Welche Arten von Linearmotoren gibt es und wie sind diese aufgebaut?
Vorteil: Schweben
Nachteil: Wegen des großen Luftspalts ergeben sich schlechtere elektrische Kennwerte im Vergleich zu Motoren mit Getriebe. Außerdem ist das Bauvolumen meist viel größer.
Langstator: Primärteil (Stator) länger als der Sekundärteil (Rotor)
in den Streckenabschnitten, die nicht zur Kraftbildung beitragen, entstehen auch Verluste. Hierbei sind die Kosten für eine Umschalteinrichtung zur abschnittsweisen Speisung der Strecke den Energiekosten für den Dauerbetrieb der ganzen, Strecke gegenüberzustellen. Da bei einer abschnittsweisen Speisung die Wicklungen nur kurz belastet werden, können sie mit einer höheren Stromdichte als der Nennstromdichte betrieben werden
Kurzstator: Primärteil (Stator) kürzer als der Sekundärteil (Rotor)
Motor mit passivem Sekundärteil führt das Kurzstatorprinzip zu einem einfachen und kostengünstigen Motor. Nachteilig ist jedoch die notwendige Energiezuführung auf den beweglichen Teil. Bei einer geringen Länge der Fahrstrecke kann die Energie entweder über Schleppkabel oder mit einer induktiven Energieübertragung mit geschlossenem Magnetkreis übertragen werden. Bei einer langen Fahrstrecke und geringer bis mittlerer Leistung kommen für die Energieübertragung Fahrdraht-Stromabnehmersysteme wie bei konventionellen Eisenbahnen oder eine induktive Energieübertragung mit luftspaltbehaftetem Magnetkreis infrage.
Wie lässt sich die Frequenz an einer Asynchronmaschine beeinflussen?
Frequenz: über Spannungszwischenkreisumrichter (dabei muss parallel die Spannung mit verändert werden, um das Moment zu erhalten)
Wechselrichter über 4-Quadrant-Steller:
Der 4-Quadranten-Steller regelt die Energiezufuhr und -abgabe im Gleichstromzwischenkreis und ermöglicht die Rückspeisung von Bremsenergie ins Netz. Der Wechselrichter steuert schließlich die Frequenz und Spannung für die Motoren, was stufenlose Drehzahl- und Drehmomentregelungen erlaubt.
Ansteuerung über PWM-Signal:
Frequenzregelung: Die Schaltfrequenz der PWM bestimmt die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters und damit die Drehzahl des Motors.
Spannungsregelung: Die Spannungshöhe wird durch den Duty Cycle der PWM angepasst, um den Magnetfluss im Motor konstant zu halten.
Der große Vorteil dieses PWM-Verfahrens ist, dass man Frequenz und Amplitude der Ausgangsspannung einstellen kann. Die Schaltfrequenz ist dabei sehr viel größer als die Grundfrequenz der Ausgangsspannung. Dadurch erreicht man eine sehr kleine Stromwelligkeit. In der Praxis werden für die Traktionsumrichter eines Triebfahrzeugs Schaltfrequenzen von ungefähr 500 Hz bis 1000 Hz verwendet.
Wie lässt sich der Schlupf einer Asynchronmaschine verändern und was resultiert aus einer Erhöhung des Schlupfes?
Schlupf: Schleifringläufer mit zusätzlichen Widerständen
Nachteil: Wirkungsgrad sinkt durch mehr ohmsche Verluste
Wie lässt sich die Drehzahl einer Asynchronmaschine verändern und wie lautet der dazugehörige mathematische Zusammenhang?
Änderung der Speisefrequenz:
über Spannungszwischenkreisumrichter (dabei muss proportional zur F-änderung die Spannung mit verändert werden, um das Moment zu erhalten -> konstante Statorflussverkettung)
Kipppunkt wird auf n-Achse mit f verschoben -> Anfahrt mittels Frequenzsteigerung
Polpaarzahl:
Dahlanderschaltung, zwei Drehstromwicklungen, polumschaltbare Dahlander-Wicklung (nur mit Kurzschlussläufer möglich, Nachteil: stufiges Umschalten)
Schleifringläufer nicht gut umsetzbar, da Polpaarzahl zwischen Ständer und Läufer gleich sein muss, um ein mittleres Moment zu erzeugen
beim Käfigläufer wird die Polpaarzahl durch das Ständerdrehfeld aufgeprägt
Vergrößerung des Schlupfs:
Schleifringläufer mit zusätzlichen Widerständen (Nachteil: Wirkungsgrad sinkt durch mehr ohmsche Verluste)
Klemmenspannung reduzieren: M prop. U_i^2
Mit welcher Schaltung/Art einer Asynchronmaschine lässt sich die Polpaarzahl ändern?
