gespeist. Die Spannungsveränderung an den Fahrmotoren zur Geschwindigkeitsveränderung des Zuges ist Stufenschaltwerken in Verbindung mit Stufentransformatoren oder Anfahr- und Bremswiderständen übertragen. Stromrichter für eine Umrichtung der Stromart und eine stufenlose Spannungsregelung standen noch nicht zur Verfügung. Beim Betrieb mit Drehstrom mit starrer Netzfrequenz an der Fahrleitung, der vor rund 100 Jahren bei Bergbahnen mit Zahnstangenstrecken (wie Zermatt - Gornergrat der Gornergrat-Bahn (GGB) Anmerkung Kleine Scheidegg - Eismeer, später Jungfraujoch der Jungfrau-Bahn (JB) Anmerkung oder Obermatt - Ghärst der Stansstad - Engelberg-Bahn (StEB) Anmerkung sowie bei der ersten elektrisch betriebenen Vollbahn Europas zwischen Burgdorf und Thun zur Verwendung kam, stellte sich bei Gefällsfahrten zwangsläufig Netzbremsung ein, denn die Drehstrom-Asynchron-Fahrmotoren erzeugten bei leicht übersynchroner Drehzahl automatisch ein bremsendes Drehmoment. Bei Bahnen mit Gleichstrombetrieb verbreitete sich die Netzbremsung vor allem auf Strecken mit längeren und grösseren Gefällen, wie beispielweise auf der Strecke Chur - Arosa Anmerkung / Literaturhinweis und der Berninastecke Anmerkung / Literaturhinweis der Rhätischen Bahn (RhB), auf der Chemin de fer Montreux -Oberland Bernois (MOB) Anmerkung / Literaturhinweis , auf der Wengernalp-Bahn (WAB) Anmerkung , ferner auf dem Trolleybusnetz der Transports publics lausannois (TL). Beim Gleichstrombetrieb stand die Frage der Wirtschaftlichkeit durch reduzierten Energiekonsum aus bahnfremden Kraftwerken im Vordergrund. Denn die anspruchsvollere Traktionsausrüstung bei den Triebfahrzeugen mit Netzbremsung liess sich gegenüber der üblichen Widerstandsbremsung nur durch jenen Vorteil rechtfertigen. Um bei schwach belastetem Fahrleitungsnetz die Energierückführung immer zu gewährleisten, rüsteten die betroffenen Bahnunternehmungen ihre Unterwerke teilweise mit Wechselrichtern zur Umformung der Gleichstrom- in Drehstromenergie aus. Wenn die Netzbremsung nicht anwendbar ist, steht bei den Gleichstrom-Triebfahrzeugen -- vor allem auch bei Strassenbahnen und Trolleybussen -- die Kurzschluss-Widerstandsbremsung weitestgehend in Gebrauch, die dabei nicht nur zur Beharrungsbremsung im Gefälle, sondern auch zur Verzögerungsbremsung beim Anhalten dient. |
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Bergwärts verkehrender Güterzug der Rhätischen Bahn auf der Berninastrecke mit Triebwagen ABe 4/4 III mit Drehstromantrieb für Betrieb mit Gleichstrom von 1000 Volt. Auf der anschliessenden Talfahrt von Bernina-Hospiz nach Poschiavo mit einem Gefälle von max. 70 o/oo kann der ABe 4/4 III ca 50 % der vorliegenden Masse der Anhängelast dynamisch mit der Netzbremse in Beharrung halten, die für den Rest durch die saugluftgesteuerte Reibungsbremse zu unterstützen ist. Dieser Anteil darf auch bei einer Doppeltraktion wegen der höchstzulässigen Pufferdruckkraft nicht überschritten werden. Foto: ABB Archiv |
