Innovationen in der Bahntechnik: Vom Umformer zum Umrichter

sign high voltage danger of life

06.11.2015

Der Schie­nen­ver­kehr ist von „Natur aus“ eine äußerst ener­gie­ef­fi­zi­en­te und umwelt­freund­li­che Art der Fort­be­we­gung. Dies begrün­det sich bei­spiel­wei­se dar­in, dass die Rei­bun­gen zwi­schen Rad und Schie­ne deut­lich gerin­ger ist, als die zwi­schen Gum­mi und Asphalt im Stra­ßen­ver­kehr. Doch auf die­sem Vor­teil ruht sich die Bahn­bran­che nicht aus. Zahl­rei­che neue Inno­va­tio­nen sol­len hel­fen, den Schie­nen­ver­kehr noch emis­si­ons­är­mer zu machen. In loser Fol­ge wer­den im News­let­ter eini­ge aktu­el­le Tech­no­lo­gien kurz vor­ge­stellt, die das Zug­fah­ren der Zukunft noch öko­lo­gi­scher machen sol­len. Heu­te betrach­ten wir eine Inno­va­ti­on in der Bahn­strom­ver­sor­gung:

Bei Autos ist der elek­tri­sche Antrieb der Fahr­zeu­ge gera­de in aller Mun­de – bei der Bahn ist er seit über 100 Jah­ren eine Selbst­ver­ständ­lich­keit. Bereits im Jahr 1879 wur­de auf einer Gewer­be­aus­stel­lung in Ber­lin die ers­te elek­tri­sche Loko­mo­ti­ve vor­ge­stellt. Die­ses hohe Alter des umwelt­freund­li­chen elek­tri­schen Antriebs bei der Eisen­bahn bringt jedoch auch eine Pro­ble­ma­tik mit sich, denn die dama­li­gen elek­tri­schen Moto­ren waren noch lan­ge nicht aus­ge­reift. So konn­ten sie zum Bei­spiel nur zuver­läs­sig mit einem 16,7 Hertz Wech­sel­strom betrie­ben wer­den. Dies bedeu­tet, dass mit einer Fre­quenz von 16,7 Hertz – also knapp 17 Mal pro Sekun­de – der Plus- und Minus­pol ver­tauscht wird.

Da der Stand der Tech­nik damals nichts ande­res zuließ, ent­schied man sich, eben die­se 16,7 Hertz für das Bahn­strom­netz fest­zu­le­gen. Die Ent­wick­lung der Elek­tro­mo­to­ren schritt jedoch schnell vor­an, sodass bald der Betrieb mit 50 Hertz Wech­sel­strom pro­blem­los mög­lich war. Weil die­se Fre­quenz für klei­ne­re Moto­ren Vor­tei­le mit sich brach­te, leg­te man die 50 Hertz für das öffent­li­che Strom­netz fest.

Nun stand man vor einem Pro­blem: Wäh­rend das gewöhn­li­che deut­sche Strom­netz mit 50 Hertz betrie­ben wird, wird beim Bahn­strom­netz bis heu­te eine Fre­quenz von 16,67 Hertz ein­ge­setzt. Man benö­tigt bei der Bahn also eige­ne Strom­lei­tun­gen, aber beson­ders auch eige­ne Kraft­wer­ke. Will man dies ver­mei­den, kann man einen 50 Hertz Strom auch in einen 16,67 Hertz Strom umwan­deln. Die­ser Wech­sel der Fre­quenz geschah frü­her mit soge­nann­ten Umfor­mern. Sie wan­del­ten die Fre­quenz auf eine mecha­ni­sche Art unter Ver­wen­dung gro­ßer rotie­ren­der Mas­sen um. Dabei wird jedoch ledig­lich ein Wir­kungs­grad von ca. 80% erreicht – es gehen also 20% der elek­tri­schen Ener­gie ver­lo­ren. Heu­te kom­men für den Wech­sel der Fre­quenz mehr und mehr soge­nann­te Umrich­ter zum Ein­satz. Sie wan­deln die Fre­quenz des Stro­mes mit elek­tri­schen Schal­tern um. Die­se Schal­ter wer­den kurz gesagt so ein- und aus­ge­schal­tet, dass der Strom den rich­ti­gen „Takt“ bekommt.

