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Eisenbahnen, elektrische [2]

[204] Eisenbahnen, elektrische. – Die elektrische Zugförderung (s. Bd. 3, S. 304) im Betrieb der Hauptbahnen hat in jüngster Zeit erhebliche Fortschritte in der Ausgestaltung des Einphasen-Kollektormotors, in der praktischen Durchführung von Drehstromanlagen sowie in der Konstruktion betriebssicherer Stromzuführungsanlagen[204] für hohe Spannungen und große Fahrgeschwindigkeiten gemacht und zur Lösung der elektrischen Zugförderung bei Hauptbahnen auch unter erschwerten Verhältnissen geführt und ausgedehnte befriedigende Ausführungen sowohl neuer Bahnanlagen als von Umwandlungen von Bahnen mit Dampfbetrieb in solche für elektrischen Betrieb zur Folge gehabt. Die Beförderung großer Zuggewichte, die heute Zugkräfte bis 2500 PS. bei Geschwindigkeiten bis zu 100 km in der Stunde erfordern, auf große Entfernungen setzen die Anwendung hoher Spannungen voraus. Bei den Ausführungen sind sämtliche Stromarten verwendet.

1. Drehstromanlagen.

Fast allgemein werden hierbei Fahrdrahtspannungen von 3000 Volt unterteilt und den Lokomotiven direkt mittels zweier Stromabnehmer zugeführt. Die Periodenzahl wird allgemein auf 15 bemessen und um deswillen so nieder angeordnet, weil dadurch diese Motoren leichter in Kaskaden geschaltet werden können, der Leistungsfaktor höher wird (bis 95%) und Zahnradübersetzungen sich vermeiden lassen. Der aus der doppelten Fahrleitung zugeleitete Strom wird in voller Spannung der Primärwicklung den Motoren zugeführt. Mit Hilfe der Kaskadenschaltung bei zwei Motoren oder Polumschaltung wird die Fahrgeschwindigkeit nach größeren, mit Autotransformatoren vor dem Motor, Wasserstände im Motorkreis nach kleineren Stufen geregelt.

Hauptsächlich in Italien gelangte dieses System zur Bedeutung und Betriebstüchtigkeit. Dort wird heute ein Bahnnetz von 350 km hiermit betrieben (ca. 100 Lokomotiven von nahezu 200000 PS). Die Stromabnahme erfolgt hierbei durch zwei auf einer Welle rotierende und gegeneinander isolierte Walzen, die, horizontal gelagert, durch Druckluft gegen die Fahrleitung angedrückt werden. Die Fahrschalter bei gekuppelten Lokomotiven können unter sich derart mit Kabeln und Steckkuppelungen in Verbindung gesetzt werden, daß von jedem Standort aus sämtliche Lokomotiven voll oder nur zu einem Teil eingeschaltet und beansprucht werden. Beispiele: Veltlinbahn, Simplontunnelbahn, Giovilinie bei Genua. Schwierigkeiten, insbesondere auf Bahnhöfen mit ausgedehnten Weichenanlagen, bietet die Konstruktion der Stromzuleitungsanlagen. Aus diesem Grund sowie wegen der Unbeschränktheit in der Wahl der Fahrdrahtspannung hat man in den übrigen Ländern von Europa dem