In welchen Quadranten lässt sich eine ASM betreiben und wie sieht die zugehörige Kennlinie aus?
die Asynchronmaschine kann in drei Betriebsbereichen arbeiten:
Motor: M > 0, n > 0, s < 1
Generator: M < 0, n > n1, s < 0
Bremse: M > 0, n < 0, s > 1
stabil arbeitet die Maschine nur in dem Bereich −skipp < s < skipp
Welche Arten von Läufern einer ASM gibt es und wie lassen sich diese unterscheiden?
Schleifringläufer:
Läuferwicklungen sind über Schleifringe und Bürsten mit äußerem Stromkreis verbunden
durch das Vorschalten von Widerständen kann der Anlaufstrom begrenzt werden (Drehzahl- & Drehmomentsteuerung)
nach dem Anlaufen werden die Schleifringe kurzgeschlossen
sanfte Anlaufsteuerung und bessere Drehmomentregelung
Käfigläufer: (bevorzugt)
Gitterstäbe werden durch einen Kurzschlussring kurzgeschlossen
Wenn der Stator erzeugt rotierendes Magnetfeld erzeugt, induziert dieses Feld eine Spannung in den Läuferstäben. Durch diese Spannung fließt ein Strom, der wiederum ein Magnetfeld erzeugt, das mit dem Magnetfeld des Stators interagiert, was den Läufer in Bewegung versetzt. Diese Wechselwirkung zwischen den Magnetfeldern sorgt dafür, dass der Läufer der Asynchronmaschine seine Drehbewegung ausführt.
geringerer Wartungsaufwand und einfacherer Aufbau
Wie lauten die Formeln für die Synchrondrehzahl und den Schlupf einer ASM?
Was sind die Vorteile einer Drehstrommaschine gegenüber einer Gleichstrommaschine?
Wartungsarmut wegen Wegfall des Kommutators und der Bürsten
geringe Schleuderneigung, da bei Entlastung bald die synchrone Drehzahl erreicht wird
Nutzbremsung mit einem Vierquadrantsteller
hohe Leistung bei niedrigem Gewicht, weil die Einschränkungen durch die Kommutierung entfallen
Wie sind ein Mischspannungs- und ein Mischstrommotor und welche Eigenschaften besitzen diese?
Mischspannungsmotor:
lässt Wechselstrom durch
die transformatorische Spannung bleibt bestehen
deshalb eignet sich dies nicht als Lösung hinter einem Gleichrichter
Mischstrommotor:
filtert Wechselanteil des Stroms heraus
es bleibt keine transformatorische Spannung bestehen
über XDrossel fließt der Gleichanteil (doppeltfrequente Spannung fällt an XDrossel ab??)über Rp der Wechselanteil. Da Rp groß ist, wird der Wechselanteil in Wärme umgesetzt, während der Gleichanteil bestehen bleibt. Rp kann in der Praxis durch eine vorgeschaltete Drossel nicht zu groß gewählt werden, sodass nicht viel Leistung verloren geht.
Wie ist ein Mischstrommotor aufgebaut, wie ist dieser verschaltet und wozu wird dieser eingesetzt?
zwischen Gleichrichter und Reihenschlussmaschine wird eine Drossel geschaltet, die die Wechselströme auf einen vorzugebenden Wert begrenzt
doppeltfrequente Spannung fällt an XDrossel ab und erzeugt weniger Wärmeverluste an Rp
Rp = ohmscher paralleler Widerstand
Rf = Widerstand der Erregerwicklung
Rp > Rf -> Gleichanteil soll durch Erregerwicklung fließen
doppelt frequenter Anteil soll über Rp fließen (Rf sperrt bei großen Frequenzen)
Rp und XDrossel erforderlich, da nur eine Drossel ein zu großes Bauteil erfordern würde
Was passiert, wenn die doppelte Frequenz einer gleichgerichteten Wechselspannung an einem Gleichstrommotor/Einphasenreihenschlussmotor angelegt wird?
doppelte Frequenz macht am Gleichstrommotor eine hohe transformatorische Spannung, die zu hohem Verschleiß der Bürsten führt
Lösung ist die Verwendung eines Mischstrommotors
Wie sieht das Schaltbild eines Gleichstromstellers/Tiefsetzstellers aus und wie funktioniert dieser?
