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.

Allgemeiner Überblick

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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.

Im Lokomotivkörper, der vor allem aus dem kastenförmigen Aufbau und dem Hauptrahmen besteht, sind die elektrischen Schalt-, Steuer - und Übertragungsanlagen untergebracht. Der Innenraum einer modernen Lokomotive stellt sich als eine Doppelreihe großer Geräteschränke dar und enthält verhältnismäßig wenig bewegliche Teile.

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. Der schwere Fahrmotor stützt sich dabei bei einfacher Ausführung mit einer Längsseite auf die Achse, mit der anderen Seite ist er am Drehgestell aufgehängt (Tatzlager-Antrieb). Bei Reisezuglokomotiven mit höheren Geschwindigkeiten ist der Fahrmotor vollständig im Drehgestell oder am Lokkasten aufgehängt. Das Drehmoment bzw. Die Motorbewegung wird über einen Hohlwellen-Antrieb auf den Radsatz übertragen.

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 Kupplungs- und Übergangseinrichtungen zu den Triebzug-Mittelwagen. Man spricht hier auch von Triebkopfzügen (Beispiel: ICE).

Wesentliche Bauteile von Elektrolokomotiven sind:

der Haupttransformator bei Hochspannungs-Wechselstromversorgung,
das Fahrstufen- Schaltwerk oder stattdessen die Traktionsstromrichter
die Batterien (oft 110 V-Bleiakkumulatoren)
Wechselrichter bzw. Hilfsbetriebeumrichter für die Versorgung der Niederspannungssysteme
die Kühllüfter für die Fahrmotoren , den Transformator-Ölkühler und die Stromrichter
ein Bremswiderstandsturm mit Lüfter (sofern vorhanden, bei modernen Loks ersetzt dies meist eine Nutzbremse)
einen Luftpresser für die Druckluftbremsanlage
meist an beiden Enden Führerstände
die Zugvorrichtungen bzw- Kupplungen für die angehängen Züge
weitere Versorgungs-, Steuer- und Signaleinrichtungen (u.a. Sifa, Indusi, LZB)

Exemplarisch für den letzten Stand im Elektrolokomotivbau sind die Baureihen Eurosprinter oder Bombardier TRAXX.

Energieversorgung

Die ersten Bahnen mit Elektrotraktion wurden mit Gleichstrom oder mit Drehstrom betrieben. Für Drehstrombetrieb wurden lediglich für Versuchsanlagen dreipolige Fahrleitungen verlegt, für den praktischen Betrieb, wie bis 1976 bei der italienischen Ferrovie dello Stato und bis heute bei zwei schweizer Bergbahnen wurde eine zweipolige Fahrleitung zusammen mit dem Gleis als drittem Stromleiter benutzt.

Hochgespannter Wechselstrom lässt sich mit geringeren Verlusten als Gleichstrom mit auf den langen Fahrleitungen übertragen. Andererseits war zu Beginn der Elektrifizierung der Bahn der Bau von Fahrmotoren für Einphasen - Wechselstrom äußerst komplex und gelang nur mit kleinen Netzfrequenzen. Bereits 1905 wurden Versuchsfahrten mit Einphasen-Wechselstrom durchgeführt, doch setzte sich der Wechselstrom als bestgeeignete Energieversorgung für Fernbahnen erst später durch.

Durch den Fortschritt in der Stromrichtertechnik konnten später auch die verbreitete Netzfrequenz von 50 Hz verwendet werden. Dabei wurde zu Anfang der 50 Hz-Wechselstrom mit Dioden gleichgerichtet und diente dann als Versorgung von sog. Mischstrommotoren.

Aus dieser historischen und schwer rückgängig zu machenden Entwicklung ergibt sich, daß die eingeführten Bahnstromsysteme in Europa sehr zersplittert sind.

Die wichtigsten Bahnstromsysteme in Europa:

25000 V 50 Hz Frankreich (nördlicher Teil und alle neuen TGV - Strecken), Spanien (alle neuen AVE - Strecken), Großbritannien (nördlich London), Dänemark, Finnland, Luxemburg, Ungarn, Tschechien (südlicher Teil), Slowakei, Kroatien, Serbien, Griechenland, Russland (asiatischer Teil)
15000 V, 16,7 Hz Deutschland, Schweiz, Österreich, Norwegen, Schweden
3000 V, Gleichstrom Italien, Spanien, Belgien, Polen, Russland (Europäischer Teil), Ukraine, Weissrussland, Baltische Staaten, Tschechien (nördlicher Teil), Slowenien,
1500 V, Gleichstrom Frankreich (Südlicher Teil), Niederlande, Tschechien (Tábor - Bechyně)
750 V, Gleichstrom England (südlich London bis zum Kanal)

Hauptartikel: Bahnstrom, Liste der Bahnstromsysteme

Der Motorantrieb

Die angetriebenen Räder bzw. Achsen der ersten Lokomotiven wurden konstruktiv auf möglichst einfache Weise mit dem Motor gekoppelt, was zwangsläufig zunächst zum Einzelachsantrieb führte, teilweise war ohnehin nur eine Achse des Triebfahrzeugs angetrieben. Sehr früh trat auch – beispielsweise bei der Lokomotive „Le Drac“ der Chemin de Fer de La Mure ein Antrieb mehrerer Achsen mit Einzelmotoren auf.

