407 - die elektrische Ausrüstung

Elektrische Ausrüstung des 407

 
Hochspannungsanlage

Der 407 ist in Mehrsystemzug. Er besitzt die Ausstattung für folgende Systeme:

  • AC 25 kV für Frankreich und Belgien
  • AC 15 kV für Deutschland
  • DC 3 kV für Belgien
  • DC 1,5 kV für Frankreich


Die Hochspannungsanlage besteht im Einzelnen aus

  • Vier AC-Stromabnehmern
  • Zwei DC-Stromabnehmern
  • Überspannungsableiter
  • Energiemesseinrichtung
  • AC/DC-Systemerkennung
  • Zwei AC- und zwei DC-Hauptschaltern
  • Erdungsschalter
  • Trennschalter AC-Dachleitung

 

Ein Netzspannungswandler AC/DC erfasst mit dem ASG und dem ZSG und einem Fühlsystem die anliegende Netzspannung. Bei Übereinstimmung der anliegenden Netzspannung mit dem eingestellten Spannungssystem gibt das ZSG den jeweiligen Hauptschalter frei. Netzspannungs- und Netzstromüberwachung dienen dem ASG dazu im Falle einer Überspannung die passenden Ein- und Ausschaltbefehle in der Hochspannungsanlage auszulösen.

Ein Energiezähler erfasst an den Netzstromwandlern die Energiewerte und speichert diese. 
Verbindungsleitertrennschalter mit elektrischem Antrieb können im Störungsfall die AC-Verbindungsleitung auf dem Dach zwischen den Traktionseinheiten trennen. Somit ist es auch möglich, eine fehlerhafte komplette Anlage von der intakten Anlage zu trennen.

 

Hauptschalter und Erdung
Der Hauptschalter stellt die Verbindung zwischen Stromabnehmer und Hochspannungsanlage her. Die Hauptschalter AC sind für den Betrieb mit 15 und 25 kV ausgelegt. Sie sind als Vakuum-Hauptschalter ausgeführt. Die Ansteuerung erfolgt durch die ZSG, diese überwachen die Hauptschalter auch mit Hilfe von Rückmeldekontakten auf ihre Stellung. Der Hauptschalter wird erst eingeschaltet, wenn eine ausreichende Fahrleitungsspannung vorhanden und der richtige Stromabnehmer gehoben ist. Der DC-Hauptschalter ist ein Schnellschalter für beide DC-Netzspannungen mit 1,5 kV und 3 kV.
 
Zweipolige Erdungsschalter parallel zu den Hauptschaltern ermöglichen das Sicherstellen der Spannungsfreiheit zum Beispiel bei Instandhaltungsarbeiten oder in besonderen betrieblichen Situationen. Mit ihnen kann die Hochspannungsanlage durch den Tf oder die Werkstatt geerdet werden. Die Erdungsschalter der AC-Hauptschalter sind elektrisch angetrieben, die Erdungsschalter der DC-Hauptschalter elektropneumatisch.

 

Systemerkennung
Im AC-Betrieb ist jeder Stromabnehmer zwischen Stromabnehmer und Hauptschalter mit einer Systemerkennung ausgestattet. Diese vergleicht die vorhandene Oberleitungsspannung mit der gewählten Spannung im Triebzug und gibt den jeweiligen Hauptschalter frei. Die Signale werden vom ZSG verarbeitet. Zwei Stromwandler am Trafo an der Primärseite dienen dem ZSG zum Überwachen. Bei einer Differenz in den Strommesswerten werden die Hauptschalter geöffnet.
Im DC-Betrieb sind zwischen Hauptschalter und Rückleitung des Stromrichters Stromwandler verbaut. Die Stromaufnahme wird auch hier vom ZSG überwacht. Im Störungsfall werden die Hauptschalter geöffnet.

 

Antriebsanlage
Für den AC- und DC-Betrieb sind unterschiedliche Hochspannungsanlagen installiert. Im AC-Betrieb werden die Traktionsumrichter vom Trafo versorgt. Die zulässige Geschwindigkeit beträgt hier 320 km/h. Im DC-Betrieb werden die Stromrichter über Netzfilter direkt von der Oberleitungsspannung versorgt. Somit ist eine Höchstgeschwindigkeit von 220 km/h möglich. Insgesamt gibt es vier Antriebsanlagen in einem Triebzug, zwei pro Traktionseinheit.