Gleichstromsteller erklären und aufmalen können!
Bei durchgeschaltetem Thyristor liegt die Fahrdrahtspannung am Motor, der Thyristor übernimmt den Stromfluss und der Maschinenstrom steigt mit der Zeitkonstanten TAF = (LA + LF)/(RA + RF) auf den Endwert (U − Ui)/(RA + RF) an.
Nach Öffnen des Thyristorschalters wird der Motor vom Fahrdraht getrennt, der Maschinenstrom fließt durch die Freilaufdiode weiter und klingt mit der gleichen Zeitkonstante auf Null ab.
Durch das Verhältnis von stromführender a T und stromloser (1−a) T Phase am Thyristor wird der Mittelwert der Motorspannung und damit die Drehzahl gesteuert.
Die Pulsfrequenz beträgt einige 100 Hz bis einige kHz.
Der Gleichstromsteller erlaubt allerdings nur Einquadrantenbetrieb. Zum Bremsen müssen der Thyristorschalter und die Freilaufdiode durch Schütze schaltungstechnisch vertauscht werden.
Vorteile:
stufenlose Steuerung ergibt höheren Fahrkomfort
stetiges Motormoment erlaubt bessere Ausnutzung der Haftreibung und ermöglicht demzufolge höhere mittlere Zugkräfte
geringerer Wartungsaufwand, da bei elektronischen Schaltern kein Verschleiß
Nutzbremsung möglich, das heißt Energierückspeisung ins Netz
Nachteile:
Kommutator und Bürsten der Gleichstrommaschine sind nach wie vor vorhanden
Wie sind ein gesteuerter und ein ungesteuerter Gleichrichter aufgebaut und worin unterscheiden sich diese?
ungesteuerter Gleichrichter
gesteuerter Gleichrichter:
durch die Nutzung von Thyristoren, kann die Effektivspannung durch Wahl des Anschnittwinkels verändert werden.
Welche Möglichkeiten gibt es, Gleichrichterantriebe zu bauen?
Stufentrafo mit ungesteuertem Gleichrichter aus Dioden: Der Wechselstrom, der der Sekundärseite des Transformators entnommen wird, wird durch den nachgeschalteten Gleichrichter zu einem pulsierenden Gleichstrom.
Dies ermöglicht die Verwendung einfacher Dioden und den Verzicht auf eine Ansteuerelektronik. Zudem sind die Netzrückwirkungen relativ gering. Allerdings ist die Schaltung nicht rückspeisefähig und aufgrund des Aufwands für Trafo und Schaltwerk groß und schwer.
Transformator mit festem Übersetzungsverhältnis und gesteuerter Gleichrichter mit Thyristoren: die Verstellung der Spannung geschieht hierbei über den Zündwinkel α.
Bei dieser Lösung ist die Netzrückspeisung möglich und der Trafo zudem relativ kompakt. Allerdings hat diese Schaltung größere Netzrückwirkungen und eine größere Stromwelligkeit bei Teilaussteuerung. Zudem ist der Aufwand für die Leistungshalbleiter und die Ansteuerelektronik höher.
Fourier-Zerlegung am Ausgang: pulsierende Gleichspannung (Gleichanteil + doppelte Frequenz der Wechselspannung)
Wie lauten die Gleichungen eines Gleichrichters eines Mischstrommotors für den resultierenden Gleichanteil sowie für den doppeltfrequenten Anteil?
Aufteilung der welligen Gleichspannung in einen Gleichanteil und in einen Wechselanteil.
Was sind die Unterschiede zwischen Hochspannungs- und Niederspannungsschaltwerken und ab welcher Leistung wird welches Schaltwerk bevorzugt?
Niederspannungsschaltwerk:
Abgriff auf der Sekundärseite des Transformators
niedrige Spannungen geschaltet werden, aber große Ströme
Hochspannungsschaltwerk:
Abgriff auf der Primärseite des Transformators (Spartransformator)
es werden hohe Spannungen aber geringe Ströme geschaltet
ab einer Leistung von 3MW werden Hochspannungsschaltwerke eingesetzt, da Niederspannungsschaltwerke zu groß werden würden
Welche Möglichkeiten gibt es, die Drehzahl einer Einphasenreihenschlussmaschine zu verändern?
Frage: Bild 2.37 hat der Spartrafo nicht auch eine primär und eine sekundärseite?
Änderung der Speisespannung. Bei der älteren Niederspannungssteuerung ist die Sekundärseite des Haupttransformators hierzu mit Anzapfungen versehen, die mittels eines Schaltwerks mit den Motoren verbunden werden.
