Moderne elektrische Schienentriebfahrzeuge Prof. Dr. Andreas Steimel, 11.03.2021 VDE-Seniorengemeinschaft 2 Übersicht ▪ Situation der europäischen Bahnen und der Bahnindustrie 3 ▪ Innovatives Traktionsmaterial 4 ▪ Europäische Bahnstromsysteme 17 ▪ Hauptantriebskonzepte 18 ▪ Leistungselektronik 26 ▪ Mehrsystemlokomotiven 33 ▪ Neue Antriebskonzepte 35 ▪ Zusammenfassung 40 ▪ Literatur 41 3 Situation der europäischen Bahnen und der Bahnindustrie ▪ Deregulierung und Liberalisierung der früheren Staatsbahnen seit 1990 ▪ Aufteilung in privatwirtschaftlich organisierte Eisenbahnverkehrs- unternehmen und weiterhin staatliche Infrastrukturunternehmen ▪ Europaweite Ausschreibung von Rollmaterial nach funktionalen Spezifikationen ▪ Zunahme des Leasings von Fahrzeugen, Wartung durch Hersteller ▪ Kostendruck, der zu starker Konzentration auf Herstellerseite führte ▪ Firmen der Elektroindustrie übernahmen die Systemführerschaft und schließlich auch die Fahrzeugbaufirmen ▪ Standardisierte Plattformkonzepte bei Lokomotiven, große Gestaltungs- und Innovationsfreude bei Triebwagen und Straßenbahnen 4 Innovatives Traktionsmaterial Lokomotiven 1 AC DrehgestellDrehgestell Getriebe mit und KardankupplungKardanantrieb Vakuumschalter FahrmotorTraktionsmotor Vakuumschalter WechselrichterTraktions-WR TransformatorTransformator U-ZwischenkreisGS-Zwischenkreis 4-QuadrantstellerVierquadrantsteller Moderne WS-Lokomotive [1] 5 Innovatives Traktionsmaterial Lokomotiven r s 1 r • Schwingungsanregung des Radsatzes durch Konizität = 2s1·r/(2·tan ), = 1,5... 2,5°; fa = v/ • Möglichst geringe Massen bzw. Massenträgheitsmomente • Entkopplung der schwingfähigen Massen/Dämpfung Sinuslauf des Radsatzes [1] 6 Innovatives Traktionsmaterial Lokomotiven BBC-Gummigelenk-Kardanhohlwellenantrieb [1], [2] 7 Innovatives Traktionsmaterial Lokomotiven [ADtranz] Flexifloat-Drehgestell der BR 101 mit Integriertem Gesamtantrieb 8 Innovatives Traktionsmaterial Hochgeschwindigkeitszüge SR T Triebkopf 6 Mittelwagen Steuerwagen Triebkopf 4.4 MW ..12 Wagen 2. Triebkopf 4.4 MW 4,4MW (...12) (TK 2) SR T SR KopftriebwagenSR-Steuerwagen TransformatorwagenTransformator-Wagen TriebwagenSR-Wagen antriebsloserMittelwagen Wagen < -------------------- 4 MW -------------------------> 4 MW Übergang vom Triebkopfkonzept des ICE 1 und TGV zum Triebwagenkonzept: Mindestens die Hälfte aller Radsätze angetrieben (ICE 3, AGV) SR T SR Steuerwagen Transformator-Wagen SR-Wagen 2,4 MW x 3 9 Innovatives Traktionsmaterial Hochgeschwindigkeitszüge [Dr. Ch. Foerth] Beispiel ICE 3 (Siemens) [3] Triebwagenzugkonzept Voraussetzung für Betriebs- geschwindigkeiten über 300 km/h klassischer S-Bahn-Zug DB BR 420 15kVAC 16 2 3 Hz SR T T SR 10 Innovatives Traktionsmaterial2400 kV S- und U-Bahn-Triebwagen , , DSB S - Tog 1500 V DC klassischer S-Bahn-Zug SR DB BR 420 kurvengesteuerte Einzel-Radsatz-Fahrwerke 15kVAC 16 2 3 Hz SR T T SR 4 x 215 kW * 2 2400 kV , , Niederflur - TW , , DSBDB BR S 424- Tog SR T T SR 1500 V DC 800 mm SR JakobsJacobs-Drehgestelle-Drehgestelle 2350kW kurvengesteuerte Einzel-Radsatz-Fahrwerke Oben: Klassischer Hochflur-S-Bahn-Triebwagen (teuere Bahninfrastruktur) Unten: Niederflurbodenhöhe4 800 x 215 mm, kW reduzierte * 2 Drehgestellanzahl, seit 2005 vermehrt auch Doppelstocktriebzüge , , Niederflur - TW DB BR 424 SR T T SR 800 mm Jacobs-Drehgestelle 2350kW 11 Innovatives Traktionsmaterial S- und U-Bahn-Triebwagen S-Bahn Hannover BR 424 1998 (Siemens/Adtranz) Desiro HC BR 462 für RRX 2018 (Siemens) U-Bahn Berlin Kleinprofilzug IK de.wikipedia.org Ab 2021 (Stadler) 12 Innovatives Traktionsmaterial NiederflurstraßenbahnenSR SR , SR SR 70% Niederflur 70% NF 350 mm EinzelradEinzelrad-Einzelfahrwerke-Einzellaufwerke SR SR 100% Niederflur, Beispiel:100% NF Variotram (ADtranz) Einzelantriebsräder Niederflurfahrzeuge erlauben unbehinderten Einstieg für Passagiere [4] Problem: Kollision des Fußbodens mit Achsen → Einzelradfahrwerke 13 Innovatives Traktionsmaterial Niederflurstraßenbahnen 70%-Niederflurfahrzeug: MF6D der Bogestra 1992 (Siemens) 14 Innovatives Traktionsmaterial NiederflurstraßenbahnenSR SR , SR SR 70% Niederflur 70% NF 350 mm EinzelradEinzelrad-Einzelfahrwerke-Einzellaufwerke SR SR 100% Niederflur, Beispiel:100% NF Variotram (ADtranz) Einzelantriebsräder Bei 100 % Niederflur müssen Einzelräder angetrieben werden! 15 Innovatives Traktionsmaterial Niederflurstraßenbahnen 100%-NF: Multigelenkfahrzeug Variotram (Adtranz 1995); auch Bochum Getriebeloser Außenläufer-Asynchronmotor! [4] 16 Innovatives Traktionsmaterial Stadtbahnen (Tram-Trains) GT 8-100 2S Karlsruhe, mit 750 V DC in der Stadt oder 15 kV WS aus der DB - Fahrleitung [1] 17 Europäische Bahnstromsysteme [5] 18 Hauptantriebskonzepte WS-Kommutatormotor 2 ▪ AC 15 kV 16 /3 Hz ▪ Reihenschluss-Kommutator- Fahrmotoren ▪ Spannungsregelung über Transformator mit Hochspannungsschaltwerk und Thyristor-Lastschalter ▪ 3.700 kW/160 km/h ▪ Noch im Dienst, aber seit ca. [Bombardier] 1984 nicht mehr beschafft Lokomotive BR 111 der DB (1974) [6] 19 Hauptantriebskonzepte GS-Kommutatormotor mit Schaltwerk ▪ DC 750 V … 1,5 … 3 kV ▪ Reihenschluss-Kommutator- Fahrmotoren ▪ Spannungsregelung über Serien-Parallelschaltung der Fahrmotoren und Vorwiderstände ▪ 3.850 kW/160 km/h ▪ Seit ca. 1965 nicht mehr http://www.ferropedia.es/wiki/Archivo:SNCFBB9274OrJPVL.JPG beschafft, nicht mehr im Dienst Lokomotive BB 9200 der SNCF (1957) [7] 20 Hauptantriebskonzepte Phasenanschnittsteuerung 2 ▪ AC 15 kV 16 /3 Hz (und AC 25 kV 50 Hz) ▪ Reihenschluss-Gleichstrom- Kommutator-Fahrmotoren ▪ Thyristor-Phasenanschnitt- steuerung ▪ 5.400 kW/160 km/h ▪ Noch im Dienst, aber seit ca. [Bombardier] 1990 nicht mehr beschafft Lokomotive Rh. 1044 der ÖBB (1976) [8] 21 Hauptantriebskonzepte Gleichstromstellersteuerung ▪ DC 750 V … 1,5 … 3 kV ▪ Reihenschluss-Gleichstrom- Kommutator-Fahrmotoren ▪ Thyristor-GS-Steller (mit Zwangskommutierung) ▪ 4.700 kW/160 km/h https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/ 4/4c/Locomotiva_FS_E_633_020_1.jpg ▪ Noch im Dienst, aber seit ca. 1990 nicht mehr beschafft Lokomotive E 633 der Trenitalia (1980) [9] 22 Hauptantriebskonzepte Elektrisch erregter Synchronmotor ▪ DC 1500 und AC 25 kV 50 Hz ▪ Synchron-Fahrmotoren ▪ Thyristorumrichter mit lastge- führter Kommutation ▪ Zwangskommutation im Anfahr- bereich ▪ Netzseitig Thyristoranschnitt- steuerung bzw. GS-Steller ▪ 8.800 kW/300 km/h 2 ▪ Bei 15 kV 16 /3 