Titel: Der elektrische Vollbahnbetrieb unter besonderer Berücksichtigung neuerer Einphasen-Wechselstromsysteme.
Autor: Anonymus
Fundstelle: 1903, Band 318 (S. 609–611)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj318/ar318167

Der elektrische Vollbahnbetrieb unter besonderer Berücksichtigung neuerer Einphasen-Wechselstromsysteme.1)

Von Kurt Perlewitz.

Nachdem die vorhandenen Strassenbahnen zum weitaus grössten Teil für den elektrischen Betrieb umgewandelt worden sind und die Vorteile dieser neuen Betriebsart allerseits Anerkennung gefunden haben, streben die Elektrotechniker jetzt danach, auch Dampfbahnen elektrisch auszurüsten; denn die Möglichkeit, kurze, elektrische Züge in kleinen Zeitabständen anstelle langer Dampfzüge, in grossen Abständen verkehren zu lassen, würde für das reisende Publikum eine grosse Annehmlichkeit bedeuten.

Bei Vorortbahnen geringer Ausdehnung sind gleiche oder ähnliche Grundsätze massgebend wie bei Strassenbahnen. Die elektrischen Züge setzen sich aus mehreren, den Strassenbahnwagen ähnlichen Fahrzeugen zusammen, von denen einige oder auch alle Triebwagen sind; zwischen den Triebwagen können auch Beiwagen laufen. Alle Triebwagen sind mit Stromabnehmern ausgerüstet und werden von dem Führerstand aus am Kopfende des Zuges gesteuert. Die Stromzuführung kann auch hier durch die bei Strassenbahnen üblichen Mittel (Oberleitung oder Oberflächkontakte) erfolgen; meist wird indessen, wenn ein eigener Bahnkörper vorhanden ist, eine im Streckenniveau verlegte fortlaufende Stromzuführungsschiene verwendet, welche sich billiger stellt als eine oberirdische Arbeitsleitung und gleichzeitig grössere Stromstärken zu führen imstande ist. Da Vorortbahnen im allgemeinen nun keine grossen Streckenlängen besitzen, so kommt man mit einem Gleichstrom-Verteilungssystem aus, wobei die Stromschiene an mehreren Stellen durch Speisekabel an das Kraftwerk angeschlossen ist.

Bei Vollbahnen grösserer Ausdehnung ist ein solches Energie-Verteilungssystem indessen nicht mehr ausreichend, da erstens die Verluste in den Leitungen zu grosse Werte annehmen, und die Ausgaben für das erforderliche Leitungsmaterial so hoch ausfallen würden, dass ein rationeller Betrieb und eine Konkurrenz mit dem Dampfbetrieb nicht zu erreichen wären.

Seit langer Zeit haben sich daher die Bahntechniker mit der Frage beschäftigt, ein rationelles Energie-Verteilungssystem zu ersinnen. Ein Mittel, welches diesem Ziele schon näher kommt, besteht darin, die Bahnstrecke durch ein Verteilungsnetz mit hochgespanntem Drehstrom zu versorgen, an welches in bestimmten Abständen Unterstationen angeschlossen sind. Diese verwandeln den Drehstrom durch Transformatoren und rotierende Umformer in Gleichstrom. Wenn auch hierdurch die Energieverluste in den Leitungen beträchtlich vermindert werden, so erhöhen die Kosten der Unterstationen, welche nicht ohne Bedienungspersonal arbeiten können, das Anlagekapital und die laufenden Ausgaben dennoch in solchem Masse, dass eine Konkurrenz mit dem Dampfbetrieb nichtmöglich ist. Die Schwierigkeiten des Gleichstrombetriebes liegen auch darin, dass die Motoren infolge ihrer Kollektoren sorgfältiger Wartung bedürfen, und dass bei schweren Zügen, besonders wenn sie, wie z.B. bei Güterzügen von einer Lokomotive gezogen werden müssen, zu starke Ströme zu handhaben sind. Der reine Wechselstrombetrieb erschien daher weit bessere Erfolge zu versprechen.

Unter den bisher bekannten Wechselstrommotoren waren nur Drehstrommotoren für den vorliegen den Zweck verwendbar, da nur diese das beim Anlaufen unter Belastung bezw. Ueberlastung erforderliche Drehmoment zu entwickeln imstande waren. Einphasige Wechselstrommotoren unter starker Ueberlastung anlaufen zu lassen, war bisher nicht gelungen. Die Verwendung von Drehstrommotoren auf den Zügen bedingt nun aber mindestens zwei von einander isolierte Kontaktleitungen und erhöht hierdurch sowie durch die komplizierteren Stromzuführungsvorrichtungen die Kosten der Anlage, während die Uebersichtlichkeit gleichzeitig darunter leidet.