Bei Lokomotivleistungen, die größer als 3 MW sind, werden die zu schaltenden Ströme mit bis zu 13 000 A sehr groß, sodass ein Niederspannungsschaltwerk sehr groß und schwer würde. Daher wird bei großen Leistungen ein Hochspannungsschaltwerk benutzt, bei dem die Anzapfungen an einer Regelwicklung angebracht sind. Das Schaltwerk muss daher nur für Ströme von ungefähr 600 A, aber für Spannungen von bis zu 22 kV geeignet sein. Solche Schaltwerke sind wesentlich kleiner als vergleichbare Niederspannungsschaltwerke. Nach dem Schaltwerk folgt ein Umspanner, der die Spannung auf eine für die Motoren geeignete Größe von bis zu 600 V bringt.
Spartransformator besitzt nur eine Wicklung und ist leichter und günstiger als Volltransformator
Wie erreicht man eine Phasenverschiebung an einer Spule?
Kompensation der transformatorischen Spannung eines Einphasenreihenschlussmotors
Zur völligen Vermeidung von Spannungen in den kommutierenden Spulen wären zwei Komponenten des Wendefelds erforderlich. Die erste Komponente müsste proportional zum Motorstrom und phasengleich mit ihm sein, um die Läuferdurchflutung in der Pollücke aufzuheben und die Stromwendespannung zu kompensieren. Eine zweite Komponente müsste proportional zum Motorstrom und umgekehrt proportional der Motordrehzahl sein und 90◦ Nacheilung zum Ausgleich der transformatorischen Spannung haben. Im Motorbetrieb kann die Phasenverschiebung durch Parallelschaltung eines ohmschen Widerstandes zur Wendepolwicklung erreicht werden
Da die umgekehrte Proportionalität zur Motordrehzahl nicht erreichbar ist, gelingt der Ausgleich der transformatorischen Spannung nur für eine bestimmte Drehzahl des Motors. Bei anderen Drehzahlen treten Restspannungen auf. Meist wird der Widerstand so dimensioniert, dass der Punkt optimaler Kommutierung bei 75 % der Maximaldrehzahl liegt.
drehzahlabhängige Kompensation führte zu Spezialisierung der Loks (Güter-/Personenverkehr)
Welcher Effekt tritt bei der Einphasenreihenschlussmaschine auf (bei Verwendung von Wechselspannung) und wie lässt sich dies reduzieren?
durch den wechselnden Erregerfluss transformatorisch eine Spannung in die kurzgeschlossene, kommutierende Spule induziert
drehzahlunabhängige transformatorische Spannung verursacht in der kurzgeschlossenen, kommutierenden Spule einen Kurzschlussstrom, der über den Kollektor und die Bürste fließt und die Kommutierung durch Funkenbildung erheblich erschwert
ab einer transformatorischen Spannung von UT = 2,5 V steigt der Kurzschlussstrom stark an. Um die transformatorische Spannung gering zu halten, haben die Ankerspulen von Fahrmotoren nur eine Windung (NS = 1)
zudem ist die Speisefrequenz f so gering wie möglich zu halten (16,7 Hz) -> transformatorische Spannung geht linear hoch mit der Speisefrequenz
außerdem sollte der Erregerfluss möglichst klein sein (Φ klein: lFe (Eisenlänge) und τp (Polteilung->Polflächen)) klein, was zu Maschinen mit geringer Eisenlänge und hoher Polpaarzahl führt.
da die Jochdicke im Haupttransformator umgekehrt proportional zur Frequenz ist, stellt die in Deutschland gewählte Bahnstromfrequenz einen Kompromiss aus der Transformierbarkeit der Fahrdrahtspannung und einer niedrigen transformatorischen Spannung dar (1/3 der Netzfrequenz und 3-fache Jochdicke der Transformatoren)
Zur völligen Vermeidung von Spannungen in den kommutierenden Spulen wären zwei Komponenten des Wendefelds erforderlich. Die erste Komponente müsste proportional zum Motorstrom und phasengleich mit ihm sein, um die Läuferdurchflutung in der Pollücke aufzuheben und die Stromwendespannung zu kompensieren. Eine zweite Komponente müsste proportional zum Motorstrom und umgekehrt proportional der Motordrehzahl (Bewegungsspannung) sein und 90◦ Nacheilung zum Ausgleich der transformatorischen Spannung haben. Im Motorbetrieb kann die Phasenverschiebung durch Parallelschaltung eines ohmschen Widerstandes zur Wendepolwicklung erreicht werden
Was ist die transformatorische Spannung und wie entsteht sie?
