Parkbahnlok Elektroantrieb - Fragen an unsere Elektrotechniker

Tach!

Mit etwas Magenschmerzen stell ich das unter "Modellbahn" ein, aber unter "Reale Eisenbahn" passt's noch weniger rein...

ich plane seit geraumer Zeit den Bau einer Parkbahnlok der Spurweite 7.25" (fuer Anlagen mit grossem Lichtraum, lies: Fahrzeuge zum Reinsitzen, z.B. Parkbahn Schmiden) und moechte das auch, so weit es eben der finanzielle Rahmen erlaubt, Stueck fuer Stueck realisieren. (Frueher, zu Studienzeiten, dachte ich an eine TRAXX fuer 5" aber davon bin ich abgekommen). Allerdings hapert es bei mir im Bereich der Elektrotechnik ein wenig an Fachwissen und vor allem auch an Erfahrung - koennte ich vielleicht bitte von der Erfahrung unserer hier anwesenden Elektrotechniker oder einfach nur Elektroerfahrener profitieren und einen Ratschlag kriegen?

Angedacht ist eine moderne Lok, kein Modell im engeren oder weiteren Sinne sondern ein Tfz das fuer diese Spur und ihre Anforderungen konstruiert und dimensioniert ist. Dafuer ist auch ein Fahrpult nach heute gaengigem Muster ("Einheitsfuehrerstand") mit Fahrschalter, Bremshebel (rein pneumatisch, kompatibel zu den gaengigen, (wo vorhanden) Druckluftbremsen, meines Wissens Lkw-Bremse, muss ich aber noch nachsehen da ich bisher nur selten mit gebremsten Wagen zu tun hatte bei der Parkbahn) und E-Bremssteller vorgesehen, plus einigen weiteren Schaltern/Tastern (Hauptschalter, Makrophon etc.) und MFA mit Oberstrom, Motorstrom, Batteriespannung, HL-Druck und Geschwindigkeit. Die Verarbeitung der Steuerspannungen/-impulse von den Bedienelementen im Fuehrerstand und ueber eine (moeglichst wenigpolige) IS-Leitung von den Bedienelementen in einem eventuell spaeter dazu kommenden Steuerwagen sowie der Messwerte fuer die Anzeigen wird vermutlich ueber eine SPS (angedacht eine "SIEMENS Logo!") laufen. Womit ich nun etwas hadere ist die letztendliche Ansteuerung der Fahrmotoren. Um auch schwerere Zuege zuegig auf Geschwindigkeit zu kriegen peile ich eine Leistung von 2kW an, verteilt auf vier Treibradsaetze in zwei Drehgestellen. Dafuer habe ich Gleichstrommotoren ins Auge gefasst; leider lassen sich die Seiten nicht verlinken, es handelt sich um Artikelnummer 1831-F2082 auf elektromotor.at. (Kenndaten: 24V=, Nennstrom 26,7A, Ausgangsleistung 500W). Der Motor bettelt mit seinen Massen foermlich um den Einbau als Tatzlagerantrieb.

Allerdings bin ich nicht im Stande adaequate Leistungselektronik dafuer auszumachen - immerhin gilt es, samt Blindleistung, satte 2,5kW zu schalten. Ausserdem moechte ich die Kruecke im Parkbahnbereich gaengiger Steuerungen umgehen, dass elektrisches Bremsen nicht moeglich ist, teilweise muss sogar der Hauptschalter aus sein zum Schalten des Richtungsschalters; ich will jedoch, wie man schon an der Liste der Bedienelemente erkennen kann, elektrisch Bremsen koennen. Dazu fallen mir drei Moeglichkeiten ein, wobei letztere meines Wissens fuer den Motor nicht gerade gesund waere. Auflistung nach Beliebtheit bei mir:

• Generatorbetrieb der Fahrmotoren, Wandlung der Spannung zwecks Rueckfuehrung in Batterieladegeraet
• Generatorbetrieb der Fahrmotoren, Verbrutzelung der Energie in wasser- oder oelgekuehlten Bremswiderstaenden
• Aufschalten von Leistung in Gegenrichtung

Nun ist die Frage - was tue ich? Da fallen mir vier Moeglichkeiten ein:

