Die drei Karten, die dich durch den ganzen Kurs begleiten, was aus jedem Teil hängen bleiben soll, und wie ihr eure Ergebnisse gegenseitig prüft.
Schritt 3 von 3. Hier lernst du die drei Karten kennen, siehst, wie dein Wissensspeicher-Blatt aufgebaut ist, wie das andere Team abnimmt und wann du deinen Lernbegleiter holst.
Danach: Teil 1 · Was muss der Fahrmotor leisten?
Der wichtigste Satz auf dieser Seite: Jede Rechnung in diesem Kurs führt vom Zug über das Rad und das Getriebe zum Motor. Wer diese Kette sicher beherrscht, rechnet jeden Betriebsfall.
Auf dieser Seite: Die alte Bahn auf einen Blick · Formeln der Antriebstechnik · Größen im Regelkreis · Dein Wissensspeicher-Blatt · Abnahme und Lernbegleitung
Karte „Die alte Bahn auf einen Blick“
Die Karte zeigt die Anlage, an der du den ganzen Kurs arbeitest, mit den Kennzeichen, die überall im Kurs gleich sind. Rechenergebnisse stehen hier absichtlich nicht: Momente, Leistungen und Energien rechnest du in den Teilen selbst.
Karte „Die alte Bahn auf einen Blick“ · Strecke, Zug, Antriebsstrang
| Was | Angabe |
|---|---|
| Strecke | 1.100 m, je Richtung ein Gleis, der Zug pendelt zwischen Station A und Station B |
| Höhenprofil | 300 m eben · 250 m Rampe 4 % (10 m) · 550 m eben in Hochlage |
| Fahrspiel | bis 50 km/h; Anfahren und Betriebsbremsung mit 0,8 m/s²; Ruck höchstens 0,8 m/s³; 30 s Halt je Station |
| Flotte | 18 Wagen in 9 Zweiwagenzügen, gummibereift, Führungsschiene in der Mitte |
| Zug | 23 t leer, 31 t mit 100 Fahrgästen; ξ = 1,10; cR = 0,012; cw · A = 6,0 m² |
| Antrieb | je Wagen ein Fahrmotor; Getriebe i = 10, ηG = 0,96; Raddurchmesser 0,90 m |
| Energie | Stromschiene 750 V DC aus einem Gleichrichter-Unterwerk, nicht rückspeisefähig |
| Kennzeichen | Betriebsmittel | Wo | Aufgabe |
|---|---|---|---|
| XD1, XD2 | Stromabnehmer | je Wagen | XD1 nimmt 750 V DC von der Stromschiene ab, XD2 führt den Strom über die Rückleiterschiene zurück |
| TB1, TB2 | Traktionsumrichter (im Bestand: Gleichstromsteller TA1, TA2) | unter dem Wagenboden | stellt Spannung und Frequenz für den Fahrmotor, bremst generatorisch |
| RA1, RA2 | Bremswiderstand | auf dem Dach | nimmt Bremsenergie auf, die niemand abnimmt |
| MA1, MA2 | Fahrmotor | je Wagen einer | treibt über Getriebe und Rad den Wagen an |
| BG1, BG2 | Drehgeber | am Fahrmotor | meldet die Drehzahl an den Umrichter |
| MA11 | Türantrieb | Bahnsteigtür | öffnet und schließt einen Türflügel |
| MA21 | Lüftermotor | Klimagerät im Wagen | treibt den Verdampferlüfter |
| MA22 | Kompressormotor | Klimagerät im Wagen | treibt den Kompressor |
Diese Karte brauchst du ab Teil 1 bei jeder Aufgabe: für das Fahrspiel und die Kräfte, in Teil 2 für das Betriebsumfeld unter dem Wagen, in Teil 3 bis 6 für Auswahl, Bremsen, Positionieren und Inbetriebnahme, in Teil 7 und 8 für Fehlersuche und Instandhaltung. Die Kennzeichen gelten für Text und Zeichnungen gleich: MA1 heißt überall MA1.
