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Die Transrapid-Technologie
Alles über Schwebesystem, Antrieb und Betriebsleittechnik des Transrapid.
Transrapid-Schwebesystem
Entlang des gesamten Transrapid-Fahrzeugs sind Tragmagnete angeordnet, die das Fahrzeug zum Schweben bringen. Das wird durch Tragmagnete realisiert, die das Fahrzeug an die Fahrwegstatoren anziehen. Während sich das Fahrzeug an die Statoren anzieht, und sich dem Fahrweg nähert, wird der Magnet abgeschaltet, wodurch das Fahrzeug wieder fällt. Führt man diesen Prozess mehrere zehntausende Male pro Sekunde durch, weckt das den Eindruck eines magnetisch schwebenden Fahrzeugs. Spaltsensoren sind in den Tragmagnetmodulen verbaut, um den Luftspalt präzise auszumessen. Die Sensordaten werden an die Magnetregeleinheiten weiter- gegeben, welche die Ein/Ausschaltfrequenz der Tragmagnete berechnen.
Das Fahrzeug wird seitlich durch Führmagnete in der Spur gehalten. Diese sind an beiden Seiten des Fahrzeugs verbaut, und reagieren mit der Führschiene des Fahrwegs (Metallleiste an den Seiten der Fahrweg-Trägertische). Kommt beispielsweise ein Windstoß von links, ziehen die rechten Führmagnete das Fahrzeug zurück nach links – in Echtzeit. Dafür werden ebenfalls Spaltsensoren und Magnetregeleinheiten eingesetzt.
Grafische Darstellung des Gesamtsystems inkl. Trag-Führ-Magnet-Modul (rechts)
Tragmagnete (Beispielbild TR08) sind entlang des gesamten Fahrzeugs in den TFMM angeordnet.
Einschübe (Magnetregeleinheiten, Hochsetzsteller) steuern die Trag- und Führmagnete.
Antriebsprinzip des Transrapid
Angetrieben wird das Fahrzeug, indem die Antriebswellen in der Antriebswicklung, die Magnetfelder der Tragmagnete in eine Richtung mitziehen.
Dabei wird die Geschwindigkeit erhöht, indem die Frequenz dieser Wellen erhöht wird. Bei einer Frequenz von 356 Hz ist das Fahrzeug dementsprechend mit 660,97 km/h unterwegs.
Synchron bedeutet, dass das Fahrzeug synchron mit der Frequenz des Linearmotors angetrieben wird. Die Antriebsenergie beziehen Unterwerke aus dem öffentlichen Stromnetz. Ausgangstransformatoren erzeugen dabei die erforderliche Antriebsfrequenz. Unterwerke werden in der Regel alle 50 km verbaut. Die Ausgangstransformatoren können, je nach Streckenprojekt, 35 bis 50 MVA Leistung pro Fahrspur erzeugen. Die Unterwerke geben die dabei entstandene Energie an die Schaltstationen der Strecke weiter – bekanntlich ist nur der Teil des Fahrwegs unter Strom, über welchem der Transrapid fährt. Man kann sich das so vorstellen:
Öffentliches Stromnetz —> Unterwerk —> Transformatoren —> Schaltstationen —> Fahrwegabschnitte.
Eine weitere Besonderheit der Transrapid-Technologie ist die Energierückspeisung. Bremst das Fahrzeug, entsteht dabei Energie, die zurück in das Stromnetz gespeist wird.
Statorpaket, neue Version (in Epoxidharz verbacken).
Beim Transrapid sind, entlang des gesamten Fahrweges, beidseitig die Statoren verbaut. Die Statoren dienen als Erregermagnete für die im Fahrzeug verbauten Tragmagnete. Die Tragmagnete magnetisieren sich an die Statoren und ziehen das Fahrzeug hoch, wodurch der 10 mm Luftspalt realisiert wird.
Für den Antrieb ist die dreiphasige Antriebswicklung in den Statoren verbaut.
Die Statorpakete bestehen aus 360 verklebten, 0.5 mm dünnen Blechlamellen, welche (bei neuen Versionen) anschließend in Epoxidharz verbacken werden, was die weiße Farbe verursacht.
Die Antriebswicklung ist entlang des gesamten Fahrweges verbaut und befindet sich in den Statoren.
Die Antriebswicklung ermöglicht den Antrieb des Transrapid-Fahrzeugs. Durch diese fließt der Strom, welcher aus den Unterwerken gespeist wird. Auf der TVE sind bis zu 35 MVA bei 8,6 kV durch die Wicklungen geflossen.
