Wir haben nun den Schritt in die moderne Zugförderung gewagt. In den vergangenen Kapiteln haben wir erfahren, wie man eine Strecke aufbaut, was für Vorschriften gelten und letztlich, dass es über der Bahnlinie ein Dach geben soll. Dann kamen wir dazu Lokomotiven zu beschaffen. Dabei lernten wir, wie das geht und wie wir die neue Lok optimal einsetzen. Zum Abschluss lernten wir noch etwas über die Dampflokomotiven.

Und nun stellt sich die Frage, warum haben wir dieses Dach über unsere Strecken gebaut. Eine Dampflok kann damit nicht viel anstellen und funktioniert auch ohne sehr gut. Im Gegenteil, die Dampflok weiss ganz gut, wie man dieses Dach lahm legt und so die Konkurrenz verjagt. Schon macht so ein Teil überhaupt keinen Sinn mehr. Also weg damit!

Bis jetzt waren Sie vermutlich auch nicht alleine mit dieser Meinung, denn so begann die moderne Zeit bei der Eisenbahn. Die erste Strecke bekam ein Dach und wurde später sogar davon befreit. Das zeugt von keinem guten Start der elektrischen Lokomotive. Wenn man dann noch bedenkt, dass diese ersten Lokomotiven die Telefone und Telegrafen nach belieben klingeln und arbeiten liessen, glaubt man nicht an eine Zukunft.

Es war wahrlich ein schwerer Start für die elektrische Lokomotive. Doch ihre Beharrlichkeit und der Vorteil, dass die Lokomotive nicht mehr auf ausländische Rohstoffe angewiesen war, brachte die elektrische Lokomotive trotz aller Startprobleme immer weiter ans Ziel. Dabei hatte sie Argumente, die den Dampflokomotiven das fürchten lernten. Diese wollen wir uns zuerst einmal ansehen.

Eine elektrische Lokomotive ist problemlos in der Lage auch bei hohen Geschwindigkeiten hohe Leistungen zu erbringen. Das heisst, eine elektrische Lokomotive kann viel schneller fahren, als ihr Konkurrent mit Dampf. Dabei verbraucht sie zwar auch Energie, die aber kontinuierlich zugeführt wird. Das heisst, sie muss nicht anhalten und Wasser fassen.

Ein Vergleich von zwei direkten Gegnern zeigt den grössten Vorteil der elektrischen Lokomotive auf. Dabei wählte ich die letzte grosse Dampflok der SBB und die erste grosse elektrische Lokomotive der gleichen Bahn. Diese beiden Lokomotiven traten auch in der Realität gegen einander an und wie wir es mittlerweile wissen, gab es einen Sieg für die elektrische Vertreterin. Zum Vergleich habe ich noch eine moderne Hochleistungslokomotive hinzugefügt.

1) Beide Lokomotiven konnten unter Volllast auf den zum Vergleich herangezogenen Steigungen des Gotthard nicht mit Höchstgeschwindigkeit fahren. Darum sind hier die massgebenden Geschwindigkeiten angegeben.

Wie wir erkennen können obsiegt die elektrische Lokomotive in allen Bereichen. Zwar war die Anhängelast nicht entscheidend höher, denn die Dampflok hätte die auch noch geschafft, die Geschwindigkeit wäre vermutlich auf ca. 10 – 15 km/h zurückgefallen. Was wir aber erkennen, die elektrische Lok legte in zwei Stunden rund 20 km mehr Weg zurück und musste dann nicht mehr anhalten. Die Dampflok musste ihre 18 Tonnen Wasser wieder ergänzen.

Letztlich war es aber ein Weltkrieg, der den Dampfloks den Gnadenstoss gab. Die zum Vergleich herangezogene elektrische Lokomotive entstand nur deswegen. Es war der erste Weltkrieg, der den Dampfloks die Kohlen nahm. Davon unberührt drehten die elektrischen Lokomotiven am Lötschberg ihre Runden ohne dass sie etwas von ihrer Leistung einbüssten.

Nur wenige Jahre später fuhr dann auch bei den SBB die erste elektrische Lokomotive über die Strecke aller Strecken, die Gotthardbahn. Ein Kampf auf Leben und Tod begann. Da es noch zu wenige elektrische Lokomotiven gab, verkehrten beide Loks im Mischbetrieb und so setzten die Dampfloks ihre letzte Waffe, den Russ, ein. Die dadurch entstandenen Kurzschlüsse machten den elektrischen Lokomotiven zu schaffen.

Letztlich griff man zu einem Trick und die Dampflokomotiven hatten das nachsehen. Die elektrischen Lokomotiven siegten auf der ganzen Breite. Es war nur noch eine Frage der Zeit, bis die letzte Dampflok aus dem planmässigen Verkehr verschwand. 1967 war es bei den SBB dann soweit, die Züge gehörten mit wenigen Ausnahmen den elektrischen Lokomotiven und Triebwagen.

Die mit Rauch verpesteten Bahnhöfe gehörten der Vergangenheit an, die elektrischen Lokomotiven waren sauber und machten kaum Schmutz. Doch, es gab nun Triebwagen, die speziell auf ihr Arbeitsgebiet abgestimmt werden konnten. So war die elektrische Lokomotive nicht mehr zu schlagen. Man begann auch diese Lokomotiven zu lieben. Sie glauben mir nicht? Muss ich das Krokodil, den roten Pfeil oder die Kantonslok noch näher vorstellen?

Klassiker schlechthin, da verblassen die vielen Dampflokomotiven schnell und gingen in Vergessenheit, genauso wie im Original, wo kaum mehr ursprüngliche Dampflokomotiven überlebten. Bekannt blieben letztlich nur noch die letzten Vertreter A 3/5 und C 5/6. die bekannten grossen Maschinen im Ausland gab es sogar erst, als die Ce 6/8 II nicht mehr die neuste Lok war.

Die Beschreibung der elektrischen Ausrüstung einer elektrischen Lokomotive erfolgt den Stromverlauf entlang. Das heisst, wir beginnen dort, wo wir bei der Fahrleitung aufgehört haben. Genau auf dem Dach der Lokomotive, denn wie wir ja gelernt haben, hängt die Wahl des Stromabnehmers von der Fahrleitung ab. Ach ja, einen Hinweis auf Triebwagen finden Sie hier nicht mehr, denn was für die Lokomotive gilt, gilt auch für den Triebwagen. Hier ist der Lokomotivteil des Triebwagens zu finden. Auch bei modernen Triebzügen ist das so.

Wenn wir einen Blick auf das Dach der Lokomotive werfen, erkennen wir schnell, dass es da viel zu sehen gibt. Einerseits nimmt der uns schon bekannte Stromabnehmer viel Platz weg und ist deshalb ein markantes Bauteil auf der Lokomotive. Nur, mit dem Stromabnehmer ist das freilich noch nicht gemacht. Niemand montiert einen Stromabnehmer ohne weiteren Anschluss auf eine Lok.

Ach, ich höre Proteste? Gut, ich weiss, die SBB macht solchen Unfug, denn bei SBB Historic gibt es tatsächlich eine solche Lokomotive. Sie hat einen Stromabnehmer auf dem Dach ohne dass dieser irgendwie angeschlossen ist. Nur warum macht man solchen Unsinn? Es waren genau Sie, die hier protestiert haben, denn SBB Historic ging es bei der Lok genau so. Deshalb gibt es nun etwas, was es eigentlich gar nicht geben sollte. Ach ja, hier noch ein Bild von der Lok.

Wir wollen uns jedoch um die Fortsetzung des benötigten Stromabnehmers kümmern. Also beim Bild um den nächsten an der Fahrleitung anliegenden Stromabnehmer. Stromabnehmer zur Zierde kümmern uns jetzt nicht mehr, denn wir wollen ja die Funktion kennen lernen, deshalb setzen wir unseren Rundgang über das Dach fort. Ach ja, beinahe hätte ich es noch vergessen, es spielt hier keine Rolle, ob es nun einer oder zwei Stromabnehmer sind, die Fortsetzung hängt nicht wesentlich davon ab.

Am auffälligsten auf dem Dach einer Lokomotive ist die Dachleitung. Dabei hat sie eigentlich nur eine einfache Aufgabe. Die Dachleitung verbindet die Bauteile der Lokomotive über das Dach. Sie kann als einfaches Kabel oder als eigentliche Stromschiene aufgebaut werden. Letztere wird dann auf Isolatoren montiert und liegt nicht auf dem Dach.

Da die Dachleitung wirklich alle Bauteile miteinander verbindet, heisst das, dass sie bei Lokomotiven mit zwei Stromabnehmern über die ganze Länge des Daches geführt werden muss. Bei mehrteiligen Fahrzeugen sogar über die Gelenke hinweg. Die Leitung verhindert deshalb, dass man Teile vom Dach entfernen kann. Dies ist aber nötig, weil man ein Teil des Daches entfernen muss, damit man an die in der Lokomotive montierten Teile heran kommt. Deshalb musste man eine Lösung finden. Die Dachleitung musste unterbrochen werden können. Es gibt dabei zwei Wege, die man beschreiten kann.

Bei älteren Lokomotiven werden Trennmesser verwendet. Es handelt sich dabei um spezielle Schalter, die manuell gedreht werden können. Die Dachleitung wird dadurch getrennt, so dass zwei Kontakte abgedreht werden. Das Trennmesser kann man aber nicht als normalen Schalter bezeichnen, denn es ist nicht in der Lage unter Spannung geschaltet zu werden.

Trennmesser gibt es auch bei der Fahrleitung und die funktionieren ähnlich. Die Trennmesser in der Dachleitung sind aber oft nur an zwei Stellen vorhanden. Diese Stellen erlauben es, einen defekten Stromabnehmer von der restlichen Ausrüstung zu trennen. Bedient werden sie in der Lokomotive selber. Trotz der Tatsache, dass die Trennmesser gut funktionieren, kam es zu einer Ablösung.

Trennlitzen ersetzten die Trennmesser und waren erst noch viel besser. Zwar konnten die Trennlitze nicht mehr aus dem innern Teil der Lokomotive getrennt werden. Dafür waren diese in der Stromschiene eingebauten Litzen viel billiger. Dadurch konnte man diese Trennlitzen an mehreren Stellen einbauen. In der Folge konnte das Dach in Segmenten entfernt werden.

Das geringere Gewicht und die Tatsache, dass die Dachleitung selten getrennt werden muss, sprachen ganz klar für die Trennlitze. Diese konnte viel Gewicht einsparen. Der Nachteil, dass man sie auf dem Dach lösen musste, war zu vernachlässigen, denn man musste ja auch das zu entfernende Bauteil auf dem Dach lösen. Das ging dann mit dem gleichen Arbeitsgang.

Die so gestaltete Dachleitung verbindet nun alle wichtigen Bauteile. Diese wären der später genauer beschriebene Hauptschalter und die Stromabnehmer. So hat man eine durchgehende Verbindung auf dem Dach. Die Spannung aus der Fahrleitung kann in der Folge auf der Lokomotive genutzt werden. Bevor wir das aber machen, schauen wir uns noch ein paar Kleinigkeiten auf dem Dach an.

Eine Dachsicherung gehört zu diesem Bauteilen. Die Dachsicherung ist auf dem Dach montiert und sie sichert die Zuleitung zur Lokomotive. Hier kann man klar sagen, dass es nur in wenigen Fällen mit einer Dachsicherung gemacht wird. Die meisten Lokomotiven benutzen dazu gleich den Hauptschalter. Die Dachsicherung löst aus, wenn der Strom auf der Lokomotive zu hoch wird.

Dabei arbeitet die Dachsicherung auf Zerstörung. Das kennen Sie vielleicht noch aus Ihrer Kindheit. Die Sicherungen im Haus, die einmal defekt, ersetzt werden mussten. Heute werden in den Gebäuden kleine Schalter verwendet, die eigentlich die Aufgabe des Hauptschalters übernehmen. Doch zurück zu den alten Sicherungen, denn eine Sicherung, so auch die Dachsicherung, wird bei Überlast immer zerstört.

Oft befinden sich hier auch die Kontakte der Fahrzeugerdung. Diese ist notwendig um die Lokomotive komplett mit der Erde zu verbinden. Das heisst, sind die Kontakte geschlossen, ist alles, was auf der Lokomotive montiert worden ist, mit der Erde, also dem Boden verbunden. Warum man das macht, erfahren Sie im Kapitel Sicherheit. Hier geht es nur um den technischen Teil.

Abgeschlossen wird die Dachausrüstung mit der Dachdurchführung. Danach ist die elektrische Spannung im innern der Lok und wir haben das Dach endgültig verlassen. Durch die Tatsache, dass wir hohe Spannung durch ein Dach führen wollen, begründet schon die Erwähnung der Dachdurchführung. Diese muss gegen das Dach ausreichend isoliert sein und sollte das Dach gleichzeitig noch dicht halten.

Deshalb besitzen die Dachdurchführungen einen festen Körper aus Kunststoff. Dieser spezielle Kunststoff ist ein Kunstharzgemisch, das äusserst stabil ist. Es isoliert die darin verlaufende Dachleitung gegenüber dem Dach. Das Bauteil ist in einer speziellen Befestigungsplatte montiert. Diese wird dann einfach mit Dichtungen auf das Dach montiert. Viel mehr gibt es bei einer Dachdurchführung nicht zu sehen.

Bei einer modernen Lokomotive haben wir unser Dach nun verlassen. Das ist das, was Sie beobachten können, wenn Sie zum Beispiel einmal auf das Dach einer Lokomotive blicken. Klar, die meisten haben keine Dachsicherung, dafür den Hauptschalter. Nur, das war nicht immer so, denn früher experimentierte man mit diversen Einrichtungen, die auf dem Dach montiert wurden.

Die Blitzschutzspule ist eine Einrichtung, die nur zu Beginn der elektrischen Lokomotive eingebaut wurde. Die Aufgabe der Blitzschutzspule war klar, sie sollte die elektrische Ausrüstung vor einem Blitzeinschlag schützen. Die Blitze fürchtete man auf den elektrischen Lokomotiven, denn die kurzzeitig erzeugte hohe Leistung war auf den Lokomotiven nicht zu beherrschen. Man musste deshalb einen Schutz einbauen.

Die Blitzschutzspule war mit der Dachleitung verbunden und war elektrisch über einen speziellen induktiven Widerstand mit dem Dach verbunden. Der Widerstand war so bemessen, dass die normale Spannung nicht auf die Erdung kam, denn der Widerstand in dieser Spule war zu gross. Klar, ein wenig Leistung ging damit verloren, aber diese war zu vernachlässigen.

Traf nun ein Blitz die Dachleitung oder die Fahrleitung, stieg die Spannung schlagartig an. Die Spule konnte diese nicht mehr bewältigen und schaltete durch. Der Blitz wurde so direkt auf das Dach abgeführt. Da elektrische Energie immer dem geringsten Widerstand folgt, war die Lokomotive geschützt. Die Blitzschutzspule hat somit ihre Aufgabe übernommen.

Da aber Blitze immer einer eigenen Regel folgen, stellte man schnell fest, dass die Spule nicht genügend schnell regiert und so der Blitz trotzdem in die elektrischen Einrichtungen vordringen konnte. Man erkannte aber auch, dass die Abschaltung der Lok schnell genug erfolgt und so die Ausrüstung gut genug geschützt ist. Die Blitzschutzspule verschwand von den Lokomotiven.

Das war nun unser Rundgang auf dem Dach. Wir können es wieder verlassen und uns um die weiteren Bauteile der Lokomotive kümmern. Wie schon gesagt, ist bei den meisten Lokomotiven ein Hauptschalter montiert. Davon erkennen wir auf dem Dach nicht mal bei allen Lokomotiven die Kontakte. Deshalb behaupte ich jetzt einfach so, dass der Hauptschalter bereits in der Lokomotive angeordnet ist.

Die Aufgaben des Hauptschalters sind einfach zu umschreiben. Er dient dazu, die Ausrüstung auf der Lokomotive von der Fahrleitung zu trennen. So einfach ist das zu erklären. Gehen wir doch gleich zum nächsten Schritt. Aber halt, ist das wirklich so einfach? Klar, bei Ihrem Lichtschalter geht das ja auch, Sie drücken die Taste und das Licht geht aus oder an. Also eine ganz einfache Sache.

Versuchen Sie nicht ihren Lichtschalter zu einem Hauptschalter umzubauen. Das geht nicht, denn nur schon die erste Schaltung würde zur vollständigen Zerstörung führen. Es gibt also doch einen Grund, die Hauptschalter etwas genauer zu betrachten.

Es sind die hohe Spannung und die hohen Ströme, die den Hauptschalter zu dem machen was er ist. Der Hauptschalter ist elektrisch gesehen ein ganz gewöhnlicher Hochleistungsschalter. Die Bezeichnung Hauptschalter hat deshalb mit seiner elektrischen Funktion nicht viel zu tun. Der Name ist nur gekommen, weil es der Schalter ist, der die Lokomotive ein- oder ausschaltet.

