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