Hightech-Antriebssysteme für Schienenfahrzeuge: Teil 1 - …
Entwicklung eines komplett neuen, drehzahlgeregelten Antriebssystems für die Bahn
Hauptbahnhof Mailand: Es ist 16:00 Uhr und auf dem Bahngleis Nummer 1 wartet schon einer von Europas schnellsten Zügen, der Frecciarossa1000, auf das Startsignal des Zugbegleiters. Ich möchte nach Rom fahren. Nach 3 Stunden und 10 Minuten Fahrzeit werden die Passagiere in Rom, Bahnhof Termini, aussteigen. Früher waren sie auf der 477 km langen Strecke mindestens 6 Stunden unterwegs.
Die Italiener sind sehr stolz auf ihren "Roten Pfeil", wie der Frecciarossa1000 auch genannt wird. Das Design ähnelt dem eines italienischen Sportwagenherstellers. Genau wie dieser ist er Hightech erster Klasse - von außen sehr modern und die Innenausstattung besitzt höchstes Niveau. Wenn ich diesen Zug sehe, bin ich auch ein wenig Stolz.
Ich arbeite bei VEM. Meine Firma produziert Elektromotoren, auch für die Bahnbranche. VEM entwickelte mit Partnern einen Antrieb, der den Fahrmotor des Hightechzuges kühlt. Fährt der Frecciarossa1000 vom Bahnhof los, kann der Motor sehr warm sein. Hinzu kommt noch der hohe Strom beim Anfahren. Da ist es wichtig, dass der Fahrmotor des Zuges ausreichend gekühlt wird. Vom Kühlsystem wird dabei höchste Leistung abverlangt.
Ist der Freccierossa1000 auf einer Schnellstrecke mit 300 km/h unterwegs, arbeiten die Fahrmotoren unter Volllast. Dabei treten höchste thermische Belastungen auf. Vom Kühlsystem wird dabei höchste Leistung abverlangt. Zusätzlich gelten für elektrische Baugruppen, die für den Bahnbereich hergestellt werden, besondere Anforderungen und Zulassungen.
Ist VEM für das Projekt der richtige Partner?
Als im Jahr 2012 die Firma Systemair, die sich im Bereich Bahntechnik auf Lüftungsanwendungen spezialisiert hat, anfragte, ob wir einen drehzahlvariablen Kompaktantrieb mit Bahnzulassung entwickeln können, war das für unsere Konstrukteure eine große Herausforderung. Die Motoren und die auf dem Motorgehäuse montierten Frequenzumrichter sollten den schwierigen klimatischen Bedingungen, wie Hitze im Sommer, Kälte im Winter, hohe Luftfeuchtigkeit, sowie den Schwingungs- und Stoßbelastungen standhalten. So müssen zum Beispiel alle montierten Komponenten eine Lebensdauerprüfung nach DIN-Norm EN 61373 mit Stößen von bis zu 5-facher Erdbeschleunigung unbeschadet überstehen. Die geregelten Antriebe sollten auch bei Temperaturen zwischen -25 °C und +50 °C ohne reduzierte Leistung arbeiten. Ihre Leistungsparameter müssen im gesamten Frequenzbereich eingehalten werden. Außerdem müssen die Antriebe eine hohe Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit über die 20-jährige Lebensdauer des Zuges gewährleisten.
Die Lösung - ein neu entwickelter Kompaktantrieb für Bahnanwendungen
Unsere Konstrukteure suchten sich Partner, mit denen sie das Ziel eines Antriebes mit Bahnzulassung und den geforderten Parametern, bestehend aus Motor mit Umrichter, umsetzen konnten. Zudem sollten die Passagiere im neuen Hochgeschwindigkeitszug mehr Platz zur Verfügung haben. Deshalb suchte man nach Lösungen, die Schaltschränke zu verkleinern und die Frequenzumrichter an einem anderen Ort zu installieren.
Die Lösung war ein Motor mit aufgesetztem Frequenzumrichter. Einen Kompaktantrieb gab es bisher für Bahnanwendungen nicht. Mit dem deutschen Unternehmen A.S.T. Leistungselektronik hatte VEM den passenden Partner für die Neuentwicklung gefunden. Sie entwickelten den neuen Frequenzumrichter. Bis zu dessen Serienreife mussten noch viele Kundenanforderungen erfüllt werden, wie zum Beispiel die höhere Spannungsfestigkeit der Ausgangsrelais auf 160 VDC oder deren dualcodierte Ausgabefunktion. Eine Sonderwicklung wurde gebraucht, um das Nennmoment auch noch bei 55 Hertz abnehmen zu können. Die ersten Antriebe lieferten wir mit gefrästen Kühlkörpern des neuen Frequenzumrichters aus. Als sich die Kühlkörper bewährt hatten, designten wir dafür ein eigenes Gehäuse.
Die ausführliche Testphase der Kompaktantriebe konnte beginnen
Jetzt endlich konnte der erste Prototyp der Lüftungsanlage getestet werden. Es wurden umfangreiche thermische und elektrische Prüfungen durchgeführt. Danach fertigten wir eine Musterserie von 16 Kompaktantrieben und lieferten sie dem Auftraggeber Systemair aus. Für einen Hochgeschwindigkeitszug werden 16 Kompaktantriebe benötigt. Das Berliner Unternehmen montierte unsere Neuentwicklung an die Lüftungseinheit. Getestet wurde das Einhalten von Bahnnormen einschließlich der Stoß-und Schwingungsbelastung. Zwei Monate dauerten die Funktionstests der Kompaktantriebe bei erhöhter Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Nachdem das Lüftungssystem alle Prüfungen bestanden hatte, war es bereit für den Einbau in den Frecciarossa1000.
Ich stehe immer noch am Bahnsteig, der Zugbegleiter fordert alle Passagiere auf, einzusteigen. Ich steige ein und meine Reise beginnt. Wollen Sie mehr über unseren neuen Antrieb und den Frecciarossa1000 erfahren? Dann lesen Sie Teil 2, der demnächst erscheint.