Drehstromantrieb (Eisenbahn)

Die Drehstromantriebstechnik ist eine Art des Antriebs für elektrische und dieselelektrische Triebfahrzeuge, bei der dreiphasige Drehstrommotoren für den Antrieb eingesetzt werden. Eine elektrische Lokomotive mit Drehstromantrieb wurde erstmals 1892 von Siemens & Halske gebaut. Der Einsatz von Drehstrommotoren bietet generell Vorteile durch hohe Effizienz bei vergleichsweise geringem Wartungs- und Materialaufwand. Grundsätzlich gibt es drei Varianten des Drehstromantriebs, bedingt durch die unterschiedliche Erzeugung und Zufuhr des Drehstroms in das Triebfahrzeug: Drehstromzuführung ins Fahrzeug über mehr als einpolige Oberleitung oder die Einphasen-Wechselstrom-Oberleitung mit Drehstromgewinnung im Fahrzeug, früher durch mechanische Umformer, inzwischen durch elektronische Umrichter.

Drehstromzuführung über Oberleitung

Siemens Fahrzeug von 1899 für den Versuchsbetrieb Groß-Lichterfelde - Zehlendorf

Siemens Drehstromtriebwagen mit zwei dreipoligem Stromabnehmern, erreichte 1903 eine Höchstgeschwindigkeit von 209 km/h

Bei den ersten Versuchsanordnungen wurde der Drehstrom dem Triebfahrzeug über eine seitliche dreipolige Fahrleitung zugeführt, was aufwändige Konstruktionen der Oberleitungen und der Stromabnehmer erfordert. Für die Gestaltung der dreipoligen Oberleitungen im Bereich von Weichen und Kreuzungen konnten keine für den Regelbetrieb praktikablen Lösungen gefunden werden.

Nachdem Siemens & Halske in den Jahren 1899 und 1900 auf einer kurzen Versuchsstrecke in Groß-Lichterfelde bei Berlin die grundsätzliche Eignung von Drehstrom für Bahnen nachweisen konnte, sollten anschließend Versuchsfahrten auf einer längeren Eisenbahnstrecke durchgeführt werden. Mit der Inbetriebnahme des Kraftwerks Oberspree, des ersten Drehstromkraftwerks Deutschlands, stand ab 1897 im Raum Berlin eine leistungsfähige Stromversorgung zur Verfügung. Für die Versuche wurde mit der Studiengesellschaft für Elektrische Schnellbahnen ein neues Unternehmen gegründet, an dem namhafte Unternehmen der Elektro-, Maschinenbau- und Waggonbauindustrie beteiligt wurden. Auf dem 23 km langen geradlinigen Abschnitt Marienfelde–Zossen der Königlich Preußischen Militär-Eisenbahn wurde die Versuchsstrecke eingerichtet. Im Jahr 1901 wurden die ersten Fahrten durchgeführt, die viele neue Erkenntnisse für den Eisenbahnbetrieb brachten, insbesondere für die Gestaltung des Oberbaus und der Fahrzeuge. Nach der Ertüchtigung von Strecke und Fahrzeugen konnte 1903 ein Geschwindigkeits­weltrekord mit 210,3 km/h erreicht werden.

Da eine dreipolige Oberleitung wie bei den Versuchsstrecken an vielen Orten keinen Platz fand, wurde bei den kommerziellen Drehstromelektrifikationen ab 1896 der Weg über eine zweipolige Fahrleitung gewählt und die dritte Phase an Erde gelegt, den dritten Pol bilden also die Schienen. Derart elektrifizierte Bahnen existieren heute noch vier, nämlich die Zahnradbahnen auf die Jungfrau und den Gornergrat in den Schweizer Alpen, die Chemin de Fer de la Rhune in den französischen Pyrenäen sowie die Corcovado-Bergbahn in Brasilien.