Ist doch klar, auch Sie würden das Hauptschalter nennen. Nicht? Sind Sie da ganz sicher? Ich glaube, dass Sie schön öfters mit einem Hauptschalter gearbeitet haben. Vielleicht gerade vor wenigen Minuten. Ihr Computer hat so einen Schalter. Er sorgt dafür, dass das Netzteil den diversen Bauteilen den Strom zuführt. Ach so, Sie arbeiten mit einem Laptop, dann sieht es vielleicht etwas anders aus, aber eventuell haben auch Sie einmal an einem normalen PC gearbeitet. Der Netzschalter am Computer schaltet diesen ein und notfalls auch aus. Der Schalter ist ein Hauptschalter.

Zurück auf unserer Lok wird daraus einfach ein Hochleistungsschalter, der die Dachleitung von den restlichen Teilen der elektrischen Ausrüstung trennt. So einen Schalter können Sie nicht von Hand bedienen. Die Kontakte sind einfach zu schwer. Deshalb wählt man eine andere Lösung. Die Schaltung erfolgt durch ein elektrisches Signal. Dass das aber nicht immer so sein muss, zeigt ein Beispiel von einer SBB Lokomotive. Ich zeige hier ein Bild, damit Sie wissen, von welcher Lok ich spreche.

Diese Lok hat nur eine geringe Leistung, die geschaltet werden muss, deshalb erfolgt hier die Schaltung direkt durch den Lokführer. Dazu ist einfach ein normales Handrad vorhanden. Wie, ach die lieben Kollegen melden sich, diese Lok hat gar keinen Hauptschalter. Stimmt, die Lok auf dem Bild hat eine Dachsicherung, aber von dem Typ hatten einige einen Hauptschalter und den hab ich gemeint.

Es wird nun Zeit, dass wir uns den Schalter genauer ansehen. Dazu unterteilen wir diese Schalter in vier Gruppen. Diese Unterteilung ist nicht von mir, denn sie wird auch praktisch so vollzogen. Damit wir jede einzelne Gruppe erkennen können, nennen wir diese Öl-, Druckluft- und Vakuumhauptschalter. Die vierte Gruppe stellt eine eigene Familie dar und hört auf den Namen. Genau in dieser Reihenfolge entstanden die drei Typen und wir beginnen deshalb mit dem Ölhauptschalter. Der Gleichstromschnellschalter ist auch hier etwas Speziell, aber das erfahren Sie noch.

Es sind die ältesten Modelle, die noch im Einsatz stehen. Ölhauptschalter sind zuverlässige Schalter, die schon früh genügend stabil waren um auch die anstehenden Leistungen zu schalten. Der beim schalten von hohen Spannungen und Strömen entstehende Funken wird beim Ölhauptschalter in einem Ölbad gelöscht. Dadurch konnte durch den Funken kein Schäden entstehen. Die entsprechenden Schaltkontakte wurden deshalb in einem Gehäuse untergebracht.

Das verwendete Öl kommt auch bei Transformatoren zum Einsatz, es isoliert sehr gut und kann die entstehenden Funken gut löschen. Diese Funken entstehen in dem Moment, wenn sich die beiden Kontakte öffnen. Das dazwischen befindliche Öl erhöht die Isolationsfähigkeit, so dass der Funken sehr schnell nicht mehr über genügend Kontakt verfügt und erlischt.

Durch das mit Öl gefüllte Gehäuse ist der Ölhauptschalter schwer und ist deshalb bei den Lokomotiven, wo um jedes Kilogramm gekämpft wurde nur schwer vorstellbar. Trotzdem gab es kaum andere funktionierende Varianten, deshalb kam der Ölhauptschalter lange Zeit zur Anwendung. Damit ausgerüstete Lokomotiven befinden sich auch heute noch im Einsatz.

Zwar hatte der Ölhauptschalter die normalen Schaltungen im Griff. Trotzdem hatte er zwei Schwachstellen, die nicht unerwähnt bleiben dürfen. Einerseits wurde das Öl durch die Funken verschmutzt und erwärmt, so entstanden gefährliche Dämpfe, die gelegentlich zu Explosionen führten. Deshalb wurden die anfänglich dicht verschlossenen Gehäuse mit einer Entlüftung versehen.

Auch die Verschmutzung des Öls war nicht unproblematisch, denn war zu viel Schmutz vorhanden, wurde das Öl plötzlich leitend, der Funken wurden nicht mehr gelöscht. Aus diesem Grund musste am Hauptschalter regelmässig das Öl gewechselt werden. Dieser Unterhalt war natürlich sehr aufwändig und deshalb teuer. Zudem musste der Schalter beim Ölwechsel auch gereinigt werden, weil sonst die Verschmutzung schneller einsetzte.

Das Schaltvermögen der Ölhauptschalter war zudem recht bescheiden, wenn man sie mit modernen Exemplaren vergleicht. Dadurch war es nicht möglich alle Kurzschlüsse zu schalten. Überstieg dieser Kurzschluss einen bestimmten Wert, konnte der Hauptschalter explodieren. Deshalb musste die beschränkte Schaltleistung bei einem Kurzschluss beschränkt werden.

Das heisst, bei einem zu hohen Kurzschluss blieb der Hauptschalter blockiert und schaltet nicht mehr aus. Der auf der Lok entstandene Kurzschluss wird in die Fahrleitung übertragen und kann letztlich nur im Unterwerk abgeschaltet werden. Man nannte diese Beschränkung durch das Schaltvermögen fachlich Kurzschlussblockierung. Was eine Eigenart der Ölhauptschalter ist.

Bei der Kurzschlussblockierung wurde bei einem bestimmten Strom verhindert, dass das Signal zur Auslösung an den Hauptschalter gelangen konnte. Dadurch blieb der Hauptschalter eingeschaltet und konnte nicht ausgeschaltet werden. Durch die Kurzschlussblockierung entstand so die Situation, dass eine Lokomotive nicht mehr ausgeschaltet werden konnte.

Mit der Kurzschlussblockierung sind wir zur Steuerung des Ölhauptschalters gekommen. Diese erfolgte in den meisten Fällen über elektrische Kontakte. Die dabei verwendeten Schaltelemente bewegten letztlich die Schaltkontakte des Hauptschalters. Dank den mehreren Spulen konnte man verhindern, dass der Schalter eingeschaltet werden konnte, weil entsprechende Einrichtungen in die Zuleitung geschaltet wurden.

Beim Ausschaltbefehl hatte man jedoch die Möglichkeit, diese Kontakte parallel zu schalten. Eine Schutzeinrichtung konnte so den Hauptschalter zur Auslösung bringen und gleichzeitig verhindern, dass dieser wieder eingeschaltet werden konnte. Gleichzeitig war gesichert, dass der Hauptschalter bei einem kurzzeitig auftretenden Bügelsprung nicht ausschaltete.

Da man den elektrischen Steuerkontakten anfänglich nicht vollumfänglich glaubte, war eine manuelle Auslösung des Hauptschalters vorhanden. Diese war mit einem langen Hebel verbunden, die letztlich die Kontakte trennte. Bei einigen Rangierlokomotiven steuerte man den Hauptschalter manuell. Diese Lokomotiven hatten deshalb ein Rad im Führerstand, das den Hauptschalter einschaltete.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass der Ölhauptschalter gut und zuverlässig funktionierte. Er war etwas schwer geraten und konnte allenfalls nicht mehr alle Kurzschlüsse abschalten. Man musste deshalb viel in den Unterhalt dieser Hauptschalter stecken. Da es aber bald 100 Jahre alte Lokomotiven gibt, die diesen Typ verwenden, zeigt klar auf, der Ölhauptschalter funktioniert.

Der Drucklufthauptschalter löste die Ölhauptschalter schlicht und einfach ab. Der mit Druckluft betriebene Hauptschalter war besser. Von allen hier beschriebenen Hauptschaltern ist er der einzige, der die eigentlichen Schaltkontakte auf dem Dach hat. Diese bestehen zudem aus mehreren Teilen. Im Grunde kommen beim Drucklufthauptschalter zwei separate Schalter zur Anwendung. Es ist deshalb ein Leistungsschalter und ein Trennmesser vorhanden.

Das Trennmesser besorgt die sichere und vor allem von der Druckluft unabhängige Trennung. Dadurch ist gesichert, dass bei Drucklufthauptschalter eine ruhende saubere Trennung entsteht. Da ein Trennmesser aber nur im ausgeschalteten Zustand geschaltet werden darf, benötigt der Hauptschalter zusätzlich noch einen Leistungsschalter. In diesem erfolgt dann die eigentliche Schaltung. Wir betrachten uns deshalb den Schaltvorgang genauer.

Beim Einschalten des Hauptschalters wird nur das Trennmesser geschlossen. In dem Moment wo der für das Trennmesser gefährliche Strom fliesst ist es geschlossen, es entsteht kein Abreissfunke. Deshalb kann der Hauptschalter auch ohne Druckluft eingeschaltet werden, denn um das Trennmesser zu bewegen benötigt man keine Druckluft. Weitere Schaltungen bei den Hauptkontakten gibt es nicht.

Beim Ausschalten kommt der Leistungsschalter ins Spiel. Er befindet sich in einem geschlossenen Gehäuse. Durch Druckluft wird er geöffnet. Dazu wird ein Kontakt, der speziell beschichtet ist, weggezogen. Dadurch entsteht ein Abreissfunke, der mit der Druckluft ausgeblasen wird. Erst jetzt erfolgt die Trennung des Trennmessers, der Leistungsschalter kann wieder geschlossen werden, denn er hat seine Aufgabe übernommen.

Da für die Löschung des Funkens Druckluft benötigt wird, muss verhindert werden, dass der Hauptschalter ausgeschaltet werden kann, wenn der Druck nicht zum löschen des Funkens ausreicht. Deshalb ist bei einem Drucklufthauptschalter eine Niederdruckblockierung vorhanden. Der Hauptschalter löst automatisch aus, wenn der kritische Druck erreicht wird.

Sinkt der Druck weiter und wird der Hauptschalter eingeschaltet, kann er nicht mehr sicher ausschalten, deshalb ist jetzt die Niederdruckblockierung aktiv und verhindert, dass es zu einem Ausschaltversuch kommen kann, der schädlich wäre. Ab jetzt muss der Druck wieder steigen, denn sonst bleibt der Hauptschalter eingeschaltet auch wenn keine Druckluft mehr vorhanden wäre.

Die Kontakte eines Drucklufthauptschalters können manuell, mit elektrischen Motoren oder mit Druckluft geschlossen werden. Da beim Hauptschalter schon Druckluft benötigt wird, ist es nahe liegend, dass man zum schalten der Kontakte Druckluft verwendet. Dadurch entstehen zudem schnelle Schaltfolgen, die sehr nützlich sind, wenn der Hauptschalter wieder sofort ausgeschaltet werden muss.

Mit Hilfe von drei Spulen wird der Hauptschalter geschaltet. Diese Spulen öffnen jeweils das Ventil und lassen die Druckluft zu den eigentlichen Steuergliedern. Beim einschalten wird die Einschaltspule mit Spannung versorgt. Dadurch wird das Trennmesser auf dem Dach geschlossen und der Hauptschalter ist eingeschaltet. In der Folge wird die Haltespule aktiviert und die Einschaltspule fällt ab.

Der Hauptschalter bleibt so lange eingeschaltet, bis die dritte, die Ausschaltspule, aktiviert wird. Die Haltespule wird deaktiviert und die Ausschaltspule setzt den Ausschaltvorgang in Aktion. Nachdem diese Ausschaltung erfolgt ist, fällt auch die dritte Spule ab und der Hauptschalter ist wieder in der Ausgangslage. Der Schaltvorgang kann von vorne beginnen.

Der Drucklufthauptschalter ist viel leichter als der vorher beschriebene Ölhauptschalter. Er ist auch in der Lage hohe Kurzschlussströme auszuschalten. Dadurch ist er viel besser auch für hohe Leistungen geeignet. So können dank dem Drucklufthauptschalter auch Lokomotiven mit sehr hohen Leistungen nur mit einem Hauptschalter betrieben werden.

Ein Fehler bildet die Niederdruckblockierung, denn so können Situationen entstehen, die eine Lokomotive unkontrolliert fahren lassen. Es muss deshalb verhindert werden, dass der Hauptschalter bei aufgeschaltetem Stufenschalter eingeschaltet werden kann, den so ist zumindest verhindert, dass die Lok unkontrolliert fährt und nicht ausgeschaltet werden kann. Da der Hauptschalter auch manuell eingeschaltet werden kann, muss Personal entsprechend ausgebildet und die Einhaltung dieser Vorschriften kontrolliert werden.

Trotz allem kam der Drucklufthauptschalter in der Schweiz zu einer sehr grossen Verbreitung und viele Lokomotiven hatten nachträglich an Stelle eines Ölhauptschalters ein mit Druckluft betriebenes Modell bekommen. Die Tatsache, dass trotz der gefährlichen Niederdruckblockierung nie ein entsprechender Unfall passiert ist, zeigt deutlich, wie gut die Vorgaben durch das Personal eingehalten werden.

Der Vakuumhauptschalter ist die neuste Entwicklung unter den Hauptschaltern. Statt mit Öl oder Druckluft wird hier der Funke im Vakuum gelöscht. Dabei hat man festgestellt, dass der Abreissfunke im Vakuum gar nicht entstehen kann, denn die Luft, die dafür verantwortlich ist fehlt schlicht. Der Funke hat somit nichts, das er zur Ausbreitung nutzen kann. So entsteht schon gar kein Funken.

Die Schaltkontakte sind in einem geschlossenen Gehäuse untergebracht. Dieses ist mit einem Vakuum versehen. Die grösste Schwierigkeit beim Bau eines solchen Hauptschalters ist die Beibehaltung dieses Vakuums, denn kommt nur wenig Luft in den Schaltraum, wird der Schalter augenblicklich zerstört. Deshalb muss man das vorhandene Vakuum überprüfen. Dank gut gefertigten Materialien bleibt das Vakuum auch langfristig erhalten.

Zudem kann man einen Vorteil des Schaltvorganges nutzen. Wie bei jedem Schalter, kann auch hier der Schalter ohne Vakuum eingeschaltet werden. Der Grund liegt darin, dass hohe Ströme und Spannung immer nur beim ausschalten problematisch sind, da die Spannung durch die Luft mitgezogen wird und so der Strom weiter fliessen kann. Es entsteht deshalb ein Funke.

Der Vorteil des Vakuumhauptschalters liegt in der hohen Leistung. Er kann wie das mit Druckluft betriebene Modell auch sehr hohe Kurzschlüsse abschalten, hat aber keine Niederdruckblockierung und besitzt deshalb ein kleineres Gefahrenpotential. Das macht den Hauptschalter grundsätzlich besser, da aber auch er nicht ohne Mangel ist, ist immer noch kein Hauptschalter ohne Problempunkte vorhanden.

Hier liegt das Problem beim Vakuum, denn ist dieses nicht vorhanden, kann der Hauptschalter auch nicht zerstörungsfrei ausgeschaltet werden. Erzeugt man dieses Vakuum mit einer Pumpe, kann es passieren, dass der Hauptschalter so lange nicht ausgeschaltet werden kann, bis das Vakuum erstellt worden ist. Dass das nicht passiert, hat man eine einfache aber wirksame Regelung eingeführt. Der Hauptschalter schaltet prinzipiell nur bei vorhandenem Vakuum.

Ein weiterer Vorteil ist die Tatsache, dass man eigentlich keinerlei Druckluft benötigt, denn der Hauptschalter könnte auch mit elektrischen Schaltgliedern ausgerüstet werden. Da aber auch hier Schnelligkeit gefragt ist, betreibt man auch diesen Hauptschalter mit Druckluft. Sie wird aber nur zum schalten benötigt und hat eigentlich keinen Einfluss auf den eigentlichen Schaltvorgang.

Mit dem Vakuumhauptschalter hat man einen guten und sicher funktionierenden Hauptschalter geschaffen. Sein Nachteil ist aber sein Preis und der benötigte Platz. Trotzdem sollte man sich langfristig diesen Platz sichern, denn bisher gab es noch keinen Hauptschalter, der so wenige Schwachpunkte hat und der zudem noch zuverlässig funktioniert und letztlich ist das wichtig.

Natürlich gibt es noch viele andere Hauptschalter, die zum Teil mit kombinierten Schaltungen arbeiten, aber diese drei Grundmodelle sind die am häufigsten verwendeten Modelle. Vor allem werden diese Hauptschalter bei den Lokomotiven der SBB und BLS verwendet. Es gibt zwar abweichende Hersteller, aber im Grunde sind es diese drei Grundtypen die verwendet werden. Der nun vorgestellte Gleichstromschnellschalter ist näher mit diesen Modellen verwandt als man meinen könnte.