Anders bei den mit Einphasenwechselstrom elektrifizierten Vollbahnen ! Die elektrische Bremse diente vorerst nur auf Gebirgsstrecken als Sicherheitsbremse für allein talwärts fahrende Lokomotiven, die beispielsweise vom Vorspann- oder Schiebedienst her zurückzuführen waren. Gleichzeitig erreichte sie dort eine Entlastung der mechanischen Radklotzbremsen primär auf der Lokomotive (geringere thermische Beanspruchung der Radsätze und Bremsklötze, geringerer Bremsklotzverschleiss und weniger Verschmutzung), bei höherer generatorischer Bremsleistung vorteilhafterweise auch im angehängten Zug, wenigstens durch Reduktion der Bremsklotzdrücke. Im Gegensatz zur öfters auch angewendeten fremderregten Widerstandsbremse erlaubte die Netzbremse, die grösseren anfallenden Bremsenergiemengen vom Triebfahrzeug "frei zu bekommen", ohne grosse Volumen an eigen- oder fremdgekühlten Bremswiderständen zur Umsetzung der Bremsenergie in Wärme mitzuführen. Die eigentliche Energieersparnis spielte noch nicht die dominante Rolle, weil in der Regel die unerwünschte Blindstrombelastung des Netzes durch die Netzbremse anstieg. Ausserdem bedingten die zusätzliche Apparatur für die Netzbremse sorgfältige Abklärungen bezüglich Einbauvolumen und Masseverteilung, und ihre Funktion war beispielsweise bei Stromabnehmerabsprüngen nicht immer problemlos. Obwohl die Schweizerischen Bundesbahnen (SBB) die Wechselstrom-Netzbremse schon zu Beginn der Elektrifizierung der Gotthardstrecke und als einzige europäische Bahnverwaltung in grösserem Umfang anwendete, blieb sie zunächst auf die Triebfahrzeuggattungen Ce 6/8 II und III (Gotthard), Ae 4/7 (Gotthard und Simplon), Ae 8/14 und Ae 4/6 (Gotthard), Fe 4/4 (Seetal, Vallorbe - Brassus) und Re 4/4 I 10001 - 10026 (erste Bauserie) sowie bei der Bodensee - Toggenburg-Bahn (BT) auf die Lokomotivgattung Be 4/4 (Freizügigkeit auf Schweizerische Südost-Bahn- (SOB-) Strecken) beschränkt. Literaturhinweis Die Netzbremsausrüstung der älteren Triebfahrzeuge entsprach der 1918 erfundenen Nebenschluss-Schaltung nach Behn-Eschenburg Anmerkung die jüngeren Lokomotivgattungen Ae 4/6 und Re 4/4 I erhielten eine Netzbremse nach der Erregermotor-Schaltung. Wegen der regional sehr begrenzten Ausdehnung der 16 2/3-Hertz-Energieversorgungsnetze entfielen auf dem Stammnetz der RhB weitgehend und bei der Lötschberg-Bahn- (BLS-) Betriebgruppe Anmerkung vollumfänglich die Netzbremsung. Auch bei der Brig - Visp - Zermatt-Bahn (BVZ), der Furka - Oberalp-Bahn (FO) und der Brünigstrecke der SBB kam wegen der geforderten Netzunbhängigkeit der dynamischen Bremse auf den Zahnstangenstrecken nur die eigenerregte Widerstandsbremsung mit Zusatzerregung aus der Fahrzeugbatterie in Frage. Während der energiewirtschaftlich sehr angespannten Periode zwischen 1940 und 1950 fanden bei der Neuelektrifizierung verschiedener Privatbahnen (heute: Konzessionierte Transport-Unternehmungen, KTU), die