Dynamische Bremsung

Dynamisches Bremsen bezeichnet den Einsatz eines elektrischen Fahrmotors als Generator beim Abbremsen eines Fahrzeugs, beispielsweise einer Elektro- oder dieselelektrischen Lokomotive . Man spricht von „ rheostatischem “ Bremsen, wenn die erzeugte elektrische Energie in Bremswiderständen als Wärme abgeführt wird , und von „ regenerativem “ Bremsen , wenn die Energie ins Stromnetz zurückgespeist wird. Dynamisches Bremsen reduziert den Verschleiß reibungsbasierter Bremskomponenten, und die Rekuperation senkt den Nettoenergieverbrauch. Dynamisches Bremsen kann auch bei Triebwagen , Stadtbahnen , Straßenbahnen , Oberleitungsbussen sowie Elektro- und Hybridfahrzeugen eingesetzt werden .

Die Umwandlung elektrischer Energie in die mechanische Energie einer rotierenden Welle (Elektromotor) ist der umgekehrte Vorgang der Umwandlung mechanischer Energie einer rotierenden Welle in elektrische Energie (Generator). Beide Vorgänge erfolgen durch die Wechselwirkung der Ankerwicklungen mit einem (relativ) bewegten externen Magnetfeld. Der Anker ist dabei mit einem Stromkreis verbunden, der entweder eine Stromversorgung (Motor) oder einen Leistungsempfänger (Generator) besitzt. Da die Funktion des Geräts zur Umwandlung elektrischer/mechanischer Energie davon abhängt, welche Schnittstelle (mechanisch oder elektrisch) Energie liefert oder aufnimmt, kann dasselbe Gerät sowohl als Motor als auch als Generator fungieren. Bei der dynamischen Bremsung wird der Fahrmotor in den Generatorbetrieb geschaltet, indem vom Versorgungs- auf den Leistungsempfängerstromkreis umgeschaltet wird, während gleichzeitig Strom an die Feldspulen angelegt wird , die das Magnetfeld erzeugen ( Erregung ).

Der Widerstand an der rotierenden Welle (Bremsleistung) entspricht der erzeugten elektrischen Leistung zuzüglich eines Wirkungsgradverlusts. Dieser ist wiederum proportional zur Stärke des Magnetfelds, die durch den Strom in den Feldspulen gesteuert wird, und zur Geschwindigkeit, mit der sich Anker und Magnetfeld gegeneinander drehen. Letztere wird durch die Radrotation und das Verhältnis von Antriebswellen- zu Radrotation bestimmt. Die Bremsleistung wird durch die Variation der Magnetfeldstärke mittels des Stroms in den Feldspulen gesteuert. Da die erzeugte elektrische Leistung und damit auch die Bremsleistung proportional zur Drehzahl der Antriebswelle sind, ist ein stärkeres Magnetfeld erforderlich, um die Bremsleistung bei sinkender Drehzahl aufrechtzuerhalten. Zudem gibt es eine untere Grenze, ab der dynamisches Bremsen wirksam ist, abhängig vom verfügbaren Strom in den Feldspulen.

Die beiden wichtigsten Methoden zur Nutzung der beim dynamischen Bremsen erzeugten Elektrizität sind das rheostatische Bremsen und das regenerative Bremsen, wie nachfolgend beschrieben.

Bei Permanentmagnetmotoren lässt sich dynamisches Bremsen einfach durch Kurzschließen der Motorklemmen erreichen, wodurch der Motor abrupt zum Stillstand kommt. Diese Methode führt jedoch dazu, dass die gesamte Energie im Motor selbst als Wärme abgeführt wird und ist daher aufgrund von Kühlungsbeschränkungen nur für Anwendungen mit geringer Leistung und intermittierendem Betrieb, wie beispielsweise in Akku-Werkzeugen, geeignet. Für Traktionsanwendungen ist sie nicht anwendbar.

Die von den Motoren erzeugte elektrische Energie wird über eine Gruppe von integrierten Widerständen , das sogenannte Bremsgitter , in Wärme umgewandelt . Große Lüfter sind erforderlich, um die Widerstände vor Beschädigung zu schützen. Moderne Systeme verfügen über eine Temperaturüberwachung. Wird die Temperatur des Bremsgitters zu hoch, schaltet es sich ab, und die Bremswirkung beruht wieder ausschließlich auf Reibung .

In elektrifizierten Systemen wird die regenerative Bremsung eingesetzt. Dabei wird der beim Bremsen erzeugte Strom in das Stromversorgungssystem zurückgespeist und von anderen Antriebseinheiten genutzt, anstatt als Wärme verloren zu gehen. Üblicherweise werden in elektrifizierten Systemen sowohl regenerative als auch widerstandsbasierte Bremsung eingesetzt. Ist das Stromversorgungssystem nicht aufnahmefähig , d. h. kann es den Strom nicht aufnehmen, schaltet das System automatisch in den widerstandsbasierten Modus, um die Bremswirkung zu erzielen.

Rangierlokomotiven mit integrierten Energiespeichersystemen, die einen Teil der sonst als Wärme verlorenen Energie zurückgewinnen, sind nun verfügbar. Das Modell „ Green Goat“ wird beispielsweise von der Canadian Pacific Railway , der BNSF Railway , der Kansas City Southern Railway und der Union Pacific Railroad eingesetzt .