Karte „Formeln der Antriebstechnik“
Jede Rechnung in diesem Kurs führt über dieselbe Kette: vom Zug über das Rad und das Getriebe zum Motor. Die Karte sammelt die Formeln dafür, mit der Bedingung, unter der sie gelten. Vorzeichen: Was den Zug bremst oder bergab zieht, zählt negativ.
Karte „Formeln der Antriebstechnik“ · vom Zug zum Motor
| Was | Formel | Gilt, wenn … · Hinweis |
|---|---|---|
| Rollwiderstand | FR = m · g · cR | g = 9,81 m/s²; gilt in der Ebene und, bei kleiner Steigung, auch in der Rampe |
| Luftwiderstand | FL = 12 · ρ · cwA · v² | v in m/s; ohne Wind |
| Steigungskraft | FSt = m · g · s | s als Dezimalzahl (4 % = 0,04); gilt für kleine Steigungen, weil dann sin α ≈ tan α; bergab negativ |
| Beschleunigungskraft | Fa = ξ · m · a | ξ berücksichtigt die drehenden Massen (Räder, Getriebe, Läufer); beim Bremsen ist a negativ |
| Zugkraft | FZ = FR + FL + FSt + Fa | vorzeichenrichtig addieren; FZ < 0 heißt: der Antrieb bremst |
| Moment am Rad | MRad = FZ · r | r = Radhalbmesser; Moment aller angetriebenen Räder zusammen |
| Moment am Motor, Motorbetrieb | MMot = FZ · ri · ηG · z | z = Zahl der Fahrmotoren, die sich die Kraft teilen; Energie fließt vom Motor zum Rad, das Getriebe kostet zusätzlich Moment |
| Moment am Motor, Generatorbetrieb | MMot = FZ · r · ηGi · z | Energie fließt vom Rad zum Motor, das Getriebe verringert das Moment am Motor |
| Drehzahl aus Geschwindigkeit | nMot = v · iπ · d | d = Raddurchmesser; v in m/s ergibt n in 1/s, mal 60 ergibt min⁻¹ |
| Winkelgeschwindigkeit | ω = 2 · π · n | n in 1/s ergibt ω in 1/s |
| Mechanische Leistung | P = M · ω = 2 · π · n · M | am Motor; am Rad ebenso P = FZ · v |
| Elektrische Leistung | Pel = Pmechη im Motorbetrieb, Pel = Pmech · η im Generatorbetrieb | η ist der Wirkungsgrad des Motors oder der ganzen Kette, je nachdem, wo du rechnest |
| Kinetische Energie | Ekin = 12 · ξ · m · v² | mit Drehmassenzuschlag; 1 kWh = 3.600 kJ |
| Potenzielle Energie | Epot = m · g · h | h = Höhenunterschied |
| Effektivmoment | Meff = √(Σ Mk² · tkT) | T = Dauer eines Spiels mit allen Abschnitten tk, auch den Halten; Grundlage der thermischen Auslegung, gilt, wenn T klein gegen die Erwärmungszeitkonstante des Motors ist |
| Drehfelddrehzahl und Schlupf | ns = fp, s = ns − nns | p = Polpaarzahl; f in Hz ergibt ns in 1/s |
Umrechnungen aus dem Wirtschaftsraum Nordamerika (Typenschilder nach NEMA)
| Größe | Umrechnung | Beispiel zum Prüfen |
|---|---|---|
| Leistung | 1 hp = 0,7457 kW | 10 hp sind 7,457 kW |
| Temperatur | ϑ in °C = ϑ in °F − 321,8 | 212 °F sind 100 °C |
| Masse | 1 lb = 0,4536 kg | 100 lb sind 45,36 kg |
| Drehmoment | 1 lb·ft = 1,356 Nm | 10 lb·ft sind 13,56 Nm |
| Drehzahl | 1 RPM = 1 min⁻¹ | bei Betrieb an 50 Hz statt 60 Hz sinkt die Drehfelddrehzahl im Verhältnis 5060 |
| Zeichen | Bedeutung | Einheit |
|---|---|---|
| m | Masse des Zugs (leer oder voll) | kg |