2. einphasigen Wechselstrom

unter Verwendung des Kollektormotors, der 1903 zum erstenmal auf der Strecke Niederschöneweide- Spindlersfeld (Berlin) zur Anwendung gekommen ist, den Vorzug gegeben. Da die Charakteristik dieser Motoren mit derjenigen des Gleichstroms ziemliche Uebereinstimmung zeigt, so bietet er Eigenschaften, die für den Bahnbetrieb infolge der benötigten großen Anzugskräfte bei reduzierter Umdrehungszahl und gesteigerter Geschwindigkeit bei geringer Zugkraft äußerst wertvoll sind. Dabei läßt sich die Kontrollersteuerung in gleich einfacher Weise bewirken. Die Spannung des Fahrdrahts wird allgemein zu 15000 Volt angenommen. Für den Antrieb der Motoren wird die Spannung mit Rücksicht auf den Kollektor auf 200 bis 900 Volt herabtransformiert, wobei die Reihenschlußmotoren die kleinere Spannung erfordern, während die andern Systeme mit höheren Spannungen arbeiten können. Die Periodenzahl ist auf 16²/₃ normiert worden, wofür eine bessere Periodenumformung bei der sonst üblichen Periodenzahl von 50 durch Dreiteilung der Polpaarzahl maßgebend war. Bei der niederen Periodenzahl wird der Motor wegen kleinerer Bürstenzahl betriebssicherer, und die Motortypen ohne Ankererregung lassen sich günstiger für kleinere Periodenzahlen bauen. Während die Steuerung und Geschwindigkeitsregulierung bei den reinen Repulsionsmotoren durch Verdrehen der Bürstenbrücken geschieht, wird bei den hauptsächlich im Bahnbetrieb verwendeten Serienschluß- und doppelt gespeisten Motoren die Steuerung durch Umschaltung der Wicklung, die Geschwindigkeitsregelung mit Hilfe des Leistungstransformators vorgenommen, dessen Sekundärwicklung zu diesem Zweck Anzapfungen für verschiedene Spannungen erhält. Mittels Kontrollersteuerung oder über Schützen wird eine stufenweise Regelung ermöglicht. Um eine stetige Regelung zu erhalten, kommt noch der Potentialregler in Betracht. Sein Konstruktionsprinzip wird am besten dadurch zur Anschauung gebracht, daß man sich einen Induktionsmotor vorstellt, bei welchem der bewegliche Teil festgehalten ist und durch eine Steuerung gedreht werden kann. Wird nun z.B. der festen Wicklung konstante Wechselstromspannung zugeführt, so wird in der beweglichen Wicklung je nach dem Grad der Verdrehung eine zwischen Null und einem bestimmten Maximalwert, der sich nach der Uebersetzung richtet, gelegenen Spannung induziert. Damit kann die den Motoren zuzuführende Spannung variiert werden.

Beispiele: Dessau-Bitterfeld, Wiesentalbahn, Salzburg-Berchtesgaden, Garmisch–Innsbruck (Mittenwaldbahn), Ofotenbahn (Schweden), Lötschbergbahn u.s.w.

Gesamtzahl in Deutschland: 242 Fahrzeuge.

Stellt man die Lokomotiven der Einphasenbahn denjenigen der Drehstrombahn gegenüber, so spricht für letztere das geringe Gewicht durch Wegfall des Leistungstransformators, das geringere Gewicht der Motoren, der größere Wirkungsgrad. Dagegen kommt der Einphasenbahn der wesentliche Vorteil zu, daß nur eine Fahrleitung benötigt ist und unbedenklich hohe Spannungen für die Fahrdrahtleitung verwendet werden können, daher geringer Leitungsverlust oder größere Abstände der Speiseilellen in Betracht kommen, ferner daß die Regulierungsfähigkeit in beliebiger Stufenzahl erfolgt und endlich, daß das Drehmoment in geringerer Abhängigkeit von der Spannung steht.[205]

3. Gleichstrombahnen.

Durch erhebliche Steigerung der Spannung, bis auf 2500 Volt, hat sich auch der Gleichstrom das Feld für Bahnen großer Längenausdehnung erobert, und in Amerika bemüht man sich sogar, dieser Stromart auch bei langen Strecken den Vorrang gegenüber Wechselstrombahnen zu geben, da man den Betrieb für wirtschaftlicher erachtet. Solche Spannungen wurden ermöglicht durch den Einbau von Wendepolen der Gleichstromsmotoren. Diese verschaffen dem Motor eine Ueberlastungsfähigkeit bis auf das Fünffache der Dauerleistung und ermöglichen ein funkenfreies Verhalten der Bürsten. Neben einem sparsamen Bürstenverbrauch ergibt sich eine bedeutsame Betriebssicherheit, da der Kollektor sich blank erhält, dessen Ueberschlagsgefahr sich vermindert und so die Zeit der Selbsterregung bei Kurzschlußbremsungen sich wesentlich abkürzt. Ein angenehmer Vorteil liegt in dem Umstand, daß ohne Aenderung der Schaltung von Ueberlandstrecken mit hoher, auf Stadtstrecken mit niederer Spannung übergegangen werden kann, wobei die Geschwindigkeit auf den Stadtstrecken gemäß der Spannungsreduktion zweckentsprechend verringert wird. – Beispiele: Rheinuferbahn Köln-Bonn, Frankfurt-Homburg, Berninabahn, Bellinzona-Messocco.

