der Transformator



©Kai Pagels

In den E10 kamen - erstmals in einer deutschen Ellok-Baureihe serienmäßig Transformatoren mit Hochspannungssteuerung zum Einbau. Der Grund lag darin, dass bei den hohen Anfahrstromstärken ein Niederspannungstrafo sehr große Leitungsquerschnitte beim Schaltwerk erfordert hätte. Er wäre schwerer und teurer sowie im Betrieb unwirtschaftlicher geworden. • Das Schalten der 28 Fahrstufen erfolgte bei den ersten Bauserien vom Handrad der Führerräume mittels einer mechanischelektrischen Nachlauf Steuerung.

 

Vom Hauptschalter gelangt der Strom zum Transformator, dem Kernstück der Ellok. Ein geringer Teil des Stroms wird allerdings vorher für den Fahrdrahtspannungsmesser abgezweigt, der den Lokführer über die aktuelle Fahrdrahtspannung informiert. Der Trafo ist das schwerste Einzelbauteil einer Ellok. Bei der E 10  beträgt seine Masse (inklusive Steuerung) knapp 12 t, was einem Siebtel der Dienstmasse der Lok entspricht. Er wird benötigt, um aus der Fahrdrahtspannung von 15 000 V die benötigte Motorspannung von 50 bis 600 V zu erhalten.In den Loks der E 10 kam erstmals in einer deutschen Ellok-Bauserie he serienmäßig ein Transformator mit Hochspannungssteuerung zum Einbau. Der Grund lag darin, daß bei den hohen Anfahrstromstärken ein Niederspannungstrafo sehr große Leitungsquerschnitte beim Schaltwerk erfordert hätte. Er wäre schwerer und teurer sowie im Betrieb unwirtschaftlicher geworden.Zur Auswahl stand einerseits ein BBC-Hochspannungstrafo, der dem der E 10 002 sowie 004-005 entsprach. Bei ihm waren Stufentrafo und Leistungstrafo übereinander angeordnet. Andererseits bot SSW einen neu entwickelten Trafo an, der in den Loks E 94 270 und 271 zur Erprobung eingebaut war. Dieser Trafo hatte einen dreischenkligen Kern. Die Wicklungen des Stufentrafos waren auf einem Schenkel, die des Leistungstrafos auf einem anderen Schenkel untergebracht. Der dritte Schenkel diente dem magnetischen Rückfluß. Da der SSW-Trafo ein geringeres Gewicht und einen einfacheren Aufbau aufwies, gab man ihm, obwohl er zum Zeitpunkt der Auswahl noch Kinderkrankheiten aufwies (zu geringe Kurzschlußfestigkeit) den Vorzug. Er hat die in ihn gesteckten Erwartungen auch bei der Serienfertigung erfüllt.Die Leistung des SSW-Trafos beträgt 4040 kVA, seine Masse 10290 kg (+ 1500 kg Öl). Als Stufenspannungen stehen 26,3 V, 52,7 V, 79,0 V, 100.6 V, 122,2 V, 143,8 V, 156,3 V,,168,7 V, 181,2 V, 193,7 V, 206,2 V, 218,6 V, 234,4 V, 250,1 V,'265,9 V, 281,6 V, 297.4 V, 316.4 V, 335.5 V, 354,5 V, 373,5 V, 395,1 V, 416,7 V, 438,3 V, 459,9 V, 487,2 V, 514,6 V und 542,0 V zur Verfügung. Zusätzlich können Spannungen von 40,5 V, 121,6 V, 172,2 V und 243,2 V für die Hilfsbetriebe der Lok (max.108 kVA) sowie 800 V und 1000 V (max. 400 kVA) für die Zugheizung abgegriffen werden.Ein Trafo besteht üblicherweise aus einer Primärspule und einer Sekundärspule, die auf einem gemeinsamen Eisenkern sitzen. Die Spannung der Sekundärspule verhält sich zur Spannung der Primärspule wie die Windungszahl der Sekundärspule zur Windungszahl der Primärspule.Um aus einer Primärspannung von 15 000 V eine Sekundärspannung von 500 V zu erreichen, muß also die Primärspule die 30fache Windungszahl besitzen, was bei den Einheits-Elloks etwa der Fall ist.Primärstromstärke und Sekundärstromstärke verhalten sich umgekehrt proportional zu den entsprechenden Windungszahlen. Dies bedeutet, dass o'<- Sekundärstromstärke ungefähr 30 Mal so groß wie die Primärstromstärke ist. Fließt zum Beispiel beim Anfahren einer Ellok ein Strom