Vom gehobenen DB-Stromabnehmer gelangt die Fahrdrahtspannung über einen Stromabnehmer-Trennschalter zum eigenen Hauptschalter. Über die Hochspannungsdachleitung gelangt die Fahrdrahtspannung dann weiter zum Transformator der eigenen Traktionseinheit. Über zwei Dachleitungstrenner gelangt die Spannung dann weiter in den Transformator der anderen Traktionseinheit. Der 25 kV-Betrieb ist identisch.

 

Transformator
Ein Trafo hat eine etwa Nennleistung von 4.800 kVA. Der Trafo ist jeweils in den Trafowagen unterflur angebracht. ER ist als Einphasentrafo für AC 15/25 kV ausgeführt. Er besitzt eine Primär- und sechs Sekundärwicklungen. Der Trafo dient dazu, die Oberleitungsspannung auf ein für Traktionsumrichter geeignetes Niveau zu reduzieren.
 
Der Aktivteil des Trafos besteht aus einem Eisenkern und den Wicklungen. Sie sind in einem Aluminiumkessel untergebracht. Als Isolation und Kühlung dient Ester, welches den Aluminiumkessel füllt. Zwei Umwälzpumpen fördern das Kühlmittel vom Trafokessel zur Kühlanlage. Diese besteht aus Wärmetauschern und polumschaltbaren Lüftern.

Die Sekundärwicklungen des Trafos teilen sich auf in vier Wicklungen, die als Traktionswicklungen zur Versorgung der Antriebsanlagen (Traktionsumrichter, Fahrmotoren und EVB) dienen. Die anderen beiden Sekundärwicklungen dienen als Filterwicklungen.

 

Traktionsumrichter
Die Traktionsumrichter sind in IGBT-Technik (Insulated-Gate Bipolar Transistor) aufgebaut und wassergekühlt. Er besteht aus zwei 4 QS AC, Zwischenkreis mit Saugkreis für DC, WB- und MUB-Steller, zwei Pulswechselrichtern sowie Zwischen- und Saugkreiskondensatoren, Schaltern, Messwandlern und dem ASG. Ein Stromrichter versorgt vier Fahrmotoren je angetriebenen Wagen, also Drehgestellweise. Neben dem Stromrichter befindet sich die Kühlanlage mit zwei elektrisch angetriebenen Lüftern. Hier ist auch die Drosselkombination untergebracht. Der Traktionszwischenkreis stellt auch die Eingangsspannung für die Energieversorgungsblöcke (EVB) zur Verfügung.
 
Im AC-Betrieb wird im 4-Quadrantensteller (4 QS) die Eingangswechselspannung in eine gepulste Gleichspannung umgerichtet. Zwischenkreiskondensatoren puffern und glätten diese. Die Pulswechselrichter formen dann die Zwischenkreisspannung in eine 3-phasige Wechselspannung um. Diese dient zur Speisung der Fahrmotoren. Im DC-Betrieb erfolgt über die DC-Netzfilter eine direkte Einspeisung in den Traktionszwischenkreis.
 
MUB-Widerstände sind Spannungsbegrenzungswiderstände, die zum Schutz des Stromrichters bei Überspannungen dienen. Sie dienen auch zum Entladen des Traktionszwischenkreises im Fehlerfall. Er ist unterflur im Fortluftgerüst der End-/Stromrichterwagen untergebracht. 
Die WB-Steller sind an den Zwischenkreis angeschlossen. Dieser wandelt die Zwischenkreisspannung in eine Erregerspannung für die WB-Magnete um.