| g | Fallbeschleunigung | m/s² |
| cR | Rollwiderstandsbeiwert | 1 |
| ρ | Luftdichte | kg/m³ |
| cwA | Luftwiderstandsbeiwert mal Stirnfläche | m² |
| v | Geschwindigkeit | m/s |
| a | Beschleunigung, beim Bremsen negativ | m/s² |
| ξ | Drehmassenzuschlag | 1 |
| s | Steigung | 1 |
| r, d | Radhalbmesser, Raddurchmesser | m |
| i | Getriebeübersetzung | 1 |
| ηG | Getriebewirkungsgrad | 1 |
| z | Zahl der Fahrmotoren | 1 |
| n | Drehzahl | 1/s oder min⁻¹ |
| ω | Winkelgeschwindigkeit | 1/s |
| M | Drehmoment | Nm |
| P | Leistung | W |
| E | Energie | J oder kWh |
| h | Höhenunterschied | m |
| tk, T | Dauer eines Abschnitts, Spieldauer | s |
Diese Karte brauchst du in Teil 1 für Kräfte, Momente und Leistungen im Fahrspiel, in Teil 2 für die Umrechnung der Typenschilder, in Teil 3 für das Effektivmoment und die Auslegung, in Teil 4 für die Bremsenergie und in Teil 5 für Bremsweg und Türantrieb. Wer eine Formel verwendet, schreibt dazu, weshalb sie in diesem Fall gilt.
Karte „Größen im Regelkreis“
In Lernfeld 8 der Berufsschule hast du die Größen eines Regelkreises am Steigband einer Gepäckanlage kennengelernt. Die Karte überträgt sie auf den Fahrantrieb der alten Bahn und ergänzt, was ein Fahrantrieb zusätzlich braucht: die Kaskade aus Lage, Drehzahl und Strom.
Karte „Größen im Regelkreis“ · am Fahrantrieb eines Wagens
| Zeichen | Name | Was sie bedeutet | Am Drehzahlregelkreis des Fahrantriebs |
|---|---|---|---|
| w | Führungsgröße | der vorgegebene Sollwert für die Regelgröße | die Solldrehzahl des Fahrmotors MA1, die zur Sollgeschwindigkeit aus dem Fahrprofil gehört; sie kommt vom Zugsteuerrechner |
| x | Regelgröße | die Größe, die gemessen und auf dem Sollwert gehalten werden soll | die Drehzahl des Fahrmotors MA1; die Geschwindigkeit des Zugs folgt daraus über Getriebe und Rad |
| r | Rückführgröße | das Messsignal der Regelgröße, das zur Vergleichsstelle zurückläuft | das Signal des Drehgebers BG1, im Umrichter TB1 in eine Drehzahl umgerechnet |
| e | Regeldifferenz, e = w − r | der Unterschied zwischen Sollwert und zurückgeführtem Istwert; der Eingang des Reglers | ist der Zug langsamer als gewollt, ist e positiv |
| yR | Reglerausgangsgröße | das Signal, das die Regeleinrichtung aus e bildet und an das Stellglied gibt | der Sollwert für Strom und Moment, den der Drehzahlregler an den inneren Stromregelkreis gibt |
| y | Stellgröße | die Ausgangsgröße des Stellglieds, mit der es auf die Regelstrecke einwirkt | Spannung und Frequenz, die der Wechselrichter in TB1 an MA1 gibt |
| z | Störgröße | eine Größe, die von außen auf die Regelstrecke wirkt und die niemand vorgibt | die Steigung der Rampe, die Beladung, Gegenwind, eine schwankende Schienenspannung |
Wie in Lernfeld 8 heißt der Reglerausgang yR, und y ist das, was der Umrichter an den Motor gibt. Manche Bücher nennen schon den Reglerausgang Stellgröße. Beide Lesarten findest du in Quellen.
