Spannungsregulierung AC klassisch

Bei Lokomotiven und Triebwagen, die mit Wechselstrom betrieben werden, können wir mit einem Transformator die Spannung anpassen. Hinzu kommt, dass in den Wicklungen auch Anzapfungen vorgesehen werden können. Damit ergeben sich bei diesen Maschinen Lösungen mit mehreren Spannungen. Letztlich führte das dazu, dass sich der Wechselstrom bei den Bahnen durchsetzen konnte. Sollten Sie andere Systeme vorziehen, können Sie nun dazu wechseln.

 

Regulierung DC und Drehstrom Regulierung modern

 

Schön, dass Sie sich für die klassische Regulierung des Wechselstromes entschieden haben. Dank dem Transformator können Spannungen erzeugt werden, die einen geringeren Wert hatten. Damit stieg jedoch der Strom an und das sorgte für ein weiteres Problem, das von den Herstellern im Laufe der Jahre auf unterschiedliche Art gelöst wurde. Hier alle erdenklichen Ideen aufzulisten wäre schlicht zu umfangreich.

Bevor wir zu den Lösungen können, müssen wir verstehen, wie die Fahrmoto-ren bei Wechselstrom genau geregelt werden. Damit die bei den Eisenbahnen verlangten unterschiedlichen Höchstgeschwindigkeiten erreicht werden konn-ten, musste die Leistung der Motoren angepasst werden.

Diese Anpassung erfolgte indem die Spannung auf einen unterschiedlichen Wert gelegt wurde. Damit konnte die Leistung einfach reguliert werden. Je-doch ergibt sich damit ein Problem, das gelöst werden muss, denn um die Spannung zu verändern, mussten andere Anzapfungen benutzt werden.

Diese nur zu trennen und neu zu verbinden, reichte schlicht nicht aus. Beim Wechsel ergab es einen Unterbruch und der war für die Motoren schädlich, da der Schwung verloren ging und die neue Kraft kam. So einfach war es also nicht und das erlaubte auch verschiedene Lösungen.

Wenn man nun gleichzeitig zwei Anzapfungen benutzt, entsteht im Trans-formator ein Kurzschluss. Daher ging das auch nicht und daher besteht die klassische Lösung immer aus zwei Bereichen.

Einer sorgt für die erforderliche Schaltung und der zweite Teil beschränkte den Strom beim Kurzschluss. Das musste zudem noch auf zuverlässige Weise funktionieren, denn hier gab es oft nur eine Lösung, die verbaut wurde.

Grundsätzlich ist diese Regelung der Spannung bei Wechselstrom auf zwei Arten ausgeführt worden. So wird bei der direkten Lösung der Transformator über das Schaltteil mit den Motoren verbunden. Bei der zweiten Lösung wandelte man die Spannung um, damit andere Motoren genutzt werden können. Dabei erfolgte das aber in Gleichstrom und die Anpassung der Spannung wurde klassisch ausgeführt. Wir beginnen mit einer einfachen Lösungen.

Der Gleittransformator

Die Betrachtung beginne ich mit der einfachsten Lösung, die es gibt. In dem Fall wird ein Gleitschuh über die blanken Windungen geführt und so unterschiedliche Spannungen abgenommen. Es ergab keinen Unterbruch und die Kurzschlüsse bei den Windungen konnten damit begrenzt werden, dass kein zu grosser Unterschied bei der Spannung vorhanden war. Mehr wurde eigentlich nicht mehr benötigt, denn es ist so simpel.

Wer eine Modellbahn mit einer klassischen Regelung der Lokomotiven besitzt, arbeitet nach diesem Prinzip. Sie benutzen einen Transformator, der sich in einem ge-schlossenen Gehäuse befindet.

Ein Regler können sie dabei drehen und so beginnt die Lo-komotive zu fahren. Mit dem Regler verändern sie die Spannung, die dem Motor zugeführt wird. Dabei haben Sie vermutlich schon festgestellt, dass dies nicht so leicht sein kann.

Durch drehen des Reglers wird ein Gleitschuh von einer Windung zur nächsten verschoben. In jeder ist eine andere Spannung vorhanden und so fährt die Lokomotive.

Sofern Sie den Regler unglücklich zwischen zwei Wind-ungen belassen, kommt es zwischen diesen zu einem Kurzschluss.

Dieser ist aber wegen der eher bescheidenen Leistung be-schränkt und stellt keine Gefahr dar. Einzig der Wandler ist zu gross dimensioniert.

Es ist so, die meisten Modellbahntransformatoren könnten eine deutlich höhere Leistung abgeben. Wegen den Kurz-schlüssen muss aber deren Strom verringert werden.

