Elektrische Eisenbahn

Eisenbahn mit Elektroantrieb

Übersicht General_Overview[Edit | < Quellcode bearbeiten] E-Loks ( "Ellok") sind Eisenbahnlokomotiven, die selbst keine Traglast (Personen, Reisegepäck oder Güter) mitführen. Ihr Fahrantrieb ist ausschließlich elektrisiert, im Unterschied zu z. B. diesel-elektrischen, diesel-hydraulischen oder dampf-elektrischen Lasten. Die Energieversorgung der E-Loks erfolgt über oberhalb des Gleises angeordnete Freileitungen oder weniger häufig über Schleifleitungen, die von auf dem Verdeck oder bei Schleifleitungen auf der Seite des Fahrwerks liegenden Stromsammlern auf das Fahrgestell übertragen werden.

Über einen Netzschalter, der sich in der Regel auf dem Verdeck befindet, kann die Triebfahrzeuge komplett vom Stromnetz getrennt werden. Das bedeutet, dass Elektroloks den Vorzug haben, dass sie selbst keine Abgasemissionen haben, aber den nachteiligen Effekt, dass sie nur dort zum Einsatz kommen können, wo eine Stromzufuhr zur Verfügung steht. Vorteilhaft ist auch, dass E-Motoren bereits beim Anlassen das volle Moment entfalten, im Vergleich zu Dieselloks, bei denen sich das Moment beim Anlassen allmählich anbaut.

Damit können Elektroloks im Vergleich zu Diesellokomotiven etwas stärker beschleunigt oder einen etwas schweren Triebzug mitfahren. Da natürlich die Form der Elektrizitätserzeugung keinen Einfluß auf die Elektroloks hat, verbreiten sich Elektroloks zunächst in Länder und Gebiete, in denen die Nutzung von Strom aus z.B. Wasserkraftwerken viel billiger ist als die Nutzung von Steinkohle oder Dieseln.

Auch die verbesserte Beschleunigungsfähigkeit sowie das verbesserte Leistungs-/Massenverhältnis und die Abgasprobleme in Tunneln haben zu einer frühzeitigen Ausbreitung von Elektroantrieb in diesen Bergländern beigetragen. Ein Beispiel für den heutigen Elektrolokomotivbau sind unter anderem die Firmen TRAXX von Bombardeier, Siemens ESD und Alstom Prima. Der Lokomotivtyp ist in der Praxis ein vom Fahrwerk getragener Koffer mit den Führerständen und dem Motorraum.

Am Ende befinden sich die Führerstände, zwischen denen sich ein großer Motorraum mit witterungsgeschützten Elektroschaltgeräten, Steuerungen und Getrieben erhebt. Um sicherzustellen, dass das Bedienungspersonal keine gefährlichen Spannungen anliegt, sind die Vorrichtungen entweder hinter Netzen oder in abgeschlossenen Schaltschränken bei jüngeren Loks angeordnet.

Die Zugänglichkeit ist nur mit einem Entriegelungsschlüssel möglich, der erst nach dem Absenken des Stromabnehmers und der Erdung der elektrischen Anlage entriegelt wird. Bei modernen Loks sind im Motorraum keine bewegten Bauteile ersichtlich. Die modernen Elektrolokomotiven sind in der Praxis meist mit Einachsantrieben ausgestattet; aus wirtschaftlichen Gründen werden zwei Antriebe teilweise von einem Traktionsumrichter zusammengebracht.

Bei den ersten Loks wurden die Antriebsräder oder Achslasten so einfach wie möglich mit dem Triebwerk gekoppelt, was unweigerlich zu einem Einzelachterantrieb geführt hat; in einigen Fällen wurde sowieso nur eine einzige Welle der Loks mitgenommen. Schon sehr frühzeitig - zum Beispiel in der Limousine "Le Drac" des Chemin de fer de La Mure - entstand auch ein Antriebssystem für mehrere Wellen mit einzelnen Motoren.

Für immer höhere Leistungsklassen wurde jedoch die Kombination des Antriebes in so wenigen Motore wie möglich vorgezogen, da so besonders leichte und preiswerte Geräte realisiert werden konnten. Die ersten großen Elektroloks verfügten daher über große, langsam laufende Motore am Hauptfahrgestell, und das Fahrgestell besteht aus mehreren mit Stäben gekoppelten Antriebsachsen, die entweder von geneigten Kurbeln oder von Leerwellen angetrieben wurden.

