Wie kommt die Bahn auf 16 2/3 Hz?

Hallo NG,

meine Frage gehört hier vielleicht nicht ganz rein, aber ich möchte sie trotzdem gerne stellen. Wie kommt die Bahn eigentlich auf die 16 2/3 Hz? Welche Hintergründe hat das?

Vielen Dank

Gruß Steffen

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Steffen Rössler
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Salut,

Historisch. Ganz kurz, stichwortartig:

Wechselstrom-Reihenschlussmotor, d.h. Erregung durch Wechselfeld. Kommutierende Spulen: prinzipbedingt durch die Bürsten kurzgeschlossen.

Diese Spulen stehen idR. senkrecht zum Erregerfeld; merke: dort wird keine Kraft erzeugt.

D.h. aber: sie sind transformatorisch voll mit dem Errgerfeld verkoppelt. Dieses induziert eine Spannung; diese hat einen (Kurzschluss-)Strom zur Folge, der belastet die Bürsten zusätzlich zum Ankerstrom.

Das Problem, bzw. die Spannung steigt proportional mit der Frequenz.

Stromtragfähigkeit der Bürsten ist begrenzt (Größenordnung ca. 5A/cm^2). Ergo: Viel Strom -> viel Bürste. Baulänge aber begrenzt durch Spurweite.

Klar?

Literatur: Seefehlner, E. E.: Elektrische Zugförderung -- Handbuch für Theorie und Anwendung der elektrischen Zugkraft auf Eisenbahnen. Verlag von Julius Springer, Berlin, 1922.

Hat ein paar hübsche Bilder von 16 2/3Hz- und 50Hz-Kommutatoren...

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Volker Bosch

Volker Bosch schrieb:

Äh, nein. Denn das erklärt die angewendeten Motorspannungen, nicht aber die Frequenz.

Kurzfassung dieses Teils, weil schon genügend oft gepostet (Letzter Thread hierzu ab 26.2.2003 hier in dsie): Bürstenfeuer (Abreißfunken am Kommutator) nimmt mit Motordrehzahl und Spannungsfrequenz zu. Motordrehzahl ist durch Bauraum, Leistung und Getriebetechnik vorgegeben. Daher zur Reduzierung des Bürstenfeuers möglichst niedrige Frequenz. Andererseits Trafowirkungsgrad mit Frequenz zunehmend.

Daher einigte man sich nach einigen Versuchen sehr schnell auf 1/3 der Standard-Netzfrequenz von 50 Hz, also 16 2/3 Hz. Vorteil: Gemeinsamer Betrieb von Bahn- und Landesstromgeneratoren auf einer Welle möglich, einfache Umformersätze zur Wandlung von Landes- in Bahnstrom.

Nachsatz 1: Vor einigen Jahren wurde die Nennfrequenz des Bahnstroms auf

16,7 Hz angehoben, um ungünstigen Synchronlauf von Umformermaschinen zu vermeiden.

Nachsatz 2: Die 16,7 Hz-Technologie ist seit der Einführung der Leistungselektronik veraltet und blieb daher auf die Bestandsnetze der deutschsprachigen Länder und Skandinaviens beschränkt.

Joachim

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Joachim Schmid

Quatsch! Der transformatorisch in der kommutierenden Spule fließende Strom ist proportional zu der in dieser Spule induzierten Spannung. Und diese ist wiederum proportional zur Frequenz, da sie vom Erregerfeld induziert wird. Dieser Strom geht voll über die Bürsten und wird natürlich durch diese dann auch unterbrochen, wenn die Bürste abläuft. Und dann "feuert's" halt...

Die zulässige Motorspannung wird maßgeblich von der Anzahl der Kommutatorlamellen zwischen zwei Bürsten bestimmt. Die Spannung zwischen zwei Lamellen sollte 10...20V nicht überschreiten. Die wirtschaftliche Grenze der Ankerspannung liegt bei ca. 1,5kV. Woraus sich die üblichen Spannungen für Gleichstrombahnen ganz einfach ergeben: 1,5kV oder 3kV, bei letztern zwei Motoren in Reihe, aber das war hier ja nicht gefragt.

So, und was sage ich anderes? Was glaubst Du wie die speisende Frequenz das Bürstenfeuer beeinflusst? Durch ihre bloße Anwesenheit oder durch den oben beschriebenen Zusammenhang?

Meist hilft es beim Verstehen eines Problems ungemein, wenn man nicht nur sagt: "Das ist so", sondern ganz kurz die Zusammenhänge erklärt. Das sollte für Professoren eigentlich selbstverständlich sein ;-)

[...]