So kann die Lokomotive mit etwas Geschick ohne merkliche Stufen in der Geschwindigkeit reguliert werden. An diesem Prinzip änderte sich bis heute nichts und das auch, wenn sie mit modernen Steuerungen arbeiten, denn der Regler verschob man in die Lokomotive.

Wenn Sie nun aber die Datenblätter ansehen, dann werden Sie erkennen, dass die Spannung mit bis zu 128 Schritten angepasst wird. Das erlaubt es sehr fein zu regulieren und damit stellt sich die Frage, ob das, was im kleinen geht nicht auch auf die grosse Eisenbahn übertragen werden kann. Eine durchaus gute Frage, die eigentlich mit Ja beantwortet werden kann. Nur warum machte man das denn nicht auch so?

Das grosse Problem sind die Transformatoren und deren Leistungen. Um das Prinzip der Modellbahn zu nutzen sind grosse schwere Teile erforderlich, denn jetzt sind die Kurzschlüsse zwischen den Windungen deutlich höher.

Daher sollte der Gleitschuh diesen Bereich meiden. Das geht aber nicht so leicht und daher sind mit der Lösung kaum hohe Leistungen möglich. Das schlicht, weil der Transformator zu schwer würde.

Nennen wir diesen Wandler nun Gleittransformator, denn kaum ein vorbildliches Triebfahrzeug wird mit einem Modellbahntransformator arbeiten. Mit einer etwas besseren Ausführung, würde sich die Möglichkeit ergeben, dass man die Werte in sehr kleinen Schritten verändern könnte.

Das würde es erlauben mit kaum merklichen Sprüngen bei der Zuschaltung zu arbeiten. All das klingt eigentlich ganz gut. Bauen wir das in einem Fahrzeug ein und schon haben wir die Baureihen Re 4/8 und Re 8/12. Zwei Züge, die mit einem Gleittransformator bestückt wurden.

Sie sehen, so abwegig ist also untere Idee gar nicht, aber warum können wir nur zwei Modelle auflisten? Der Grund ist, dass die nachfolgenden Lösungen einfacher sind, als diese mit vielen Kurzschlüssen im Transformator behaftete Regelung der Motoren und der Zugkraft.

Wenn wir diese Fahrzeuge nehmen, dann erkennen wir, dass diese viele Stör-ungen mit dem Gleittransformator hatten. Diese waren so schlimm, dass man sogar einen Umbau in Erwägung zog.

Sie sehen, Gleittransformatoren sind im grossen Massstab nicht so zuverlässig, als bei der Modellbahn, wo oft viele Jahre mit den gleichen Gerät gearbeitet wurde. Wir sollten andere Lösungen finden und diese kommen alphabetisch.

Die Hüpfersteuerung

Bei der nun vorgestellten Hüpfersteuerung handelt es sich um eine sehr schnelle Regelung der Spannung an den Motoren. Oft kann in diesem Zusammenhang auch von der Schützensteuerung gesprochen werden. Die Bezeichnungen stammen aber in beiden Fällen von den verbauten Schaltelementen. Wie schon erwähnt wird ein solches benötigt um die einzelnen Anzapfungen zum richtigen Zeitpunkt mit dem Motor zu verbinden.

Bei der Schaltgeschwindigkeit dieser Steuerung kann eigentlich keine andere Lösung mithalten. Lediglich der Gleittransformator war noch schneller, aber dessen Probleme haben wir bereits kennen gelernt.

Diese Regulierung der Spannung kam schon sehr früh und sie konnte sich recht lange halten. Dabei müssen wir uns zuerst das Schaltelement ansehen, denn dieses war so wichtig, dass es ja für den Namen verantwortlich war.

Der Hüpfer ist das zentrale Bauteil dieser Art der Regelung der Zugkraft. Die elektrischen Kontakte werden bei einem Hüpfer durch Druckluft geschaltet. Der Begriff des Hüpfers wurde früher allgemein für solche elektropneumatischen Schalter verwendet.

Gehalten hat sich der Begriff eigentlich nur noch bei den Eisen-bahnen und auch dort wird die Bezeichnung nicht mehr überall verwendet. Deshalb komme ich hier zur üblichen Bezeichnung.

In elektrotechnischen Fachkreisen werden die Hüpfer heute als Schütze bezeichnet. Ein Schütz ist ein Bauteil, das mit einer fremden Energie, oder mit einem fremden Signal die Hauptkontakte schliesst. Man könnte eigentlich auch von einem Fernschalter sprechen, jedoch würde das den Eigenschaften eines Schützes nicht gerecht werden. Daher lohnt es sich sicher, wenn wir uns diese Schütze oder Hüpfer anhand der Schütze genauer ansehen.

