Pictures of the Future    Frühjahr 2006

Antriebe mit Zugkraft

Die Schiene steht in Konkurrenz zu Flugzeug und Auto. Nur Züge, die wirtschaftlich, zuverlässig, schnell und komfortabel sind, bewegen Menschen zum Umsteigen. Siemens schafft mit leistungsstarken und vielseitigen Antrieben die Voraussetzungen dafür.

Ein Mann hört über Kopfhörer klassische Musik, seine Frau liest im Ledersessel, und der Sohn schaut Video auf einem Flach-Display. Die drei sitzen nicht im Wohnzimmer; draußen rast die Landschaft mit mehr als 300 km/h vorbei. Es ist das Jahr 2007, und die Familie fährt mit dem Zug Velaro E von Madrid nach Barcelona (Hochgeschwindigkeitszüge).

"Mit dem Velaro-Konzept, das auf dem ICE 3 der Deutschen Bahn basiert, haben wir eine Plattform für weltweit einsetzbare Hochgeschwindigkeitszüge", sagt Friedrich Moninger, Innovationsstratege von Siemens Transportation Systems (TS) in Erlangen. Es ist viel Platz im klimatisierten Zug, denn die gesamte Technik ist "unterflur" angeordnet, also unterhalb des Fahrgastraumes. Es gibt keine schweren Triebköpfe mehr wie noch beim ICE 1 und ICE 2 und keine Schaltschränke in den Wagons. Das schafft 20 % mehr Raum und hat technische Vorteile: Die Hälfte aller Achsen hat nun einen eigenen Antrieb. Dadurch kann der Zug stark beschleunigen, da der Rad-Schiene-Kontakt optimal ist. "So kann der Zug Steigungen bis 4 % überwinden", sagt Moninger. "Übliche Personenzüge schaffen nur die Hälfte." Die wartungsfreundliche Konstruktion des Zuges mit leicht austauschbaren Modulen und die hohe Lebensdauer der Verschleißteile machen die Velaro-Plattform sehr wirtschaftlich.

Direktantrieb ohne Getriebe. Für Nahverkehrszüge entwickelt TS auch Innovationen, etwa zusammen mit dem Bereich Automation and Drives "ein besonders energieeffizientes Antriebssystem", wie Dr. Lars Löwenstein von der TS-Vorentwicklung berichtet. Heute haben Schienenfahrzeuge meist Drehstrom-Asynchronmotoren, die am effektivsten bei hohen Drehzahlen arbeiten. Zur Umsetzung auf die langsamer laufenden Räder ist daher ein Getriebe nötig, das wegen der Reibungsverluste den Energieverbrauch erhöht. Außerdem erzeugt es störende Geräusche, muss gewartet und gelegentlich ersetzt werden. "Der neue Antrieb hat diese Nachteile nicht", sagt Löwenstein. "Er bildet unmittelbar und ohne Getriebe eine Einheit mit den Radsatzwellen." Sein permanentes Rotor-Magnetfeld erzeugen starke Dauermagnete mit Selten-Erd-Metallen, die seit kurzem wirtschaftlich einsetzbar sind. Solche Motoren haben schon bei sehr niedrigen Drehzahlen ein hohes Drehmoment.

"Erste Tests machen wir derzeit an einem Metrofahrzeug", verrät Löwenstein. Dazu bauten die Ingenieure den weltweit ersten vollständig integrierten, gekapselten und wassergekühlten Direktantrieb ohne Getriebe in die Drehgestelle des Fahrzeugs. Die Kapselung schützt vor Schmutz und Nässe und reduziert Geräusche und Störfelder. Außer zwei Wälzlagern enthält der Motor keine Verschleißteile.

Permanenterregte Motoren haben zwar den Nachteil, dass Verluste entstehen, sobald der Motor bewegt wird, auch bei abgeschaltetem Antrieb. Eine passive Kühlung führt die entstehende Wärme aber gut ab. "Dafür hat die Permanenterregung den Vorteil, dass sie ausfallsicher ist, und wir den Motor als sichere elektrische Ersatzbremse nutzen können". Er bremst ähnlich wie eine Wirbelstrombremse, eine mechanische Ersatzbremse ist unnötig.

