Teil 4 von 8⏱ 18 hSprint 3
Der Motor ist ausgewählt. Jetzt geht es um die Hälfte der Fahrt, über die im Lastenheft kaum jemand spricht: das Bremsen. Heute heizt jede Bremsung der alten Bahn die Luft über dem Vorfeld. Ihr klärt, in welchen Quadranten der neue Fahrantrieb arbeitet, und plant, wohin die Bremsenergie künftig fließt.
Schritt 1 von 5. Du liest die Lage, beobachtest die Fahrt in der Szene und planst mit deinem Team den Weg durch diesen Teil.
Danach: Lernangebot 6 · Vier Quadranten
Agil arbeiten · Sprint 3
Eure Storycard für Teil 4
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 4 herunterladen PDF · 2 Seiten · 365 KB
Im Projekt: Wohin mit der Energie, wenn die Bahn bremst?
Deine Lernangebote in Teil 4
Lernangebot 6 · Vier QuadrantenLernangebot 7 · Bremswiderstand, Rückspeisung, Speicher
Die Karte kennst du von „Bevor du loslegst“. Sie zeigt, was du in diesem Teil lernst.
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.
Der wichtigste Satz auf dieser Seite: Jede Bremsung ist ein Kraftwerk für ein paar Sekunden. Die Frage ist nur, wer den Strom abnimmt.
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 schon: In LF 8 der Berufsschule hast du an der Gepäckanlage Bremsverfahren verglichen und entschieden, ob ein Umrichter beim Anhalten einen Bremswiderstand braucht. In Teil 1 hast du im Fahrspiel Motor- und Generatorbetrieb gekennzeichnet, in Teil 3 die Wirkungsgrade der Kandidaten verglichen. Das ist Absicht. Neu ist, dass ein Fahrantrieb in beiden Richtungen treibt und bremst, dass die Energie über die Stromschiene zu einem anderen Zug fließen kann und dass sich das in Euro ausdrücken lässt. Ordne ehrlich ein, wo dir das schon begegnet ist: an einem Kran, einem Aufzug, einem Prüfstand mit Lastmaschine, einem Elektroauto, das beim Bremsen lädt.
Darum geht es
Als Ingenieurbüro möchten wir den Arbeitsbereich des neuen Fahrantriebs in allen vier Quadranten beschreiben und ein Konzept für die Bremsenergie vorlegen, damit die Leitung Bahnbetrieb entscheiden kann, wie viel Energie die alte Bahn künftig zurückgewinnt, statt sie auf dem Dach zu verheizen, und damit jeder Zug trotzdem sicher bremst.
Das bewegte Überblicksbild zu diesem Teil lädt. Darunter stehen Strecke und Antriebsstrang als Übersichtspläne.
Übersichtspläne: Strecke und Antriebsstrang
Die Lage
Meilenstein M2 ist abgenommen: Motor und Umrichter sind ausgewählt und dimensioniert. Die Leitung Bahnbetrieb schiebt eine Frage nach: „Im Sommer steht über den Dachwiderständen heiße Luft, an die Wagen fasst dann niemand gern. Wenn ihr schon neue Antriebe einbaut: Wohin geht künftig die Energie, wenn die Bahn bremst, und was bringt uns das?“ Die Elektrowerkstatt der Instandhaltung ergänzt: „Und bitte so, dass ein Zug auch dann sicher bremst, wenn die Stromschiene gerade nichts aufnehmen kann.“
Ergebnis dieses Teils sind zwei Bausteine für Meilenstein M3: das Vierquadrantenkonzept und das Bremsenergie-Konzept mit einer Empfehlung an den Auftraggeber. Zusammen mit dem Positionierkonzept aus Teil 5 nimmt ein anderes Team M3 im Kreuzreview ab.
