Wiener entwickeln Stromabnehmer der nächsten Generation für High-Speed-Züge
Auch moderne Hochgeschwindigkeitszüge wie ICE und TGV beziehen ihren Strom aus Oberleitungen. Wenn bei Geschwindigkeiten von mehr als 300 km/h der Kontakt abreißt, entstehen Lichtbögen, die vor allem die Oberleitungen schädigen. Ein neuer Prüfstand in Wien soll nun die Entwicklung noch leistungsfähigerer Stromabnehmer erlauben.
Stromabnehmer bei Hochgeschwindigkeitszügen wie dem ICE können große Schäden an der Oberleitung verursachen, wenn der Kontakt abreißt. Forscher in Wien haben jetzt einen neuen Teststand in Betrieb genommen, um neue Techniken für Stromabnehmer zu entwickeln.
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Moderne Züge der Baureihe ICE 3 rasen oft mit gut 300 km/h über die Gleise. Da bleibt es nicht aus, dass auf das Gesamtsystem enorme Kräfte wirken. Bedingt durch den Anpressdruck, den der Dachstromabnehmer auf die Oberleitung ausübt, gerät diese ins Schwingen. Im schlimmsten Fall reißt der Dachstromabnehmer dann die Oberleitung herunter.
Aber auch weit unterhalb dieses Worst-Case-Szenarios drohen Schäden: Wenn die Schwingungswelle des Fahrdrahtes genauso schnell wie die des Zuges ist, verliert der Dachstromabnehmer, auch Pantograph genannt, den Kontakt zur Oberleitung. „Wenn der Kontakt nicht mehr gegeben ist, zieht der Pantograph einen Lichtbogen. Es entsteht unter anderem große Hitze, was zu starkem Verschleiß führt“, erklärt Dr. Alexander Schirrer vom Institut für Mechanik und Mechatronik der TU Wien.
Lichtbögen verursachen teure Schäden
Dieser Lichtbogen kann nicht nur Schäden am Dachstromabnehmer zur Folge haben, sondern auch die Oberleitung beschädigen. Und das ist dann teuer und muss aufwändig repariert werden. Und in dieser Zeit muss der Zugverkehr unterbrochen werden.
Es besteht daher bei den Herstellern der Pantographen und der Schienennetzbetreiber großes Interesse, diese Lichtbögen möglichst zuverlässig zu verhindern. „Einfach die Kraft zu messen, die von der Leitung auf den Pantographen ausgeübt wird, und abhängig davon die Position des Pantographen nachzujustieren, reicht nicht aus“, erklärt Prof. Stefan Jakubek, Leiter der Arbeitsgruppe für Regelungstechnik und Prozessautomatisierung an der TU Wien. „Man braucht ein aktives Regelungssystem, das genau vorhersehen kann, wie sich das System in den nächsten Sekundenbruchteilen verhalten wird und vorausschauend die richtigen Maßnahmen ergreift.“
An der TU Wien entwickeln Ingenieure gemeinsam mit der Firma Melecs neue Stromabnehmer für Hochgeschwindigkeitszüge.
Quelle: TU Wien
Um ein solches aktives Regelungssystem unter realistischen Bedingungen zu testen, hat die Wiener Firma Melecs MMW, die Dachstromabnehmer für Hochgeschwindigkeitszüge herstellt, gemeinsam mit dem Institut für Mechanik und Mechatronik der TU Wien einen leistungsfähigen und hochdynamischen Pantographenprüfstand aufgebaut. „Der Prüfstand erlaubt virtuelle Testfahrten bei hoher Geschwindigkeit unter genau kontrollierten Bedingungen. Für die Entwicklung verlässlicher Pantographen ist das unverzichtbar“, sagt Stefan Jakubek.
Virtuelle Testfahrten im Labor
Der Vorteil: Aufwändige Messfahrten fallen in Zukunft weg, alle Tests und Messungen laufen im Labor ab. „Ein Industrieroboter gibt die Bewegung vor, die dem Verhalten der Oberleitungen bei einer Hochgeschwindigkeitsfahrt entspricht“, erklärt Alexander Schirrer. „Fahrten von 300 oder 400 Km/h können wir damit genau studieren.“ Darunter befindet sich der Pantograph, dessen Bewegung mit Hilfe verschiedener Vorhersagemodelle in Echtzeit geregelt wird.
Bei diesen Tests geht es um eine aktive Steuerung des Dachstromabnehmers und nicht um passives Rütteln am System. Mit Hilfe eines ausgeklügelten Regelungssystems sollen die Schwingungen der Oberleitung zu jeder Sekunde vorhergesagt und die Bewegungen des Pantographen aktiv dazu passend gesteuert werden.
Dafür benötigen die Forscher ein mathematisches Modell, das die Oberleitungen, die Koppelung zwischen ihnen und ihre Wechselwirkung mit dem Pantographen genau beschreibt. „Mit einem nichtlinearen Modell mit vielen Freiheitsgraden können wird das Verhalten des Systems zwar gut verstehen, doch um es direkt in die Steuerung des Pantographen einzubauen, ist es zu kompliziert“, sagt Jakubek. Denn wenn ein Zug mit 300 km/h über die Gleise rauscht, bleibt für aufwändige Computerberechnungen trotzt schneller Rechner keine Zeit. Hier ist es notwendig, dass die Steuerung der Position des Pantographen in Bruchteilen von Sekunden erfolgt.
Die Firma Melecs hat den Prüfstand bezahlt
Das Ziel in diesem Forschungsprojekt ist daher, möglichst einfache Näherungslösungen zu entwickeln, mit denen man die Bewegung des Pantographen und der Oberleitung in Echtzeit anpassen kann. Es sind die vielen Freiheitsgrade des Systems, die die Anforderung an eine solche Näherungslösung ziemlich verkomplizieren. Der Ansatz der Modellierung zielt darauf, aus den Messdaten direkt und zuverlässig eine Differenzengleichung zur Beschreibung der Dynamik der Oberleitung zu identifizieren, ohne die zugrunde liegenden partiellen Differentialgleichungen kennen zu müssen.
Den Aufbau des Versuchstandes hat Melecs bezahlt. Der Hersteller von Stromabnehmern verspricht sich durch die Forschungen an diesem Prüfstand eine höhere Einsatzflexibilität und vor allem natürlich geringere Kosten für ihre Dachstromabnehmer. So hat ein Stromabnehmer-Schleifstück im Pantographen für Hochgeschwindigkeitszüge heute eine Lebensdauer von nur drei Tagen. Das erscheint verbesserungsfähig.
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