Hier entscheidest du, wie jeder Antrieb am Zug angesteuert wird, und legst die Regler des Fahrantriebs aus. Nimm dir die Karte „Größen im Regelkreis“, deinen Motor aus Meilenstein M2 und das Tabellenbuch dazu.
Schritt 2 von 5. Du vergleichst die Ansteuermethoden, ergänzt den Wirkungsplan der Kaskade, legst Strom- und Drehzahlregler aus, wertest die Sprungantworten aus und bezifferst, was die Verfahren einsparen.
Danach: Lernangebot 10 · Inbetriebnahme, Parametrierung, EMV
Der wichtigste Satz auf dieser Seite: Innen schnell, außen langsam: Jeder Kreis der Kaskade verlässt sich darauf, dass der Kreis in ihm seine Arbeit schon getan hat.
Am Ende hast du: ein Regelkonzept für den Musterzug mit der Ansteuermethode je Antrieb, der Kaskade als Wirkungsplan, ausgelegten Strom- und Drehzahlreglern, belegten Sprungantworten und dem Einsparpotenzial in Euro.
Karte „Größen im Regelkreis“: Führungsgröße, Regelgröße, Rückführgröße, Regeldifferenz, Stellgröße und Störgröße am Fahrantrieb, dazu die Kaskade aus Lage, Drehzahl und Strom. Die Karte steht im Wissensspeicher. Du kennst sie aus LF 8 der Berufsschule.
Rückblick: der Regelkreis am Steigband
Am Steigband in LF 8 gab es einen Regelkreis: Drehgeber, Drehzahlregler, Umrichter. Sieh dir die Szene noch einmal an und achte darauf, welche Größe sich nach dem Lastsprung zuerst ändert. Am Fahrantrieb sitzen drei solche Kreise ineinander.
Die Regelkreis-Szene aus LF 8 lädt. Ohne JavaScript siehst du sie nicht; die Karte „Größen im Regelkreis“ zeigt dieselben Größen.
Die Kaskade des Fahrantriebs
So antworten die Regelkreise auf einen Sprung
Simuliert ist ein kleiner Sprung des Sollwerts, so klein, dass kein Regler an eine Grenze stößt. Links der Stromregelkreis, rechts der Drehzahlregelkreis des vollen Zugs, einmal mit springendem und einmal mit geglättetem Sollwert.
Erst du, dann die anderen
Die Meisterin der Elektrowerkstatt fragt: „Woher kommen eigentlich die Reglerwerte im Umrichter? Ab Werk stehen da irgendwelche Zahlen.“ Wie würdest du zu Reglerwerten für den Musterzug kommen, die du ihr erklären kannst?
So gehen andere vor. Such dir einen Weg aus.
- Mit Einstellregeln aus Ersatzwerten rechnen. Betragsoptimum und symmetrisches Optimum liefern Werte in einer halben Stunde, jeder Schritt ist nachvollziehbar und dokumentierbar. Der Preis: Die Ersatzwerte müssen stimmen, und das Modell kennt keine Lose im Getriebe und keine Schwingung im Wagenkasten.
- Das Autotuning des Umrichters laufen lassen. Der Umrichter misst die Strecke selbst und stellt die Regler ein, am Zug in einer Nacht erledigt. Der Preis: Du erfährst nicht, nach welchem Kriterium er einstellt, der Zug muss dafür frei drehen oder fahren, und in der Parameterliste steht kein „weshalb“.
- Am Zug ausprobieren und nachstellen. Mit der Trendaufzeichnung an der echten Strecke optimieren, mit Getriebe, Rädern und Fahrgastgefühl. Der Preis: Jeder Versuch kostet Wartungsfenster, ein zu hart eingestellter Regler lässt Getriebe und Zug schwingen, und ohne Startwert dauert es lange.
Es gibt hier nicht den einen richtigen Weg. Entscheide dich für einen und schreibe dazu, weshalb.