Mit Drehstrom ausgerüstete Bahnen lassen sich in nachstehende Hauptgruppen einteilen:

1. Hochspannungsfernleitung (3000-50000 Volt) mit Drehstrom-Gleichstrom-Umformerstationen längs der Strecke; Arbeitsleitung und Motoren führen Gleichstrom. Beispiele: Vorortbahn Paris-Versailles, Pariser Stadtbahn und zahlreiche Bahnlinien in Nord-Amerika.

2. Hochspannungsfernleitung wie unter 1 mit Transformatorenstationen längs der Strecke; Arbeitsleitung und Motoren führen Drehstrom verhältnismässig niederer Spannung (500-1000 Volt). Beispiel: Elektrische Bahn Burgdorf- Thun in der Schweiz.

3. Hochspannungsfernleitung (20000-50000 Volt) mit Transformatorenstationen längs der Strecke; Arbeitsleitung führt Drehstrom hoher Spannung (3000-10000 Volt); auf den Fahrzeugen wird die Spannung durch Transformatoren weiter herabgesetzt, so dass die Motoren unter Niederspannung (200-500 Volt) arbeiten.

4. Hochspannungsfernleitung, wie unter 3, mit Transformatorenstationen längs der Strecke; Arbeitsleitung und Motoren für Drehstrom hoher Spannung (3000-10000 Volt). Beispiel: Valtellina-Bahn in Oberitalien und andere.

Bei 3 und 4 kann auch die Arbeitsleitung direkt an ein Drehstromnetz mit 3000-15000 Volt angeschlossen werden, wie dies z.B. auf der Schnellbahn-Versuchsstrecke Marienfelde-Zossen der Fall war.

Bei der Benutzung des einphasigen Wechselstromes für den elektrischen Bahnbetrieb sind nahezu dieselben Verteilungssysteme zu unterscheiden, wie bei Drehstrom. Die oben unter 1 verwendeten Umformerstationen werden allerdings selten und nur da zur Anwendung kommen, wo ein Einphasen-Wechselstromnetz bereits vorhanden ist, und selbst in diesem Falle wird man es vorziehen, durch entsprechende |610| Transformatorenschaltungen den Emphasen-Wechselstrom in Drehstrom umzuwandeln. Systeme analog den oben unter 2-4 angeführten wären verwendbar und sind weiter unten durch Beispiele belegt. Es kommt hier indessen noch ein fünftes System hinzu, welches bei Drehstrom aus naheliegenden Gründen keine praktische Bedeutung hat, und darin besteht, dass hochgespannter Wechselstrom der Arbeitsleitung zugeführt und auf den Fahrzeugen selbst event. unter Zwischenschaltung eines Transformators durch rotierende Umformer in Gleichstrom umgewandelt wird.

Die Schwierigkeit der Einphasen-Wechselstromsysteme nach 2-4 liegt darin, einen geeigneten Motor, bezw. Hilfsmittel für den Motor zu finden, welche gestatten beim Anfahren ein genügend grosses Drehmoment zu entwickeln und seine Umdrehungszahl innerhalb beliebiger Grenzen zu variieren. Ein einfacher Einphasen-Wechselstrommotor erfüllt bekanntlich diese Bedingungen nicht, und sollen daher im nachstehenden einige neuere sinnreiche Konstruktionen behandelt werden, welche den Bahntechnikern die Wege für die Lösung des Problems gewiesen haben.

Wenn von einer chronologischen Aufzählung abgesehen wird, so ist das System des amerikanischen Ingenieurs B. J. Arnold an erster Stelle zu nennen, da es einen gewöhnlichen Synchronmotor in Verbindung mit einem mechanischen Energie-Akkumulator verwendet.

Textabbildung Bd. 318, S. 610

In Fig. 1. bedeutet R den Rotor und S den Stator des Motors, welche hier beide unabhängig von einander drehbar gelagert sind. Der Rotor steht in fester Verbindung mit der Triebachse A des Fahrzeuges und der Stator ist unter Zwischenschaltung einer Zahnradübersetzung mit einem Luftkompressor K gekuppelt, welcher mit einem Druckluftbehälter in Verbindung steht. An denselben Druckluftbehälter ist ein Druckluftmotor M mit zwei Zylindern und zwei um 90° gegeneinander versetzten Kurbeln angeschlossen und wird durch eine zweite Zahnradübersetzung gleichfalls mit dem Stator starr gekuppelt. Der Motor M hat den Zweck, den Wechselstrommotor während seiner Beschleunigungsperiode zu unterstützen und wird nach Erreichen der normalen Fahrgeschwindigkeit vermittels einer in der Figur nicht wiedergegebenen elektromagnetischen Kupplung ausser Betrieb gesetzt. Die Ventile aller drei Zylinder werden von dem Fahrschalter aus elektrisch gesteuert und ermöglichen, entweder durch mechanischen Antrieb des Kolbens Druckluft zu erzeugen, oder unter Zuführung von Druckluft unter den Kolben mechanische Arbeit auf die Wagenachse zu übertragen.