Meistens kommen elektromagnetische Schütze zur Anwendung. Hier wird durch eine Spule elektrisch ein Magnetfeld erzeugt, dass dann die Hauptkontakte schliesst. Wir versorgen daher die Spule mit Spannung und der Schütz schliesst seinen Kontakt. Daher können wir den Schütz von einer entfernten Stelle aus fernbedienen. Diese Lösung kann das Bedienelement im Führerstand sein, oder aber eine Schutzfunktion der Lokomotive.

Der Hüpfer unterscheidet sich von einem Schütz nur durch die pneuma-tische Ansteuerung. Deshalb wird heute in den elektrotechnischen Fachkreisen keine Unterscheidung mehr gemacht. Das heisst, dass für Sie einfach Schütz gleich Hüpfer gilt.

Die Bahnen sind da etwas eigen und hüpfen vor Freude, wenn Sie er-klären, dass ein Schütz einem Hüpfer entspricht. Vermutlich hat die Person dann irgendwo einen Luftanschluss.

Für eine Hüpfer- oder Schützensteuerung benötigt man mehrere solche Schalter. Jeder Hüpfer wird dabei mit einer Anzapfung am Transformator verbunden. Das heisst, wenn sich der Hüpfer schloss, war eine Verbindung zu dieser Anzapfung vorhanden und es konnte ein Strom fliessen. Jedoch war damit zwar eine Regelung der Spannung möglich, aber die unterbruchsfreie Versorgung des Motors fehlte immer noch.

Überschaltdrosselspule: Die einzelnen Hüpfer schloss man nicht direkt an den Fahrmotor an. Sie verbanden die An-zapfungen mit den Anschlüssen der Überschaltdrosselspule.

Diese wiederum kann je nach Aufbau mit einer weiteren Spule verbunden werden. Letztlich ist damit eine unterbruchsfreie Versorgung entstan-den.

Wir müssen daher dieses Bauteil etwas genauer ansehen und so kommen wir zur Drosselspule.

Drosselspulen wurden ähnlich aufge-baut, wie ein Transformator mit mit-tiger Anzapfung. Sie besitzen jedoch einen Kern, der nicht für eine andere Spule genutzt wurde.

Durch den in der Drosselspule entsteh-ende induktiven Widerstand wird der Kurzschluss zwischen den Anzapf-ungen beschränkt.

Bei der Abgabe erfolgt eine Spannung, die dem Mittelwert der beiden Anzapf-ungen entsprach und daher geteilt wurde.

Drosselspulen werden oft auch als Stromteilerspule bezeichnet. Der Be-griff umschreibt eigentlich genauer, was passiert, denn der Strom am Mit-telwert wird dem Motor abgegeben.

Dabei kann es durchaus sein, dass es nur eine einseitige Belastung der An-schlüsse gab.

Dann floss der ganze Strom nur über einen Teil. Das war insofern nur ein Problem, da die Drosselspule dafür oft nicht ausgelegt wurde.

Dank der Überschaltdrosselspule konn-te mit der Hüpfersteuerung die Spann-ung an den Fahrmotoren ohne Unter-brechung erhöht, oder verringert wer-den.

Je nach Aufbau war eine recht hohe Zahl der Schaltelemente erforderlich. Diese mussten zudem hohe Ströme schalten können. Öffnete sich ein Hüpfer, entstand zwischen den Kontakten ein Lichtbogen. Wie wir wissen, müssen diese gelöscht werden und das benötigte Platz. Dieser fehlte jedoch im Maschinenraum der Lokomotiven.

Bei den Hüpfern nutzt man einfach die vorhandene Druckluft. So wurde auch hier mit einem kräftigen Luftstoss der Lichtbogen ausgeblasen. Wobei ausgeblasen auch falsch verstanden werden kann, denn er wurde nicht gelöst, sondern von den Kontakten weggeblasen. Bei den Schützen, wo die Druckluft fehlt, wird der Bogen mit Hilfe von Magnetfeldern aus dem Bauteil getrieben. Ohne Massnahme knallte es und es konnten Brände entstehen.

Funkenlöschung: Der von Hüpfer oder Schütz vertriebene Lichtbogen wird in eine Auffangeinrichtung getrieben. Diese war für die Funkenlöschung, also für die Löschung des Lichtbogens vorgesehen.

