Elektrolokomotiven (kurz E-Loks/Elloks oder Elektroloks) sind selbstfahrende Zugmaschinen der Eisenbahn. Der Fahr-Antrieb ist bei ihnen rein elektrisch, im Gegensatz beispielsweise zu dieselelektrischen, dieselhydraulischen oder dampfelektrischen Lokomotiven.
Elektrolokomotiven werden während der Fahrt über externe über dem Gleis angeordnete Hochspannungs-Fahrleitungen oder seitliche Stromschienen (selten) mit Betriebsenergie versorgt. Auf dem Dach des Fahrzeugs oder seitlich am Laufwerk befinden sich dazu die Stromabnehmer, über die die Energieversorgung erfolgt, sowie die Hochspannungsschaltanlagen.
Im Lokomotivkörper, der vor allem aus dem kastenförmigen Aufbau und dem Hauptrahmen besteht, sind die elektrischen Schalt-, Steuer- und Übertragungsanlagen untergebracht. Der Innenraum einer modernen Lokomotive stellt sich als eine Doppelreihe großer Geräteschränke dar und enthält verhältnismäßig wenig bewegliche Teile.
Der Hauptrahmen seinerseits ruht zumeist wieder auf den Rahmen beweglicher Drehgestelle, die ihrerseits von je zwei oder drei Radsätzen getragen werden. Moderne Elektroloks sind entweder mit Einzelachsantrieb oder aus Kostengründen mit Gruppenantrieb (zwei Motoren parallel geschaltet) ausgeführt. Der schwere Fahrmotor stützt sich dabei bei den meisten Frachtlokomotiven – Höchstgeschwindigkeit bis 140 / 160 km/h – mit einer Längsseite auf die Achse, mit der anderen Seite ist er am Drehgestell aufgehängt (Tatzlager-Antrieb). Bei Reisezuglokomotiven mit höheren Geschwindigkeiten ist der Fahrmotor vollständig im Drehgestell oder am Lokkasten aufgehängt. Das Drehmoment bzw. die Motorbewegung wird über einen Hohlwellen-Antrieb auf den Radsatz übertragen.
Die mit einem Antrieb versehenen Endwagen von Elektrotriebzügen sind technisch oft weitgehend identisch mit einer einzelnen Elektrolokomotive. Der Unterschied besteht lediglich in der Ausstattung mit nur einem Führerstand und den Kupplungs- und Übergangseinrichtungen zu den Triebzug-Mittelwagen. Man spricht hier auch von Triebkopfzügen (Beispiel: ICE1 und 2).
Wesentliche Bauteile von Elektrolokomotiven sind:
Exemplarisch für den letzten Stand im Elektrolokomotivbau sind die Baureihen Siemens EuroSprinter, Bombardier TRAXX oder Alstom Prima.
Die ersten Bahnen mit Elektrotraktion wurden mit Gleichstrom oder mit Drehstrom betrieben. Für Drehstrombetrieb wurden lediglich für Versuchsanlagen dreipolige Fahrleitungen verlegt, für den praktischen Betrieb, wie bis 1976 bei der italienischen Ferrovie dello Stato und bis heute bei zwei Schweizer Bergbahnen wurde eine zweipolige Fahrleitung zusammen mit dem Gleis als drittem Stromleiter benutzt.
Haupttransformator einer Lokomotive, ohne Abdeckung. Die zahlreichen Anzapfungen für verschiedene Schaltstufen sind hier erkennbar.
Hochgespannter Wechselstrom lässt sich mit geringeren Verlusten als Gleichstrom mit auf den langen Fahrleitungen übertragen. Andererseits war zu Beginn der Elektrifizierung der Bahn der Bau von Fahrmotoren für Einphasen-Wechselstrom äußerst komplex und gelang nur mit kleinen Netzfrequenzen. Bereits 1905 wurden Versuchsfahrten mit Einphasen-Wechselstrom durchgeführt, doch setzte sich der Wechselstrom als bestgeeignete Energieversorgung für Fernbahnen erst später durch. Die hohe Wechselspannung wird zum Betrieb der Motoren und Schalteinrichtungen auf dem Triebfahrzeug meist mit Transformatoren auf niedrigere Werte heruntergespannt.
Durch den Fortschritt in der Stromrichtertechnik konnten später auch die verbreitete Netzfrequenz von 50 Hz verwendet werden. Dabei wurde zu Anfang der 50-Hz-Wechselstrom mit Dioden gleichgerichtet und diente dann als Versorgung von sog. Mischstrommotoren.
Aus dieser historischen und schwer rückgängig zu machenden Entwicklung ergibt sich, dass die eingeführten Bahnstromsysteme in Europa sehr zersplittert sind.
