„Schienenfahrzeuge benötigen aufgrund ihrer großen Masse und der hohen Beschleunigungen und Geschwindigkeiten sehr viel Traktionsleistung“, erläutert Thomas Siegenthaler, Produktionsleiter Traction bei ABB in Turgi (Schweiz). Die Effizienz, mit der das Antriebssystem die über die Oberleitung zugeführte elektrische Energie in Vortrieb umsetzt beziehungsweise beim Bremsen wieder in die Oberleitung zurückspeist, ist daher ein entscheidender Aspekt bei der Beurteilung der Wirtschaftlichkeit. Die Wandlung zwischen den verschiedenen Spannungen und Frequenzen erfolgt heute mithilfe getakteter Leistungshalbleiter. Diese verarbeiten die verschiedenen im Eisenbahn- und Straßenbahnbereich üblichen Spannungsebenen und setzen diese so um, dass die Antriebsmotoren möglichst optimal versorgt werden. Mit der Produktlinie BORDLINE Compact Converter ist ABB imstande, alle weltweit im Schienenverkehr üblichen Bahnstromsysteme – 600, 750, 1.500 oder 3.000 V Gleichstrom bzw. 15.000 V/ 16,7 Hz oder 25.000 V/ 50 Hz Wechselstrom – zu verarbeiten und daraus Drehstrom mit variabler Frequenz und Spannung für die Antriebsmotoren zu erzeugen. Dies umfasst auch die von Dieselantrieben oder Hybridlösungen gelieferten Ströme und Spannungen. Zudem versorgt man noch den Bordnetzumrichter sowie Batterieladeeinrichtungen und Energiespeichersysteme.
Universell einsetzbar
„Unsere Traktionsumrichter können mit allen am Markt gängigen Bahnstromsystemen, Energiespeichersystemen und Antriebsmotoren kombiniert werden“, ergänzt Ramon Stöckli, Mechanical Engineer Development Traction. Um alle Kundenanforderungen zu erfüllen, ist die der Traktionsumrichter – sozusagen Herz und Gehirn des betreffenden Schienenfahrzeugs – deshalb universell konfigurierbar. Die Steuerungseinheit eines Traktionsumrichters verfügt mehr als 60 digitale und analoge Ein- und Ausgänge, zahlreiche Anschlüsse für optische Leiter sowie Schnittstellen für Netzwerkverbindungen. Mithilfe dieser Anschlüsse überwacht und regelt die Steuerungseinheit die gesamte komplexe Energieversorgung eines modernen Zugs mit ihren vielfältigen Sensoren, Aktoren, Leistungs- und Sicherheitselementen. Die Unterbringung der Leistungselektronik erfolgt in den verschiedensten Gehäuseausführungen, die bezüglich Größe und Ausstattung an das jeweilige Schienenfahrzeugsystem angepasst sind. Diese Gehäuse reichen vom flachen Unterflur- oder Dachgerät zum Beispiel für Straßenbahnen und Metros bis hin zu kompakten Megawatt-Traktionsumrichtern für den Antrieb von Lokomotiven und Hochgeschwindigkeitszügen. Um mit der benötigten Energie so effizient wie möglich umzugehen, arbeitet der Traktionsumrichter u.a. mit Taktfrequenzen im Bereich einiger kHz, um die gewünschten Hüllkurven möglichst präzise darstellen zu können. Heute arbeitet das Traktionssystem so feinfühlig, dass ein erfahrener Zugführer seinen Zug rein elektronisch, d.h. ohne Zuhilfenahme der mechanischen Bremsen, bis zum Stillstand abbremsen kann. Die dank dieser präzisen Traktionssteuerung zurückgewonnene elektrische Energie kann je nach Aufnahmefähigkeit des Bahnstromnetzes entweder wieder in dieses zurückgespeist oder fahrzeugintern in Energiespeichersystemen zwischengespeichert werden.
