|
Grundsätzliches
zur Rückgewinnung von Bremsenergie |
Bei
keinem anderen Verkehrsmittel als beim elektrisch betriebenen,
an eine Fahrleitung gebundenen oder allenfalls mit einem Speicher
versehenen Landfahrzeug lässt sich die aus der Beharrungsbremsung
bei Talfahrten und bei Verzögerungsbremsungen anfallende Bremsenergie
rückgewinnen, das heisst ins Versorgungsnetz zurückspeisen.
In einer ersten Stufe wird
damit an die Wiederaufladung des Speichers bei einem Akkumulator-Triebfahrzeug
gedacht. Auch eine Versorgung der Hilfsbetriebe und Komfortanlagen
innerhalb einer Zugskomposition zählt dazu. So speisen verschiedene
Zahnrad-Bergbahnen bei Talfahrt -- oft mit gesenktem Stromabnehmer
-- die Konvektionsheizkörper in den Personenabteilen sowie den
Kompressor durch den Bremsstrom der generatorisch arbeitenden
Fahrmotoren. Diese Verbraucher sind parallel zu den Bremswiderständen
geschaltet. Die Bremswiderstände setzen die verbleibende Bremsenergie
in Wärmeenergie um.
Eine weitere Stufe stellt
die Rückspeisung der Bremsenegie über den Stromabnehmer in das
Stromversorgungsnetz dar, das bei den Kollektiv-Verkehrsmitteln
in Form von Fahrleitungs- oder Stromschienenanlagen mit den vorgelagerten
Unterwerken und Hochspannungsnetzen in Erscheinung tritt. Die
Unterwerke bestehen bei Bahnen mit Wechselstrombetrieb aus Transformatoren
mit Schalt- und Schutzeinrichtungen; bei Bahnen und Trolleybusnetzen
mit Gleichstrombetrieb kamen früher Umformergruppen und Quecksilberdampf-Gleich-
und Wechselrichter, oft auch Lastausgleichs-Akkumulatorbatterien
hinzu, deren Funktionen heute weitgehend durch Halbleiter-Gleichrichter
mit Silizium-Halbleiterventilen erfüllt werden. Die Hochspannungsnetze
sind entweder die dreiphasigen Landesvorsorgungsnetze (Drehstrom
mit der Frequenz von 50 Hertz) oder die einphasigen Bahnnetze
(Einphasenwechselstrom mit der Frequenz von 16,7, anfänglich 16 2/3
Hertz). Zum Energieaustausch zwischen beiden Netzen enthalten
grössere Unterwerke oft Netzkupplungs-Umformer (rotierende Maschinensätze)
oder -Umrichter (statische Halbleitersätze).
Gegenwärtig weisen in der
Regel alle Kollektiv-Verkehrsmittel -- vom Trolleybus als nicht-schienengebundenes
über die Strassenbahn, Stadtbahn, Metro, Regionalbahn und Vollbahn
bis zur Zahnradbahn -- eine auf generatorisch arbeitenden Fahrmotoren
basierende elektrodynamische Bremse für Energierückspeisung
auf, sofern das Antriebssystem auf einem mit steuerbaren Halbleiterventilen
versehenen Stromrichter beruht. Derartige Bremseinrichtungen
sind unter der Bezeichnung Netzbremse oder Rekuperationsbremse
bekannt. Als steuerbare Halbleiter stehen je nach Antriebssystem
entweder Netz-Thyristoren oder Frequenz-Thyristoren
zur Verfügung. Jene schalten im Takt der Netzfrequenz (sog. netzgeführte
Stromrichter, nur bei Betrieb mit Einphasen-Wechselstrom verwendbar);
letztere arbeiten mit wesentlich höheren Taktfrequenzen und sind
heute insbesondere als sog. Abschalt- (d.h. GTO-) Thyristoren,
in jüngsterZeit auch als Inverse-Gate-Bipolar-Transistor (IGBT)
allgemein im Einsatz.
|
Historische Entwicklung |
Obwohl
die Netzbremse erst seit der Herstellung von Thyristoren mit hoher
Leistungsdichte für den Bau leistungsfähiger, kompakt gebauter
Antriebsstromrichter praktisch uneingeschränkt Anwendung findet,
gelangten schon in der Periode der sogenannten Direktmotorantriebe
Triebfahrzeug-Serien mit Netzbremsen zum Einsatz.
