Vier Antriebsarten stehen auf dem Tisch: der Gleichstrom-Reihenschlussmotor im Bestand, der Asynchronmotor, der permanenterregte Synchronmotor und der Servoantrieb. Ihr teilt euch in Expertengruppen auf, arbeitet eine Maschine gründlich durch und bringt das Wissen in eure Stammgruppe zurück. Am Ende steht eine Vorauswahl, die ihr begründen könnt.
Schritt 2 von 5. Du arbeitest in deiner Expertengruppe eine Maschine durch, skizzierst die Kennlinien und führst mit deiner Stammgruppe die Vergleichsmatrix zusammen.
Danach: Lernangebot 5 · Dimensionieren und Kosten
Der wichtigste Satz auf dieser Seite: Ein Motor am Umrichter hat keine einzelne Kennlinie mehr, sondern ein Kennlinienfeld: Der Umrichter stellt jeden Punkt unter der Grenzkennlinie ein.
Am Ende hast du: eine Vergleichsmatrix der Fahrmotoren mit den Grenzkennlinien M(n) und eine begründete Vorauswahl der Kandidaten für die Auslegung.
Karte „Die alte Bahn auf einen Blick“: Strecke, Höhenprofil, Zug und Antriebsstrang mit allen Kennzeichen auf einer Seite. Die Karte steht im Wissensspeicher, Lektion „Wissensspeicher, Abnahme und Lernbegleitung“. Leg sie neben jede Aufgabe dieses Teils.
Erst du, dann die anderen
Die Leitung Bahnbetrieb fragt: „Woher wisst ihr, welcher Motor überhaupt in Frage kommt, bevor ihr rechnet?“ Den Weg zur Vorauswahl schreibt dir keiner vor. Wie würdest du vorgehen?
So gehen andere vor. Such dir einen Weg aus.
- Vom Bestand aus denken. Was am Gleichstrommotor stört, Bürsten, knappe Ersatzteile, Widerstandsbremse, wird zur Liste der Anforderungen an den neuen. Nah an den Erfahrungen der Elektrowerkstatt, aber du übersiehst leicht, welche neuen Herausforderungen ein neuer Motor mitbringt.
- Vom Kennlinienfeld aus denken. Die Betriebsfälle aus dem Lastenheft ins M-n-Diagramm legen und prüfen, welche Maschine sie abdeckt. Fachlich sauber, aber Wartung, Risiken und Kosten kommen erst später dazu.
- Von einer Kriterienliste aus denken. Erst Kriterien und Gewichte festlegen, dann jede Maschine bewerten. Für den Auftraggeber nachvollziehbar, aber die Gewichte sind eine Setzung, und wer sie zu früh festlegt, rechnet sich leicht sein Wunschergebnis.
Es gibt hier nicht den einen richtigen Weg. Entscheide dich für einen und schreibe dazu, weshalb.