Höchste Zuverlässigkeit ist unabdingbar
„Wie bei jedem komplexen System hängt die Zuverlässigkeit von der einwandfreien Funktion aller Einzelteile ab“, verrät Stefan Saur, Senior Component Engineer. Schienenfahrzeuge sind durchschnittlich für 30 Betriebsjahre ausgelegt und sollten über den gesamten Zeitraum nur geringe Stillstandzeiten haben. Das bedingt sehr hohe Anforderungen an jedes einzelne Bauteil bis hin zu den Steckverbindern für die Signalübertragung. Schließlich kann schon ein einziger unzuverlässig arbeitender Kontakt für einen Sensor die Funktion des Gesamtsystems so beeinträchtigen, dass es zu ungeplanten und kostspieligen Wartungsmassnahmen oder gar Ausfällen auf freier Strecke kommt. Deshalb muss sich der Entwickler bei jeder Komponente mit ihrer Langzeit-Zuverlässigkeit beschäftigen. Schließlich arbeiten die Systeme unter außergewöhnlich rauen Bedingungen. Dazu gehören Extremtemperaturen ebenso wie Korrosionsgefahr durch hohe Luftfeuchtigkeit. Besonders kritisch sind hierbei vor allem Steckkontakte für analoge Mess- und Steuersignale, da es hier durch Vibrationen und/ oder die Bildung von Oxidbelägen zu Veränderungen des Übergangswiderstands und damit zu Fehlmessungen kommen kann. Dies hätte unwägbare Konsequenzen für die Funktion des Gesamtsystems. Eine Festverdrahtung – beispielsweise durch Schneidklemmverbindungen oder durch Verlöten – kommt dennoch nicht infrage, da Diagnosen, Wartung oder ein Komponentenaustausch möglichst einfach und schnell erfolgen müssen.
Vertrauen in bewährte Zulieferpartner
„Im Bereich der Leistungselektronik sind die Innovationszyklen natürlich sehr kurz“, sagt Thomas Siegenthaler. Bei der Entwicklung moderner Produkte könne man auf keinen Fall Bauteile vorsehen, die vor 40 Jahren konzipiert wurden. Stattdessen setze man bei der Wahl der verwendeten Komponenten auf solche Partner, mit deren Produkten man seit Jahrzehnten gute Erfahrungen gemacht habe und die auch eine lange Verfügbarkeit gewährleisten. Das beginne schon rein formal bei der Frage, ob der Hersteller für das ins Auge gefasste Produkt beispielsweise die Zulassungen der für den Schienenfahrzeugbereich zuständigen Zulassungsbehörden auf weltweiter Basis vorweisen könne. Dies treffe beispielsweise auf die Printanschluss-Steckverbinder der DFMC 1,5-Serie der Firma Phoenix Contact zu. Diese ermöglichen aufgrund ihres geringen Rastermaßes von lediglich 3,5 mm ein sehr kompaktes Design, sind dennoch hoch belastbar und stehen in zahlreichen Varianten zur Verfügung. Die bei Schienenfahrzeugen besonders wichtige Absicherung gegen Vibrationen wird durch automatische Verriegelung von Stecker und Buchse beim Zusammenstecken sowie durch den Einsatz einer Zugfedertechnik im Kontaktbereich sichergestellt. Weitere wesentliche Kriterien sind ihre Robustheit sowie die Fähigkeit, sowohl Drähte als auch Litzen mit einem weiten Durchmesserbereich sicher zu fixieren und zu kontaktieren. Erwähnenswert ist aus Sicht von ABB auch die Servicebereitschaft des Herstellers, beispielsweise durch individuelle Beschriftungen. „Letztlich ausschlaggebend für unsere Entscheidung war jedoch das Vertrauen, das über Jahrzehnte erfolgreicher Zusammenarbeit aufgebaut wurde. Wir haben Phoenix Contact als zuverlässigen Zulieferpartner kennengelernt, auf dessen Produkte und dessen Unterstützung wir jederzeit zählen konnten“, bilanziert Thomas Siegenthaler.
Die Vorteile der DFMC 1,5 Serie mit Lock und Release
- Übereinstimmung mit allen Sicherheits- und Umweltschutz-Bestimmungen
- Erfüllung sämtlicher Anforderungen seitens der Zulassungsstellen für Eisenbahnmaterial
- Dank erweitertem Industrie-Temperaturbereich in allen Klimazonen einsetzbar
- Vibrationssicher dank automatischer Verriegelung durch farblich abgesetzte Lock-and-Release-Bedienhebel und Kontakte in Zugfedertechnik
- Langzeitstabile Kontaktierung dank definierter Kontaktkraft
- Werkzeugloser, zeitsparender Push-In-Anschluss
- Intuitiv bedienbar durch farblich abgesetzten Betätigungsdrücker
- Optimiert für beengte Einbausituationen: Bedienung und Leiteranschluss aus einer Richtung
- Große Bandbreite unterschiedlicher Kontaktzahl-Ausführungen