Die transformatorische Spannung im Reihenschlussmotor entsteht durch:
Die zeitliche Änderung des Magnetflusses (Wechselstrom).
Die Bewegung des Ankers im Magnetfeld, die eine Gegenspannung (transformatorische Spannung) in der kurzgeschlossenen Kommutatorspule induziert.
transformatorische Spannung -> proportional zur Frequenz, zur Windungszahl und zum magnetischen Fluss
Maßnahmen:
Polpaarzahl erhöhen -> Erregerfluss pro Pol minimieren
Windungszahl gering (ideal =1)
damit der durch die transformatorische Spannung angetriebene Strom verringert wird, verwendet man teilweise Spreizkohlebürsten, die den Widerstand zwischen den kurzgeschlossenen Spulen am Kollektor erhöhen
Welche Gleichstrommaschine/ Einphasenwechselstrommaschine eignet sich für den einphasigen Wechselstrombetrieb und welche nicht?
Nebenschlussmaschine:
Die Erregerwicklung ist parallel zum Anker geschaltet. Bei Wechselstrom ändert sich die Polung des Feldes unabhängig vom Ankerstrom, was zu einem ständig wechselnden Drehmoment (Richtungsänderung) führt und zu starken Schwingungen oder Blockierung führt. Mittleres Moment geht gegen 0.
Hohe Induktivität der Feldwicklung verursacht erhebliche Phasenverschiebungen und Effizienzverluste. (I_A und Fluss sind 90° phaenverschoben zueinander
Reihenschlussmaschine:
In der Reihenschlussmaschine sind die Erregerwicklung (Feldwicklung) und die Ankerwicklung in Serie geschaltet. Dadurch fließt durch beide Wicklungen derselbe Strom.
Bei Wechselstrom wechselt die Stromrichtung in jeder Halbwelle. Dies hat folgende Konsequenzen:
Die Polarität des Magnetfeldes in der Erregerwicklung kehrt sich um.
Die Stromrichtung im Anker ändert sich synchron.
Da sowohl das Magnetfeld (Φ\PhiΦ) als auch der Ankerstrom (IAI_AIA) gleichzeitig (nicht phasenverschoben) ihre Richtung ändern, bleibt das erzeugte Drehmoment stets in derselben Richtung.
Dieses Verhalten macht die Maschine für Wechselstrom geeignet, da das Drehmoment gleichgerichtet bleibt, obwohl der Strom wechselt.
Wie lässt sich die Drehzahl der Gleichstrom-Reihenschlussmaschine verändern?
angelegte Ankerspannung ändern (Gleichstromsteller, Widerstände)
Feldschwächung (Widerstand parallel zur Erregerwicklung)
Vorwiderstand
Wie sieht der vollständige Aufbau einer Gleichstrommaschine aus?
Erregerwicklung dient der Erzeugung eines dauerhaften Magnetfeldes
Bürsten sind für die Stromübertragung und für den Kontakt bei der Kommutierung wichtig
Ankerwicklung wird mit kommutierendem Strom versorgt und dreht sich aufgrund der Lorentzkraft
viele Wicklungen im Anker, um konstantes Moment zu erzeugen
Anker besteht aus geblechtem Metall, um Wirbelströme zu vermeiden
höhere Anzahl der Pole führt zu besserem Drehverhalten (geringere Eisenquerschnitte, kürzere magnetische Weglängen)
Wendepolwicklung, um Überschläge an den Polen bei der Kommutierung/Stromwendung zu vermeiden (zwischen Pol und Bürste)
Kompensationswicklungen in den Nuten eines Pols, um Überschläge an den Lamellen zu vermeiden (die durch Feldverzerrung entstehen)
Welche Effekte treten bei der Kommutierung und im allgemeinen Betrieb einer Gleichstrommaschine auf und wie lassen sich diese verhindern?
Stromwendespannung:
Der Strom in jeder der rotierenden Ankerspulen wird durch den Kommutator über die in der neutralen Zone fixierten Bürsten ständig umgepolt. Der Strom wird aufgrund der Induktivität weiter getrieben. Es wird eine Spannung benötigt, um die Stromwendung durchzuführen. Nach der Lenzschen Regel ist die Stromwendespannung so gerichtet, dass sie ihrer Entstehungsursache, nämlich der Stromänderung, entgegenwirkt und so zu einer verzögerten Stromwendung führt. Daher ist der Strom beim Verlassen der Ankerlamelle nicht abgebaut. Hierdurch entstehen an den ablaufenden Bürstenkanten Funken, die zu erhöhtem Verschleiß von Bürsten und Kommutator führen.