Katalogauszug: drei Angebote für den Fahrmotor · aufklappen, wenn du rechnest
Katalogauszug, Unterrichtswerte
| ASM (Kandidat A) | PMSM (Kandidat B) | GM neu (Kandidat C, nur zum Vergleich) | |
|---|---|---|---|
| Bemessungsleistung S1 | 110 kW | 110 kW | 112 kW |
| Bemessungsdrehzahl | 2.630 min⁻¹ (4-polig, 89 Hz) | 2.630 min⁻¹ (8-polig, 175 Hz) | 2.400 min⁻¹ |
| Bemessungsmoment | 400 Nm | 400 Nm | 445 Nm |
| Kurzzeitmoment | 800 Nm (2,0 · MN) | 900 Nm | 800 Nm |
| Kippmoment bei Bemessungsfrequenz | 1.000 Nm (2,5 · MN) | entfällt | entfällt |
| Polradspannung, verkettet, Effektivwert | entfällt | 440 V bei 2.630 min⁻¹, proportional zur Drehzahl | entfällt |
| Höchstdrehzahl mechanisch | 4.500 min⁻¹ | 4.500 min⁻¹ | 3.000 min⁻¹ |
| Spannung, Strom | 3 AC 500 V, 160 A, cos φ 0,86 | 3 AC 500 V, 140 A | 520 V DC, 236 A |
| Wirkungsgrad | 0,94 | 0,965 | 0,91 |
| Thermische Klasse, Ausnutzung | 200, Ausnutzung F | 200, Ausnutzung F | H |
| Kühlart, Schutzart, Bauform | IC 411 (eigenbelüftet, Oberflächenkühlung), IP55, IM B35 (Füße und Flansch) | IC 418 (ohne Lüfter, Oberflächenkühlung durch Fahrtwind), IP65 | IC 410, IP54 |
| Masse | 520 kg | 340 kg | 750 kg |
| Preis je Motor | 9.800 € | 14.500 € | 12.000 € |
| Lager | stromisoliertes Lager auf der Nicht-Antriebsseite | stromisoliert | Bürsten, Kommutator |
| Besonderheit | robust, frei von Magneten, höhere Läuferverluste | kompakter, Magnete (Neodym), Spannung im Leerlauf bei Fahrt, Kurzschlussfestigkeit beachten | Bürstenwechsel alle 40.000 km, Kommutator überdrehen alle 200.000 km |
Traktionsumrichter je Motor: Eingang 750 V DC (500 V bis 1.000 V), Ausgang 3 AC 0 V bis 560 V, 0 Hz bis 200 Hz, Dauerstrom 180 A, kurzzeitig 320 A für 30 s, Pulsfrequenz 4 kHz, Bremssteller integriert, Drehgebereingang, Schutzart IP65, Flüssigkeitskühlung. Der Umrichter ist für beide Dreiphasenmotoren derselbe.
Alle Werte sind Unterrichtswerte. Hersteller werden nicht genannt.
Gegebene Werte für Lernangebot 4 · aufklappen, wenn du rechnest
Gegebene Werte für Lernangebot 4
- Fahrmotor im Bestand (Typenschild aus Teil 2)
- TRACTION MOTOR · DC SERIES WOUND · 150 HP CONTINUOUS · 520 V DC · 236 A · 2400 RPM BASE · 3000 RPM MAX · INSULATION CLASS H; umgerechnet 111,9 kW, MN = 445 Nm, Wirkungsgrad 0,91, Masse 748 kg
- Gleichstromsteller im Bestand
- stellt die Ankerspannung aus der Stromschiene von 0 V bis 520 V; Stromgrenze beim Anfahren 325 A (Unterrichtswert); Fahrtrichtung über Wendeschalter (Umpolen des Feldes); Feldshunt bis 3.000 min⁻¹; Bremsen über Bremsschütze auf den Bremswiderstand RA1
- Wartung im Bestand
- Bürstenwechsel alle 40.000 km, Kommutator überdrehen alle 200.000 km
- Lastenheft M1, Auszug
- Motordrehzahl bei 50 km/h 2.947 min⁻¹; Moment je Motor in der Rampe bei 50 km/h 387 Nm (Bedarf); Zugkraft beim Anfahren eben 30.929 N (Zug, voll); Spitzenmoment 740 Nm je Motor
- Rad und Getriebe
- Rad 0,90 m, i = 10, ηG = 0,96, je Wagen ein Fahrmotor, zwei je Zug
- Stromschiene
- 750 V DC, Bereich nach Bahnnorm 500 V bis 900 V dauernd, kurzzeitig 1.000 V; im Umrichter ist die Zwischenkreisspannung gleich der Schienenspannung
- Bahnsteigtür (Ausblick auf Teil 5)
- Flügel 55 kg, 0,95 m in 2,5 s, Halt auf wenige Millimeter, Schließkraft höchstens 150 N
- Haltegenauigkeit des Zugs an der Bahnsteigtür
- ± 0,25 m
Alle Werte zur alten Bahn sind Unterrichtswerte. Zahlen zum Flughafen sind öffentliche Größenordnungen, gerundet.