Dabei kamen je nach Bauort zwei Lösungen vor, die wir uns ansehen müssen, denn wir werden immer wieder auf diese beiden Einrichtungen stossen, denn sie konnten auch bei einfachen Schaltern verwendet werden.

Beim Funkenhorn wird der Lichtbogen einfach zwischen zwei Leiter ge-trieben. Er wanderte nun diesem Hörnern entlang. Da die Hörner nach aussen gebogen wurden, wurde die Distanz zwischen diesen immer grösser.

Irgendwann war diese so gross, das der Funke gelöscht wurde. Durch den Aufbau funktionieren sie nur optimal, wenn der Lichtbogen senkrecht nach oben aufsteigen kann. Man sieht diese Funkenhörner oft bei Fahrleitungen.

Bei begrenzten Orten, wird ein Löschkamin verbaut. Der Lichtbogen wird in diese getrieben und dann gelöscht. Dabei nutze man ein einfaches Prinzip. Mit Schikanen versehen wird die Distanz grösser, als sie wirklich ist.

Zudem machen Lichtbögen sehr ungern Kurven. Einfach ausgedrückt der Funke verlor sich in diesem Kamin und wurde dadurch gelöscht. Der Vorteil liegt dabei bei der geringen Baugrösse.

Bei den Löschkaminen kamen spezielle Kunststoffe zur Anwendung. Diese mussten der hohen Belastung standhalten und sie sollten auch mechanisch belastbar sein.

Daher wurden früher bei diesen Löschkaminen Stoffe, die aus Asbest be-standen verwendet. Mit dem Verbot dieses Stoffes kamen Kunststoffe zum Einbau, die auch hohen Temperaturen wiederstehen konnten. Wichtig ist jedoch, dass weder der Löschkamin noch das Funkenhorn beschädigt wurden.

Sowohl die Schaltelemente, als auch die Löschkamine sollten Sie sich merken, denn wir werden diese später noch einmal antreffen. Im Gegensatz zur Hüpfersteuerung werden die Schütze und Hüpfer aber als reine Schaltelemente benutzt.

Nur bei der hier vorgestellten Lösung schaltet man die Fahrstufen. Hier ein Liste zu erstellen, würde sehr lange. Als Muster zur Betrachtung einer Lokomotive mit dieser Regelung empfehle ich die Baureihe Re 4/4 I, oder den Triebwagen BDe 4/4.

Der Stufenschalter

Mit dem Stufenschalter kommen wir zur zweiten Lösung, die weit verbreitet war. Wie es der Name schon vermuten lässt, bei dieser Lösung wurden Stufen geschaltet. Was für eine tiefgreifende Erkenntnis, denn das ist ja das, was wir wollen. So gesehen, kann auch die vorher behandelte Hüpfersteuerung  dazu gezählt werden. Trotzdem habe ich diese separat genommen und das hat durchaus einen Grund.

Bei dieser Art der Regulierung der Spannung wird die Spannung erhöht, indem die Werte von den Anzapfungen über einen Schlitten, oder Schaltkontakt ver-bunden werden.

Dieser Auswahlschalter konnte die Spannung aber nicht ohne Unterbruch er-höhen. Daher musste auch hier eine Begrenzung der Kurzschlüsse vorgesehen werden. Die dafür erforderlichen Schaltungen erfolgten dann mit dem be-kannten Hüpfer oder Schütz.

Hier lange das Prinzip zu erklären ist müssig. Jedoch müssen wir uns noch das Bauteil ansehen, das den Kurzschluss beschränkte. Das konnte durchaus die von vorher bekannte Drosselspule sein.

Jedoch war hier eine wesentlich kürzere Zeit die Belastung vorhanden. Das war eine Folge davon, dass immer nur eine Anzapfung genutzt wurde. Man musste Sie nur um den Schaltvorgang zu überbrücken und das war deutlich einfacher.

Man verwendet bei Stufenschalter einen Widerstand zur Begrenzung des Stro-mes. Da er nur während dem Schaltvorgang und nur für kurze Zeit benötigt wurde, nannte man ihn Überschaltwiderstand.

Seit der Vorstellung der Elektrizität wissen wir, dass Widerstände Kurz-schlüsse verhindern, dabei aber die Leistung in Wärme umwandeln. Das ändert sich auch nicht, wenn man einen anderen Namen benutzt.

Überschaltwiderstände sind kurz belastet und sie werden wirklich nur bei jeder Schaltung benötigt. Daher sind sie so ausgelegt worden, dass Sie überlastet waren. Das ging, weil wirklich nur wenige Sekunden der Strom über diesen Widerstand floss. Der Vorteil des Widerstandes gegenüber der Drosselspule war, dass er deutlich leichter ist. Auch jetzt ging es wie so oft nur um das Gewicht des Bauteils, das ähnlich funktionierte.

