Stadtbahnstromversorgungen von A bis Z
30.09.2022
Eine Stadtbahn (Light Rail Transit, LRT) ist eine Form des städtischen Personennahverkehrs, welche die Eigenschaften einer Straßenbahn und einer Schnellbahn kombiniert. Während das rolling stock einer Straßenbahn ähnlicher ist als einer traditionellen Eisenbahn, fährt eine LRT mit einer höheren Kapazität und Geschwindigkeit als eine Straßenbahn und oft auf einer eigenen Strecke. In den Vereinigten Staaten verkehren Stadtbahnen in erster Linie auf getrennten Strecken und verwenden entweder einzelne Straßenbahnwagen oder Triebwagen, die zu einem Zug gekoppelt sind, der mehr als eine Straßenbahn bietet, aber eine geringere Kapazität und eine niedrigere Geschwindigkeit als ein langer Personenzug oder ein Schnellbahnsystem hat.
In vielen Städten ähneln Stadtbahnsysteme den traditionellen unterirdischen oder ebenerdigen U-Bahnen und Heavy-Rail-Metros. In anderen Systemen kann ein Stadtbahnnetz auf den Straßen der Stadt fahren und den Platz mit dem Autoverkehr teilen.
Ein Netz von Oberleitungen kann unansehnlich sein, insbesondere in historischen Städten. Daher beziehen einige Systeme ihren Strom von einer bodennahen Stromversorgung oder APS (Alimentation Par le Sol). Die gebräuchlichste Variante einer APS nutzt eine unterirdische dritte Schiene, die zwischen den Schienen im Boden verlegt wird, um die Züge mit Strom zu versorgen. Für zusätzliche Sicherheit wird das Segment unter dem Zug automatisch unter Strom gesetzt, wenn eine herannahende LRT erkannt wird. Die Technologie wurde 2003 in Bordeaux, Frankreich, erstmals eingeführt. In jüngerer Zeit wurden APS auch in anderen französischen Städten sowie in Brasilien, Ecuador, Australien und Dubai in Betrieb genommen.
Zu den alternativen Methoden der Stromversorgung gehören die induktive Energieübertragung mit unter den Schienen verlegten Spulen und Straßenbahnen mit eingebauten Energiespeichersystemen. Diese Systeme können Superkondensatoren oder Batterien verschiedener Typen enthalten und laden sich während der Haltestellen auf, wie z.B. die MetroCentro in Sevilla, Spanien.
Viele Städte haben APS- oder superkondensatorbetriebene innerstädtische Stadtbahnsysteme eingeführt, um unansehnliche Oberleitungen in historischen Stadtzentren zu vermeiden, von Angers in Frankreich bis Zaragoza in Spanien (das A-Z im Titel).
Warum AC anstelle von DC? Eine AC-Versorgung macht einen sperrigen, schweren Transformator überflüssig, wodurch die Straßenbahn viel leichter wird und einen niedrigen Boden hat, was ein großer Vorteil ist, wenn die Fahrgäste von der Straße aus ein- und aussteigen müssen. Der DC des Oberleitungsstromabnehmers kann direkt in die Hauptstromleitung eingespeist werden, um die Motoren, Nebenaggregate usw. zu betreiben. Die DC-Versorgung erfolgt in der Regel über eine Reihe von Umspannwerken, die entlang der Strecke verteilt sind und eine Leistung zwischen 1,5 und 5,5MW liefern. Diese Umspannwerke werden mit AC aus dem Netz gespeist, dessen Spannung typischerweise zwischen 15kV und 25kV liegt, und wandeln diesen Strom mithilfe von streckenseitigen Transformatoren und Gleichrichtersystemen in DC um.
Die Entwicklung einer stabilen Stromversorgungslösung für Stadtbahnen ist mit erheblichen Herausforderungen verbunden. Der dynamische Stromverbrauch der einzelnen Züge variiert je nach Betriebszustand, und ein typisches Stadtbahnstromversorgungssystem muss zahlreiche Züge versorgen können. Ein Zug kann auch als Stromquelle fungieren: Wie bei einem Elektrofahrzeug kann der Fahrmotor des Zuges genutzt werden, um beim Abbremsen oder Anhalten Energie zu erzeugen, die dann in Strom umgewandelt und anderweitig verwendet werden kann. Zwei Optionen für die Wiederverwendung sind die Rückspeisung der Energie in die DC-Hochspannungsquelle oder das Auffangen der überschüssigen Energie in einem streckenseitigen Energiespeichersystem (ESS). Das ESS kann die Energie in Batterien, Superkondensatoren oder sogar in einem Schwungrad speichern.
