Stromrichter im Bahnbetrieb: Energie­verbrauch senken

1. Stromrichter im Bahnbetrieb

Traktionsstromrichter haben eine zentrale Bedeutung für den Betrieb von modernen Schienenfahrzeugen, da sie die momentan bei den elektrischen Fahrmotoren benötigte elektrische Energie von der Quelle her umwandeln und übertragen. Im hier betrachteten Fall wird die einphasige 11-kV-Netzspannung durch einen Traktionstransformator zuerst reduziert und anschließend vom Traktionsstromrichter in die benötigte dreiphasige Motorspannung umgewandelt.

1.1 Den Energieverbrauch im Betrieb senken

In Zeiten steigender Energiepreise gerät die Bedeutung der Energieeffizienz von Traktionsantrieben immer stärker in den Mittelpunkt. Traktionsstromrichter bieten eine hohe Effizienz, indem sie die Stromzufuhr optimal an die Anforderungen des Motors anpassen. Außerdem ermöglichen sie einen regenerativen Bremsbetrieb, bei welchem die beim Bremsvorgang freigesetzte Energie wieder in das versorgende Oberleitungsnetz oder in auf dem Fahrzeug befindliche Traktionsbatterien zur Energiespeicherung zurückgespeist wird.

1.2 Effizienzgewinne durch Dreipunkt-Stromrichter

Um den Energieverbrauch moderner Züge weiter zu reduzieren, ist es sinnvoll, die Topologie der eingesetzten Stromrichter zu betrachten. Üblicherweise werden im Bahnbereich Zweipunkt-Stromrichter eingesetzt, welche am Phasenausgang zwischen zwei möglichen Potenzialen hin- und herschalten, können. Für jede Stromrichter-Phase kann entweder die positive oder die negative Zwischenkreisspannung als Ausgangsspannung ausgegeben werden.

Im Gegensatz dazu bieten Dreipunkt-Stromrichter zusätzlich die Möglichkeit, entweder die positive Zwischenkreisspannung, die Mittelpunktspannung oder die negative Zwischenkreisspannung an den Phasenausgang zu schalten. Dieser Betrieb mit einer zusätzlichen Stufe ermöglicht eine höhere Spannungsqualität und hat erhebliche Auswirkungen auf die Motorseite, die Netzseite und die Effizienz des Fahrzeugantriebs.

Netzseitig hat ein kleinerer Oberschwingungsgehalt im Fahrleitungs- und somit auch im Schienenrückstrom den Vorteil, dass neben verminderte Verluste auch das Risiko einer Störung der sicherheits- und betriebsrelevanter Signaleinrichtungen der Gleisstromkreise und Gleisschaltmittel reduziert wird.

2. Praxisversuch im Regionalbahnbetrieb

Um die Vorteile des Einsatzes von Dreipunkt-Stromrichtern auf die Energieeffizienz im Betrieb und auf Netz- und Motorseite konkret zu untersuchen, wurden im Spätsommer 2020 vergleichende Energiemessungen mit der Rhätischen Bahn AG durchgeführt. Die RhB ist ein Eisenbahnverkehrsunternehmen mit Sitz in Chur (Schweiz); das Streckennetz liegt überwiegend im Kanton Graubünden, Mit dem Bernina Express betreibt die RhB eine der bekanntesten Zugverbindungen des Landes: Wie der ebenfalls von der RhB betriebene Glacier Express gilt er als touristischer Höhepunkt.

Insgesamt verfügt die RhB über ein Streckennetz von 384 Kilometern, die mit etwa 60 Lokomotiven befahren werden. Zu den Triebzügen zählen auch RhB ABe 4/16 3101–3105 und RhB ABe 4/16 3111–3166. Beide Modelle stammen von Stadler Rail. Die Nummerierung 3101–3105 wurde von 2011 bis 2012 gebaut und wird auch als Allegra-Stammnetztriebzug (STZ) bezeichnet. Die Nummerierung 3111–3166 ging 2019 in Serie und wird nach wie vor gebaut. Sie wird auch als Retica-30-Flügelzug (RTZ) beschrieben.

Sowohl die Züge der STZ-Baureihe als auch die neueren RTZ-Modelle fahren mit Antriebstechnik von ABB, nämlich Traktionsstromrichtern mit integriertem Hilfsbetriebeumrichter. Die Stromrichter beider Züge sind ungefähr gleich groß und gleich schwer. Der Unterschied: Die Modellreihe STZ hat einen Einzelachsantrieb und ist mit Zweipunkt-Stromrichter Compact Converter CC700 ausgeführt. Die RTZ-Reihe ist hingegen mit Gruppenantrieb und mit Dreipunkt-Stromrichter Compact Converter CC750 ausgeführt. Zudem werden beide Motoren jedes RTZ-Zugs vom gleichen Stromrichter als Gruppenantrieb gespeist. Bei der STZ-Reihe hat jeder Motor seinen eigenen Motorstromrichter. Trafoseitig verfügen die STZ-Züge über einen Vierwicklungstransformator, die RTZ-Modelle über einen Zweiwicklungstransformator.