Exkurs: alternative Antriebe, Nabenmotor und Linearmotor
Nabenmotor (Direktantrieb im Rad): Der Motor sitzt im Rad, ein Getriebe entfällt. Das spart Getriebeöl, Getriebeverluste und Wartung am Getriebe. Der Motor muss dafür das Radmoment bei Raddrehzahl liefern. Nabenmotoren werden meist als permanenterregte Synchronmaschinen mit vielen Polen gebaut.
Linearmotor: Ein „aufgeschnittener und abgerollter“ Dreiphasenmotor. Der eine Teil liegt als Reaktionsschiene oder Ständer in der Fahrbahn, der andere hängt am Fahrzeug. Es gibt Personentransportsysteme auf eigener Fahrbahn, die so fahren.
Ob eine der beiden Bauarten für den Umbau der alten Bahn taugt, klärst du in Aufgabe 4.7.
Dein Lernprodukt im Einzelnen
Dein Lernprodukt
Vergleichsmatrix und Vorauswahl der Fahrmotoren
Darauf laufen die Aufgaben dieses Lernangebots zu. Die Aufgaben sind die Stufen dorthin, das Lernprodukt ist das Ergebnis.
Es besteht aus
- der Vergleichsmatrix für Gleichstrommotor, Asynchronmotor und permanenterregten Synchronmotor mit den Kriterien Aufbau, Wirkprinzip, Kennlinie, Drehzahlstellung, Generatorbetrieb, Wartung, Wirkungsgrad, Masse, Kosten und Risiken
- den Grenzkennlinien M(n) der drei Maschinen in einem gemeinsamen Diagramm, mit Grunddrehzahl- und Feldschwächbereich
- den Rechenergebnissen der Expertengruppen: Schlupf, Frequenzen, Polradspannung, verfügbare Momente
- der Abgrenzung des Servoantriebs und der alternativen Antriebe
- der Vorauswahl der Kandidaten für Lernangebot 5 mit Begründung und der Liste offener Risiken
Zur Dokumentation
Jede Zeile der Matrix ist, wo möglich, mit einem Katalogwert oder einer Rechnung belegt. Die Kennlinien tragen Achsen mit Größe und Einheit, Bemessungspunkt und Grenzen. Die Vorauswahl begründet auch, weshalb ein Kandidat ausscheidet.
Die Vorauswahl ist der Eingang für Lernangebot 5. Dort legt ihr die Kandidaten aus und vergleicht ihre Kosten; zusammen ergibt das Meilenstein M2.
4.1Expertengruppe Gleichstrommotor: Untersuche den Fahrmotor im Bestand
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Aufgabe 4.1
Expertengruppe Gleichstrommotor: Untersuche den Fahrmotor im Bestand:
- Beschreibe den Aufbau des Reihenschlussmotors mit Hauptpolen, Erregerwicklung, Anker, Kommutator und Bürsten.
- Erkläre mit M ~ Φ · I, weshalb das Moment des Reihenschlussmotors bei kleiner Drehzahl stark ansteigt.
- Lies aus der Kennlinie ab, welches Moment der Motor an 520 V mit vollem Feld bei 2.947 min⁻¹ abgibt.
- Vergleiche diesen Wert mit dem Moment, das der Zug in der Rampe bei 50 km/h braucht.
- Erkläre, wie der Bestand in der Rampe trotzdem 50 km/h hält.
- Erkläre, wie Gleichstromsteller und Feldshunt die Drehzahl stellen.
- Beschreibe, wie der Bestand bremst und wohin die Bremsenergie geht.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Reihenschlussmotor · Kohlebürsten · Drehzahlstellbereich · Gleichstromsteller · Bremsen, elektrisches
Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.
4.2Expertengruppe Asynchronmotor: Untersuche Kandidat A am Umrichter
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Aufgabe 4.2
Expertengruppe Asynchronmotor: Untersuche Kandidat A am Umrichter:
- Berechne die Synchrondrehzahl und den Schlupf im Bemessungspunkt.
