Elektrolokomotive

Eine Elektrolokomotive, auch E-Lok genannt, ist eine Lokomotive, die ihre Traktionsenergie aus elektrischem Strom bezieht. Zusätzlich zur Fahrbahn muss bei ihr noch ein Stromtransportsystem installiert werden.

Historisch haben sich in Europa mehrere Stromsysteme durchgesetzt. Üblich sind 3000 V Gleichstrom, 15 kV 16,33 Hz Einphasenwechselstrom und 25 kV 50 Hz Einphasenwechselstrom. In Deutschland wird 15 kV Einphasenwechselstrom mit 16,33 Hz verwendet.

Um elektrischen Energie zu übertragen, braucht man eine anliegende Spannung, die einen Strom durch den Verbraucher antreibt. Gleichstrom kann man nicht transformieren, man hat sich mit der Spannungshöhe festgelegt. Motoren mit mehr als 3 kV zu bauen, war in den Anfangsjahren der Eisenbahn nicht möglich. Damit hatte man sich bei Gleichstrom festgelegt und das Problem den hohen Strom über lange Strecken zu übertragen eingehandelt. 15 kV konnten zur damaligen Zeit recht sicher auch in engen Räumen einer Lok beherrscht werden. Einphasiger Wechselstrom war notwendig, weil alle Versuche einen Drehstrom-Stromabnehmer zu realisieren spätestens in den Weichen fehlschlugen.

Als Fahrmotoren kamen bei Einphasenwechselstrom nur Kommutatormotoren in Frage. Bei diesen Motoren wird der Strom zum Anker durch Kohlebürsten an Kupferkommutatoren übertragen. Bei der Drehbewegung verlässt die Schleifkohle ständig eine Kupferlamelle des Kommutators und wechselt zur Nächsten. Zwischen den Lamellen dürfen keine Spannung größer als 3,6 V auftreten, diese führen sonst zur Funkenbildung und der Kommutator verbrennt langsam. Die Motorentechnologie war noch nicht so ausgereift, und so senkte man die Frequenz des Stromes auf ein Drittel der sonst üblichen Frequenz ab, um die Kommutatorspannung der Motoren in den Griff zu bekommen. Wechselstrom ist transformierbar, so dass einem die Wahl der Spannung für die Fahrmotoren offen steht.

Aufbau

Eine E-Lok besteht aus einem Fahrzeugkasten mit Fahrgestell und vielen anderen Baugruppen. Die Antriebsenergie wird durch einen Stromabnehmer dem Fahrdraht entnommen. Von dort wird er einem Transformator zugeführt der die Spannung auf einer für die Fahrmotoren verwendbare Spannung herunter transformiert. Dafür steigt der Strom an, der durch die Kohlen in den Motoren übertragen werden muss. Dann wird der Strom den Fahrmotoren zugeführt, die die elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln und die Lok antreiben.

Steuerung

Eine Lok muss 3 Forderungen erfüllen.

1. Sie muss mit einer großen Last anfahren können,
2. sie muss die Fahrtrichtung bei möglichst gleicher Leistung und Geschwindigkeit umkehren können und
3. sie muss die Spannungsschwankungen der Oberleitung ausgleichen.

Die Umwandlung der elektrischen Energie in einer, der Zugkrafthyperbel entsprechenden Kennlinie, mechanische Energie, übernehmen seit Jahren Wechselstromreihenschlussrepulsivmotoren. Diese Motoren bieten sowohl bei Wechselstrom als auch bei Gleichstrombetrieb ein sehr hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl und eine nur durch die Festigkeit begrenzte obere Drehzahlgrenze.

Die Schwankungen der Oberleitungsspannung werden durch ein Oberspannungsschaltwerk ausgeglichen. Durch das Schalten von Trafoanzapfungen wird das Übersetzungsverhältnis geändert. Damit bekommt man an der Unterspannungsseite wahlweise eine variable Spannung zum Anfahren und auch eine angeglichene Spannung bei fortschreitender Entfernung zum Kraftwerk. Die Fahrtrichtungsänderung wird durch Umpolen der Erregerfelder der Fahrmotoren erreicht.

neue Technologie

Bei neuen E-Loks wird auf wartungsarme Konstruktion Wert gelegt. Die Transformatoren haben ein festes Übersetzungsverhältnis, es werden kommutatorlose Drehstromfahrmotoren eingesetzt und Leistungselektronik. Mit Hilfe einer Spannungs-Frequenzregelung lässt sich auch ein Drehstrommotor an die Kennlinie der Zugkraftyperbel anpassen. Um den Drehstrom zu erzeugen wird eine statischer elektronische Umrichter mit Gleichstromzwischenkreis eingesetzt. Diese Technologie erlaub auch den generatorischen Betrieb der Fahrmotoren und die Rückspeisung der Bremsenergie in die Fahrleitung.