 

Antrieb
Der Antrieb besteht aus den Komponenten Antriebsmotor, einstufiges Getriebe und Bogenzahnkupplung. Der Antrieb setzt die gelieferte Energie aus den Traktionsumrichtern in Vortrieb um. Auch wird die elektrische Energie beim generatorischen Bremsen hierüber in die Oberleitung zurück gespeist. Zwei Antriebe pro Drehgestell werden Drehgestellweise von einem Pulswechselrichter versorgt. Das Getriebe übersetzt die höhere Motordrehzahl auf die Höchstgeschwindigkeit passende Drehzahl des Radsatzes. Es ist direkt auf der Radsatzwelle montiert. Die Bogenzahnkupplung stellt die gleichmäßige Übertragung des Drehmoments sicher und entkoppelt den Motor von Relativbewegungen des Radsatzes.

 

Fahrmotor
Der Fahrmotor hat eine Nennleistung von 510 kW. Er ist ein dreiphasiger Asynchronmotor mit Kurzschlussläufer. Die Kühlung erfolgt hierbei durch Fahrmotorlüfter je zwei Fahrmotoren pro Drehgestell. Der Fahrmotor ist hochwertig durch eine Vakuumimprägnierung durch äußere Einflüsse isoliert. Weiterhin wird er durch Drehzahlgeber, Temperatur- und Lagersensoren überwacht.

 

Bordnetz
In einem 407 befinden sich insgesamt vier Energieversorgungsblöcke (EVB). Sie sind an die Zwischenkreise der Traktionsumrichter angeschlosse. So können die EVB auch bei Ausfall der Oberleitungsspannung durch die generatorische Bremse der Fahrmotoren versorgt werden. Alle EVB sind in IGBT-Technik aufgebaut. Die EVB speisen synchron auf eine 3 AC 440 V 60 Hz-Schiene. Durch diese Schiene werden Großverbraucher wie zum Beispiel Klimaanlagen, Luftbresser und Hilfsbetriebe versorgt. Fällt ein EVB aus, so übernehmen die verbliebenen EVB die Versorgung des Drehstromnetzes weiter.
 

In den Mittelwagen 04 und 05 ist jeweils ein Batterieladegerät verbaut. Durch dieses werden die Batterien und das DC 110 V versorgt. Batteriedrehrichter stellen außerdem die Spannung für beispielsweise die Steckdosen im Fahrgastraum zur Verfügung. In allen Wagen (außer dem Stromrichterwagen 03) wurden Einphasentrafos verbaut, die die Nebenheizungen versorgen.

Über die DC 110 V werden Fahrzeugsteuerungen sowie Beleuchtungen versorgt. Ein Batterieladegerät oder eine Batterie kann alle 110 V-Verbraucher versorgen. Bei Ausfall der Spannungsversorgung wird ein Abschaltprofil aktiviert, das in – je nach Batterieladung - zeitabhängiger und Reihenfolge verschiedene Verbraucher nach und nach abschaltet.

Das Abschaltprofil sieht vor: 
Nach 0 Minuten werden erste Galley-Verbraucher abgeschaltet sowie die Steckdosen im Fahrgastraum. 
Nach 10 Minuten wird die Hauptbeleuchtung ausgeschaltet sowie die Drehgestellüberwachung und die Antriebssteuerung. 
Nach 15 Minuten werden die restlichen Galley-Verbraucher sowie WLAN, FIS-Anzeigen und Repeater abgeschaltet. 
Nach etwa 120 Minuten folgen die Klimaanlagen inklusive Notbelüftung.
 

Die wichtigsten Systeme werden bei Ausfall der Batterieladung jedoch für mindestens 180 Minuten aufrecht erhalten. Dazu zählen Notbeleuchtung, Belüftungssystem, Durchsage- und Kommunikationssystem.

Im gesamten Zug ist eine Batteriekapazität von 840 Ah vorhanden zu jeweils zwei Containern zu je 2x210 Ah. Mittels 670 V Fremdeinspeisungsanschlüssen kann der Triebzug auch bei tiefenentladener Batterie aufgerüstet oder in der Instandhaltung angeschlossen werden.

Insgesamt stellt das Bordnetz folgende Spannungen zur Verfügung:

  • DC 110 V
  • 3 AC 400 V 50 Hz
  • 3 AC 440 V 60 Hz
  • 1 AC 230 V 60 Hz

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