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Traktionsstromkreis
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Wenn wir zur elektrischen Ausrüstung wechseln, dann ist klar, dass auch hier Gewicht eingespart werden musste. Die hohe Leistung, die übertragen werden musste, benötigte jedoch dicke und schwere Leiter. Das stellte schon immer ein Problem dar. Besonders beim Transformator versuchte man immer wieder Gewicht einzusparen. Apparate für 16 2/3 Hertz benötigten nun einfach mehr Eisen im Kern. Dazu kam noch das schwere Kupfer.
Beginnen wir jedoch auch hier mit der Betrachtung auf dem Dach der Lokomotive. Die elektrische Ausrüstung der Maschine wurde für eine Spannung von 15 000 Volt und 16 2/3 Hertz Wechselstrom ausgelegt. Weitere davon abweichende Spannungen oder Frequenzen waren jedoch nicht vorgesehen. Damit handelte es sich um eine damals übliche für ein System ausgelegte Lokomotive. Ein Punkt, der bei der BLS eigentlich nicht oft zur Diskussion stand.
Die Spannung der Fahrleitung wurde mit der Hilfe von Scherenstromabnehmern auf die Lokomotive übertragen. Diese Stromabnehmer waren gegenüber den vorher verwendeten Modellen noch einmal leichter aufgebaut worden. Sie wurden seit Jahren auf den roten Pfeilen der Schweizerischen Bundesbahnen SBB erfolgreich verwendet. Das führte bereits hier zu der erhofften Verminderung des Gewichtes. Bei einem Gewicht von rund 800 Kilogramm wirkt sich jedes Gramm aus.
Bei den ersten sechs Lokomotiven wurden zwei identische Stromabnehmer auf dem Dach montiert. Bei den letzten beiden Lokomotiven wurde jedoch auf den Stromabnehmer zwei verzichtet, so dass dort nur noch ein Exemplar montiert wurde.
Der Grund für diese Massnahme war nicht unbedingt die Reduktion des Gewichtes. Vielmehr wurde auf diesen Maschinen die elektrische Bremse verstärkt ausgeführt.
Ausgerüstet wurden die Stromabnehmer dieser Bau-reihe mit neuartigen doppelten Schleifleisten. Diese wurden zusammen mit dem Stromabnehmer schon bei den Roten Pfeilen der Schweizerischen Bundes-bahnen SBB verwendet.
Damit konnte die Kontaktsicherheit der Stromab-nehmer deutlich verbessert werden. Bei den ersten Lokomotive wurden noch Schleifleisten aus Alu-minium verwendet. Erst die später abgelieferten Modelle hatten Leisten aus Kohle erhalten.
Die doppelten Schleifleisten verhinderten bei den ersten beiden Lokomotiven jedoch nicht, dass beide Stromabnehmer zur sicheren Übertragung der Spannung gehoben werden mussten. Erst mit zunehmender Erfahrung konnte man sich schliesslich ab der dritten Lokomotive darauf festlegen, dass nur noch mit einem gehobenen Scherenstromabnehmer gefahren wurde. Die sichere Übertragung der Spannung war auch so möglich.
Gehoben wurde der Scherenstromabnehmer mit der Hilfe von Druckluft. Dabei bewirkte diese Druckluft nur, dass die Kraft der Senkfeder, die den Stromabnehmer in die Tieflage zog und dort behielt, aufgehoben wurde. Dadurch konnte die Hubfeder ihre Kraft entfalten und der Stromabnehmer hob sich, bis er den Fahrdraht berührte. Der Stromabnehmer wurde daher alleine durch die Kraft der Feder gehoben. Damit war es möglich den Anpressdruck simpel einfach einzustellen.
Beim Senken des Stromabnehmers wurde die Druckluft wieder abgelassen. Dadurch entstand durch den schlagartigen Druckabfall im Zylinder ein Unterdruck. Das führte dazu, dass das Schleifstück von der Fahrleitung weggezogen wurde. Anschliessend sorgte die Senkfeder dafür, dass der Stromabnehmer sich senkte. Da die Hubfeder jedoch weiterhin ihre Kraft ausübte, war ein sanftes Senken des Bügels sichergestellt.
Bei den ersten sechs Lokomotiven wurden die beiden Stromabnehmer mit einer Dachleitung verbunden. Spezielle in der Dachleitung eingebaute Trennmesser ermöglichten im Notfall die Abtrennung eines Stromabnehmers. So konnten die Maschinen mit einem funktionierenden Stromabnehmer noch die Fahrt in eigener Kraft fortsetzen. Die beiden letzten Maschinen hatten jedoch nur noch eine einfache Leitung ohne Trennmesser erhalten.
Ebenfalls an der Dachleitung, beziehungsweise an der Zuleitung, angeschlossen waren der Hauptschalter und der Erdungsschalter. Dabei hatte der Erdungsschalter die Aufgabe, die elektrische Ausrüstung der Lokomotive mit der Erde zu verbinden. Dadurch konnte gefahrlos an den Anlagen der Hochspannung gearbeitet werden. Obwohl sich der Schalter auf dem Dach befand, konnte er aus dem Maschinenraum aus bedient werden.