Ausbildung der Fahrzeuge.

Nicht bewährt haben sich die Ausführungen, wobei die Motoren direkt auf die Radachsen[206] aufgesetzt wurden, um ohne Zahnräder auszukommen und die Adhäsion durch möglichst viele angetriebene Achsen voll auszunützen und überdies eine bequeme Zugunterteilung, dem Verkehrsbedürfnis entsprechend, zu erreichen. Es hat sich gezeigt, daß die gegebene Fahrgeschwindigkeit zu großen Gewichten der Motoren bei relativ kleinen Leitungen führten, und daß die unabgefederten Massen unzulässige Stöße auf den Oberbau ausübten. Man ist daher dazu übergegangen, die Motoren auf den Untergestellen in einer Hochlage anzuordnen, um dadurch den Lauf der Maschinen in den Kurven günstig zu beeinflussen, den Oberbau zu schonen, die Zugänglichkeit zu den einzelnen Teilen zu erleichtern und in der Dimensionierung derselben freie Wahl zu sichern. Dabei treten jedoch Schwierigkeiten bei der Lösung der Antriebsfrage auf. Zum Teil wird auch bei der Hochlage des Motors der Zahnradantrieb (namentlich in Amerika) bevorzugt. In Deutschland dagegen erhielt der Antrieb durch Triebstangen mit Hilfe einer Blindwelle, die in Höhe der Radachsen liegt, zunehmende Bedeutung. Während hier die hohen Zahndrücke stichhaltige Gründe für die Wahl der Blindwelle zur Vermeidung der Zahnräder boten, erblickt man in Amerika in der peinlichen Aufsicht der in hoher Beanspruchung stehenden Triebwerksteile, vor allem der Blindwellenlager, einen Nachteil. Die sorgsame Wartung, an die z.B. das deutsche Lokomotivpersonal vom Dampfbetrieb her gewohnt ist, läßt im Stangenantrieb nach Behebung der anfänglichen Mängel keine Schwierigkeit mehr erblicken und gestattet dafür eine in allen Teilen der Kontrolle leicht zugängliche Konstruktion, die für hohe Betriebssicherheit sehr wesentlich ist. Wenn auch in Deutschland Zahnradübersetzung angewendet wird, so dürften sich solche Anordnungen meist auf Güterzugslokomotiven beschränken, da es beim Einphasenmotor mit besonderen Schwierigkeiten verknüpft ist, denselben für kleinere Tourenzahl zu bauen. Es kommt dabei die amerikanische Bauart der auf beiden Seiten des Ankers aufgesetzten Zahnräder mit Vorteil zur Anwendung, jedoch in Verbindung[207] mit der Blindwelle, von der aus die Triebachsen mit Kuppelstangen angetrieben werden. Durch das bei uns angewandte Triebwerk sind zwar wieder hin und her gehende Massen hinzugekommen, deren Fortfall zu den Vorzügen des elektrischen Betriebs gerechnet werden wollten. Allein da diese Triebwerksteile nur kreisförmige Bewegungen ausführen und außerdem die Massen vollkommen ausgeglichen werden können, so ergeben sich dadurch auch bei den höchsten vorkommenden Geschwindigkeiten keine Mißstände. Die äußere Form paßt sich vollständig der rationellen Unterbringung aller Ausrüstungsteile der Lokomotive an und schafft nebenbei lediglich noch Raum für den Wagenführer, wobei demselben ein nach allen Richtungen bequemer und sicherer Ausblick verschafft wird. Die Bremsung erfolgt in gleicher Weise wie bei den Vollbahnen mit Dampfbetrieb. Die Druckluft bezw. das Vakuum wird jeweils durch Pumpen erzeugt, die durch besondere Motoren angetrieben werden.

Stromzuleitung.