Man versucht daher, die Stromwendespannung in der kommutierenden Spule durch eine rotatorisch induzierte Spannung (Wendepolspannung) zu kompensieren, um eine lineare Kommutierung zu erreichen. Dazu werden sogenannte Wendepole (90° verschoben zu Ankerwicklung) angeordnet, deren Wicklungen in Reihe mit dem Anker geschaltet sind.
Feldverzerrung:
Bei Belastung ist zusätzlich die Ankerrückwirkung zu beachten. Die Ankerströme bilden ihrerseits eine Durchflutung senkrecht zur Polachse, die Ankerquerdurchflutung, die sich der Erregerdurchflutung überlagert und ein resultierendes Feld bildet. Die Achse des resultierenden Feldes und damit auch die neutrale Zone verschiebt sich ankerstromabhängig bei Motorbetrieb gegen die Drehrichtung. Es entsteht eine Feldverzerrung: an den auflaufenden Kanten der Pole wird das Feld verstärkt, an den ablaufenden Kanten geschwächt. Die maximale Feldverzerrung tritt an den Polkanten auf. Infolge der Feldverzerrung bei Belastung teilt sich die Lamellenspannung jedoch nicht mehr gleichmäßig auf die Kommutatorlamellen auf, das heißt die Lamellenspannung erhöht sich örtlich unter Umständen beträchtlich. Die Erfahrung zeigt, dass die maximale Lamellenspannung einen Grenzwert von UL = 40 V nicht überschreiten darf, da es sonst zu Überschlägen zwischen einzelnen Lamellen kommen kann, die letztendlich zu einem Rundfeuer über den ganzen Kommutator führen können.
Um die Ankerrückwirkung mit ihren negativen Folgen zu kompensieren, kann eine Kompensationswicklung eingebaut werden. Dazu werden die Hauptpole mit Nuten versehen, in die Leiterstäbe eingelegt werden, die vom Ankerstrom in entgegengesetzter Richtung durchflossen werden. Die Zahl der Leiterstäbe wird so bemessen, dass die Ankerdurchflutung unter den Polen gerade aufgehoben wird.
Wie lassen sich Gleichstrommaschinen verschalten, welche Schaltung nutzt man für Traktionszwecke und warum?
Fremderregt: ist flexibel, aber 2 Spannungsquellen benötigt
Permanenterregt:
für kleine Motoren oft eingesetzt
ähnlich wie fremderregt
konstantes Drehzahlband
Doppelschluss:
sowohl Reihen- als auch Nebenschlussanteil
gemischte Charakteristik
Nebenschluss
Drehzahl nicht über Spannung einstellbar
flaches Drehzahlband/harte Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie -> kleine Drehzahländerung führt zu großer Drehmomentänderung
parallel geschaltete Maschinen weisen schnell unterschiedliches Moment auf, Raddurchmesser müssten exakt gleich sein und Schienenstöße würden sich negativ auf das Laufverhalten auswirken
für Traktionszwecke ungeeignet
Reihenschluss:
weiche Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie -> kleine Drehzahländerung führt zu einer kleinen Drehmomentänderung
geht bei Entlastung durch (n(IA=0) → ∞), bei Belastung fällt Drehzahl stark ab
Wie lauten die drei/vier Grundgleichungen der Gleichstrommaschine?
Ui = c Φ n (Ui: induzierte Spannung, c: Ankerkonstante, Φ: magnetischer Fluss, n: Drehzahl
M = c/2π Φ IA (M: Drehmoment, IA: Ankerstrom)
U = Ui ± RA IA (RA: Ankerwiderstand, + steht für Verbraucherzählpfeilsystem, - für Erzeugerzählpfeilsystem)
c Φ = LG IF (LG: Gegeninduktivität, IF: Erregerstrom)
Wodurch ist die Traktionskraft eines Zuges, die aufgebracht werden kann, beschränkt?