Wie es der Name schon sagt, ist der Hauptschalter für Bahnen gedacht, die mit Gleichstrom betrieben werden. Bei keinem der bisher erwähnten Hauptschalter liegt das Problem so deutlich vor wie beim Schnellschalter für Gleichstrom. Grundsätzlich kann aber gesagt werden, dass es auch ein ganz gewöhnlicher Hauptschalter ist. Nur eben für Gleichstrom und genau hier setzen wird jetzt an.

Wie schon gesagt, das Problem bei allen Hauptschaltern ist das Ausschalten. Das ist bei Gleichstrom genau so, denn bis hier gibt es keinen Unterschied, denn bei allen Modellen entsteht ein Abreissfunke. Und genau hier beginnen die Probleme beim Gleichstrom. Damit wir das verstehen können, muss ich etwas ausholen, denn zuerst müssen wir das Problem kennen lernen.

Der Abreissfunke entsteht, wenn zwei unter hoher Spannung stehende Kontakte getrennt werden. Die anfänglich noch sehr kleine Distanz der Kontakte lässt dazwischen einen Lichtbogen entstehen. Dieser wird durch die Leitungsfähigkeit der Luft erzeugt. Entfernen sich die Kontakte immer weiter, wird der Lichtbogen immer grösser und durch die thermische Belastung die Luft in dem Bereich immer leitungsfähiger.

Der Abreissfunke wird deshalb mitgezogen und nimmt grössere Ausmasse an. Das geht so lange, bis die Luft nicht mehr vermag die Lücke zu überbrücken. Genau dieser Zeitpunkt ist das Problem, denn nun entsteht die grösste Leistung und die Kontakte können schmelzen. Bis hier gibt es zwischen Wechselstrom und Gleichstrom keinen Unterschied, denn Spannung ist Spannung und die Folgen sind gleich.

Der Unterschied entsteht nun in dem Moment, wo der Luftspalt an der kritischen Grösse angelangt ist. Bei Wechselstrom erfolgt durch die Frequenz vorgegeben eine Umkehr des Stromflusses. Genau dieser Wechsel führt dazu, dass der Funke abreisst und erlischt. Denn bei jedem Nulldurchgang erlischt der Funke und wird danach erneut gezündet. Wenn aber die Distanz zu gross wird, erfolgt keine neue Zündung mehr.

Bei Gleichstrom findet diese Wechsel jedoch nicht mehr statt. Das heisst, der Funke kann unter Gleichstrom eine viel höhere Distanz überbrücken. Die Kontakte werden also noch mehr belastet. Der Abreissfunke wird viel grösser und könnte sogar stehen bleiben, wenn die Kontakte die Endposition erreicht haben. Der Schalter schaltet nicht mehr aus und wird zerstört.

Damit man trotzdem bei Gleichstrom abschalten kann, müssen sich die Kontakte schnell entfernen. Deshalb wählte man bei den für Gleichstrom gebauten Hauptschaltern die Bezeichnung Schnellschalter. Nur so kann der gelöschte Funke sauber und sicher getrennt werden. Ein Schnellschalter ist deshalb ein sehr flinker Schalter.

Von den vorher aufgezeigten drei Hauptschaltern sind rein theoretisch alle drei Typen geeignet. Nur muss man dafür sorgen, dass sich die Kontakte schnell trennen. Mit Vorteil nutzt man deshalb Druckluft oder ein Vakuum. Gerade die Vakuumhauptschalter kommen sehr gut mit Gleichstrom klar. Auch das hier als Beispiel verwendete Modell eines Drucklufthauptschalters kann für Gleichstrom genutzt werden.

Nachdem wir uns nun vom Dach über den Hauptschalter in den inneren Bereich einer elektrischen Lokomotive vorgewagt haben, wird es Zeit, sich etwas mit der Hochspannung vertraut zu machen. Den Transformator behandeln wir erst im Anschluss, denn damit werden wir dann den Bereich der Hochspannung verlassen. Wir betrachten also zuerst den Stromkreis der Hochspannung.

Hier hat der Transformator eine wichtige Aufgabe. Diese wollen wir kurz anschneiden. Warum das aber so ist und wie man das genau macht, lassen wird vorderhand noch sein. Einfach gesagt ist der Transformator nichts anderes, als ein Widerstand, der verhindert, dass ein Kurzschluss entsteht. Er ist also der Verbraucher in der Leitung.

Wir betrachten zuerst den Weg des Stromes vor dem Transformator und dann danach. Ob sich letztlich dazwischen etwas anderes, wie zum Beispiel eine Glühbirne befindet ist nebensächlich, wir benötigen einfach einen Verbraucher und das ist bei Wechselstromlokomotiven in der Regel der Transformator. In diesem Abschnitt ist er deshalb nicht wichtiger als eine Glühbirne, denn wir betrachten ihn einfach als Verbraucher.

Den Bereich vor dem Verbraucher nennt man Hochspannungsbereich. Da elektrische Lokomotiven in der Regel auf den Boden, also auf Erde geschaltet werden, wird es für einen Menschen gefährlich, wenn er mit Bauteilen in diesem Bereich in Berührung kommt. Deshalb sind die nun vorgestellten Bauteile nicht frei zugänglich und mit speziellen Massnahmen gesichert.

Doch nun wieder zu unserem Stromverlauf. Die Spannung aus der Fahrleitung ist ja über den Stromabnehmer und die Dachleitung zum Hauptschalter gekommen. Die nun folgenden Bereiche sind deshalb geschaltet. Das heisst, sie können vom Fahrleitungsnetz getrennt werden. Das war vor dem Hauptschalter noch nicht der Fall. Nun müssen wir aber die Spannung vom Hauptschalter zum Verbraucher bringen.

Die Lücke zwischen Schalter und Verbraucher wird mit einem Hochspannungskabel überbrückt. Im Grunde machen Sie das ja mit einem Kabel am Staubsauger auch. Nur kann das dort verwendete Kabel nicht mit einem Hochspannungskabel verglichen werden. Aber etwas gilt auch hier, denn aussen ist ein Hochspannungskabel ungefährlich, denn es enthält eine Isolation. Dadurch gibt es bereits Lokomotiven, die an Stelle einer Dachleitung ein Kabel benutzen.

An die Isolation eines Hochspannungskabels sind aber höhere Anforderungen gestellt. So muss man darauf achten, dass es mechanisch nicht so stark beschädigt werden kann, dass die Spannung plötzlich frei liegt. Der Leiter dieser Kabel ist deshalb oft dünner, als die Isolierung darum herum. Zu Schutz der Isolation dienen zum Teil Geflechte aus Draht, die in der Isolation selber eingebunden sind. Damit kann die Isolation nicht so leicht beschädigt werden.

Damit wir einige Informationen für das Bedienpersonal haben, sind in diesem Bereich ein paar Messeinrichtungen vorhanden. Dabei hat man aber ein Problem, denn will man die Werte für Strom und Spannung anzeigen, benötigt man grosse und schwere Instrumente. Hinzu kommt, dass so Hochspannung an Orte gelangt, wo man sie eigentlich gar nicht haben will. Deshalb schliesst man diese Instrumente nicht direkt an.

Um den erlaubten Strom in der Zuführung überhaupt messen zu können, benötigt man den Primärstromwandler. Ein Wandler ist eigentlich ein Transformator, der jedoch viel genauer aufgebaut ist, und nicht zum Umwandeln von grossen Leistungen ausgelegt ist. Einfach gesagt, misst dieser Wandler den Strom in der primären Stromleitung und wandelt diesen Strom in einen messbaren Strom um. Aus 600 Ampére wird so 1 Ampére, was zum Beispiel an einem Messgerät angezeigt werden kann.

Was für den Strom der Stromwandler ist, ist für die Spannung der Spannungswandler. Im Aufbau unterscheiden sich diese beiden Wandler grundlegend. Darauf wollen wir aber nicht eingehen, denn für uns soll es reichen, dass der Spannungswandler die hohe Spannung in eine kleine für die Instrumente geeignete Spannung umwandelt. Auf 15'000 Volt werden so plötzlich nur noch 5 Volt.

Spannungswandler kommen nur auf Lokomotiven vor, die die Spannung auch bei ausgeschalteter Lokomotive anzeigen können. Er ist deshalb vor dem Hauptschalter montiert worden. Bei Lokomotiven wo diese Möglichkeit nicht besitzen, wählte man dazu eine Lösung über den normalen Transformator. Womit wir wieder beim Verbraucher angelangt sind.

Nach dem Verbraucher müssen wir nun diesen mit dem Boden verbinden. Das erfolgt eigentlich einfach, denn man verbindet das auf dieser Seite liegende Ende nur mit dem Fahrzeug. Das ist schon alles, was man machen muss. Gerade ein Fahrzeug hat aber ein Problem, das wir nicht vernachlässigen dürfen. Es sind die Lager. Denn nun fliesst der Strom über die Lager in die Schienen und somit in den Boden.

Mit Hilfe von Erdungsbürsten baut man deshalb eine Umleitung. Diese Erdungsbürsten verbinden deshalb unseren Verbraucher direkt mit dem Rad und somit mit der Schiene. Diese Erdungsbürsten sind einem gewissen Verschleiss unterworfen und so kann es passieren, dass sie das Rad nicht mehr berühren. Die Lokomotive würde nun unter Hochspannung stehen.

Deshalb sind immer mehrere Erdungsbüsten vorhanden, die in der Länge unterschiedlich sind. Diese Erdungsbüsten müssen deshalb regelmässig kontrolliert werden. Liegt eine Erdungsbüste nicht mehr an, wird sie durch eine neue ersetzt, die dann die grösste Länge hat. So ist gesichert, dass immer Bürsten mit unterschiedlichen Längen montiert sind.

Da wir nun wieder auf dem Boden angelangt sind, hat sich unser Weg durch den unter Hochspannung stehenden Bereich erledigt. Wir wissen nun, dass der Strom aus der Fahrleitung über Stromabnehmer, Dachleitung, Hauptschalter und Verbraucher zu den Erdungsbüsten in den Boden fliesst. Deshalb wird es Zeit, dass wir den Verbraucher etwas genauer ansehen.

Der Transformator ist ein Bauteil, das nur bei Bahnen verwendet werden kann, die mit Wechselstrom arbeiten. Auch Drehstrom kann bei Transformatoren verwendet werden. Bahnen, die mit Gleichstrom arbeiten, können den Transformator nicht nutzen und müssen andere Lösungen finden. Hier auf dieser Seite wollen wir jedoch nur noch den Weg weiter verfolgen, den die Bahnen beschritten haben, die mit Wechselstrom betrieben werden.

Anfänglich stand der Transformator noch nicht zur Verfügung, deshalb wurden die ersten elektrischen Anlagen und Bahnen mit Gleichstrom betrieben. Die ersten funktionierenden Transformatoren standen dann ab 1885 zur Verfügung. Dies nachdem in Ungarn die ersten Patente erteilt wurden. Heute funktioniert kaum ein Gerät mehr ohne Transformator. Wenn Sie mir nicht glauben, dann schauen Sie sich zu Hause um.

Ohne die Transformatoren in den Leitungen hätten Sie jetzt gar keinen Wechselstrom im Haus. Auch Ihr Computer hat vermutlich einen Transformator eingebaut und wenn Sie einen Fernseher benutzen, benötigt auch der einen Transformator. Sie sehen, es gibt Transformatoren überall und sie funktionieren sehr gut, denn die ältesten Transformatoren arbeiten immer noch zuverlässig.

Vielleicht ist Ihnen vorher etwas aufgefallen, ich sprach doch von Wandlern. Sie fragten sich vielleicht wo der Unterschied genau liegt. Ich behaupte jetzt einfach es liegt an der Sprache. Wenn wir in einem Wörterbuch nachschlagen würden, fänden wir unter dem Begriff transformieren die Definition etwas umwandeln. Somit ist ein Transformator ein Wandler und umgekehrt.

Die Funktion basiert auf dem Prinzip des Elektromagnetismus. Für Profis kämen hier nun Fachbegriffe, die für einen Laien wie fachchinesisch klingen. Um aber die Laien zu beeindrucken, werfe ich hier ein paar Namen in die Runde. Tesla bezeichnet die magnetische Flussdichte und Henri die magnetische Feldstärke. Sie sehen, wirklich nur Fachchinesisch.

Bei einem Transformator wird ein Kupferdraht um einen Kern aus Eisen gewickelt. Dieser Draht ist mit dem Hauptschalter und der Erdungsbüste verbunden. Durch den nun fliessenden Strom entsteht in der Wicklung, die wir einfach Spule nennen wollen, ein Magnetfeld. Dieses Magnetfeld wird nun in den Eisenkern übertragen. Dadurch entsteht ein elektrischer Widerstand in der Spule. Genau nennt man diesen Effekt einen induktiven Widerstand.

Funktionieren kann das aber nur, wenn der Stromfluss in der Spule ändert. Das ist bei Wechselstrom der Fall. Und genau hier liegt nun der Grund, warum ein Transformator bei Gleichstrom nicht funktioniert. Bei Gleichstrom findet keine Induktion statt und es entsteht kein induktiver Widerstand, die Folge ist, dass die Spule nur den Widerstand hat, der durch den Kupferdraht erzeugt wird. Gleichstrom fliesst deshalb nahezu ungehindert durch einen Transformator und es findet keine Induktion in eine andere Spule statt.

Die zwei Spulen oder Wicklungen haben einen ganz bestimmten Namen bekommen. So spricht man von einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung. Welche in Transformator nun Primär und Sekundär ist, hängt davon ab, welche Spule wir an die Spannungsquelle anschliessen. Transformatoren können nämlich in beide Richtungen betrieben werden.

Einen Unterschied ergibt sich nur in der Auswirkung. Entweder erhalten wir in der zweiten Spule eine geringere Spannung oder aber eine höhere Spannung. Entscheidend sind die Anzahl Windungen in den jeweiligen Spulen. Hat die Sekundärwicklung mehr Windungen als die Primärwicklung, erhalten wir eine höhere Spannung. Doch genug der Worte, schauen wir uns diese beiden Spulen genauer an.

Primärwicklung: Die Primärwicklung, also die Spule, die an der Versorgung angeschlossen ist, erzeugt in unserem Eisenkern ein Magnetfeld. Die Stärke dieses Magnetfeldes hängt von der Spannung und der Frequenz ab. Das heisst, haben wir nicht die für die anliegende Spannung passende Spule und den passenden Eisenkern funktioniert unser Transformator nicht richtig.

Hier liegt auch der Grund, dass ein Transformator, der für 50 Hertz ausgelegt ist unter 16.7 Hertz nur eine geringere Leistung hat. Durch die geringere Frequenz kann im Eisenkern nur ein kleineres Magnetfeld erzeugt werden. Will man einen Transformator für 16.7 Hertz bauen, benötigt man deshalb viel mehr Eisen. Transformatoren die für beide Systeme gebaut wurden haben in beiden Bereichen nicht die optimale Leistung.

Sekundärwicklung: Die zweite Wicklung ist die Sekundärwicklung. Sie wird bei einem normalen Transformator als eigene von der anderen Wicklung unabhängige Spule aufgebaut. Hier erzeugt das Magnetfeld aus dem Eisenkern eine Spannung, die dann an den Anschlüssen abgenommen werden kann. Wie gross diese Spannung ist, hängt vom Verhältnis der Windungen zwischen den beiden Spulen ab. Dazu ein kleines Beispiel:

Unser Transformator hat in der Primärwicklung 15'000 Windungen und wird mit 15'000 Volt versorgt. Sekundär haben wir 150 Windungen und somit eine Spannung von 150 Volt. Mit dem Strom passiert nun etwas ganz anderes, denn hier verläuft der Wert umgekehrt. Das heisst, wir erhalten mehr Strom, als in der Primärspule fliesst. Wenn Primär 1 Ampére fliesst, erhalten wir Sekundär 100 Ampére. Wichtig ist einfach, dass wir wissen, in der Primärspule ist die gleiche induktive Leistung vorhanden wie in der Sekundärspule, das heisst in unserem Beispiel 15'000 VA.

Unser Beispieltransformator hat noch einen Nebeneffekt, den wir nicht vernachlässigen dürfen. Berühren wir einen Draht der Sekundärspule und stehen auf dem Boden passiert nichts. Wir bekommen keinen Stromschlag, weil es zwischen der Spule und dem Boden keine elektrische Verbindung gibt. Das macht man sich bei speziellen Transformatoren zu nutze. Deshalb wollen wir ein paar Bauformen ansehen.