Um die Lokomotive sicher von der Fahrleitung zu trennen, wurde ein Hauptschalter eingebaut. Bei der Baureihe Ae 4/4 kam ein neu entwickeltes Modell der Firma BBC zum Einbau. Diese Modelle wurden schon bei den Lokomotiven Ae 4/6 der Schweizerischen Bundesbahnen SBB verwendet und funktionierten dort sehr gut. Ihr wichtigster Unterschied zu den älteren Modellen lag in der Tatsache, dass der Abreissfunke hier mit Hilfe von Druckluft ausgeblasen wurde.
Diese Drucklufthauptschalter konnten im Gegensatz zu den bisher verwendeten Ölhauptschaltern auch Kurzschlüsse mit hohen Strömen sicher abschalten. Durch den Verzicht auf die Ölfüllung waren diese Hauptschalter zudem viel leichter als die bisherigen Modelle. Gerade dieser Punkt sprach bei dieser Lokomotive für die Verwendung dieser ausgesprochen zuverlässig funktionierenden Hauptschalter aus dem Hause BBC.
Nach dem Hauptschalter wurde die Spannung aus der Fahrleitung der Dachdurchführung zugeführt und damit erstmals in das Innere der Lokomotive geleitet. Dort wurde sie umgehend den Anschlüssen des Transformators zugeführt. Schliesslich folge die weitere „Aufbereitung“ der Spannung im Transformator. Wobei auch hier auf das Gewicht geachtet werden musste, denn nun folgten die schwersten Baugruppen der elektrischen Ausrüstung.
Im Transformator wurde die Spannung der Regulierwicklung zugeführt. Diese Wicklung war auf der anderen Seite über die an den Triebachsen angebrachten Erdungsbürsten mit den Schienen verbunden. Dadurch entstand ein geschlossener Stromkreis und es konnte Leistung übertragen werden. Damit haben wir aber nur den ersten Teil des Transformtors kennen gelernt, denn die Regulierwicklung hatte diverse Anzapfungen.
Die Spannungen der einzelnen Anzapfungen wurden dem Stufenschalter zugeführt. Damit haben wir auf dieser Lokomotive einen mit Hochspannung betriebenen Stufenschalter erhalten. Diese Lösung war bereits 1931 mit der Baureihe Ae 8/14 bei den Schweizerischen Bundesbahnen SBB umgesetzt worden. Der Vorteil war, dass man damit Gewicht sparen konnte. Ein Punkt, der insbesondere in diesem Bereich umgesetzt wurde.
Der Stufenschalter war als Flachbahnstufenschalter ausgeführt worden. Wegen den hohen Spannungen war er direkt am Transformator angebaut. Bei der Schaltung einer Stufe, wurde zuerst ein Hilfskontakt mit Widerstand zugeschaltet, erst anschliessend erfolgte der Wechsel der Anzapfung. Die dabei notwenigen Schaltungen wurden durch die vier Lastschalter sichergestellt. Damit war eine unterbruchsfreie Regelung der Spannung möglich geworden.
Nach dem Stufenschalter wurde die Spannung der Primärwicklung des eigentlichen Transformators zugeführt. Dort erfolgte schliesslich die galvanisch getrennte Übersetzung auf die Spannung der Fahrmotoren.
Diese wurden letztlich an der Sekundärwicklung, die maximal eine Spannung von 450 Volt abgeben konnte, angeschlossen. Damit haben wir die Funktion des Transformators und des Stufenschalters kennen gelernt.
Viel Gewicht konnte nur schon durch den Stufenschalter mit Hochspannung eingespart werden. Das reichte jedoch nicht aus um die Vorgaben einzuhalten. Daher verwendete man für die Wicklungen an der Stelle von Kupfer, das wesentlich leichtere Aluminium. Dieses Metall war zwar nicht ganz so gut wie Kupfer, es stand jedoch in ausreichender Menge zur Verfügung. Zudem konnte so das Gewicht des Transformators deutlich verringert werden.
An der sekundären Spule des Transformators wurden schliesslich die Trennhüpfer zu den Fahrmotoren angeschlossen. Diese Trennhüpfer hatten die Aufgabe die Spannung, die zu den Fahrmotoren führte, schlagartig abzuschalten und so einen augenblicklichen Ausfall der Zugkraft zu bewirken. Diese Lösung war nötig, weil bei hohen Geschwindigkeiten die Bremsung möglichst schnell optimal einsetzen musste. Daher mussten die Motoren spannungslos sein.
Erst jetzt folgten die Wendeschalter, die so aufgebaut wurden, dass ein Drehgestell an einem Wendeschalter angeschlossen wurde. Die Aufgabe der Wendeschalter war die Bestimmung der Fahrrichtung, aber auch die Umgruppierung beim elektrischen Bremsbetrieb der Lokomotive. Fiel jedoch einer der Wendeschalter aus, war nur noch die halbe Leistung der Maschine abrufbar. Diese Lösung war zur damaligen Zeit üblich.