Als erste Hauptbahnlinie der Welt wurde im Jahr 1902 die Veltlinbahn und von ihr ausgehend ein größeres Drehstrom-Netz in Norditalien ebenfalls mit zweipoliger Oberleitung elektrifiziert, das bis in die 1970er Jahre betrieben wurde. 1906 folgte der Drehstrombetrieb Brig–Iselle mit dem 19,8 km lange Simplontunnel, der zu diesem Zeitpunkt nur mit Drehstrombahnen sicher betrieben werden konnte. Um eine ununterbrochene Stromzuführung aller Phasen im Weichenbereich zu gewährleisten, verkehren die Triebfahrzeuge auf derartigen Strecken mit gehobenen Stromabnehmern an beiden Fahrzeugenden.

Liste der Bahnstrecken, die je mit Drehstrom elektrifiziert waren

Spurweite	Von	Bis	Spannung (Volt)	Frequenz	Bahngesellschaft, Strecke, Bemerkung
1435	1898	1901	10.000	38 – 48	Siemens & Halske / kurze Drehstrom-Versuchsstrecke Groß-Lichterfelde–Zehlendorf bei Berlin mit dreipoliger Fahrleitung neben der Strecke
1435	1901	1903	10.000	38 – 48	Studiengesellschaft für Elektrische Schnellbahnen / Schnellfahrversuche auf der Militäreisenbahn Marienfelde–Zossen bei Berlin mit dreipoliger Fahrleitung neben der Strecke
1000	1895	1910	400	40	TEL: Tram Lugano, Versuchsbetrieb mit 350 Volt ab Dezember 1895, ab 1910 Gleichstrombetrieb
1000	1898 1930	(heute)	550 750	40 50	Gornergratbahn: Zermatt–Gornergrat
0800	1899	1960	500	40	Riffelalptram: Riffelalp Station–Riffelalp Hotel, eingestellt nach Hotelbrand, heute wieder in Betrieb mit Akkus
1000	1898 1960 1964	(heute)	650 650 1125	40 50 50	Jungfraubahn Kleine Scheidegg–Eigergletscher, 2. August 1899 Rotstock, 18. Juni 1903 Eigerwand, 25. Juli 1905 Eismeer, 1. August 1912 Jungfraujoch, ursprüngliche Frequenz auch mit 38 Hz angegeben
1000	1898	1964	750	33	StEB Stansstad–Engelberg, 1964 mit Brünigbahn verbunden und auf Wechselstrom umgestellt
0600	1898	1908	200	--	Hoteltram Évian-les-Bains (300 m)
1435	1899	1932–33	750	40	EB/BTB Burgdorf–Thun, ab 17. Juni 1919 auch EB Hasle-Rüeggsau–Langnau, 1932–33 auf Wechselstrom umgestellt
1000	1900	1914	500	40	SSS/SStB Schwyz Bahnhof–Schwyz, 1914 bis Ibach verlängert und auf Gleichstrom umgestellt, 1963 eingestellt
	1899	1...	3000	16 2⁄3	Ganz-Versuchsstrecke auf der Óbuda-Insel 1,5 km
1435	1900	1911	3000	16 2⁄3	Wöllersdorfer Werke in Wöllersdorf-Steinabrückl von Firma Ganz, Ungarn
1435	1902	1976	3600	16 2⁄3	RA/FS Veltlinbahn Lecco–Chiavenna/Sondrio, Hersteller Ganz; ausgeweitet auf Monza–Lecco, FAV/FS Sondrio–Tirano (insgesamt 130 km, bis 1930 mit 3000 V/15 Hz). Ab 1914 zusammenhängendes Netz von der französischen Grenze in Menton (Ligurische Küste) und Modane (italienischer Teil der Mont-Cenis-Bahn), via Turin und Giovipass bis Genua, Livorno und Fornovo, darin Alessandria/Asti-S.Giuseppe di Cáiro als letzte bis 1976 in Betrieb, und isoliert davon: Trento–Brenner sowie Bozen–Meran (elektrifiziert 1929–34, umgestellt 1952 und 1965), Firenze-Bologna (elektrifiziert 1927, umgestellt 1934–35), heute alle Strecken 3000 V Gleichstrom
1435	1928	194.	10.000	45	FS Rom–Tivoli–Sulmona (23. März 1929), ab 1935 nur noch Mandela–Sulmona, im Zweiten Weltkrieg beschädigt, danach mit 3000 V Gleichstrom wiederaufgebaut (siehe Ferrovia Roma-Sulmona-Pescara)
1000	1905	1969	750	50	BrMB Brunnen–Morschach–Axenstein, 1969 eingestellt und abgebrochen
1435	1906	1930	3000	16	SBB/BBC Drehstrombetrieb Brig–Iselle (Simplontunnel), vom 31. Juli 1919 bis 1927 ausgeweitet auf Brig–Sion, umgestellt auf Wechselstrom
1435	1909	1927	6600	25	Great Northern: alter Cascade-Tunnel, USA, umgestellt auf Wechselstrom, 1929 durch neuen Tunnel ersetzt, ab 1956 Dieselbetrieb
1435	1909	1958	500	50	Bergbahn Rheineck-Walzenhausen: Tram Rheineck Bahnhof–Talstation der Standseilbahn, heute durchgehender Betrieb Zahnrad- und Adhäsionsbahn
1000	1910 1976	(heute)	750 900	50 60	Corcovado-Bergbahn: Rio de Janeiro–Corcovado
1668	1911	1966	5200	25	Compañía de los Caminos de Hierro del Sur de España, dann Compañía de los Ferrocarriles Andaluces, schließlich RENFE: Santa Fe–Gérgal, etappenweise erweitert auf Almería–Nacimiento (1963, 46,8 km), nur für Erzzüge, ab 1989 Gleichstrombetrieb, 1996 Mine geschlossen, nur noch Dieselbetrieb
1000	1912	1966	3000	50	CFHMP Bergbahn Luchon–Superbagnères
1000	1924 1930	(heute)	3000	25 50	VFDM/CFTA Chemin de Fer de la Rhune: Col de St-Ignace–La Rhune
0900	1927	1949	3000	50	Rheinische AG für Braunkohlebergbau und Brikettfabrikation (RAG) (Privatbetreiber): Zahnradbahn Tagebau Gruhlwerk in Kierberg bei Köln: die 700 Meter lange Strecke verband die Braunkohle-Tagebaue mit der Brikettfabrik des Gruhlwerkes. dreipolige Fahrleitung
1200	1950	1975	500	50	StGM: St. Gallen–Mühlegg, Umbau aus Standseilbahn, 1975 Umbau zu automatischer Standseilbahn mit einem Wagen

