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Antriebskonzepte Elektroantrieb

Hier finden Sie alle für uns geeigneten Varianten in einem Bild. Sie erkennen unter [2] den Caddie/Rollstuhl-Antrieb und unter [7] den Baierlschen Bohrmaschinen-Antrieb wieder.

der Akkumulator
Über die Vor- und Nachteile verschiedener Akkutypen kann man wirklich streiten. Weil aber bei der Gartenbahn das Gewicht keine Rolle spielt, werden Sie vermutlich zum preisgünstigen und bewährten Blei-Akkumulator greifen, er ist robust und langlebig, wenn er richtig gewartet wird. Im Bild habe ich eine Akkuspannung von 48V eingesetzt, denn je höher die Akkuspannung ist, desto besser. Eine hohe Spannung vermindert die Verluste. 24 bis 48 Volt sind gebräuchlich, höhere Spannungen sind möglich. Bis 60 Volt gelten gemäss der europäischen Niederspannungsrichtlinie als ungefährlich für Erwachsene und Kinder, ein besonderer Berührungsschutz ist nicht erforderlich. Solarfahrzeuge verwenden meist wesentlich höhere Spannungen!

das Benzin- oder Dieselaggregat
Zur Zeit finden Sie vollständig gekapselte und damit sehr leise und kompakte Benzinaggregate zu Schleuderpreisen auf dem Markt. Sie liefern Wechselspannung von 230V und leisten zwischen 700 und 2000W, was für unsere Zwecke mehr als ausreichend ist. Der Wermuthstropfen dabei: Die kleinsten und billigsten sind mit einem Zweitaktmotor ausgerüstet und der ist nun einmal nicht jedermanns Sache. Geben Sie also vielleicht etwas mehr aus und greifen zu einem Aggregat mit Viertaktmotor, das oft auch 12V Gleichstrom liefern kann.

die Steuerung bei Versorgung durch einen Akkumulator

[1] GleichstromMotor mit Widerstands- oder KNUPFER-Steuerung
Dieses Prinzip ist so alt wie der Gleichstrommotor, es wird heute noch in Trambahnen angewendet und ist unter Gartenbahnern als KNUPFER-Steuerung bekannt. Diese Steuerung wird gern verteufelt wegen der Verluste im Anfahrwiderstand, sie hat aber den Vorteil, dass sie leicht zu verstehen, zu bauen und nahezu unverwüstlich ist. Natürlich entstehen beim Anfahren und Bremsen Verluste in den Widerständen, denn sie wandeln die elektrische Energie in Wärme um, aber auch elektronische Steuerungen haben Verluste.

Die Sache ist einfach: Zum Anfahren wird dem Motor ein Widerstand vorgeschaltet, der nach und nach verkleinert wird, bis schliesslich der Motor an der vollen Akkuspannung liegt. Sinngemäss wird beim Bremsen ein Widerstand parallel zum Motor geschaltet und nach und nach verkleinert, bis das Fahrzeug steht. Weil die Anfahrperiode kurz ist, bleiben die Verluste in erträglichem Rahmen.

Die Firma KNUPFER hat Widerstände und Stufenschalter in ihrem Angebot. Der Spass ist allerdings nicht ganz billig, weil die Schalter sehr hohen Strömen gewachsen sein müssen. Selbstbau ist durchaus möglich, denn es fällt in erster Linie Mechaniker-Arbeit an.

[2] GleichstromMotor mit Pulsweiten-Steuerung PWM
Moderne Halbleiter machen dieses Prinzip möglich: Der Strom aus dem Akku wird zerhackt und kommt in Impulsen zum Motor. Sind die Impulse kurz und die Pausen dazwischen lang, läuft der Motor langsam. Sind umgekehrt die Impulse lang und die Pausen kurz, läuft er schnell. Der Motor läuft trotz der Zerhackerei gleichmässig rund, denn die Zerhackerfrequenz ist hoch und die Massenträgheit des Motors gleicht die Pausen zwischen den Impulsen aus.

Vom Golfcaddy über den Gabelstapler bis zur Trambahn ist diese Art der Steuerung heute im Einsatz und hat sich gut bewährt. Die Steuerungen sind mit vielerlei Sicherungen ausgestattet: Sie verhindern Tiefentladung der Batterie, sind gegen Kurzschluss und Überlastung geschützt und lassen sich gut mit einer Fernsteuerung kombinieren.

PWM-Steuerungen werden von vielen Firmen angeboten, die Preise liegen je nach Leistung und Ausstattung zwischen EUR 50 und 250; Industrieprodukte sind in der Regel teurer.