- Berechne die Ständerfrequenz, die der Umrichter bei 50 km/h liefern muss; den Schlupf darfst du dabei vernachlässigen.
- Erkläre, weshalb das Feld oberhalb der Bemessungsfrequenz schwächer wird.
- Leite her, wie das größte Moment im Feldschwächbereich mit der Drehzahl abnimmt, einmal über die Leistungsgrenze und einmal über das Kippmoment.
- Berechne das kurzzeitig verfügbare Moment bei 2.947 min⁻¹ und bei 4.500 min⁻¹.
- Erkläre, wie der Asynchronmotor am Umrichter generatorisch bremst.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Asynchronmotor · Schlupf · Drehfeldmotor · Drehzahlstellbereich
Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.
4.3Expertengruppe Synchronmotor: Untersuche Kandidat B am Umrichter
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Aufgabe 4.3
Expertengruppe Synchronmotor: Untersuche Kandidat B am Umrichter:
- Bestimme die Polpaarzahl.
- Berechne die Frequenz bei Bemessungsdrehzahl und bei 50 km/h.
- Vergleiche die Frequenz bei 50 km/h mit dem Ausgang des Traktionsumrichters.
- Berechne den Scheitelwert der verketteten Polradspannung bei 50 km/h und bei der mechanischen Höchstdrehzahl.
- Erkläre, was geschieht, wenn der Wechselrichter bei Fahrt sperrt und der Scheitelwert der Polradspannung über der Zwischenkreisspannung liegt.
- Erkläre, was bei einem Kurzschluss in der Wicklung geschieht, solange der Zug rollt.
- Beschreibe, wodurch die Magnete geschwächt werden können und welches Rohstoffrisiko sie mitbringen.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Synchronmotor · Dauermagneterregung · Umdrehungsfrequenz · Freilaufdiode
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4.4Expertengruppe Servoantrieb: Grenze Servoantriebe von Fahrantrieben ab
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Aufgabe 4.4
Expertengruppe Servoantrieb: Grenze Servoantriebe von Fahrantrieben ab:
- Beschreibe den Aufbau eines Servoantriebs aus Servomotor, Geber und Servoregler.
- Unterscheide Fahrantrieb und Servoantrieb nach Regelgröße, Dynamik, Überlastbarkeit und Geber.
- Ordne die Antriebe der Bahn zu: Fahrantrieb, Antrieb der Bahnsteigtür, Verdampferlüfter und Kompressor des Klimageräts.
- Begründe, ob die Zielbremsung vor der Bahnsteigtür einen Servomotor als Fahrmotor braucht.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Servomotor · Drehzahlmessung · Wegmessung · Winkelgeber
Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.
4.5Skizziere die Grenzkennlinien der drei Maschinen in ein gemeinsames Kennlinienfeld
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Aufgabe 4.5
Skizziere die Grenzkennlinien der drei Maschinen in ein gemeinsames Kennlinienfeld:
- Skizziere die Grenzkennlinie des Bestandsmotors an 520 V mit der Stromgrenze des Stellers.
- Skizziere die Grenzkennlinien von Kandidat A für Dauerbetrieb S1 und kurzzeitig, mit Grunddrehzahl- und Feldschwächbereich und der Kippgrenze.
- Skizziere dieselben Grenzen für Kandidat B und trage die Frequenzgrenze des Umrichters ein.
- Kennzeichne den Drehzahlbereich, in dem das Fahrspiel arbeitet.
- Vergleiche, welche Maschine bei 50 km/h die größte kurzzeitige Momentenreserve hat.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Drehmoment · Kennlinien · Asynchronmotor · Betriebsarten · Drehzahlstellbereich
Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.
4.6Führt in der Stammgruppe das Wissen der Expertengruppen in einer Vergleichsmatrix zusammen
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Aufgabe 4.6
Führt in der Stammgruppe das Wissen der Expertengruppen in einer Vergleichsmatrix zusammen:
- Erklärt euch gegenseitig die vier Antriebsarten, jede Expertin und jeder Experte die eigene.
