Jetzt wird gerechnet. Aus dem Fahrspiel im Lastenheft bestimmst du, was der Motor thermisch, an der Spitze und in der Drehzahl leisten muss, prüfst Umrichter und Getriebe und vergleichst die beiden Dreiphasenmotoren über dreißig Jahre. Am Ende legt ihr dem Auftraggeber eine Entscheidung vor, die er ohne Rückfrage versteht.

Schritt 3 von 5. Du legst Motor, Umrichter und Getriebe aus, rechnest die Kosten über die Nutzungsdauer und schreibst mit deinem Team die Entscheidungsvorlage.

Danach: Rechenwege und Lösungen

Der wichtigste Satz auf dieser Seite: Ein Fahrmotor wird zweimal ausgelegt: nach der Wärme über das Effektivmoment und nach der Spitze über das Kurzzeitmoment. Wer nur eins prüft, hat nur die Hälfte geprüft.

Am Ende hast du: eine Projektierungsunterlage für Motor, Umrichter und Getriebe und eine Entscheidungsvorlage mit Kostenvergleich für den Auftraggeber.

Karte „Formeln der Antriebstechnik“: Kräfte, Moment, Leistung, Drehzahl und Geschwindigkeit, Energie, Effektivmoment und die Umrechnungen aus dem Wirtschaftsraum Nordamerika. Die Karte steht im Wissensspeicher. Leg sie neben jede Rechnung.

HaltHalt020406080100120140160180200220240260−600−400−2000200400600800t in sM in NmFahrt A nach B (Rampe aufwärts)Fahrt B nach A (Rampe abwärts)AnfahrenRampeBremsenRampe abwärtsMoment je Fahrmotor über einen Umlauf, voll besetzt (aus dem Lastenheft, Meilenstein M1)Umlauf 254,6 s: zwei Fahrten zu je 97,3 s und zwei Halte zu je 30 s. Negative Momente: Der Motor bremst als Generator.
Moment je Fahrmotor über einen Umlauf, voll besetzt, aus der Fahrspielrechnung des Lastenhefts: Fahrt A nach B mit Anfahren am Grenzmoment, Beschleunigen mit konstanter Leistung, Beharrung, Rampe aufwärts an der Leistungsgrenze, Beharrung in Hochlage und Betriebsbremsung mit negativem Moment; Halt 30 s; Fahrt B nach A mit Rampe abwärts (negatives Moment); Halt 30 s. Zeitachse 0 s bis 260 s, Momentenachse −600 Nm bis 800 Nm. Eigene Darstellung für den Unterricht.

Erst du, dann die anderen

Die Leitung Bahnbetrieb fragt: „Nach eurer Rechnung wird der Motor nicht zu warm. Woher wisst ihr das, wenn er beim Anfahren fast das Doppelte seines Bemessungsmoments liefert?“ Den Nachweis schreibt dir keiner vor. Wie würdest du vorgehen?

So gehen andere vor. Such dir einen Weg aus.
  • Mit einem Ersatzmoment rechnen. Die Momente des Umlaufs zu einem Moment zusammenfassen, das dieselbe Erwärmung bewirkt, und mit dem Bemessungsmoment vergleichen. Schnell und üblich, aber es setzt voraus, dass der Motor bei Fahrt und im Stillstand gleich gut kühlt und der Umlauf kurz gegen seine thermische Zeitkonstante ist.
  • Mit den Verlusten rechnen. Aus Strom und Wirkungsgrad die Verlustleistung je Abschnitt bestimmen und über den Umlauf mitteln. Genauer, besonders im Feldschwächbereich, aber du brauchst Verlustdaten, die im Katalog meist fehlen.
  • Im Antriebslabor messen. Das Fahrspiel am Prüfstand mit Bremsmaschine nachfahren und die Wicklungstemperatur messen. Am überzeugendsten, aber nur mit einem Mustermotor oder im kleinen Maßstab möglich.

Es gibt hier nicht den einen richtigen Weg. Entscheide dich für einen und schreibe dazu, weshalb.