Gegebene Werte: Regelstrecke, Fahrspiel, Hilfsantriebe · aufklappen, wenn du rechnest
Gegebene Werte: Regelstrecke, Fahrspiel, Hilfsantriebe
- Ständerkreis je Fahrmotor (Ersatzwerte)
- R = 0,05 Ω, L = 1,5 mH; Summe der kleinen Zeitkonstanten im Stromkreis Tσi = 0,5 ms (Pulsfrequenz 4 kHz, Strommessung)
- Drehzahlerfassung
- Drehgeber BG1, 1.024 Striche; Glättung des Drehzahlistwerts 2 ms
- Trägheitsmoment
- Läufer des Fahrmotors JMotor = 0,8 kg·m²
- Zug
- Masse voll 31 t, leer 23 t; Rad ⌀ 0,90 m; Getriebe i = 10; zwei angetriebene Wagen, je Wagen ein Motor
- Lastenheft aus Meilenstein M1
- Anfahren und Betriebsbremsung 0,8 m/s², Ruck höchstens 0,8 m/s³, Höchstgeschwindigkeit 50 km/h; Momentgrenze je Motor 740 Nm bis 25 km/h, darüber konstante Leistung; Bedarf je Motor bei 50 km/h in der Rampe, voll: 387 Nm
- Traktionsumrichter je Motor
- Dauerstrom 180 A, kurzzeitig 320 A für 30 s; feldorientierte Regelung mit Drehgebereingang
- Einstellregel Betragsoptimum (PI-Regler an Strecke mit Verzögerungen)
- Tn = größte Zeitkonstante der Strecke; VR = T12 · VS · Tσ mit VS = 1R für den Ständerkreis
- Einstellregel symmetrisches Optimum (PI-Regler an Strecke mit Integrator)
- Tn = 4 · Tσ; Kp = J2 · Tσ für den Drehzahlkreis; Tσ ist die Summe der kleinen Zeitkonstanten des Kreises; Sollwertglättung mit 4 · Tσ
- Verdampferlüfter MA21 (je Wagen)
- Leistungsaufnahme 2,2 kW bei 50 Hz am Bordnetz; bisher feste Drehzahl, die Temperatur wird über den Kompressor geregelt
- Betriebsprofil MA21 mit Umrichter (Unterrichtswert)
- 20 h am Tag, 365 Tage; Bedarf 30 % der Zeit 50 Hz, 40 % der Zeit 40 Hz, 30 % der Zeit 30 Hz; Wirkungsgrad des Umrichters 0,97; 18 Wagen
- Strompreis und Werte aus früheren Meilensteinen
- 0,20 €/kWh; Rückspeisung der Bremsenergie (Meilenstein M3): 14.529 € je Zug und Jahr; PMSM statt ASM (Meilenstein M2): 1.495 € je Zug und Jahr
Alle Werte zur alten Bahn sind Unterrichtswerte. Zahlen zum Flughafen sind öffentliche Größenordnungen, gerundet.
Dein Lernprodukt im Einzelnen
Dein Lernprodukt
Regelkonzept Musterzug
Darauf laufen die Aufgaben dieses Lernangebots zu. Die Aufgaben sind die Stufen dorthin, das Lernprodukt ist das Ergebnis.
Es besteht aus
- der Ansteuermethode für jeden Antrieb am Zug und am Bahnsteig, mit Vorzug und Preis
- dem Wirkungsplan der Kaskade mit allen Größen, Messgliedern, Grenzen und der Störgröße
- der Auslegung von Strom- und Drehzahlregler mit Rechenweg
- der Auswertung der Sprungantworten und dem gewählten Optimierungskriterium
- den Einstellungen von Hochlaufgeber und Sollwertglättung
- dem Kosteneinsparpotenzial in Kilowattstunden und Euro je Jahr
Zur Dokumentation
Das Regelkonzept passt auf drei Seiten: eine Tabelle der Ansteuermethoden, ein Wirkungsplan, eine Seite Rechnung und Bewertung. Jeder Reglerwert steht mit Formel, eingesetzten Werten und Einheit da, jede Kurve mit Quelle (eigene Simulation, Labormessung). Die Werte gehen unverändert in die Parameterliste aus Lernangebot 10.
Zusammen mit den Unterlagen aus Lernangebot 10 legt ihr das Regelkonzept zu Meilenstein M4 der Leitung Bahnbetrieb vor. Vorher nimmt ein anderes Team es ab, die Projektleitung zeichnet ab.
9.1Vergleiche die Antriebs- und Ansteuermethoden für die Antriebe an Zug und Bahnsteig
Jetzt bist du dran · Mit Lernpartner · 5 ArbeitsschritteÖffnen ▾Schließen ▴
Aufgabe 9.1
Die Antriebe: Fahrmotoren MA1, MA2 · Türantrieb MA11 an der Bahnsteigtür (Servomotor 0,2 kW, Absolutwertgeber) · Verdampferlüfter MA21 des Klimageräts, 2,2 kW · Kompressor MA22 des Klimageräts, 7,5 hp, künftig am Bordnetz 400 V, 50 Hz · Fremdlüfter am Bremswiderstand RA1.