Den vorher beschriebenen Transformator nennt man normal. Ein Transformator ist also normalerweise so aufgebaut. Das heisst, er hat zwei Spulen, die elektrisch nicht miteinander verbunden sind. Man nennt das auch eine galvanische Trennung. Diese normalen Transformatoren kommen aber nicht überall zur Anwendung. Bevor wir diese speziellen Bauformen genauer ansehen, ein paar Worte zum Standardmodell.

Durch die zwei Spulen wird der Transformator schwer. Es ist viel Kupfer nötig um die Spulen zu erzeugen. Damit Sie sich ein Bild machen können, erkläre ich das an unserem Beispiel. Die Leistung wäre viel höher, denn der induktive Widerstand und der ohmsche Widerstand wären zu klein, dass nur ein Ampére fliesst. Deshalb müssten mehr Windungen verwendet werden. Das heisst automatisch auch mehr Kupfer.

Kupfer ist aber schwer und so wird unser Transformator sehr schwer. Es verwundert deshalb nicht, dass unser Transformator das grösste und schwerste Bauteil bei einer Lokomotive ist. Deshalb benötigen wir einen speziellen Ort um den Transformator zu montieren. Das ist meistens in der Mitte der Lok. So ist die Gewichtsverteilung möglichst gleichmässig. Aber nicht jeder Transformator steht im Maschinenraum.

Bei modernen Lokomotiven, aber auch bei Triebwagen werden Transformatoren unterflur montiert. Das heisst, sie sind nicht mehr im eigentlichen Maschinenraum platziert, sondern unter dem Fahrzeugboden aufgehängt. Der Vorteil dieser Bauweise ist, dass der Durchgang durch das Fahrzeug in einem geraden Gang möglich ist. Einen Nachteil bildet jedoch die Gefahr von Beschädigungen durch im Gleis liegende Gegenstände.

Soweit zu den normalen Transformatoren. Die nachfolgend aufgeführten Transformatoren haben allesamt eine spezielle Bezeichnung erhalten. Wenn Sie deshalb einen Transformator für Ihre Modellbahn kaufen, können Sie sicher sein, dass es sich um einen normalen Transformator handelt. Die Vorschriften lassen dort nämlich keinen der hier beschriebenen Transformatoren zu.

Trenntransformator: Der Trenntransformator arbeitet genauso wie unser normaler Transformator, nur dass er bei beiden Spulen die gleiche Anzahl Windungen hat. Somit bietet er auf beiden Seiten die gleiche Spannung an. Eigentlich könnte man jeden normalen Transformator Trenntransformator nennen. Verwendet wird der Begriff aber nur bei diesen speziellen Transformatoren.

Sie fragen sich jetzt, warum man denn so einen Transformator baut. Wo liegt der Grund für die auf beiden Seiten gleiche Spannung. Gehen wir dazu in Ihr Bad. Sie liegen genüsslich in der Badewanne und daneben frisiert sich gerade Ihre Frau. Dabei entgleitet ihr der Fön und fällt in Ihre Badewanne. Das sind dann Ihr Pech und das Glück Ihrer Frau. Zumindest dann wenn sie ihn hat absichtlich fallen lassen.

Dabei passiert folgendes. Der Strom im Fön wird durch Ihr Badewasser mit der Erde verbunden und es fliesst nun ein hoher Strom gegen die Erde ab. Der Grund dazu liegt im Kraftwerk, denn dort ist ein Leiter, der so genannte Nullleiter mit der Erde verbunden. Sie erleiden dadurch einen tödlichen Stromschlag und Ihre Frau kann endlich den Hausfreund zu sich ziehen lassen.

Haben Sie nun einen Trenntransformator eingebaut, ist dieser nicht mit einem metallischen Leiter mit dem Kraftwerk verbunden, da die beiden Spulen keine elektrische Verbindung haben. Sie sind wie beim normalen Transformator galvanisch getrennt. Hier liegt auch der Grund für den Namen.

Ihre Frau kann nun den Fön so lange in die Badewanne werfen wie sie will, Ihnen passiert nichts, weil der Kurzschlussstrom nicht über die Erde abfliessen kann. Es besteht ja nirgends eine metallische Verbindung. Es entsteht zwar ein Kurzschluss auf der Sekundärspule des Trenntransformators aber auch nicht mehr. Der Trenntransformator schützt Sie aber nicht Ihre Frau, denn Sie können sie nun zur Rechenschaft ziehen und rechtliche Schritte einleiten.

Versuchen Sie es nicht, Ihr Haus hat sicher keinen Trenntransformator und Sie sollten aufpassen, wenn Ihre Frau die Haare trocknet und Sie in der Badewanne liegen. Trenntransformatoren werden in öffentlichen Bädern für die Beleuchtung der Schwimmbecken verwendet. Bei speziellen Arbeiten, wo es eventuell für den Arbeiter zu gefährlich werden kann sind solche Trenntransformatoren vorgeschrieben.

Solche Trenntransformatoren sind aber auch in Lokomotiven im Einsatz, denn ein Transformator mit zwei Spulen ist immer ein Trenntransformator, auch wenn er die Spannung umwandelt. Deshalb merken Sie sich, dass ein Transformator mit zwei Spulen immer eine galvanische Trennung ermöglich. Es sei den, Sie sind so blöd und verbinden ein Kabel der sekundären Seite mit der Erde.

Spartransformator: Da Metalle schwer sind, versucht man immer wieder Lösungen zu finden, um Gewicht zu sparen. Gerade bei Lokomotiven mit hohen Leistungen, wird oft um jedes Gramm gekämpft. Bei einem Transformator kommen zwei Metalle zur Anwendung. Das ist in der Regel Kupfer für die Spulen und Eisen für die Kerne.

Die Grösse des Eisenkerns ist durch die Frequenz gegeben, da kann nicht an Gewicht gespart werden. So muss man Kupfer sparen. Das tut man, indem man statt zwei nur eine Spule einbaut, die mehrere Anzapfungen, respektive Anschlüsse hat. Es findet deshalb keine galvanische Trennung mehr statt. Solche Transformatoren werden deshalb Spartransformator, aber auch Autotransformator genannt.

Vorher habe ich den Begriff Anzapfung verwendet. Anzapfungen sind nichts anderes, als Anschlüsse irgendwo in der Spule. Dazu wieder zu unserem Transformator. Ich habe in der Primärspule 15'000 Windungen. Baue ich in dieser Spule nach 150 Windungen einen Anschluss ein, habe ich die gleiche Spannung wie auf der anderen Spule.

So können an einem Transformator dank den Anzapfungen mehrere unterschiedliche Spannungen abgenommen werden. Es ist so möglich, einen Motor mit unterschiedlichen Spannungen zu betreiben. Womit wir eigentlich schon bei der Regulierung der Fahrmotoren angelangt sind. Dazu kommen wir aber erst weiter unten in diesem Artikel.

Um noch rasch ein paar Worte zu unserem Spartransformator zu verlieren, folgt hier ein Hinweis. Wie gerne die Bahnen solche Transformatoren hätten, es wird immer ein Transformator mit zwei getrennten Spulen verwendet. Es gibt im Bestand der SBB und der BLS nur eine einzige Lokomotive mit einem Spartransformator und diese hat letztlich zwei Transformatoren eingebaut. Ich spreche von der Re 6/6 der SBB. Alle anderen Lokomotiven haben einen ganz normalen Transformator mit zwei Spulen. Wobei, jeder davon hat mindestens eine Anzapfung auf primärer Seite, diese wird für die Heizung der Wagen genutzt.

Speziell bei Transformatoren ist, dass sie obwohl sie rein rechnerisch keine Leistung vollbringen, warm werden. Der Grund liegt dabei in den elektrischen Leitungen. Diese werden möglichst knapp bemessen, so dass Gewicht gespart werden kann. Hinzu kommt, dass die verwendete Isolation ebenfalls knapp bemessen wird. Man muss deshalb bei Transformatoren Massnamen zur Kühlung und Isolation ergreifen.

Bei älteren Transformatoren nutzte man dazu einfach die Luft. Das heisst, man verwendete ausreichend grosse Isolationen und schaffte zwischen den einzelnen Windungen genug Platz, dass die Luft zirkulieren konnte. Diese Möglichkeit der Kühlung ergab aber schwere Transformatoren, die nur mit relativ bescheidenen Leistungen aufwarten konnten. Deshalb verwendete man andere Stoffe, die wir hier kurz vorstellen.

Transformatoröl: Eine wirksame Möglichkeit die Isolation in einem Transformator zu verbessern ist die Verwendung von Öl. Dabei kommen spezielle für diesen Zweck entwickelte Öle zur Anwendung. Man nennt diese Öle deshalb Transformatoröl. Man kann diese Öle aber auch bei anderen elektrischen Geräten verwenden.

Diese Öle zeichnen sich durch eine gute elektrische Isolation aus. Dadurch können die einzelnen Windungen viel näher zusammenrücken und die Isolation selber kann viel dünner und einfacher gestaltet werden. Es überrascht Sie vielleicht, dass man in solchen Transformatoren normales Papier verwendet. Diesem wird das enthaltene Wasser entzogen und durch das Öl ersetzt. Dadurch erhält man eine hervorragende Isolation.

Gleichzeitig dient das Transformatoröl auch als Kühlöl. Das heisst, das Transformatoröl kann die Wärme, die in den Spulen entsteht, ableiten und so die Spule kühlen. Dazu nutzt man natürliche Eigenschaften, denn das erwärmte Öl steigt im Transformator hoch und wird durch kühleres Öl ersetzt. Es entsteht eine natürliche Zirkulation. Diese Methode kommt durchaus bei einigen Transformatoren vor.

Um das Öl haltbar zu machen setzte man diesem früher PCB zu. Dieser Zusatz war auf Chlorbasis aufgebaut und sollte das Öl haltbarer machen. PCB ist eines der schlimmsten Gifte auf der Welt. PCB ist seit 2001 verboten und kommt nur noch in alten Transformatoren zum Einsatz. Dabei stellt PCB zwei Gefahrenpotenziale bereit.

Einerseits ist der Stoff grundsätzlich schon giftig. Gerät aber ein solcher Transformator in Brand, entsteht durch die Verbrennung der Verbrennungsrückstand Dioxin. Dioxin ist ein hochgiftiger Stoff, der durch die Katastrophe von Seveso bekannt geworden ist.  Das als Sevesogift bekannte Dioxin ist im direkten Kontakt hoch giftig und gilt als krebsfördernd. Es ist ebenfalls weltweit verboten.

Mittlerweile wurden aber die meisten dieser Transformatoren ersetzt. Transformatoren auf Lokomotiven gehören aber nicht zu dieser Gruppe. Das heisst, die Öle, die hier verwendet werden sind nicht mit PCB belastet. Das heisst aber nicht, dass diese Öle, sollten sie in die Umwelt gelangen harmlos sind.

Mit Hilfe einer Umwälzpumpe, also einer Pumpe, die das Öl künstlich in Bewegung versetzt kann eine gezielte Kühlung erreicht werden. Solche Umwälzpumpen kommen auch bei anderen Ölen, die zur Kühlung genutzt werden zum Einsatz. Sie sorgen dafür, dass sich kein Öl an einer Stelle zu stark erwärmen kann. Auch Wasser kann mit Hilfe einer Umwälzpumpe zur Kühlung genutzt werden. Dabei hat Wasser durchaus so gute Eigenschaften wie das Öl.

Kühlwasser: Natürlich kann man nicht normales Wasser benutzen, denn durch dieses würde ein Kurzschluss entstehen. Der Grund liegt in den Mineralien, die im Wasser enthalten sind. Das ist auch ein Grund, warum man lange Jahre auf die Anwendung von umweltschonendem Wasser verzichtete.

Zwar wusste man immer, wie man chemisches Wasser, also die Verbindung zwischen Sauer- und Wasserstoff herstellen konnte. Nur diese reine Form von Wasser ist für den Einsatz in Transformatoren geeignet. Sobald sich im Wasser Spuren eines Minerals befinden wird Wasser leitend. Genau das ist der Grund, warum man Wasser nicht verwendete. Bei der Herstellung von Transformatoren und durch die Auswaschungen werden kleinste Teile von Metall frei und das Wasser somit leitend.

Auch heute kommen vielerorts andere Stoffe zur Anwendung, denn die Wasserkühlung steckte noch in den Kinderschuhen, als dieser Artikel erstellt wurde. Bessere Erfahrungen machte man mit Polyolester. Dieses alkoholische Kühlmittel ist einfacher in der Handhabung als Wasser und kommt deshalb bei modernen Lokomotiven zum Einsatz.

Polyolester wird mit POE abgekürzt und besteht aus mehreren Alkoholen, die verestert wurden. Daher auch die Bezeichnung. Polyolester ist in der Anwendung ähnlich wie Wasser und verbindet sich nur schwer mit mineralischen Ölen, wie Transformatoröl. Polyolester gilt deshalb als umweltschonend und kommt bei modernen Lokomotiven zur Anwendung.

Gaskühlung: Die Kühlung mit Luft habe ich ja schon erwähnt. Es gibt aber Transformatoren, die mit Gas gekühlt und isoliert werden. Durch das Gas hat man nicht die Probleme von Öl und Wasser. Gas ist nicht flüssig und kann deshalb keine Metalle auswaschen und so leitend werden. Nicht jedes Gas ist für die Kühlung von Transformatoren geeignet. Es wird deshalb nur SF₆ Gas verwendet.

Es hört sich gefährlich an, dieses Schwefelhexafluorid, auch einfach nur SF₆ genannte Gas. Obwohl es so gefährlich klingt, ist Schwefelhexafluorid wie Edelgase oder Stickstoff ein unbrennbares und ungiftiges Gas. Schwefelhexafluorid ist jedoch kein Edelgas, sondern entstand aus der chemischen Verbindung von Schwefel und Fluor.

SF₆ kann zur Isolation von Transformatoren genutzt werden, weil es aufgrund seiner hohen Dichte sehr schwer ist. Zudem ist es nicht brennbar, was gerade bei Transformatoren hilfreich sein kann. Wer Schwefelhexafluorid einatmet, kann ersticken, weil die Lungen es nur sehr schwer aus dem Körper drücken können. Sie müssen dann einen Handstand machen, damit das Gas aus den Lungen fliessen kann. Auch dieses Gas ist nicht völlig unbedenklich, denn es gilt als eines der schlimmsten Treibhausgase.

Auf Lokomotiven kommen keine Transformatoren mit dieser Kühlmethode zu Anwendung. In den meisten Fällen wird heute Transformatoröl oder Polyolester verwendet das mit einer Umwälzpumpe und Kühlern aktiv gekühlt wird. Aber auch erste Fahrzeuge mit Wasserkühlung kommen vor.

Bevor wir uns mit den Motoren befassen betrachten wir die Regelung der Spannung am Fahrmotor. Das heisst, man benutzt unterschiedliche Spannungen um den Motor zu betreiben. Im Lauf der Jahre hat man dazu diverse Lösungen gefunden. Ich teile diese Regelung der Spannung in zwei Bereiche auf um die Seite etwas übersichtlicher zu gestalten.

Ich beginne mit der klassischen Regelung der Spannung am Fahrmotor. Das heisst, hier werden die Motoren noch mit konventionellen Bauteilen versorgt. Also zum Beispiel mit Schaltern, die der Reihe nach geschaltet werden. Es ist eine Bauform, die seit Beginn der elektrischen Lokomotive verwendet wird und erst mit der modernen Technik eine würdige Ablösung fand.

Dabei dürfen aber keine zu genauen Angaben erwartet werden, denn jeder Hersteller wählte seinen eigenen Weg, der zwar sehr ähnlich zur normalen Regelung ist, aber davon abweicht. Ich habe mich deshalb auf vier Varianten festgelegt. Dadurch ergibt sich in diesem komplizierten Bereich der elektrischen Lokomotive eine übersichtliche Darstellung.

Zuerst betrachten wird die Regelung der Spannung durch umformen der Eingangsspannung. Es ist etwas überraschend, denn die Umformung der Spannung gehört klar in den Bereich der modernen Traktionssteuerung mit Halbleitern. Aber bei der klassischen Regelung vermutet man kam keine Umformung. Ich werfe aber nun in die Runde, dass die erste elektrische Lokomotive die mit Wechselstrom versorgt wurde hier her gehört.

Umformer: Man kann die Spannung aus der Fahrleitung mit Hilfe eines Umformers an die Fahrmotoren anpassen. Der Umformer ist deshalb eigentlich nicht anderes als ein Bauteil das aus einer Spannung eine andere macht. Dabei funktioniert jeder Umformer auf die gleiche Art und Weise. Nämlich mit Motor und Generator. Die oft auch genannten statischen Umformer gehören bereits zur modernen Regelung der Fahrmotoren und haben eine etwas andere Bezeichnung.