Drehstromgewinnung mit Umformer

Rotierender Umformer. Links die Gleichstrommaschine, rechts der Drehstromgenerator

Bei einem Umformer, bestehend aus zwei rotierenden elektrischen Maschinen, treibt ein Gleich- oder Wechselstrommotor über eine gemeinsame Achse einen Drehstromgenerator an, welcher den Drehstrom für die Drehstrommotoren erzeugt. So wird aus dem Gleich- oder Wechselstrom der Fahrleitung in der Lokomotive der Drehstrom erzeugt. Erstmals wurde dieses Prinzip 1923 von Kálmán Kandó praktisch ausgeführt mit dem Bau der MÁV-Baureihe V50, die aus der Fahrleitung Einphasenwechselstrom mit Industriefrequenz bezog, welcher durch einen rotierenden Umformer in Drehstrom für die zwei Fahrmotoren umgewandelt wurde.

Drehstromantrieb mit Umrichter

202 002 (DE 2500) in München, Oktober 1971

120 002 in Würzburg 1984

InterCityExperimental 1985

Allgemeines

Mittels Leistungselektronik werden bei Frequenzumrichtern die Drehstrommotoren in der Lok angesteuert, wobei die elektrische Energie erst an Bord aus dem über die Fahrleitung zugeführten Gleichstrom oder Einphasen-Wechselstrom in Traktionsumrichtern in Drehstrom umgewandelt wird. Die Motoren sind über die Stromrichter gut zu steuern und zeichnen sich durch eine sehr gute Leistungsfähigkeit bei geringerem Gewicht aus.