Die wichtigsten Bahnstromsysteme in Europa:
- 25000 V 50 Hz Frankreich (nördlicher Teil und alle neuen TGV-Strecken), Spanien (alle neuen AVE-Strecken), Großbritannien (nördlich London sowie Channel Tunnel Rail Link von London zum Kanaltunnel), Dänemark, Finnland, Russland, Luxemburg (außer Strecke Luxemburg-Arlon), Ungarn, Tschechien (südlicher Teil), Slowakei (südlicher Teil), Kroatien, Serbien, Italien (neue Schnellfahrstrecken), Griechenland
- 15000 V, 16,7 Hz Deutschland, Schweiz (mit schmalem Stromabnehmer), Österreich, Norwegen, Schweden
- 3000 V, Gleichstrom Italien, Spanien, Belgien, Luxemburg (Strecke Luxemburg-Arlon), Polen, Russland, Ukraine, Weißrussland, Baltische Staaten, Tschechien (nördlicher Teil), Slowakei (Norden und Osten), Slowenien,
- 1500 V, Gleichstrom Frankreich (Südlicher Teil), Niederlande, Tschechien (Tábor–Bechyně)
- 750 V, Gleichstrom England (südlich London bis zum Kanal)
- Hauptartikel: Bahnstrom, Liste der Bahnstromsysteme
Treibradsatz mit Fahrmotor
Die angetriebenen Räder bzw. Achsen der ersten Lokomotiven wurden konstruktiv auf möglichst einfache Weise mit dem Motor gekoppelt, was zwangsläufig zunächst zum Einzelachsantrieb führte, teilweise war ohnehin nur eine Achse des Triebfahrzeugs angetrieben. Sehr früh trat auch – beispielsweise bei der Lokomotive „Le Drac“ der Chemin de Fer de La Mure ein Antrieb mehrerer Achsen mit Einzelmotoren auf.
Beim zunehmend größeren Leistungen wurde jedoch die Zusammenfassung des Antriebs in möglichst wenigen Motoren bevorzugt, weil dadurch spezifisch leichtere und billigere Ausrüstungen zu erzielen waren. Erste, größere Elektroloks hatten somit auf dem Hauptrahmen große langsamlaufende Motoren, und das Fahrwerk bestand aus mehreren mit Stangen gekuppelten Treibachsen, die entweder über Schrägkurbeln oder über Blindwellen angetrieben wurden. Ähnlich wie bei Dampflokomotiven gab es hier auch zusätzliche Laufachsen zur Abstützung überhängender Rahmenteile. Zudem wurden auch Motoren paarweise im Lokomotivkasten miteinander mechanisch gekuppelt.
Bald stellte sich aber heraus, dass bei höheren Geschwindigkeiten und bei der Koppelung mehrerer Motoren Resonanzschwingungen des Getriebes und des gesamten Lokomotivaufbaues auftraten, die erhebliche Schäden verursachten. Daher erfolgten bald Bestrebungen, einen Einzelachsantrieb zu entwickeln der den Erfordernissen bei höheren Geschwindigkeiten gerecht wurde. Neben dem „Siemens-Schuckert-Antrieb“ mit Vertikalmotoren entwickelte der Schweizer Jakob Buchli 1918 bei der Brown, Boveri & Cie den Buchli-Antrieb. Diese Entwicklung führte dann weiter zu den Tatzlager-Antrieben und zum heute für hohe Geschwindigkeiten bevorzugten Hohlwellen-Antrieb.
Die Fahr- und Leistungssteuerung [Bearbeiten]
Einsystem-Lokomotive der ÖBB-Baureihe 1016
Taurus
Die BB 9004 der
SNCF fuhr 1955 die Rekordgeschwindigkeit von 331 km/h
Die ersten mit Gleichstrom betriebenen Lokomotiven wurden mit energiefressenden Vorwiderständen in den unteren Fahrstufen angesteuert.
Bei Elektrolokomotiven mit Wechselstrombetrieb wird die Spannung der Fahrmotoren durch ein sog. Schaltwerk geregelt. Dieses besteht aus einem Stufenschalter bzw. Fahrschalter, mit dem einzelne Abgriffe der Transformatorspulen von Hand direkt oder über zwischengeschaltete Schütze angesteuert werden.
Die frühen Lokomotiven mit Dreiphasenwechselstromversorgung ließen sich nicht kontinuierlich steuern, vielmehr musste zur Geschwindigkeitsänderung die Polzahl der Motoren umgeschaltet werden, so dass nur zwei oder vier feste Geschwindigkeitsstufen möglich waren.
Heutige Elektrolokomotiven bedienen sich moderner energiesparender Leistungselektronik, sie besitzen nur noch einen Transformator mit wenigen festen Abgriffen, an denen die Traktionsstromrichter (meist einer pro Drehgestell) und die Hilfsbetriebeumrichter (HBU) angeschlossen sind. Diese formen aus dem zugeführten Gleichstrom oder einphasigen Wechselstrom einen Dreiphasenwechselstrom mit der jeweils erforderlichen Frequenz, der kommutatorlose und wartungsarme Drehstromfahrmotoren speist. Mehrsystemlokomotiven können mit unterschiedlichen Fahrleitungsspannungen fahren. Damit ist ein grenzüberschreitender Verkehr möglich – ohne zeitraubenden Lokomotivwechsel.
1903 erreichte in Deutschland ein Versuchslokomotive mit Drehstromantrieb eine Geschwindigkeit von mehr als 200 km/h. Im Rahmen dieser Versuche erreichte ein Triebwagenfahrzeug den damaligen Geschwindigkeitsrekord von 210 km/h.