Diese Einrichtung aus Motor und Generator nennt man Umformergruppe. Diese besteht aus einem Motor, der an das Leitungsnetz, also an die Fahrleitung angeschlossen ist und einem Generator, der durch diesen Motor angetrieben wird. Diesen Weg wählte man bei der ersten Lokomotive für Wechselstrom. Dabei bot der Umformer viele Vorteile.

Der Motor konnte optimal eingesetzt werden. Denn um 1900 herum wusste man noch nicht genau, wie man die Drehzahl eines Motors für Wechselstrom regelte. Durch den Umformer konnte man einen Motor mit fester Drehzahl wählen und so optimal nutzen. Zudem war dieser Motor fest in der Lokomotive eingebaut und so stabil gelagert. Was für einen schweren Motor sicher sinnvoll ist.

Der Generator, also der Teil der Umformergruppe, der die neue Spannung erzeugt, konnte so eine Spannung liefern, die man regulieren konnte. Generatoren gibt es hauptsächlich in Kraftwerken. Sie funktionieren grundsätzlich umgekehrt zu den Motoren. Das heisst, beim Generator wird eine Welle angetrieben und so eine Spannung erzeugt.

Durch das drehen der Welle entsteht dank dem Elektromagnetismus eine Spannung in den Spulen des Generators. Der elektrische Aufbau eines Generators entspricht einem elektrischen Motor. Da er aber speziell für diesen Zweck gebaut ist, hat er als Motor eine schlechte Wirkung. Trotzdem könnte er als Motor eingesetzt werden. Lokomotiven nutzen den umgekehrten Effekt für den Aufbau einer elektrischen Bremse.

Die vom Generator abgegebene Spannung hängt von seinem Aufbau ab. So kommen heute vielerorts Drehstromgeneratoren zur Anwendung. Auf der ersten Lokomotive wählte man jedoch einen Gleichstromgenerator. Dieser wurde durch die gemeinsame Welle angetrieben und erzeugte eine Gleichspannung. Diese wurde dann mit der Regelung für Gleichstrom an die Fahrmotoren angepasst. Dazu kommen wird dann später noch.

Sie verstehen vielleicht, wenn ich sage, dass dieser Lokomotive keine grosse Zukunft beschieden war. Es blieb schlicht bei dieser einzigartigen Lokomotive. Letztlich wurde auch diese umgebaut und die Umformer verschwanden gänzlich aus der Antriebstechnik. Kleinere Umformer wurden aber noch viele Jahre lang zur Ladung der auf dem Fahrzeug montierten Batterien genutzt. Letztlich gewann aber auch dort die Halbleitertechnik.

Gleichrichterlokomotiven: Man kann die Spannung auf einer Lokomotive aber auch auf anderer Weise umwandeln. Dabei macht man den gleichen Schritt, wie es bei der Lokomotive mit Umformer schon gewählt wurde. Das heisst, man macht aus dem Wechselstrom einen Gleichstrom. Deshalb könnte man diese Lokomotiven auch in die Gruppe der Umformerlokomotiven stecken.

Statt einer Umformergruppe wählte man hier aber einen Gleichrichter. Gleichrichter sind speziell aufgebaute Schaltungen mit Dioden oder Elektronenröhren. Dabei benennt der Gleichrichter eigentlich nur die Beschaltung dieser Dioden, die häufig auch als Gleichrichter bezeichnet werden. Diese Bezeichnung stimmt aber nicht ganz.

Um das etwas besser zu verstehen betrachten wir die Elektronenröhre und die Diode etwas genauer, dann erkennen Sie schnell, das beides eigentlich nur halbe Gleichrichter sind. Dabei funktionieren sie wie ein Rückschlagventil. Das heisst, sie lassen den Strom nur in einer Richtung fliessen. Dreht sich die Flussrichtung sperrt die Diode oder die Elektronenröhre. Doch kommen wir nun zu den beiden Bauteilen.

Die Elektrodenröhre ist einer der ersten Halbleiter die es gab. In der Elektronenröhre treten die Elektronen aus der Kathode und werden durch die Anode wieder aufgefangen. Damit das klappt, ist die Röhre mit entsprechendem Material gefüllt worden. Sie hatten ihren Erfolg in der Radiotechnik, wo dank diesen Röhren erste Empfangsgeräte gebaut werden konnten.

Bei der Eisenbahn kamen diese Elektrodenröhren auch zur Anwendung. Man nannte sie dort aber Quecksiberdampfgleichrichter. Dabei handelte es sich aber um eine Elektronenröhre, die mit Quecksilber und Edelgas gefüllt war. Sie verschwanden aber wie die Elektrodenröhren mit der Einführung von Siliziumdioden. Diese waren im Aufbau viel einfacher und besser zu handhaben.

Die Siliziumdiode ist heute nicht mehr aus der modernen Elektronik wegzudenken. Dazu nutzt man Silizium, das in Sand enthalten ist und nutzt dessen Eigenschaften. Dadurch erhält man ein Bauteil, das den Strom nur in einer Richtung leitet. Es handelt sich deshalb auch hier um einen Halbleiter. Wie verbreitet Siliziumdioden sind, zeigt nur schon die Tatsache, dass man sie schlicht als Diode bezeichnet.

Die genaue Ansteuerung der Fahrmotoren erfolgt dann wieder, wie bei einer Lokomotive für Gleichstrom. Sie sehen, die Umformung des Wechselstroms erfolgte beim Umformer oder beim Gleichrichter immer in Gleichstrom. Diese Technik funktioniert ganz gut und wurde anfänglich auch in der modernen Antriebstechnik wieder aufgenommen, doch dazu kommen wir später.

Bei der nun vorgestellten Regelung handelt es sich um eine sehr schnelle Regelung. Es handelt sich hier um eine Art der Steuerung, die schon sehr früh entstanden ist und sich bei vereinzelten Lokomotiven bis in die heutige Zeit gehalten hat. Zur Regelung werden hier elektropneumatische Schalter verwendet. Diese können in einer schnellen Schaltfolge arbeiten, was letztlich die Schnelligkeit dieser Steuerung ergibt.

Der Hüpfer ist das zentrale Bauteil dieser Art der Regelung. Die Kontakte werden bei einem Hüpfer durch Druckluft geschaltet. Der Begriff des Hüpfers wurde früher allgemein für solche elektropneumatische Schalter verwendet. Gehalten hat sich der Hüpfer eigentlich nur noch bei der Eisenbahn und auch dort wird die Bezeichnung nicht mehr überall verwendet. Deshalb komme ich hier zur üblichen Bezeichnung.

In elektrotechnischen Fachkreisen werden die Hüpfer als Schütze bezeichnet. Ein Schütz ist ein Bauteil, das mit einer fremden Energie die Hauptkontakte schliesst. Meistens kommen elektromagnetische Schütze zur Anwendung. Hier wird durch eine Spule ein Magnetfeld erzeugt, dass dann die Kontakte schliesst. Der Hüpfer unterscheidet sich nur durch die pneumatische Ansteuerung. Deshalb wird in den elektrotechnischen Fachkreisen keine Unterscheidung mehr gemacht. Das heisst, dass für Sie einfach Schütz gleich Hüpfer gilt.

Für eine Hüpfer- oder Schützensteuerung benötigt man mehrere solche Schalter. Diese werden mit vorgegebenen Schaltfolgen so geschaltet, dass immer Spannung an den Fahrmotoren anliegt. Die Schaltfolge ist bei den Maschinen vorgegeben und kann zeitweise mehrere Hüpfer umfassen. Hier eine genaue Auflistung zu zeigen brächte nicht viel, da diese bei jeder Lokomotive eigens abgestimmt wurde.

Bei den Schützen, die grössere Spannungen schalten müssen, gelten ähnliche Kritikpunkte wie bei einem Hauptschalter. Deshalb verwendet man hier oft Hüpfer, da mit der verwendeten Druckluft der Funke gelöscht werden kann. Man lässt bei einem Hüpfer aber den Funken zu und leitet in vom eigentlichen Kontakt weg. So wird der Funke gelöscht. Diese Löschung ist hörbar, so dass eine Hüpfersteuerung ganz besondere Geräusche von sich gibt.

Der Abreisfunke wird in ein Funkenhorn geleitet. Dieses Funkenhorn ist nach aussen gebogen und erweitert sich so je mehr es sich von eigentlichen Hüpfer entfernt. Der Abreissfunke folgt nun diesem Funkenhorn und wird am Ende durch die grosse Distanz gelöscht. Funkenhörner kommen bei oft geschalteten Trennmesser auch zur Anwendung, die erlauben es kleinere Leistungen sicher und korrekt zu löschen.

Über die Funkenhörner wird ein Löschkamin gesteckt. Dieses besteht aus einem festen Kunststoff und hat in seinem Inneren Schikanen montiert. So muss der Funke einen Umweg machen, was die Distanz erhöht und so den Funken schneller löscht. Das heisst, bei einem Löschkamin kann das Funkenhorn verkleinert werden, weil sich der Abreisfunke im Löschkamin verliert.

Die Regelung der Fahrmotorspannung mit Hilfe von Stufenschaltern ist auch schon seit Beginn der elektrischen Zugförderung dabei. Bei dieser Art der Regelung wird die Spannungen durch diverse Kontakte geschaltet. Sie können sich das vereinfach als eine Art Auswahlschalter vorstellen. Sie wählen einfach den richtigen Kontakt und schon haben Sie die gewünschte Spannung.

Stufenschalter werden in der Regel als gerade verlaufende Schaltbahn aufgebaut. Das heisst, der Kontaktschlitten verschiebt sich darauf immer um eine Kontaktbreite. Angetrieben werden Stufenschalter durch einen Antrieb, der mit Druckluft betrieben wird oder mechanisch. Bei gewissen Lokomotiven kamen auch elektrische Stufenschaltersteuerungen vor.

Stufenschalter arbeiten eher träge. Das heisst, es dauert eine gewisse Zeit, bis die Stufen geschaltet sind. Durch diese Trägheit kann eine Lokomotive feinfühliger gefahren werden. Der Nachteil ist, dass es ewig dauert, bis der Stufenschalter abgelaufen ist. In der Regel geht man bei Stufenschaltern von 1 – 2 Stufen pro Sekunde aus.

Eine spezielle Bauform des Stufenschalters ist der Stufenwähler. Er ist nicht mehr gerade aufgebaut, sondern besteht aus einem runden Kontaktgehäuse. Die Funktionsweise, die wir nachher noch anschauen werden, ist jedoch mit dem Stufenschalter identisch. Der Stufenwähler ist durch seine kompaktere Bauweise in der Lage bis zu 3 Stufen pro Sekunde zu schalten.

Die Arbeitsweise eines Stufenschalters oder eines Stufenwählers erfolgt in mehreren Schritten. Ausgehend von einer eingestellten Stufe werden beim Hoch- aber auch beim Abschalten diverse einzelne Schritte getätigt. Diese Schritte sind zeitaufwändig, so dass der Stufenschalter gegenüber einer Steuerung mit Hüpfer träge wirkt. Doch schauen wir uns die einzelnen Zwischenschritte an.

Gegen wir davon aus, dass wir eine Stufe zuschalten wollen. Der in der bisherigen Stufe ruhende Kontaktfinger wird durch unseren Befehl in Bewegung gesetzt. Dabei wird zuerst ein Hilfskontakt auf die neue Stufe geschaltet und dadurch diese mit der bisherigen Stufe verbunden. Wir haben somit zwei Anzapfungen an den Fahrmotoren angeschlossen. Das ergäbe so einen Kurzschluss, was aber nicht passieren darf, deshalb ist der Hilfskontakt speziell geschaltet.

Dieser Hilfskontakt besitzt einen Überschaltwiderstand. Dank dem Widerstand entstehen kleinere Spannungsunterschiede zwischen bisherigem Kontakt und dem Hilfskontakt. Auch der Strom wird durch den Widerstand beschränkt Dieser Überschaltwiderstand darf nur sehr kurz geschaltet sein, da er nicht für längere Belastungen ausgelegt ist. Bleibt der Stufenschalter jetzt stehen, würde der Widerstand beschädigt.

Beim nächsten Schaltschritt ist der Motor nur über den Überschaltwiderstand angeschlossen. Deshalb wird der Hauptkontakt nun auch auf die neue Stufe geschlossen. Jetzt ist der Hauptkontakt mit dem Hilfskontakt über den Widerstand verbunden. Der nächste Schritt ist die Ausschaltung des Hilfskontaktes. Die Stufe wurde geschaltet. Die hier aufgezeigten Schritte dauernd je nach Stufenschalter zwischen 1 und 3 Sekunden.

Die etwas kompliziert anmutende Lösung mit dem Hilfskontakt und dem Überschaltwiderstand hat nur einen Grund. Man verhindert so, dass die Fahrmotoren während dem schalten kurz ohne Strom sind. Das ist dank dem Hilfskontakt nicht der Fall, Ein Kontakt ist immer mit dem Fahrmotor verbunden und versorgt somit diesen ohne Unterbruch.

Stufenschalter haben einen gewaltigen Nachteil. Sie benötigen eine gewisse Zeit, bis sie abgeschaltet sind. Gehen wir von einem voll aufgeschalteten Stufenschalter aus mit 30 Fahrstufen aus. Es dauert nun bei einer Schaltgeschwindigkeit von 2 Stufen pro Sekunde ganze 15 Sekunden bis der Stufenschalter auf die Neutralstellung zurück gelaufen ist. In einer Notsituation, wo es um Bruchteile von Sekunden geht, sicherlich ein Problem.

Man verwendet deshalb einen Trennhüpfer. Dieser ist gleich aufgebaut wie die Stufenhüpfer der Hüpfersteuerung. Er hat aber eine andere Aufgabe. Beginnen wir mit der Fahrt, wird zuerst der Trennhüpfer eingeschaltet. Erst jetzt kann vom Stufenschalter Strom zu den Fahrmotoren fliessen. Eine weitere Funktion hat der Trennhüpfer nicht mehr, er bleibt in der Folge einfach geschlossen.

Muss nun im Notfall eine Schnellabschaltung erwirkt werden, kann das Personal den Bedienhebel in die Neutralstellung bringen. Dadurch wird der Trennhüpfer deaktiviert und schaltet in der Folge den Fahrmotorstrom und somit die Zugkraft ab. So spielt es dann keine Rolle mehr, dass der Stufenschalter 15 Sekunden benötigt, bis er in seiner Grundposition angelangt ist. Beim Trennhüpfer handelt es sich somit um einen Hauptschalter für die Fahrmotoren.

Die Trennhüpfer kommen auch noch bei Steuerungen für Gleichstrombahnen zur Anwendung, denn dort sind die gleichen Probleme vorhanden, wie bei einem Stufenschalter. Man nennt die Schalter dort aber nicht Trennhüpfer. Doch dazu später noch mehr. Auch die Hüpfersteuerung benötigt keinen Trennhüpfer, denn sie ist so schnell, dass die Zugkraft nur schon mit der Steuerung schlagartig abgeschaltet werden kann.

Bei Gleichstrom müssen wir andere Lösungen finden, denn wir haben ja keinen Transformator, der uns unterschiedliche Spannung bereitstellt. Das bedeutet, dass wir andere Lösungen finden müssen. Ich will hier nicht alle erdenklichen Schaltungen auflisten. Hier vorgestellte Lokomotiven haben da oft eigene Lösungen, denn es handelt sich um Lokomotiven, die auch mit Wechselstrom betrieben werden.

Eine Lösung zur Regelung der Zugkraft sind die Anfahrwiderstände. Diese Widerstände beschränken je nach Schaltung den Strom zu den Fahrmotoren mehr oder weniger. So werden mehrere Fahrstufen nur durch die unterschiedlichen Widerstände geschaltet. Wie es der Name schon sagt, sind Anfahrwiderstände nicht für längeren Betrieb gedacht. Bei längeren Fahrten werden sie entweder nicht eingeschaltet oder aber ausreichend gekühlt.

Oft reichen die Anfahrwiderstände und wir erhalten so eine Lok, die ein paar Stufen aufweisst. Das reicht gerade noch für eine kleine Rangierlok. Da kann mit 6 Stufen gearbeitet werden. Die Lokomotiven für den Streckeneinsatz sind aber auf feinere Abstufungen angewiesen, deshalb muss eine weitere Lösung gefunden werden.

Man greift deshalb zur Gruppierung der Fahrmotoren. Die können an unterschiedlichen Spannungen betrieben werden, ohne dass dazu ein Widerstand notwendig wird. Wenn wir mit 1000 Volt Fahrleitungsspannung arbeiten und vier Motoren haben, erreichen wir 250 Volt bei jedem Fahrmotor, wenn wir diese der Reihe nach schalten. Dabei sind durchaus noch weitere Kombinationen, also Gruppierungen möglich, ich habe dazu eine kleine Tabelle eingefügt.

