Die Anforderungen an eine Gleichstrom-Motorsteuerung sind im Wesentlichen : gute Dosierbarkeit - (Auflösung des Stellbereiches) - wenig Verzögerung ( Delay) - kleine Verlustleistung des Stellgliedes (vorgeschaltete Widerstände - heutzutage unterschiedliche Halbleiter) -- Temperaturstabilität.
Die gute alte Straßenbahnsteuerung mit zuschaltbaren Feldwiderständen erfüllte diese Forderungen nicht. Die "Älteren" erinnern sich noch, daß der Fahrer pausenlos an einer Kurbel drehte, beim Anfahren
"Gasgeben" auf Strecke - am Berg - beim Bremsen u.s.w. Er schaltete mit seiner Kurbeldrehbewegung
Widerstände zusätzlich in Reihe (oder schloß sie kurz) - zum Erregerfeld des Motors. Dabei wurde aus ökonomischer Sicht viel Verlustleistung "verbraten". Die Abstufung entsprach der Anzahl der Widerstände(meist zwischen 6 u 10) war recht grob. Auf der Kirmes steuerten die Karusselbetreiber mit dem "Wasserbadanlasser" - der war stufenlos - aber genauso verlustleistungsintensiv, - im Fahrzeug wegen der Pancherei mit dem Salzwasser u der Größe des Kastens nicht brauchbar. Mit Einführung der "Bahnelektrifizierung" u der Fortschritte in der Elektrotechnik / Elektronik war man in der Lage neue
Wege zu gehen. Der Thyristor brachte Mitte der 60er Jahre den "Quantensprung in der Motorsteuerung".
Der Thyristor ist ein elektrisches Ventil ( Diode ) das in Durchlaßrichtung öffnet oder schließt. Es kann nicht analog aufgesteuert werden wie der Transistor, sondern nur schlagartig ( 1 - 2 usec. = Millionstel sec.Schaltzeit ) Gibt man einen Steuerpuls auf den Steuereingang ( Gate ) wird der Thyristor leitend. Es
bleibt eine Restspannung über dem Bauelement stehen ( Durchflußspannung 1 -2 Volt ) Diese Spannung multipliziert mit dem Motorstrom ergibt die unvermeidliche Steuerverlustleistung plus der Schaltleistung = annäherungsweise 1/2 Schaltspannung x 1/2 Motorstrom X Schaltzeit
Heißt: schaltet der Thyristor "durch" - 6000V bei der DB.- Bahn, u 100 - 300 A Motorstrom entsteht ein Integral von Spannung x Strom über der Zeitachse von 1 -2 usec. Die Spannung läuft von 6000 nach 2V - der Strom steigt zeitgleich von 0 nach 100 - 300 A an, je nach Motor. Dies ergibt die eigentliche Schaltverlustleistung. Mehr dazu nicht, um niemand zu vergraulen - Nun hat der Thyristor einen Schöheitsfehler - einmal leitend bleibt er eingeschaltet solange der "Haltestrom" ein typenspezifischer Mindeststrom nicht unterschritten wird. Beim Gleichstrom wird er nicht unterschritten, - wäre also nicht brauchbar. Kluge Elektroniker kamen auf die Idee, Wechselstrom gleichzurichten, sodaß doppelt soviel Halbwellen gleicher Polarität entstehen wie der Wechselstrom an Frequenz hat. Heißt: 50 Hz - Netzspannung ergeben 100 Halbwellen. Bei den Bahnmotoren (z.B. Siemens-El.Triebwagenbau) ermittelte man durch Berechnungen u Versuche daß 16,66 Hz der beste Kompromiß sei, man hat noch brauchbare Wechselstromeigenschaften u gleichzeitig bei der niedrigen Frequenz "noch" keine "Hochfrequenzprobleme". 16,66Hz verhalten sich im induktiven u magnet./el. Abstrahlbereich fast wie Gleichspannung. Eine Halbwelle durchläuft 180 grad-el. vom Anfang zum Ende hin. Da der Stromfluß beim Nulldurchgang am Ender der Halbwelle den Haltestrom unterschreitet, löscht der Thyristor. Er wird bei jeder Halbwelle neu gezündet -( zündet er bei 30 Grad-el. bekommt der Motor für 150 Grad-el. Strom - (zündet man bei 90 Grad el. bekommt der Motor 90 Grad-el. Strom = 50% ) - (Zündet man bei O Grad-el. bekommt der Motor volle Leistung) - bei 180 Grad el.