Interregiodubbeldekker; Nederlandse Spoorwegen stappen over op draaistroom

Met ingang van volgend jaar rijdt er een nieuw treintype over het Nederlandse spoorwegnet: de interregio-dubbeldekker. Op het technische vlak onderscheidt deze zich vooral door zijn draaistroommotor.

Deze maand doet de nieuwe interregio-dubbeldekstrein zijn intrede op het Nederlandse spoorwegnet. De eerste treinen rijden in proefbedrijf tussen Dordrecht en Roosendaal. In januari volgend jaar zijn er voldoende om ze in de normale dienstregeling in te zetten.

De interregiotrein is een nieuw NS-begrip. In het drietreinen-stelsel waar de NS naar toe werken krijgt hij een plaats tussen stoptrein en snellere intercity. Reizigers die niet heel Nederland doorkruisen, maar ook niet van een voorstadje of dorp naar de nabijliggende hoofdplaats treinen, nemen in de toekomst de interregio.

De nieuwe dubbeldekker is comfortabeler dan de stoptrein-dubbeldekkers die de afgelopen twee jaar massaal in bedrijf zijn genomen. Die laatste hebben bij veel reizigers een slechte naam omdat de NS ze soms als intercitytrein laten rijden, bij gebrek aan beter. Wie van Amsterdam naar Nijmegen in zo'n krappe dubbeldekker wordt opgeborgen, voelt zich niet als klant behandeld. De NS hebben haast met de order voor de interregiodubbeldekkers. Fabrikant Talbot in Aken levert de 81 bestelde treinen binnen ruim twee jaar af.

Van buiten onderscheidt de interregiodubbeldekker zich van de stopdubbeldekker door een knik ter hoogte van de vloer tussen beide verdiepingen. De trein is op zijn breedst waar dat het minst nodig is, namelijk waar zich de hoofden van de onderdekpassagiers en de voeten van de bovendekpassagiers bevinden. Het interieur van de benedenverdieping oogt daardoor erg ruim. De wanden staan schuin naar buiten. Ontwerper N. Greif heeft het tunnelleffect van het rijtuig gebroken door de bagagerekken en de verlichting een horizontaal golvend profiel te geven. Op het bovendek lopen de wanden van onder naar boven steeds sterker naar binnen, zo sterk dat bagagerekken ontbreken. Glazen scheidingswanden en klapdeuren, kunststofpanelen wandbekleding met geïntegreerde kozijnen en prullebakken, geven de interregiodubbeldekker een veel luxueuzer aanzien dan de stop-dubbeldekker. De luxe wordt bekroond door het liftje in ieder rijtuig, niet bedoeld om invaliden naar het bovendek te transporteren (die moeten benedendeks reizen) maar voor het koffiekarretje van Wagons-Lits.

Een ander verschil met de stop-dubbeldekker is het ontbreken van een locomotief. De kop- of stuurrijtuigen van de interregiodubbeldekker zijn tevens motorrijtuigen. Omdat er in het passagiersgedeelte geen plaats meer over is om de elektronica onder het rijtuig te monteren, zit die elektronica bij de dubbeldekkers weggewerkt in een paar kasten, gedeeltelijk onder de trappen naar het bovendek en van buiten af bereikbaar via luiken. In een van beide draaistellen van ieder motorrijtuig zijn steeds twee motoren gemonteerd.

Revolutie

Die elektromotoren betekenen een revolutie voor de Nederlandse Spoorwegen. Voor het eerst draaien er draaistroommotoren (driefasen-wisselstroommotoren) in een grote serie Nederlandse treinen. De draaistroommotor deed zijn intrede in een oude hondekop die op proef met draaistroommotoren is uitgerust. En de vorig jaar in gebruik genomen negen moderne boemels van het Stoptreinmaterieel voor de jaren negentig (SM90), die nu tusen Zwolle en Emmen pendelen, hebben ook draaistroommotoren. Maar met de interregiodubbeldekkers zijn de NS definitief overgeschakeld op wisselstroom.