| Regelkreis | Regelgröße | Messglied | Wann er arbeitet | Gibt den Sollwert für |
|---|---|---|---|---|
| äußerer Kreis: Lage | Ort des Zugs auf der Strecke | Wegzählung über BG1, abgeglichen an der Ortungsbake am Bahnsteig | nur im Zielbremsbereich vor der Station | den Drehzahlregler |
| mittlerer Kreis: Drehzahl | Drehzahl von MA1 | Drehgeber BG1 | immer, solange der Zug fährt | den Stromregler |
| innerer Kreis: Strom | Strom und damit Moment von MA1 | Strommessung im Umrichter TB1 | immer | den Wechselrichter |
Weshalb eine Kaskade? Jeder innere Kreis regelt schneller als der äußere und begrenzt dessen Stellgröße: Der Stromregler hält den Strom in den Grenzen des Umrichters, gleich was der Drehzahlregler verlangt. Ausgelegt wird von innen nach außen. Im Bestand regelt der Gleichstromsteller den Ankerstrom; die Kaskade oben kommt mit dem Umbau.
Diese Karte brauchst du in Teil 5 für die Lageregelung bei der Zielbremsung, in Teil 6 für die Reglerauslegung und die Inbetriebnahme und in Teil 7, wenn du einen Fehler über Soll- und Istwerte im Fehlerspeicher eingrenzt.
Dein Wissensspeicher-Blatt
Am Ende jedes Teils entsteht genau ein Wissensspeicher-Blatt, dazu eines in der Wahlphase. Die neun Blätter zusammen sind deine Lernunterlage für die Klassenarbeit und für die Technikerprüfung. Sie werden nicht abgeheftet und vergessen, sie werden benutzt.
Kursmaterial · je Teil ein Blatt
Das Wissensspeicher-Blatt als PDF. Die Felder auf einer Seite, zum Ausfüllen am Rechner oder zum Ausdrucken. Druck es neunmal aus, einmal für jeden Teil und einmal für die Wahlphase.
Wissensspeicher-Blatt als PDF herunterladen1 Seiten · 96 KB · Felder zum Ausfüllen
Das Blatt ansehen und ausprobieren
Sechs Felder, eine Seite. Hier kannst du es ausprobieren und leer ausdrucken. Ausgefüllt wird es am Ende jedes Teils, in der Lektion „Dein Kompetenzmodell“. So entsteht je Teil genau ein Blatt.
Weshalb das letzte Feld nicht freiwillig ist
Wer aufschreibt, dass er das Getriebe im Generatorbetrieb falsch herum eingerechnet hat, macht diesen Fehler nicht wieder. Wer „alles verstanden“ schreibt, macht ihn in der Prüfung. Der eigene Fehler ist die stabilste Erinnerung, die es gibt.
Abnahme und Lernbegleitung
Abnahme durch das andere Team
Am Ende jedes Teils, gegen die Punkte aus dem Auftrag.
Kompetenz-Check
Nach jedem Sprint, allein, ohne Unterlagen, ohne Note.
Lernbegleiter
Mindestens drei Gespräche, du meldest dich selbst.