-keine Leistung. Löst man die Abstufung in Schritten von 1Grad el. auf, so erhält man eine Auflösung der Stellgrößenänderung von 180 Schritten (im Verhähltnis 6 -10 Stufen bei der Straßenbahn) Bei kleinen Motoren kann man mit einem " Poti " (stufenlos) steuern - große Motore werden elektronisch mit einer definierten Auflösung angesteuert. Wer dies verinnerlicht, - hat im Wesentlichen die Steuerung des Pedelecmotors erfasst. Die wurde angelehnt an die gute alte Bahnmotorensteuerung. Da man in der technischen Entwicklung 35 Jahre weiter war, u neue Bauelemente dem Entwickler neue Möglichkeiten eröffnete, sieht die heutige Pedelec-Motorsteuerung im Detail natürlich anders aus. Das Prinzip blieb aber gleich. Ströme u Spannung sind beim Pedelec verhältnismäßig gering ( Spielkram ) Der Akku stellt eine labile Gleichspannungsquelle mit geringer Spannung ( 24V ) dar. Der Nenn-Motorstrom mit gut 11A ( bei 250 W ) ist elektrotechnisch auch "Spielkram" im Verhältnis zum "harten" Bahnnetz mit 6000 V. u Strömen von 100...300 A. je nach E.Lok. In Dänemark läuft die Bahn auf 15.000V. u in Schweden mit 25.000V. Wenn man das weiß , versteht man wenn ich von "Spielkram" rede. Anstatt der Halbwellen - die elektrisch zwischen 0-Grad-el. u 180-Grad-el. angeschnitten werden ( Anschnittsteuerung ) verwendet man bei der Pedelecsteuerung Rechteckpulse. Während bei der "angeschnittenen" halben Sinuswelle die gesteuerte Leistung nicht proportional dem Zündwinkel ist, hat man bei den Rechteckpulsen beim Pedelec annähernd lineare Verhältnisse. Bei der Bahn ( 16 - 2/3 Hz ) ) bekommen wir 33 - 1/3 Halbwellen pro sec. gleichbleibender Frequenz. Beim Pedelec hat sich "400 Hz" ( hier von einer Frequenz zu sprechen, ist nicht ganz korrekt) als guter Kompromiß herausgestellt. Basis ist hier, daß man den Motor mit 400 Rechteckimpulsen von 2,5 milli-sec. Länge ansteuert, das entspräche volle Leistung (= 250 W. ) Die Rechteckpulse werden von einem Impulsgenerator ( = Oszillator oder Rechteckschwinger ) geliefert. Man könnte auch einen Sinusgenerator verwenden - hat aber Nachteile. Da man die Signale digital verarbeiten will - bietet sich der Rechteckgenerator an. Die Dosierbarkeit der Leistungszuteilung wird bei der digitalen Verarbeitung besser. Sperrt man z.B. jeden 2. Puls, bekommt der Motor annähernd nur halbe Leistung. Genauso kann man jeden 3.Puls sperren - der Motor bekommt 66% Leistung u.s.w. Dieses" Spiel" geht theoretisch mit einer "Auflösung" von 400Hz - besser 400-Abstufungen - also recht feinfühlig. In der Praxis gibt es noch ein paar Haken an der Sache. Werden die "Impuls-Löcher" zu groß, verliert der Motor so stark an Drehmoment, daß er nicht mehr rund läuft. Genau wie die Saxo ca. 2400 U/ min. im Leerlauf benötigt, um vernünftig rund zu laufen u Gas anzunehmen. Bei der Pedelecsteuerung schiebt man im unteren Leistungssegment "Zwischenpulse" ein um das zum Antrieb nötige Drehmoment nicht gegen Null tendieren zu lassen.
Das läuft entlang einer empirisch ( durch Versuche ) ermittelten Kennlinie ab. Diese Kennlinie wird
digitalisiert - abgespeichert u der Steuerung im Fahrbetrieb übergeordnet. Ein weiterer Haken ist der Umstand daß der Motor nicht optimiert werden kann, weil die " Frequenz variiert" . Das ist bei der Bahn nicht so - die Frequenz bleibt konstant. Legt man den Motor für z.B. 200 Hz aus, so werden die Spulen bei niedriger Pulsfolge in die Sättigung getrieben - der Strom steigt steil an - Gift für den Akku. Bei hoher Pulsfolge steigt der Strom zu langsam an (Zeitkonstante durch die Induktivität) Da der Strom aber das Maß für die Kraftentfaltung ist ( Drehmoment) nimmt die Leistung nicht proportional mit der Pulsfolge zu, weil der "Blindwiderstand" (induktive Widerstand) des Motors nicht gleich bleibt. Hier versucht man mit Berechnungen u Versuchen einen optimalen Kompromiß zu finden. Das erkärt warum Steuerung u Motor komplett von einem Entwickler /Firma ) kommen müssen - will man ordentliche Ergebnisse haben - alles Andere bliebe Bastelwerk. In der Praxis legt man den Motor nahe unterhalb der Maximal-Steuerfrequenz aus um noch einen Stromanstieg zu gewährleisten der die geforderten 250 W. erreicht. Den verstärkten Drehmomentabfall unterhalb dieser "Idealfrequenz" ( Pulsfolge ) kompensiert man durch Zusatzpulse die nur den übermäßigen Drehmomentabfall kompensieren. Das Ganze wird in " E-Proms" (elektrisch progammierbare Speicher) programmiert u gespeichert. Dieses Grundmodell wie oben beschrieben - funktioniert so, wird jedoch von den einzelnen Herstellern in verschiedene Richtungen weiterentwickelt. Nicht jede "Weiterentwicklung" ist wirklich "Eine" u wird, wenn sie sich nicht bewährt "still begraben" man kopiert