PRR DD1 running gear.jpg der Pennsylvania Railroad)]] Beim zunehmend größeren Leistungen wurde jedoch die Zusammenfassung des Antriebs in möglichst wenigen Motoren bevorzugt, weil dadurch spezifisch leichtere und billigere Ausrüstungen zu erzielen waren. Erste, größere Elektroloks hatten somit auf dem Hauptrahmen große langsamlaufende Motoren, und das Fahrwerk bestand aus mehreren mit Stangen gekuppelten Treibachsen, die entweder über Schrägkurbeln oder über Blindwellen angetrieben wurden. Ähnlich wie bei Dampflokomotiven gab es hier auch zusätzliche Laufachsen zur Abstützung überhängender Rahmenteile. Zudem wurden auch Motoren paarweise im Lokomotivkasten miteinander mechanisch gekuppelt.

Bald stellte sich aber heraus, daß bei höheren Geschwindigkeiten und bei der Koppelung mehrerer Motoren Resonanzschwingungen des Getriebes und des gesamten Lokomotivaufbaues zeigten, die erhebliche Schäden verursachten. Daher erfolgten bald Bestrebungen, einen Einzelachsantrieb zu entwickeln der den Erfordernissen bei höheren Geschwindigkeiten gerecht wurde. Neben dem „Siemens-Schuckert-Antrieb“ mit Vertikalmotoren entwickelte der Schweizer Jakob Buchli 1918 bei der Brown, Boveri & Cie den Buchli-Antrieb. Diese Entwicklung führte dann weiter zu den Tatzlager-Antrieben und zum heute für hohe Geschwindigkeiten bevorzugten Hohlwellen-Antrieb.

Die Fahr- und Leistungssteuerung

OEBB1016.jpg | Train_capitale_2003_Locomotive_BB9004.jpg fuhr 1955 die Rekordgeschwindig- keit von 331 km/h]]Die ersten mit Gleichstrom betriebenen Lokomotiven wurden mit energiefressenden Vorwiderständen in den unteren Fahrstufen angesteuert.

Bei Elektrolokomotiven mit Wechselstrombetrieb wird die Spannung der Fahrmotoren durch ein sog. Schaltwerk geregelt. Dieses besteht aus einem Stufenschalter bzw. Fahrschalter, mit dem einzelne Abgriffe der Transformator- Spulen von Hand direkt oder über zwischengeschaltete Schütze angesteuert werden.

Die frühen Lokomotiven mit Dreiphasenwechselstrom-Versorgung ließen sich nicht kontinuierlich steuern, vielmehr musste zur Geschwindigkeitsänderung die Polzahl der Motoren umgeschaltet werden, so daß nur zwei ode vier feste Geschwindigkeitsstufen möglich waren.

Heutige Elektrolokomotiven bedienen sich moderner energiesparender Leistungselektronik, sie besitzen nur noch einen Transformator mit wenigen festen Abgriffen, an denen die Traktionsstromrichter (meist einer pro Drehgestell) und die Hilfsbetriebeumrichter (HBU) angeschlossen sind. Diese formen aus dem zugeführten Gleichstrom oder einphasigem Wechselstrom einen Dreiphasenwechelstrom mit der jeweils erforderlichen Frequenz, der kommutatorlose und wartungsarme Drehstrom-Fahrmotoren speist. Mehrsystemlokomotiven können mit unterschiedlichen Fahrleitungsspannungen fahren. Damit ist ein grenzüberschreitender Verkehr möglich - ohne zeitraubenden Lokomotivwechsel.

1903 erreichte in Deutschland ein Versuchslokomotive mit Drehstromantrieb eine Geschwindigkeit von mehr als 200 km/h. Im Rahmen dieser Versuche erreichte ein Triebwagen-Fahrzeug den damaligen Geschwindigkeitsrekord von 210 km/h.

1955 erreichten in Frankreich zwei Lokomotiven der SNCF, die vierachsige BB 9004 und die sechsachsige CC 7107 unabhängig voneinander jeweils 331 km/h.