Der Vorteil dieses Systems liegt darin, dass der Synchronmotor nur für diejenige Leistung dimensioniert zu werden braucht, welche der Fahrt bei voller Geschwindigkeit entspricht, da während der Beschleunigungsperiode der Druckluftmotor mit herangezogen wird. Bei der Geschwindigkeitsverringerung wird andererseits Arbeit in Form von Druckluft aufgespeichert. Die relative Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors gegen den Stator bleibt stets konstant; der Rotor hat seine kleinste Geschwindigkeit, d.h. er steht still, beim Stillstand des Wagens, während hierbei der Stator seine grösste, der Fahrrichtung entgegengesetzte Geschwindigkeit besitzt und Druckluft erzeugt. Beim Anfahren nimmt die Rotorgeschwindigkeit in dem gleichen Verhältnis zu, wie die des Stators abnimmt. Bei voller Fahrt und voller Geschwindigkeit des Rotors steht der Stator still; zur Dämpfung wird hierbei ein gewisser Betrag von Druckluft in den Zylinder K eingeführt, der wie ein elastisches Kissen wirkt.

Die betriebsmässige Bremsung bei dem vorliegenden System erfolgt derartig, dass die Geschwindigkeit der Rotors langsam bis auf Null herabgesetzt und die Arbeit allmählich auf den Stator bezw. den Kompressor K übertragen wird; nur bei Notbremsung treten pneumatisch wirkende Radreifen-bezw. Schienenbremsen in Tätigkeit. Das System arbeitet, wie aus dem vorangegangenen hervorgeht, mit einer nahezukonstanten Stromaufnahme aus der Arbeitsleitung, vermeidet Belastungsschwankungen im Kraftwerk und gestattet, das letztere für eine relativ kleinere Leistung zu bemessen. Zum Schluss sei noch ein Punkt hervorgehoben, der in gewissen Fällen von grosser Bedeutung ist. Das Fahrzeug kann vermöge der in dem Druckluftbehälter aufgespeicherten Energie sich auf kurze Strecken, an Wegüberführungen, Gleiskreuzungen oder im Bereich von Bahnhöfen ohne Zusammenhang mit der Arbeitsleitung bewegen. Nach diesem Arnoldschen System, welches für die eingangs aufgeführten Energieübertragungsarten 2-4 geeignet ist, wird zur Zeit eine Bahn zwischen Lansing und St. Johns im Staate Michigan in Nord Amerika ausgeführt.

Eine andere Lösung des Problems, welche von der Westinghouse-Gesellschaft herrührt, gelangt auf der 73 km langen Bahnlinie Washington-Baltimore-Annapolis gegenwärtig zur Ausführung. Die Westinghouse-Gesellschaft benutzt Einphasenstrom von sehr niedriger Periodenzahl (16 ⅔ in der Sekunde), und kommt daher mit Motoren aus, welche sich von Gleichstrom-Kollektormotoren nur durch die aus Eisenblechen zusammengesetzten Feldpole unterscheiden. Die Schaltungsweise in den Fahrzeugen bei diesem System ist in Fig. 2 erläutert.

Textabbildung Bd. 318, S. 610

Ein auf dem Fahrzeug angeordneter Transformator T mit Sparschaltung ist einerseits an die einpolige Oberleitung, sowie andererseits an die Schienenrückleitung angeschlossen und wird mit einphasigem Wechselstrom von 1000 Volt gespeist. Die 4 Wagenmotoren M sind zwischen die Fahrschiene und eine Abzweigung am Transformator bei etwa 300 Volt angeschlossen. In die Abzweigleitung ist noch ein Induktionsregulator J, bestehend aus einem kleinen zweipoligen Wechselstrommotor mit festgebremstem, aber um 180° verstellbarem Rotor eingeschaltet, welcher dazu dient, die den Motoren zugeführte Spannung ohne Benutzung stromführender Kontakte zwischen 200 und 400 Volt zu variieren. Die Spannung, für welche der Induktionsregulator bemessen ist, beträgt 100 Volt, die Hälfte des Betrages, um welchen die am Transformator abgezweigte Spannung variiert werden muss. Die Anker der vier 100pferdigen Motore sind in Gruppen zu je zweien in Serie parallel geschaltet; um eine ganz gleichmässige Verteilung der Spannung auf die Anker herbeizuführen, ist noch ein Ausgleichtransformator A den Ankergruppen parallel geschaltet, und der Mittelpunkt seiner Wicklung an die Verbindungsstellen der Anker angeschlossen. In gleicher Weise sind die Feldspulen F zu je zweien in Serie parallel geschaltet. Ein Umschalter S dient dazu, ihre Polarität beim Wechsel der Fahrtrichtung umzukehren. Das System zeichnet sich durch eine sehr einfache Geschwindigkeitsregelung bei gleichzeitigem Fortfall schwieriger Fahrschalterkonstruktionen mit dem Verschleiss ausgesetzten Teilen aus. Die durch die verwendete geringe Periodenzahl bedingten Schwierigkeiten der Zugbeleuchtung sind durch einfache Mittel leicht zu überwinden. So kann man z.B. durch einen kleinen Induktionsmotor eine um 90° verschobene Hilfsphase erzeugen, in jedem Beleuchtungskörper zwei aus den um 90° verschobenen Stromkreisen gespeiste Lampen anordnen, und damit die Helligkeitsschwankungen jeder einzelnen Lampe ausgleichen. Auch durch die Verwendung niedervoltiger Lampen mit dicken |611| Kohlenfäden in Serienschaltung lässt sich infolge der grösseren Wärmekapazität der Fäden ein nahezu gleichförmiges Licht erzeugen.