Während im STZ-Antrieb IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) mit 3,3 kV Sperrspannung eingesetzt werden, erlaubt die Antriebstopologie des RTZ-Zugs Halbleiter mit einer tieferen Spannungsklasse von nur 1,7 kV. Dafür müssen im Betrieb jeweils zwei Halbleiter in Serie geschalten sein, damit die notwendige Sperrspannung aufgebracht wird. Durch die höhere Anzahl an Elementen und die dadurch höhere Anzahl möglicher Schaltzustände bei der Dreipunkttopologie wird die Ansteuerung deutlich komplexer.

Bezüglich der installierten IGBT-Chipfläche sind beide Topologien jedoch vergleichbar, was sich auch in der vergleichbaren Größe der Stromrichter zeigt. Abseits des Bahnbetriebs sind Dreipunkt-Stromrichter heute bereits gängige Schaltungstopologien. Besonders im Industrieumfeld werden auch Anlagen mit noch höherer Topologie eingesetzt.

2.1 Aufbau und Durchführung der Vergleichsfahrt

Aufgrund der Ähnlichkeit der Fahrzeuge einerseits und der unterschiedlichen Topologie der Stromrichter andererseits eignen sich STZ und RTZ besonders gut für einen Vergleich. Zu diesem Zweck hat die RhB im Spätsommer 2020 mit je einem Fahrzeug beider Baureihen dieselbe Strecke von Rhäzüns nach Schiers mit möglichst vergleichbarem Fahrspiel zurückgelegt. Die praxisnahen Fahrten über eine Strecke von ca. 40 Kilometer stehen exemplarisch für den Regionalbahnbetrieb in der Schweiz. Sie fanden abseits des Regelbetriebs statt, um Stopps an allen Stationen mit möglichst exakt gleichen Aufenthalten zu ermöglichen, und unter gleichen Temperatur- und Wetterbedingungen zu fahren. So konnte eine präzise Vergleichsmessung der beiden Antriebssysteme durchgeführt werden.

Beide Fahrzeuge sind die Strecke mehrfach abgefahren; ausgewählt wurden für den Vergleich der Technologien die Fahrten mit der größten Ähnlichkeit.

2.2 Ergebnisse des Praxistests

Das Ergebnis der Messungen: Der Nettoenergieverbrauch des RTZ ist für den untersuchten Fahrzyklus über 30 % geringer als zuvor bei der STZ-Generation. Die Vorteile des Dreipunkt-Stromrichters gegenüber dem Zweipunkt-Stromrichter des STZ-Zugs sind beim Verbrauch und bei der Rekuperation fast gleich groß. Der RTZ-Zug konsumiert also nicht nur deutlich weniger Energie, er speist auch mehr zurück: In der gesamten Kette wird weniger Energie verbraucht.

2.3 Ursachen für die unterschiedlichen Energieverbräuche

Die Motortemperaturen wurden im Verlauf der Testfahrten aufgezeichnet. Dabei zeigte sich, dass für den gleichen Lastzyklus die Temperaturerhöhung beim RTZ massiv niedriger ist als beim STZ. Gemessen wurde ein um 55 % geringerer Temperaturanstieg, bei einer ähnlichen Anfangstemperatur von etwa 90 °C für beide Fahrzeuge.

Da die im Datenblatt angegebenen Werte beide Motoren sehr ähnlich, lässt sich die Ursache für den Unterschied nicht am Motordesign, sondern beim Stromrichter finden. Der kleinere Rippel der Kurvenform des Ausgangsstroms beim RTZ bewirkt, dass die harmonischen Verluste – verursacht durch erhöhte Eisen- und ohmsche Verluste (Skin- und Proximity-Effekt) – in der Motorwicklung geringer sind. Die Temperaturverläufe veranschaulichen diese deutlich geringeren Verluste am Motor des RTZ-Fahrzeugs im Vergleich zum STZ. 

Im Rahmen der Auswertung der RhB-Vergleichsfahrten wurde auch eine Berechnung der mittleren motorseitigen Verluste über alle möglichen Betriebspunkte durchgeführt. Dabei wurde die Datenblattwerte der Motoren bestätigt, dass die Grundwellenverluste beider Motoren ähnlich hoch sind.

Bei den durch harmonische Oberschwingungen hervorgerufenen Motorverlusten hingegen zeigt sich der massive Vorteil des Dreipunkt- Stromrichters im Vergleich zum Zweipunkt-Stromrichter. Die harmonischen Verluste beim Zweipunkt-Stromrichter sind etwa gleich groß wie die Grundwellenverluste, während der Anteil beim Dreipunkt-Stromrichter verschwindend klein ist. 