• Es gibt bereits handelsuebliche Drehzahlsteller die das geforderte beherrschen, ich habe nur auf den falschen Seiten geguckt
• Gibt's nicht fertig, ist aber bezahlbar und machbar im Eigenbau
• Es gibt bereits handelsuebliche Drehzahlsteller die das geforderte koennen, allerdings nur fuer 500W, daher, wie bei modernen Vollbahnfahrzeugen, jedem FM ein eigenes ASG geben
• Fuer die geforderte Leistung nicht machbar, aber man kann bezahlbar und machbar selbst ein ASG fuer 500W bauen und jeden Radsatz einzeln steuern

Letztere beide haetten den Vorteil, dass sie, ausreichend mit Sensoren aufgebrezelt und natuerlich in der Logo! programmiert, mit Schleuderschutz aus- bzw. nachgeruestet werden koennten. Waere allerdings ein weiteres komplexes System - wenn ich aber an oeffentliche Veranstaltungen denke, koennte das eine sehr lohnende Massnahme sein. Bestes Beispiel Echtdampfhallentreffen - gibt einige Modellbahner die sich auf 5" 'verirrt' haben und Uhrwerkloks fahren lassen weswegen auf allen Gleisen wo 5"-Loks fahren (und das sind aus 7.25"-Perspektive alle weil 7.25"-Gleise grundsaetzlich zweispurig ausgefuehrt sind dort) Sanden absolut verboten ist. Da die meisten dieser Loks auch vorsichtshalber so intensiv geschmiert werden dass sie vor Fett triefen wie eine McDoof-Pommes, sind die Gleise spaetestens am zweiten Tag hoffnungslos verschmiert, wogegen lediglich an der Rampe mit aeusserst bescheidenem Erfolg per spiritusgetraenktem Lappen vorgegangen wird.

So viele Antworten in so kurzer Zeit Danke Euch!

@MaxW: Hydraulische Ansteuerung eines E-Motors...? Ich steh grad bisschen auf dem Schlauch wie Du das meinst.

Jens: Danke fuer den Link, ich werd mich umsehen. Waere allerdings ein sehr langer und steiniger Weg, ich hab irgendwie nicht das geringste Gefuehl fuer Elektronik, ich war sogar schon versucht 'ne Schuetzschaltungslok zu bauen, das kapier ich naemlich, aber das schiesst ja am selbstgewaehlten Ziel einer non-histerischen Lok vorbei. Daher hoff ich es klappt etwas bereits grob funktionierendes zu finden.

taler:
- Fuehrerstand: MFA, nicht MFD Also, normale Zeigerinstrumente, der Begriff MFA (Mulitfunktionsanzeige) steht dafuer, dass alles gemeinsam ist statt wie frueher links oben der Hasler-Tacho, rechts unten der HL-Druck, vorne mittig die Motorstroeme, ...
- Traktionsmotor: Mit dem Gedanken einer Drehstromanlage habe ich auch schon gespielt, aber dafuer konnte ich noch weniger Steuerungsmoeglichkeiten finden (gut jetzt kenn ich paar Seiten mehr als nur Conrad, vll. wuerde sich was finden), nur mit hohem Preis bei niedriger Last. Und der hohe Strom ist ja das Problem - bis 900W Gesamtleistung findet man preiswerte Steuerungen fuer RC-Autos, teilweise sogar ein Komplettset mit Motor und Bedieneinheit. Ist nur halt bissi schwach fuer 7.25", eher fuer 5" was. Haben teilweise sogar Bremsfunktion, einziges Manko: Irgendwie scheinen sie alle grundsaetzlich nicht vorzusehen dass jemand in beide Fahrrichtungen volle Leistung haben will :wacko:
- Logo!: In der Lehrwerkstatt Darmstadt habe ich sehr viele verschiedene Sachen gesehen, die mit Logo!s gesteuert sind - Kraene, Foerderanlagen, Fraesen, ..., einer der Ausbilder hat uns auch Schaltplaene und Bilder gezeigt von Sachen die er daheim ebenfalls mit Logo! gemacht hat. Moeglich ist's also wohl
- Bremsanlage: Ueberall dort, wo Steigungen vorhanden sind oder laengere Personenzuege ueblich sind, haben die Wagen eine Druckluftbremse. Sogar in Schmiden werden wir vermutlich nach dem naechsten Umbau Bremsen nachruesten. Und da ich die Lok ja durchaus gerne auch vorzeigen moechte, was sie alles kann, ist eine Druckluftbremse unverzichtbar.
- KISS?