Hz nur reduzierte Leistung möglich [Alstom] SNCF TGV-A (1988) [10] ▪ Inzwischen durch IGBT-WR und ASM-Antriebe abgelöst 23 Hauptantriebskonzepte Asynchronmotor, 1. Generation 2 ▪ WS 15 kV 16 /3 Hz ▪ Asynchron-Kurzschlussläufer- Motoren hoher Leistungsdichte ▪ Zwangskommutierte Spannungs- Zwischenkreisumrichter mit Thyristoren ▪ Netzfreundliche Vierquadrantsteller ▪ 5.600 kW/200 km/h [BBC] DB 120 Prototypen (1979) [2] 24 Hauptantriebskonzepte Asynchronmotor und IGBT-WR, 4. Generation Alle Loks 6,4 MW 160 km/h für Güter- züge VECTRON (Siemens) [11] TRAXX 2, 3 (BT) [12] ICE 4 12 MW 249 km/h https://upload.wikimedia.org/wikipedia/com mons/4/4f/ICE_4_at_Nuremberg_Hbf.jpg de.wikipedia.org ICE 4 (Siemens, BT) [14] PRIMA (Alstom) [13] 25 Hauptantriebskonzepte Standardisierung durch Drehstromantrieb = M = 3~ ▪ Straßen- oder U-Bahn, direkt aus 3~ M dem Gleichstromfahrdraht gespeist 3~ Nahverkehrsfahrzeug direkt am GS-Netz M = 3~ G ▪ Dieselelektrische Lokomotive 3~ 3~ M 3~ Dieselelektrische Lokomotive 1~ = M = 3~ 1~ ▪ WS-Fahrdraht-Lokomotive mit = 3~ M zwei Vierquadrantstellern (4q-S) 1~ 3~ Triebfahrzeug am WS-Netz mit zwei Vierquadrantenstellern 26 Leistungselektronik Pulswechselrichter P uR uS uT N Aufbau und Funktion des dreisträngigen (IGBT)-Pulswechselrichters (WR-Ausgangsspannungen) 27 Leistungselektronik Halbleiterbauelemente [ABB] Gate Turn-Off- (GTO-) Thyristor 4,5 kV/3000 A (mit Gate Unit) Ende der 80er-Jahre 28 Leistungselektronik Halbleiterbauelemente Fahrdraht-, ZK- und IGBT-Nennspannungen UFN/V (GS) UZKN/V UCESN/V * 750 (900) 1700 1500 1800 3300 - 2400 - 2800 4500 * Standard- 3000 3600 6500 Zweipunkt-WR [Infineon] IGBT 6,5 kV - 750 A in HIV-Gehäuse, 2000… 29 Leistungselektronik IGBT Umrichter Straßenbahnen: Lokomotiven: DPU 409 Vossloh Kiepe TC 3300 Bombardier 5.6 MW MS Loks und HGV-Triebwagen: 6,5-kV-IGBT-Phasenbaustein Siemens 30 Hauptantriebskonzepte Standardisierung II Diesel-elektrische BR 246 LNVG mit “D-PowerPackage“ 2200 kW Viersystem-Lokomotive mit “E-PowerPackage“ (bis 6,4 MW) (Bombardier, [12]) 31 Hauptantriebskonzepte Zweikraftlokomotiven Last-Mile Diesel Diesel-Generator-Set 250…300 kW Zusätzlich Batterie, über einen 4q-S als Hochsetzsteller an Zwischenkreis angekoppelt [15] Stadler Euro-Dual BR 159 2 15 kV 16 /3 Hz: 6150 kW Diesel: 2800 kW [Stadler] ZA = 500 kN vmax = 120 km/h [16] iF i 32 d u d u x Leistungselektronik id u u VierquadrantstellerF s ud a) Ersatzschaltbild c) Spannung u. Strom auf der GS-Seite u s iF id Uuxd - - Ud u x UF id Us u F i F u u F s uUdd IF 1 - - -Ud a) Ersatzschaltbild c)b) Spannung Zeigerdiagramm u. Strom auf der GS-Seited) Spannung u. Strom (cos = +1) auf der WS-Seite u s Ux Immer Betrieb mit optimalem Leistungsfaktor sowieU Fideale RekuperationUs beim Bremsen u F Saugkreis 2 fNetz für Pendelleistung des Einphasennetzes [17] i F IF 1 b) Zeigerdiagramm d) Spannung u. Strom (cos = +1) auf der WS-Seite 33 Leistungselektronik Mehrsystem-Lokomotiven I ▪ Zwei 4q-S und Saugkreis am 2,8- kV-Zwischenkreis pro Drehgestell (2,8 MW) für WS-Betrieb ▪ Bei GS 3000 V werden die 4q-S als Tiefsetzsteller umgruppiert; 6,5-kV-IGBT nötig ▪ Bei GS 1500 V werden die 4q-S als Hochsetzsteller umgruppiert ▪ Saugkreisdrossel