Wir werden mit ein paar Beispielen in die Welt der Stufen-schalter eintauchen. Auch jetzt muss gesagt werden, das keine vorständige Übersicht entstehen kann und daher be-nutze ich lediglich drei Beispiele, die in der Schweiz verbaut wurden.

Ich wählte auch den geschichtlichen Weg, denn wie so oft wurde die vorgängige Lösung einfach durch die nächste Möglichkeit abgelöst. Es ist also ein Weg durch die Ent-wicklung.

Der Walzenschalter: Der Walzenschalter war das Wunder-ding, dass in den Lokomotiven Ce 6/8 II eingebaut wurde. Er kam aber auch bei anderen sehr frühen Baureihen vor.

Es handelte sich hier eigentlich um den ersten richtig funk-tionierenden Stufenschalter. Daher lohnt es sich, wenn wir mit diesem Walzenschalter beginnen. Sie werden ahnen, was das zentrale Bauteile bei dieser Bauweise ist.

Durch die Steuerung wurde bei diesem Stufenschalter eine Walze in Bewegung gebracht. Dabei schaltet diese immer nur um eine Position weiter.

Damit diese Positionen immer stimmen, wird die Walze bei jeder Stufen mit einem Nocken an der Drehung gehindert. Nur wenn dieser pneumatisch gelöst wurde, verschob sich die Walze um eine Stellung und verband andere Anzapfungen mit den Fahrmotoren der Loko-motive.

Wegen dem Nocken, der den Walzenschalter in der Position hält, wird hier oft auch von einem Nockenschaltwerk gesprochen. Jedoch kann so nicht ohne Unterbruch geschaltet werden, denn dazu war die Walze schlicht zu langsam unterwegs. Daher wurden auch hier mehrere Anzapfungen mit den Motoren verbunden. Der dabei entstehende Kurzschluss wurde mit einer einfachen Überschaltdrosselspule beschränkt.

Um die Anzahl der Schritte zu verringern wurde mit einer Anfahrdrosselspule ge-arbeitet. Diese Drosselspule reduziert den Strom beim anfahren. Sie war nur hier verbaut worden.

Eigentlich hätte man auf diese mit einer grösseren Anzahl der Kontakte verzichten können. Diese gab es bei der nächsten Lösung, die nahezu zur gleichen Zeit entstand und die sich letztlich durchsetzen konnte, da sie einfach im Aufbau war.

Der Flachbahnstufenschalter: Nein, diese Bauart ist nicht nur für Flachbahnen ge-eignet. Bei diesen Stufenschaltern wird ein Schlitten über flache Bahnen geführt. Daher wird von einem Flachbahnstufenschalter gesprochen.

Im Gegensatz zum Walzenschalter sind hier Vereinfachungen vorhanden. Beim vor-herigen Modell waren die Nocken stark beansprucht und auch die Spulen waren nicht optimal.

Bei diesem Flachbahnstufenschalter werden die Anzapfungen des Transformator einer Schaltbahn zugeschaltet. Diese Kontaktbahn bot auch die Anschlüsse für die Fahrmotoren. Jetzt mussten diese nur noch so verbunden werden, dass die Spannung ohne Unterbruch verändert werden konnte. Dazu wurden auf dieser Bahn ein Schlitten bewegt. Je nach der Stellung war eine andere Anzapfung mit den Motoren verbunden.

Das Herzstück des Flachbahnstufenschalters war eigentlich der Kontaktschlitten. Dieser verschob sich durch die Steuerung geregelt immer um eine Kontaktbreite. Dabei wurde eine andere Anzapfung zu den Motoren geschaltet und damit eine Stufe eingestellt. Das ist auch der Grund, warum man hier von einem Stufenschalter sprach, denn die einzelnen Positionen waren als Stufen bezeichnet worden.

Die einzelnen Schritte bei einem Stufenschalter werden sehr oft auch Fahrstufen genannt. Die Anzahl der möglichen Fahr-stufen hängt letztlich vom Stufenschalter ab und von dessen Schaltzeit.

Nehmen die Lokomotive der Baureihe Ae 8/14, so hatte diese Maschine 58 Fahrstufen. Die wurden in Schritten von einer Sekunde geschaltet. So dauerte ein Durchlauf nahezu eine Minute. Das war deutlich langsamer als bei der Hüpfersteu-erung.