Die Oberleitung hat einen Widerstand, der zwar gering, aber nicht gleich Null ist. Deswegen hängt die DC-Spannung an der Oberleitung von der Entfernung zum Umspannwerk und dem Strom ab, der in der Leitung fließt. Der Planer des Stromnetzes muss sicherstellen, dass das System unter den ungünstigsten Bedingungen über genügend Stromerzeugungskapazität verfügt. Optimale Standorte für Umspannwerke werden in der Regel mithilfe eines Computermodells ermittelt, das den geplanten Stadtbahnbetrieb entlang einer genauen Beschreibung der geplanten Strecke simuliert. Die Simulation bewertet auch die Leistung im Falle einer Beeinträchtigung des Stromverteilungssystems, z.B. wenn ein Umspannwerk vom Netz geht.
Die Anforderungen der Normen EN51055 und EN50163 übersteigen bei weitem die Möglichkeiten, die modulare DC/DC-Wandler von der Stange für die Industrie bieten. Doch es gibt Hilfe - RECOM ist auf kundenspezifische Lösungen für Anwendungen an Bord und auf der Strecke spezialisiert, die die Anforderungen der EN50155 und EN50163 für Stromversorgungen im Nahverkehr erfüllen. Unsere Stromversorgungsprodukte für den Nahverkehr umfassen DC/DC-Wandler, AC/DC-Stromversorgungen, bidirektionale und DC/AC-Wandler.
Abb. 1: SD3206 Block Diagram
Das SD3206 von RECOM beispielsweise ist ein Semi Custom digitales "Plug-and-Play"-Batterieladegerät mit 3,2kW, das mit einer Eingangsspannung von 480-630V DC betrieben werden kann, um einen 24V-28VDC-Akkupack oder Superkondensator mit bis zu 100A schnell zu laden. Der hocheffiziente Konverter (95-96%) benötigt nur eine Fläche von 470 x 213 x 80mm, so dass er problemlos unter dem Boden oder im Dach des Zuges montiert werden kann.
Das SD3206 integriert die von der EN50155 geforderten Funktionen: Verpolungsschutz, EMV- und Überspannungsfilterung, Einschaltstrombegrenzung und Ausgangsstromaufteilung in einem Gerät. Diese Funktionen müssten andernfalls durch zusätzliche externe Komponenten erreicht werden. Die Steuerung kann analog (Vout-Programmierung, Remote ON/OFF) oder digital über RS485 erfolgen. Die Stromversorgung erfüllt alle relevanten Umweltstandards für leitungsgebundene und abgestrahlte EMI, mechanische Schocks und Vibrationen, thermische Schocks, Temperaturwechsel und Feuerschutz.
Die RECOM-Schwestergesellschaft PCS verfügt über langjährige Erfahrung in der Entwicklung von Stromversorgungen für Bahn- und LRT-Anwendungen, die den Anforderungen der EN51055 entsprechen. Dazu gehören auch Onboard-Batterieladegeräte mit einer Leistung von bis zu 18kW für die Schnellladung großer Batteriepakete.
Grundlagen der Stadtbahnstromversorgung
Die meisten Stadt- und Straßenbahnsysteme erhalten ihren Strom von Oberleitungsanlagen. Typische Spannungen liegen zwischen 600V-750V DC, wobei neuere Installationen zu höheren Spannungen tendieren. Diese Spannungen sind niedriger als bei den traditionellen elektrifizierten Eisenbahnen, die viel höhere AC-Spannungen bis zu 25kV verwenden.Ein Netz von Oberleitungen kann unansehnlich sein, insbesondere in historischen Städten. Daher beziehen einige Systeme ihren Strom von einer bodennahen Stromversorgung oder APS (Alimentation Par le Sol). Die gebräuchlichste Variante einer APS nutzt eine unterirdische dritte Schiene, die zwischen den Schienen im Boden verlegt wird, um die Züge mit Strom zu versorgen. Für zusätzliche Sicherheit wird das Segment unter dem Zug automatisch unter Strom gesetzt, wenn eine herannahende LRT erkannt wird. Die Technologie wurde 2003 in Bordeaux, Frankreich, erstmals eingeführt. In jüngerer Zeit wurden APS auch in anderen französischen Städten sowie in Brasilien, Ecuador, Australien und Dubai in Betrieb genommen.
Zu den alternativen Methoden der Stromversorgung gehören die induktive Energieübertragung mit unter den Schienen verlegten Spulen und Straßenbahnen mit eingebauten Energiespeichersystemen. Diese Systeme können Superkondensatoren oder Batterien verschiedener Typen enthalten und laden sich während der Haltestellen auf, wie z.B. die MetroCentro in Sevilla, Spanien.
Viele Städte haben APS- oder superkondensatorbetriebene innerstädtische Stadtbahnsysteme eingeführt, um unansehnliche Oberleitungen in historischen Stadtzentren zu vermeiden, von Angers in Frankreich bis Zaragoza in Spanien (das A-Z im Titel).