- Füllt die Vergleichsmatrix für Gleichstrommotor, Asynchronmotor und Synchronmotor in allen zehn Kriterien aus.
- Belegt jede Zeile mit einem Katalogwert oder einer Rechnung, wo es einen gibt.
- Markiert die Kriterien, in denen sich Kandidat A und Kandidat B wirklich unterscheiden.
| Kriterium | Gleichstrommotor (Bestand oder neu) | Asynchronmotor | Synchronmotor (PMSM) |
|---|---|---|---|
| Aufbau | |||
| Wirkprinzip | |||
| Kennlinie | |||
| Drehzahlstellung | |||
| Generatorbetrieb | |||
| Wartung | |||
| Wirkungsgrad | |||
| Masse | |||
| Kosten | |||
| Risiken |
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Gleichstrommotor · Asynchronmotor · Synchronmotor · Wirkungsgrad · Wartung
Im Team Diese Aufgabe bearbeitet ihr im Projektteam. Jede und jeder kann das Ergebnis am Ende erklären.
4.7Prüfe, ob ein Nabenmotor oder ein Linearmotor für die alte Bahn in Frage kommt
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Aufgabe 4.7
Prüfe, ob ein Nabenmotor oder ein Linearmotor für die alte Bahn in Frage kommt:
- Berechne das Moment, das ein Nabenmotor ohne Getriebe beim Anfahren in der Ebene liefern müsste, wenn wie heute zwei Motoren je Zug antreiben.
- Berechne die Drehzahl eines Nabenmotors bei 50 km/h.
- Vergleiche beide Werte mit Moment und Drehzahl der Kandidaten.
- Erkläre, wie ein Linearmotor die Zugkraft überträgt und welche Rolle dabei die Haftung zwischen Rad und Fahrbahn spielt.
- Bewerte Nabenmotor und Linearmotor für den Umbau der alten Bahn, bei dem Fahrbahn und Fahrwerk bleiben.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Linearantriebe · Motorarten · Linearmotor · Drehmoment · Drehzahl
Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.
4.8Erstellt im Team die Vergleichsmatrix und die Vorauswahl als Lernprodukt
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Aufgabe 4.8
Erstellt im Team die Vergleichsmatrix und die Vorauswahl als Lernprodukt:
- Fasst Vergleichsmatrix und Kennlinienskizze zu einer Seite für den Auftraggeber zusammen.
- Entscheidet, welche Kandidaten ihr in Lernangebot 5 auslegt, und begründet jede Entscheidung, auch die gegen einen Kandidaten.
- Listet die offenen Risiken jedes verbleibenden Kandidaten, die ihr in der Auslegung prüfen müsst.
- Formuliert drei Fragen an den Auftraggeber, deren Antwort eure Entscheidung verändern kann.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Wahl des Antriebsmotors · Kosten-Nutzen-Betrachtung · Risikobewertung · Projektierung · Dokumentation
Im Team Diese Aufgabe bearbeitet ihr im Projektteam. Jede und jeder kann das Ergebnis am Ende erklären.
Die Lage ändert sich
Die Elektrowerkstatt meldet sich: „Fällt bei einem Wagen der Umrichter aus, soll der Zug mit dem Motor des anderen Wagens bis zur nächsten Station weiterfahren. Der Motor im ausgefallenen Wagen dreht dabei mit.“
Überprüfe dein Lernprodukt an diesem Fall:
- Prüfe für jeden Kandidaten, was der mitdrehende Motor im ausgefallenen Wagen tut.
- Beurteile, ob sich eure Vorauswahl dadurch ändert.
- Entscheide, welche Schutzmaßnahme ihr in die Anforderungen für die Auslegung aufnehmt.
Mit Lernpartner Diese Überprüfung macht ihr zu zweit. Wer beide Fälle erklären kann, hat die Sache verstanden.