Angetrieben werden Stufenschalter durch einen Antrieb, der mit Druckluft oder elektrisch betrieben wird. Auch eine mechanische Betätigung ist möglich. Wichtig dabei ist eigent-lich nur, dass mit den gesendeten Signalen nur der Gleitschuh verschoben wurde.

Die Schaltung der einzelnen Anzapfungen zum Fahrmotor war daher ohne Probleme möglich. Jedoch ging das auch jetzt nicht ohne einen Kurzschluss bei den Wicklungen.

Diesen Kurzschluss wurde, wie der Unterbruch beim Schalten der einzelnen Fahrstufen, mit dem Überschaltwiderstand be-schränkt.

Dieser wurde mit einem einfachen Hüpfer oder Schütz zu- beziehungsweise abgeschaltet. Da er nur während dem Schaltvorgang verbunden wurde, konnte der Widerstand sehr stark belastet werden. Das und der einfachere Aufbau machte in gegenüber der Drosselspule besser.

Diese Stufenschalter arbeiten daher eher träge und konnten hier nicht mit den Hüpfern mithalten. Das heisst, es dauert eine gewisse Zeit, bis die einzelnen Stufen geschaltet sind. Durch diese Trägheit kann eine Lokomotive jedoch feinfühliger gefahren werden. Der Nachteil ist, dass es ewig dauert, bis der Stufenschalter abgelaufen ist. In der Regel geht man bei Stufenschaltern von ein bis zwei Stufen pro Sekunde aus.

Der Stufenwähler: Wirklich schnell behandeln können wir jedoch den Stufenwähler, denn es handelte sich hier um einen Flachbahnstufenschalter der schneller arbeiten konnte.

So einfach ist es jedoch auch wieder nicht und wir müs-sen etwas genauer hinsehen, denn der Stufenwähler war komplett anders aufgebaut worden. Die flache Bahn wur-de nicht mehr genutzt, da sie viel Platz benötigte.

Er wurde nicht mehr gerade aufgebaut, sondern bestand aus einem runden Kontaktgehäuse. Die Funktionsweise, die wir nachher noch genauer anschauen werden, ist jedoch mit dem Flachbahnstufenschalter identisch.

Der Stufenwähler ist durch seine kompaktere Bauweise in der Lage bis zu drei Stufen pro Sekunde zu schalten. Je-doch haperte es auch hier bei der unterbruchsfreien Versorgung der Fahrstufen.

Die Arbeitsweise eines Flachbahnstufenschalters, oder eines Stufenwählers, erfolgt in mehreren Schritten. Aus-gehend 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 bei einem Stufenschalter genauer an.

Gehen 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 einen Kurzschluss zwischen den beiden Anzapfungen, was aber nicht passieren darf.

Dieser Hilfskontakt besitzt den Überschaltwiderstand. Dank diesem Widerstand entstehen kleinere Spannungsunterschiede zwischen dem bisherigen Kontakt und dem Hilfskontakt. Auch der Strom des Kurzschlusses wird durch den Widerstand auf einen erträglichen Wert beschränkt.

Damit haben wir nun die neue Stufe mit der bisherigen Stufe verbunden. Beim nächsten Schaltschritt ist der Fahrmotor nur über den Überschaltwiderstand an der neuen Stufe angeschlossen. Deshalb wird der Hauptkontakt nun auch auf die neue Stufe geschlossen.

Jetzt ist der Hauptkontakt mit dem Hilfskontakt über den Widerstand verbunden. Der Strom fliesst nun über den Hauptkontakt und der Hilfskontakt mit dem Widerstand kann wieder geöffnet werden. Wir haben die neue Stufe ohne Unterbruch der Versorgung geschaltet. Der Widerstand wurde daher nur für eine sehr kurze Zeit belastet und das war wichtig.

Stufenschalter haben einen gewaltigen Nachteil. Sie benötigen eine gewisse Zeit, bis sie abgeschaltet sind. Gehen wir von einem voll aufgeschalteten Stufenschalter mit 30 Fahrstufen aus. Es dauert nun bei einer Schaltgeschwindigkeit von zwei Fahrstufen pro Sekunde ganze 15 Sekunden bis der Flachbahnstufenschalter auf die Neutralstellung zurück gelaufen ist. Der Stufenwähler ist zwar schneller, aber auch er benötigt Zeit.

In einer Notsituation, wo es um Bruchteile von Sekunden geht, sicherlich ein Problem. Hier hatte die Regelung mit Hüpfer einen Vorteil, denn bei dieser konnte die Versorgung auf einen Schlag ausgeschaltet werden. So griff man auch beim Stufenschalter zu einem Hüpfer. Spannend ist das nur, weil die Hüpfer für die Schaltung bei diesem Bauteilen als Lastschalter bezeichnet wurden. Im Aufbau gab es keinen Unterschied.