Lastenheft M1: Momenten-Zeit-Tabelle des Umlaufs · aufklappen, wenn du rechnest

Ein Umlauf, voll besetzt (31 t): Fahrt A nach B, Halt, Fahrt B nach A, Halt. Die Abschnitte gleicher Art sind zusammengefasst. Moment je Fahrmotor, negative Werte: Der Motor bremst als Generator.

Abschnitt Moment je Motor in Nm Dauer im Umlauf in s Drehzahl in min⁻¹
Anfahren mit Grenzmoment bis 25 km/h, beide Richtungen 740 17,0 0 bis 1.474
Beschleunigen mit konstanter Leistung bis 50 km/h, beide Richtungen (Ersatzwert, der dieselbe Erwärmung bewirkt; das Moment fällt von 740 Nm auf 370 Nm) 498 28,3 1.474 bis 2.947
Beharrungsfahrt mit 50 km/h auf ebener Strecke 102 78,5 2.947
50 km/h in der Rampe aufwärts, an der Leistungsgrenze 370 18,0 2.947
50 km/h in der Rampe abwärts, Geschwindigkeit halten −169 18,0 2.947
Betriebsbremsung bis zum Halt, beide Richtungen (Ersatzwert) −505 34,8 2.947 bis 0
Halt an Station A und Station B 0 60,0 0

Summe der Dauern: 254,6 s, ein Umlauf. Gerundete Werte aus der Fahrspielrechnung von Meilenstein M1 (Unterrichtswerte). Der Antrieb gibt bei 50 km/h höchstens die Eckleistung von 114,2 kW ab, also 370 Nm; in der Rampe fällt die Geschwindigkeit deshalb leicht ab.

Lastenheft M1: sieben Betriebsfälle je Motor · aufklappen, wenn du rechnest
Nr. Betriebsfall (voll besetzt) Moment je Motor in Nm Drehzahl in min⁻¹ Leistung je Motor in kW
1 Anfahren eben, 0,8 m/s² 725 0 0
2 Ende konstantes Moment (25 km/h) 740 (Grenze) 1.474 114,2
3 Anfahren in der Rampe 4 %, 0,4 m/s² 690 0 0
4 Beharrung 50 km/h eben 102 2.947 31,4
5 50 km/h in der Rampe (Bedarf) 387 2.947 119,4
6 Betriebsbremsung aus 50 km/h, 0,8 m/s² −495 bei Bremsbeginn, bis −510 kurz vor dem Halt 2.947 bis 0 −152,9 (generatorisch)
7 50 km/h bergab in der Rampe (Halten) −169 2.947 −52 (generatorisch)

Aus der Kräftebilanz von Meilenstein M1 (Unterrichtswerte). Motormoment im Motorbetrieb F · r durch (i · ηG · 2), im Generatorbetrieb F · r · ηG durch (i · 2).

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 5 · aufklappen, wenn du rechnest

Gegebene Werte für Lernangebot 5

Energie je Umlauf, mechanisch an beiden Motoren, mittlere Besetzung (Lastenheft M1)
4,287 kWh motorisch, 1,751 kWh generatorisch
Umläufe je Zug und Jahr
45.500 (rund 100.000 km)
Rückspeisung (Annahme des Auftraggebers für Teil 3)
Die generatorische Energie wird vollständig in die Stromschiene zurückgespeist und von anderen Zügen genutzt. Ob das gelingt, klärt Teil 4.
Wirkungsgrade
Kandidat A 0,94, Kandidat B 0,965, Traktionsumrichter 0,97; in beiden Energierichtungen gleich
Strompreis
0,20 €/kWh (Unterrichtswert)
Wartung der neuen Fahrmotoren
Lager nachschmieren alle 50.000 km, 0,5 h je Motor, für Kandidat A und B gleich; Lagertausch zustandsorientiert, für beide gleich
Wartung im Bestand
Bürstenwechsel alle 40.000 km, 3 h je Motor, zwei Elektronikerinnen oder Elektroniker; Kommutator überdrehen alle 200.000 km, 16 h je Motor
Stundensatz der Elektrowerkstatt
65 €/h (Unterrichtswert)
Nutzungsdauer, Zinssatz
30 Jahre; 3 % für den Ausblick auf den Kapitalwert (Unterrichtswert)
Umrichter, Getriebe, Einbau
für Kandidat A und B gleich; im Kostenvergleich nicht berücksichtigt
Strom am Umrichter, Näherung (Unterrichtswert)
im Grunddrehzahlbereich I ≈ IN · M durch MN; im Feldschwächbereich zusätzlich mal n durch nN
Trägheitsmoment des Läufers
0,8 kg·m² je Motor
Zug und Antriebsmechanik
voll 31 t, leer 23 t, Drehmassenzuschlag ξ = 1,10, Rad 0,90 m, i = 10, ηG = 0,96, zwei Fahrmotoren je Zug

