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Dr.-Ing.Ernst Kilb 8035 Gauting Tassilostr. 13 Dipl.Ing.Otto Taschinger
8035 Gauting Germeringerstr.19 Elektrischer Antrieb und Bremseinrichtung für Triebzüge
mit spannungs- und frequenzgsregler Drehstrommotoren.
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Für Fernschnellzüge mit extrem hoher Geschwindigkeit von 200 km/h
und darüber bringt die Herabsetzung der Achslast von 19 bis 20 t auf 15 bis 17 t
nach den Erfahrungen der japanischen Eisenbahnen noch eine viel zu große Beanspruchung
des Oberbaus und demzufolge ein Vielfaches der üblichen Unterhaltungskosten mit
sich.
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Als Ausweg aus der bisherigen Notlage war statt des Querschwellenoberbaus
ein schwerer Plattenoberbau auf neuer Trasse empfohlen worden. Die Baukosten sind
hier aber um ein Mehrfaches höher.
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Auf Fernstrecken wäre mit Milliardenbeträgen zu rechnen. Um aus dieser
prekären Lage heraus zu kommen, wird eine ganz beträchtliche Herabsetsung der Achslast
und zwar auf rd 10 t vorgeschlagen. Dann ist es auch möglich, mit dem üblichen Querschwellenoberbau
auch bei hohen Geschwindigkeiten einen wirtschaftlich tragbaren Betrieb durchzuführen.
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Zur Erreichung des angestrebten Ziels müssen nicht nur die Gewichte
der Wagenkästen sondern auch die gefederten und ungefeder ter Massen der Drehgestelle,
insbesondere deren Trägheitsmoment um die vertikale Achse, in entsprechendem Ausmaß
verringert werden. Dadurch werden sowohl die vertikalen als auch die horizontalen
quergerichteten Beanspruchungen des Gleises herabgesetzt.
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Dies läßt sich aber,wie die neuere Entwicklung zeigt, unter Beibehaltung
der üblichen, neuzeitlichen Technik und Anordnung der elektrischen Antriebs----
und Bremsanl-agen ifO.n Triebzügen, die mit Gleichstrom- oder Wechselstrom- oder
Mischstromotoren ausgerüstet sind, nicht erreichen.
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Hinzu kommt noch folgendes: 1. Bei der Zusammenstellung von Fernschnellzügen
aus zwie oder mehreren der üblicher Triebszugeinheiten, die im allgemeinen aus
drei
oder vier Triebwagen gebildet werden, müssen an den Aufwand, an das Gesamtgewicht,
an die Zweckmäßigkeit der aerodynamischen Formgebung und den entsprechenden Leistungsbedarf
zu große Zugeständnisse gemacht werden.
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Bei Bei der genannten Art der Zugbildung kommt hinzu, daß sich der
Übergang der Fahrgäste oder des Personals innerhalb des Fernschnellzugs von einer
Triebzugeinheit zur nächsten nicht herstellen läßt, weil sonst die einander zugekehrten
Fuhrerstandsköpfe, die ohnehin schon in aerodynamischer Hinsicht recht ungünstig
liegen, eine besonders ungünstige Form erhalten würden.
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3. Es kommt ferner hinzu, daß die einander zugewandten Führerstände
bei Fernschnellzügen, die in der Regel aus zwei oder mehreren Triebsugeinheiten
bestehen, während der Fahrt überflüssig sind, da sie im Zugverband nicht verwendet
werden.
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4. Beim Einphasenwechselstromsystem ist der Gewichts- und Materialaufwand
für die zahlreichen FaD-zeugtransformatoren, die e üblicherweise in jedem oder in
zwei Drittel aller Tribwagen angeordnet werden, unverhältnismäßig groß. Auch die
Zahl der im Zugverband vorhandenen Stromabnehmer, Hauptschalter und übrigen Teile
der Hochspannungsausrüstung ist größer, als os für einen lokomotivbespannten Fernschnellzug
erforderlich wäre.