Darüber hinaus wurden die Motore im Lokkasten zu zweit mechanisiert. Schnell zeigte sich jedoch, dass bei hohen Drehzahlen und bei der Kopplung mehrerer Motore Resonanzschwingungen der Getriebe und der kompletten Lokomotivstruktur aufgetreten sind, die zu erheblichen Beeinträchtigungen führten. Bald wurden Anstrengungen unternommen, um einen Einachsantrieb zu entwerfen, der den Anforderungen bei hohen Drehzahlen nachkommt.

Bei Loks für Fahrgeschwindigkeiten bis 140/160 km/h wird der Traktionsmotor teils von der Fahrwerksachse, teils vom Fahrwerksrahmen (Achslagerantrieb) mitgeführt. Bei höheren Drehzahlen sind die Traktionsmotoren komplett am Fahrgestellrahmen oder Lokomotivkörper abgehängt, so dass die Aufpralle auf das Fahrbahnstück besser gedämpft werden können. Nachfolgend sind die wesentlichen Installationen von Elektroloks aufgelistet.

Es ist zu differenzieren zwischen Bauteilen, die nur in Wechselstromloks oder nur in Gleichstromlokomotiven auftreten, und solchen, die in allen elektrischen Lokomotiven auftreten. Die wesentlichen Komponenten von Elektroloks für den AC-Betrieb sind: Die wesentlichen Komponenten von Elektroloks für den Betrieb mit Gleichspannung sind: Die wesentlichen Komponenten aller Elektroloks sind stromunabhängig: In den ersten elektrischen Traktionsbahnen wurde Gleich- oder Dreiphasenstrom eingesetzt, was den Aufbau von Kraftfahrzeugen mit einfacheren Traktionsmotoren und Kontrollen ermöglichte.

Am leichtesten war die Stromzufuhr mit Direktstrom möglich.

Darüber hinaus werden sie gelegentlich im industriellen Schienenverkehr verwendet. Dabei wurden die asynchronen Fahrmotoren der Triebfahrzeuge unmittelbar von einer 3-poligen Oberleitung gespeist, die Drehzahlregelung erfolgt durch Änderung der Versorgungsfrequenz im Kfz. In der Praxis herrschte eine bipolare Oberleitung mit den Schienen als dritten Oberleiter vor. In Norditalien betreibt die Firma die fünf Einzelnetze mit 3,6 Megavolt bei 162/3 Hertz.

Entscheidend für den Ersatz durch das technologisch vereinfachte Gleichstromverfahren war, dass die feste bipolare Oberleitung nicht für Fahrgeschwindigkeiten über 100 km/h ausgelegt war. Das System war nicht für Fahrgeschwindigkeiten über 100 km/h ausgelegt. Dank Hochspannung kann Fremdstrom über große Entfernungen mit niedrigen Strömungsverlusten transportiert werden. Demgegenüber war der Aufbau von Traktionsmotoren für einphasigen Fremdstrom zu Zeiten der Elektroinstallation extrem aufwendig und nur bei niedrigen Netzspannungen erfolgreich.

Zur Steuerung der Motore und Schaltgeräte am Triebwerk wird die hochfrequente Wechselspeisung durch Trafos auf kleinere Wert reduziert. Im Falle von gleichstrombetriebenen Loks werden beim Anlassen der in Reihe geschalteten Fahrmotoren, die durch eine Schaltanlage schrittweise kurz geleitet werden, Widerstände vorangestellt. Ein Teil der Bewegungsenergie in der Triebfahrzeugzelle wird, solange die Vorschaltwiderstände zugeschaltet sind, in Hitze umgesetzt, so dass ein sparsamer Betriebsablauf nur bei vollständigem Kurzschluss des Anlasserwiderstandes möglich ist.

Anstelle der Serienwiderstände wurden später Choppersteuerungen verwendet, die eine praktisch verlustfreie Leistungssteuerung ermöglichten. Diese werden bei Mehrmotorenfahrzeugen bei niedrigen Drehzahlen in Reihe und bei hohen Drehzahlen parallelgeschaltet. Durch die vielfältigen Schaltmöglichkeiten mit vier oder sechs Traktionsmotoren ergibt sich eine deutlich höhere Anzahl von fehlenden Geschwindigkeitsstufen: Die Burgdorf-Thun-Bahn war die erste Dreiphasenlokomotive der Weltpremiere, die in Fernverkehrsfahrzeugen zum Einsatz kam.