Die Verluste am Motorstromrichter des RTZ sind deutlich besser als beim STZ, was teils an der Topologie und der dadurch anderen Spannungsklasse der eingesetzten Halbleiter liegt, aber auch der Entwicklung von Halbleitern in den zehn Jahren liegt, die zwischen der Entwicklung der beiden eingesetzten Stromrichtergenerationen liegen. Insgesamt werden die motorseitigen Verluste durch den Einsatz des modernen Dreipunkt-Stromrichter des RTZ im Vergleich zum STZ halbiert. 

Die geringere Erwärmung verlängert zudem die Lebenszeit des Motors. Zusätzlich steigen bei höherer Temperatur die Wicklungswiderstände, was wiederum auch die Grundwellenverluste am Motor erhöht. Ein weiterer positiver Effekt des Betriebs eines Motors an einem Dreipunkt-Stromrichter ist, dass ein Motor später seine thermische Grenze erreicht, und er so länger bei höherer Belastung betrieben werden kann. 

Nicht zuletzt verringert der halbierte Spannungsschritt beim Dreipunkt-Stromrichter außerdem die Belastung der Wicklungsisolation am Motor und er führt zu niedrigeren Common-Mode-Spannungen, was wiederum die Lagerströme vermindert. 

Die Transformatorverluste wurden auf Basis der gemessenen Netzleistung und Transformatortemperatur anhand von Datenblattwerten berechnet. Sie sind beim RTZ deutlich geringer als beim STZ.

Die Transformatorverluste haben einen substanziellen Anteil am Gesamtenergieverbrauch.

Die Vorteile des Dreipunkt-Stromrichters unterschieden sich auf der Motorseite und Transformatorseite: Beim Transformator unterscheiden sich der Oberschwingungsgehalt (THD) des Eingangsstroms nur unwesentlich zwischen dem STZ mit Zwei- (2,5 %) und dem RTZ mit Dreipunkt-Stromrichter (2,0 %). Der größere Unterschied besteht darin, dass für den RTZ ein Transformator mit viel geringerer Kurzschlussspannung verwendet werden kann als für den STZ, nämlich etwa 7 % gegenüber ca. 21 %. Dank dieses „weicheren“ Trafos erreicht der Zweipunkt-Stromrichter zwar eine ähnliche Stromqualität wie der Dreipunkt-Stromrichter, erkauft wird diese stärkere Filterung aber mit höheren Grundwellenverlusten am Transformator. Der wesentlich „härtere“ Trafo des Dreipunkt-Stromrichters erzeugt deutlich weniger Verluste, da der Wicklungswiderstand proportional zur Streuimpedanz steigt. Beim Design des Transformators wird ausgenutzt, dass der Stromrichter-Ausgangsstrom deutlich sinusförmiger ist, da weniger Filterung durch den Transformator benötigt wird. So lässt sich ein ähnlich netzfreundliches Verhalten bei gleichzeitig deutlich reduzierten Verlusten erreichen.

All das bedeutet auch, dass anstelle eines Öltransformators wie im STZ im RTZ ein Trockentransformator eingesetzt werden kann. Dieser bietet einen wartungsfreundlicheren Betrieb, da kein Ölkreislauf mit dem entsprechenden Unterhalt benötigt wird und die Ölpumpe mit zusätzlichen elektrischen Verlusten vermieden werden kann. Die Verwendung eines Dreipunkt-Stromrichters für den Antriebsstrang führt also nicht nur zu erheblich niedrigeren Energieverbräuchen, sondern reduziert auch den Wartungsaufwand und die Ausfallwahrscheinlichkeit.

3. Fazit

Der Praxistest auf der Regionalbahnstrecke der RhB hat gezeigt, dass Traktionsstromrichter mit Dreipunkt-Topologie im Betriebsalltag erhebliche Vorteile bringen, die den Gesamtenergieverbrauch um fast ein Drittel reduzieren können. Gepaart mit geringerem Wartungsaufwand, reduzierter Ausfallwahrscheinlichkeit und einer potenziellen Lebenszeitverlängerung der Fahrmotoren erhalten Betreiber gleich mehrere Vorteile, die für den Einsatz von Dreipunkt-Stromrichtern sprechen.

Alternatives Potenzial für geringere Energieverbräuche im Bahnbetrieb ergibt sich auch an anderer Stelle der Traktionsstromrichter-Technologie: Anstatt zusätzlicher Zwischenstufen in der Ausgangsspannung des Stromrichters zu generieren, kann ein ähnlicher Effekt auch erzeugt werden, wenn die Taktfrequenz entsprechend erhöht wird. So kann der Rippel im Stromverlauf effektiv verkleinert werden und Zweipunkt-Stromrichter können ähnlich oberschwingungsarmen Strom bieten wie Dreipunkt-Stromrichter. Eine solche Erhöhung der Taktfrequenz wird durch den Einsatz von Leistungshalbleitern auf Basis von Siliciumcarbid (SiC) ermöglicht, die auf Grund der kleineren Schaltverluste schneller getaktet werden können als reine Silizium-Halbleiter.