Ein drittes schon längere Zeit bekanntes Bahn System, dessen Eigentümlichkeiten bereits in der vorausgeschickten Uebersicht erwähnt wurden, rührt von Ward Leonard her und soll demnächst von der Maschinenfabrik Oerlikon auf der 20 km langen Strecke Seebach-Wettingen praktisch verwendet werden. In Fig. 3 ist ein Schaltungsschema des Systems wiedergegeben, welches gleichzeitig die von dem Erfinder erst kürzlich ausgearbeitete Steuerung mehrerer Fahrzeuge von einem Punkt des Zuges aus veranschaulicht. Jedes Fahrzeug ist mit einem Wechselstrom – Gleichstrom-Umformer; bestehend aus einem Synchronmotor W1 W2 und einem Gleichstromgenerator G1 G2 ausgerüstet, auf deren gemeinsamer Welle noch eine zweite kleinere Gleichstrommaschine E1 E2 aufgesetzt ist. Der der Arbeitsleitung entnommene hochgespannte Wechselstrom wird durch einen Transformator T1 T2 in seiner Spannung herabgesetzt und dann dem Wechselstrommotor zugeführt. Bei sehr langen Bahnlinien werden längs der Strecke Transformatoren aufgestellt, welche die sehr hohe Fernleitungsspannung auf einen für die Arbeitsleitung geeigneten Betrag herabsetzen. Die Gleichstrommaschine E1 E2 dient dazu, die Erregung für den Motor W1 W2, für den Generator G1 G2 und für die Wagenmotoren M1 M1 M2 M2 zu liefern. Während die Motoren dauernd konstanterregt werden, wird der Erregerstrom des Generators G1 G2 und damit die den Wagenmotoren zugeführte Spannung durch einen Steuerschalter R1 R2 variiert. Diese Anordnungsweise erlaubt eine äusserst feinstufige Geschwindigkeitsregelung, ohne wesentliche Energieverluste in Widerständen zu bedingen.

Textabbildung Bd. 318, S. 611

Für die Zugsteuerung sind die vier verhältnismässig dünnen Erregerleitungen durch den ganzen Zug geführt, und an sie die sämtlichen Generator- und Motor – Feldwicklungen angeschlossen. Die Spannungsregulierung aller Generatoren G erfolgt von demjenigen Steuerschalter R aus, welcher sich im Kopfwagen des Zuges befindet; die übrigen Steuerschalter sind dabei ausgeschaltet. Beim Bruch eines Zuges bleibt der führerlose Teil stehen, sobald seine lebendige Kraft aufgezehrt ist; der Kopfteil dagegen bleibt unter der Herrschaft des Führers vollkommen betriebsfähig.

Die grossen Aussichten des elektrischen Vollbahnbetriebes und die mit den geschilderten Systemen erhaltenen günstigen Versuchsergebnisse haben eine ganze Reihe neuer Wechselstrommotor-Konstruktionen entstehen lassen und es steht zu hoffen, dass die Lösung der Frage des rationellen elektrischen Vollbahnbetriebes nicht mehr, fern liegt. Ganz abgesehen von den für das reisende Publikum und für den Verkehr im allgemeinen damit verknüpften Vorzügen würde der elektrotechnischen Industrie ein weites Absatzgebiet eröffnet und die allgemeine wirtschaftliche Lage wesentlich verbessert werden.

Unter teilweiser Benutzung von Arbeiten, welche in der Elektrotechnischen Zeitschrift der „Electrical World and Engineer“ und in den „Transactions of the American Institute of Electrical Engineers“ veröffentlicht wurden.

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