 

Und eben die­se Umrich­ter sind eine will­kom­me­ne Inno­va­ti­on – denn ihr Wir­kungs­grad liegt bei bis zu 98%. Die Ver­lus­te bei der Umwand­lung kön­nen damit also um das Zehn­fa­che gesenkt wer­den! Das ist beson­ders im Hin­blick auf die Ener­gie­wen­de von größ­ter Bedeu­tung. Im Rah­men des ver­stärk­ten Ein­sat­zes von erneu­er­ba­ren Ener­gien ist näm­lich eine mög­lichst weit­ge­hen­de Ver­ei­ni­gung des gewöhn­li­chen Strom­net­zes mit dem Bahn­strom­netz wün­schens­wert. Die Umrich­ter­tech­nik war also auch ein Bau­stein zur Ener­gie­wen­de.

Wer sich nun im Nach­gang fragt, war­um man nicht ein­fach nach­träg­lich beim Bahn­strom­netz zu einer Fre­quenz von 50 Hertz gewech­selt ist: ein sol­cher Wech­sel wäre bei älte­ren Loko­mo­ti­ven sehr pro­ble­ma­tisch gewe­sen. Teil­wei­se hät­te man sogar die Moto­ren aus­tau­schen müs­sen – und zwar in kür­zes­ter Zeit. Wei­ter­hin wären auch auf­wen­di­ge infra­struk­tu­rel­le Anpas­sun­gen nötig gewe­sen. Für die wei­te Zukunft ist der Ein­satz von 50 Hertz beim Bahn­strom jedoch in Über­le­gung.

 

 

 

 

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Kommentare zu “Innovationen in der Bahntechnik: Vom Umformer zum Umrichter

  1. PK Reply

    Quel­len für Wir­kungs­gra­de?
    Sie schrie­ben:
    Sie wan­del­ten die Fre­quenz auf eine mecha­ni­sche Art unter Ver­wen­dung gro­ßer rotie­ren­der Mas­sen um. Dabei wird jedoch ledig­lich ein Wir­kungs­grad von ca. 80% erreicht
    und sie schrie­ben
    Und eben die­se Umrich­ter sind eine will­kom­me­ne Inno­va­ti­on – denn ihr Wir­kungs­grad liegt bei bis zu 98%.

    Rea­lis­ti­scher sind aller­dings Wer­te von ca. 93% für rotie­ren­de Umfor­mer und ca. 96,5% für sta­ti­sche Umfor­mer. (Knapp 98% ist ein Spit­zen­wert unter der sel­ten abge­ru­fe­nen Voll­last)

    Damit steigt der Wir­kungs­grad durch die moder­ne Tech­nik ledig­lich um ca. 5%.
    Bes­ser als nichts – aber nicht so rie­sig, wie sie es dar­stel­len.

    Quel­le u.a.:
    Anfor­de­run­gen an die Leis­tungs­elek­tro­nik im Netz: Erfah­run­gen mit sta­ti­schen Umrich­tern
    Vor­trag 16.09.2005 Dres­den Autor: Wer­ner Raith­mayr DB Ener­gie GmbH
    Abruf­bar über:
    https://www.vde.com/de/fg/ETG/Exklusiv-Mitglieder/2005-etgkongress/ETG%201%20Leistungselektronik/Documents/MCMS/151.pdf

    Mit freund­li­chen Grü­ßen

    PK

    • Matthias Gastel
      Matthias Gastel Reply

      Dan­ke für die Hin­wei­se.
      Der Wert von 98% für den Umrich­ter gilt für den in Nürn­berg erreich­te­ten Umrich­ter der Fir­ma Sie­mens. Der Wert wird bei einer Last zwi­schen ca. 7,5MW und 20MW erreicht und ent­stam­men einer nicht ver­link­ba­ren Quel­le. Der Wert von 80% für den Umfor­mer könn­te sich auf älte­re Umfor­mer bezie­hen. Die­se Wer­te wur­den auf einer Fach­ta­gung prä­sen­tiert und von kei­nem der Anwe­sen­den in Fra­ge gestellt.
      Mit freund­li­chen Grü­ßen
      Mat­thi­as Gast­el

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