Als Isolationsmaterial wird Glas oder Porzellan verwendet, wobei die Anordnungen jedoch so getroffen werden, daß Zug- und Biegungsbeanspruchungen ausgeschlossen werden. Den Isolatoren wurde deshalb Scheibenform gegeben. Die Stromrückleitung geschieht fast ausschließlich durch die Schienen unter Einbau von kupfernen Verhindern zwischen den Schienenstößen. – Die

Stromabnahme

erfolgt lediglich durch Bügel mit Aluminiumschleifstücken. Um die Fahrtrichtung ohne weiteres wechseln zu können, wird der Bügel in Scherenform mittels Druckluft an den Fahrdraht angelegt. Für die Stromzuleitung ist der hohen Fahrgeschwindigkeit der Vollbahn, bis zu 100 km in der Stunde, Rechnung zu tragen. Ein gleichmäßiges Anliegen des Stromabnehmers an den Fahrdraht setzt voraus, daß der Durchhang des letzteren auf ein geringstes Maß beschränkt und Unebenheiten der Kontaktfläche möglich! vermieden werden sowie die Zahl der Isolatoren wegen der hohen Spannungen tunlichst nieder gehalten wird. Diese Forderungen werden erfüllt durch die sogenannte Vielfachaufhängung. Es sind im Lauf der Jahre eine Reihe von verschiedenen Ausführungen zutage getreten, die den Probestrecken zugrunde gelegt wurden. Im Prinzip zeigen alle Systeme ein in Abständen von 60 bis 100 m isoliert aufgehängtes Tragseil. An dieses Seil wird der Stromdraht in Abständen von 6 bis 15 m ohne Isolation möglichst elastisch angehängt. Einerseits wird damit eine weitgehende Verringerung des Durchhangs erreicht, so daß, vereint mit der elastischen Aufhängung, der an der Fahrleitung entlang gleitende Bügel sich auch bei hohen Geschwindigkeiten leicht anschmiegen kann und das lästige Abklappen an den Aufhängeösen vermeidet, das zu Lichtbogenbildung und Schlägen Veranlassung gibt. Anderseits wird es nicht mehr nötig, den Fahrdraht selbst so stark zu spannen, daß ein Ueberschreiten der Grenze der zulässigen Zugbeanspruchung in Frage kommen kann. Seitenschwankungen werden nicht nur in Kurven, sondern auch in den Geraden durch isolierte Seitenstreben verhindert, ohne dabei die Nachgiebigkeit der Aufhängung zu beeinträchtigen. Gegen Ausdehnung der Drähte infolge von Temperatureinwirkungen und Aenderungen von Zugspannungen werden selbsttätige Nachspannvorrichtungen in Entfernungen von 1 bis 1,5 km sowohl in das Tragseil als den Fahrdraht eingesetzt. Von einzelnen Firmen wird zwischen Spannseil und Fahrdraht noch ein Hilfsdraht eingeschoben.

Triebwagen,

wobei die elektrische Energie mitgeführt wird, finden für den Nachbarschaftsverkehr von Hauptbahnen steigende Verwendung – Akkumulatorwagen. – Um das Fassungsvermögen zu erhöhen, werden Fahrzeuge gebaut, welchen zwischen zwei Antriebabteilungen ein Wagen eingeschaltet wird. Dieses Fahrzeug nimmt 100 Fahrgäste auf und besitzt eine Kapazität von 120 KWSt. bei einer Spannung von 310 Volt. Es kann hiernach bei einer Stundengeschwindigkeit von 60 km in der Horizontalen einen Weg von 200 km zurücklegen. Der Wagen wiegt unbesetzt 60 t. Eine weitere Form von elektrischen Triebwagen wird durch die vereinzelt in Betrieb gesetzten benzolelektrischen Triebwagen gebildet. Die Forderung, beim Anlauf des Wagens ein großes Drehmoment zu entwickeln und bei voller Fahrt dasselbe zu reduzieren, ist beim reinen Wärmeexplosionsmotor schwer zu erfüllen, man bedient sich daher der elektrischen Kraftübertragung. Dadurch vermeidet man das Mitführen der durch den Akkumulator bedingten toten Last sowie die Abhängigkeit von den Ladestationen und erhält einen größeren Aktionsradius.

Literatur: Elektr. Kraftbetrieb und Bahnen; Elektrotechn. Zeitschrift sowie der für Kleinbahnen; El. Railway Journal; Schweiz. Bauzeitung.

Loercher.

Fig. 1.

Fig. 2., Fig. 3.

Fig. 4

Fig. 5.