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

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Im Projekt: Wohin mit der Energie, wenn die Bahn bremst?

Vier QuadrantenGeneratorbetriebBremswiderstandRückspeisungSpeicher

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

Abflugebene und VorfeldstraßeStromschiene 750 V DCStation A · Terminal 1Station B · Terminal 2

Rampe 4 %300 m eben250 m Rampe550 m eben in Hochlage · zusammen 1.100 m10 mDie alte Bahn zwischen Terminal 1 und Terminal 2 (Übersicht, Höhen überhöht)

Übersicht der alten Bahn zwischen Station A (Terminal 1) und Station B (Terminal 2): 300 m eben, 250 m Rampe mit 4 % Steigung, 550 m eben in Hochlage, zusammen 1.100 m. Hervorgehoben ist die Stromschiene mit 750 V Gleichspannung, über die jeder Zug Energie bezieht und beim Bremsen zurückgeben könnte. Höhen sind überhöht dargestellt. Eigene Darstellung für den Unterricht.

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, Traktionsumrichter TB1 mit Zwischenkreis, Bremssteller und Wechselrichter, Fahrmotor MA1 als Dreiphasenmaschine, Drehgeber BG1, Getriebe i = 10 und Rad mit 0,90 m Durchmesser. Hervorgehoben ist der Bremswiderstand RA1 auf dem Dach, den der Bremssteller zuschaltet. Eigene Darstellung für den Unterricht.

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

1Auftrag klären
2Vorzeichen festlegen
3Grenzkennlinie bestimmen
4Betriebsfälle zuordnen
5Leistungsfluss verfolgen
6Alt und neu vergleichen
7Energie bilanzieren
8Bremswiderstand und Speicher
9Konzepte vergleichen
10Empfehlung abgeben

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
  1. Auftrag klären
    Lies die Lage, beobachte die Szene und schreib auf, was euch zur Bremsenergie noch fehlt.
  2. Vorzeichen festlegen
    Legt fest, welche Drehrichtung positiv ist und was ein positives Moment bedeutet. Diese Regel gilt ab jetzt im ganzen Projekt.
  3. Grenzkennlinie bestimmen
    Bestimme, welches Moment der Antrieb bei welcher Drehzahl höchstens aufbringt, für beide Drehrichtungen.
  4. Betriebsfälle zuordnen
    Ordne die Fälle aus dem Lastenheft für Hin- und Rückfahrt den Quadranten zu und zeichne das Vierquadrantendiagramm.
  5. Leistungsfluss verfolgen
    Verfolge die Leistung von der Stromschiene bis zum Rad und zurück, mit der Wirkungsgradkette.
  6. Alt und neu vergleichen
    Vergleiche Wendeschalter und Widerstandsbremse mit dem Traktionsumrichter.
  7. Energie bilanzieren
    Stelle die Energiebilanz eines Umlaufs und eines Jahres auf und bewerte sie in Euro.
  8. Bremswiderstand und Speicher
    Dimensioniere den Bremswiderstand und überschlage einen stationären Speicher.
  9. Konzepte vergleichen
    Vergleiche die Bremskonzepte nach Energie, Kosten, Aufwand und Betriebssicherheit.
  10. 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
Für Lehrkräfte: Sprint 3 · 18 h · Stunden als Vorschlag: Auftrag und Szene 1,5 h, Lernangebot 6 6 h, Lernangebot 7 8 h, Rechenwege, Kontrolle, gemischte Wiederholung und Abnahme 2,5 h. Lehrplanzeilen: „… steuern oder regeln Antriebssysteme unter Berücksichtigung der aktuellen Technologiestandards“ mit Antriebs- und Ansteuermethoden (Bremsen), Motor- und Generatorbetrieb, Vergleich der Antriebs- und Ansteuermethoden und Kosteneinsparpotenzialen; dazu aus „… planen und dimensionieren Antriebe“ der Arbeitsbereich (Vierquadrantenbetrieb) und die Berücksichtigung der Kosten, aus „… analysieren das Betriebsumfeld“ die Energiebereitstellung. Taxonomie: Lernangebot 6 Stufe I bis II, Lernangebot 7 Stufe II, die Teamaufgaben 6.8 und 7.8 Stufe III (eigene Entscheidung, mehrere tragfähige Lösungen). Prüfungsbezug: prüfungsrelevant für die Technikerprüfung, Grundlage für die Projektarbeit. Offen sind: bis zu welcher Geschwindigkeit elektrisch gebremst wird, wie der Zug in der Rampe anfährt, ob ein Bremswiderstand je Wagen den ganzen Zug abfangen kann, welches Bremskonzept empfohlen wird. Wählen alle Teams den Speicher, frag nach dem Nachtbetrieb mit einem Zug und nach der Lebensdauer; wählt kein Team den Speicher, frag, was nachts mit der Energie geschieht. Neue Unterrichtswerte dieses Teils: Aufnahmequote 60 %, Speicher 350.000 € und Wirkungsgrad 0,90, rückspeisefähiges Unterwerk 600.000 € und 0,97. Laborhinweis Antriebslabor: Am Umrichter mit Asynchronmotor und Lastmaschine oder Bremsmaschine alle vier Quadranten anfahren, die Zwischenkreisspannung im Trend aufzeichnen, die Einschaltschwelle des Bremsstellers beobachten und die Energie im Bremswiderstand mit einem Leistungsmessgerät messen. Die Szene im Auftrag zeigt keine Zahlen; die volle Fassung steht in den Lernangeboten und in der Lösung. Alle Werte sind Unterrichtswerte.
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.