Elektrische Traktion Ohne große Verluste von A nach B

Unabhängig von Art und Technik des Beförderungsmittels haben elektrische Traktionsanwendungen eine lange Historie. Wenn wir Straßenbahnen, U- und S-Bahnen sowie Lokomotiven für Passagier und Frachtverkehr betrachten, nutzen diese vorrangig elektrische Antriebe mit Gleich- (DC) oder Wechselstrom- (AC) Motoren. Aufgezeigt wird die Entwicklung vom Gleichstromsteller zum Drehstrom-Antrieb sowie die Leistungssteigerung, die durch Einsatz aktuellster IGBT-Chipgenerationen erzielt werden kann.

Traditionell sind für Gleichstrom zwei Systemkonfigurationen verbreitet: Beim DC-Motor mit Schaltwerk werden dem Gleichstrommotor beim Anfahren Widerstände vorgeschaltet, die durch ein Schaltwerk/Relais stufenweise kurzgeschlossen werden. Hierdurch kann der Motorstrom bzw. die Motordrehzahl verlustbehaftet verstellt werden. Solange Vorwiderstände eingeschaltet sind, wird ein Teil der Energie in Wärme umgesetzt. Der Wirkungsgrad des Systems ist gering. Darüber hinaus unterliegen die mechanisch schaltenden Komponenten einem Verschleiß, der regelmäßige Wartung verlangt.

Beim Gleichstromsteller (Chopper) können Motorstrom und damit die Motordrehzahl durch Pulsbreitensteuerung elektrisch verstellt werden. Der Umrichter arbeitet verschleißfrei, lediglich der Motor benötigt Wartung. Der Wirkungsgrad des Systems ist höher als der mit Schaltwerk.

Gleichstromsteller mit IGBTs

Bild 1 zeigt einen Gleichstromsteller, der ursprünglich mit Thyristoren oder GTOs aufgebaut wurde, bei dem heutzutage aber nur noch IGBTs zum Einsatz kommen. Motorischer Betrieb erfolgt über den rot markierten Tiefsetzsteller. Schalter S1 wird, abhängig von der gewünschten Motordrehzahl, kürzer oder länger eingeschaltet.

Während der Schalter geschlossen ist, treibt die Spannung UDCden Motor. Wenn der Schalter geöffnet wird, geht der Motorstrom über die Diode F1 in den Freilauf. Eine Umkehr der Energierichtung (Bremsen) erfolgt durch eine Ankerumschaltung des Motors. Jetzt kann der Strom über den blau markierten Hochsetzsteller fließen. Ist Schalter S2 geöffnet, erfolgt über die Diode F2 eine Rückspeisung von Energie in die Gleichspannungsquelle; ist S2 geschlossen, befindet sich der Motor im Freilauf.

Die einfache Steuerung des DC-Motors ist ein Hauptvorteil des Antriebsstrangs. Nachteilig an DC-Motoren ist ihr Aufbau, in dem die Energie für den Rotor durch Stromabnehmerbürsten zugeführt werden muss. Diese verschleißen und erfordern daher einen regelmäßigen Service.

Höhere Zuverlässigkeit und bessere, dynamische Regelbarkeit des Motors bei Beschleunigung und Bremsen, einfache Rückspeisefähigkeit, keine Notwendigkeit von Wartung und höhere Energieeffizienz führten dazu, dass heute in modernen Traktionsantrieben vorrangig nur noch dreiphasige Wechselspannungsmotoren zum Einsatz kommen.

Bild 2 zeigt einen dreiphasigen Drehstrom-Umrichter. Motorischer Betrieb erfolgt durch Stromfluss über die IGBTs, während eine Energierückspeisung (Bremsen) im Wesentlichen über die antiparallelen Dioden erfolgt. Die an den Motor abgegebene Leistung kann über die Spannungs-Zeit-Fläche der Ausgangsspannung verstellt werden, während die Motordrehzahl über die Grundfrequenz der Ausgangsspannung variiert werden kann.