1955 erreichten in Frankreich speziell präparierte Lokomotiven der SNCF, die vierachsige SNCF BB 9004 und die sechsachsige SNCF CC 7107, unabhängig voneinander jeweils 331 km/h. Siehe Weltrekordfahrten der SNCF am 28./29. März 1955.
2006 erreichte eine von Siemens entwickelte Serienlok Siemens ES 64 U4 (1216 050-5) aus dem Fuhrpark der ÖBB auf der Hochgeschwindigkeitstrasse Nürnberg—Ingolstadt zwischen Kinding und Allersberg eine Höchstgeschwindigkeit von 357 km/h ohne Gleise oder Oberleitung übernormal zu verschleißen.
Geschichtliche Stationen [Bearbeiten]
- Hauptartikel: Geschichte des elektrischen Antriebs von Schienenfahrzeugen
Die batteriebetriebene Lokomotive von Charles Page (1851)
Erste praxistaugliche elektrische Lokomotive von Siemens (1879)
Elektrolok-bespannter Zug der City & South London Railway (1890)
Minenbahnlok in Godbrange, Frankreich, 1897
- Eine frühe experimentelle elektrische Schienenbahn wird Thomas Davenport, einem Schmied aus Vermont, USA, zugeschrieben. Er führte 1835 eine kleines, von einem elektrischen Motor betriebenes Modell einer Schienenbahn vor.
- Von dem Schotten Robert Davidson in Aberdeen wird berichtet, dass er 1838 eine elektrische Lokomotive baute, die eine Geschwindigkeit von vier Meilen pro Stunde erreichte.
- Der US-amerikanische Patentamtsangestellte Charles Grafton Page (1812–1868) begann 1850 den Bau einer elektrischen Lokomotive. Deren 15 kW starke „reciprocating“-Motor bestand aus zwei Spulen mit darin eingelassenen Stabankern. Diese wurde durch wechselweises Einschalten der Spulen wie in einer Kolbendampfmaschine hin und her bewegt. Diese „reciprocating“ Bewegung wurde mit einer Kurbelstange auf die Treibräder eines dreiachsigen Wagens übertragen.
- In Fischbach (Nassau) a.d. Lahn ließ 1840 Johann Philipp Wagner, einen kleinen, mit einem Elektromotor getriebenen Wagen mit Anhänger auf einem Schienenkreis von 20 Metern Umfang fahren. Er wurde daraufhin beauftragt, eine funktionsfähige große „elektromagnetisch getriebene“ Lokomotive zu bauen und ein Betrag von 100.000 Gulden wurden ihm dafür zur Verfügung gestellt. Er scheiterte jedoch an der Umsetzung, angeblich mangels Kenntnissen über den Zusammenhang von Batteriekapazität und Antriebsleistung.
- Werner von Siemens baute 1879 in Berlin eine vierrädrige Elektrolokomotive, die auf der damaligen Gewerbeausstellung auf einem 300 Meter langen Rundkurs drei Wagen mit je sechs Personen ziehen konnte. Sie gilt als erste praxistaugliche Elektrolokomotive.
Bei den meisten frühen kommerziell betriebenen elektrischen Bahnen wurden zunächst straßenbahnartige Triebwagen verwendet, so beispielsweise bei der 1881 von Siemens & Halske von Berlin-Lichterfelde nach der Kadettenanstalt in Lichterfelde Berlin-Zehlendorf gebauten ersten elektrischen Straßenbahn, der 1895 in Betrieb genommenen ersten deutschen elektrischen Vollbahn Meckenbeuren-Tettnang im damaligen Königreich Württemberg und weiteren Bahnen.
Erst 1890 wurden in bemerkenswertem Umfang reine elektrische Lokomotivfahrzeuge eingesetzt und zwar auf den U-Bahn-Strecken von London. Vor allem der begrenzte Raum des Tunnelprofils erzwang hier die Abkehr vom Triebwagen und das Vorspannen des separaten Motorantriebs an der Spitze des Zuges. Die City & South London Railway setzte hier die ersten elektrisch betriebenen Züge mit Lokomotivbespannung ein. Bis 1935 fuhren die Londoner U-Bahnen mit Lokomotiven.
Erst in den Jahren 1902–1905 kamen auf den europäischen Hauptbahnen elektrische Lokomotiven zum Einsatz, so neben einem Versuchsfahrzeug der Studiengesellschaft für Elektrische Schnellbahnen auf der Militär–Eisenbahn Marienfelde–Zossen–Jüterbog die von der Firma Ganz in Budapest an die Rete Adriatica gelieferten Drehstromlokomotiven, bei der Erzbahn Chemin de Fer de La Mure eine mit einem Dreileiter-Gleichstromsystem betriebene Lok mit der modernen Achsfolge Bo’ Bo’, bei der Ammergaubahn die ersten Einphasenwechselstrom-Triebwagen (LAG 674–677) und einige Wochen später die erste Lokomotive (LAG 1, spätere DRG Baureihe E 69).