Warum AC anstelle von DC? Eine AC-Versorgung macht einen sperrigen, schweren Transformator überflüssig, wodurch die Straßenbahn viel leichter wird und einen niedrigen Boden hat, was ein großer Vorteil ist, wenn die Fahrgäste von der Straße aus ein- und aussteigen müssen. Der DC des Oberleitungsstromabnehmers kann direkt in die Hauptstromleitung eingespeist werden, um die Motoren, Nebenaggregate usw. zu betreiben. Die DC-Versorgung erfolgt in der Regel über eine Reihe von Umspannwerken, die entlang der Strecke verteilt sind und eine Leistung zwischen 1,5 und 5,5MW liefern. Diese Umspannwerke werden mit AC aus dem Netz gespeist, dessen Spannung typischerweise zwischen 15kV und 25kV liegt, und wandeln diesen Strom mithilfe von streckenseitigen Transformatoren und Gleichrichtersystemen in DC um.
Die Entwicklung einer stabilen Stromversorgungslösung für Stadtbahnen ist mit erheblichen Herausforderungen verbunden. Der dynamische Stromverbrauch der einzelnen Züge variiert je nach Betriebszustand, und ein typisches Stadtbahnstromversorgungssystem muss zahlreiche Züge versorgen können. Ein Zug kann auch als Stromquelle fungieren: Wie bei einem Elektrofahrzeug kann der Fahrmotor des Zuges genutzt werden, um beim Abbremsen oder Anhalten Energie zu erzeugen, die dann in Strom umgewandelt und anderweitig verwendet werden kann. Zwei Optionen für die Wiederverwendung sind die Rückspeisung der Energie in die DC-Hochspannungsquelle oder das Auffangen der überschüssigen Energie in einem streckenseitigen Energiespeichersystem (ESS). Das ESS kann die Energie in Batterien, Superkondensatoren oder sogar in einem Schwungrad speichern.
Die Oberleitung hat einen Widerstand, der zwar gering, aber nicht gleich Null ist. Deswegen hängt die DC-Spannung an der Oberleitung von der Entfernung zum Umspannwerk und dem Strom ab, der in der Leitung fließt. Der Planer des Stromnetzes muss sicherstellen, dass das System unter den ungünstigsten Bedingungen über genügend Stromerzeugungskapazität verfügt. Optimale Standorte für Umspannwerke werden in der Regel mithilfe eines Computermodells ermittelt, das den geplanten Stadtbahnbetrieb entlang einer genauen Beschreibung der geplanten Strecke simuliert. Die Simulation bewertet auch die Leistung im Falle einer Beeinträchtigung des Stromverteilungssystems, z.B. wenn ein Umspannwerk vom Netz geht.
LRT-Stromversorgungen: Fragen Sie RECOM!
Wie ihre Pendants im Heavy Rail müssen sowohl die streckenseitigen als auch die fahrzeugseitigen Stromversorgungssysteme für Stadtbahnen strenge technische und leistungsbezogene Anforderungen sowie Bahnnormen wie EN 51055 und EN 50163 erfüllen. EN50155 legt die Mindestanforderungen an die elektrische und mechanische Betriebsumgebung sowie an die Zuverlässigkeit und die erwartete Nutzungsdauer der Geräte fest, während EN50163 die wichtigsten Merkmale der Versorgungsspannungen von Traktionssystemen, einschließlich LRT, spezifiziert. Bei einer nominalen Oberleitungsspannung von 750V DC müssen alle Systeme beispielsweise 500-900V kontinuierlich, 1.000V für 5 Minuten und 1.270-1.000V auf einer geraden Linie für eine Dauer von 20ms bis 1s standhalten.Die Anforderungen der Normen EN51055 und EN50163 übersteigen bei weitem die Möglichkeiten, die modulare DC/DC-Wandler von der Stange für die Industrie bieten. Doch es gibt Hilfe - RECOM ist auf kundenspezifische Lösungen für Anwendungen an Bord und auf der Strecke spezialisiert, die die Anforderungen der EN50155 und EN50163 für Stromversorgungen im Nahverkehr erfüllen. Unsere Stromversorgungsprodukte für den Nahverkehr umfassen DC/DC-Wandler, AC/DC-Stromversorgungen, bidirektionale und DC/AC-Wandler.
Abb. 1: SD3206 Block Diagram
Das SD3206 integriert die von der EN50155 geforderten Funktionen: Verpolungsschutz, EMV- und Überspannungsfilterung, Einschaltstrombegrenzung und Ausgangsstromaufteilung in einem Gerät. Diese Funktionen müssten andernfalls durch zusätzliche externe Komponenten erreicht werden. Die Steuerung kann analog (Vout-Programmierung, Remote ON/OFF) oder digital über RS485 erfolgen. Die Stromversorgung erfüllt alle relevanten Umweltstandards für leitungsgebundene und abgestrahlte EMI, mechanische Schocks und Vibrationen, thermische Schocks, Temperaturwechsel und Feuerschutz.
Die RECOM-Schwestergesellschaft PCS verfügt über langjährige Erfahrung in der Entwicklung von Stromversorgungen für Bahn- und LRT-Anwendungen, die den Anforderungen der EN51055 entsprechen. Dazu gehören auch Onboard-Batterieladegeräte mit einer Leistung von bis zu 18kW für die Schnellladung großer Batteriepakete.
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