Die maximale Zugkraft ist durch die erreichbare Haftreibungskraft (Traktionskraft) bzw. dem Kraftschlussbeiwert beschränkt:
Kraftschlussbeiwert nimmt mit steigender Geschwindigkeit ab. Zustand der Schienen ist entscheidend (nass, trocken,…)
Die Formel gilt für nasse Schienen (Laub senkt den Kraftschlussbeiwert zusätzlich)
In Abbildung 1.3 sind der Kraftschlussbeiwert μ und die für die Überwindung des Zugwiderstands benötigte Haftreibung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit dargestellt. An der Stelle, wo sie sich schneiden, liegt theoretisch die maximal erreichbare Geschwindigkeit. Durch Neuentwicklungen auf dem Gebiet der Fahrwerke, wie zum Beispiel durch eine aktive Federung, kann diese Grenze in Zukunft jedoch noch angehoben werden.
Was wirkt der Bewegung des Zuges entgegen bzw. welche Kräfte wirken bei der Fahrt?
Wie setzt sich der spezifische Fahrwiderstand zusammen? Erkläre die einzelnen Fahrwiderstände
wf: spezifischer Laufwiderstand (setzt sich zusammen aus Rollwiderstand und Luftwiderstand)
wb: spezifischer Bogen-/Kurvenwiderstand (durch Kurvenfahrt)
ws: spezifischer Neigungswiderstand (Gleisneigung, -steigung, -überhöhung)
wa: spezifischer Beschleunigungswiderstand (Trägheitsmoment, -masse)
Wie sind sogenannte Speiseabschnitte bei Oberleitungssystemen aufgebaut und warum benötigt es diese?
Speiseabschnitte in Oberleitungssystemen sind Teilbereiche des Fahrleitungsnetzes, die elektrisch voneinander getrennt sind und separat mit Bahnstrom versorgt werden.
Aufbau:
Trennstellen
elektrisch isolierenden Bauteile trennen die Oberleitung in einzelne Abschnitte.
Unterwerke
speisen Bahnstrom (z. B. 15 kV 16,7 Hz Wechselstrom oder 750 V Gleichstrom) in die jeweiligen Speiseabschnitte ein.
Schaltanlagen
Automatische oder ferngesteuerte Schalter helfen bei der Trennung und Umschaltung im Fehlerfall oder bei Wartungsarbeiten
Parallelverbindung
Zur Lastverteilung und Redundanz gibt es Verbindungen zwischen Speiseabschnitten, die bei Bedarf zugeschaltet werden können.
Gründe:
Vermeidung von Überlast
Betriebssicherheit
Wartung
Spannungsstabilität
Energieeffizienz
Trennstellen um Fehlerfälle zu begrenzen und erkennen zu können
evtl. verschiedene Phasenlagen in den einzelnen Speiseabschnitten -> Synchronisation schwierig
Neutrale Zone ist für den Fall, dass ein Zug hier in der Wechselzone liegen bleibt.
Was ist der Unterschied zwischen zentraler und dezentraler Speisung im Bahnstromnetz?
zentrale Speisung:
wird der Bahnstrom aus wenigen großen Energiequellen (z. B. großen Bahnstromkraftwerken oder Umformerwerken) in das Netz eingespeist und über Hochspannungsleitungen verteilt.
Merkmale:
Große Umformerwerke oder Bahnstromkraftwerke liefern Strom an das gesamte Netz.
Übertragungsnetz mit hoher Spannung (z. B. 110 kV 16,7 Hz in Deutschland) verteilt den Strom über weite Entfernungen.
Unterwerke an Bahnhöfen oder Streckenabschnitten transformieren die Spannung auf die Betriebsspannung (z. B. 15 kV für Oberleitungen).
Einheitliches Netzmanagement von zentraler Stelle.
dezentrale Speisung:
Bahnstrom an mehreren, geografisch verteilten Einspeisepunkten ins Netz eingespeist. Diese Einspeisung kann z. B. durch mehrere kleinere Umrichterwerke, erneuerbare Energien oder dezentrale Kraftwerke erfolgen.
Strom wird an vielen kleineren Punkten ins Netz eingespeist (z. B. lokale Umrichter oder regenerative Energiequellen wie Photovoltaik, Windkraft).
Flexibles, regional angepasstes Netzdesign mit mehreren autonomen Versorgungszonen.
Dezentrale Energiespeicher oder Rückspeisung aus Bremsenergie kann genutzt werden.
Was sind die Unterschiede in der Bahnstromrückführung von Gleich- und Wechselstrombahnen?
Wie sind die Erdungsverhältnisse von Gleichstrom und Wechselstrom und warum?
