Teil 3 von 8⏱ 22 hSprint 2 · Meilenstein M2
Das Lastenheft steht: Fahrspiel, Momente, Betriebsumfeld und die beiden Typenschilder aus den USA sind ausgewertet. Jetzt fällt die Entscheidung, die dreißig Jahre hält: Welcher Motor ersetzt den Gleichstrom-Reihenschlussmotor, und welcher Umrichter speist ihn? In diesem Teil vergleichst du die Maschinen, legst Motor, Umrichter und Getriebe aus und rechnest, was die Wahl über die Nutzungsdauer kostet.
Schritt 1 von 5. Du liest die Lage, siehst dir den Antriebsstrang im Bestand an und planst mit deinem Team den Weg bis Meilenstein M2.
Danach: Lernangebot 4 · Gleichstrom, Asynchron, Synchron
Agil arbeiten · Sprint 2
Eure Storycard für Teil 3
Druckt sie doppelseitig aus, bevor ihr loslegt. Im Planning schreibt ihr euer Sprintziel in eigenen Worten auf und ergänzt eigene Kriterien. Am Ende prüft das andere Team gegen die Akzeptanzbedingungen, danach haltet ihr eure Retrospektive.
1 Planning2 Arbeiten mit Daily3 Review4 Retrospektive
Storycard Teil 3 herunterladen PDF · 2 Seiten · 356 KB
Im Projekt: Welcher Motor ersetzt den Gleichstrommotor?
Deine Lernangebote in Teil 3
Lernangebot 4 · Gleichstrom, Asynchron, SynchronLernangebot 5 · Dimensionieren und Kosten
Die Karte kennst du von „Bevor du loslegst“. Sie zeigt, was du in diesem Teil lernst.
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.
Der wichtigste Satz auf dieser Seite: Der beste Motor ist nicht der stärkste, sondern der, der das Fahrspiel dreißig Jahre lang kühl übersteht und sich rechnet.
Check-in: Wo ist dir das schon begegnet?
Klick bei jedem Punkt an, wo er dir schon begegnet ist: im Betrieb, privat oder in einem früheren Lernfeld. Das ist keine Bewertung.
Wozu der Check-in?
Manches kennst du aus der Berufsschule und aus deinem Betrieb. Das ist Absicht. In LF 8 „Koffer auf Kurs“ hast du den Asynchronmotor am Umrichter, das Leistungsschild und die U/f-Steuerung kennengelernt, und viele von euch haben im Betrieb Motoren nach dem Leistungsschild getauscht. Neu ist, dass du jetzt nicht tauschst, sondern auslegst: nach Erwärmung, Spitze und Drehzahl, im Kennlinienfeld, mit dem passenden Umrichter und mit einer Kostenrechnung über dreißig Jahre. Ordne trotzdem ehrlich ein, wo dir die Punkte schon begegnet sind: im Betrieb, privat oder in einem früheren Lernfeld.
Darum geht es
Als Ingenieurbüro möchten wir für die 18 Wagen der alten Bahn den Fahrmotor und den Traktionsumrichter auswählen und auslegen, die das Fahrspiel aus dem Lastenheft dreißig Jahre lang sicher und ohne Überhitzung fahren und sich über Energie und Wartung rechnen, damit der Bahnbetrieb auf einer nachvollziehbaren Entscheidungsvorlage bestellen kann.
Das bewegte Überblicksbild zu diesem Teil lädt. Darunter stehen Strecke und Antriebsstrang als Übersichtspläne.
Übersichtspläne: Strecke und Antriebsstrang
Die Lage im Ingenieurbüro
Meilenstein M1 ist abgenommen. Die Leitung Bahnbetrieb hat das Lastenheft gelesen und schreibt zurück: „Gut. Jetzt will ich wissen, was wir kaufen. Angeboten sind ein Asynchronmotor, ein Permanentmagnetmotor und, falls ihr beim Gleichstrom bleiben wollt, ein neuer Gleichstrommotor. Ich brauche eine Entscheidung, die ich dem Einkauf und der Geschäftsführung erklären kann: Was passt, was kostet es über die Jahre, und wo liegen die Risiken?“ Euer Ergebnis ist Meilenstein M2: Motor und Umrichter ausgewählt, ausgelegt und mit Kosten verglichen. Ein anderes Team prüft vor, die Leitung Bahnbetrieb nimmt ab.