mit einer Stromstärke von 12 000 A vom Trafo zu den Fahrmotoren, so muss hierfür ein Strom mit einer Stromstärke von 400 A dem Fahrdraht entnommen werden.Da den Fahrmotoren je nach Fahrgeschwindigkeit und benötigter Zugkraft unterschiedliche Spannungen zugeführt werden müssen, muss es möglich sein, die vom Strom durchflossene Windungszahl der Primärspule oder der Sekundärspule zu verändern, um so ein anderes Windungszahlverhältnis zu erhalten. Diese Aufgabe übernimmt die Transformatorsteuerung. Die Steuerung kann dadurch bewerkstelligt werden, dass an der Sekundärspule an verschiedenen Stellen Kontakte angebracht werden, die den Abgriff verschiedener Spannungen erlaubten. Da hierbei die Steuerung an der Seite des Trafos vorgenommen wird, an der die niedrigere Spannung vorliegt, nennt man sie Niederspannungssteuerung. Ihr Vorteil liegt darin, dass wegen der verhältnismäßig kleinen Spannung die spannungsführenden Teile nicht besonders stark gegenüber den spannungslosen isoliert werden müssen. Ihr Nachteil ist darin zu finden, dass die stromführenden Teile sehr .große Ströme leiten müssen und entsprechend stark erwärmt werden. Sie müssen daher möglichst groß dimensioniert sein und werden dadurch schwer. Da bei den Nachkriegselloks größere Leistungen als bei den Vorgängern erreicht werden sollten, musste auch die Sekundärstromstärke hoch ausfallen, was einen sehr schweren Trafo mit Niederspannungssteuerung zur Folge hatte. Solch einen Trafo baute man in die Vorserienloks E 10 001 (AEG) und E 10 003 (SSW) ein. Alle anderen Vorserienloks wurden mit Trafos ausgerüstet, die eine Hochspannungssteuerung von BBC hatten.Ein Transformator mit Hochspannungssteuerung besteht aus zwei Teiltransformatoren. Der erste, der Stufentransformator, liegt an der Fahrdrahtspannung. Von verschiedenen Anzapfungen können verschieden große Spannungen abgegriffen werden, die dem zweiten Trafo, dem Leistungstrafo, zugeführt werden. Bei diesem liegt ein Windungszahlverhältnis von 30 : l vor.Der Vorteil der Hochspannungssteuerung liegt darin, dass beim Schalten auf dieser Seite des Trafos verhältnismäßig geringe Ströme fließen, die Bauteile der Steuerung also nicht so groß sein müssen. Der Nachteil liegt darin, dass man einen zusätzlichen Trafo benötigt.Versuche mit beiden Trafoarten, u.a. mit den verschieden ausgerüsteten E 10-Vorserienloks, zeigten, dass ein Transformator mit Niederspannungssteuerung dann wirtschaftlicher als einer mit Hochspannungssteuerung ist, wenn die Lokleistung unter 3000 kW liegt und/oder die Lok überwiegend mit einer Geschwindigkeit betrieben wird, die unter 60% der Höchstgeschwindigkeit liegt.Die Anzapfungen an den Trafos werden aber nicht nur für den Betrieb der Motoren benötigt, sondern auch für den Betrieb der elektrischen Einrichtungen der Lok (wie z.B. Lüfter, Steuerung, Beleuchtung) und der Zugheizung.
Da jeder Trafo bei der Fahrt von hohen Strömen durchflossen wird, die ihn stark aufheizen, muss er intensiv gekühlt werden. Daher sind bei allen Neubau-Elloks die Trafos in einem geschlossenen Ölkessel untergebracht, wobei das dünnflüssige Öl nicht nur zur Kühlung, sondern auch zur Isolierung dient. Mit Hilfe einer Pumpe wird das warme Öl zu einem Ölkühler gepumpt und kalt zurückgeführt. Um Überdrücke beim Erwärmen des Öls zu vermeiden, sind Ausdehnungsgefäße vorhanden. Ölstandsanzeige und Öltemperaturanzeige dienen der Kontrolle. Die Ölmenge ist beträchtlich. Sie hat je nach Bauart eine Masse zwischen 1,0 und 2,5 t.

 


 

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