Zahlen zur Energie und zum Bremsen · aufklappen
| Größe | Wert |
|---|---|
| Stromschiene | 750 V Gleichspannung; dauernd 500 V bis 900 V, kurzzeitig bis 1.000 V |
| Unterwerk | Gleichrichter-Unterwerk mit Diodengleichrichter, nicht rückspeisefähig |
| Bremsen im Bestand | Widerstandsbremse, Bremswiderstand auf dem Dach; mechanische Scheibenbremse für Halt und Notbremsung |
| Bremsen nach dem Umbau | Traktionsumrichter mit integriertem Bremssteller, Bremswiderstand extern auf dem Dach |
| Betriebsbremsung | 0,8 m/s² elektrisch bis 3 km/h, darunter mechanisch; Notbremsung mechanisch 2,0 m/s² |
| Flotte | 9 Zweiwagenzüge, je Zug 45.500 Umläufe im Jahr |
| Strompreis | 0,20 € je kWh |
Alle Werte sind Unterrichtswerte.
Das kennst du schon aus LF 8 und aus Teil 1 bis 3
Aus LF 8 der Berufsschule: Bremsverfahren an der Gepäckanlage (Federdruckbremse, Gleichstrombremsung, Gegenstrombremsung, generatorisches Bremsen mit Umrichter und Bremswiderstand), der Umrichter aus Gleichrichter, Zwischenkreis und Wechselrichter, die Frage, ob ein Band beim Anhalten einen Bremswiderstand braucht. Darauf baust du auf, ohne es zu wiederholen. Aus Teil 1: das Fahrspiel, die Momente und Drehzahlen der Betriebsfälle und die Kennzeichnung Motor- oder Generatorbetrieb. Aus Teil 2: die Energiebereitstellung über die Stromschiene. Aus Teil 3: Asynchron- und Synchronmotor, Wirkungsgrade, Kostenvergleich und Amortisation. Ausblick: In Teil 5 bremst der Zug auf den Punkt genau, in Teil 6 regelt TB1 das Bremsmoment, in FS LF 4 geht es um das Unterwerk und die Netzrückwirkung.
Die alte Bahn in Fahrt
In der Szene stellst du ein: Fahrt A nach B oder B nach A, Beladung leer oder voll, Antrieb alt (Gleichstrom mit Widerstandsbremse) oder neu (Dreiphasenwechselstrom mit Rückspeisung) und einen zweiten Zug im Speiseabschnitt an oder aus. Die Diagramme zeigen noch keine Zahlen und keine Namen der Quadranten. Sieh dir mehrere Fahrten an.
Die interaktive Fahrt der alten Bahn lädt. Ohne JavaScript siehst du sie nicht; die Übersicht oben zeigt dieselbe Strecke.
In welchen Abschnitten der Fahrt arbeitet der Motor als Generator, und wohin fließt die Energie?
Dein Weg in 10 Schritten
Kursmaterial · Storycard
Die Storycard zu Teil 4. 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, beobachte die Szene und schreib auf, was euch zur Bremsenergie noch fehlt. - Vorzeichen festlegen
Legt fest, welche Drehrichtung positiv ist und was ein positives Moment bedeutet. Diese Regel gilt ab jetzt im ganzen Projekt. - Grenzkennlinie bestimmen
Bestimme, welches Moment der Antrieb bei welcher Drehzahl höchstens aufbringt, für beide Drehrichtungen. - Betriebsfälle zuordnen
Ordne die Fälle aus dem Lastenheft für Hin- und Rückfahrt den Quadranten zu und zeichne das Vierquadrantendiagramm. - Leistungsfluss verfolgen
Verfolge die Leistung von der Stromschiene bis zum Rad und zurück, mit der Wirkungsgradkette. - Alt und neu vergleichen
Vergleiche Wendeschalter und Widerstandsbremse mit dem Traktionsumrichter. - Energie bilanzieren
Stelle die Energiebilanz eines Umlaufs und eines Jahres auf und bewerte sie in Euro. - Bremswiderstand und Speicher
Dimensioniere den Bremswiderstand und überschlage einen stationären Speicher. - Konzepte vergleichen
Vergleiche die Bremskonzepte nach Energie, Kosten, Aufwand und Betriebssicherheit. - Empfehlung abgeben
Fasst eure Empfehlung für die Leitung Bahnbetrieb auf einer Seite zusammen.