Die alte Bahn in Zahlen · Unterrichtswerte
| Größe | Wert |
|---|---|
| Zug | Zweiwagenzug, beide Wagen angetrieben, je Wagen ein Fahrmotor; leer 23 t, voll 31 t |
| Fahrspiel | 1.100 m je Richtung, Höchstgeschwindigkeit 50 km/h, Anfahren und Bremsen mit 0,8 m/s², Umlauf 254,6 s, 45.500 Umläufe je Zug und Jahr |
| Getriebe und Rad | i = 10, ηG = 0,96, Rad 0,90 m; 2.947 min⁻¹ am Motor bei 50 km/h |
| Bestand | Gleichstrom-Reihenschlussmotor 150 hp (111,9 kW), 520 V DC, 236 A, 2.400 rpm, Bürstenwechsel alle 40.000 km |
| Energiebereitstellung | Stromschiene 750 V DC, Bereich 500 V bis 900 V dauernd |
| Flotte | 18 Wagen in 9 Zügen, rund 100.000 km je Zug und Jahr, Nutzungsdauer der neuen Antriebe 30 Jahre |
Das kennst du schon aus LF 8, Teil 1 und Teil 2
Aus LF 8 der Berufsschule „Koffer auf Kurs“: die Struktur eines Antriebssystems, das Leistungsschild, den Asynchronmotor am Umrichter mit U/f-Steuerung und die Anlassverfahren. Aus Teil 1: euer Fahrspiel mit den Kräften, Momenten, Drehzahlen und Leistungen für sieben Betriebsfälle und die Energie je Umlauf. Aus Teil 2: Schutzart, Kühlart, thermische Klasse, die Betriebsart des Fahrspiels und das Typenschild des Gleichstrommotors mit seiner Umrechnung. Teil 3 baut darauf auf: Aus dem Lastenheft werden Motor, Umrichter und Getriebe, und aus den Wirkungsgraden wird eine Kostenrechnung.
Erst schätzen, dann arbeiten
Der Permanentmagnetmotor kostet rund die Hälfte mehr als der Asynchronmotor, sein Wirkungsgrad ist nur 2,5 Prozentpunkte höher. Lohnt sich der Aufpreis im Bahnbetrieb, und wenn ja, nach wie vielen Jahren? Schreib deine Schätzung auf, bevor du rechnest. In Lernangebot 5 rechnest du nach.
Das tut ihr jetzt: dein Weg in 12 Schritten
Kursmaterial · Storycard
Die Storycard zu Teil 3. Zwei Seiten: vorne Story, Akzeptanzbedingungen, Sprintziel und „Die Lage ändert sich“, hinten Anschluss, Kompetenzmodell und Retrospektive. Druck sie doppelseitig aus und leg sie neben das Tabellenbuch.
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Mehr zu diesem Teil
Dein Weg im Einzelnen
- Auftrag klären
Lies die Lage und euer Lastenheft und schreib auf, was ihr für die Auswahl noch nicht wisst. - Expertengruppen bilden
Teilt euch auf: Gleichstrommotor, Asynchronmotor, Synchronmotor, Servoantrieb. - Den Bestand verstehen
Werte Aufbau und Kennlinie des Reihenschlussmotors aus. - Dreiphasenwechselstrom am Umrichter
Rechne Schlupf, Frequenz, Polradspannung und das Moment im Feldschwächbereich aus den Katalogdaten. - Kennlinien skizzieren
Zeichnet die Grenzkennlinien M(n) der drei Maschinen. - Vergleichsmatrix und Vorauswahl
Führt das Wissen der Expertengruppen in der Stammgruppe zusammen und entscheidet, welche Kandidaten ihr auslegt. - Effektivmoment
Rechnet das Effektivmoment aus der Momenten-Zeit-Tabelle des Umlaufs. - Spitze, Drehzahl, Arbeitspunkte
Prüft alle Betriebsfälle im Kennlinienfeld. - Umrichter und Mechanik
Prüft Strom, Spannung, Frequenz, Getriebe und Trägheit. - Energie und Amortisation
Rechnet den Energiebedarf beider Kandidaten und die Amortisation. - Lebenszykluskosten
Vergleicht die Kosten über 30 Jahre und prüft, welche Annahme das Ergebnis verschiebt. - Entscheidungsvorlage und Abnahme M2
Schreibt die Vorlage, lasst ein anderes Team vorprüfen und präsentiert sie dem Auftraggeber. Danach Wissensspeicher und Kompetenzmodell.
Was ihr selbst entscheidet
Der Auftrag sagt, was am Ende vorliegen muss, nicht, wie es ausfällt. Bei euch liegen: die Motorart (Asynchronmotor oder Permanentmagnetmotor, beide sind tragfähig), die Kriterien und ihre Gewichte in der Entscheidungsvorlage, die Annahmen, die ihr für die Kostenrechnung trefft, und die Form, in der ihr dem Auftraggeber präsentiert. Wählen alle Teams dasselbe, ist das kein Fehler. Dann zählt umso mehr, dass ihr die Gegenposition fachlich würdigen könnt.