dann geräuschlos die erfolgreichere Konkurenz. So steuern einige Varianten den Drehmomentabfall unterhalb dieser "Idealfrequenz" ( Pulsfolge ) mit "Impulspaketen", wobei die Paketgröße variabel wird - man kann dann auf "Zwischenpulse" verzichten - auch hier steuert man entlang einer programmierten Kennlinie. Form u Steilheit der Kennlinie wird dabei auf den Motor abgestimmt. Eine zusätzliche Variante ist, daß man in begrenztem Umfang die Frequenz ändert (zusätzlich zur Pulsmodulation - Einzelpulse oder Pulspakete ) Dabei wird der mittlere Arbeitspunkt des Motors verschoben. Heißt: bei zu viel Sättigung der Motorspulen im unteren Leistungsbereich (Drehzahlbereich) mit unangenehmem Stromanstieg erhöht man die Frequenz u der Arbeitspunkt "rutscht" aus der Sättigung heraus - der Strom wird wieder mehr proportional. Im oberen Leistungsbereich bewirkt eine Absenkung der Frequenz eine Zunahme des Drehmomentes bei gleichem "Tastverhältnis" (Abstand) der Pulse. Im Umgangsdeutsch: die Spulen können mehr Strom "ziehen" weil mit längerer Pulslänge mehr Zeit ist ein magnetisches Feld aufzubauen - stärkeres Feld = mehr Kraft. Das hört sich vielleicht kompliziert an , kann aber wenn digital verarbeitet, weitestgehend programmiert u gespeichert werde, wird dann für alle Steuerungen ab Werk gleich. Der Motor ist ein Teil mit mehreren Gesichtern. Er verhält sich ähnlich einer Spule ( Induktivität) u gleichzeitig auch als ohmscher Widerstand. Die Induktivität ist nicht konstant sondern verändert sich durch wechselnde Gegenspannung (Gegen-EMK) bei Drehzahländerung u Lastwechsel im Fahrbetrieb. Das Magnetfeld im Rotor ( bei Außenläufern ) bleibt fast konstant infolge Permanentmagnete während es sich im Stator mit wechselnder Ansteuerung verändert . Diese beiden Größen "spielen dann zusammen" - die Resultierende aus Beiden ergibt die wirkliche Kraft am Hinter/Vorderrad .
Thyristoren sind für 24V Antriebe kleiner Leistung wenig geeignet. Mit speziellen Thyristoren die mit
"Löschimpulsen" im Nulldurchgang der Spannung gelöscht ( hochohmig-gemacht) werden können, sind
pulsierende Gleichspannungen mit relativ kleinen Strömen grundsätzlich beherrschbar. Die Zeit des "Nulldurchganges für den Motorstrom ist bei maximaler Pulsfolge für den Thyristor zu kurz. Mit einem kurzen negativen "Löschpuls" bringt man den Thyristor dann in den Sperrzustand. Sinnvoll ist, sie für 36V oder 48V (Pedelec) Antriebe einzusetzen. Mit speziellen Leistungs-Transistoren erreicht man geringe Sättigungs-Spannungen unter 400mV - für die Verlustleistung ein Vorteil gegenüber dem Thyristor. Weit verbreitet sind auch Leistungs-FET ( Feldeffekt-Transistoren ) Sie haben keine "Durchfluß" oder "Sättigungs-Spannung wie Thyristor u Transistor - bei ihnen fließt der Strom durch einen "Leiter- Kanal" der mit Steuer-Spannung eingeschnürt oder geöffnet wird. Damit lassen sich Restspannungen um die 100 mV erreichen - fast ideal. Zunehmend faßt man die Bauteile zu einem "Steuerblock" zusammen. Bei Reparatur tauscht man den Block - das spart teure Arbeitszeit. Die Steuerungen sind allgemein schon sehr ausgereift, doch wird bei den "großen Firmen " noch weiter ausgefeilt u optimiert. Welche Steuervariante einmal Standard wird, ist zur Zeit noch offen. Der hohe Entwicklungsaufwand rechnet sich nur bei hohen Stückzahlen. Praktisch sind heute alle Steuerungen samt Antrieb wartungsfrei.( Nur Kurzschlüsse u Wasser mögen sie garnicht) Da haben sie gegenüber der Saxo einen großen Vorteil. Bevor man mit dem "Tunen" ( anwendungsorientiert-ändern ) beginnt, bedarf es im Allgemeinen eines Schaltplanes oder wenigstens eines ausführlichen Blockschaltbildes. Als Privatmann ist da schwerlich "dranzukommen". Bion-X antwortet nicht einmal auf Anfragen - wie andere Firmen reagieren, weiß ich nicht. Händler haben da schon bessere Aussichten an "Unterlagen" zu gelangen - da ist "Kooperation" notwendig. Ohne Unterlagen macht es wenig Sinn mit dem "Modifizieren" zu beginnen. Die Sache wird leicht zum Blindflug - mit Absturzgefahr !
Bis zum nächsten Mal Gruß Doran !
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