""Een draaistroommotor is praktisch onderhoudsloos. Een gelijkstroommotor heeft koolstofborstels die regelmatig moeten worden vervangen, en sleuven tussen de collectoren die moeten worden schoongemaakt. Bij een draaistroommotor is er geen mechanisch contact tussen de rotor en de stator en dus ook geen slijtage. Je moet om de tien jaar de lagers vernieuwen en dat is het.'' Aan het woord is ing. Martin Bolijn van Holec Machines en Apparaten in Ridderkerk. Holec Ridderkerk bouwt de motoren en elektronica voor bijna alle treinen van de NS. En zusterbedrijf Holec Projects te Hengelo monteert de spullen bij Talbot in Aken.

De onderhoudsloze draaistroommotor bespaart 30% op de bedrijfskosten ten opzichte van een gelijkstroommotor die met een weerstandsbank wordt geschakeld. De winst zit hem deels in de onderhoudskosten en deels in de energiebesparing, die nog toeneemt als de trein zijn vrijkomende remenergie weer in elektriciteit omzet en teruglevert aan de bovenleiding.

De treinen van de NS hebben in de decennia na het stoomtijdperk niet verkwistend rondgereden omdat er geen krachtige draaistroommotoren bestonden. De NS koos voor gelijkstroomtractie door het ontbreken van schakelelektronica die de benodigde vermogens kon doorgeven en toch klein genoeg was om in een trein te worden ingebouwd. De schakelelektronica zorgt ervoor dat een trein geleidelijk kan optrekken, of hij nu vol passagiers zit of helemaal leeg is, en ook onderweg zijn snelheid makkelijk kan aanpassen.

Bolijn: ""Bij de eerste elektrische treinen stonden er simpelweg een aantal weerstanden in serie geschakeld met de gelijkstroommotor tussen de plus- en minpool van de gelijkspanning uit de bovenleiding. Door de weerstanden met schakelaars een voor een kort te sluiten kon de stroom in de motor worden beheerst, kreeg de motor bij het optrekken langzaam maar zeker meer vermogen en ging de trein sneller rijden. Het langzaam opvoeren van de spanning is noodzakelijk, want een gelijkstroommotor die in een klap onder maximale spanning wordt gezet, gaat niet draaien maar brandt door.''

Nadeel van zo'n weerstandsbank is dat weerstanden plus motor steeds het volle vermogen afnemen. Zolang de motor niet op toeren is, gaat veel energie verloren aan warmte.

De volgende stap was de introductie van de chopper, een schakeling tussen bovenleiding en motor die de 1500 volt gelijkstroom van de bovenleiding in pulsen afneemt en de pulsen weer middelt tot een gelijkstroom van lagere spanning. Door de pulsen langzaam breder te maken, loopt de spanning langzaam op. Deze schakeling neemt alleen de stroom af die ook wordt gebruikt. Het verlies is dus veel geringer en is beperkt tot stuurenergie voor de schakeling en de schakelverliezen van de elektronica.

Aan de basis van een schakeling in de choppers staan thyristoren. Bolijn: ""Simpel gezegd zijn dat schakelaars uit halfgeleidermateriaal die je met een stuurstroom snel aan en uit kunt zetten. Tot tien jaar geleden bestonden er voor sterkstroom alleen thyristoren die je met een stuurstroom geleidend kon maken, maar om ze uit te zetten moest je eerst de hoofdstroom onderbreken. Zo'n oudere gelijkstroomchopper schakelt met frequenties tot 600 Herz.''