sich vom SBB-Bahnstromnetz versorgen liessen, die Kosteneinsparungen durch Netzbremsung einen hohen Stellenwert. Gleichzeitig forderten die SBB einen hohen Leistungsfaktor für die rückgewonnene Bremsenergie. Dies führte zu Netzbremsschaltungen, die auf grösseren Gefällen mit annähernd konstanter Geschwindigkeit das dynamische Bremsen der praktisch vollen Anhängelast erlaubte, die der Triebwagen bergwärts zu befördern in der Lage war. In günstigen Fällen lag der Rückgewinnungsanteil bei rund 45 %. Literaturhinweis Die mit derartigen Netzbremsen in der Kondensatorschaltung mit Nebenschlusscharakteristik von Brown Boveri ausgestatteten KTU waren die SOB, die Chemins de fer fribourgeois Gruyère - Fribourg - Morat (GFM, normalspuriges Einphasenwechselstromnetz), die Chemin der fer Martigny - Orsières (MO) und die Chemin de fer Yverdon - Ste Croix (YSteC). Seit der Einführung der raschlaufenden und meist gut gleisbogengängigen Drehgestell-Triebfahrzeuge bei Wechselstrombetrieb haben in erster Linie die SBB und einige KTU durch Ausrüstung ihrer vier- und sechachsigen Mehrzweck-Lokomotiven Anmerkung und leistungsfähigen Mehrzweck- sowie Vororts-Triebwagen Anmerkung in den Jahren nach 1950 mit einfach zu bedienenden Netzbremsen mit hoher Bremskraft für Gefälle- sowie auch für Verzögerungsbremsungen eine eigentliche Pionierrolle mit massgeblicher Beteiligung der Maschinenfabrik Oerlikon übernommen. Literaturhinweis Dadurch, dass mit verbesserten Bremsschaltungen zielgerichtet erheblich höhere Anteile der Zugsmasse auch bei schwereren Zügen durch die dynamische Bremse zu beherrschen sind, schiebt sich nicht nur die Möglichkeit der nachhaltigen Energieersparnis und Verminderung des Radreifen- und Bremsklotzverschleisses in den Vordergrund, sondern auch die Erhöhung der Fahrgeschwindigkeit talwärts verkehrender Züge. Die thermische Beanspruchung der mechanischen Reibungsbremsen besonders bei Transitgüterzügen vermindert sich und die Sicherheit der Bremsbereitschaft steigt. Literaturhinweis Während im schweren Reisezugsdienst über die Gotthardstrecke die Einfachtraktion vorherrscht, zogen im Güterzugsdienst ständig höher festgelgte Zughakenlasten bei Bergfahrt und die Steigerung der Pufferdruckkräfte für die dynamische Bremsung von 140 auf 240 kN schliesslich die Bildung von Lokomotivumläufen nach sich, bei denen je eine Re 6/6 und eine Re 4/4 II oder Re 4/4 III permanent als "Zwillingseinheit" in Vielfachsteuerung verkehren. Die gemeinsame Netzbremssteuerung einer solchen "Zwillingseinheit" ist allerdings wegen den unterschiedlichen Bremskennlinienfeldern mit gewissen Unvollkommenheiten behaftet, die der vollen Ausnützung der Bremskräfte entgegensteht. Ein gegenwärtig in Erprobung stehendes Zusatzsteuergerät soll deshalb eine Optimierung der Netzbremssteuerung einer "Re 10/10" (Gattungsbezeichnung einer "Zwillingseinheit") herbeiführen, um die höchstzulässigen Pufferdruckkräfte nicht