Beim Direktmotorantrieb werden
die Fahrmotoren direkt aus dem Betriebsstromsystem, das heisst
mit der gleichen Stromart gespeist. Die Spannungsveränderung an
den Fahrmotoren zur Geschwindigkeitsveränderung des Zuges ist
Stufenschaltwerken in Verbindung mit Stufentransformatoren oder
Anfahr- und Bremswiderständen übertragen. Stromrichter für eine
Umrichtung der Stromart und eine stufenlose Spannungsregelung
standen noch nicht zur Verfügung.
Beim Betrieb mit Drehstrom
mit starrer Netzfrequenz an der Fahrleitung, der vor rund 100
Jahren bei Bergbahnen mit Zahnstangenstrecken (wie Zermatt - Gornergrat
der Gornergrat-Bahn (GGB)
Kleine Scheidegg - Eismeer, später Jungfraujoch der Jungfrau-Bahn
(JB) oder Obermatt -
Ghärst der Stansstad - Engelberg-Bahn (StEB)
sowie bei der ersten elektrisch betriebenen Vollbahn Europas zwischen
Burgdorf und Thun zur Verwendung kam, stellte sich bei Gefällsfahrten
zwangsläufig Netzbremsung ein, denn die Drehstrom-Asynchron-Fahrmotoren
erzeugten bei leicht übersynchroner Drehzahl automatisch ein bremsendes
Drehmoment.
Bei Bahnen mit Gleichstrombetrieb
verbreitete sich die Netzbremsung vor allem auf Strecken mit längeren
und grösseren Gefällen, wie beispielweise auf der
Strecke Chur - Arosa
und der Berninastecke
der Rhätischen Bahn (RhB), auf der Chemin de fer Montreux -Oberland
Bernois (MOB) ,
auf der Wengernalp-Bahn (WAB),
ferner auf dem Trolleybusnetz der Transports publics lausannois
(TL). Beim Gleichstrombetrieb stand die Frage der Wirtschaftlichkeit
durch reduzierten Energiekonsum aus bahnfremden Kraftwerken im
Vordergrund. Denn die anspruchsvollere Traktionsausrüstung bei
den Triebfahrzeugen mit Netzbremsung liess sich gegenüber der
üblichen Widerstandsbremsung nur durch jenen Vorteil rechtfertigen.
Um bei schwach belastetem Fahrleitungsnetz die Energierückführung
immer zu gewährleisten, rüsteten die betroffenen Bahnunternehmungen
ihre Unterwerke teilweise mit Wechselrichtern zur Umformung der
Gleichstrom- in Drehstromenergie aus. Wenn die Netzbremsung nicht
anwendbar ist, steht bei den Gleichstrom-Triebfahrzeugen -- vor
allem auch bei Strassenbahnen und Trolleybussen -- die Kurzschluss-Widerstandsbremsung
weitestgehend in Gebrauch, die dabei nicht nur zur Beharrungsbremsung
im Gefälle, sondern auch zur Verzögerungsbremsung beim Anhalten
dient. |
Anders
bei den mit Einphasenwechselstrom elektrifizierten Vollbahnen!