Geschichte

Bereits vor der Entwicklung der Drehstromantriebstechnik wurden Halbleiterbauelement, konkret Thyristoren, in größerem Umfang als Lastschalter in den Schaltwerken der letzten Exemplare der Einheitselektrolokomotiven der DB, bei deren Nachfolgern sowie bei den Lokomotiven der DB-Baureihe 103 und bei der Deutschen Reichsbahn als Thyristorsteller eingesetzt. In den später entwickelten Phasenanschnittsteuerung der S-Bahn-Triebwagen der DB-Baureihe 420, der Lokomotiven der DB-Baureihe 181.2, der ÖBB-Reihe 1044 und der SJ-Reihe Rc wurden ebenfalls Thyristoren eingesetzt. Diese mussten nur so schnell schalten, wie es die Netzfrequenz erforderte und wurden deshalb als Netzthyristoren oder auch langsame Thyristoren bezeichnet.

Für die Drehstromantriebstechnik waren diese Netzthyristoren jedoch nicht geeignet, da hierfür die Ströme bezogen auf die Halbwelle der Wechselspannung mehrfach ein- und ausgeschaltet werden mussten. Die hierfür erforderlichen schnellen Thyristoren (sogenannte Frequenzthyristoren) mit kurzen Freiwerdezeiten und hohen Schaltfrequenzen von 200 bis 500 Hz waren ein wichtiger Fortschritt in der Halbleitertechnik und wurden erstmals Anfang der 1970er Jahre in den dieselelektrischen Versuchslokomotiven der Baureihe Henschel-BBC DE 2500 erprobt. Nach erfolgreicher Erprobung wurde die Drehstromantriebstechnik mit Frequrenzthyristoren zunächst 1976 bei einer Kleinserie der Henschel E 1200 für die Ruhrkohle AG und dann ab 1979 (Vorserie) bzw. ab 1987 (Serienlieferung) in der ersten größeren Serie von Elektrolokomotiven mit Traktionsumrichtern, der DB-Baureihe 120 am heutigen Alstom-Standort Mannheim eingesetzt. Der Baureihe 120 folgten die Lokomotiven der Reihe DSB EA. Die Antriebstechnik der Baureihe 120 wurde ab 1983 in den Versuchszug InterCityExperimental und ab 1988 in die Serienlieferungen des ICE 1 übernommen. Die eingesetzten Frequenzthyristoren erforderten für die Zwangskommutierung, d. h. für den Auschaltvorgang, aufwendige Kommutierungsschaltungen, bestehend aus Hilfsventilen und Schwingkreisen. Die Frequenzthyristoren hatten zunächst nur eine Sperrspannung bis 1400 V. Um Parallelschaltungen zu vermeiden, wurde damals eine Zwischenkreisspannung von 2800 V eingeführt. Dies hatte jedoch zur Folge, dass zur Erhöhung der Sperrspannung vier Thyristoren in Reihe und zur Erhöhung der Strombelastbarkeit vier Thyristoren parallel geschaltet werden mussten, was die Komplexität der Stromrichter erhöhte.

Die Entwicklung der am Gate ausschaltbaren GTO-Thyristoren (Gate-Turn-off-Thyristoren) in den 1980er Jahren in Japan brachte wesentliche Vereinfachungen in den Stromrichtern. Die ersten GTOs hatten bereits eine Sperrspannung von 2500 V, die von BBC bei den Lokomotiven der Reihen SLM Re 456 und SBB Re 450 mit einer Zwischenkreisspannung von 1400 V umgesetzt wurde. Bis Ende der 1980er Jahre wurde die Sperrspannung der GTOs auf 4500 V und der Abschaltstrom auf 3000 A erhöht, so dass Zwischenkreisspannungen von 2800 V realisiert werden konnten. Die Lokomotiven der Reihe SBB Re 460 (Lok 2000) wurden mit Stromrichtern mit diesen GTOs in sogenannter Dreipunkt-Topologie ausgerüstet.

Ab 1989/1990 wurden ein Teil der ICE 1-Serienfahrzeuge, die Triebwagen NSB Type 70 und die Euroshuttle-Lokomotiven Klasse 9 mit Stromrichtern mit 2800 V Zwischenkreisspannung und GTOs mit 4500 V Sperrspannung in der sogenannten Zweipunkt-Topologie ausgerüstet. Diese Zweipunktstromrichter mit 4,5-kV-GTOs und 2,8-kV-Zwischenkreisspannung wurde bis in die frühen 2000er Jahre bei Siemens und ABB/Bombardier zum Standard. In 3-kV-Gleichspannungsnetzen wurden zuletzt auch noch 6,5-kV-GTOs eingesetzt.

