Bahntechnik Nachladegerät zur Versorgung der Wirbelstrombremse im neuen ICE 3

Autor / Redakteur: Wolfgang Neumärker * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Die lineare Wirbelstrombremse des neuen ICE 3 sorgt im Verbund mit den anderen Bremssystemen für eine zuverlässige Verzögerung des Hochgeschwindigkeitszuges. Eine sichere Funktion auch bei fehlender Versorgungsspannung gewährleistet das von MTM Power in Zusammenarbeit mit Siemens entwickelte Nachladegerät NLG.

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Ein Velaro D: Lineare Wirbelstrombremsen verzögern den zur ICE-Flotte gehörenden Zug zuverlässig und verschleißfrei.
Ein Velaro D: Lineare Wirbelstrombremsen verzögern den zur ICE-Flotte gehörenden Zug zuverlässig und verschleißfrei.
(Bild: Siemens AG)

Der Velaro D (BR407) gehört zur ICE-Flotte und wird auch als neuer ICE 3 bezeichnet. Verbesserte Energieeffizienz und Traktionseigenschaften, ein erhöhter Fahrkomfort gehören ebenso wie neue Fahrgastinformationssysteme und angenehmere Raumkonzepte zu den Eigenschaften dieser neuen ICE-Generation. Die Velaro-D-Plattform ist als Hochgeschwindigkeitszug ausgelegt für eine maximale Geschwindigkeit von bis zu 320 km/h.

Unabdingbar sind bei diesen Geschwindigkeiten hocheffiziente und sichere Bremssysteme. Im Velaro D kommen deshalb, gesteuert über ein Bremsmanagementsystem, drei unabhängige Bremssysteme mit pneumatischen, generatorischen und Wirbelstrom-Bremsen zum Einsatz. Bevorzugtes Bremssystem ist die generatorische Bremse, bei der durch Rekuperation gleichzeitig Energie zurückgewonnen wird, was die Energieeffizienz des Zuges erhöht.

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Zudem ist die generatorische Bremse verschleißfrei. Das pneumatische Bremssystem arbeitet als Scheibenbremse an den Radsätzen der Triebdrehgestelle. Sowohl generatorische als auch pneumatische Bremsen haben jedoch einen entscheidenden Nachteil, diese wirken nur bis zur Traktionsgrenze, das heißt, solange eine entsprechende Rad-Schiene-Haftung gegeben ist.

Die lineare Wirbelstrombremse ist verschleißfrei

Vollkommen unabhängig von der jeweiligen Rad-Schiene-Haftung und zudem verschleißfrei, weil berührungslos, arbeitet dagegen die lineare Wirbelstrombremse des Velaro D. Elektromagnete sind im Drehgestell zwischen den Radsätzen längs in einer Reihe angeordnet und werden beim Bremsen auf bis zu 7 mm über die Schiene abgesenkt.

Durch die Bewegung über der Schiene kommt es zu sich zeitlich ändernden Magnetfeldern. In der Schiene werden dadurch Spannungen induziert, es entstehen Wirbelströme. Die daraus resultierenden Magnetfelder wirken entgegengesetzt zur Fahrtrichtung und führen zur Verzögerung des Zuges, wobei die Bremsleistung der Wirbelstrombremse mit der Geschwindigkeit des Zuges ansteigt.

Das in Zusammenarbeit mit der Siemens AG von MTM Power entwickelte Nachladegerät dient zur Versorgung dieser Wirbelstrombremse. Die Konstruktion basiert auf dem Kondensatorladegerät aus dem ICE 3 und wurde für die Anwendung im Velaro D entsprechend angepasst. Das Nachladegerät wird in Bahnstromrichtern eingesetzt und lädt bei Spannungsausfall den Traktionszwischenkreis aus dem batteriegestützten 110-VDC-Bordnetz nach, um die Versorgung der Wirbelstrombremse sicherzustellen.

Der Traktionszwischenkreis, aus dem auch die Wirbelstrombremse versorgt wird, ist mit einem 3-mF-Kondensator als Energiespeicher ausgerüstet. Bei einem Ausfall der Netzspannung und fehlender Zwischenkreisspannung wird im Bremsfall die Spannung des Traktionszwischenkreises durch das Nachladegerät auf einen Wert von mindestens 200 VDC geladen und gehalten. Damit ergibt sich ein Energieinhalt des Zwischenkreises von

W = ½ C . U2 = ½ . 3 mF . 200 V2 = 60 Ws.

Vakuumvergossener Haupttrafo

Die Herausforderung bei der Entwicklung des Nachladegerätes war weniger die Auswahl eines geeigneten Schaltungskonzepts. Man entschied sich für einen primär geregelten Sperrwandler, der gerade bei höheren Ausgangsspannungen eine gute Performance bietet. Weitaus schwieriger zu bewerkstelligen waren dagegen die Entkopplung und der Schutz des Gerätes vom nachzuladenden Traktionszwischenkreis, wo Spitzenspannungen von bis zu 4200 V auftreten können, sowie die Isolationskoordination der einzelnen Schaltungsbaugruppen mit unterschiedlichem Potenzialbezug zum Traktionszwischenkreis.

Hier ergaben sich nach EN 50124-1 Kriechstrecken von bis zu 85 mm bei verstärkter bzw. doppelter Isolierung. Die Konstruktion des Haupttransformators musste als unter Vakuum vergossene Konstruktion mit Feststoffisolation erfolgen, die hierfür spezifizierte Teilentladungsaussetzspannung beträgt 4,5 kV bei Q<10 pC. Die Isolationsprüfspannung des Gerätes für die Strecken mit verstärkter Isolierung beträgt 8,3 kVAC oder 11,4 kVDC.

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