Soso, dass die oben nicht genannten Länder mit Gleichstrom elektrifiziert haben, so sie denn überhaupt in der ersten Hälfte des vergangenen Jahrhunderts elektrifiziert haben, verschweigen wir lieber. Und die Probleme der Umrüstung auf 50Hz am besten auch. Um nur ein paar wenige zu nennen: Deutlich größere Fahrdrahtimpedanz, Stromverdrängung in der Schiene, Schieflast im 50Hz-Netz, Trennstellen, kritische Leitungslängen im Bahn-Verbundnetz...

Die erhöhten Eisenverluste im Trafo werden auch immer gerne vernachlässigt. Da kommt man dann gleich mal auf einen Faktor 5, um den der Trafo bei 50Hz leichter wird gegenüber 16 2/3Hz (so gehört in der Vorlesung "elektrische Bahnen" an der Uni Stuttgart).

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Volker Bosch

Joachim Schmid schrieb:

ach ...

und ich war immer fest davon überzeugt, daß die Transformatoren in den Lokomotiven _schwer_ sein sollen und aus _dickem_ Blech gemacht (wegen Wirbelstromverlusten und so), das billig ist.

So kann man sich täuschen.

Na sowas. Hätt ich doch Dampfplauderer werden sollen, irgendwas bei der Gewerkschaft.

MfG

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Franz Glaser (NLx300)

"Franz Glaser (NLx300)" schrieb:

Dunkel ist der Rede Sinn ...

Joachim

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Joachim Schmid

Joachim Schmid schrieb:

Na, dann hell ich halt auf...

Bei niedriger Frequenz brauchts viel mehr Eisen. Das tut den Trafo schwer machen und die Lokomotive auch. Die Lokomotive muß mit viel Gewicht auf die Räder/Schienen drücken wegen der Reibung und wegen der Physik und so.

Kannst es auch so nennen: ein schwerer Trafo tut nicht schaden in der Lok.

Nun zu den Blechen. Trafo - Eisen wird nicht aus einem Stück gegossen, weil Eisen elektrisch leitfähig ist. Zwar nicht besonders gut, aber lästig genug, um als Kurzschluß - Sekun- därwicklung wirksam zu werden. Deswegen wird der Eisenkern aus dünnen Blechen mit Lack oder Papierisolierung gemacht oder aus Pulver in Keramik bei hohen Frequenzen. Ich habe das "Wirbelstrom" genannt, sachlich falsch aber gutgemeint.

Wenn die Frequenz niedrig ist, dann dürfen die Bleche etwas dicker sein, ohne allzuviel "Wirbelstrom [ftm]-Verluste" zu verbraten. Das macht den Eisenkern billiger.

[ftm] = false trade mark

Ein Transformator in einer Lok hat eine ganz eigenartige Langform, sieht aus wie ein Drehstromtrafo, ist aber keiner. Aber das würde hier zu weit führen.

Was ich geschrieben habe, das bezieht sich nur auf die _niedrige_ Freqenz, nicht darauf, daß es gerade 1/3 von

50 Hz ist.

HTH = ich hoffe, daß ich dich damit aufgeklärt habe.

MfG

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Franz Glaser (NLx300)

Hallo Franz!

Am 11.07.2003 schriebst du ( snipped-for-privacy@invalid-meg-glaser.com):

Also: Nach meinen Informationen hat man 16 2/3 Hz genommen, weil der Reihenschlussmotor an sich ein Gleichspannungsmotor ist und jeder Nulldurchgang des Stromes auch das Magnetfeld im Motor zusammenbrechen läßt, was 0 Nm Drehmoment zur Folge hat. Geringere Frequenz = Weniger Nulldurchgänge = Längere Kraftphasen am Rad = Weniger durchdrehen beim Anfahren.

Das mit dem Trafo war ein netter Nebeneffekt.

Mit freundlichen Gruessen

Juergen Bors

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Juergen Bors

Juergen Bors schrieb:

DA tu ich widersprechen, so aus dem Bauch heraus. Denn bei niedriger Frequenz dauert der "Nulldurchgang" ja noch viel länger als bei hoher.

Oder steh ich da auf der Leitung?

MfG

Reply to
Franz Glaser (NLx300)

Juergen Bors schrieb:

Das halte ich für ein Gerücht. Die frequenzbedingte Drehmomentenpulsation liegt immer noch in einer Periodenlänge von unter

1/10 s. Das wird schon durch die Massenträgheit der bewegten Teile weggeglättet.

Das Kernproblem beim Fahrmotorenbau ist das Bürstenfeuer. So wird es auch in allen mir bekannten Publikationen dargestellt.

Joachim

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Joachim Schmid

Hallo Franz!

Am 11.07.2003 schriebst du ( snipped-for-privacy@invalid-meg-glaser.com):

Naja, das ist eigentlich Definitionssache, aber ich weiß was du meinst. Ich drücke es mal so aus:

Bei höherer Frequenz sind die Drehmomentanstiege über die Zeit gesehen steiler, was zu höherer Durchrutschgefahr beim Anfahren führt.