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5. In Anbetracht der bei den üblichen Triebzügen angewandten Achslasten
von 15 bis 17 t ist es nicht möglich, den Durchmesser der Treibradsätze kleiner
als 1000 bis 1100 mm zu machen, da sonst die Beanspruchung des Kontaktes Rad - Schiene
in Gleisbögen beim Einsatz der im Schnellverkehr neuerdings geforderten bogenabhängig
gesteuerten Wagenkastenneigung zu groß wird. Hiermit verbunden entfällt die Möglichkeit
zur Herabsetzung des Gewichts der Radsätze und der Drehgestelle, dementsprechend
auch die Anwendung niedriger Fußboden- und Dahöhen im Interesse eines Kleinen Fahrzeugquerschnitts.
Dadurch bleibt eine Möglichkeit zur Yerringerung des Luftwiderstands und damit verbunden
der Antriebsleistung und des Energiebedarfs im betrieblichen Einsatz unausgenützt.
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Die aufgeführten Hindernisse, die der optimalen Entwicklung eines
extrem schnellen und zugleich leichten Fernschnellzugs unter Beibehaltung der herkömmlichen
Technik und Bauweise entgegenstehen, können z.T. dadurch reduziert werden, daß man
erfindungsgemäß
die Fahrzeuge weitgehend aus Leichtmetall und auch aus Kunststoffen aufbaut und
für die elektrischen Antriebs-und Bremsanlagen im Falle der Einphasenwechselstromspeisung
regelbare Umrichter in Verbindung mit Drehstrommotoren einsetzt.
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Für den Fall der Gleichstromspeisung sind erfindungsgemäß regelbare
Wechselrichter vorzusehen. Das Gewicht und Volumen der Drehstrommotoren ist zwar
wesentlich kleiner als das von Einphasen-, Mischstrom- oder Gleichstrommotoren.
Die Abmessungen und das Gewicht der Drehgestelle fallen dann ebenfalls geringer
aus. Dadurch werden die Führungskräfte, die in Querrichtung horizontal die Schiene
beanspruchen, in willkommener Weise herabgesetzt. Die vertikalen Kräfte dagegen,
die durch das nur mäßig verringerte Gesamtgewicht gegeben sind und dabei eine nur
mäßig verringerte Achslast zur Folge haben, ändern sich nur entsprechend wenig;
denn der verhältnismäßig schwere Transformator, der regelbare Umrichter und das
übrige Zubehör müssen im Wagenkasten unter dem Fußboden in jedem Triebwagen untergebracht
werden. Dazu kommt die Führerstands- und die Hochspannungsausrüstung in jedem Triebwagen
wie bisher.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den Fernschnellzug aus einem Triebkopf
am Anfang und am Ende des Zuges und aus einer größeren Zahl einheitlicher Zwischentriebwagen
zusammenzustellen. Die beiden Triebköpfe sind grundsätzlich wie Lokomotiven aufgebaut.
Sie erhalten einen Führerstand, ferner einen Stromabnehmer, eine Hochspannungsausrüstung
und dazu einen Transformator, der den halben Leistungsbedarf des Fernschnellzugs
deckt und dabei sowohl die Umrichter, die den Forderungen des Einphasen - Drehstrombetriebs
entsprechen, nebst Fahrmotoren sowie die Hilfsbetriebe des riebkopfs und die der
Zwischentriebwagen versorgt. Sämtliche Zwischentriebwagen erhalten weder Führerstand
noch Hochspannungsausrüstung noch Transformator.