""Een jaar of tien geleden kwamen er echter thyristoren voor sterkstroom op de markt die we gate turn off thyristoren noemen, GTO's. Met een positieve stuurpuls zet je die geleidend, met een negatieve puls zet je ze weer dicht. Hij schakelt met een frequentie van ongeveer 1 kHz, niet hoger want dan worden de verliezen te hoog. Omdat de stuurstroom van een GTO een vijfde is van zijn doorlaatstroom, is er ook een begrenzing aan de maximale frequentie van de stuurschakeling. Maar er zijn GTO's gebouwd die onder vier- tot vijfduizend volt duizenden ampères kunnen schakelen, ruimschoots voldoende voor een trein. De nieuwe dubbeldekkers hebben een vermogen van ongeveer 2 megawatt. Bij 1500 volt loopt er een maximale stroom van 1200 ampère.''

Drie wisselspanningen

Doordat de GTO's wat kleiner èn makkelijker en sneller te sturen zijn, kwam wisselstroom binnen bereik in een trein die onder een gelijkstroombovenleiding rijdt. Bolijn: ""Een chopper kun je gebruiken om een gelijkstroom van 0 tot maximaal te variëren, maar als je snel genoeg kunt schakelen en genoeg GTO's in je trein kwijt kunt, kun je natuurlijk ook de gelijkstroom omzetten in drie wisselspanningen waarin, in een bepaalde onderlinge fase, de spanningen periodiek groter en kleiner worden. Dan heb je draaistroom.''

In de interregiodubbeldekker staan in een motorrijtuig vijf GTO-schakeleenheden die gelijkstroom in pulsen verdelen. Een ervan is een lijnchopper. Deze stabiliseert de spanningsschommelingen in de bovenleiding, die optreden aIs een trein wat ver van een bovenleidingsvoeding af is, of als enkele lange intercity's of goederentreinen bij elkaar in de buurt rijden. De spanning zakt dan al snel tot 1100 volt. In de buurt van een bovenleidingvoeding kan een enkele trein makkelijk 2100 volt te verwerken krijgen.

De lijnchopper transformeert de spanning omhoog tot 2300 volt. Bolijn: ""Aangezien er een voorziening is ingebouwd om remenergie om te zetten in elektriciteit die aan het net kan worden teruggegeven, is gekozen voor een spanning hoger dan de netspanning.''

De 2300 volt van de lijnchopper wordt naar de drie omzetters gestuurd die er driefasendraaistroom van maken. Die inverters maken draaistroom met variabele spanning en frequentie en drijven daarmee twee draaistroommotoren aan.

Echt mooie wisselstrooom maken de inverters nog niet. Een ideale wisselstroom bestaat uit een sinusvormige curve. De inverter levert echter stapsgewijs toenemende spanning. Bolijn: ""Het pulstal, het aantal schakelingen per sinus, is hoog, ongeveer 200, als de trein net wegrijdt en de frequentie nog laag is. Bij toenemende snelheid schakelt de elektronica terug naar een lager pulstal. Je kunt die verandering horen. Het klinkt alsof de trein naar een andere versnelling schakelt. Op volle snelheid is het pulstal tenslotte één. De draaistroomfrequentie is dan ongeveer 150 Hz en de treinmotor draait met ruim 4300 toeren per minuut.''

Draaiend veld

Een driefasen draaistroommotor (kortsluitankermotor) bestaat uit een rotor met een kooiconstructie van geleidend materiaal en daaromheen een stator met zes spoelen die achtereenvolgens door een van de drie stroomfasen van de wisselstroom magnetisch worden gemaakt. Het resultaat is een draaiend magnetisch veld in de rotor. Dit veld introduceert stromen waardoor er koppelkrachten tussen de stator en de rotor ontstaan, en de rotor gaat draaien. Door de draaistroomfrequentie iets hoger te maken dan de rotor draait, versnelt de motor. Remmen gebeurt door de draaistroomfrequentie iets lager te maken dan de draaisnelheid.