zu überschreiten. Literaturhinweis Auch die RhB rüstete ihre nach 1950 in Betrieb gesetzten Drehgestell-Mehrzwecklokomotiven Ge 4/4 I und Ge 6/6 II für Einphasenwechselstrom mit Netzbremseinrichtungen in der Serieerreger- bezw. Erregermotor-Schaltung aus. Die bei der meterspurigen RhB verwendeten Zentralpuffer mit beidseitigen Schraubenkupplungen beschränken die zulässige Bremskraft wegen der Pufferquerkräfte in Gleisbögen relativ stärker als bei Normalspurbahnen. Diese Bremskraft kann einen Wert erreichen, der der dynamischen Beharrungsbremsung von etwa 30 bis 50 % der auf der gleichen Streckenneigung zulässigen Anhängelast einer einzelnen Lokomotive bergwärts entspricht. Diese zulässige Bremskraft zwischen Lokomotive und Wagenzug darf auch bei Doppeltraktion mit zwei elektrisch bremsenden Lokomotiven nicht überschritten werden. |
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Talwärts verkehrender Reisezug der Rhätischen Bahn auf der Albulastrecke im Bahnhof Thusis mit Lokomotive Ge 6/6 II mit Wechselstromantrieb für Betrieb mit Einphasenwechselstrom von 11 Kilovolt bei 16 2/3 Hertz. Auf der Strecke Preda - Filisur mit einem
Gefälle von 35 o/oo kann die Ge 6/6 II ca 70 % der Masse der Anhängelast
dynamisch mit der Netzbremse in Beharrung halten, die für den Rest durch die
saugluftgesteuerte Reibungsbremse zu unterstützen ist. Foto: ABB Archiv |
Es darf nicht übersehen werden, dass neben den für hohe Bremskräfte ausgelegten und verbreiteten Netzbremsausrüstungen auf zahlreichen Triebfahrzeuggattungen auch die fremderregte Gleichstrom-Widerstandsbremse grössere Bedeutung erlangte, wobei diese ebenfalls nur netzabhängig funktioniert. Sie stellt nicht nur eine bewährte Alternative für Netze mit regional begrenztem Energieaustausch, wie beispielsweise bei der BLS Anmerkung dar, sondern führt auch zu verlängerten Kollektorlaufzeiten durch "Pflege des Kommutierungsapparartes" auf Triebfahrzeugen mit hoch belasteten Einphasenwechselstrom-Reihenschlussfahrmotoren; bevorzugt dazu waren Triebfahrzeuge mit genügend "unbelegter" Dachfläche zum Aufbau der Bremswiderstände. Anmerkung Schliesslich fand diese Bremsart auch bei den ersten Serien der Stromrichter-Triebfahrzeugen mit Gleichrichter- oder phasenanschnittgesteuerten Stromrichterantrieb Verwendung, solange die Entwicklung der gesteuerten Halbleiterventilen aus räumlichen wie auch aus schaltungstechnischen Gründen die nachfolgend aufgezählten Gleich-/Wechselrichter-Ausrüstungen noch nicht zuliess. Anmerkung
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| Literaturverzeichnis | |
Für weitere Einzelheiten der in der nachstehenden Aufstellung erwähnten Triebfahrzeuge sei auf folgendes Handbuch hingewiesen: Karlheinz Hartung: Skvor, F., Chur: Skvor, F., Furgler, H. und
Balzer, U., Landquart: Zehnder, R., Montreux: Leyvraz, P., Zürich: Rückblick auf die
Entwicklung der Brown Boveri Konstruktionen im Jahre 1944 -- IV. Zugförderung -- A.