Asynchrone Fahrmotoren mit Schleifringläufern wurden in der Regelfall für Lokomotiven eingesetzt, die aus der Oberleitung dreiphasig Strom entnehmen. Gesteuert wurde die Leistung durch das Zuschalten zusätzlicher Widerstände im Rotorkreis, die beim Anlauf schrittweise kurzzeitig geschlossen wurden, und durch das Umschalten der Polzahlen der Motore über den Dahlanderkreis. In elektrischen Lokomotiven mit Fremdstrombetrieb wird die elektrische Leistung der Traktionsmotoren durch eine sogenannte Schaltanlage gesteuert.

Moderne Elektroloks verwenden heute eine moderne energiesparende Antriebselektronik, sie haben nur einen Trafo mit wenigen feststehenden Abzweigungen, an die die Fahrstromrichter (meist einer pro Drehgestell) und die Hilfsumrichter (HBU) angebunden sind. Moderne Elektroloks setzen auf moderne, energiesparende Antriebselektronik. Vor dem Umrichter ist in Wechselstrom-Fahrzeugen ein Trafo mit fester Übersetzung angebracht, der die Stromspannung auf einen niedrigeren Spannungswert einstellt und an die unterschiedlichen Bemessungsspannungen der Wechselstromanlagen anpasst.

Die Hilfsspannung wird bei alten Loks durch einen drehenden Umrichter generiert. Die wichtigsten Anlagen sind zweifach oder so ausgelegt, dass bei einem Systemausfall die Anlage mit reduzierter Kraft weiterfahren kann, um die Anlage so wenig wie möglich zu belasten. Häufig sind die Traktionsumrichter so ausgelegt, dass die Triebfahrzeuge bei einem Halbleiterausfall mit mindestens einem Teil der Triebwerke noch bedient werden können.

Ein frühes experimentelles elektrisches Eisenbahnwesen wird Thomas Davenport zugeordnet, einem Hufschmied aus Vermont, USA. 1835 demonstrierte er ein kleines Eisenbahnmodell, das von einem Elektromotor angetrieben wurde. Der Schotte Robert Davidson in Butdeen soll 1838 eine Elektrolokomotive gebaut haben, die eine Fahrgeschwindigkeit von vier Stundenkilometern hat.

Charles Grafton Page (1812-1868), Mitarbeiter des US-Patentamtes, baute 1850 eine Elektrolokomotive. Johann Philipp Wagner, geboren in Fischbach bei Bad Schwalbach, hatte 1840 einen Kleinwagen mit einem Trailer, der von einem Elektromotor angetrieben wurde, der auf einem 20 Meter hohen Bahnkreis im Umkreis gefahren wurde. Anschließend wurde er mit dem Aufbau einer funktionsfähigen großen "elektromagnetisch angetriebenen" Großlokomotive betraut und ihm wurden 100.000 Stück für diesen Zweck zur Verfuegung gestellt. Hierfür wurden ihm die besten Voraussetzungen geschaffen.

1879 konstruierte die Firma Werner Siemens für die Berlinale eine 2-achsige E-Lokomotive, die auf einer 300-Meter-Runde drei Wagen mit je sechs Teilnehmern anziehen konnte. Es handelt sich um die erste praktikable Elektro-Lokomotive. Die meisten der frühindustriellen Elektro-Eisenbahnen benutzten zunächst Straßenbahnwagen, wie z.B. die erste von Siemens & Halske 1881 gebaute Elektro-Straßenbahn zum Kadettenbahnhof in Groß-Lichterfelde bei Berlin, die erste deutsche Elektro-Fernbahnanlage mit dem Namen München-Tettnang im Königreich Württemberg, die 1895 in Dienst gestellt wurde, und andere Eisenbahnen.

Als erste im Dauereinsatz befindliche E-Lokomotive kam die 1882 von Siemens & Halske für die Königliche Kohlenfabrik in Zeppelin in der Schweiz hergestellte Zechenlokomotive "Dorothea" zum Einsatz. Die erste Lokomotive wurde 1882 für die Königliche Kohlenfabrik in Zeppelin in Zeppelin hergestellt. Er nahm seinen Verkehr am 24. April 1882 mit einer Länge von 620 m auf und war dort bis 1927 in Gebrauch. Seit 1890 wurden auf den Londoner U-Bahn-Linien in erheblichem Maße elektrische Loks verwendet.