Fertig bist du, wenn …
Der Teil gilt erst als fertig, wenn das andere Team alle Punkte abnimmt (Abnahme im Kompetenzmodell). Beide Konzepte gehen danach in Meilenstein M3 ein:
- Die Vorzeichenregel ist festgelegt und gilt in allen Unterlagen des Teams.
- Das Vierquadrantendiagramm zeigt die Grenzkennlinie und das Fahrspiel hin und zurück, mit Achsen, Größen und Einheiten.
- Alle Betriebsfälle aus dem Lastenheft (M1) sind für beide Fahrtrichtungen einem Quadranten zugeordnet, mit Vorzeichen von M und n und dem Betriebszustand (treibend oder bremsend).
- Der Leistungsfluss ist je Quadrant beschrieben, mit Wirkungsgraden und mindestens einem Zahlenbeispiel im Motor- und im Generatorbetrieb.
- Alter und neuer Fahrantrieb sind gegenübergestellt: Richtungswechsel, Bremsen, Weg der Bremsenergie.
- Die Energiebilanz je Umlauf (voll) und je Jahr (mittlere Besetzung) ist aufgestellt, der rückspeisbare Anteil ist beziffert.
- Der Bremswiderstand ist dimensioniert: Bremsleistung, Widerstandswert, Strom, Spitzen- und Mittelleistung, Aufteilung auf die beiden Wagen begründet.
- Der stationäre Speicher ist überschlägig dimensioniert: Nutzenergie, Spannungsfenster, Kapazität.
- Mindestens drei Bremskonzepte sind nach Energie, Kosten, Aufwand und Betriebssicherheit verglichen, mit Einsparung je Jahr und Amortisation.
- Die Empfehlung an die Leitung Bahnbetrieb ist begründet und nennt, was sie voraussetzt.
- Das Wissensspeicher-Blatt ist vollständig.
Das kommt in deinen Wissensspeicher
Ein Blatt „Vierquadrantenbetrieb und Bremsenergie“: das M-n-Kreuz mit Vorzeichenregel und Betriebszuständen, die Formeln für Leistung, Wirkungsgradkette, Bewegungs- und Lageenergie, Bremswiderstand und Kondensatorenergie, ein durchgerechnetes Beispiel aus eurem Projekt und eure Empfehlung zum Bremskonzept in einem Satz.
Zusätzlich: drei Prüffragen für die Expertenrunde, eine Wissensfrage, eine Rechenfrage, eine Begründungsfrage.
Erst schätzen, dann arbeiten
Ein voll besetzter Zug holt in einem Umlauf (hin, zurück, zwei Halte) Energie aus der Stromschiene. Beim Bremsen und auf der Rampe abwärts arbeiten seine Motoren als Generatoren. Welcher Anteil der bezogenen Energie ließe sich höchstens an die Stromschiene zurückgeben: rund 5 %, rund 15 %, rund 35 % oder rund 60 %? Schreib deine Schätzung und einen Satz Begründung auf. In Lernangebot 7 rechnest du nach.
Für Lehrkräfte
Organisatorisches: Das brauchst du dafür
- Das Lastenheft aus Meilenstein M1 mit Fahrspiel, Momenten und Drehzahlen
- Die Auswahl aus Meilenstein M2 (Motor, Umrichter, Wirkungsgrade)
- Lernangebot 6 (Vier Quadranten) und Lernangebot 7 (Bremswiderstand, Rückspeisung, Speicher)
- Die Karten „Die alte Bahn auf einen Blick“ und „Formeln der Antriebstechnik“ aus dem Wissensspeicher
- Tabellenbuch, Taschenrechner, Tabellenkalkulation für Energie und Kosten, kariertes Papier für das Vierquadrantendiagramm
- Die Wissensspeicher-Vorlage
Die Projektleitung wechselt mit Sprint 3. Die Rolle Energie und Bremsen führt in diesem Teil, die Rolle Antriebsauslegung prüft die Grenzkennlinie, die Dokumentation sammelt Diagramm, Tabelle und Empfehlung für M3.