Die elektrische Bremse diente vorerst nur auf Gebirgsstrecken
als Sicherheitsbremse für allein talwärts fahrende Lokomotiven,
die beispielsweise vom Vorspann- oder Schiebedienst her zurückzuführen
waren. Gleichzeitig erreichte sie dort eine Entlastung der mechanischen
Radklotzbremsen primär auf der Lokomotive (geringere thermische
Beanspruchung der Radsätze und Bremsklötze, geringerer Bremsklotzverschleiss
und weniger Verschmutzung), bei höherer generatorischer Bremsleistung
vorteilhafterweise auch im angehängten Zug, wenigstens durch Reduktion
der Bremsklotzdrücke. Im Gegensatz zur öfters auch angewendeten
fremderregten Widerstandsbremse erlaubte die Netzbremse, die grösseren
anfallenden Bremsenergiemengen vom Triebfahrzeug "frei zu bekommen",
ohne grosse Volumen an eigen- oder fremdgekühlten Bremswiderständen
zur Umsetzung der Bremsenergie in Wärme mitzuführen. Die eigentliche
Energieersparnis spielte noch nicht die dominante Rolle, weil
in der Regel die unerwünschte Blindstrombelastung des Netzes durch
die Netzbremse anstieg. Ausserdem bedingten die zusätzliche Apparatur
für die Netzbremse sorgfältige Abklärungen bezüglich Einbauvolumen
und Masseverteilung, und ihre Funktion war beispielsweise bei
Stromabnehmerabsprüngen nicht immer problemlos. |
Es
darf nicht übersehen werden, dass neben den für hohe Bremskräfte
ausgelegten und verbreiteten Netzbremsausrüstungen auf zahlreichen
Triebfahrzeuggattungen auch die fremderregte Gleichstrom-Widerstandsbremse
grössere Bedeutung erlangte, wobei diese ebenfalls nur netzabhängig
funktioniert. Sie stellt nicht nur eine bewährte Alternative für
Netze mit regional begrenztem Energieaustausch, wie beispielsweise
bei der BLS
dar, sondern führt auch zu verlängerten Kollektorlaufzeiten durch
"Pflege des Kommutierungsapparartes" auf Triebfahrzeugen mit hoch
belasteten Einphasenwechselstrom-Reihenschlussfahrmotoren; bevorzugt
dazu waren Triebfahrzeuge mit genügend "unbelegter" Dachfläche
zum Aufbau der Bremswiderstände. Schliesslich
fand diese Bremsart auch bei den ersten Serien der Stromrichter-Triebfahrzeugen
mit Gleichrichter- oder phasenanschnittgesteuerten Stromrichterantrieb
Verwendung, solange die Entwicklung der gesteuerten Halbleiterventilen
aus räumlichen wie auch aus schaltungstechnischen Gründen die
nachfolgend aufgezählten Gleich-/Wechselrichter-Ausrüstungen noch
nicht zuliess.
|
|
Erweiterte
Aufgaben für die Netzbremse |
Anders
ist die Situation in der Gegenwart und in Zukunft ! Die weitere
Optimierung des Energieverbrauchs und Senkung des Belastungsspitzen
der netzseitigen Energieversorgung unter verstärkter Ausnützung
der Netzbremse stehen im Vordergrund ! Die Leistungselektronik
macht es möglich. Dabei bestehen bemerkenswerte Systemunterschiede,
je nachdem ob ein Nahverkehrsmittel oder eine Vollbahn in Betracht
fällt.
Mit Gleichstrom betriebene
Nahverkehrsbahnen und Trolleybusse bilden abgeschlossene
Netze, die sich aus übergeordneten Drehstrom-Verbundnetzen selektiv
über einfache Gleichrichter-Unterwerke bei Netzspannungen von
600 ... 1500 Volt versorgen. Um die Energierückgabe bei schwach
belastetem Streckennetz -- beispielsweise in den Tagesrandstunden
-- jederzeit sicherzustellen, müssten jene für relativ geringe
Energieanteile durch aufwendigere Wechselrichter für Gleichstrom-Drehstrom-Umwandlung
wie einst die Unterwerke der Gleichstrombahnen in den 1930-er
Jahren ergänzt werden. Sogenannte Doppelbremssteller in der Fahrzeugausrüstung
-- wie der Antriebs-Stromrichter ebenfalls mit GTO-Thyristoren
oder IGBT-Transistoren bestückt -- prüfen 400 mal pro Sekunde
die Aufnahmefähigkeit des Netzes. Sie geben bei Netzspannungsanstieg
mangels Energieaufnahme durch andere Züge auf jedem bremsendem
Triebfahrzeug vorübergehend einen Bremswiderstand zur Energieumsetzung
frei. Nebst der Ergänzung von "konventionellen" schützegesteuerten
Gleichstromantrieben mit Gleichstrom-Kollektor-Fahrmotorenlässt sich dieses Prinzip sowohl beim Fahrzeugantrieb
mit Gleichstromstellern und Mischstrom-Kollektor-Fahrmotoren
als auch mit dreiphasigen Antriebs-Wechselrichtern für direkte
Anspeisung aus dem Netz und Asynchron-Fahrmotoren
anwenden.