In den ersten elektrifizierten Zügen der Stadt- und Südlondoner Eisenbahn wurden hier die ersten Lokomotivzüge eingesetzt. Die U-Bahn in London fuhr bis 1935 mit Loks. In Regelspur ging 1895 die erste elektrische Turbolokomotive in Dienst. Mit der von der Firma Generals Electric gebauten Limousine transportierten Baltimore und Ohio Railroad Personenzüge durch den Baltimore-Stadttollen.

Aufgrund der Rauchbelastung konnten auf dieser Route keine Dampfloks zum Einsatz kommen. 1901-1903 were carried out by the studiesgesellschaft für Elektrische Schnellenbahnen on the military railway Marienfelde-Zossen-Jüterbog. Es handelt sich um die weltweit erste elektrische Hauptleitung. Aus Ganz in Budapest kamen die Loks. Im Jahr 1903 nahm die Erzstrecke Chemin de fer de La Mure den Elbbetrieb auf.

Die Gleichstromversorgung der Triebfahrzeuge mit der heutigen Achsanordnung Bo'Bo' erfolgt über eine zweipolige Oberleitung mit +1200 V und -1200 V. Im Jahr 1904 ging mit der schmalspurigen Schmalspurbahn Stubaital von Innsbruck nach Fulpmes die erste einphasige Wechselstrombahn der Schweiz in vollem Umfang in Kraft (3000 V 50 Hertz). Im Jahr 1905 nahm die Ammergaußbahn die ersten einphasigen Wechselstromtriebwagen (LAG 674-677) und wenige Woche später die erste Zuglokomotive (LAG 1, später Klasse D 69 der Dt. Reichsbahn) in Dienst.

Der Spannungswert lag bei 5,5 kV 16 R7herz. Erst 1950 erfolgte die Umrüstung auf die gewohnte Nennspannung von 15 kV. 1905 bis 1909 wurde die Nennspannung von 15 kV zum ersten Mal im einphasigen Wechselstromprüfbetrieb Seebach-Wettingen in der Schweiz verwendet. Diese Tests wurden zunächst mit 15 kW 50 Hz durchgeführt.

Für den Gleichstrombetrieb der Traktionsmotoren wurde in der Limousine ein Drehstromumrichter verwendet. Das Frequenzspektrum wurde auf 15 Hz abgesenkt. In Deutschland, Österreich, der Schweiz, Schweden und Norwegen wurde dieses Verfahren mit einer Häufigkeit von 16 Wochen pro Woche zum Vorbild. Im Jahr 1907 nahm die Südschweizer Magnetschwebebahn den Verkehr mit 5 Millovolt 20Hz auf.

In Anlehnung an die Prüfstrecke Seebach-Wettingen wurden die Antriebe der Wagen BCFe 4/4 unmittelbar mit Wechselspannung angetrieben. Im Jahr 1910 öffnete die Bernische Alpenbahn Bern-Lötschberg-Simplon (BLS) ihre Teststrecke Spiez-Frutigen mit 15 Kilovolten 15 Hz, s. BLS F 2x3/3. 1911 nahm die Österreichische Mariä-Eisenbahn den Elektrizitätsbetrieb mit 6,5 Kilovolten 25 Hz auf.

Die erste elektrische Fernverkehrsstrecke in Deutschland, zunächst mit 10 Kilovolt 15Hz. Im Jahr 1912 nahm die aus Karwendel- und Außenfernbahn bestehenden Mittelwaldbahn von Innsbruck nach Reutte in Tirol als erste Österreichische Fernverkehrsstrecke mit 15 kW 16 Wochen endend 2007 auf. Beginn des kontinuierlichen Elektrobetriebs auf der BLS mit 15 KV 16 ? Die BLS wurde 1913 in Betrieb gesetzt.

Noch im selben Jahr öffnete die Rhätische Bahn mit 16? Hertz, aber mit einer Betriebsspannung von 11 Kilovolt auch ihre Engadinerlinie. Im Jahr 1920 wird der elektrische Betrieb auf der Gotthardstrecke aufgenommen. Um die Schweiz in der Krise unabhängiger von Kohleimporten aus dem benachbarten Ausland zu machen, war die Stromnetzanbindung dieser Route notwendig. Steimel: Elektro-Triebfahrzeuge und ihre Energieversorgung:

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