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Traktionsstromkreis
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Wir haben den mechanischen Teil der Lokomotive abgeschlossen und können uns der elektrischen Ausrüstung zuwenden. Die Bemühungen bei der Lokomotive Gewicht zu sparen, wo es nur ging, endete natürlich nicht. Auch wenn mehr als die Hälfte des zugelassenen Gewichtes von 80 Tonnen zur Verfügung stand, waren das lediglich 40 Tonnen für eine Leistung von 6 000 PS. Daher war die Aufgabe in diesem Punkt nicht viel leichter.
Beginnen wir mit dem Traktionsstromkreis, der eigentlich der spannendste Bereich der ganzen Ausrüstung darstellt. So verkehrte die Lokomotive ausschliesslich unter einer Fahrleitung, die für 15 000 Volt und 16 2/3 Hertz ausgelegt wurde. Eine Ausrüstung für mehrere Stromsysteme war daher im Gegensatz zum Muster aus Frankreich nicht vorhanden. Das überraschte eigentlich nicht gross, denn solche Modelle waren zu jener Zeit in der Schweiz nicht vorgesehen.
Der gleiche Grund könnte auch hier ausschlag-gebend gewesen sein. Letztlich konnte jedoch 800 kg Gewicht eingespart werden.
Da zu jener Zeit auch die Lokomotiven der Bau-reihe Re 4/4 II der Schweizerischen Bundesbahnen SBB mit einem Stromabnehmer ausgerüstet wurden, kam oft die Bemerkung auf, dass hier die BLS grossen Einfluss genommen hatte.
Als Stromabnehmer wurde ein Scherenstromabnehmer verwendet. Dieses Modell wurde von der Baureihe Ae 4/4 übernommen und kam auf den Lokomotiven bis zur Nummer 189 zu Anwendung. Bei den restlichen sechs Lokomotiven wurde hingegen ein Einholmstromabnehmer verwendet. Dieser war etwas leichter und hatte sich gegenüber den älteren Modellen durchgesetzt, so dass die letzten Maschinen damit ausgerüstet wurden.
Beide Modelle wurden mit Hilfe von Federn bewegt. Dabei war die stärkere Senkfeder dafür verantwortlich, dass der Stromabnehmer in seiner Tieflage gehalten wurde. Wurde nun die Kraft der Senkfeder mit der Hilfe von Druckluft aufgehoben, konnte sich der Stromabnehmer mit der Kraft der schwächeren Hubfeder heben. Bei einem Druckabfall in der Luftleitung senkte sich der Stromabnehmer wieder durch die Kraft der Senkfeder.
Durch die bewegliche Montage der Schleifleiste, war zudem gesichert, dass immer beide Schleifstücke gegen den Fahrdraht gepresst wurden. Damit war eine sichere Übertragung der Spannung auch nur mit einem Stromabnehmer möglich.
Dabei konnte eine kurze Dachleitung verwirklicht werden. Trennlitzen, wie sie bei Lokomotiven mit mehreren Stromabnehmern benötigt wurden, waren jedoch nicht vorhanden. Trotzdem so einfach, wie man meinen könnte, war die Dachleitung auch wieder nicht.
Sobald der Stromabnehmer die Fahrleitung berührte, war die Anzeige der Fahrleitungsspannung vorhanden. Diese Lösung verhinderte die lästigen Einschaltversuche. Grundsätzlich umgesetzt wurden solche Lösungen jedoch erst mit den späteren Baureihen.
Der wichtigste Anschluss an der Dachleitung war natürlich der Hauptschalter. Dieser war im Maschinenraum montiert worden, hatte aber die Schaltkontakte auf dem Dach. Es wurde ein Drucklufthauptschalter, der von der Brown Boveri und Co BBC entwickelt wurde, auf der Maschine eingebaut. Diese Schnellschalter waren auch in der Lage hohe Kurzschlussströme sicher abzuschalten, hatten sich bei anderen Baureihen bewährt.
Der Nachteil dieses Hauptschalters lag bei der Niederdruckblockierung, die ein Ausschalten des Hauptschalters bei zu geringer Druckluft verhinderte. Da diese Situation jedoch selten eintrat, führte das bei den bisherigen Lokomotiven zu keinen Problemen.