Zum Nachschlagen
Die neun Blätter
| Blatt | Titel | Kernstücke |
|---|---|---|
| 1 | Antriebsaufgabe und Lastarten | Fahrspiel v(t) und F(t) · Fahrwiderstände und Beschleunigungskraft mit ξ · Moment, Drehzahl und Leistung am Motor · Motor- und Generatorbetrieb · Lastkennlinien konstant, linear, quadratisch, hyperbolisch · Affinitätsgesetze |
| 2 | Betriebsumfeld und Typenschild | IP-, IM- und IC-Code · Betriebsarten S1 bis S10 · thermische Klassen und Temperaturreserve · IE-Klassen · Energiebereitstellung 750 V DC · Umrechnung NEMA nach IEC |
| 3 | Antriebe planen und dimensionieren | Kennlinien GM, ASM und PMSM mit Feldschwächbereich · Effektivmoment · Spitzenmoment und Höchstdrehzahl · Arbeitspunkt · Umrichterstrom · Kostenvergleich und Amortisation |
| 4 | Vierquadrantenbetrieb und Bremsenergie | Vorzeichen von M und n in vier Quadranten · Leistungsfluss · Zwischenkreis und Bremssteller · Bremswiderstand · Rückspeisung · Speicher |
| 5 | Positionier- und Servoantriebe | Zielbremsprofil mit Ruck · Lageregelung · Inkremental- und Absolutwertgeber · Auflösung und Genauigkeit · Servo-Türantrieb · Einklemmschutz |
| 6 | Steuern, regeln, in Betrieb nehmen | Steuerverfahren · Kaskade · Betragsoptimum und symmetrisches Optimum · Sprungantwort · Inbetriebnahmeplan · Parameterliste · EMV und Sicherheitsregeln |
| 7 | Fehlersuche am Antriebssystem | Fehlersuchstrategien · Fehlerspeicher und Trend · Messmittel und Messkategorie · Differenztastkopf · Fehlerprotokoll |
| 8 | Instandhaltung | DIN 31051 · Instandhaltungsstrategien · MTBF, MTTR und Verfügbarkeit · Lagerströme und Schwingungsdiagnose · Kostenvergleich · Umweltaspekte |
| Wahl | Euer Folgeauftrag | Lastfall und Lastart · Auslegung · Steuer- oder Regelkonzept · Sicherheit · Entscheidung mit Kosten |
Die Abnahme durch das andere Team
Vor jeder Abnahme durch den Auftraggeber prüft ein anderes Team eure Ergebnisse. Wer prüft, muss verstanden haben. Deshalb ist diese Abnahme keine Formalie, sondern der zweite Lernweg. Bei M1 und M3 ist sie der Meilenstein selbst, das Kreuzreview. Der Bogen dafür steht am Ende jedes Teils, im Kompetenzmodell.
| Zeit | Was passiert |
|---|---|
| 5 min | Das prüfende Team liest die Punkte unter „Fertig bist du, wenn …“ und die Projektakte des geprüften Teams. |
| 15 min | Prüfgespräch: zu jedem Abnahmepunkt eine Frage. Nicht „habt ihr das?“, sondern „zeigt mir den Rechenweg“. |
| 10 min | Nachrechnen: Das prüfende Team rechnet mindestens zwei Ergebnisse selbst nach. |
| 10 min | Rückmeldung: Was ist belastbar, was fehlt, was ist nicht nachvollziehbar? Schriftlich auf dem Bogen. |
| 5 min | Das geprüfte Team entscheidet, was es vor der Abnahme durch den Auftraggeber noch ändert. |
Ein Zurück ohne Begründung zählt nicht. In der Präsentation zu M5 zeigt ihr, was ihr nach den Kreuzreviews geändert habt, und weshalb.