Sie besteht heutzutage aus Aluminium. Früher wurde sie aus Kupfer gefertigt.
Betriebsleittechnik
Für den reibungslosen Ablauf aller Antriebs- und Regelungsprozesse beim Streckenbetrieb ist eine hochzuverlässige Betriebsleittechnik erforderlich. Dafür kommen beim Transrapid besondere Technologien zum Einsatz.
Das Fahrzeug kommuniziert dabei immer mit dem Leitstand. Seit dem TR07 werden dafür Millimeterwellen-Richtfunkantennen eingesetzt, welche mit 38 GHz betrieben werden. Über diesen Kommunikationsweg werden alle Informationen mit dem Leitstand ausgetauscht.
Vorteil der Richtfunktechnologie ist die geringe Latenz, welche bei einem Hochgeschwindigkeitsfahrzeug wie dem Transrapid unerlässlich ist. Es werden beim TR08 Datenraten von 4 Mbits erreicht. Für die reine Kommunikation mit dem Leitstand ist dies völlig ausreichend. Die Signale, die die streckenseitig verbauten Richtfunkantennen empfangen, werden mittels LWL (Glasfaser) an den Leitstand übertragen. Die Richtfunksysteme sind redundant ausgelegt. Geht eine Antenne kaputt, funktioniert das System weiter.
Im Fahrzeug sind Richtfunkantennen an beiden Endsektionen verbaut. Entlang der Strecke werden kleine Türme errichtet, die mit Richtfunkantennen ausgestattet sind.
Bordnetze des Transrapid
Es sind verschiedene, redundant gesicherte, voneinander unabhängige Stromnetze im Transrapid installiert.
Bordnetze pro Sektion
4x 440V Bordnetze speisen Trag/Führmagnete, Wirbelstrombremse, und Klimaanlage.
1x 230V Bordnetz speist Verbraucher innerhalb der Fahrgastzelle wie Beleuchtung, Steckdosen und Fahrgast-Informationssysteme.
4x 24V Bordnetze speisen sicherheitsrelevante Verbraucher wie Fahrzeugsteuerung, Betriebsleittechnik und Kommunikation.
8 DC/DC Wandler Speisen das 24V aus den 4x 440V Netzen.
Das 230V Netz wird erst durch einen Wechselrichter umgespannt, da die 440V Netze Gleichstrom sind, in der Fahrgastzelle jedoch Wechselstrom benötigt wird.
Lineargeneratoren
Für die Energiezufuhr in das Fahrzeug werden primär die Lineargeneratoren verwendet.
Ab 30 km/h reicht die generierte Energie aus, um den Energiebedarf von Niederspannungsverbrauchern zu decken, darunter Pneumatik, Sicherheitskreise und die Prüfung der Wirbelstrombremse.
Ab 70 km/h reicht die generierte Energie aus, um den Energiebedarf der gesamten Führmagnete zu decken.
Ab 100 km/h reicht die generierte Energie aus, um den Energiebedarf der Tragmagnete zu decken.
Das heißt, dass der gesamte Energiebedarf einer Sektion ab 100 km/h gedeckt ist. Doch bevor die Geschwindigkeit von 100 km/h erreicht wird, ist eine zusätzliche Energiezufuhr erforderlich, um die Batterien im Fahrzeug zu schonen.
Stromzufuhr durch IPS oder Stromschienen
Bei neueren Fahrzeugen wie TR08, TR09 und CRRC CF600 sind zusätzliche Energiezufuhrsysteme verbaut.
Stromschienen kommen beim TR08 und CRRC CF600 zum Einsatz. Die Stromschienen beliefern die Fahrzeuge mit 400V Gleichstrom. Dafür fährt das Fahrzeug, bei Geschwindigkeiten von 0 bis 100 km/h, seine mechanischen Stromabnehmer heraus, die einen mechanischen Kontakt zu den Schienen im Fahrweg herstellen. So wird das Fahrzeug mit Energie versorgt, bevor das Fahrzeug eine Geschwindigkeit von 100 km/h erreicht. Bei Geschwindigkeiten über 100 km/h sind Stromschienen überflüssig, da die Lineargeneratoren genug Energie speisen.
Inductive Power Supply (IPS) kommt beim TR09 zum Einsatz. Das System wurde gemeinsam mit der Technischen Universität Braunschweig entwickelt, um eine sekundäre Energiezufuhr für das Fahrzeug zu bieten, ohne, dass dafür mechanischer Kontakt zum Fahrweg (wie bei den Stromschienen) hergestellt werden muss.