@Bügelfaltenreiter: In der Richtung hatte ich noch gar nicht nachgedacht, das muesste ich tatsaechlich nachsehen. Bisher hatte ich nur ueber E-Roller nachgedacht, eine Freundin hat mich zufaellig auf den Trichter gebracht und dann bei der Suche nach verschiedenen preiswerten Motoren bin ich auf einen Artikel aus einer Gartenbahnzeitschrift gestossen, wo jemand eben allerlei Tipps und Warnungen fuer die Ausschlachtung eines E-Rollers vom Flohmarkt fuer eine 5"-Lok gab. Nachteil ist halt dass mW bei paar Hundert W Schluss ist. 500W scheint schon ein ziemlich starker Roller zu sein. Es sei denn, ich wuerde auch hier die Methode mit 4 ASG nehmen... Wenn ich vier unabhaengige Antriebssteuergeraete habe, alle baugleich, und an die Steuerspannung schliesse ich sie parallel zueinander an - wuerde das funktionieren? Da spricht eigentlich nichts dagegen, oder? Muss ich mir echt anschauen, wie es aussieht preislich, ob das wirklich solche Schnaeppchen sind wie der Autor da schrieb.
In welchem Leistungsbereich und welchem Preisbereich rangieren denn die Geraete? Zumindest auf den ersten Blick klingt das nach einer echten Alternative. Nachteil ist, ich bin bei der Suche nach Motoren ueber welche gestolpert die fuer solche Stapler ausgelegt waren und das waren von den Massen ziemliche Brocken - jedenfalls nicht fuer Tatzlagereinbau geeignet, da laenger als Raum vorhanden ist. Die Spurweite sind 184mm, sprich selbst bei aussengelagerten Radsaetzen habe ich innenrum nur ca. 16cm frei. Auf jeden Fall werde ich mich mal umsehen. Das mit der Batterie waere weniger ein Problem, ich schaetze mal das sind keine Autobatterien, ich hingegen peile eben solche als Energiespeicher an, da sie Stand der Technik sind fuer diese Spur und zwar einer der wenigen, an denen ich nicht ruetteln will - gute Energiedichte, gutes Gewicht, gute Erschuetterungsfestigkeit. Danke!

Achso, volle Leistung und dann getriebeseits regeln? Ja, das waere tatsaechlich sehr ineffizient und normalerweise bei Diesel-Fz (dieselhydraulisch) ueblich wie der BR218. Wenn auch vermutlich immer noch effizienter als eine Widerstandssteuerung.

@Zugvogel: - was Du im Kopf hast, ist eine Phasenanschnittsteuerung. Jahrelang die Steuerung fuer E-Tfz schlechthin. Allerdings, wenn ich schon die Gleichspannung wechselrichten wuerde, dann wuerd ich direkt auf Drehstrom gehen, noch eleganter.

taler:
MFA und MFD werden hier im Forum oefter mal gebracht oder wurden es zumindest im Rahmen der Fst-Veroeffentlichungen von Patrick, daher nahm ich die Kenntnis derselbigen an, sorry.
Die Traktionsleistung und Achsfolge ist, wie schon eingangs geschrieben, 2kW gleichmaessig verteilt auf B0B0. Drehmoment moeglichst gross, grad im Stillstand wichtig.
Kleine Preise gibt es durchaus, der von mir vorlaeufig ins Auge gefasste Motor kostet unter 200€ fuer 500W und da er auch im Antriebsset fuer E-Roller enthalten ist, das auf dieser Seite angeboten wird, bin ich mir sicher dass er gute Traktionseigenschaften hat.
Die Kleinsteuerung werde ich mir nochmal ueberlegen, aber prinzipiell faellt mir keine andere aehnlich elegante Loesung ein. Klar, eine minimalistische Schaltung waere auch elegant machbar - unter Einbuessung der Moeglichkeit eleganter Erweiterungen ueber die Programmierung. Beispielsweise haben wir bei der Parkbahn mal zum Spass nachgedacht eine Art PZB fuer Parkbahnen zu bauen - ueber die Kleinsteuerung ohne Problem nachruestbar.
Fuer die Bremsanlage werde ich aus Kompatibilitaetsgruenden das nehmen was ueblich ist - Lkw-Bremsanlage, Klotzbremse auf Radreifen. Scheibenbremse ist kompliziert zu bauen und, wie Du sagst, Platz fuer eine Wellenbremsscheibe ist nicht vorhanden, bliebe hoechstens eine Radbremsscheibe als Option.