Vollbahnen mit Einphasenwechselstrombetrieb
beziehen ihre Energie aus grossräumigen Verbundnetzen, selbst
wenn diese unabhängige Bahnnetze bei einer Frequenz von 16,7 Hertz
mit europaweiter Netzkupplung bilden. Die Energierückgabe
ist praktisch immer sichergestellt; die für hohe Fahrgeschwindigkeiten
ausgelegten Fahrleitungs- und Stromabnehmer-Systeme gewährleisten
eine sehr zuverlässige Energieübertragung zwischen Fahrzeug und
Netz. Bremswiderstände erübrigen sich. Selbst auf Bahnen mit Zahnstangen-Abschnitten,
wo früher netzunabhängige dynamische Bremsen vorgeschrieben waren,
reicht heute die Netzbremse -- verbunden mit sicherheitsmässig
besonders ausgelegten Rad-Klotz- und Zahnrad-Band-Bremsen im Zug
für Ausnahmefälle -- aus.
Bei Vollbahnen mit schweren
Zügen verlangt aber ein anderes Problem Beachtung. Beim "Auflaufen"
des Wagenzuges auf die Lokomotive an der Zugspitze während Talfahrten
entstehen hohe Pufferdrücke und bei engen Kurven je nach Schmierzustand
unerwünschte Querkräfte zwischen den Pufferflächen. Einer der
sehr seltenen Netzspannungsausfälle oder ein gelegentliches Stromabnehmerabspringen
von der Fahrleitung kann eine Schnellabschaltung der Netzbremse
herbeiführen, was unerwünschte Längsreaktionen im Zug -- im Extremfall
mit Kupplungsbruch oder Entgleisung leichterer Fahrzeuge -- nach
sich ziehen kann. Eine Begrenzung der maximal zulässigen Bremskraft
der dynamischen Bremse bei einer mässigen Unterstützung durch
die mechanische, druckluftgesteuerte Zugsbremse drängt sich auf.
Besondere Vorsicht ist diesbezüglich bei Meterspurbahnen mit Zentralpuffer
und Schraubenkupplungen am Platz (z.B. RhB, FO usw.), um Querverschiebungen
der vorderen Wagen eines Zuges unter starkem Pufferdruck auf kurvenreichen
Strecken zu vermeiden. Vorteilhafter ist die Zugsbildung mit automatischen
Zug-/Druckkupplungen (wie Triebwagen-Pendelzüge der FO, Berner
Oberland-Bahnen (BOB), Brünigstrecke der SBB usw.). Eine bessere
Ausnützung der Netzbremse ist bei Triebzügen oder Triebwagen-Pendelzügen
erreichbar, die im allgemeinen aus wenigen Fahrzeugen bestehen
und oft in Zwillings- oder Drillings-Formationen mit verteilter
Einreihung der dynamischen Bremsen verkehren.
Der Wechselstrom-Netzbremsbetrieb
fand nach Ablösung des Direktmotorantriebes Eingang bei den nachfolgenden
Triebfahrzeug-Serien mit Stromrichterantrieb.
Zunächst entstand der Gleich-/Wechselrichterantrieb
mit Phasenanschnitt-Steuerung in vierstufiger, mit Netzthyristoren
voll bestückten Sparschaltung und mit gemischterregten Mischstrom-Kollektorfahrmotoren,
der einen sicheren Netzbremsbetrieb gestattet.
Wie beim Direktmotorantrieb ist
auch bei der Stromrichter-Netzbremsung bei Phasenanschnittsteuerung
eine zusätzliche Belastung des Fahrleitungsnetzes durch Blindleistung
in Kauf zu nehmen.