Mit freundlichen Gruessen

Juergen Bors

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Juergen Bors

Hallo Joachim!

Am 11.07.2003 schriebst du ( snipped-for-privacy@fh-duesseldorf.de):

So viel wiegt so eine Achse im Verhältnis zur zu ziehenden Masse nun wirklich nicht. Was sollen denn 2 Tonen bei z.B. 500 kW großartig ausgleichen?

Das wurde hier ja schon widerlegt.

Mit freundlichen Gruessen

Juergen Bors

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Juergen Bors

Hallo Joachim!

Am 11.07.2003 schriebst du ( snipped-for-privacy@fh-duesseldorf.de):

Halb richtig. Eine Lok kann eigentlich nicht schwer genug sein, wenn es darum geht eine möglichst große Last in Gang zu setzen. Soweit ich das gesehen habe, wiegen die meisten Loks um 120 Tonnen, bis auf die Zugköpfe von Hochgeschwindigkeitszügen. Dort kommt es weit mehr auf Geschindigkeit an, Menschen wiegen halt nicht viel, somit sind auch keine großen Lasten zu beschleunigen. Hier dürfte die Lok eigentlich richtig leicht sein, wird aber durch den Trafo schwer...

Nein, Trafos mit vielen Blechen zu bauen ist aufwendiger. Das Volumen ist bei den Frequenzbereichen und Leistungsbereichen eher abhängig von der zu übertragenden Leistung, nicht von der Frequenz.

Dann hätte man auch 400 Hz nehmen können, hat man aber nicht.

Mit freundlichen Gruessen

Juergen Bors

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Juergen Bors
[...]

Na, dann kennst Du offensichtlich die wenigsten Elektrolokomotiven. Die Achslast beträgt meist um die 20t. Deine Aussage gilt also nur für die

6achsigen und die sind (leider) nahezu ausgestorben. Mir sind nur noch 150 und 151 bekannt. Die 103 ist im Januar ausgestorben. Mit (elektronischer) Schlupfregelung an jeder Achse ist die gewaltige Masse nicht mehr erforderlich. Im Gegenteil: Um den Schienenverschleiß gering zu halten, ist man bemüht nur noch 4achsige Lokomotiven zu bauen und damit sollte die Lokomotivmasse die 80t-Marke nicht zu sehr überschreiten. Also doch auch ein Argument für leichte Transformatoren. [...]

Das hätte man vermutlich auch, wenn es den Effekt der Eisenverluste nicht geben würde, der leider viele Probleme aufwirft, auch wenn er bei zahllosen Milchmädchenrechnungen gerne mal vernachlässigt wird -- und das auch von gestandenen (Universitäts-)Professoren, die per definitionem in Deutschland allwissend und unfehlbar sind... Einen 400Hz-Trafo im Gigawatt-Bereich aus Ferrit stell' ich mir reizvoll vor. Leider war dieser Werkstoff damals noch nicht wirklich verfügbar...

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Volker Bosch
[...]

Das kann nicht stimmen! Alle mir bekannten Reihenschluss-Bahnantriebe sind so konstruiert, dass eine elastische Verbindung zwischen Motorwelle und Radsatz besteht. Diese ist auch zwingend erforderlich, da sie dafür sorgt, dass der Motor sich beim Anfahren sofort bewegen kann. Bei einer starren Kupplung verbrennt der Kommutator während des Anfahrvorgangs. Diese elastische Kupplung sollte in gewissem Maße auch die Momentenpulsation des Wechselstrommotors ausgleichen.

Reply to
Volker Bosch

Hallo Volker!

Am 11.07.2003 schriebst du ( snipped-for-privacy@z.zgs.de):

Gähn. Ist auch schon lange her, dass man Reihenschlussmotoren bei Lokomotiven einsetzte. Darum geht es aber hier. Wenn es wirklich um kleinere und leichtere Trafos gehen würde, hätte man wohl schon ein Schaltnetzteil eingebaut. ;-)

Im Gigawatt Bereich habe ich noch keine einzelnen Trafos gesehen, nur Trafogruppen...

Zudem: Wie schnell sollte deiner Meinung nach ein tonnenschwerer Generator denn laufen, um 400 Hz zu erzeugen?

Mehrpolige Generatoren haben einen schlechteren Wirkungsgrad, und

24000 U/min ist nun auch nicht wirklich eine wirtschaftliche Drehzahl. Du verstehst?

Mit freundlichen Gruessen

Juergen Bors

Reply to
Juergen Bors

Hallo Volker!

Am 11.07.2003 schriebst du ( snipped-for-privacy@z.zgs.de):

Das eine schließt das andere aber nicht aus. Im Fall des Anfahrens wird die elastische Kupplung bis zum Anschlag belastet. Viel mit "ausgleichen" ist da bestimmt nicht mehr.