Die zusätzlichen Hüpfer bei den Stufenschaltern wurden Trennhüpfer genannt. Dieser wird zwischen dem Stufenschalter und dem Fahrmotor eingebaut. Wird der Trennhüpfer geöffnet, schaltet sich die Versorgung sofort aus.

Der Stufenschalter konnte stromlos ablaufen. Jetzt wird es jedoch spannend, denn auch bei der sehr schnellen Hüpfersteuerung können Trennhüpfer ver-baut werden, das obwohl sie nicht benötigt wer-den.

Trennhüpfer werden auch dazu genutzt einen de-fekten Fahrmotor von der Versorgung zu trennen. Dazu wurde einfach mit einem Schalter verhindert, dass der Motor mit der Regulierung der Fahrstufen verwenden konnte.

Er wurde in der offenen Stellung blockiert. Damit man das kontrollieren konnte, war es möglich die Löschkamine zu entfernen. Im dem Fall waren die Kontakte sichtbar und können auch manuell ge-öffnet werden.

Damit sind wir bei den Stufenschaltern auch schon am Ende angelangt. Wenn Sie sich für die Baureihen interessieren, die damit ausgerüstet wurden, einige Beispiele.

Die Reihe Ce 6/8 II besass einen Walzenschalter, die Baureihe Ae 3/6 I hatte den Flachbahnstufenschalter und mit dem Stufenwähler wurden die zahlreichen Modelle der Baureihe Re 4/4 II versehen. Sie sehen so auch den geschichtlichen Ablauf.

Wir haben die Stufenschalter und die Hüpfersteuerung bei den Modellen für den Betrieb mit Wechselstrom angesehen. Was ist aber, wenn man nicht zu diesem System passende Motoren benutzen will. Dabei müssen wir wissen, dass bei der ersten Lokomotive für dieses Stromsystem der dazu passende Motor noch nicht gab. Aber es kann auch sein, dass die Lokomotive mit mehreren Stromsystemen betrieben werden soll.

Regelung mit Veränderung der Stromart

Bisher lernten wir die Schaltungen kennen, die den Wechselstrom direkt zu den Motoren leitet. Nun treten wir in die Welt der Lokomotiven ein, welche die Spannung aus der Fahrleitung in ein anderes Stromsystem umwandeln. Aber Achtung wir sind nicht in die Welt der modernen Lösungen abgerutscht. Wenn Sie diese ansehen wollen, dann können Sie dem Link zur modernen Regulierung der Spannung folgen.

Es ist etwas überraschend, denn die Umformung der Spannung gehört klar in den Bereich der modernen Trak-tionssteuerung mit Halbleitern und man erwartet sie nicht hier bei der klassischen Lösung.

Bei der klassischen Regelung vermutet man kaum eine Umformung der Spannung. Ich werfe aber nun in die Run-de, dass die erste elektrische Lokomotive die mit Wech-selstrom aus der Fahrleitung versorgt wurde, hierher gehört und daher die Spannung umformte.

Der Umformer: Man kann die Spannung aus der Fahr-leitung mit Hilfe eines Umformers an die Spannung der 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.

Er hat mit den modernen Lösungen nicht viel gemeinsam, da er einen anderen Aufbau besitzt. Daher sollten wir einen genaueren Blick darauf werfen.

Ein Umformer, wie wir ihn hier behandeln, besteht nämlich aus einem Motor und einem daran fest angeschlossenen Generator. Die oft auch genannten statischen Umformer gehören bereits zur modernen Regelung der Fahrmotoren und haben eine etwas andere Bezeichnung. Damit Sie diese direkt vergleichen können, erwähne ich deren korrekte Bezeichnung schnell, denn dort spricht man von einem Umrichter und nicht von einem Umformer.

Diese Einrichtung aus Motor und Generator, nennt man korrekterweise Umformergruppe. Diese besteht, wie schon gesagt, aus einem Motor für die Spannung aus der Fahrleitung und einem Generator, der durch diesen Motor angetrieben wird und der eine andere Spannung erzeugt. Grundsätzlich war das Wechselstrom, der so zu Gleichstrom umgewandelt wurde. Theoretisch wäre auch der Wechsel in Drehstrom kein Problem.

Diesen Weg wählte man bei der ersten Lokomotive für Wechselstrom, die mit der Bezeichnung MFO 1 versehen wurde. Dabei bot der Umformer viele Vorteile. Der Motor konnte so optimal mit einer festen Spannung 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 diesen so optimal nutzen.