Da die Trennhüpfer vor dem Wendeschalter montiert wurden, mussten die Kontakte am Wendeschalter für jeden Fahrmotor separat ausgeführt werden. Obwohl damit ein etwas grösseres Gewicht die Folge war, konnte man die Fahrmotoren einzeln abtrennen, was bei Ausfall eines Fahrmotors nur die Reduktion um einen Motor zur Folge hatte. Damit war eine möglichst optimale Situation bei Störungen erreicht worden.
Die veränderliche Spannung wurde nach den Wendeschaltern den Fahrmotoren zugeführt. Bei dieser Baureihe kamen 14polige Seriemotoren mit separatem Wendepolshunt und speziellen Kompensationswicklungen zum Einbau. Dieser Motortyp bewährte sich seit Jahren und wurde immer mehr verbessert und dabei verkleinert. Das führte dazu, dass bei vergleichsweise geringer Baugrösse viel mehr Leistung ermöglicht wurde.
Die Fahrmotoren fanden bei diesen Lokomotiven erstmals im Drehgestell den notwenigen Platz. Erst das war der Vorteil, den man nutzen konnte. Durch die geringe Baugrösse gab es nun im Maschinenraum genug Platz für die Geräte. Dadurch konnte wiederum der Kasten kompakter gebaut werden. Letztlich erlaubte erst diese Lösungen die gewünschte Reduktion beim Gewicht der fertigen Lokomotive.
Beeindruckend wirkten die technischen Daten dieser Fahrmotoren. Sie konnten mit einer maximalen Spannung von 395 Volt betrieben werden und bezogen dabei einen Strom von 2 100 Ampère. Daraus resultierte letztlich eine Leistung von 1 000 PS pro Motor. Auf die Lokomotive hochgerechnet ergab das eine Leistung von 4 000 PS. Damit erbrachten die Triebmotoren die von der BLS gewünschte Leistung. Ein Punkt, der damals für eine vierachsige Maschine gross war.
Die Anfahrzugkraft der Lokomotive wurde mit 216 kN angegeben. Diese konnte von den Fahrmotoren und vom Transformator jedoch nur kurze Zeit gehalten werden. Bei einer Drehzahl von 720 Umdrehungen und damit einer Geschwindigkeit von 76 km/h wurde die Leistungsgrenze erreicht. Die maximal zugelassene Zugkraft betrug jetzt noch 135 kN, was ein recht hoher Wert darstellte und für die geforderte Anhängelast ausreichte.
Als Folge der langen Bauzeit, wurden die Motoren für die letzten beiden Lokomotiven verändert. Sie konnten eine um 10% höhere Leistung abrufen. Dadurch stieg die Stundenleistung auf 139 kN an. Das wirkte sich direkt in den Daten ab, so dass hier die Leistungsgrenze etwas höher angesetzt werden konnte. Dadurch hatten diese Lokomotiven gegenüber den anderen Maschinen eine leicht höhere Normallast erhalten.
Bei der Lokomotive wurde eine elektrische Bremse eingebaut. Obwohl die Schweizerischen Bundes-bahnen SBB mit leistungsfähigen Nutzstrombremsen bei der Baureihe Ae 4/6 gute Erfahrungen gemacht hatten, verzichtete man hier auf eine solche Bremse.
Vielmehr wurde bei den Maschinen der Baureihe Ae 4/4 die bei der BLS schon immer verwendete Widerstandsbremse eingebaut. Wobei hier die BLS grundsätzlich keine andere Wahl hatte.
Dieser Generator für die elektrische Bremse war Bestandteil einer Umformergruppe, die ab den Hilfsbetrieben der Lokomotive versorgt wurde. Da-her war die Bremse nur bei vorhandener Spannung in der Fahrleitung funktionsfähig.
Die so erregten Triebmotoren arbeiten nun als Generatoren und verzögerten so die Lokomotive. Durch die Gleichspannung bei der Erregung, lieferten die Fahrmotoren nun Gleichstrom, der nicht in die Fahrleitung zurückgeführt werden konnte. Daher wurden auf dem Dach montierte Bremswiderstände angeschlossen und so die erzeugte Energie in Wärme umgewandelt. Die Bremswiderstände wiederum wurden durch den Fahrtwind gekühlt.
Bei den ersten sechs Lokomotiven stand nur der Platz zwischen den beiden Stromabnehmern zur Verfügung. Das hatte zur Folge, dass nur eine geringe Bremsleistung möglich war. Daher wurde die elektrische Bremse bei den letzten Lokomotiven verbessert. Bei den Maschinen mit den Nummern 257 und 258 belegte man daher das ganze freie Dach mit Bremswiderständen, so dass diese beiden Lokomotiven eine höhere Bremskraft zur Verfügung hatten.
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