Fertig bist du, wenn …
Das Arbeitspaket gilt erst als fertig, wenn ein anderes Team alle Punkte vorgeprüft und die Leitung Bahnbetrieb Meilenstein M2 abgenommen hat:
- Die Vergleichsmatrix für Gleichstrommotor, Asynchronmotor und Synchronmotor ist für alle zehn Kriterien ausgefüllt und, wo möglich, mit Katalogwerten oder Rechnungen belegt; der Servoantrieb und die alternativen Antriebe sind abgegrenzt.
- Die Grenzkennlinien M(n) der drei Maschinen sind mit Grunddrehzahl- und Feldschwächbereich, Bemessungspunkt und Grenzen skizziert.
- Das Effektivmoment ist aus der Momenten-Zeit-Tabelle des Umlaufs berechnet und gegen das Bemessungsmoment geprüft; die Annahme zur Kühlung im Stillstand ist benannt.
- Spitzenmoment, Höchstdrehzahl und alle sieben Betriebsfälle des Lastenhefts stehen im Kennlinienfeld des gewählten Motors; die Reserve ist beziffert, auch im Feldschwächbereich.
- Der Traktionsumrichter ist über Dauerstrom, Kurzzeitstrom und dessen Dauer, Ausgangsspannung und Ausgangsfrequenz geprüft.
- Das Getriebe i = 10 ist geprüft, das reduzierte Trägheitsmoment ist berechnet.
- Der Kostenvergleich ASM gegen PMSM enthält Investition, Energie, Wartung, statische Amortisation und Lebenszykluskosten über 30 Jahre; alle Annahmen stehen dabei.
- Die Entscheidungsvorlage enthält Kriterien mit Gewichten, die Entscheidung mit Begründung und die gewürdigte Gegenposition.
- Die Projektierungsunterlage nennt Motor, Umrichter und Getriebe mit allen Kennwerten und Nachweisen.
- Ein anderes Team hat vorgeprüft, die Leitung Bahnbetrieb hat Meilenstein M2 abgenommen; das Wissensspeicher-Blatt ist vollständig.
Das brauchst du dafür
- Euer Lastenheft aus Teil 1 und Teil 2 (Meilenstein M1): Fahrspiel, Betriebsfälle, Energie je Umlauf, Betriebsumfeld, Typenschilder
- Lernangebot 4 (Gleichstrom, Asynchron, Synchron) und Lernangebot 5 (Dimensionieren und Kosten) mit dem Katalogauszug der drei Angebote
- Tabellenbuch Elektrotechnik, Taschenrechner und eine Tabellenkalkulation für die Kostenrechnung
- Wenn vorhanden: das Antriebslabor mit Umrichter, Asynchronmotor und Bremsmaschine
- Die Wissensspeicher-Vorlage
Das kommt in deinen Wissensspeicher
Ein Blatt „Welcher Motor ersetzt den Gleichstrommotor?“: die Grenzkennlinien M(n) der drei Maschinen, die Formeln für Synchrondrehzahl, Schlupf, Frequenz, Polradspannung, Effektivmoment, reduziertes Trägheitsmoment und Amortisation, das Rechenschema der Auslegung (Wärme, Spitze, Drehzahl, Umrichter, Mechanik), eure Entscheidung mit dem stärksten Argument und der Annahme, die das Ergebnis am meisten verschiebt.
Zusätzlich: eine Faustformel, die du dir merken willst, und daneben, weshalb sie gilt.
So läuft die Expertenrunde
In Lernangebot 4 teilt sich jedes Projektteam (die Stammgruppe) auf vier Expertengruppen auf: Gleichstrommotor im Bestand, Asynchronmotor, permanenterregter Synchronmotor, Servoantrieb. Bei fünf Personen geht die fünfte zum Asynchron- oder zum Synchronmotor. Die Expertengruppen arbeiten die Aufgaben 4.1 bis 4.4 gründlich durch, jede die ihre, und bereiten eine Erklärung für ihre Stammgruppe vor: Aufbau, Kennlinie, Rechnung, Risiken, höchstens zehn Minuten. Zurück in der Stammgruppe erklärt jede Expertin und jeder Experte die eigene Maschine, danach bearbeitet ihr die Aufgaben 4.5 bis 4.8 gemeinsam. Die Aufgaben der anderen Expertengruppen liest jede und jeder anschließend selbst nach und prüft sich daran.