Danke fuer die Links!

Erstmal zu den Preisen: Das ist kein billiges Hobby. Dampfloks gehen bis in den sechsstelligen Wertebereich. Daran gemessen ist ein niedriger vierstelliger Preis ein Schnaeppchen.

2kW Antriebsleistung sind nicht viel, eigentlich viel weniger als ich anfangs ueberlegt hatte. Nur ist die urspruengliche Nennleistung nicht bezahlbar machbar. Die Herleitung der urspruenglichen Nennleistung (6kW) ist wie folgt: Ich habe mir die Zuege, wie sie auf grossen Anlagen ueblich sind vor Augen gefuehrt, die wuerde ich grob so aufschluesseln:
Tfz - 2t
10 Wagen je 100kg - 1t
je 8 Personen je 80kg - 6,4t
Macht insgesamt - 9,4t, daher mal vereinfacht 10t angenommen. Abhaengig von a) Gleislage und b) Bundesland (TUeV-Regeln!) sollten 15km/h drin sein, die ich relativ zuegig (30sec) erreichen will.
E=m*v^2
P=E/t=m*v^2/t
P=10t*(15km/h)^2/30sec=5787W, also ca. 6kW. Mit 2kW sind die Parameter schon deutlich schlechter, da hab ich mit einem solchen Maximalzug nach 30sec gerademal langsame Schrittgeschwindigkeit drauf. Wenigstens droht Schleudern wohl kaum - selbst bei 6kW waere die maximale Anfahrzugkraft, wenn ich nicht falsch rechne, 1,4kN. Die Lok koennte die oben genannten 2t durchaus erreichen, haengt massgeblich auch davon ab wie viele Akkus ich einbaue. Das ergaebe eine Gewichtskraft von 20kN, damit ist der minimale Haftreibungskoeffizient fuer 6kW 0,07, fuer 2kW 0,0233; selbst unter schlechtesten Bedingungen unterschreitet man das eher nicht.

Nun zu den Bremsen - ich glaube ich habe mich etwas missverstaendlich ausgedrueckt. Genau diese Sache ist keine Spielerei meinerseits sondern Stand der Technik seit vielen Jahren - jede mir bekannte grosse Anlage hat durchgehende selbsttaetige Druckluftbremsen die auf Lkw-Bremsen aufbauen. In Schmiden haben wir das nur nicht, weil wir bisher nur mit zwei Personenwagen und ohne Steigungen fahren. Das wird sich bald aendern vermutlich und dann wird auch mit Bremsen angefangen, mindestens ein Wagen mit Bremserbude aber vermutlich zumindest mal langfristig ebenfalls Druckluftbremse. SIAN, die Dampflok, hat bereits einen Kompressor der bei Fahrten auf Anlagen mit druckluftgebremsten Wagen auch benutzt wird. Was genau von der Lkw-Bremse erhalten bleibt und was umgebaut wird - keine Ahnung. Habe mich damit noch nicht so sehr auseinandergesetzt. Mein Hauptaugenmerk liegt auf der Traktion, weil das das Gebiet ist, wo ich innovativ vorgehen will bei gleichzeitig bescheidenem Wissensstand. Bevor ich nicht geklaert hab, inwiefern das machbar ist, brauch ich mir keine Gedanken um Sachen machen, die schon vorhanden sind, erprobt und gut und keines Umbaus beduerfen

Nun nochmal zu den Preisen - was ich ebenfalls ueberlegt hatte, aber nicht sicher bin ob das sinnvoll und machbar ist: Antreibssets von RC-Autos nutzen. Der Vorteil ist, ich habe Steuerungselektronik und Motor in einer fertigen Kombination von der ich weiss, dass sie funktioniert. Nachteil - die Zielgruppe der Beschreibungen sind RC-Modellbauer, ich hingegen werde nicht ganz schlau daraus. Hier erstmal das in Frage kommende Modul (555W Ausgangsleistung, 149€, macht schlappe 600€ fuer die gesamte Antriebsanlage): http://www.conrad.de/ce/de/pro…-A-MT-TR/1203111&ref=list
Meine Frage ist: Sehe ich richtig, dass
a) die Bremskraft nicht richtig regelbar ist sondern lediglich grobe Werte voreingestellt werden koennen und
b) die Maximalleistung rueckwaerts hoechstens 50% der Volleistung betragen kann ueber die Steuerung?