Direktantriebe können auch die Konstruktion der Drehgestelle optimieren, die unter dem Hauptrahmen des Zuges gelagert sind. Siemens wird im Sommer 2006 mit dem Syntegra-Fahrwerkskonzept eine vollständige Integration von Antriebs-, Drehgestell- und Bremstechnologie vorstellen. "Wir werden damit deutlich Gewicht sparen und neue Möglichkeiten in den Wagenkästen eröffnen", verspricht Löwenstein. So können Wagen länger oder breiter gebaut werden, was den Passagieren mehr Platz gibt. Zugleich sinken Verschleiß und Energieverbrauch.

Weiteren Komfort – vor allem ruhigeren Lauf der Motoren – bringt eine neue Art der Regelung. "Wir haben ein kompaktes Modul für die Steuerung und Regelung der Antriebe und Stromrichter entwickelt", berichtet Moninger. Das System Sitrac (Siemens Traction Control) berechnet die Spannung für die Elektromotoren mit einem präzisen Computermodell, statt sie kompliziert zu messen. Damit steuert es den Wechselrichter, der die Antriebe mit Strom versorgt, und regelt sehr schnell Drehmoment und Beschleunigung. Ohne Sitrac wäre eine genaue, dynamische Messung der Motordrehzahl nötig. Heute übernehmen das Drehzahlgeber aus einem auf der Motorwelle sitzenden Polrad und einem magnetischen Sensor. Diese sind hohen Temperaturen und mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt und haben daher eine begrenzte Zuverlässigkeit. Sitrac benötigt keine Sensoren. "Ein großer Vorteil", sagt Moninger. "Der Wegfall der Drehzahlgeber und ihrer Verdrahtung reduziert die Kosten und erhöht die Zuverlässigkeit." Sitrac kann an jedes Schienenfahrzeug angepasst werden, es muss dazu nur alle relevanten Parameter kennen. Anfang 2003 kam Sitrac erstmals im Renfe Tren Civia in Spanien zum Einsatz – heute ist es in mehreren Metros installiert.

Bremsenergie nutzen. Auch die Stromversorgung in Zügen wird zuverlässiger. "Künftig werden Passagiere keinen Stromausfall mehr bemerken, wenn der Fahrdraht oder der Kontakt zu ihm kurzzeitig unterbrochen ist", erklärt Dr. Andreas Fuchs, Entwicklungsleiter für Antriebe bei TS. Siemens entwickelt einen "integrierten Hilfsbetriebeumrichter". Dieser erhält den Strom für alle Nebenverbraucher wie Innenbeleuchtung nicht aus einem mit der Oberleitung verbundenen Transformator, sondern aus der Stromversorgung des Antriebs. So können die Motoren auch als Generatoren arbeiten, so dass alle elektrischen Nebensysteme beim Ausfall der Oberleitung weiterlaufen.

Zudem denken die Forscher an mit Gas betriebene Lokomotiven, da diese weniger Schadstoffe ausstoßen, und auch der Wirkungsgrad von dieselelektrischen Antrieben lässt sich erhöhen: Beim Bremsen geht heute ein Großteil der Bewegungsenergie in Widerständen verloren. Einen Teil davon könnten Schwungräder oder Supercaps – Hochleistungs-Kondensatoren – speichern und beim Beschleunigen wieder abgeben. Mit ihnen ist es sogar möglich, den Dieselmotor im Bahnhof völlig abzuschalten und emissionsfrei nur mit der gespeicherten Energie anzufahren. Ein ähnliches System zur Zwischenspeicherung der Bremsenergie hat Siemens mit Sitras SES schon in mehreren Städten verwirklicht (siehe Pictures of the Future, Frühjahr 2004, Energiesparen).
                                                                                                                   Bernhard Gerl