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Verfahren und Anordnung zur Energiezuführung und -verteilung zum Betrieb
von elektrischen Triebzügen Es ist bekannt, elektrisch betriebene Fahrzeuge dadurch
anzutreiben, daß die Stromversorgung aus einem Netz mit Hilfe einer Fahrleitung
erfolgt. Bei weiten Entfernungen, bei denen die Speisung mit elektrischer Energie
nur in größeren Abständen möglich ist, wird Drehstrom verwendet, der im Fahrzeug
selbst transformiert und gleichgerichtet wird. Die hierfür vorgesehenen elektrischen
Lokomotivenwerden also mit einemTransformator, einem Gleichrichter und den eigentlichen
Fahrmotoren ausgerüstet. Bei einer Speisung von elektrisch betriebenen Fahrzeugen
im Stadtverkehr u. dgl. mit Hilfe einer Fahrleitung ist man dazu übergegangen, unmittelbar
Gleichstrom zu verwenden, und zwar wegen der geringeren Entfernungen, bei denen
sich der Spannungsverlust in erträglichen Grenzen hält, und wegen der Mögllichkeit,
in kurzen Abständen die Transformierung und die Gleichrichtung des Drehstromes stationär
vornehmen zu 'können. Die Fahrzeuge bzw. Züge werden hierbei nur mit Fahrmotoren.
ausgerüstet, die unmittelbar von der Fahrleitung gespeist werden. Weiterhin ist
es bekannt, diese@lelektritsohe Triebzüge zu verwenden, bei denen überhaupt keine
Stromabnahme von einer Fahrleitung, d. h. keine Energiezuführung aus einem Netz
erfolgt. In dem Triebwagen befindet sich der Stromerzeugungsmaschinensatz,z.B.Dieselmotor
mit einem gekuppelten Generator, der Strom für die Fahrmotozen erzeugt.
Die
Versorgung der elektrisch betriebenen Triebzüge, z. B. Eisenbahnwagen u. dgl., über
eine Fahrleitung auf großen Strecken, die wegen des Spannungsverlustes mit Drehstrom
betrieben wird, hat den Bau von schweren elektrischenLokomotiven zur Voraussetzung,
in denen mehrere M-aschinen-bzw. Umformersätze untergebracht sind. Die Verteuerung,der
Anlage ergibt sich aber hauptsächlich aus den hoben Kosten für Bau und Unterhaltung
der Fahrleitung selbst. Außerdem ist die Abnahme des Stromes aus der Fahrleitung
mit Sicherheit nur bis zu Geschwindigkeiten von etwa 16o bis i8o km/Std. gewährleistet.
Bei größeren Geschwindigkeiten liegen einwandfreie Ergebnisse bisher nicht vor.
Der Betrieb von elektrisch betriebenen Zügen über eine Fahrleitung bei Verwendung
vonGleichstrom ist auf bestimmte geringe Entfernungen beschränkt. Für weitere Entfernungen
über Hunderte von Kilometern ist dieses System nicht wirtschaftlich, da einerseits
die Spannungsverluste bei der niedrigen Spannung zu groß werden würden und da es
andererseits nicht wirtschaftlich sein würde, bei großen Entfernungen eine Unzahl
von stationären Transformatoren und Gleichrichteranlagen vorzusehen. Der Antrieb
von elektrisch betriebenen Fahrzeugen auf Grund einer Eigenerzeugung im Fahrzeug
selbst, z. B. mit Hilfe eines Dieselmaschinensatzes oder auch lediglich von Sammliern,
hat den Nachteil, daß die Energiequelle im Fahrzeug so groß ausgelegt werden muß,
d'aß die größte zu fordernde Leistung bewältigt werden kann. Das Zugkraft-Geschwindigkeits-Diagramm
jedes Triebfahrzeuges zeigt, daß der Hauptenergiebedarf bei kleinen Geschwindigkeiten
auftritt, d. h. bei Beschleunigung aus dem Stillstand#,bei größeren Steigungen u.,dgl.