Bolijn: ""In het laatste geval werkt de motor als generator en wordt de remenergie in stroom omgezet die gelijkgericht aan het net wordt teruggeleverd. Als daar tenminste behoefte aan is, en die is er bij de NS alleen als er een andere trein in de buurt rijdt. De onderstations die de NS-bovenleiding van stroom voorzien kunnen nog geen elektriciteit terugleveren aan het openbare elektriciteitsnet. Als er geen andere trein in de buurt is, moet de teruggewonnen energie alsnog in weerstanden worden afgestookt. Iedere dubbeldekker heeft daartoe op dak toch nog een batterij weerstanden staan.''

Holec bouwt zijn elektrische installaties modulair op. De lijnchopper en de inverter bestaan uit vijf op het identieke ogende drukvaten met daarboven koelribben. De thyristoren worden heet tijdens het choppen en worden gekoeld in een koelvloeistof welke condenseert in koelpijpen die in het luchtkoelkanaal steken. Vandaar ook dat de thyristoren in een druktank zijn gemonteerd.

Mooie wisselstroom

Ir. Jeroen Meier van Holec Ridderkerk: ""Het nadeel van die GTO-schakeltechniek is dat de aansluitvlakken van de thyristoren aan de kant zitten waar ook moet worden gekoeld. Dat stelt hoge eisen aan de koelvloeistof. Sinds een paar jaar zijn er nieuwere halfgeleiders op de markt die hun aansluitingen aan een kant hebben terwijl de warmte aan de andere kant wordt afgevoerd. Ze hoeven niet meer in een koelvloeistoftank te staan. We monteren ze op een aluminium drager met koelribben en kunnen volstaan met geforceerde luchtkoeling. Deze Insulated Gate Bipolair Transistor, ofwel IGBT-schakeltechniek kan ook met hogere frequenties, tot 10 kiloHerz schakelen, zodat er ook "mooiere' wisselstromen mee kunnen worden gemaakt. De techniek is nu leverbaar voor stroomsterkten tot 400 Ampère en spanningen tot 1600 volt.''

Nog te laag voor treinen, maar genoeg voor trams en metro's. Een Amsterdamse tram is al een jaar op proef uitgerust met IGBT-schakeltechniek. Meier: ""Die tram trekt uiterst soepel op, en kan prachtig langzaam rijden. De bestuurders sluipen ermee naar een stoplicht.''

Samen met de Spaanse rijtuigfabrikant CAF bouwt Holec aan een opdracht voor 37 sneltrams voor de Amsterdamse Ringlijn waarin voor het eerst de IGBT-techniek wordt ingebouwd. In de zeer hoge vermogens gaat het langzamer. Holec zal de motoren - alleen de motoren, niet de elektronica, die blijft voorbehouden aan een Frans bedrijf - leveren voor de hoge-snelheidstreinen die tussen Rotterdam en Parijs gaan rijden. De 1-Megawatt motoren zijn giganten voor tractiebegrippen, maar de technologie blijft nog ouderwets. De oudste TGV's hebben gelijkstroommotoren. De nieuwste generatie heeft synchrone draaistroommotoren. Pas de toekomstige generatie krijgt asynchrone draaistroommotoren waar de NS nu voor hebben gekozen.

Nee, dan de treinen die Holec tegenwoordig bouwt voor de Britse spoorwegen. Ze kunnen zowel op 25 kV wisselspanning als op 750 volt gelijkstroom rijden. Bolijn: ""Waar die spanningen ten zuiden van Londen bij elkaar komen moeten de passagiers overstappen, louter omdat de treinen de verschillende spanningen niet aan kunnen. Wij hebben nu een proeftrein rijden die beide kan, en bovendien gegarandeerd geen stoorsignalen veroorzaakt of binnen laat die de Engelse treinbeveiliging al enkele keren fataal hebben beïnvloed. In Engeland zijn grote ongelukken gebeurd door stoorstromen op het net, waardoor seinen van rood op groen zijn gesprongen. Holec is de eerste leverancier die de grote stoorstromen actief kan onderdrukken.''

    • Wim Köhler