Alle Werte zur alten Bahn sind Unterrichtswerte. Zahlen zum Flughafen sind öffentliche Größenordnungen, gerundet.

Dein Lernprodukt im Einzelnen

Dein Lernprodukt

Projektierungsunterlage und Entscheidungsvorlage

Darauf laufen die Aufgaben dieses Lernangebots zu. Die Aufgaben sind die Stufen dorthin, das Lernprodukt ist das Ergebnis.

Es besteht aus

  • dem Nachweis der Erwärmung über das Effektivmoment, mit der Annahme zur Kühlung im Stillstand
  • dem Nachweis von Spitzenmoment und Höchstdrehzahl und dem Kennlinienfeld mit allen Arbeitspunkten
  • der Auswahl und Prüfung des Traktionsumrichters über Strom, Spannung und Frequenz
  • der Prüfung der Antriebsmechanik mit Getriebe und reduziertem Trägheitsmoment
  • dem Kostenvergleich: Investition, Energie, Wartung, Amortisation, Lebenszykluskosten über 30 Jahre
  • der Entscheidungsvorlage mit Nutzwertanalyse, Entscheidung und gewürdigter Gegenposition

Zur Dokumentation

Jeder Nachweis mit Formel, eingesetzten Werten, Einheit, Ergebnis und Vergleich mit dem Grenzwert. Jede Annahme steht dort, wo sie gebraucht wird. Die Entscheidungsvorlage passt auf eine Seite, die Projektierungsunterlage ist ein Datenblatt, das der Einkauf ohne Rückfrage bestellen kann.

Zusammen mit der Vorauswahl aus Lernangebot 4 ist das Meilenstein M2. Ein anderes Team prüft vor, die Leitung Bahnbetrieb nimmt ab.

5.1Bestimme das Effektivmoment je Motor aus der Momenten-Zeit-Tabelle des Umlaufs
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Aufgabe 5.1

Bestimme das Effektivmoment je Motor aus der Momenten-Zeit-Tabelle des Umlaufs:

  • Erkläre, weshalb für die Erwärmung des Motors das Quadrat des Moments zählt.
  • Berechne für jeden Abschnitt Mi² · ti und die Summe über den Umlauf.
  • Berechne das Effektivmoment über den Umlauf.
  • Prüfe, ob Kandidat A, Kandidat B und der Bestandsmotor das Fahrspiel thermisch schaffen, und gib die Ausnutzung in Prozent an.
  • Begründe, weshalb das Vorzeichen des Moments für die Erwärmung keine Rolle spielt.
Abschnitt Mi in Nm ti in s Mi² · ti in Nm²s
Anfahren mit Grenzmoment
Beschleunigen mit konstanter Leistung
Beharrung eben
Rampe aufwärts
Rampe abwärts
Betriebsbremsung
Halt
Summe über den Umlauf

Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Effektivwert · Betriebsarten · Stromwärme · Bemessungsleistung, Motoren · Erwärmungsprüfung

Allein Diese Aufgabe bearbeitest du allein.

5.2Prüfe Spitzenmoment und Höchstdrehzahl gegen die Kandidaten
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Aufgabe 5.2

Prüfe Spitzenmoment und Höchstdrehzahl gegen die Kandidaten:

  • Bestimme aus dem Lastenheft das größte Moment je Motor und die größte Motordrehzahl.
  • Berechne, wie lange das Grenzmoment bei einer Anfahrt ansteht.
  • Prüfe beide Werte gegen Kurzzeitmoment und mechanische Höchstdrehzahl von Kandidat A und Kandidat B.
  • Prüfe das Bremsmoment bei Bremsbeginn aus 50 km/h gegen das kurzzeitig verfügbare Moment beider Kandidaten bei dieser Drehzahl; nimm dafür deine Ergebnisse aus Lernangebot 4.
  • Beurteile die Reserve beider Kandidaten an der Spitze und im Feldschwächbereich.

Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Anzugsmoment · Kurzzeitbetrieb · Drehzahlstellbereich · Asynchronmotor

Allein Diese Aufgabe bearbeitest du allein.

5.3Trage die Betriebsfälle des Lastenhefts in das Kennlinienfeld ein
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Aufgabe 5.3

05001.0001.5002.0002.5003.0003.5004.0004.500−1.000−800−600−400−20002004006008001.000motorischgeneratorischn in min⁻¹M in NmVorlage: Kennlinienfeld für deine Arbeitspunkte
Leeres Kennlinienfeld als Vorlage in zwei Quadranten: Moment M von −1.000 Nm bis 1.000 Nm über der Drehzahl n von 0 min⁻¹ bis 4.500 min⁻¹, oben motorisch, unten generatorisch, mit Raster. Grenzkennlinien und Arbeitspunkte trägst du selbst ein. Eigene Darstellung für den Unterricht.

Trage die Betriebsfälle des Lastenhefts in das Kennlinienfeld ein:

  • Zeichne die Grenzkennlinien von Kandidat A und Kandidat B für Dauerbetrieb S1 und kurzzeitig in beide Quadranten ein.
  • Trage die sieben Betriebsfälle aus dem Lastenheft als Arbeitspunkte ein.
  • Trage das Effektivmoment als waagerechte Linie ein.
  • Kennzeichne, welche Arbeitspunkte nur kurzzeitig zulässig sind.
  • Beurteile die Reserve im Arbeitspunkt „50 km/h in der Rampe“ für beide Kandidaten.

Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Antriebstechnik · Kennlinien · Quadranten der Antriebe · Betriebsarten · Überlastschutz

Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.

5.4Prüfe, ob der Traktionsumrichter zu beiden Kandidaten passt
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Aufgabe 5.4

Prüfe, ob der Traktionsumrichter zu beiden Kandidaten passt:

  • Berechne den Motorstrom beider Kandidaten beim Grenzmoment im Grunddrehzahlbereich.
  • Berechne den Motorstrom beider Kandidaten bei Bremsbeginn aus 50 km/h.
  • Schätze den Effektivwert des Motorstroms über den Umlauf ab.
  • Prüfe die Ströme gegen Dauerstrom, Kurzzeitstrom und dessen zulässige Dauer.
  • Prüfe Ausgangsspannung und Ausgangsfrequenz des Umrichters für beide Kandidaten.

Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Frequenzumrichter · Umrichter · Überlastschutz · Zwischenkreisumrichter

Allein Diese Aufgabe bearbeitest du allein.

5.5Prüfe die Antriebsmechanik zwischen Motor und Rad
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Aufgabe 5.5

Stromschiene 750 V DC-XD1Stromabnehmer-TB1TraktionsumrichterZwischenkreis · BremsstellerWechselrichter 3 AC 0 bis 200 Hz= → 3~-RA1BremswiderstandRückleiterschiene-XD2M3~-MA1-BG1Drehzahlistwerti = 10GetriebeRad ⌀ 0,90 mFahrbahn Beton
Antriebsstrang eines Wagens nach dem Umbau: Stromabnehmer XD1 an der Stromschiene 750 V DC, Traktionsumrichter TB1 mit Zwischenkreis, Bremssteller und Wechselrichter, Bremswiderstand RA1, Dreiphasen-Fahrmotor MA1 mit Drehgeber BG1, Getriebe mit i = 10 (in Kursfarbe hervorgehoben) und Rad mit 0,90 m Durchmesser auf der Betonfahrbahn. Eigene Darstellung für den Unterricht.

Prüfe die Antriebsmechanik zwischen Motor und Rad:

  • Berechne das auf die Motorwelle reduzierte Trägheitsmoment der vollen Zugmasse je Motor.
  • Vergleiche es mit dem Trägheitsmoment des Läufers.
  • Berechne, welchen Anteil die beiden Läufer am Drehmassenzuschlag des Zugs haben.
  • Untersuche, was ein Getriebe mit i = 8 statt i = 10 für Moment, Drehzahl und Frequenz bedeuten würde.
  • Begründe, ob i = 10 zu den Kandidaten passt.

Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Moment · Übersetzungsverhältnis · Getriebe · Beschleunigung

Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.

5.6Vergleiche Energiebedarf und Wartung von Kandidat A und Kandidat B über ein Jahr
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Aufgabe 5.6

Vergleiche Energiebedarf und Wartung von Kandidat A und Kandidat B über ein Jahr:

  • Berechne für beide Kandidaten die Energie aus der Stromschiene und die zurückgespeiste Energie je Zug und Jahr.
  • Berechne den Nettobezug und die Stromkosten je Zug und Jahr.
  • Berechne die Einsparung von Kandidat B gegenüber Kandidat A in kWh und in Euro.
  • Berechne die Mehrkosten von Kandidat B je Zug und die statische Amortisationszeit.
  • Berechne die Wartungskosten der neuen Fahrmotoren je Zug und Jahr und vergleiche sie mit dem Bestand.

Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Wirkungsgrad · Energieverbrauch · Abschreibung · Kostenrechnung · Vierquadrantenbetrieb

Allein Diese Aufgabe bearbeitest du allein.

5.7Vergleiche die Lebenszykluskosten beider Kandidaten über die Nutzungsdauer
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Aufgabe 5.7

Vergleiche die Lebenszykluskosten beider Kandidaten über die Nutzungsdauer:

  • Berechne die Lebenszykluskosten je Zug über 30 Jahre für beide Kandidaten aus Investition, Energie und Wartung.
  • Bestimme, welcher Kostenblock die Lebenszykluskosten bestimmt.
  • Berechne den Kapitalwert der Mehrinvestition in Kandidat B mit 3 % Zins als Ausblick.
  • Untersuche, wie sich die Amortisationszeit bei 0,15 €/kWh und bei 0,30 €/kWh ändert und was ohne Rückspeisung geschieht.
  • Bewerte, welche Annahme das Ergebnis am stärksten verschiebt.

Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Kosten-Nutzen-Betrachtung · Kostenrechnung · Zinsberechnung

Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.

5.8Erstellt im Team die Entscheidungsvorlage für den Auftraggeber als Lernprodukt
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Aufgabe 5.8

Erstellt im Team die Entscheidungsvorlage für den Auftraggeber als Lernprodukt:

  • Legt Kriterien und Gewichte fest, bevor ihr die Kandidaten bewertet, und begründet die Gewichte.
  • Bewertet Kandidat A und Kandidat B in einer Nutzwertanalyse.
  • Entscheidet euch für einen Kandidaten und begründet die Entscheidung auf einer Seite.
  • Würdigt die Gegenposition: Unter welchen Annahmen wäre der andere Kandidat die bessere Wahl?
  • Stellt die Projektierungsunterlage für Motor, Umrichter und Getriebe mit allen Kennwerten und Nachweisen zusammen.
  • Präsentiert die Vorlage dem Auftraggeber zur Abnahme von Meilenstein M2.
Kriterium Gewicht in % Punkte Kandidat A Punkte Kandidat B Begründung

Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Kosten-Nutzen-Betrachtung · Präsentation, Projekt- · Projektierung · Lastenheft · Pflichtenheft

Im Team Diese Aufgabe bearbeitet ihr im Projektteam. Jede und jeder kann das Ergebnis am Ende erklären.

Die Lage ändert sich

Der Bahnbetrieb denkt weiter: „Die neue Bahn zu Terminal 3 fährt bis zu 80 km/h. Vielleicht bringen wir die alte später auf 60 km/h. Verbaut uns eure Auswahl das?“

Überprüfe dein Lernprodukt an diesem Fall:

  • Prüfe deine Auslegung bei 60 km/h für Drehzahl, Frequenz und Moment im Feldschwächbereich.
  • Beurteile, ob deine Entscheidung zwischen Kandidat A und Kandidat B dadurch kippt.
  • Entscheide, was ihr dem Auftraggeber dazu in die Entscheidungsvorlage schreibt.

Mit Lernpartner Diese Überprüfung macht ihr zu zweit. Wer beide Fälle erklären kann, hat die Sache verstanden.