Elektrolokomotive
Elektrolokomotiven (kurz E-Loks/Elloks oder Elektroloks) sind selbstfahrende Zugmaschinen der Eisenbahn. Der Fahr-Antrieb ist bei ihnen rein elektrisch, im Gegensatz beispielsweise zu dieselelektrischen, oder dampfelektrischen Lokomotiven.
Eine erste, vierrädrige Elektrolokomotive, baute 1879 Werner von Siemens in Berlin, für eine Ausstellungsbahn. Die erste elektrisch betriebene Vollbahn in Deutschland, wurde 1895 auf der Strecke, Meckenbeuren-Tettnang, im damaligen Königreich Württemberg, errichtet.
Erste, größere Elektroloks, hatten auf dem Hauptrahmen große langsamlaufende Motoren, die mehrere, mit Stangen gekuppelte Treibachsen, entweder über Schrägkurbeln oder über Blindwellen antrieben. Ähnlich wie bei Dampflokomotiven, gab es hier auch zusätzliche Laufachsen, zur Abstützung überhängender Rahmenteile.
Konstruktive Hauptmerkmale
Dachstromabnehmer
Elektrolokomotiven werden meist, während der Fahrt, über externe „über Kopf“ angeordnete Hochspannungs-Fahrleitungen, mit Betriebsenergie versorgt. Auf dem Dach des Fahrzeugs befinden sich dazu die Stromabnehmer, über die die Energieversorgung erfolgt, sowie die Hochspannungsschaltanlagen.
Ein Hauptrahmen trägt bei der Elektrolok
- den Kastenaufbau
- den Haupt-Transformator bei Hochspannungs-Wechselstrom-Versorgung,
- die Kühllüfter für die Fahrmotoren und Bremswiderstände,
- eine Leistungselektronik (falls vorhanden)
- meist an beiden Enden angeordneten Führerstände
- die Zugvorrichtungen bzw- Kupplungen für die angehängen Züge
- weitere Versorgungs- Steuer- und Signaleinrichtungen
Der Hauptrahmen seinerseits, ruht zumeist wieder auf den Rahmen beweglicher Drehgestelle, die ihrerseits von je 2 oder 3 Radsätzen, getragen werden. Moderne Elektroloks haben ausschließlich Einzelachsantrieb, mit jeweils eigenem Motor auf jeder Achse. Der schwere Fahrmotor stützt sich dabei mit einer Längsseite auf die Achse, mit der anderen Seite ist er am Drehgestell aufgehängt.
Die, mit einem Antrieb versehenen, Endwagen von Elektro-Triebzügen, sind technisch oft weitgehend identisch mit einer einzelnen Elektrolokomotive. Der Unterschied besteht lediglich in der Ausstattung, mit nur einem Führerstand, und den Kupplungseinrichtungen zu den Triebzug-Mittelwagen. Man spricht hier auch von Triebkopfzügen (Beispiel: ICE).
Energieversorgung und Motorbetrieb
Hochgespannter Wechselstrom, lässt sich mit geringeren Verlusten als Gleichstrom, mit geringerer Spannung übertragen. Daher wurde im deutschen Fernbahn-Netz und in den meisten mitteleuropäischen Ländern als Betriebsspannung 15.000 V Einphasenwechselstrom, als Standard eingeführt.
Zur Zeit der ersten Wechselstrom-Elektrifizierung in Deutschland, waren die verwendeten Fahrmotoren Langsamläufer, mit Kommutatoren. Zwischen zwei Kommutatorlamellen darf die Spannung, unter der Kohlebürste, nicht über einen bestimmten Wert steigen, da sonst die abgleitende Lamelle, einen Funken zieht. Dieser Spannungswert ist belastungsabhängig und kann bei Kommutatormotoren, nie vollständig kompensiert werden. Die Funkenbildung führt zu Oberflächenschäden, Verrußung und letztlich Kurzschlüssen, zwischen den Lamellen des Kommutators. Bei niedrigen Frequenzen ist die Querspannung geringer. Daher wurde, abweichend von der landesweit verbreiteten Wechselstrom-Frequenz, eine niedrige Fahrstromfrequenz von 16 2/3 Hz (heute 16,7 Hz), gewählt. Die niedrige Frequenz, bedingt dabei allerdings größere und schwerere Transformatoren. Durch den Fortschritt in der Motorentechnik, konnten schon bald höhere Frequenzen bewältigt werden, so dass bei neuen Wechselstromsystemen, die übliche Netzfrequenz von 50 Hz verwendet wird.
Zunächst wurde bei Elektrolokomotiven mit Wechselstrombetrieb, die Spannung der Fahrmotoren durch Herauf- oder Herunterschalten der Transformator-Schaltstufen geregelt. Bei Gleichstrom-betriebenen Lokomotiven, werden die Gleichstrommotoren über Vorwiderstände in den unteren Fahrstufen, angesteuert.