Eine zahlenmässig viel stärkere
Verbreitung der leistungsfähigen Netzbremse löste der Drehstromantrieb
mit Asynchron-Fahrmotoren aus. Der mit GTO-Thyristoren oder IGBT-Transistoren
bestückte Umrichter mit Pulswechselrichtern sowohl auf der Netzseite
(Einphasen-Netzwechselrichter oder Vierquadrantensteller) als
auch auf der Antriebsseite (Dreiphasen- Antriebswechselrichter)
und mit dem universell anwendbaren Gleichspannungs-Zwischenkreis
erlaubt theoretisch, die volle Fahrmotor-Leistung sowohl bei Fahrbetrieb
als auch bei Netzbremsbetrieb umzusetzen. Einer der entscheidenden
Vorteile liegt in der völligen Befreiung des Fahrleitungsnetzes
vor zusätzlichen Blindstrombelastungen (Leistungsfaktor cos phi
ungefähr = 1). Der Drehstromantrieb bringt damit bezüglich Umweltbelastung
eine optimale Ausnützung der Netzbremsung, sowohl auf stark belasteten
Hauptbahnstrecken als auch auf S-Bahn-Netzen mit örtlich und zeitlich
gedrängten Fahrprogrammen.
Die grundsätzlich gleichen
Netzbrems-Einsätze sind auch bei stark belasteten Vollbahnen
mit Gleichstrombetrieb möglich. Wie bei Nahverkehrs-Triebfahrzeugen
mit Drehstromantrieb bildet das Fahrleitungsnetz den Gleichspannungs-Zwischenkreis.
Die Eigenschaften der GTO-Thyristoren erlauben auch hier, die
volle Toleranzbreite der Netzspannung aufzufangen, sodass sich
die Umrichteranlage auf den dreiphasigen Antriebswechselrichter
beschränkt. Trotz der Beschränkung auf einige wenige Gleichstromnetze
sind universell verwendbare Triebfahrzeuge für den anspruchsvollen
Reise- und Güterverkehr auf meterspurigen Gebirgsstrecken entstanden.
Welche Energieersparnis
ist durch die Netzbremse bei Triebfahrzeugen mit Stromrichtersteuerung
zu erwarten ? Davon ausgehend, dass die Verluste zur Ueberwindung
des Traktionswiderstandes auch beim Bremsen negativ in die Energiebilanz
eingehen, sind unter idealen Verhältnissen bei alleinfahrenden
Triebwagen oder leichten Triebwagen-Züge Werte von 40 ... 70 %
erreichbar. Im schweren Güterzugsverkehr auf normalspurigen gebirgigen
Steilrampen gilt nach bisherigen Regeln etwa, dass drei talwärts
fahrende Züge den Energiebedarf eines bergwärts fahrenden Zuges
durch die Energierückgewinnung bei Netzbremsung abdecken können.
Dieses Verhältnis berücksichtigt die Vorgabe, dass ein bergwärts
durch ein Schiebetriebfahrzeug nachgeschobener Güterzug lastbedingt
auf der anschliessenden Talfahrt zur Unterstützung der Netzbremse
zeitweise mit der mechanischen Reibungsbremse beherrscht werden
muss. Gebräuchlich ist dabei "Bremsen nach der Sägezahnmethode",
das heisst wiederholtes Herunterbremsen des Zuges auf ca 80 %
der zulässigen Streckengeschwindigkeit, dann bei gelösten Reibungsbremsen
bis Erreichen dieser Geschwindigkeit beschleunigen lassen; in
dieser Phase begrenzt die voll wirksame dynamische Bremse die
Beschleunigung, sodass die erwärmten Bremsklötze und Radreifen
Zeit zur Abkühlung haben. Die jüngste Praxis, talwärts fahrende
Güterzüge mit der durchlaufenden Schiebelokomotive vom Zugschluss
her dynamisch abzubremsen, bringen zusätzliche Anteile an Rückgewinnungsenergie.
Durch die volle Netzbremsbelastung der "nachlaufenden" Lokomotive
bleibt die mechanische Reibungsbremse normalerweise unbenützt.
Voraussetzung ist allerdings eine einwandfreie Verständigung zwischen
den beiden Lokomotiven an der Zugspitze und am Zugschluss, wenn
nicht gar eine Fernsteuerung der nachlaufenden Lokomotive möglich
ist. |
Quelle: Schweizerischer
Eisenbahn-Amateur-Klub Zürich
|
|