Die Expertenrunde am Ende jedes Sprints
Weil alle Teams am selben Auftrag arbeiten, aber unterschiedlich entscheiden dürfen, lohnt der Vergleich. Am Ende jedes Sprints setzen sich die Rolleninhaber aller Teams zusammen, also alle aus der Antriebsauslegung, alle aus Energie und Bremsen und so weiter, und vergleichen ihre Entscheidungen: Wer hat was gewählt, und weshalb? Danach tragen sie das Ergebnis in ihr Team zurück.
| Phase | Was passiert | Zeit | |
|---|---|---|---|
| 1 | Rollenrunde | Die Rolleninhaber aller Teams vergleichen Rechenwege und Entscheidungen des Sprints. | 20 min |
| 2 | Zurück ins Team | Jede Person bringt ihr Thema ins Team, das Team stellt sein Wissensspeicher-Blatt fertig. | 15 min |
| 3 | Rückfragen | Was niemand klären kann, kommt an die Tafel und wird gemeinsam geklärt. | 10 min |
Danach folgt der Kompetenz-Check. Wer vorträgt, wird ausgelost: Jede und jeder im Team muss alles erklären können, nicht nur die Person mit der passenden Rolle.
Der Kompetenz-Check
Nach jedem Sprint, 20 Minuten, allein und ohne Unterlagen. Immer derselbe Aufbau, damit niemand die Form lernen muss.
| Teil | Was verlangt wird | Zeit |
|---|---|---|
| A | Fachbegriffe: fünf Begriffe des Sprints in je einem Satz erklären | 5 min |
| B | Skizze: eine Kennlinie, einen Wirkungsplan oder einen Antriebsstrang aus dem Kopf zeichnen und beschriften | 5 min |
| C | Rechnung: eine Auslegungsaufgabe mit veränderten Zahlenwerten | 7 min |
| D | Begründung: eine Entscheidung des Sprints begründen oder einen Fehler finden | 3 min |
Der Rechenteil verwendet nie die Zahlen aus dem Sprint. Wer den Rechenweg verstanden hat, kommt mit jeder Zahl zurecht. Wer das Ergebnis auswendig gelernt hat, merkt es hier. Der Check zählt nicht für die Note.
Deine Gespräche mit dem Lernbegleiter
Im Projekt entscheidest du viel selbst. Damit bist du aber nicht allein: Dreimal im Projekt setzt du dich mit deinem Lernbegleiter zusammen und besprichst, wo du stehst. Das ist kein Verhör und keine Prüfung. Es geht um deinen Weg, nicht um deine Note.
Deine Lehrkraft spielt im Projekt auch die Leitung Bahnbetrieb. Im Gespräch mit dem Lernbegleiter ist sie nicht der Auftraggeber: Hier geht es nicht um die Abnahme, sondern um dich.
Du meldest dich, nicht umgekehrt. Ein guter Zeitpunkt ist, wenn ein Lernprodukt fertig ist, wenn du zwischen zwei Wegen nicht entscheiden kannst, oder wenn du länger als eine Stunde feststeckst. Wer aus dem Betrieb einen anderen Weg kennt als den im Kurs, bringt ihn hier ein.
Nachweis · mindestens drei Gespräche
| Nr. | Datum | Worum ging es? | Was nehme ich mit? | Abgezeichnet |
|---|---|---|---|---|
| 1 | ||||
| 2 | ||||
| 3 |
Die Spalte „Abgezeichnet“ füllt dein Lernbegleiter aus, nicht du. Der Nachweis gehört in deine Projektakte und zählt bei der Bewertung unter „Prozess“ mit.
Wenn du im Team nicht weiterkommst
Bevor du den Lernbegleiter holst, gibt es zwei schnellere Wege, und beide gehören zum Projekt dazu:
- Frag deinen Lernpartner. Die Aufgaben sagen dir, welche ihr ohnehin zu zweit bearbeitet.
- Frag das Team, das gerade an derselben Stelle sitzt. In der Expertenrunde macht ihr das ohnehin, im Sprint dazwischen dürft ihr es auch.
In einer Technikerklasse sitzt fast immer jemand, der schon einmal einen Umrichter in Betrieb genommen oder einen Fahrmotor getauscht hat. Wer gefragt wird, ist nicht der Bessere, sondern der Nächste. Wer erklärt, lernt dabei am meisten: Deshalb heißt die oberste Stufe in deinem Kompetenzmodell „erklärt“.