1. Einführung in die Straßenbahnbetriebstechnik

Definition:

Eine Straßenbahn ist ein schienengebundenes, normalerweise mit elektrischer Energie betriebenes öffentliches Personennahverkehrsmittel im Stadtverkehr, das den speziellen Bedingungen des Straßenverkehrs angepasst ist. 

Sie wird auch Trambahn (in Österreich), Tramway (aus dem Englischen), bzw. kurz die (Deutschland, Österreich) respektive das (Schweiz) Tram, in Österreich umgangssprachlich auch Bim genannt.

1.1 Stromverlauf

Vom Hochspannungsnetz wird Drehstrom an die Unterwerke geliefert, die im Streckennetz vorhanden sein müssen. Hierbei wird der Drehstrom auf eine niedrigere Spannung transformiert und durch Gleichrichter in Gleichstrom mit einer Netzspannung von 600-800V umgeformt. Dann durchfließt der Strom die Selbstschalter (Streckenautomaten) und gelangt von dort durch Erdkabel zu den Speisepunkten der Fahrleitung. Der Selbstschalter im Gleichrichterunterwerk hat die Aufgabe, den Stromkreis zu unterbrechen, wenn auf dem Weg zu den Überstrom-Selbstschaltern (Wagenautomaten) ein Kurzschluss oder Überstrom auftritt.

Von der Fahrleitung fließt der Strom, sobald der Fahrschalter eingeschaltet wird, über das Kohleschleifstück des Stromabnehmers zum Überstrom-Selbstschalter im Wagen und wird von dort über Fahrschalter, Widerstände bzw. elektronische Bauteile, Motoren, Räder, Schienen und Rückleitungskabel zum Gleichrichterunterwerk zurück.

1.2 Fahrleitung

Sie besteht aus hatrem und leitfähigem Metalldraht und ist in der Regel in einer Höhe von 5,0m bis 5,5m mit Fahrdrahtklemmen an Spanndrähten mehrfach isoliert aufgehängt. Ein gleichmäßiges Abnutzen der Kohlschleifstücke des Stromabnehmers wird dadurch erreicht, dass der Fahrdraht horizontal zickzackförmig verlegt ist. An den Trennstellen der Speisebezirke für die Unterwerke befinden sich Unterbrecher (Streckentrenner).

1.3 Stromabnehmer

Der Stromabnehmer besteht aus einem Gelenk-Rohgestell. Mittels Spannfedern werden Kohleschleifstücke mit einer Anpresskraft von 60-70N (Newton) gegen die Fahrleitung gedrückt. Die Spannfedern gleichen Höhenunterschiede der Fahdrahtführung aus und sorgen für einen guten Stromübergang.

Schäden an den Schleifstücken, z.B. Rillen, können zur Beschädigung der Fahrleitungsanlage führen. Der Stromabnehmer kann vom Fahrer an die Fahrleitung angelegt und abgezogen werden.

1.4 Blitzschutz

Im Stromverlauf vom Stromabnehmer zum Überstrom-Selbstschalter der Fahrzeuge ist eine Blitzschutzeinrichtung vorhanden.

1.5 Überstrom-Selbstschalter

Er ist eine selbsttätige Schutzeinrichtung, mit der nur die im Fahrstromkreis nachgeschalteten elektrischen Einrichtungen geschützt werden. Er ist auf einen bestimmten Höchststrom eingestellt. Wird dieser Höchststrom infolge Überlastung, unsachgemäßem Bedienens des Fahrschalters oder Kurzschluss überschritten, unterbricht der Überstrom-Selbstschalter die Stromzuführung - er löst aus. Bei vollelektrischer Steuerung kann eine Sicherung den Überstromschutz übernehmen.

1.6 Fahrschalter und Sollwertgeber

Sie haben die Aufgabe, den Strom mittels mechanischer oder elektronischer Einrichtungen den Motoren zuzuführen. Bei mechanischer Steuerung stellt der Fahrer mit der Fahrstromeinrichtung (Kurbel, Knüppel, Pedal, u.ä.) die Fahr- und Bremsstufen ein.

Bei elektronischer Steuerung werden die Beschleunigungen und Verzögerungen über einen Sollwertgeber vom Fahrer vorgegeben. Geringe Auslenkung des Sollwertgebers bedeutet geringe Beschleunigung bzw. Verzögerung, große Auslenkung bringt große Beschleunigung bzw. Verzögerung.

Die Fahrstufen sind bei mechanischer oder teilelektronischer Steuerung in zwei Bereiche unterteilt. Im ersten Bereich sind beide Fahrmotoren hintereinander in Reihe (Serienschaltung) geschaltet und jeder Motor erhält nur die halbe Fahrleitungsspannung. Das Fahrzeug erreicht deshalb nur etwa die halbe Endgeschwindigkeit. Im zweiten Bereich sind die Fahrmotoren parallel geschaltet (Parallelschaltung). Sie erhalten die volle Fahrleitungsspannung. Am Ende dieses Bereichs wird die volle Fahrgeschwindigkeit erreicht, in den letzten Fahrstufen durch Shunt-Schaltung (Feldschwächung).