Geschichtliche Stationen

Hauptartikel: Geschichte des elektrischen Antriebs von Schienenfahrzeugen

EElokPage.jpg | EElokSiemens.jpg | Electric railway train.jpg ELeDrac1.jpg

Eine frühe experimentelle elektrische Schienenbahn wird Thomas Davenport, einem Schmied aus Vermont, USA, zugeschrieben. Er führte 1835 eine kleines, von einem elektrischen Motor betriebenes Modell einer Schienenbahn vor.

Von dem Schotten Robert Davidson in Aberdeen wird berichtet, daß er 1838 eine elektrische Lokomotive baute, die eine Geschwindigkeit von vier Meilen pro Stunde erreichte.

Der US-amerikanische Patentamts-Angestellte Charles Grafton Page (1812 - 1868) begann 1850 den Bau einer elektrischen Lokomotive. Deren 15 kW starke „reciprocating“-Motor bestand aus zwei Spulen mit darin eingelassenen Stabankern. Diese wurde durch wechselweises Einschalten der Spulen wie in einer Kolbendampfmaschine hin und her bewegt. Diese „reciprocating“ Bewegung wurde mit einer Kurbelstange auf die Treibräder eines dreiachsigen Wagens übertragen.

In Frankfurt am Main ließ 1840 Johann Philipp Wagner, einen kleinen, mit einem Elektromotor getriebenen Wagen mit Anhänger auf einem Schienenkreis von 20 Metern Umfang fahren. Er wurde daraufhin beauftragt, eine funktionsfähige große „elektromagnetisch getriebene“ Lokomotive zu bauen und ein Betrag von 100 000 Gulden wurden ihm dafür zur Verfügung gestellt. Er scheiterte jedoch an der Umsetzung, angeblich mangels Kenntnissen über den Zusammenhang von Batteriekapazität und Antriebsleistung.

Werner von Siemens baute 1879 in Berlin eine vierrädrige Elektrolokomotive, die auf der damaligen Gewerbeausstellung auf einem 300 Meter langen Rundkurs drei Wagen mit je sechs Personen ziehen konnte. Sie gilt als erste praxistaugliche Elektrolokomotive.

Bei den meisten frühen kommerziell betriebenen elektrischen Bahnen wurden zunächst straßenbahnartige Triebwagen verwendet, so beispielsweise bei der 1881 von Siemens & Halske von Berlin-Lichterfelde nach der Kadettenanstalt in Lichterfelde Berlin-Zehlendorf gebauten ersten elektrischen Straßenbahn, der 1895 in Betrieb genommenen ersten deutschen elektrischen Vollbahn Meckenbeuren-Tettnang im damaligen Königreich Württemberg und weiteren Bahnen.

Erst 1890 wurden in bemerkenswertem Umfang reine elektrische Lokomotiv-Fahrzeuge eingesetzt und zwar auf den U-Bahnstrecken von London. Vor allem der begrenzte Raum des Tunnelprofils erzwang hier die Abkehr vom Triebwagen und das Vorspannen des separaten Motorantriebs an der Spitze des Zuges. Die City & South London Railway setzte hier die ersten elektrisch betriebenen Züge mit Lokomotivbespannung ein. Bis 1935 fuhren die Londoner U-Bahnen mit Lokomotiven.

Erst in den Jahren 1902 –1905 kamen auf den europäischen Hauptbahnen elektrische Lokomotiven zum Einsatz, so neben einem Versuchs-Fahrzeug der Studiengesellschaft für Elektrische Schnellbahnen auf der Königlichen Militäreisenbahn Marienfelde-Zossen die von der Firma Ganz & Cie in Budapest an die Rete Adriatica gelieferten Drehstrom-Lokomotiven, bei der Erzbahn Chemin de Fer de La Mure eine mit einem Dreileiter-Gleichstromsystem betriebene Lok mit der modernen Achsfolge Bo’ Bo’, bei der Ammertalbahn die ersten Einphasenwechselstrom-Triebwagen (LAG 674–677) und einige Wochen später die erste Lokomotive (LAG 1, spätere DRG Baureihe E 69).

Literatur

100 Jahre elektrische Zugförderung - 100 Jahre elektrische Triebfahrzeuge von Siemens. Gebundene Ausgabe - 108 Seiten, 1979, ISBN 3882558237
Klaus-Jürgen Vetter: Das große Handbuch der Elektrolokomotiven. Bruckmann, September 2003, ISBN 3765440663
Raimo Gareis: Elektrolokomotiven von gestern, Bd.1. Streckenlokomotiven. Krone, Januar 2000, ISBN 3933241189

Weblink

Geschichte und Daten zur ersten Nachkriegs-E-Lok Deutschlands

Triebfahrzeug | Elektrofahrzeug