Mit einem pneumatischen Ventil wurde der Hauptschalter geschlossen. Dabei schloss sich das Trennmesser und es konnte Leistung übertragen werden. Beim Ausschalten, waren jedoch zwei Schritte vorhanden.
Zuerst wurde in einem geschlossenen Zylinder der Hauptkontakt geöffnet. Der dabei entstehende Lichtbogen wurde mit Hilfe von Druckluft ausgeblasen. Erst jetzt konnte sich das Trennmesser wieder öffnen und die Verbindung sicher trennen.
Parallel zum Hauptschalter wurde der Erdungsschalter mit dem, bei ihm montierten Überspannungsableiter, eingebaut. Dieser Erdungsschalter war normalerweise geöffnet und daher ohne besondere Funktion. Bei Arbeiten an der elektrischen Ausrüstung wurde dieser Schalter jedoch geschlossen und die Dachleitungen vor und nach dem Hauptschalter mit dem Dach verbunden. Die elektrischen Teile waren nun auf dem Potential der Erde und konnten gefahrlos berührt werden.
Nun wurde die Spannung der Fahrleitung erneut in einer Dachleitung zur Mitte der Lokomotive geführt. Dort war schliesslich der Einführungsisolator vorhanden, der die Spannung in das Innere der Lokomotive und somit zum Transformator leitete. Dadurch konnte man verhindern, dass umfangreiche Leitungen mit hoher Spannung im Inneren der Lokomotive geführt werden mussten. Man konnte sich so das Gewicht von umfangreichen Schutzkäfigen ersparen.
Somit war der Stromkreis geschlossen und es konn-te ein Strom fliessen. Es konnte Energie übertragen werden, die nun den weiteren Verbrauchern auf der Lokomotive zur Verfügung standen. Dazu gehörte neben den Neben- und Hilfsbetriebe auch der wei-tere Traktionsstromkreis.
Das ging einfach, wenn man hohe Spannungen und kleinere Ströme verwendet. Aus diesem Grund wur-den die Anzapfungen für die Fahrstufen der Primär-wicklung abgenommen. Daher besass die Loko-motive der BLS einen Stufenschalter mit Hochspannung.
Der Stufenschalter, der als Stufenwähler ausgeführt wurde, hatte 32 Fahrstufen erhalten, die unterbruchsfrei geschaltet werden konnten. Um jede Stufe zu schalten, waren drei Schritte erforderlich. Die jedoch immer kurzfristig über einen Überschaltwiderstand geführt wurden. Trotz dieser hohen Anzahl einzelner Schritte war der Stufenschalter dank dem Luftmotor sehr schnell. Ähnliche Modelle wurden auch für die Maschinen der Schweizerischen Bundesbahnen SBB verwendet.
Um möglichst kurze Leitungen zu erhalten, war der Stufenwähler am Gehäuse des Transformators angebracht worden. Das bedeutet, dass die Spannung in den elektrischen Leitungen den Transformator eigentlich nie verlassen hatte. Wir können daher den Weg des Stromes durch den Transformator weiter verfolgen. Dieser Weg führte nun zur zweiten Spule und somit zur Hochspannungswicklung. Diese war wie die Primärspule ebenfalls mit der Erde verbunden.
Die dritte und letzte Spule des Transformators wurde Niederspannungswicklung genannt. Sie war von der Hochspannung galvanisch getrennt worden und stellte letztlich die für die Fahrmotoren bestimmte Spannung her. Obwohl hier eine feste Übersetzung vorhanden war, entstanden veränderte Spannung auf Grund der Tatsache, dass veränderte Spannungen in der Hochspannungswicklung vorhanden waren.
Bis jetzt, war eigentlich an der elektrischen Ausrüstung noch nichts speziell und die Lokomotive entsprach mit Ausnahme der Leistung des Transformators durchaus der Lokomotiven Re 4/4 II der Schweizerischen Bundesbahnen SBB. Die hier beschriebene Lösung wurde später für die Baureihe Re 6/6 sogar noch weiter entwickelt. Wichtig war, obwohl drei Spulen vorhanden waren, konnte ein deutlich geringeres Gewicht verwirklicht werden.
