Warum wird in Zügen Gleichstrom verwendet?
ich ergänze die Antwort von Johann Joss:
Für Elektromotoren war bis in die 1980er Jahre die Gleichstrom Technik die einzige Möglichkeit um effiziente regelbare Antriebsstränge zu realisieren. Gleichstrommotore konnten über die (widerstandsgesteuerte) Stator- Feldstärke ihre Drehzahl variieren.
Es gibt viele U- Bahnen und Straßenbahnen, die aus dieser Geschichte heraus bis heute mit Gleichstrom fahren, aber auch die italienischen Staatsbahnen meines Wissens. Eine Umstellung wäre vor allem bei ausgedehnten Strecken technisch vorteilhaft, kommt aber in der Regel aus betriebs- und wirtschaftlichen Gründen nicht in Frage.
Um für lange Bahnstrecken die Vorteile der Wechselstrom- Technik nutzen zu können (einfache Transformatoren zum Hoch- und Heruntersetzen der Spannung für Fernübertragung der Energie) ersannen kluge Köpfe das Bahnstromnetz mit 16,67 Hz und 15kV zwischen Fahrdraht und Schienenstrang. Das Wechselstrom- Prinzip half bei der Überbrückung der weiten Wege und in der Lokomotive setzte ein Transformator die Spannung auf einen moderateren Wert für den Fahrmotor- Betrieb herunter. Der Motor arbeitete wie ein Gleichstrommotor und war so konstruiert, dass mit dem zyklischen Richtungswechsel der Antriebsspannung die Wirkrichtungen der Kräfte und damit die Drehrichtung gleich blieben. Die geringe Frequenz (im Vergleich zu sonst in Energienetzen üblichen 50 oder 60 Hz) war wohl ein Zugeständnis an die Grenzen dieser nicht ganz harmlosen Motor- Betriebsweise. Eine komplexes Themenfeld ergab sich zugleich für die Mechanik, da der 16.67 Hz Belastungs- Impuls für viele Komponenten Sondermaßnahmen zur Dämpfung erforderlich machte. Das betraf nicht nur die beweglichen Teile sondern vereinzelt auch ganze Bauwerksgruppen in der Traktionsenergie- Bereitstellung, die manchmal sogar mit Federn auf ihre Fundamente gestellt wurden.
In den späten 1970er bis frühen 1980er Jahren verbreiteten sich eine nennenswert leistungsfähige mikroprozessor- Technik sowie ausreichend belastbare Halbleiter für Antriebsstränge im Megawatt- Bereich, die THYRISTOREN. Vereinfacht sind das Halbleiter- Schalter, welche aus der Verbindung von 2 Leistungstransistoren entstehen. Elektrotechnisch sind es steuerbare Einschalter mit Selbsthaltung bis zum nachfolgenden Strom- Nulldurchgang.
Diese Technik erlaubte den Bau von thyristorgesteuerten Umrichtern, welche aus (durch Gleichrichtung erzeugten) Gleichstrom einen 3phasigen, in Spannung und Frequenz weitgehend variablen, Drehstrom herstellen. Der Gleichstrom wird dabei für jede der 3 Phasen zerhackt und die abzugebende Leistung über speichernde und glättende Induktivitäten und kluge Anordnungen zum Antriebs- Energie- Drehstrom zusammen gefügt. Der Motor konnte als Drehstrom- Asynchronmaschine ausgeführt werden und das ergab in Bezug auf Wartungsfreiheit und Robustheit Vorteile im Vergleich zur Gleichstrom- Antriebstechnik.
Die neue Steuerbarkeit erlaubte zudem Features die insgesamt eine Revolution in der gesamten Antriebsindustrie auslösten: Einfachste Ansteuerung über Signaltechnik, dynamischr Begrenzungen und bei Drehzahl und Drehmoment, extreme Drehzahlbandbreiten sowie das Potenzial für einen 4 Quadrantenbetrieb mit Rückspeisung bei Bremsung sind nur ein Bruchteil der nun vergleichsweise günstig realisierbaren Möglichkeiten.
Schweden und Österreich waren am Bahnsektor die Pioniere bei der Ersteinführung der Umrichtertechnik: Die E-Lok 1044 wurde als "Thyristorlok" bekannt, oder auch als "Alpenstaubsauger" (wegen der starken Lüftergeräusche bei Vollast über die Alpenpässe).
Die Umrichter- und Thyristortechnik servierte viele Herausforderungen und wenn im Laufe von Jahren einer der Thyristoren (mindestens 6 oder gar 12 pro Umrichter sind die Untergrenze) bei der Selbstablöschung an einer einzigen Halbwelle einen Schaltfehler machte, knallte es im Schaltschrank…
In aktuellen Umrichtern wird heute eine Weiterentwicklung der Thyristoren eingesetzt: IGBTs (insulated gate bipolar transistor) erlauben das aktive AN- UND ABSTEUERN über Signale und damit erhöht sich konstruktionsbedingt die Fehlersicherheit.
Heute, 40 Jahre später, habe ich einen viel smarteren und performanteren Umrichter in meinem Solar- Hybrid- Wechselrichter im Haus eingebaut, aber auch einen in meinem E- Auto. Aus der guten alten Asynchronmaschine wurde dank E- Auto Entwicklung auch ein Hybrid, der eine Kombination aus Synchron- Permanentmagnet- und Reluktanz- Maschine darstellt.
Wirkungsgrade jenseits von 90% über weite Drehzahlbereiche sind Marktstandard und ich freue mich, dass die Anfangsschwierigkeiten überwunden sind und diese Technik mittlerweile extrem zuverlässig ist.
…
Als Techniker lache ich während dieses Ausflugs in die Geschichte gerade kaputt wenn uns heute, von Schreibtisch her kommend, eine großteils elektrizitätsbasierte Energiewende verordnet wird mit Deadlines zum Teil in weniger als einem Jahrzehnt: Technik entsteht nicht auf Zuruf oder Fingerschnipp, Technik hat eine Geschichte voller harter Arbeit.