Mehrsystemlokomotiven können mit unterschiedlichen Fahrleitungsspannungen fahren. Damit ist ein grenzüberschreitender Verkehr, ohne zeitraubenden Lokomotivwechsel, möglich.
Komponenten einer modernen Elektrolokomotive
Heutiger Stand der Entwicklung sind Drehstrom-Antriebe, die aus dem Gleichstrom oder dem einphasigen Wechselstrom der Fahrleitung in Frequenzumrichtern den Drehstrom zum Antrieb der Asynchron-Fahrmotoren gewinnen. Diese Technologie erlaubt auch den generatorischen Betrieb der Fahrmotoren und die Rückspeisung der Bremsenergie in die Fahrleitung.
Im E-Lokbau haben sich seit 1980 mit der Baureihe 120, deren Motoren mit Drehstrom betrieben werden, erhebliche Veränderungen ergeben. Bevorzugt werden vierachsige Fahrzeuge gebaut, die auf einer Basis-Version für unterschiedliche Leistungsbereiche variiert und mit unterschiedlichen Zusatzpaketen für die Bahngesellschaften verschiedener Länder ausgestattet werden können. Hauptkomponenten sind:
Rahmen, Dach und Kastenaufbau
- Transformator; unterflur angeordnet
- Traktionsstromrichter für die Speisung der Drehstrommotoren auf einem Gerüst
- Kühltürme (meist zwei) zur Kühlung von Transformator- und Leistungselektronik-Kühlmitteln
- Fahrmotorlüfter zur Luftkühlung der Motoren (je einer pro Motor); Luft wird über Dacheinlässe angesaugt
- Hilfsbetriebeumrichter (meist zwei): speisen alle Systeme außer den Fahrmotoren
- Stromabnehmer (mindestens zwei): einholmig mit Schleifleistenüberwachung
- Hochspannungsgerüst: mit Vakuumhauptschalter etc.
Drehgestelle, Fahrmotoren
- Triebdrehgestelle mit je zwei Motoren im Gestell; zur Verbesserung der Laufeigenschaften werden Zug und Druckkräfte statt über einen zentralen Drehzapfen mit seitlichen Federelement-Stangen übertragen (Tiefanlenkung)
- Fahrmotoren mit Getrieben; Antrieb für geringere Anforderungen als Tatzlager-Antrieb, für höhere Geschwindigkeiten als Hohlwellen-Antrieb. Motor und Getriebe bilden zusammen eine gekapselte Einheit
- Scheibenbremsen an allen Achsen, teils außerhalb der Radscheiben oder auf externer eigener Bremswelle angeordnet
- Federspeicherbremsen als Feststellbremsen
Hilfsbetriebe:
- Druckluftgerüst: enthält Luftpresser, Hilfsluftpresser, Drucklufttrockner, Druckluftbehälter und den Rest der Drucklufttechnik; versorgt Brems- und Luftleitung, Radbremsen, Zusatzbremse, Sandstreuer, Makrofone, Spurkranzschmierung, Stromabnehmer (Heben und Senken) etc.
- Niederspannungsnetz: Batterien, Batterieladegerät und verschiedene Niederspannungssysteme (typischerweise 220 V, 110 V und 24 V), die z.B. zum Aufrüsten der Lok gebraucht werden
- Rechnertechnik: Antriebssteuerung, Bremsrechner, Wendezugsteuerung, Reisenden-Informationssysteme, Zugbeeinflussungssysteme, Diagnose- und Managementsoftware etc.
Der Innenraum einer solchen Lokomotive stellt sich als eine Doppelreihe großer Geräteschränke dar und enthält verhältnismäßig wenig bewegliche Teile. So viel wie möglich ist modular ausgelegt (evtl. als Rackeinschübe). Durch das mehrfache Vorhandensein von Bauteilen wie Umrichtern und Fahrmotoren ist es bei einer Störung so gut wie immer möglich, nach Abschalten einiger Module und ggf. Umgruppieren der Versorgung mit reduzierter Leistung weiterzufahren. Dies setzt allerdings ein Funktionieren der hochkomplex gewordenen Rechnersysteme und ihrer Software voraus, was leider nicht immer gegeben ist.
Geschwindigkeitsentwicklung bei elektrischer Traktion
- 1889 USA, Baltimore, elektrischer Triebwagen erreicht 185 km/h
- 1903 Deutschland, AEG-Triebwagen mit Drehstromantrieb, 210 km/h
- 1954 Frankreich, SNCF, Elektro-Lok BB 9004 und CC 7107 jeweils 331 km/h
- 1981 Frankreich, SNCF, elektrischer Triebzug TGV, 380 km/h
- 1988 Deutsche Bundesbahn, elektrischer Triebzug IC Experimental, 406,9 km/h
- 1990 Frankreich, SNCF, elektrischer Triebzug TGV-Atlantique Nr.325, 515,3 km/h