Das änderte sich nun, denn im Gegensatz zur Lokomotive der Schweizerischen Bundesbahnen SBB, wurde die Spannung nun nicht direkt den Wendeschaltern zugeführt. Vielmehr hatte die Niederspannungswicklung drei Anzapfungen erhalten. Diese waren so ausgelegt worden, dass der Nullpunkt in der Mitte war und eine gleichgrosse positive, wie negative Spannung entstand. Diese drei Leitungen wurden nun dem auf der Lokomotive eingebauten Gleichrichter zu geführt.
Bei der Gleichrichtung der Spannung gab es bei den Lokomotiven Unterschiede. Die Lokomotiven der Baureihe Ae 4/4 II wurden, wie die Lokomotiven Re 4/4 mit den Nummern 166 bis 189, mit einer einfachen normalen Gleichrichtung ausgerüstet. Das bedeutete, dass bei diesen Lokomotiven normale Gleichrichter mit Siliziumdioden verwendet wurden. Mit Ausnahme der Abmessungen entsprachen diese Dioden den Exemplaren eines Radios.
Die Beschaltung des Gleichrichters war so ausgelegt worden, dass eine Hälfte der Lokomotive mit der positiven Spannung angesteuert wurde und die andere mit der negativen. Die Rückleitungen zum Transformator führten schliesslich zur mittleren Anzapfung der Spule und somit zum Nullpunkt. Bei Ausfall einer Diode stand daher immer noch die halbe Leistung der Lokomotive zur Verfügung, da nur ein Drehgestell davon betroffen war.
Der Gleichrichter sorgte dafür, dass der aus der Fahrleitung stammende Wechselstrom zu einem Wellenstrom umgewandelt wurde. Eine Glättung zu reinem Gleichstrom unterblieb jedoch. Daher bezeichnete man die Lokomotiven der Baureihen Ae 4/4 II und Re 4/4 auch als Gleichrichterlokomotive. Eine Lösung, die in der Schweiz bei Lokomotiven sehr selten angewendet wurde und somit ein Merkmal dieser Maschine blieb.
Im Gegensatz zur den vergleichbaren Lokomotiven Re 4/4 II der Schweizerischen Bundesbahnen SBB, war hier zur Erhöhung der Leistung auch der Gleichrichter vorhanden. Daher wurde die Baureihe Ae 4/4 II im elektrischen Teil jedoch schwerer, als die vergleichbare Lokomotive der Staatsbahn. Jedoch war es letztlich auch nur dank dem Gleichrichter möglich die hohe Leistung zu verwirklichen. Die Abstriche, die beim Kasten gemacht werden mussten, lernten wir schon kennen.
Durch die lange Bauzeit der Lokomotive, kam es bei den Maschinen mit den Nummern 190 bis 195 zu einer Veränderung. Die Versuche mit der Lokomo-tive Nummer 161 wurden bei diesen sechs Maschi-nen umgesetzt.
Daher wurden hier an Stelle der Dioden neuartige Thyristoren eingebaut. Daher könnten wir bei diesen Lokomotiven von einer Thyristorsteuerung sprechen. Deshalb waren die Nummern 190 bis 195 Stromrichterlokomotiven.
Anschliessend kamen bei allen Lokomotiven die Wendeschalter zum Einbau. Diese hatten die Auf-gabe, die Drehrichtung der Fahrmotoren zu bestim-men und besorgten die Umschaltung für den elektrischen Bremsbetrieb.
Die Wendeschalter hatten auch die Kontakte, die getrennt werden konnten, wenn ein Fahrmotor ausgefallen war. Damit stellten sie die Grundschaltungen für die Fahrmotoren im Drehgestell her. Die Wendeschalter waren auch hier ein wichtiges Bauteil.
Die nun eingebauten Wellenstrommotoren waren sehr unempfindlich und ertrugen im Stillstand den vollen Anfahrstrom ohne schädliche Folgen. Damit waren sie für den Einsatz bei Eisenbahnen bestens geeignet. Ihr Drehmoment war infolge der Glättung des zugeführten Wellenstroms pulsarm, was sich zusammen mit der für diese Fahrmotoren typischen Charakteristik günstig auf das Adhäsionsverhalten der Lokomotive auswirkte.