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Der in die Triebköpfe eingebaute Transformator hat dem für Transformatoren
gültigen Wachstumsgesetz entsprechend ein beträchtlich geringeres Gewicht als die-Summe
der Gewichte der Transformatoren für dieselbe Gesamtleistung, die ersetzt werden
sollen. Hinzukommt, daß der Transformator optimal ausgelegt werden kann, da er in
dem Triebkopf nicht wie in den Zwischentriebwagen unter dem Wagenfußboden untergebracht
und deshalb in der-Båuhöhe gedrückt werden muß)
sondern hinter dem
Führerstand im Maschinenraumabteil aufgestellt und dabei in allen Dimensionen uneingeschränkt
ausgeführt werden kann.
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Es ist ferner bekannt, daß. zur Erhöhung des Reibungsgewichts von
Grubenlokomotiven für Steilrampenbetrieb in Sonderfällen ein oder zwei Großraumwagen,
beispielsweise Kipper, mit Fahrmotoren ausgerüstet und von der Lokomotive aus über
Motorstromkabel gespeist werden. Dieses naheliegende Verfahren, von der Lokomotive
auf die angehängten Wagen den Motorstrom zu übertragen, läßt sich wegen der größeren
Zahl der Fahrzeuge, die für einen Fernschnellzug mit 6 bis 12 Wagen gefordert werden,
hier nicht anwenden; denn wegen der hohen Fahrgeschwindigkeit kommen verhältnismäßig
grosse Einzelleistungen in Betracht und bei der mäßigen Spannung der Kommutatormotoren
fallen entsprechend große Ströme an. Es werden dann schwere Kabelleitungen erforderlich.
Dementsprechend würden silck7die über den ganzen Zug erstreckenden Leitungen und
tupplungen für den besonders leicht zu bauenden Zug viel zu schwer ausfallen.
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Erfindungsgemäß wird deshalb vorgeschlagen, mit Hilfe eines durchgehenden
Leitungssystems nicht etwa den Motorstrom von dem Triebkopf auf die Zwischentriebwagen,
sondern von dem Transformator des lriebkopfes den Strom zur Speisung der Umrichter
zu übertragen. Die Umrichter samt den angeschlossenen Drehstrommotoren in jedem
Drehgestell der Triebköpfe sowie der Zwischentriebwagen sollen zu einer Einheit
zusammengefaßt und beide Einheiten primärseitig in Reihe geschaltet werden.
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Durch die Reihenschaltung, die im folgenden an Hand von Bild 1 erläutert
wird, ist man in der Lage, als Ubertragungsspannung für das durchgehende Leitungssystem
das Fünffache der Phasenspannung der Drehstrommotoren anzuwenden. Um dabei auf eine
möglichst hohe Spannung zu kommen, werden erfindungsgemäß Hochspannungsmotoren verwendet.
Wendet man beispielsweise eine Phasenspannung von 1500 V an, dann beträgt die verkettete
Spannung 2600 V. Der Scheitelwert beträgt hier nicht ganz das 8-5 fache sondern
nur rd das 1,3 fache d.h. rd 3400 V. Diese Spannung muß als Gleichspannung am Gleichstromzwischenkreis
angeboten werden. Um sie in dem vorgeschalteten zweiphasigen Gleichrichter zu erzeugen,
muß diesem eine Wechselspannung geliefert werden,
die -das 2 #2
/t fache der Gleichspannung d.h. 1,1 . 3400 = 3750 V beträgt.- Die primärseitige
Reihenschaltung zweier Umrichter erfordert somit 2 . 3750 = 7500 V.
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Aus Isolationsgründen wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, das durchgehende
LeitungssyStem als Dreileitersystem mit Außenleitern 2 x 3750 V und Mittelleitern
auszuführen, die geerdet werden. Der Mittelleiter wird in jedem Fahrzeug an den
Verbindungspunkt der beiden in Serie geschalteten Umrichter angeschlossen.
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Um dieselben Zwischentriebwagen auch in Verbindung mit einem Diesel-
oder turboelektrischen Triebkopf, der Drehstromenergie liefert,einetzen zu können,
wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dasselbe Dreileitersystem zur Übertragung des
Drehstroms der Generatoren zu verwenden. Für den Drehstrom - Drehstrombetrieb erhält
der Gleichrichter- und Wechselrichterteil am Eingang des Umrichters von vorneherein
eine dreiphasige Schaltung. Die hier noch vorzusehende dritte Phase ist in Bild
1 links oben gestrichelt angedeutet.