Der Generator, also das Teil der Umformergruppe, das die neue Spannung erzeugt, konnte so eine Spannung liefern, die man für den Fahrmotor regulieren konnte. Generatoren gibt es heute hauptsächlich in Kraftwerken. Sie funktionieren grundsätzlich umgekehrt zu den Motoren. Das heisst, beim Generator wird eine Welle angetrieben und so eine Spannung erzeugt. Welche Spannung dabei entsteht, hängt vom Aufbau des Generators ab.

Durch das drehen der Welle entsteht dank dem Elektromagnetismus eine Spannung in den Spulen des Generators. Die Informationen dazu haben Sie schon bei den Kraftwerken bekommen. Der Generator hier unterschied sich im Aufbau nur durch seine Grösse und damit durch die mögliche Leistung. Der Generator könnte theoretisch auch als Motor eingesetzt werden. Lokomotiven nutzen diesen umgekehrten Effekt für den Aufbau einer elektrischen Bremse.

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

Die Gleichrichterlokomotive: Man kann die Spannung auf einer Lokomotive aber auch auf andere Weise umwandeln. Dabei macht man zwar den gleichen Schritt, wie er bei der Lokomotive mit Umformer schon gewählt wurde, man wählte jedoch eine andere Lösung. Das heisst, man macht aus dem Wechselstrom einen Gleichstrom. Deshalb gehören diese Lokomotiven auch in die Gruppe der Umformerlokomotiven.

Statt einer Umformergruppe wählte man hier aber einen Gleichrichter. Gleichrichter sind speziell auf-gebaute 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. Diesen Fehler sollten Sie in Zukunft jedoch nicht mehr begehen, daher sehen wir uns das genauer an.

Um das etwas besser zu verstehen betrachten wir die Elektronenröhre und die Diode etwas genauer. Sie erkennen so 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 Fluss-richtung, sperrt die Diode oder die Elektronenröhre den Fluss des Stromes. Doch kommen wir nun zu den beiden Bauteilen.

Die Elektronenröhre ist einer der ersten Halbleiter den es gab. In der Elektronenröhre treten die Elek-tronen aus der Kathode und werden durch die Anode wieder aufgefangen. Damit das klappt, ist die Röhre mit entsprechendem Material, dem Quecksilberdampf, gefüllt worden. Sie hatten ihren Erfolg in der Radiotechnik, wo dank diesen Röhren erste Empfangs-geräte gebaut werden konnten. Das Röhrenradio ist Ihnen vielleicht noch ein Begriff.

Bei der Eisenbahn kamen diese Elektronenröhren auch zur Anwendung. Man nannte sie dort aber Quecksiberdampfgleich-richter. Dabei handelte es sich aber um eine Elektronenröhre, die mit Quecksilber und Edelgas gefüllt war.

Sie verschwanden aber wie die Elektronenröhren mit der Einführung von Siliziumdioden. Diese waren im Aufbau viel einfacher und besser zu handhaben. Daher lohnt es sich, wenn wir auch diese Siliziumdiode genauer ansehen.

Die Siliziumdiode ist heute nicht mehr aus der modernen Elek-tronik 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 und diesen in der Gegenrichtung sperrt. Es handelt sich deshalb auch hier um einen Halbleiter. Wie ver-breitet Siliziumdioden sind, zeigt nur schon die Tatsache, dass man sie schlicht als Diode bezeichnet.

Dioden sind der Begriff für Halbleiter, die den elektrischen Strom nur in einer Richtung fliessen lassen. Der Aufbau mit Silizium machte sie gegenüber den Quecksilberdampfgleich-richtern deutlich einfacher im Aufbau.

Für einen echten Gleichrichter benötigt man mindestens vier Dioden, die speziell geschaltet werden müssen. Es spielt jedoch keine Rolle, ob Sie von einer Diode oder einer Siliziumdiode sprechen, es ist das gleiche Bauteil.

Die genaue Ansteuerung der Fahrmotoren erfolgt dann wieder, wie bei einer Lokomotive für Fahrleitungen, die mit Gleichstrom versorgt wurden. Diese Lösung dient uns nun aber als elegante Überleitung auf die Ansteuerung der Fahrmotoren unter Gleichspannung. Wir können daher die Regelung der Spannung an den Fahrmotoren bei Bahnen mit Wechselstrom abschliessen und nun zu den Bahngesellschaften wechseln, die sich für Fahrleitungen mit Gleichstrom entschieden haben.

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