Hm. Gab es die 16 2/3 Hz nicht schon bei Siemens seiner ersten E Lok?

Wie auch immer: Siemens stellte bei höherer Frequenzen fest, dass der Motor bei niedrigerem Drehmoment das Ruckeln bekommt (Anker schwingt nur wenige Grad hin und her, dreht sich aber nicht...)

So wurde es mal in einer anderen Diskussionen dargestellt.

Mit freundlichen Gruessen

Juergen Bors

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Juergen Bors

Hallo Joachim!

Am 11.07.2003 schriebst du (prof_joachim snipped-for-privacy@yahoo.de):

Im Fall des Anfahrens steht der Motor nahezu... Mit Ausgleichen durch drehende Massen ist da nicht viel.

Nur bei Teillast kannst du gegen obiges Durchdrehen etwas tuen. Bei Volllast ist das schon deutlich schwieriger. Stimmts?

Mit freundlichen Gruessen

Juergen Bors

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Juergen Bors

Juergen Bors schrieb:

Das ist falsch. Bei richtiger Auslegung wird der Antrieb nur stärker verspannt, aber geht auch bei M_max nicht auf Anschlag.

Nein, das war eine Gleichstrommaschine. Auch die ersten Wechselstromloks hatten andere Frequenzen.

Das erklärt sich durch nicht ausreichendes Motordrehmoment oder zu geringe Polzahl. Die Story ist jedoch frei erfunden, da Siemens seine ersten Elloks in Gleichstromtechnik ausführte. Man hatte etliche Jahre Erfahung mit Gleich- und Drehstromfahrzeugen sowie ortsfesten Wechselstromantrieben hinter sich, bevor man Eisenbahnen mit Einphasen-Wechselstrommotoren baute.

Unzutreffenderweise.

Joachim

Reply to
Joachim Schmid
[...]

Hä? Dann schau Dir doch bitte mal die 120t schweren Lokomotiven genauer an. Was stellst Du fest? Diese sind bereits ein paar Jahre alt und verfügen über Reihenschlussmotoren. Lokomotiven mit umrichtergespeisten Fahrmotoren verfügen idR. über eine Schlupfregelung und benötigen deshalb die gewaltige Masse von 120t und große Anzahl Radsätze nicht mehr. Deine Aussagen sind somit falsch bzw. irreführend.

[...]

Ach Gottchen, ob mehrere 100 MVA jetzt im Giga-VA-Bereich liegen oder nicht, muss hier wohl nicht diskutiert werden...

Von dir stammt doch die mutige These, das Landesnetz mit 400Hz zu speisen. Dass das Unfug ist, habe ich mit dem Beispiel des Trafos gezeigt. Dass das selbe für den Generator gilt, sollte eigentlich klar sein...

Diese pauschale Aussage kann so aber nicht stehen bleiben -- Belege bitte! Turbogeneratoren werden nur deshalb zweipolig gebaut, um die Drehzahl in einen für die Turbine günstigen Bereich zu legen. Generatoren für, sagen wir mal 1 GVA, sind übrigens vierpolig (Stichwort: Umfangsgeschwindigkeit) und haben mit Sicherheit einen höheren Wirkungsgrad als Turbogeneratoren für, sagen wir mal 100MVA, die idR. zweipolig ausgeführt sind...

Eine vierpolige Maschine ist vom Verlauf des magnetischen Flusses günstiger als eine zweipolige. Mal es dir doch einfach mal auf (Stichwort: Eisenweglänge). Auch ist die zweipolige Bauform aufgrund des einseitigen magnetischen Zuges recht ungünstig.

Und noch ein kleiner Hinweis: Wirkungsgrade elektrischer Maschinen sind nicht gottgegeben, sondern stellen einen Kompromiss zwischen Herstellungs- und Betriebskosten sowie den zulässigen Abmessungen bzw. Massen dar. In gewissen Grenzen lässt sich jede Maschine mit nahezu jedem Wirkungsgrad bauen.

Elektrische Maschinen hoher Leistung haben nicht aufgrund ihrer Abmessung automatisch einen besseren Wirkungsgrad, sondern sie explizit wurden so konstruiert. Bei einer kleinen Maschine ist es kein Problem die Wärme über die Oberfläche abzuführen.

Aha, Generatoren in Fluzeugen drehen mit 24000 1/min, das war mir neu -- naja die Drehzahl sollte für Leistungen bis zu einigen kVA beherrschbar sein...

****----*-------*-------*-------*-------*-------*-------*-------*----**** *\ Viele -- Volker Bosch \*** **\ Gruesse aus -- E-Mail: snipped-for-privacy@z.zgs.de \** ***\ Stuttgart --
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Volker Bosch

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