Wir sehen, nur mit Hilfe von 6 Anfahrwiderständen und der zweimaligen Umgruppierung der Fahrmotoren erhalten wir 21 unterschiedliche Fahrstufen. Dabei sind die Stufen 7, 14 und 21 ohne die Zuschaltung von Anfahrwiderständen und können deshalb ohne Verlust dauernd betrieben werden.

Die Anfahrwiderstände und die Gruppierungen wurden mit Hilfe von Hüpfersteuerungen oder Stufenschalter getätigt. Das heisst also, dass die Lokomotiven gleiche Regelungen der Fahrstufen haben. Sie benötigen einfach wegen dem verwendeten Gleichstrom eine andere Zuführung der Spannung und eine entsprechende trickreiche Beschaltung der Fahrmotoren.

Da diese klassische Schaltung nicht ganz optimal war, begann man bei den Gleichstrombahnen schon sehr schnell mit dem Aufbau elektronischer Regelungen. Auf die will ich hier nicht eingehen, denn zu solchen Regelungen kommen wir im nun folgenden Kapitel. Wir machen nun eine Abkehr von Stufenschalter und Hüpfer und kommen nun zu elektronischen Regelungen.

Wir sind in der aktuellen Lokomotivbaukunst angelangt. Die nun vorgestellten Regelungen sind alle auf elektronischer Basis aufgebaut. Das heisst, Bauteile wie Hüpfer oder Stufenschalter findet man hier nicht mehr. Auch die verwendeten Fahrmotoren passen nicht mehr zur Fahrleitungsspannung. Das heisst hier wird die Spannung ebenfalls umgeformt.

Das nennt man hier aber nicht mehr so, weil man nicht mit rotierenden Bauteilen arbeitet. Zudem würde die Bezeichnung zur Verwirrung führen. Wir wollen deshalb die Umformer dort lassen wo sie sind, in der Versenkung. Auf modernen Lokomotiven hat ein Umformer nichts mehr verloren. Es gibt in der modernen Antriebtechnik zwei grundlegende Formen der Regelung.

Während die ältere Technik die Spannung nur teilweise ummodelt, gibt es bei der letzten und heute ausschliesslich verwendeten Methode eine volle Umwandlung der Spannung. Bei der teilweisen Umformung wird aus dem Wechselstrom ein Gleichstrom, deshalb bezeichnet man diese Antriebsform als Weiterentwicklung der Technik mit Gleichrichtern.

Die Stromrichtertechnik entwickelte sich aus der Gleichrichtertechnik heraus. Dabei baute man an Stelle der Gleichrichter elektronische Bauteile ein. Diese boten gegenüber dem Gleichrichter einen wesentlichen Vorteil. Die Halbwelle konnte nur teilweise geschaltet werden. Bei einem Gleichrichter war sie immer voll geschaltet.

Man nennt diese Antriebform fachlich korrekt auch Phasenanschnitttechnik. Dabei wird die Funktion viel deutlicher erklärt, denn bei dieser Form der Regelung wird die Phase angeschnitten. Stellen Sie sich dazu einen Hügel vor. Das wäre unsere Phase. Davon schneiden wir nun einen Teil ab und erhalten so nur noch eine reduzierte Fläche. Durch die Wahl der jeweiligen Schnittstelle gewinnt man so mehr oder weniger viel von der Phase. Dazu war aber ein bestimmtes Bauteil notwendig.

Der Thyristor war das Bauteil, das in der modernen Antriebsregelung den Durchbruch schaffte. Die ersten Bauteile waren die üblichen Thyristoren. Der Thyristor klingt komisch und seine Schreibweise ist auch nicht sehr einfach. Deshalb vermutet man schnell ein kompliziertes Bauteil dahinter. Das ist aber nicht der Fall.

Der Thyristor ist im Grunde einfach eine Diode. Das heisst, er lässt den Strom nur in eine Richtung fliessen. Fliesst der Strom in die Gegenrichtung, sperrt der Thyristor wie eine Diode. Grundsätzlich kann er also auch als Diode verwendet werden. Dazu ist er aber zu teuer. Der Thyristor wird in der Flussrichtung, also in der Richtung, in der der Strom durchgelassen wird nicht automatisch leitend.

Es sperrt also immer. Damit er leitend wird, muss man ihn mit Hilfe eines dritten Anschlusses zünden. Einmal gezündet ist der Thyristor leitend bis die Stromrichtung wieder ändert. Der Zeitpunkt der Zündung kann nun beliebig gewählt werden. So ist der Thyristor nur in einem definierten Teil leitend. Es erfolgt eine Regelung der Spannung.

Mit diesen Thyristoren werden so genannte Thyristorstromrichter, die kurz Stromrichter genannt werden, aufgebaut. Dabei kommen in so einem Stromrichter mehrere Thyristoren zur Anwendung. So entsteht ein statisches Bauteil das aus dem Wechselstrom einen Gleichstrom macht. Soweit eigentlich kein Unterschied zum bisherigen Gleichrichter. Der Vorteil kommt aber mit der Möglichkeit die Thyristoren zu zünden.

Lokomotiven, die mit diesen Stromrichtern versehen wurden, können stufenlos beschleunigen. Der Grund dafür liegt beim Thyristor, denn die Zündung kann feinfühlig verändert werden und so zündet der Thyristor immer ein wenig früher und stellt so ein klein wenig mehr Spannung zur Verfügung. Die Beschleunigung erfolgt zwar immer noch Schrittweise, aber diese Schritte sind so klein und folgen sich so schnell, dass wir diese nicht mehr bemerken.

Der Fachmann hat den Begriff Traktionsstromrichter eingeführt. Der Grund liegt einfach bei der Tatsache, dass Stromrichter einfach überall verwendet werden. So auch bei der Ventilation und bei der Batterieladung. Ich will hier nicht zu weit in diese Bereiche vordringen. Mit dem Begriff Traktionsstromrichter weiss man letztlich genau von welchem Stromrichter gesprochen wird.

Nachdem die Thyristorstromrichter den Start eingeläutet haben, kamen die Entwickler immer zu neuen Ergebnissen. Der Stromrichter wurde nur noch zu einem Teil benötigt und es kamen auch spezielle Thyristoren zur Anwendung. Deshalb war der Stromrichtertechnik nur ein sehr kurzes Leben gegönnt. Fahrzeuge mit dieser Technik galten schon bei der Ablieferung als veraltet. Letztlich gilt aber, dass man ohne die Stromrichter noch nicht da wären wo wir heute sind.

Mit der Umrichtertechnik wurde die elektrische Lokomotive ein allseits einsetzbares Fahrzeug. Im Anschluss werden Sie erfahren, wie einfach diese Technik Fahrzeuge werden liess, die ungehindert vom Stromsystem durch ganz Europa fahren können. Nur die Dampfloks und die noch nicht vorgestellten Dieselloks schafften das. Jetzt ist auch die elektrische Lokomotive so weit und ihr scheint eine grossartige Zukunft beschieden zu sein.

Nur, was ist mit dieser Umrichtertechnik. Hier wird der Wechselstrom, oder aber der Gleichstrom zuerst in einem Stromrichter gleichgerichtet und dann daraus eine neuartige Spannung mit Drehstrom erzeugt. Das heisst also, wir richten hier die Spannung schlicht neu aus. Dies klingt eigentlich ganz einfach ist aber kompliziert in der Anwendung. Deshalb war diese Technik lange Jahre nicht möglich.

Der eigentliche Umrichter besteht aus zwei Baugruppen, die mit einem dazwischen liegenden Bereich verbunden sind. Sie dürfen nun aber nicht der Meinung sein, dass mit dazwischen eine Wand oder so gemeint ist. Vielmehr ist dieser Ort ein Punkt, wo erst ein Teilschritt erledigt worden ist. Doch sehen wir uns diese drei Schritte etwas genauer an.

Stromrichter: Die Spannung aus der Fahrleitung wird entweder direkt oder über einen Transformator zum Stromrichter geführt. Dieser Stromrichter ist eine Weiterentwicklung des vorher beschriebenen Stromrichters und besteht aus anderen Bauteilen, dazu kommen wir aber später. Die Aufgabe ist aber identisch. Das heisst, es entsteht ein Gleichstrom.

Oft werden die Umrichter einfach Stromrichter genannt, das stimmt grundsätzlich eigentlich auch. Jedoch kommt es den Eigenschaften des Umrichters in keiner weise nahe. Umrichter sind, viel weiter entwickelt, als die Stromrichter. Die klassischen Stromrichter sind mittlerweile verschwunden und obwohl der erste Teil des Umrichters ein Stromrichter ist, darf man ihn nicht vergleichen.

Zwischenkreis:  Die vom Stromrichter abgegebene Gleichspannung kommt in den Zwischenkreis. Das ist ein geschlossener Stromkreis. Er stellt die Verbindung zwischen dem Eingangsstromrichter und dem nachgeschalteten Wechselrichter her. Nötig ist dieser Zwischenkreis eigentlich nur, weil man nicht direkt aus Wechselstrom einen Drehstrom machen kann. Man benötigt also diesen Zwischenschritt.

Wenn wir die Lokomotive unter Gleichstrom betreiben, können wir den Transformator und den Stromrichter einfach umgehen und speisen direkt in den Zwischenkreis ein. Andererseits können wir hier auch Gleichstrom beziehen, den wir zum Beispiel für die Ladung der Batterien benötigen. Das heisst der Zwischenkreis ist also real vorhanden und nicht nur in der Schaltung vermerkt.

Wechselrichter: Der dritte und letzte Schritt ist der Wechselrichter. Es handelt sich dabei um einen Stromrichter, der aber aus Gleichstrom einen Wechselstrom erzeugt. Genau hier liegen die Unterschiede zwischen einem Umrichter und einem normalen Stromrichter, denn der Umrichter kann Wechselstrom erzeugen. Man nennt ihn deshalb jetzt Wechselrichter, das muss aber nicht immer so sein.

Ein Umrichter kann auf beide Seiten betrieben werden. Das heisst, er macht aus einphasigem Wechselstrom Drehstrom und umgekehrt aus Drehstrom einphasigen Wechselstrom. Wie das geht? Aus dem Stromrichter wird der Wechselrichter und umgekehrt. Die einzige Konstante dabei ist der Zwischenkreis, denn hier ändert sich nichts oder fast nichts. Die einzige Änderung ist die Richtung in der der Gleichstrom fliesst.

Wir wissen jetzt, wie ein Umrichter funktioniert und dass er nicht mit einem klassischen Stromrichter verglichen werden kann. Dies obwohl durchaus die gleichen Begriffe verwendet werden. Nur mit was für Bauteilen arbeitet man denn in einem Umrichter? Der Thyristor des Stromrichters ist hier schlicht überfordert, es müssen spezielle Bauteile her und das waren anfänglich spezielle Thyristoren.

Erst die Entwicklung der GTO-Thyristoren brachte den endgültigen Durchbruch und die Umrichtertechnik. Diese GTO (Gate Turn Off) Thyristoren konnten im Gegensatz zu ihren Vorgängern nach dem Zünden zu einem beliebigen Zeitpunkt wieder gelöscht werden. Beim GTO musste daher nicht abgewartet werden, bis der Nulldurchgang kam. Dank den GTO-Thyristoren konnten erste Umrichter aufgebaut werden.

Die GTO-Thyristoren verwendete man also überall im Umrichter. Für Sie heisst das, dass der Stromrichter beim Umformer aus GTO- und beim klassischen Stromrichter aus normalen Thyristoren besteht. So weit ist eigentlich alles noch klar, aber man entwickelte die Technik immer weiter und so hatten auch die GTO-Thyristoren ausgedient. Es kamen die Transistoren zur Anwendung.

Den letzten Schritt zur heutigen Technik machte man mit den IGBT Transistoren. Diese ausgeschrieben Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren genannten Bauteile hatten gegenüber den bisherigen GTO den Vorteil, dass sie leichter waren und einfacher gekühlt werden konnten. Ausschlaggebend war das geringere Gewicht der IGBT, denn Umrichterlokomotiven waren tendenziell immer zu schwer.

Dabei arbeitet der Transistor ähnlich wie der Thyristor. Nur vereinfachten die IGBT den Aufbau der Lokomotiven und so auch den Aufwand, den man betreiben musste um eine Lokomotive für mehrere Spannungssysteme zu bauen. Bei mit IGBT ausgerüsteten Lokomotiven ist die universale Spannungsversorgung eigentlich schon automatisch vorhanden, es muss nur noch die Software angepasst werden.

Mehrsystemlokomotiven waren schon immer der Wunsch der Eisenbahnen. Technisch war man zwar in der Lage solche Fahrzeuge schon sehr früh zu bauen und auch zu betreiben. Der Aufwand war jedoch sehr hoch und die Fahrzeuge hatten nur sehr bescheidene Leistungen. Deshalb beschränkte man sich nur auf wenige spezielle Lokomotiven und Triebzüge.

Lokomotiven werden vom Personal oft auch Maschinen genannt. So besteigt ein Lokführer immer seine Maschine und nicht seine Lokomotive. Daher hat sich auch der Begriff Mehrsystemmaschine durchgesetzt, denn dabei handelt es sich wirklich nur um eine Mehrsystemlokomotive. Doch schauen wir uns die Schritte zur modernen Lok etwas genauer an.

Bevor wir loslegen können müssen wir uns zuerst einmal überlegen, welche Systeme denn überhaupt das Interesse wecken könnten. Diese Überlegung stellen nicht nur wir an, sondern war ein langwieriger Prozess. Letztlich blieben aber vier übliche Systeme übrig. Bezeichnet man heute eine Lokomotive als Mehrsystemmaschine kann sie mindest zwei der in der folgenden Tabelle aufgeführten Stromsysteme befahren.

Der Aufbau von Mehrsystemlokomotiven ist nicht in allen Konfigurationen gleich schwer. Nehmen wir dazu ein Land wie Frankreich. Dort werden zwei unterschiedliche Stromsysteme verwendet. Es ist deshalb nahe liegend, dass man Lokomotiven beschaffte, die für beide Systeme ausgelegt waren. Das war ein sehr einfacher Schritt, wie wir jetzt dann erfahren werden.

Zweisystemlokomotive: Eine Lokomotive für zwei Stromsysteme, wie bei unserer Lokomotive für Frankreich, konnte man schon sehr früh bauen. Diese Schaltung war schon mit der klassischen Technik möglich, denn wenn man der Lokomotive einen Gleichrichter einbaute hatte man schon eine Lokomotive, die für Wechsel- aber auch für Gleichstrom geeignet war.

Überraschend gab es aber wenig von diesen Lokomotiven. Selbst die Schweiz hatte kaum Interesse an solchen Lokomotiven. Letztlich baute man aber eine Lokomotive, die für zwei Stromsysteme gedacht war, die nicht mit dieser Technik gebaut wurde, denn man baute eine Lok für zwei Wechselstromsysteme. Lokomotiven für Gleich- und Wechselstrom gab es zwar, aber nicht in einem solchen Ausmass, wie man meinen könnte.

Dreisystemlokomotive: Auch Lokomotiven für drei Systeme konnte man bauen. Dabei war die Variante mit zwei Gleichstromsystem und einem beliebigen Wechselstromsystem schnell zu erledigen. Zwar hatte man bei solchen Lokomotiven mit einer Einbusse bei der Leistung unter 1'500 Volt zu leben. Die Lokomotive war einfach und schnell aufgebaut.

Schwerer wurde dann der Schritt, wenn man zwei Wechselstromsysteme mit einem Gleichstromsystem kombinieren wollte, denn hier musste man mit der klassischen Technik tief in die Trickkiste greifen. Daher gab es nur sehr wenige dieser Lokomotiven und die funktionierten nicht immer ganz optimal, was aber nicht heissen soll, dass sie nicht viele Jahre eingesetzt werden konnten.

Viersystemlokomotive: Letztlich war auch der Schritt zur Viersystemlokomotive getan. Die Lok konnte unter den vier Systemen aus der Tabelle eingesetzt werden. Wir müssen dabei aber bedenken, dass man immer noch mit der klassischen Technik arbeiten musste und deshalb mit Einschränkungen leben musste. Das Fahrzeug hatte deshalb nicht in allen Systemen die gleiche Leistung und die Schaltungen waren kompliziert.

Damit Sie sich ein Bild über den Aufwand machen können, zeige ich Ihnen das an einem Beispiel auf. Die SBB-Triebzüge RAe TEE II waren Viersystemzüge in klassischer Technik. Den Zügen wurde bis zuletzt ein Bordmechaniker mitgegeben. Nur so konnte man bei Störungen richtig reagieren, die Lokführer der einzelnen Länder wären mit der komplizierten Schaltung überfordert gewesen.

Mit der modernen Technik ändert sich hier einiges. Mehrsystemlokomotiven waren nur noch eine Frage der verwendeten Technik und letztlich endete es bei Lokomotiven, die auf Grund des Aufbaus für alle Systeme geeignet waren. Solche Lokomotiven konnten vom Hersteller gebaut werden und mussten letztlich nur noch dem Wunsch des Kunden angepasst werden.