Elektrische Zugförderung. Giger, W. und Prantl, F.: Leyvraz, P., Zürich: Leyvraz, P., Baden: Schacher, R., Zürich: Sommer, H., Zürich, Senn,
M., Luzern: Meyer, M. und Schwab, B.,
Zürich, sowie Bänziger, R., Bellinzona:
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Anmerkungen |
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Folgende Zahnrad-Triebfahrzeuge für Drehstrombetrieb mit
Asynchron-Schleifringläufer-Fahrmotoren und Netzbremseinrichtung stehen gegenwärtig bei
der GGB im Einsatz:
Folgende Zahnrad-Triebfahrzeuge für Drehstrombetrieb mit Stromrichterantrieb und Mischstrom-Kollektorfahrmotoren und Netzbremseinrichtung stehen gegenwärtig bei der GGB im Einsatz:
Folgende Zahnrad-Triebfahrzeuge für Drehstrombetrieb mit Asynchron-Schleifringläufer-Fahrmotoren und Netzbremseinrichtung stehen gegenwärtig bei der JB im Einsatz:
Folgende Zahnrad-Triebfahrzeuge für Drehstrombetrieb mit Stromrichterantrieb und Mischstrom-Kollektorfahrmotoren und Netzbremseinrichtung stehen gegenwärtig bei der JB im Einsatz:
Die StEB verkehrt seit 1967 als Luzern - Stans - Engelberg-Bahn (LSB) mit Betrieb durch Einphasenwechselstrom von 15 Kilovolt bei 16 2/3 Hertz. Folgende Triebfahrzeuge für Gleichstrombetrieb mit schützegesteuerten Gleichstrom-Kollektorfahrmotoren und Netzbremseinrichtung standen bei der RhB/Strecke Chur - Arosa im Einsatz:
Da auf der Strecke Chur - Arosa mit einseitiger Gefällsrichtung Pendelzüge mit talseits des Triebwagens eingereihter, d.h. stets "gestreckt" gekuppelter Zugsformation verkehrten, erfasste die Netzbremsung die Masse des ganzen Pendelzuges; "gezogene" Anhängelasten durften auf den Gleichstromstrecken der RhB wegen der Pufferkräfte nur zu ca 40...60 % der bergwärts zugelassenen Anhängelast eines einzelnen Triebfahrzeuges dynamisch gebremst werden. Seit Oktober 1997 herrscht auf der Strecke Chur - Arosa der RhB der Betrieb mit Einphasenwechselstrom von 11 Kilovolt bei 16 2/3 Hertz. Wegen der jetzt bevorzugt im Pendelzugsdienst verkehrenden Lokomotiven Ge 4/4 II mit Phasenanschnitt-Stromrichterantrieb und fremderregter Widerstandsbremse entfällt der energiesparende Netzbremsbetrieb. (Ein Umbau der Stromrichter auf Netzbremsbetrieb wäre theoretisch denkbar, sofern die Fahrmotoren die thermische Mehrbelastung zuliessen.) Folgende Triebfahrzeuge für Gleichstrombetrieb mit schützegesteuerten Gleichstrom-Kollektorfahrmotoren und Netzbremseinrichtung stehen bei der RhB/Berninastrecke im Einsatz:
Folgende Triebfahrzeuge für Gleichstrombetrieb mit schaltwerk- oder schützegesteuerten Gleichstrom-Kollektorfahrmotoren und Netzbremseinrichtung stehen bei der MOB im Einsatz:
Folgende Triebfahrzeuge für Gleichstrombetrieb mit Gleichstromstellerantrieb und Mischstrom-Kollektorfahrmotoren und Netzbremseinrichtung stehen bei der MOB sowie bei der GFM im Einsatz:
Folgende Triebfahrzeuge für Gleichstrombetrieb mit direktkontrollergesteuerten Gleichstrom-Kollektorfahrmotoren und Netzbremseinrichtung stehen bei der WAB im Einsatz:
Dr. H. Behn-Eschenburg war Leiter der elektrotechnischen Entwicklungsabteilung bei der Maschinenfabrik Oerlikon (MFO) und hat 1904 den Einphasenwechselstrom-Reihenschluss-Fahrmotor mit phasenverschobenem Wendefeld erfunden. Erst 1961 und 1967 installierten die Bernischen Kraftwerke zusammen mit der BLS im Unterwerk Wimmis zwei Asynchron-Netzkupplungsumformer zum Energieaustausch zwischen den BLS-und SBB-Bahnstromnetzen. Folgende Lokomotiven mit direktem Wechselstromantrieb und Netzbremseinrichtung stehen im Einsatz:
Folgende Triebwagen und -züge mit
direktem Wechselstromantrieb und Netzbremseinrichtung
Anwendung der fremderregten Gleichstrom-Widerstandsbremse bei der BLS:
Anwendung der fremderregten Gleichstrom-Widerstandsbremse bei anderen KTU:
Anwendung der fremderregten Gleichstrom-Widerstandsbremse auf Stromrichter-Triebfahrzeugen:
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© 1999 by Hans Streiff/SEAK, CH-Nussbaumen |
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