Vergleiche die Antriebs- und Ansteuermethoden für die Antriebe an Zug und Bahnsteig:
- Beschreibe für jede Methode, wie sie den Motor anlaufen lässt und bremst.
- Gib an, ob die Methode die Drehzahl stellen oder den Antrieb positionieren kann.
- Ordne jeder Methode einen Antrieb mit Kennzeichen zu, oder begründe, weshalb sie dort keinen Platz hat.
- Nenne je Methode einen Vorzug und einen Preis.
- Entscheide, welche Antriebe einen Drehgeber brauchen.
| Methode | Anlauf und Bremsen | Drehzahl stellbar? positionierbar? | Antrieb (Kennzeichen) | Vorzug | Preis |
|---|---|---|---|---|---|
| Direktanlauf | |||||
| Stern-Dreieck-Anlauf | |||||
| Sanftanlauf | |||||
| U/f-Steuerung am Umrichter | |||||
| feldorientierte Regelung mit Drehgeber | |||||
| Ankerstromregelung über Gleichstromsteller (Bestand) |
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Anlassarten · Sanftanlasser · Frequenzumrichter · Umrichter · Gleichstromsteller
Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.
9.2Ergänze den Wirkungsplan der Kaskade für den Fahrantrieb von Wagen 1
Jetzt bist du dran · Mit Lernpartner · 7 ArbeitsschritteÖffnen ▾Schließen ▴
Aufgabe 9.2
Ergänze den Wirkungsplan der Kaskade für den Fahrantrieb von Wagen 1:
- Ordne jedem der drei Kreise Führungsgröße, Regelgröße, Rückführgröße und Stellgröße zu.
- Wähle für jeden Kreis den Reglertyp P, PI oder PID und begründe deine Wahl.
- Trage die Störgröße mit ihren Ursachen am Zug ein.
- Benenne die drei Messglieder mit Kennzeichen.
- Trage ein, wo die Grenzen für Drehzahl, Moment und Strom wirken.
- Entscheide, wann der Lageregler arbeitet und woher der Drehzahlsollwert sonst kommt.
- Begründe, weshalb der innere Kreis schneller sein muss als der äußere.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Regelkreis · Wirkungsplan · Winkelgeber
Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.
9.3Lege den Stromregler eines Fahrmotors nach dem Betragsoptimum aus
Jetzt bist du dran · Allein · 5 ArbeitsschritteÖffnen ▾Schließen ▴
Aufgabe 9.3
Lege den Stromregler eines Fahrmotors nach dem Betragsoptimum aus:
- Berechne die elektrische Zeitkonstante des Ständerkreises.
- Lege die Nachstellzeit des Stromreglers fest.
- Berechne die Verstärkung des Stromreglers.
- Gib die Ersatzzeitkonstante des geschlossenen Stromregelkreises an.
- Erkläre, weshalb die Pulsfrequenz des Umrichters in die Auslegung eingeht.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Reglereinstellung · Zeitkonstante · PI-Regelglied · Pulsweitenmodulation
Allein Diese Aufgabe bearbeitest du allein.
9.4Lege den Drehzahlregler nach dem symmetrischen Optimum aus
Jetzt bist du dran · Allein · 5 ArbeitsschritteÖffnen ▾Schließen ▴
Aufgabe 9.4
Lege den Drehzahlregler nach dem symmetrischen Optimum aus:
- Berechne das Trägheitsmoment des vollen Zugs, auf eine Motorwelle umgerechnet.
- Bestimme das gesamte Trägheitsmoment, das ein Motor beschleunigen muss.
- Bestimme die Summe der kleinen Zeitkonstanten des Drehzahlkreises.
- Berechne Nachstellzeit und Verstärkung des Drehzahlreglers.
- Begründe, weshalb hier das symmetrische Optimum und nicht das Betragsoptimum gewählt wird.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Reglereinstellung · Moment · Getriebe · Drehzahlregelung
Allein Diese Aufgabe bearbeitest du allein.
9.5Werte die simulierten Sprungantworten der beiden Regelkreise aus
Jetzt bist du dran · Mit Lernpartner · 5 ArbeitsschritteÖffnen ▾Schließen ▴
Aufgabe 9.5
Werte die simulierten Sprungantworten der beiden Regelkreise aus:
- Lies für den Stromregelkreis Überschwingweite und Anregelzeit ab.
- Lies für den Drehzahlregelkreis ohne und mit Sollwertglättung Überschwingweite, Anregelzeit und Ausregelzeit für ein Band von ± 2 % ab.