Die Mehrsystemlokomotive wurde zum Standard und heute hängt es wirklich nur noch am Wunsch des Kunden, die Lokomotive ist einfach für die beiden Systeme gebaut oder nicht. Die Hersteller sind in der Lage, die Technik nach Wunsch des Kunden anzupassen und so kostet eine Lokomotive gleich viel, ob sie nun für ein oder vier Systeme gebaut wurde.

Wir sind nun beim dem Bauteil angelangt, das die Lokomotive letztlich in Bewegung setzt. Die Triebmotoren elektrischer Lokomotiven haben sich im Lauf der Jahre zu sehr guten und geduldigen Motoren entwickelt. Die ersten Motoren können dabei nicht mehr mit den heute verwendeten Exemplaren verglichen werden. Es ist deshalb angebracht, dass wir die Triebmotoren genauer ansehen.

Es überrascht eigentlich nicht, denn wir haben drei unterschiedliche Motortypen, die verwendet werden. Mit der Art der Regelung war auch der Motor vorgegeben. Baute man eine Lokomotive für Wechselstrom und regelte die Spannung mit Hüpfern war klar, dass der Motor ebenfalls mit Wechselstrom betrieben wurde. War ein Gleichrichter dazwischen geschaltet, kann ein Gleichstrommotor zur Anwendung. Deshalb gibt es drei Grundtypen. Damit Sie etwas überrascht sind, stelle ich die Motoren so vor, wie sie auch erschienen sind.

Nun, man könnte sich einfach aus der Affäre schummeln, wenn man behaupten würde, dass der gleiche Motor bei gleich und Wechselstrom verwendet wird. Das ist wirklich zu einfach um wahr zu sein. Aber es ist genau das, was stimmt, denn ein Wechselstrommotor könnte man unter Gleichstrom betreiben. Umgekehrt ist das jedoch nicht möglich.

Gleichstrommotoren sind die ältesten Motoren die es gibt. Der erste elektrisch betriebene Zug fuhr mit Gleichstrom, also war auch ein Gleichstrommotor vorhanden. Er war für seine Leistung noch gross und funktionierte verblüffend einfach. Doch dazu später etwas mehr. Die Motoren für Gleichstrom funktionierten und so konnte man die ersten elektrischen Lokomotiven damit betreiben.

Wechselstrom kannte man gar noch nicht und so waren die ersten Lokomotiven mit Gleichstrommotoren ausgerüstet worden. Das ging sogar so weit, dass die erste Lokomotive, die mit einphasigem Wechselstrom betrieben wurde, Gleichstrommotoren verwendete. Das zeigt, dass man um 1900 noch zu wenig in die Wechselstrommotoren vertraute.

Doch schauen wir uns den Gleichstrommotor etwas genauer an. Das erste was uns dabei auffällt, ist, dass der Motor aus zwei Bauteilen besteht und letztlich nur zu einem davon Kabel führen. Dabei fällt auch auf, dass keine Kabel zu dem fest stehenden Teil des Motors führen und nur das drehende Bauteil angeschlossen wird.

Stator: Der Stator, also der äussere Teil, besteht bei einem Gleichstrommotor aus magnetischem Eisen. Man nennt dieses Bauteil Stator, weil es stationär ist oder steht. Die Dialektsprache der Schweiz ist dazu eine gute Eselsbrücke, denn hier kann man einfach sagen, dass der Stator stoht. Entscheidend ist aber, dass man mit dem Stator immer den stehenden Teil eines Motors bezeichnet.

Dieses durch den Stator erzeugte Magnetfeld hat zwei Pole, die jeweils auf einer Seite anliegen. Dazwischen besteht ein Hohlraum. In diesem Hohlraum befindet sich letztlich das Teil, das an den Strom angeschlossen wird. Viel mehr gibt es zum Stator nicht zu sagen. Wir sollten und das aber merken, denn bei allen anderen Motoren kommen diese Begriffe vor. Uns fehlt aber noch der Rotor.

Rotor: Der Rotor ist das rotierende Teil des Motors. So wissen Sie auch gleich, woher die Bezeichnung kommt und was die Aufgabe dieses Teils ist. Der Rotor wir beim Gleichstrommotor elektrischen versorgt. Dadurch wird die im Rotor befindliche Spule elektrisch erregt und es entsteht ein Magnetfeld. Erst jetzt kann sich der Motor drehen.

Das macht der Motor auch, wenn das Magnetfeld des Stators nicht zum Magnetfeld des Rotors passt. Liegen die gleichen Polaritäten gegenüber stossen sich diese ab und der Motor dreht sich bis die Polarität stimmt. Danach bleibt er aber wieder stehen und dreht sich nicht mehr weiter. Im Gegenteil, wenn wir den Rotor aus dieser Lage bringen, dreht er sich automatisch wieder dahin.

Kollektor: Damit der Motor sich weiterdrehen kann, haben wir am Rotor einen Kollektor angebaut. Dieser stellt die Anschlüsse der Spule dar. In unserem einfachen Beispiel sind das zwei Anschlüsse für Plus und Minus. Die Oberfläche dieses Kollektors muss sehr glatt sein, denn hier liegt die grösste Schwachstelle des Gleichstrommotors.

Die Leitungen werden am Kollektor über Bürsten angeschlossen. Dieser Begriff hat mit den Bürsten, die Sie vielleicht zum Schuhe putzen benötigen, nichts zu tun. Es handelt sich hier meistens um Kohle. Diese ist weicher als der Kollektor und so wird die Abnützung an der Kohle erfolgen. Damit ist unser Motor richtig angeschlossen und kann sich drehen.

Dabei funktioniert das Prinzip eigentlich ganz einfach. Das Magnetfeld im Rotor will sich immer an dem Magnetfeld des Stators ausrichten. Stimmt das nicht, dreht sich der Rotor. Die Bürsten am Kollektor werden dadurch umgepolt und der gedrehte Rotor hat wiederum ein falsches Magnetfeld und muss sich wieder neu ausrichten. Das geht unendlich so weiter und der Rotor beginnt sich zu drehen.

Wir haben einen funktionierenden Motor für Gleichstrom erstellt. Er funktioniert, nur können wir damit noch nicht arbeiten. Warum das so ist? Wir können schlicht nicht wissen, in welche Richtung sich unser Motor dreht. Das ist reiner Zufall und kann weder durch den Strom noch durch die Spannung beeinflusst werden. Der Motor ist für die Eisenbahn deshalb noch ungeeignet.

Damit wir die Drehrichtung bestimmen können, bauen wir einen Wendepol ein. Dieser steht leicht verschoben seitlich neben den Polen des Stators. Dadurch wird dem Rotor die Drehrichtung aufgezwungen. Das geschieht mit der Polarität des Wendepols. Ist er gleich gepolt, wie der Stator, wird der Rotor vom Wendepol weg gedrückt und die Richtung ist vorgegeben.

Wir haben einen funktionierenden Motor, der für die Eisenbahn geeignet war. Das heisst, der Gleichstrommotor war einfach zum entwickeln und er funktionierte eigentlich recht gut. Die Richtung konnte man ebenfalls nach belieben wählen und so war es schnell klar, dass solche Motoren gebaut wurden. Dabei waren eigentlich nur die Kollektoren das Problem, denn je präziser diese gearbeitet werden konnten, desto kleiner und feiner konnten die Rotoren werden. Das bestimmt letztlich die Grösse und Leistung des Motors.

Man nennt diese Motoren auch Wellenstrommotor. Das kommt von der Gleichspannung her, denn diese Gleichspannung ist in Wellenform gehalten. Der Motor ist aber ein normaler Gleichstrommotor und könnte durchaus auch mit geglättetem Gleichstrom betrieben werden. Die Unterschiede zu unserem sehr einfach aufgebauten Motor sind überraschend gering.

Wir haben nämlich mit dem Aufbau dieses Gleichstrommotors nichts anderes als einen Wellenstrommotor aufgebaut. Die Entwicklung dieser Motoren blieb natürlich nicht stehen und so gab es immer besser funktionierende Motoren für Gleichstrom. Nur, kamen schon sehr bald neue und viel bessere Motoren auf den Markt. Dabei war aber die Regelung noch nicht so gut, deshalb machte man letztlich den Schritt weiter und kam so zu einem Ring. Das werden Sie aber am Schluss selber feststellen.

Der nächste Schritt in der Entwicklung von Motoren war der Drehstrommotor. Drehstrommotoren sind wohl die besten Motoren die es gibt. Man behauptet sogar, dass gewisse Drehstrommotoren auch ohne Wartung nicht zu zerstören seien. Das mag stimmen, nur muss man klar wissen, dass dies nicht für jeden Drehstrommotor gilt. Das mag überraschen, denn es gibt nur zwei Typen und davon soll einer nicht ohne Wartung auskommen. Das stimmt und damit erledigen wir erst noch den Schritt von Gleich- zu Wechselstrom.

Asynchronmotor: Der Asynchronmotor ist sehr nahe mit dem Gleichstrommotor verwendet. Auch hier kommt ein permanentes Magnetfeld zur Anwendung. Der Unterschied liegt aber bei der Position, denn bei einem Asynchronmotor befindet sich das dauernde Magnetfeld im Rotor. Sie haben richtig gelesen, das permanente Magnetfeld finden wir im Rotor.

Die Spulen liegen hier aussen an der Position des Stators. Dabei müssen wir mindestens drei Spulen haben. Das heisst, bei einem Drehstrommotor sind drei Spulen und drei Leiter Pflicht. Stimmt hier etwas nicht, funktioniert der Motor nicht. Doch das betrachten wir später, denn jetzt soll uns der Aufbau interessieren.

Der Asynchronmotor besitzt wie gesagt mindestens drei Spulen. Diese werden nacheinander mit der höchsten Spannung versorgt. Erinnern Sie sich noch an den Aufbau von Drehstrom. Genau, ich meine diese drei Kurven, die Sie vielleicht noch nicht ganz verstanden haben. Kommt hinzu, dass sich der Begriff Drehstrom erst jetzt schön einfach erklären lässt.

Die drei Spulen erzeugen ein Drehfeld. Wie das geht? Ganz einfach, wir benennen die drei Spulen einfach 1, 2 und 3. Diese werden der Reihe nach mit der maximalen Spannung versorgt. Sie wissen, dass dies bei Wechselstrom nur für einen kurzen Moment der Fall ist. Das Stichwort dabei lautet Sinuskurve. So erhält die Spule 1 bei 0° die maximale Spannung, Spule 2 erst bei 120° und letztlich Spule drei bei 240°. Bei 360°, haben wir wieder Null erreicht und es beginnt wieder von vorne. Es entsteht ein Drehfeld.

Beim Asynchronmotor versucht nun der mit einem dauernden Magnetfeld versehene Rotor dem Drehfeld zu folgen. So beginnt er automatisch zu drehen. Fehlt eine der Spulen, weiss der Rotor nicht in welche Richtung er drehen muss. Der Motor beginnt zu brummen, bewegt sich aber nicht und lässt sich auch nicht mehr bewegen, denn wegen der fehlenden dritten Spule fehlt das Drehfeld.

Der Rotor wird beim Asynchronmotor auch Kurzschlussläufer genannt. Diese etwas anders lautende Begriff erklärt deutlich, dass im Rotor ein unter Kurzschluss stehendes Magnetfeld entsteht. Hier liegt auch der Grund für die Bezeichnung des Motors, denn es entsteht eine kleine Verzögerung und der Rotor folgt dem Drehfeld etwas verzögert. Er läuft nicht synchron oder eben asynchron.

Synchronmotor: Kommen wir nun zum Synchronmotor. Sie werden es vermutlich schon richtig vermuten, denn dieser Motor folgt dem Magnetfeld synchron. Doch wo liegt der Unterschied zum vorherigen Motor? Ganz einfach, man lässt im Rotor ebenfalls einen Drehstrom fliessen, der Rotor folgt nun ganz genau dem Drehfeld des Stators.

Synchronmotoren benötigen deshalb einen Kollektor. Nur so ist der saubere Betrieb möglich. Wir haben also nun einen Motor, der an beiden Stellen eine Spule hat. Deshalb können Synchronmotoren nicht ohne Wartung auskommen, denn die Bürsten müssen regelmässig kontrolliert werden. Geschieht das nicht, kommt es zu Schäden am Rotor.

Um den Vorteil des Asynchronmotors aufzuzeigen müssen wir etwas ausholen. Bei jedem Motor, auch bei dem noch ausstehenden Wechselstrommotor besteht das Hauptproblem beim Kollektor. Ein Kontakt im Kollektor wird immer nur sehr kurz mit dem maximalen Strom belastet, weil sich der Rotor  ja dreht. Steht der Rotor ist der Kontakt dauernd belastet. Jetzt fliesst ein hoher Strom über die gleiche Stelle und der Kollektor wird beschädigt.

Da dies beim Asynchronmotor nicht der Fall ist, macht es den Motor zum idealen Motor für Lokomotiven. Man kann sogar behaupten, dass der Asynchronmotor der ideale Drehstromfahrmotor ist. Er kann im Stillstand mit der vollen Leistung betrieben werden und ist deshalb gut für Triebmotoren geeignet.

Das Problem dabei ist, dass man diesen Motor nicht mit einphasigem Wechselstrom betreiben kann. Man muss zuerst eine Lösung dafür finden, bis man den Motor einsetzen konnte. Das schaffte erst die moderne Technik, aber ich will noch nicht vorgreifen, denn zuerst gehörte die Zukunft bei den Triebmotoren dem Wechselstrommotor.

Willkommen in der Welt des Wechselstrommotors. Wir befinden uns nun bei einem der häufigsten Motoren die es überhaupt gibt. Ich behaupte einfach mal frech, dass es bei Ihnen zu Hause einen Wechselstrommotor gibt. Dabei werde ich vermutlich nicht mal falsch liegen, denn wer hat keinen Staubsauger? Genau, dort ist ein ganz normaler Wechselstrommotor eingebaut.

Zudem vermuten Sie es richtig, dieser Motor war der letzte der erfunden wurde und auch einer der letzten, die lernen mussten, zu funktionieren. Wer um 1900 etwas von Elektrotechnik verstand, oder zumindest glaubte davon etwas zu verstehen, wagte sich an einen Wechselstrommotor. Obsiegt hat letztlich nur ein Modell, aber der Wettstreit war erbittert.

Nur schon sein Weg zur Eisenbahn war genial, denn kaum wurde der Motor erfunden, kam es schon bei der ersten Lokomotive zur Anwendung. Zwar wählte man hier noch den Weg über den Umformer, aber dieser war von einem Wechselstrommotor angetrieben. Die erste Lokomotive mit Triebmotoren, die für Wechselstrom geeignet waren, kam dann nur kurze Zeit später auf der gleichen Strecke. So war es im Raum Zürich. Wo die erste Wechselstromlokomotive der Welt verkehrte.

Doch warum brauchte der Wechselstrommotor so lange, bis er entwickelt war? Es war die Entdeckung, dass beide Teile, sowohl Stator, als auch Rotor mit einer Spule versehen sein mussten. Dies gab es bisher eigentlich noch nicht, denn beim Gleichstrommotor war nur der Rotor angeschlossen. Beim Asynchronmotor war es nur der Stator. Der Wechselstrommotor benötigte beide Spulen. Erst dann funktionierte er. Für die Eisenbahn war aber nur ein Typ tauglich.

Seriemotor: Der Seriemotor war letztlich der Motor, der für die Eisenbahn geeignet war. Dabei sind die beiden Spulen in Reihe geschaltet. Deshalb hört man gelegentlich auch die Bezeichnung Reihenmotor, dabei meint man jedoch den gleichen Motor wie hier beschrieben. Wie schon gesagt, besass er je eine Spule im Rotor und im Stator. Der Schaltung dieser beiden Spulen machten den Motor letztlich zu dem Motor für die Eisenbahn.

Die beiden Spulen waren, wie es der Name schon sagt einfach in Reihe geschaltet und so miteinander verbunden. Darin lag das Geheimnis dieses Motors. Dabei hatte er aber auch seine Vor- und Nachteile. Der Vorteil lag dabei klar in seinem stabilen Verhalten bei Kurzschlüssen. Da war er kaum zu zerstören und war deshalb gut für die Eisenbahn geeignet.

Sein Nachteil lag aber bei unbelastetem Motor. War der Motor ohne Last, begann er immer schneller zu drehen, dabei erreichte der Motor Drehzahlen, die durch den Kollektor nicht mehr beherrscht werden konnten. Der Kollektor flog buchstäblich auseinender und der Motor wurde zerstört. So musste man frei drehende Räder bei der Eisenbahn um jeden Preis verhindern.