Bei vollelektronischer Steuerung (Gleuchstromstellersteuerung, auch als Choppersteuerung bezeichnet) wird die Energiezuführung zu den Motoren stufenlos geregelt. Hier ersetzen elektronische Bauteile die Funktion der mechanischen Schalteinrichtungen.

Auf der Stellung "Bremsen" wirken die Motoren als Generatoren (Stromerzeuger). Der hierbei erzeugte und nicht verwertbare Strom fließt bei mechanischen oder teilelektronischen Steuerungen in die Widerstände, bei vollelektronischer Steuerung kann der Strom in die Fahrleitung zurückgespeist werden, wenn ein anderer Verbraucher gleichzeitig Strom benötigt (Fahrzeug, Weichenheizung, o.ä.). Mit einer Umschalteinrichtung (Fahrtrichtungsschalter) wird die Fahrtrichtung eingestellt.

1.7 Widerstände

Die Widerstände nehmen bei mechanischer und teilelektronischer Steuerung beim Anfahren den nicht von den Motoren verwertbaren Strom auf. Beim Bremsen nehmen sie den von den Motoren erzeugten Strom auf. Es entsteht Wärme, die zur Beheizung der Fahrzeuge genutzt werden kann. Widerstände werden entweder durch die Außenluft oder durch besondere Gebläse abgekühlt.

Bei vollelektronischer Steuerung werden zum Anfahren keine Widerstände benötigt. Beim Bremsen ist es möglich, den erzeugten Strom in das Fahrleitungsnetz zurück zu speisen und andere benachbarte Fahrzeuge oder Stromverbraucher mit Energie zu versorgen. Widerstände sind aber beim Bremsen noch erforderlich und werden selbsttätig eingeschaltet, wenn im Fahrleitungsnetz keine anderen Verbraucher erreichbar sind.

1.8 Motoren

Der Elektromotor ist eine Maschine, die elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt. Straßenbahnmotoren sind bei älteren Fahrzeugen Gleichstrommotoren (z.B. KT4D, Gotha), bzw. bei den neueren Fahrzeugen werden Drehstrommotoren eingebaut. Unter der Einwirkung der an den Innenseiten des Motorgehäuses fest angebrachten Magnetspulen dreht sich der Anker und gibt seine Kraft über rein Getriebe mit fester Übersetzung an die Räder weiter.

1.9 Bremsen

Straßenbahnwagen müssen mit mehreren Bremssystemen ausgestattet sein. Die BOStrab schreibt im §36 Abs.1 dazu vor:

Fahrzeuge müssen mindestens zwei Bremsen haben. Diese müssen so voneinander unabhängig sein, dass bei Störungen innerhalb der einen Bremse die Wirksamkeit der anderen Bremse erhalten bleibt; ihre Wirksamkeit muss auch bei Ausfall der Fahrleitungsspannung gesichert sein.

1.9.1 Feststellbremse (Federspeicherbremse)

Bei der von Hand betätigten Feststellbremse wird das Bremsgestänge über einen Hebel oder eine Kurbel so angezogen, dass die Bremsbacken oder -klötze angepresst werden.

Bei der Federspeicherbremse wird die Kraft aus einer Feder erzeugt und über das Bremsgestänge auf die Bremsklötze übertragen. Das Lsen der Federspeicherbremse erfolgt pneumatisch, elektrisch (mittels Kleinspannung 24 Volt) oder hydrauisch. Eine Notlösevorrichtung ist vorhanden.

1.9.2 Generatorische Bremse (Betriebsbremse)

Beim Bremsen arbeitet der Motor als Stromerzeuger (Generator). Der Generator ist eine Maschine, die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Nur wenn sich das Fahrzeug in Bewegung befindet und die Räder sich drehen, kann die von den sich drehenden Rädern ausgehende mechanische Energie auf den Anker des Generators übertragen werden. Der hierdurch vom Generator erzeugte Strom wird in den Widerständen bzw. bei vollelektronisher Steuerung dem Fahrleitungsnetz zugeführt. Die für die Stromerzeugung erforderliche Energie wird aus der Bewegungsenergie des Fahrzeugs entnommen. Hierdurch wird das Fahrzeug abgebremst. Der Strom ist umso größer, je höher die Geschwindigkeit ist. Bei niedriger Geschwindigkeit ist somit auch auf den ersten Bremsstufen die Bremswirkung gering.

Mit der generatorischen Bremse kann nicht bis zum Stillstand abgebremst werden. Für diesen Geschwindigkeitsbereich werden daher Federspeicherbremsen, Solenoid-Bremsen sowie Druckluftbremsen verwendet, die auch als sogenannte Haltestellenbremsen eingesetzt werden können.