Fuer letzteres wuesste ich noch eine Moeglichkeit, naemlich gar nicht die vorwaerts/rueckwaerts-Funktion der Steuerung nutzen sondern ueber einen Richtungsschalter jeweils zwei Kontakte vertauschen, so wie es vorgeschlagen wird in der Bedienungsanleitung fuer die Stoerung "Motor dreht falschrum". Aber ersteres, kann man das irgendwie umgehen? Und laesst sich das ueberhaupt fuer getrennten Zugkraft- und E-Bremssteller konfigurieren? Ansonsten waere natuerlich auch ein Kombi-E-Hebel moeglich.

Ja, mit Maschinenbau sind wir durchaus im richtigen Begriff angekommen!

Das Problem bei der Industrieware ist oft, dass die Motoren nicht dafuer ausgelegt sind unregelmaessigen mechanischen Belastungen (vulgo: Stoessen) ausgesetzt zu sein; sie sollen perfekt gelagtert in einer Fraesmaschine liegen, nicht eine Lok ueber holprige Gleise kutschieren und dabei hin und wieder entgleisen. Daher habe ich mich bevorzugt nach von vornherein fuer akkugestuetzte Traktion gedachten Antrieben umgesehen - Modellautos 1:8, E-Roller u.ae. Was haeltst Du denn von meiner Idee am Ende des vorigen Posts?

Gut, vielen Dank fuer die Antworten hier. Ich werd mich erstmal ordentlich in alles einlesen, wenn wieder Fragen aufkommen meld ich mich hier. Danke!

Kleines Update. Das Projekt ist nicht tot, aber natuerlich hintan, sowohl auf der finanziellen Prioritaetenliste als auch auf der zeitlichen Prioritaetenliste. Nach der Ausbildung muss ich sehen wie es weiter geht, ich bin aber durchaus optimistisch.

Inzwischen habe ich davon abgesehen, rein mit Akkumulatoren zu arbeiten; als Rueckfallebene moechte ich eine mobile Stromerzeugung einbauen. Die Frage nun ist, was genau. Oekologisch soll das ganze sein, und ich habe grundsaetzlich drei Ideen, wie das geloest werden kann.

1. Vorschlag, stammend von einem antriebstechnikversierten Kollegen: Benzingenerator, mit Ethanol betrieben. Dabei ist zu beachten, dass kleinere Anpassungen notwendig sind; der wichtigste Punkt ist die Beruecksichtigung des Fehlens von Schmiereigenschaften bei Ethanol im Ggs. zu Benzin
2. Vorschlag: Stromaggregat fuer Fluessiggas. Handelsuebliche Gasgeneratoren, bspw. als Notstromaggregate, in der geforderten Leistungsklasse scheint es laut WLW zu geben
3. Vorschlag: Tfz an sich rein akkubasiert, mit eingebautem BLG, welches ueber eine uebliche aussenraumgeeignete Steckerleitung an eine beliebige einphasige 230V 50Hz-Spannungsquelle angeschlossen wird

Erstere beide basieren auf im Automobilbereich hinreichend erprobter Technologie. Der Vorteil des Letzteren ist, dass man auf ggf. vorhandenen oeffentlichen Netzanschluss zurueckgreifen kann oder auch auf eine stationaere, d.h. nicht den Abmessungen des Tfz unterworfene sondern groessere und damit potentiell effizientere Anlage. Damit waere auch beispielsweise eine mit z.B. getrocknetem Gartenhaeckselgut betriebene Dampfturbine mit Holzheizkessel denkbar; Treibstoff waere damit kostenlos verfuegbar, insbesondere in laendlicheren Regionen.

Hat jemand mit einer der drei Moeglichkeiten schon Erfahrung? Anregungen? Weitere Vorschlaege?