- Vergleiche die Werte mit den Kennwerten der beiden Einstellregeln aus deinem Fachbuch.
- Erkläre, weshalb die Sollwertglättung das Überschwingen senkt, ohne das Ausregeln eines Laststoßes zu verändern.
- Begründe, welches Optimierungskriterium für den Fahrantrieb zählt: kleine Überschwingweite, kurze Anregelzeit oder kurze Ausregelzeit.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Sprungantwort · Regelkreis · Führungsgröße · Störgröße
Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.
9.6Prüfe, was der Drehzahlregler im fahrenden Zug wirklich zu sehen bekommt
Jetzt bist du dran · Mit Lernpartner · 5 ArbeitsschritteÖffnen ▾Schließen ▴
Aufgabe 9.6
Prüfe, was der Drehzahlregler im fahrenden Zug wirklich zu sehen bekommt:
- Berechne, wie groß ein Sollwertsprung ohne Glättung höchstens sein darf, bevor der Proportionalanteil allein im ersten Augenblick die Momentgrenze von 740 Nm erreicht.
- Berechne die Änderung der Motordrehzahl je Sekunde, die zu einer Beschleunigung von 0,8 m/s² gehört.
- Berechne die Verrundungszeit des Hochlaufgebers aus dem zulässigen Ruck.
- Erkläre, weshalb im Zug der Drehzahlsollwert aus einem Hochlaufgeber kommt und nie springt.
- Prüfe, ob der Regler den vollen Zug bei 50 km/h in der Rampe auf Drehzahl halten kann, und beschreibe, was sonst geschieht.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Frequenzumrichter · Beschleunigung · Stellgröße
Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.
9.7Beziffere das Kosteneinsparpotenzial der Steuer- und Regelverfahren am Zug
Jetzt bist du dran · Allein · 5 ArbeitsschritteÖffnen ▾Schließen ▴
Aufgabe 9.7
Beziffere das Kosteneinsparpotenzial der Steuer- und Regelverfahren am Zug:
- Berechne die Leistung des Verdampferlüfters MA21 bei 40 Hz und bei 30 Hz.
- Berechne die mittlere Leistungsaufnahme mit U/f-Steuerung nach dem Betriebsprofil, mit dem Wirkungsgrad des Umrichters.
- Berechne die Einsparung gegenüber der festen Drehzahl für einen Wagen und für die Flotte, in Kilowattstunden und Euro je Jahr.
- Stelle die Einsparung den Werten für Rückspeisung und Motorart aus den früheren Meilensteinen gegenüber, alles für die Flotte.
- Bewerte, welcher Teil der Einsparungen erst durch das Steuer- oder Regelverfahren möglich wird.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Moment von Arbeitsmaschinen · Ventilator · Energie-Einsparpotenzial · Kosten-Nutzen-Betrachtung
Allein Diese Aufgabe bearbeitest du allein.
9.8Entwerft das Regelkonzept für den Musterzug
Jetzt bist du dran · Im Team · 5 ArbeitsschritteÖffnen ▾Schließen ▴
Aufgabe 9.8
Entwerft das Regelkonzept für den Musterzug:
- Entscheidet für jeden Antrieb am Zug die Ansteuermethode.
- Zeichnet die Kaskade des Fahrantriebs mit euren Werten und Grenzen.
- Legt Sollwertglättung und Hochlaufgeber fest.
- Entscheidet, nach welchem Kriterium ihr die Regler am Zug nachoptimiert, und begründet es mit dem, was der Fahrgast spürt.
- Begründet euer Konzept auf einer Seite für die Leitung Bahnbetrieb.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Regelungstechnik · Regelkreis · Regelkreis, Einstellung · Dokumentation
Im Team Diese Aufgabe bearbeitet ihr im Projektteam. Jede und jeder kann das Ergebnis am Ende erklären.
Die Lage ändert sich
Nachts fährt der Musterzug fast leer, mit 23 t statt 31 t. Der Drehzahlregler bleibt auf den vollen Zug eingestellt.
Überprüfe dein Lernprodukt an diesem Fall:
- Prüfe, wie sich Trägheitsmoment, Durchtrittsfrequenz und Überschwingen des Drehzahlkreises ändern.
- Bewerte, ob ein Fahrgast den Unterschied merkt.
- Entscheide, ob die Reglerverstärkung mit der Beladung nachgeführt werden soll.
Mit Lernpartner Diese Überprüfung macht ihr zu zweit. Wer beide Fälle erklären kann, hat die Sache verstanden.