Ab Anfang der 2000er Jahre wurden die Thyristor- und GTO-Antriebe durch IGBT-Antriebe verdrängt. Bei den IGBTs konnte auf eine aufwendige Beschaltung verzichtet werden und sie können im Kilohertz-Bereich getaktet werden. Durch IGBTS konnten im Vergleich zu GTOs Kosten, Masse und Bauraum reduziert sowie Wirkungsgrad und Zuverlässigkeit verbessert werden.

Literatur

• Peter-Klaus Budig: Stromrichtergespeiste Drehstromantriebe : Theorie und Betriebsverhalten von Asynchronantrieben. VDE-Verlag, Berlin 2001, ISBN 3-8007-2371-9.
• Eberhard Seefried: Frequenzgesteuerte Drehstrom-Asynchronantriebe : Betriebsverhalten und Entwurf. (Herausgegeben von Germar Müller) 2., bearbeitete Auflage. Verlag Technik, Berlin 1992, ISBN 3-341-00995-7.
• D. Bätzold: 100 Jahre elektrische Lokomotiven (3). In: Der Modelleisenbahner, Ausgabe 7/1979.
• Hans G. Wägli, Schienennetz Schweiz, Réseau ferré suisse. AS-Verlag, Zürich 2010 (Dritte überarbeitete Auflage), ISBN 978-3-909111-74-9.
• Nico Molino: Trifase in Italia 1902–1925. Gulliver, Torino 1991, ISBN 88-85361-08-0.
• Nico Molino: Trifase in Italia 1925–1976. Gulliver, Torino 1991, ISBN 88-85361-12-9.
• Andreas Moglestue: Vom Quecksilberdampf zum Hybridleistungsschalter – 100 Jahre Leistungselektronik, ABB review 2/2013
• Guy Depraetere: Drehstrom in Italien – 1902–1976, Der Lok-Vogel 1–4/2011

Weblinks

Commons: Drehstromantrieb – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Karte der Bahnlinien in Italien, die mit Drehstrom elektrifiziert waren

Einzelnachweise

Mit Drehstrom elektrifizierte Eisenbahnstrecken gemäß Liste aus Drehstromantrieb (Eisenbahn)

Existierende Strecken: Jungfraubahn 1898 | Gornergratbahn 1898 | Chemin de Fer de la Rhune 1914/24 | Corcovado Bergbahn 1910

Später umelektrifizierte Strecken: Veltlinbahn | Ferrovia Alta Valtellina | Bahnstrecke Modane–Turin | Trento–Brenner | Bozen–Meran | Firenze-Bologna | TEL Tram Lugano 1896–1910 | StEB Stansstad–Engelberg 1898–1964 | BTB Burgdorf–Thun-Bahn 1899–1933 | SSS/SStB Schwyzer Strassenbahnen 1900–1914 | SBB/BBC Drehstrombetrieb Brig–Iselle 1906–1930 | Great Northern alter Cascade-Tunnel 1909–1927 | RhW Tram Rheineck 1909–1958 | RENFE Gérgal–Santa Fe-Alhama 1911–1966 | SBB Sion–Brig 1919–1927 | EB Hasle-Rüegsau–Langnau 1919–1932

Frühere Drehstromelektrifikationen: Riffelalptram 1898–1960 | Hoteltram Évian-les-Bains 1898–1908 | Wöllersdorfer Militärgleis 1902–1911 | BrMB Brunnen-Morschach-Bahn 1905–1969 | CFHMP Luchon–Superbagnières de Luchon 1912–1966 | Mühleggbahn 1950–1975 | RAG Zahnradbahn Tagebau Gruhlwerk 1927–1949

Versuchsbetriebe: Drehstrom-Versuchbetrieb von Siemens & Halske | Ganz-Versuchsstrecke auf der Óbuda-Insel | Drehstrom-Versuchsbetrieb Brig–Iselle