1.9.3 Solenoid-Bremse (Beiwagen Gotha)

Bei der Solenoid-Bremse wird die Bremskraft in einem Elektromagneten erzeugt. Der Elektromagnet kann vom Generator oder Batteriestrom (Kleinspannungsanlage) gespeist werden. Das Anziehen des Magneten führt über Bremsgestänge zum Anpressen der Bremsbeläge.

Solenoid-Bremsen werden im Normalfall zum Abbremsen von nicht angetriebenen Achsen (z.B. Beiwagen) verwendet.

1.9.4 Schienenbremse

Die Schienenbremse besteht aus metallischen Bremsklötzen, die in ihrem Kern von einer Spule umgeben sind und die an Federn am Untergestell der Fahrzeuge dicht über den Schienen hängen. Beim Einschalten der Schienenbremse wirkt der elektrische Strom in den Spulen der Bremsklötze magnetisierend. Hierdurch werden die Bremsklötze auf den Schienenkopf gezogen. Die Bremskraft wird vom Bremsklotz mechanisch auf das Drehgestell oder Laufwerk und damit auf das Fahrzeug übertragen. Der Strom zur Betätigung der Schienenbremsen wird entweder dem Fahrleitungsnetz (Frischstrom) oder der Wagenbatterie (Kleinspannungsanlage) entnommen.

1.9.5 Bremsauslösungen ohne Einwirken des Fahrers

Alle vorgenannten Bremssysteme werden im Regelfall durch den Fahrer betätigt. Einige von ihnen sind darüber hinaus so ausgelegt, dass sie auch unabhängig vom Fahrer ausgelöst werden können, z.B.:

• Notbremsung durch dern Fahrgast
• Bremsung bei Zugtrennung, soweit vorhanden
• induktive oder magnetische Zugbeeinflussung bei Überschreitung der zulässigen Höchstgeschiwndigkeit oder Vorbeifahrt an Halt zeigendem Signal
• Bremsung durch Auslösung der Fahrüberwachungseinrichtung

1.10 Schleuder- und Gleitschutz

Bei direkter Fahrschaltsteuerung bestimmt der Fahrer durch schnelles oder langsames Schalten von Stufe zu Stufe die Größe des Anfahr- und Bremsstroms und damit auch die Größe der Anfahrzugkraft und der Bremskraft. Schaltet er zu schnell, so können die Räder beim  Anfahren ins Schleudern und beim Bremsen ins Gleien kommen. Bei elektronischer Steurung ist ein Schleuder- und Gleitschutz vorhanden. Bei Auslenkung des Sollwertgebers misst der Fahr-Brems-Regler mit entsprechenden Messfühlern den Strom im Motor. Er vergleicht

• die Soll- und Ist-Werte und schaltet das Schaltwerk stufenweise auf oder ab und
• die Drehzahl zwischen Trieb- und Laufachsen und erkennt dadurch das Schleudern oder Gleiten,

so dass er selbsttätig für Abhilfe sorgen kann, z.B. durch Zurückschalten der Schaltwerks und/oder Sandgabe.

1.11 Sandstreueinrichtung

Die Sandstreueinrichtung besteht aus Vorratsbehältern, aus denen durch Rohre der Sand möglichst kurz vor die Räder der ersten und gegebenenfalls weiteren Achsen auf die Schiene geleitet wird. Das Sandstreuen kann vom Fahrerstand aus entweder durch Betätigung eines besonderen Schalters durch den Fahrer oder automatisch über den Schleuder- und Gleitschutz (Antischlupfreglung) erfolgen.

1.12 Gleisanlagen

Gleisanlagen müssen mit ihren Abmessungen und hinsichtlich der Lage der einzelnen Gleise so gestaltet sein, dass bei den jeweils zulässigen Geschwindigkeiten und Achslasten auch im zulässigen Abnutzungszustand der Bauteile eine sichere Spurführung, größtmögliche Laufruhe und kleinstmögliche Abnutzung erreicht werden.

Es wird grundsätzlich unterschieden zwischen Gleisanlagen mit geschlossenem Oberbau mit in der Fahrbahn liegenden Rillenschienen und Gleisanlagen mit offenem Oberbau, bei dem die Gleise mit rillenlosen Schienen auf besonderem Bahnkörper innerhalb oder außerhalb der Straßenfahrbahn auf Schwellen im Schotterbett liegen.

Um sicher zu fahren, müssen die Weichenzungen anliegen. Weichen können von Hand (mittels Weichenstellvorrichtung oder manuell mittels Weichenstelleisen) oder von einem Stellwerk (Leitstellenrechner auf dem Betriebshof) aus gestellt werden.

Kreuzungen ermöglichen das Kreuzen von Gleisen in der gleichen Ebene.

1.13 Sonstige betrieblichen Einrichtungen

Zur ordnungsgemäßen Betriebsabwicklung gehören weiterhin:

• Fernmeldetechnik (Betriebsfunk, Streckenfernsprecher)
• Signaltechnik
• Kundendiensteinrichtungen (Automaten, Entwerter,Informationseinrichtungen)