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Erfindungsgemäß sind ferner Schalteinrichtungen vorzusehen, welche
es gestatten, den Filterkondensator (12) in Bild 1 und die übrigen Glättungseinrichtungen
(13) eines jeden Umrichters wahlweise durch Umschalten den Bedürfnissen des Einphasen
- Drehstrombetriebs optimal anzupassen.
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Zur Erläuterung des Anschlusses der Umrichteranlagen bei Einphasen
- Drehstrombetrieb an das Dreileitersystem ist in Bilds oben links der Stromabnehmer
(1) des Triebkopfs mit- Hauptschalter und Transformator dargestellt (2). Die beiden
Unterspannungswicklungen sind in je zwei Hälften aufgeteilt. An diese sind die Außenleiter
(3a, 3b) und (4a, 4b) und die beiden Mittelleiter (5a, 5b) angeschlossen. Über die
mehrpolige Kupplung (6) wird der dem Triebkopf nächste Zwischentriebwagen versorgt
usw. Der Umrichter des Drehgestells 1 ist über den Schalter (7) an die Außenleiter
(4a, 4b) und die Mittelleiter (5a, 5b) angeschlossen. Er liefert, wie unten links
dargestellt, die Drehspannung R1, S1, T1 an die Fahrmotoren des Drehgestells 1.
Der Umrichter von Drehgestell 1 -ist ausführlicher dargestellt. Er ist ein selbstgeführter
Umrichter mit Gleichstromzwischenkreis.
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Unterhä1b der Glättungsdrossel (11) ist der Filt-erko-ndensator (12)
an den Gleichstromzwischenkreis angeschlossen sowie die vereinfacht
dargestellte
Glättungseinrichtung (13). Darunter befindet sich die Zwangskommutierungseinrichtung
für die drei Phasen mit den Ausgangsklemmen R1, S1 T1.
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Während der Schalter (7) an die Außenleiter (4a, 4b ) und die Mittelleiter
(5a, 5b) angeschlossen ist, steht der Schalter (8) für den Umrichter des Drehgestells
2 mit den Außenleitern (3a, 3b) und den Mittelleitern (5a, 5b) in Verbindung. Der
Umrichter des Drehgestells 2 hat denselben Aufbau wie derjenige des Drehgestells
1. Er ist einfachheitshalber durch ein gestricheltes Rechteck (15) gekennzeichnet.
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Um den Arbeitsbereich des Umrichters in dem oberen Geschwindigkeitsbereich
zu erweitern, kann die Steuerung der Umrichter auch nach dem neuerdings bekanntgewordenen
Unterschwingungsverfahren ausgeführt werden. Die entsprechende Erweiterung der Schaltung
ist einfachheitshalber nicht in Bild 1 dargestellt.
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Die Drehstrommotoren in Verbindung mit den Umrichtern werden erfindungsgemäß
auch zur elektrischen Bremsung herangezogen. Im Falle der elektrischen Widerstandsbremsung
wird der benötigte Bremswiderstand an dieselben Punkte im Gleichstromzwischenkreis
angeschlossen, an die auch der Filterkondensator (12) gelegt ist.
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Literatur BBC Mitteilungen Bd.51 (1964) Nr 8/9 : Aufsätze über neuzeitliche
regelbare Umrichter.
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Wqlter Slabiak, An A - C Individual Wheel Drive System for Land Vehicles,
Automotive Engineering Congreß, Detroit, Mich. Jan.10 - 14, 1966.
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W.Leenhard, Regelungsprobleme bei der stromrichtergespeisten Drehstrom
- Asynchronmaschine, VDE Fachberichte 25. Bd. 1968.