Wechselstrom: vollständige Bahnerdung, alle metallischen Gegenstände in der Nähe der Strecke mit Schienen verbunden. Keine Gleisisolierung benötigt, da Stromrichtung dauerhaft wechselt, sodass im Mittel keine Ladungsträgerbewegung entsteht
Gleichstrom: Schiene vom Boden isoliert und nicht geerdet, sodass Streustromkorrosion vermieden wird
Streustromkorrosion entsteht an metallischen Gegenständen (z.B. Rohrleitungen) durch Ströme, die ins Erdreich abwandern und diese dann als Rückleiter in Richtung Unterwerk nutzen
Potenzialdifferenz zwischen Erde und Schiene im Unterwerk überwacht und ggf. durch kurze Verbindung ausgeglichen
Welche Bahnstromsysteme gibt es in Europa und in welchen Ländern kommen diese vor?
Nennen Sie die 4 relevanten Bahnstromsysteme und jeweils ein Land außer Deutschland.
Wechselstrom, 25 kV, 50 Hz:
Nordfrankreich, Großbritannien, Dänemark, Tschechien, Slowakei, Ungarn, Portugal, Finnland
Wechselstrom, 15 kV, 16,7 Hz (früher 16 2/3 Hz):
Deutschland, Österreich, Schweiz, Schweden, Norwegen
Gleichstrom, 3 kV:
Belgien, Italien, Slowenien, Spanien, Polen
Gleichstrom, 1,5 kV:
Niederlande, Südfrankreich
Gleichstrom, 750 V:
Südengland
Was sind die Besonderheiten der indirekten Druckluftbremse bei einem Zug?
Bedienung über Führerbremsventil -> im Bereich von 5 bar (gelöst) bis 3,5 bar (maximale Bremswirkung) bedienbar
bei Undichtigkeit der Druckluftleitungen oder Trennung eines Wagons fällt Druckluft ab und Zug inklusive Wagons führen eine Schnellbremsung durch
Was ist die Sicherheitsfahrschaltung (Sifa) und wozu dient sie?
zur Feststellung der Dienstunfähigkeit des Triebfahrzeugführers
Bedienung durch Drücken von Tastern oder Fußpedal
bei Drücken nach 30 s Leuchtmelder
danach oder nach Loslassen ertönt nach 2,5 s die Hupe
nach weiteren 2,5 s erfolgt eine Zwangsbremsung
Wie ist die Linienförmige Zugbeinflussung aufgebaut und welche Technik wird dort verwendet?
LZB-Linienleiter in Kurzschleifentechnik von 300 m Länge gelegt
Abstand von Streckengerät zum nächsten bei 600 m
Wo befinden sich die Indusi-Signale der PZB an den Gleisen und welche Funktion erfüllen diese?
1000 Hz-Signal an Vorsignal im Abstand von 1000 m zum Hauptsignal -> Überwachungssignal
500 Hz-Signal im Abstand von 250 m zum Hauptsignal -> Überwachungssignal
2000 Hz-Signal am Hauptsignal -> Auslösen führt zu Zwangsbremsung
In welchen möglichen Szenarien werden die einzelnen Indusi-Signale der PZB eingesetzt?
1000 Hz:
Vorsignal in Stellung Halt erwarten
Ankündigung einer Höchstgeschwindigkeit von ≤ 70 km/h
Ankündigung von 80 km/h und der Zug passiert mit ≥ 95 km/h
Ankündigung von 90 km/h und Zug passiert mit ≥ 105 km/h
Bahnübergangs-Überwachungssignal zeigt defekten Übergang an
500 Hz:
Hauptsignal zeigt Halt oder Höchstgeschwindigkeit ≤ 30 km/h
Herabsetzung der Streckengeschwindigkeit auf ≤ 30 km/h
2000 Hz:
Hauptsignal zeigt Halt
Geschwindigkeitsprüfabschnitt wird zu schnell überfahren
Wie funktioniert die punktförmige Zugbeinflussung (PZB) nach dem Indusi-Prinzip?
Induktive Zugsicherung über Koppelspulen
Zugseite (rot): Frequenzgenerator (2000Hz, 1000Hz, 500Hz) mit Serienschwingkreis; im Grundzustand ist das Relay angezogen und der Kontakt geschlossen
Gleisseite (blau): abgestimmter Parallelschwingkreis (je nach Signal); passives Bauteil; Schalter zur Überbrückung
bei Vorbeifahrt erhöht sich die Impedanz in L1, was zum Abfall des Relays und zum Öffnen des Kontaktes auf der Zugseite führt
sicherer Zustand des Systems: Drahtbruch führt zum Auslösen des Signals
Zuletzt geändertvor 7 Tagen