Der Wechselstrommotor war letztlich der Motor, der sich bei der Eisenbahn durchsetzen konnte. Viele Lokomotiven waren damit ausgerüstet. So fand man schliesslich vom Gleichstrommotor über den Drehstrommotor den Weg zum Wechselstrommotor.  Viele Jahre war der Motor für die Eisenbahn schlicht unverzichtbar. Sie glauben mir nicht. Die erste Lok der SBB mit diesem Motor war ab 1919 im Einsatz. Die letzte Lok mit diesen Motoren wurde 1985 an die SBB übergeben.

Man fand letztlich über die Stromrichter den Weg zurück zu den Gleichstrommotoren. Erst mit der aufkommenden Umrichtertechnik war dann der Weg zum Drehstrommotor frei geworden. Mit Hilfe des Umrichters kann der Drehstrommotor endlich seine überlegenen Vorteile ausspielen, es verwundert deshalb nicht, dass in der Folge die anderen Motoren aus den Lokomotiven verschwanden.

Je kleiner die Motoren wurden, desto anfälliger waren sie auf Erwärmung. Die Hitze, die sich im Motor ansammelte, konnten die Lötstellen lösen und das Papier im Motor sogar zum brennen bringen. So war klar, dass man diese Motoren künstlich kühlen musste. Damit wären wir beim nächsten Kapitel angelangt, denn die Kühlung der Triebmotoren ist ein wichtiges Thema.

Eigentlich wäre die Kühlung gar kein Thema. Nur, man hat auf einer Lokomotive einfach zu wenig Platz um alles ausreichend zu bemessen. Die Motoren, die die verlangte Leistung zu erbringen haben, können deshalb nicht so gross gestaltet werden, wie man will. Die Folge davon ist, dass die Bauteile eigentlich überlastet werden. Damit sie nicht zerstört werden, muss man sie künstlich kühlen.

Als Kühlmittel wird Luft verwendet. Diese vermag ausreichend viel der entstehenden Wärme abführen. Durch die Kühlluft wird zudem das gekühlte Bauteil von Schmutz und Feuchtigkeit befreit. Da Luft zudem sehr einfach zu handhaben ist, es sind keine Umweltgefahren zu erwarten, kann sie ohne wesentliche Sicherungen arbeiten. 

Luft reicht aber nicht immer aus, deshalb werden andere Mittel verwendet. So kommen zum Beispiel spezielle Öle oder Wasser zur Anwendung. Diese Stoffe vermögen mehr Wärme abzuführen, müssen aber ihrerseits wieder abgekühlt werden. Da kommt letztlich auch wieder Luft zur Anwendung. Sie entzieht der Flüssigkeit, die in einem geschlossenen Umlauf arbeitet, die Wärme.

Um die Wärme von Flüssigkeiten an die Luft zu übertragen sind Kühler notwendig. Diese sind mit feinen und dünnen Lamellen versehen worden. So kann die Luft die Flüssigkeiten optimal abkühlen. Kühler kennen Sie von Ihrem Wagen, denn dort geschieht genau das hier beschrieben Prinzip und das Wasser des Motors wird durch die Luft abgekühlt.

Nachdem wir nun wissen, wie man Wärme von einem Bauteil ableiten kann, ist es nur noch eine Frage des Aufbaus, wie unsere Kühlung letztlich funktioniert. Die einfachste Methode ist, dass wir die Bauteile natürlich abkühlen lassen können. Das gilt sowohl für unsere Bauteile, als auch für unsere Flüssigkeit. Wobei Flüssigkeiten oft mehr Aufwand bedeuten, deshalb vermeiden wir Flüssigkeiten wo es nur geht.

Um Bauteile mit Flüssigkeiten zu kühlen braucht es mehr Aufwand, als bei der Luft. Die Flüssigkeit muss ja wieder verwendet werden, denn wir können die Lokomotive oder das Auto nicht in einen Fluss stecken. Doch auch dort ist es sinnvoll, wenn wir die Kühlflüssigkeit nicht einfach durch neue ersetzen, denn so können wir die Flüssigkeit entsprechend unserer Bedürfnisse verwenden.

Wir müssen deshalb richtiggehende Kühlanlagen erstellen. Diese Kühlanlagen bestehen aus diversen Bauteilen, die nur dazu gedacht sind, das Kühlmittel wieder abzukühlen. Das heisst, das Bauteil gibt seine Wärme an die Flüssigkeit ab und die gibt diese letztlich wieder an die Luft ab. Damit das optimal funktioniert, benötigt man Kühlanlagen.

Die einfachste Form einer Kühlanlage ist einfach die Flüssigkeit durch die natürliche Thermik antreiben zu lassen. Das ist durchaus eine gute Kühlung. Die Anwendungen sind jedoch selten, denn bei der Kühlung mit Flüssigkeiten entsteht so viel Wärme, die abgeführt werden muss, dass man sich nicht auf natürliche Phänomene verlassen kann.

Deshalb baut man richtige Kühleinheiten auf. Diese bestehen aus einer Pumpe, die die Flüssigkeit in Umlauf bringt und einem Kühler, der die Wärme der Flüssigkeit an die Luft abgibt. Diese Einheiten können als richtiges Bauteil ausgeführt sein und so flexibel an bestimmte Orte transportiert werden. Alle Kühleinheiten bestehen aber aus einer Pumpe und einem Kühler.

Dank der Pumpe wird die Flüssigkeit künstlich in Bewegung gesetzt. Die am Bauteil entstehende Wärme wird so von der Flüssigkeit übernommen und durch die Strömung in den Kühler geführt. Dort gibt die Flüssigkeit dann wieder die Wärme an die Umgebung ab und kann erneut zum Bauteil geführt werden. Dort beginnt der Kreislauf von vorne.

Vermag die Wärme der Flüssigkeit nicht im Kühler genügend abgebaut werden, muss man diesen Kühler künstlich belüften. Dadurch strömt mehr Luft durch die Lamellen des Kühlers. Man greift da zu einem Kühlerlüfter. Dieser kühlt dann den Kühler ab. Damit haben wir aber bereits den Schritt zur Luftkühlung gemacht, denn wir nutzen nun Luft um die Flüssigkeit zu kühlen.

Auch bei der Luft können wir zwei Varianten verwenden. Die einfachste Form der Luftkühlung ist die natürliche Kühlung. Diese kennen Sie, denn den heissen Kuchen stellen Sie ab um ihn auskühlen zu lassen. Dabei machen Sie ja nichts und der Kuchen wird kalt. Es findet eine natürliche Kühlung statt. Das ist eine Variante, die durchaus auch technisch genutzt wird, denn sie ist billig zu haben und benötigt keinerlei Wartung.

Ventilation: Da die natürliche Kühlung nicht immer ausreicht, muss man eine Ventilation verwenden. Dadurch sind wir in der Lage mehr Luft zu unserem Bauteil zu führen. Je mehr Luft zugeführt werden kann, desto besser funktioniert die Kühlung. Wir haben eine künstlich angeregte Luftkühlung. Womit wir letztlich alle Wärme endgültig abführen müssen. Schliesslich haben wir ja vorhin erfahren, dass die Flüssigkeit letztlich durch die Luft gekühlt wird.

Die Luft regen wir mit der Hilfe eines Ventilators an. Dabei wird aber auch der Begriff Lüfter verwendet. Solche Ventilatoren haben Sie vielleicht schon einmal in einem Restaurant gesehen, wo er an der Decke drehte. Er bewegte so die Luft im Raum. Hätten Sie den Ventilator genauer angesehen, hätten sie gesehen, dass die Flügel abgewinkelt sind.

Durch die Abwinkelung wird die Luft verschoben und gerät in Bewegung. Lässt man den Ventilator schneller drehen drückt er die Luft durch einen Kanal zu unserem Bauteil und kühlt dieses. Solche Ventilatoren sind oft im Einsatz und mehr wird auch nicht gemacht. Das reicht aber auf der Lokomotive nicht aus. Dazu verwenden wir ein Beispiel für die Luftkühlung.

Fahrmotorventilation:  Bei der Fahrmotorventilation wenden wir das Prinzip der forcierten Luftkühlung an. Das heisst, wir bewegen die Luft künstlich durch Kanäle zum zu kühlenden Bauteil. Diese auch Zwangsventilation bezeichnete Kühlung benötigt mehrere Bauteile. Diese Bauteile wollen wir uns kurz ansehen. Wir kennen die meisten davon schon, aber zur Erinnerung schneiden wir diese noch einmal an.

Der Fahrmotorlüfter sorgt für die Bewegung der Luft. Er kann sich direkt am Motor befinden und durch die Drehung die Luft zum Motor führen. Die meisten Fahrmotorlüfter befinden sich jedoch weit vom Motor entfernt und verrichten ihre Arbeit dort. Durch diese Lücke kann die Luft entsprechend aufbereitet werden.

Filter sorgen zum Beispiel dafür, dass die Luft gereinigt wird. Diese Filter, die aus feinem Gewebe bestehen stellen den in der Luft befindlichen Schwebstoffen ein Hindernis in den Weg. Der Schmutz bleibt in den Filtern stecken und so wird die Luft gereinigt. Durch die Reinigung der Luft bleiben unsere zu kühlenden Bauteile sauber und können so optimal gekühlt werden.

Die Filter müssen regelmässig gereinigt werden. Dazu gibt es zwei Möglichkeiten. Einerseits kann man die Filter einfach durch neue ersetzen oder aber man reinigt die Filter regelmässig. Eine gute Wartung bei den Filtern ist wichtig, denn sie können sonst verschlossen werden und unsere Kühlung fällt aus. Die Lokomotive kann nicht mehr mit der vorgegebenen Leistung arbeiten.

Wir haben die elektrische Lokomotive nun fertig erstellt. Wir wissen wie sie grundsätzlich funktioniert, und dass es unterschiedliche Techniken gibt. Zudem haben wir erfahren wie wir die ganze Geschichte regeln. Wir haben auch Motoren kennen gelernt und wissen nun, wo deren Vorteile zu finden sind. Wir haben eine fertige Lokomotive, die funktioniert und dank der Kühlung nicht zerstört wird.

Gerade die Kühlung hat aber etwas aufgezeigt. Die Bauteile sind sehr stark belastet und müssen abgekühlt werden. Das heisst, die Leistung einer Lokomotive hängt nicht zuletzt von der Kühlung ab. Denn wenn wir die Bauteile nicht ausreichend abkühlen können sind sie schnell defekt und funktionieren nicht mehr. Das ist aber das Problem der Konstrukteure, denn sie wissen, wie stark das Bauteil belastet ist, und wie man dieses abkühlen muss. Die Kühlung sollte deshalb nicht zum Problem werden.

Das wäre schön, denn gerade die Kühlung hat viel mit der Leistung eines elektrischen Fahrzeuges zu tun. Reicht die Kühlung nicht aus, wird das nicht gut gehen. Man legt deshalb fest, wie lange eine bestimmte Leistung anstehen darf. So ist gesichert, dass die dadurch zwar überlasteten Bauteile keinen Schaden nehmen. Die Kühlung hat nachher genug Zeit um die entstandene Wärme wieder abzubauen.

Man spricht hier von drei Richtwerten für die Leistung. In Tat und Wahrheit sind viel mehr Werte vorhanden. Auf die muss das Personal achten. So sind Werte vorhanden, die ganz klar besagen, dass man diese nur während einem bestimmten Zeitraum benutzen darf. Hier jede Zeit aufzulisten ginge zu weit, deshalb nehmen wir einfach ein Beispiel.

Maximalleistung: Die Maximalleistung ist die Leistung, die man maximal Nutzen kann. Würde man diese Leistung überschreiten, könnte das Bauteil beschädigt werden. Das hängt jedoch nicht von der Kühlung ab. Sondern ist klar die Leistung, die das Bauteil maximal erbringen kann. Bei einer Überschreitung ist das Teil nur schon von seiner Bemessung her verloren.

Die Maximalleistung ist somit die höchste Leistung, die erbracht werden kann. Man benutzt diesen Wert gerne um ihn in Datenblättern aufzuschreiben. Das Fahrzeug glänzt dann mit seiner Leistung und man kann Stolz darauf sein. Durch diesen Trick kann man plötzlich etwas präsentieren, das man eigentlich gar nicht hat und ist darauf erst noch Stolz. 

Die Maximalleistung kann das Fahrzeug erbringen. Dabei gelten aber zeitliche Beschränkungen von ca. 3 – 5 Minuten. Das hängt stark vom jeweiligen Land und von der Bahngesellschaft ab. Die SBB nehmen hier den Wert von 3 Minuten an. Das heisst, diese Leistung kann während drei Minuten erbracht werden. Das ist kurz und deshalb wenig aussagekräftig.

Stundenleistung: Eine Leistung, die während einer Stunde erbracht werden kann, nennt man Stundenleistung. Hier haben wir nun einen zeitlichen Rahmen. Das heisst, mit dieser Leistung können wir die Lokomotive eine Stunde lang betreiben. Die Abkühlung der Bauteile reicht dazu aus. Wird diese Zeit überschritten, können die Bauteile nicht mehr ausreichend gekühlt werden.

Die Stundenleistung entspricht eigentlich einer dauernd zu erbringenden Leistung, denn es gibt kaum eine Strecke, wo diese Leistung so lange zu erbringen ist. Da es sich aber nur um einen Stundenwert handelt, kann man nicht von einer dauernden Leistung sprechen, denn theoretisch könnte man diese Leistung ja während 70 Minuten erbringen und dann bekämen wir Probleme.

Dauerleistung: Letztlich ist die Dauerleistung der tiefste der hier aufgeführten Werte. Dieser Wert kann das Fahrzeug grundsätzlich immer erbringen. Das heisst, hier vermag die Kühlung die entstehende Wärme abzuführen und das Fahrzeug bleibt immer gleich warm. Ein unendlicher Betrieb würde so möglich ohne dass das Fahrzeug einen Schaden erleiden würde.

Solche Werte sind sehr theoretisch, denn bei der Kühlung mit Luft muss man beachten, dass man dieses Fahrzeug immer mit der gleich warmen Luft kühlt. Luft von 10°C kühlt besser als Luft, die schon 40°C warm ist, denn das zu kühlende Element kann dann nicht viel kühler als 40 °C werden.

Nachdem wir nun wissen, wie lange wir eine Leistung erbringen dürfen, benötigen wir noch eine Grenze. Diese soll uns Auskunft darüber erteilen, wann wir die Leistung erreicht haben. Dazu sind nicht so viele Faktoren massgebend. Auch die Kühlung hat jetzt keinen Einfluss mehr, denn die Leistungsgrenzen auf Grund der Kühlung haben wir ja schon kennen gelernt, jetzt geht es um die Leistung, die maximal erbracht werden kann und bei welcher Geschwindigkeit das erfolgt.

Die erste Grenze wird uns durch die Fahrmotoren gestellt. Diese können nur bis zu einer bestimmten Leistung belastet werden. Dazu spricht man vom Strom, denn dieser muss kontrolliert werden. Der Fahrmotorstrom erwärmt die Fahrmotoren und legt so auch gleich die Zeit fest, wo wie diesen Wert erbringen können. Der Strom gibt uns bis zur effektiven Leistungsgrenze den Wert vor.

Durch die Leistung des Transformators wird bestimmt, wann die maximale Zugkraft und somit die maximale Leistung erreicht ist. Diese liegt nicht bei der angegebenen Höchstgeschwindigkeit sondern bei einem oft unlogisch erscheinenden Wert. Dieser Wert stellt die Leistungsgrenze dar. Jetzt kann nicht mehr mehr Leistung abgerufen werden. Das Fahrzeug hat nun die Maximalleistung erreicht.

Um schneller zu werden muss nun gewartet werden. Bei einer Lokomotive, die mit klassischer Technik geregelt wird gilt hier der Wert, wenn die Stufen voll aufgeschaltet sind. Ist die Leistungsgrenze am Transformator eher erreicht, wird nun die Belastung des Transformators zum Kritikpunkt.

Ich zeige Ihnen hierzu zwei Beispiele auf, dazu benutze ich eine kleine Tabelle:

Sie können in der Tabelle viel erkennen. Die Re 460 errecht als erste Lokomotive die Leistungsgrenze, hat aber die höchste Höchstgeschwindigkeit. Die Re 6/6 erreicht diesen Wert erst 24 km/h später und darf nur 140 km/h fahren. Die Leistungen sind dabei nicht identisch, denn diese entstammen dem Datenblatt der entsprechenden Lokomotive und sollen nur zur Orientierung dienen.

Nachdem wir hier endlich am Ende angelangt sind, kommen wir nun zu der Lokomotive, die der elektrischen Lokomotive hilft, wenn die Fahrleitung ausfällt. Ich meine die Diesellok. Aber eines zeigt der Satz auf, denn ohne Strom ist eine elektrische Lokomotive eigentlich nicht mehr als ein komischer Wagen.