Die Anker und Felder der Wellenstrommotoren konnten wahlweise geshuntet werden, was in Kombination mit der mechanischen Zugkraftübertragung durch die Tiefzugvorrichtung der Drehgestelle und der zusätzlichen Belastung der jeweils vorlaufenden Achse durch einen Seilzug eine optimale Adhäsionsausnützung ergab. Das ergab, dass die Lokomotive eine maximale Anfahrzugkraft von 314 kN besass und die Kraft auch auf die Schienen übertragen konnte.
Damit kommen wir zur Bestimmung der Leistung. Hier ergänze ich diese jedoch mit den Angaben zur Lokomotiven der Baureihe Re 4/4 II, die zur gleichen Zeit an die Schweizerischen Bundesbahnen SBB geliefert wurden. Dabei ist der erste wichtige Punkt die Leistungsgrenze der Lokomotive. Damit haben wir den Punkt, an dem die Zugkraft nicht mehr weiter ansteigen konnte. Genau diese Zugkräfte vollen wir nun einem direkten Vergleich unterziehen.
Die Lokomotive erreichte ihre maximale Leistung bei 77,6 km/h. Dabei konnte jetzt noch eine Zugkraft von 220 kN erzeugt werden. Bei den Lokomotiven Re 4/4 II der Schweizerischen Bundesbahnen SBB lag diese Geschwindigkeit bei 100 km/h. Nun war noch eine Zugkraft von 170 kN vorhanden. Wenn man die Diagramme jedoch etwas genauer ansieht, erkennt man, dass die Lokomotive der Staatsbahn bei 77.6 km/h durchaus noch die Werte der Baureihe Ae 4/4 II erreichte.
Für die Lokomotive der BLS ergab das jedoch eine Leistung von 4 990 kW (6 786 PS) an den Fahrmotoren. Dieser Wert war für eine vierachsige Lokomotive der damaligen Zeit extrem hoch. Wenn wir auch jetzt den Vergleich mit der Baureihe Re 4/4 II der Schweizerischen Bundesbahnen SBB anstellen, erkennen wir, dass diese eine Leistung von 4 700 kW (6 320 PS) hatte. Die von der BLS geforderte Leistung von 6 000 PS wurde daher von beiden Maschinen erfüllt.
Bei der elektrischen Bremse konnte man die Lösung mit einer Nutzstrombremse wegen der Gleichrichtung nicht umsetzen. Das war letztlich auch einer der Gründe, warum die Schweizerischen Bundesbahnen SBB auf diese Technik verzichtet haben. Bei der BLS spielte das jedoch keine Rolle, da man dort schon immer Widerstandsbremsen verwendet hatte. Die Bremse hatte den Vorteil, dass das Fahrleitungsnetz nicht über eine hohe Belastung mit Blindströmen verfügte.
So erregt begannen die Fahrmotoren nun elektrische Energie in Form von Gleichstrom zu erzeugen. Diese Energie wurde schliesslich den auf dem Dach montierten Bremswiderständen zugeführt und dort in Wärme umgewandelt.
Damit eine möglichst hohe Bremskraft mit dieser Bremse erreicht werden konnte, wurden die Bremswiderstände der Lokomotive auf dem ganzen verfügbaren Dach montiert. Das war mitunter ein Grund, warum man bei der BLS auf den zweiten Scherenstromabnehmer verzichtete, denn man benötigte auf dem Dach schlicht den Platz für die Widerstände der elektrischen Bremse. Letztlich waren diese auch ein Merkmal der Baureihe.
Wenn man erneut ein Vergleich zur Lokomotive der Schweizerischen Bundesbahnen SBB anstellen will kommen wir nicht um die maximal möglichen Bremskräfte herum. Bei der Lokomotive der Staatsbahn konnte mit der elektrischen Nutzstrombremse eine Kraft von maximal 125 kN erzeugt werden. Die bei der Baureihe Ae 4/4 II, beziehungsweise Re 4/4, eingebauten Widerstandsbremse erreicht maximal 68 kN. Damit lag sie deutlich unter den Werten der Re 4/4 II mit Rekuperationsbremse.
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