Im Beharrungszustand während der Fahrt betragen die aufzuwendenden Energien etwa
1/s bis 1/1o der Anfahrenergie. Die Eigenenergiequelle in dem Triebfahrzeug muß
also mindestens für das etwa Zehnfache des Energiebedarfs im Beharrungszustand,
d. h. während der Fahrt, ausgelegt werden. Man hat sich bei den bisherigen Triebfahrzeugen
zwischen den Vor- und Nachteilen der vorstehend beschriebenen Antriebsarten lediglich
so entschieden, daß entweder nur aus einer Fahrleitung oder nur aus einer mitgeführten
Energiequelle, z. B. Batterie od, dgl., gespeist wurde.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Energieführung
und -verteilung zum Betrieb von elektrischen Triebzügen, bei denen die Vorteile
beider Systeme unter Ausschaltung der Nachtexile vereinigt sind. Die Erfindung zeichnet
sich dadurch aus, daß die Entnahme der elektrischen Energie aus dem Netz und die
Speisung aus einer im Fahrzeug mitgeführten Energiequelle, vorzugsweise aus Sammlern,
für den elektrischen Antrieb des Triebwagens bzw. Triebzuges derart miteinander
gekoppelt und verteilt werden, da.ß bei hohem Energiebedarf, z. B. bei Anfahrt,
Steigung, Beschleunigung u. dgl., eine Speisung aus dem Netz und bei niederem Bedarf,
z. B. während der Beharrungsfahrt, eine Speisung aus der im Fahrzeug mitgeführten
Energiequelle, z. B. den Sammlern, erfolgt. Je nach dem Energiebedarf, bedingt durch
die jeweiligeLage bzw. Geschwindigkeit des Fahrzeuges, wird also gemäß derErfindung
eine wechsehveise Speisung der Fahrmotoren entweder aus der Fahrleitung oder aus
der mitgeführten Energiequelle, z. B. der Batterie, vorgenommen. Das elektrisch
betriebene Fahrzeug erhält also sowohl eine Vorrichtung zur Entnahme von Energie
aus einem Netz, z. B. aus einer Fahrleitung, Stromschiene od:dgl., als auch eine
Anlage zur Versorgung aus einer mitgeführten Energiequelle, z. B. Batterie. Durch
diese Kopplung bzw. wahlweise Möglichkeit des Energiebezuges für die Fahrmotoren
wird der Vorteil erzielt, daß jeweils die günstigen Verhältnisse ausgenutzt wenden
können. Dies gilt insbesondere für über große Strecken mit hohen Geschwindigkeiten
fahrende Triebzüge, insbesondere Eisenbahnfahrzeuge. Im Bereich einer Stadt, in
der oft gehalten und angefahren werden muß, ist die Energieentnahme aus der Fahrleitung
bzw. einer Stromschiene, die zudem noch mit Niederspannung von etwa 700 bis
8oo Volt gespeist wird, am günstigsten. Auf weiten Strecken zwischen solchen Haltepunkten,
z. B. zwischen in größerer Entfernung voneinander liegenden Städten, erfolgt sodann
die Speisung der Fahrmotoren aus der mitgeführten Energiequelle. Hierzu ist lediglich
erforderlich, .den Triebzug im Beharrungszustand zu erhalten.NachdemZugkraft-Geschwindigkeits-Diagramm
liegt die hierfür aufzuwendende Energie bei etwa 2o o/o und darunter. Man braucht
also die Eigenenergiequelle lediglich für diesen Bedarf auszulegen, was leicht mit
Hilfe von Sammlern durchgeführt werden kann. Andererseits braucht die Fahrleitung
bzw. die Stromschiene nur für kurze Strecken verlegt zu wenden, nämlich im Bereich
des ständigen Anfahrens oder einer erforderlichen ständigen Beschleunigung oder
an Strecken mit einem über den Beharrungszustand hinausgehenden erhöhten Energiebedarf,
z. B. bei Steigungen u. dgl. Die Fahrleitungen werden also nur für kurze Strecken
benötigt, während auf denn Großteil der Strecken die Eigenenergiequelle, z. B. die
Fahrzeugbatterie, herangezogen wird, so daß sich für große Streckenlängen die Anlage-
und Unterhaltungskosten für die Fahrleitung .erübrigen. Bei den Fahrleitungen auf
kurzen Streckken wenden wesentlich niedrigere Spannungen oder kleinere Leitungsquerschnitte
benötigt. Weiterhin können die Fahrleitungen auf kurzen Strecken Gleichstrom führen,
so daß die bissher übliche Transformierung und Gleichrichtung im Fahrzeug selbst
wegfällt. Die Versorgung gemäß der Erfindung aus der mitgeführten Eigenenergiequelle,
z. B. aus einer Batterie, nur im Beharrungszustand hat den Vorteil, daß diese Energiequelle
wesentlich kleiner bemessen werden kann als bei ständigem Bezug der Energie nur
aus der Eigenenergiequelle. Insgesamt wird eine bedeutende Verringerung der Anüchaffungs-,
Betriebs- und Unterhaltungskosten durch die Möglichkeit des wahlweisen Energiebezuges
für die Fahrmotoren erzielt. Es wird eine erhöhte
Wirtschaftlichkeit
erreicht und die Unfallgefahr, die bei Fahrleitungen auf großen Strecken stets gegeben
ist, wird wesentlich verringert.