Bei modernen Personenzuglokomotiven mit Wechselrichtern , die Züge mit ausreichendem Oberleitungsbedarf ziehen , kann die Bremsenergie zur Versorgung der Bordsysteme über regenerative Bremsung genutzt werden, falls das Oberleitungssystem nicht empfangsbereit ist oder die Strecke gar nicht elektrifiziert ist. Der Oberleitungsbedarf moderner Personenzüge ist so hoch, dass einige neue Elektrolokomotiven wie die ALP-46 ohne die herkömmlichen Widerstandsgitter konstruiert wurden.

Die dynamische Bremsung allein reicht nicht aus, um eine Lokomotive anzuhalten, da ihre Bremswirkung unterhalb von etwa 16 bis 19 km/h (10 bis 12 mph) rasch nachlässt. Daher wird sie stets in Kombination mit einer anderen Bremsart, beispielsweise einer Druckluftbremse , eingesetzt . Die gleichzeitige Nutzung beider Bremssysteme wird als kombinierte Bremsung bezeichnet . ^{[ 1 ]} Lithium-Ionen- Batterien werden ebenfalls zur Energiespeicherung für das vollständige Anhalten von Zügen verwendet. ^{[ 2 ]}

Obwohl die kombinierte Bremsung dynamische und pneumatische Bremsung kombiniert, ist die resultierende Bremskraft so ausgelegt, dass sie der Bremskraft der reinen pneumatischen Bremsung entspricht. Dies wird erreicht, indem der Anteil der dynamischen Bremsung maximiert und der Anteil der pneumatischen Bremsung automatisch geregelt wird, da die dynamische Bremsung primär dazu dient, den Bedarf an pneumatischer Bremskraft zu reduzieren. Dadurch wird Druckluft gespart und das Risiko überhitzter Räder minimiert. Der Lokomotivhersteller Electro-Motive Diesel (EMD) schätzt, dass die dynamische Bremsung bei kombinierter Bremsung 50 bis 70 % der Bremskraft liefert.

Eine dritte Methode der elektrischen Bremsung ist die sogenannte „Stop-Brake“ oder „Stop-Brake“, bei der kurzzeitig ein entgegengesetztes Drehmoment angelegt wird. Sie ist die schnellste Form der elektrischen Bremsung, hat aber den Nachteil, dass sie Motoren und mechanische Bauteile kurzzeitig stark beansprucht. Die Bremswirkung ist typischerweise abrupt und ruckartig ^{[ 3 ]} , vergleichbar mit einem kurzen Anlauf in Vorwärtsrichtung. Stop-Brake wird daher nicht in elektrischen Traktionsanwendungen eingesetzt. Dennoch findet sie breite Anwendung in Bereichen wie Lang- und Querfahrtantrieben von Gleich- und Wechselstrom- Laufkranen ; die Hubantriebe solcher Krane nutzen üblicherweise eine Widerstandsbremse. Wendeantriebe mit (gewollter) Stop-Brake verwenden typischerweise eine Widerstandsregelung zur Beschleunigung und verfügen bei Stop-Brake stets über einen Widerstand im Motorstromkreis, um das entgegengesetzte (Brems-)Drehmoment zu begrenzen. Stop-Brake wird üblicherweise durch kurzes Bewegen des Reglers auf die erste Stufe der entgegengesetzten Richtung und anschließendes Zurückstellen in die Aus-Position erreicht. Nach Erreichen der Stillstandsdrehzahl muss das Abschalten beendet werden, um einen Rückwärtslauf des Antriebs zu verhindern. Diese Funktion kann automatisch durch ein Abschaltrelais realisiert werden. Das Abschalten ist für frequenzumrichtergesteuerte Antriebe ungeeignet; es wird immer seltener angewendet und im modernen Kranbetrieb aktiv vermieden. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

Die Bremsgitter können als eine Art Dynamometer oder Lastbank genutzt werden , um einen Eigenlasttest der Leistungsabgabe einer Lokomotive durchzuführen. Bei stehender Lokomotive wird der Ausgang des Hauptgenerators (MG) anstelle der Fahrmotoren an die Gitter angeschlossen. Die Gitter sind üblicherweise so dimensioniert, dass sie die volle Motorleistung aufnehmen können, die aus der Spannung und dem Strom des Hauptgenerators berechnet wird.

Diesellokomotiven mit hydraulischem Getriebe können mit einer hydrodynamischen Bremse ausgestattet sein. In diesem Fall wirkt der Drehmomentwandler bzw. die Hydraulikkupplung wie eine Wasserbremse . Die Bremsenergie erhitzt die Hydraulikflüssigkeit , und die Wärme wird über einen Wärmetauscher an den Motorkühler abgeführt. Da der Motor während des Bremsvorgangs im Leerlauf läuft und nur wenig Wärme erzeugt, wird der Kühler nicht überlastet.

• Gegendruckbremse
• Verzögerungseinrichtung (Maschinenbau)
• Wirbelstrombremse

• Gemischtes Bremsen (Archiviert am 04.03.2016 im Internet Archive)
• Regeneratives Bremsen verbessert die Umweltbilanz (Archiviert am 15.10.2007 in der Wayback Machine , Railway Gazette International , Juli 2007)