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Bisher wurden die im Fahrbetrieb bei der Bremsung und im Gefälle anfallenden
Energien entweder vernichtet oder höchstens zur Heizung verwendet. Gemäß der weiteren
Erfindung sollen diese Energien für eine selbsttätige Aufladung der Batterien ausgenutzt
werden. Bei Energiebezug aus der Fahrleitung kann die Batterie od. dgl. zur Pufferung
benutzt werden, d. h. sie nimmt je nach dem Ladezustand Strom auf oder gibt Strom
ab.
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Für den im Fahrzeug mitzuführenden Stromerzeugungsmaschinensatz läßt
sich nunmehr mit Erfolg eine Verbrennungsturbine verwenden, die bei einer bestimmten
Belastung ihren besten Wirkungsgrad hat. Diese soll hierbei lediglich die Spitzen
des Energiebedarfs decken oder zurLadung der Batterie od. dgl. herangezogen werden.
Je nach:diern, ob aus der Fahrleitung oder aus der Batterie Strom zur Bewegung des
Fahrzeuges entnommen wird, arbeitet der Stromerzeugungsmaschinensatz als Lademaschinensatz
oder er deckt den Überschußbedarf an Leistung, den die nur für den Beharrungszustand
bemessene Batterie nicht zu liefern vermag, d. h. der Maschinensatz dient für alle
Fälle als weitere zusätzliche Pufferung.
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Der Betrieb von elektrischen Triebzügen erfolgt nach dem Verfahren
gemäß der Erfindung etwa in der Weise, daß das Fahrzeug innerhalb einer Stadt aus
der Fahrleitung mit verhältnismäßig niedriger Spannung und mit Gleichstrom gespeist
wird. Diese Fahrleitung erstreckt sich so weit, bis nicht nur das Anfahren aus der
letzten Station bewältigt, sondern nahezu der Beharrungszustand für die vorgesehene
hohe Geschwindigkeit auf freier Strecke erreicht worden ist. Danach hört die Fahrleitung
auf, beispielsweise einige Kilometer hinter der letzten Station, und das Fahrzeug
«-irl im Beharrungszustand lediglich durch die mitgeführte Batterie gespeist. An
denjenigen Stellen, bei denen ständig ein erhöhter Energiebedarf eintritt, z. B.
bei Steigungen, befindet sich wiederum eine Fahrleitung, so daß an diesen Stellen
von Energiebezug aus der Batterie auf Energiebezug aus der Fahrleitung umgestellt
werden kann. Im allgemeinen sind solche Strecken meistens so kurz, daß auch diese
mit Gleichstrom gespeist werden können; obwohl die- Anschaffungskosten für eine
Sammlieran'lage zum Betrieb des Fahrzeuges verhältnismäßig hoch sind, werden diese
Kosten durch die erzielte Wirtschaftlichkeit des Verfahrens gemäß der Erfindung
im Betrieb im ganzen vollkommen aufgehoben, und man erzielt wesentliche Einsparungen
gegenüber den bisherigen Antriebssystemen. Verfahren und Anordnung gemäß der Erfindlung
sind insbesondere für Einschienenbahnen geeignet, bei denen das Fahrzeug ohne eine
zusätzliche Haltevorrichtung seitlich oder hängend auf einer einzigen Schiene läuft
und der Schwerpunkt des Fahrzeuges etwa in Höhe der Schiene liegt.