[3] DrehstromMotor mit Inverter-Steuerung
Seit der Modellflugbetrieb von allen Seiten durch Lärmschutzvorschriften bedrängt wird, beginnt der DrehstromMotor den Benzinmotor zu verdrängen. DrehstromMotoren für Modellflugzeuge sind klein und leicht und trotzdem sehr leistungsfähig, warum sollten sie nicht auch unsere Gartenbahn antreiben können?! Die Sache hat leider verschiedene Haken.

DrehstromMotoren werden mit Dreiphasen-Wechselstrom betrieben, der Akku liefert aber 48 Volt Gleichstrom. Wir brauchen also einen Wandler - einen sogenannten Wechselrichter oder Inverter - der einen zu unserem Motor passenden Drehstrom liefert. Teile für den Flugmodellbau passen nicht, die Motoren laufen zu schnell, die Inverter passen nicht zu unserem Bleiakku. Was uns vielleicht helfen könnte, sind Industriegeräte - ich habe allerdings nichts passendes gefunden.

[4] DrehstromMotor mit mit Umrichter und Inverter-Steuerung
Diese Lösung skiziiert einen Ausweg aus dieser Schwierigkeit: Gut zu beschaffen sind Inverter, welche 230V Einphasenstrom in 3x230V Dreiphasenstrom wandeln und einen handelsüblichen Industriemotor treiben können. Ein vorgeschalteter Umrichter wandelt die 48V vom Akku in Einphasenstrom 230V. Solche Umrichter sind für 12V und 24V Akkuspannung handelsüblich und nicht teuer, ebenfalls handelsüblich sind Industriemotoren mit angebautem Inverter. Aber leider führt die zweifache Umwandlung zu erheblichen Verlusten, sodass wir wohl kaum von einer genialen Lösung sprechen können...

die Steuerung bei Versorgung durch ein Aggregat

[5] Wandlung des Einphasen-Wechselstroms in Gleichstrom 48V
Eine brauchbare Lösung: Das Aggregat und ein Gleichrichter ersetzen zusammen den Akku in den obigen Vorschlägen. Die Geschwindigkeit wird sinngemäss entweder mit einer KNUPFER Widerstandssteuerung oder einer PWM-Steuerung realisiert.

[6] Wandlung des Einphasen- in Dreiphasen-Wechselstrom durch einen Inverter
Auch diese Lösung ist brauchbar: DrehstromMotoren mit angebautem Inverter sind in vielen Leistungsklassen handelsüblich und bezahlbar. Sehen Sie dazu: GartenBahnen "Elektrisch und unabhängig (RhB-Traktor & 1 KW-Generator)" Heft 1/2002

[7] Steuerung des Allstrom-Motors mit einem Thyristor
Als Antrieb wird ein handelsüblicher AllstromMotor für 230V eingesetzt, in einem Beispiel in Form einer Bohrmaschine. Die Drehzalregelung erfolgt mit einem billigen Thyristor-Regler, wie er heute in jedem Staubsauger verbaut ist (zB Conrad 084529) .Eine in jeder Hinsicht sparsame Lösung!

Diskussion

• Je einfacher eine Lösung, desto betriebssicherer ist sie, desto besser wird sie vom Lokführer verstanden und desto rascher ist sie bei einem Defekt repariert. Akkubetrieb mit Widerstandssteuerung ist vielleicht nicht der letzte Schrei, sie ist aber einfach und robust.
• Die Widerstandssteuerung [1] vergeudet wertvolle Akkuenergie, wenn sie falsch bedient wird. Aber auch Halbleiter-Bauteile produzieren Wärme und also Verluste, die umso grösser sind, je komplexer die Steuerung ist.
• Bei zwei hintereinander geschalteten Wandlern wie bei [4] und [5] kumulieren sich die Verluste, solche Lösungen sind darum immer schlechter als solche mit nur einem Wandel-Schritt.
• Auch für ausgefallene Probleme wie zum Beispiel bei [4] den Inverter von 48V = nach 3x230V ~ gibt es Lösungen und natürlich darauf spezialisierte Firmen. Allerdings sind das Produkte für die Industrie und die sind erfahrungsgemäss sehr teuer.
• Bei den Fans der PWM-Steuerung [2] wird gern die Energierückgewinnung (Rekuperation) beim Bremsen und Bergabfahren hochgelobt. Dazu gibt es drei Bemerkungen:
  • Es stimmt, dass die Rekuperation die Lok beim Bergabfahren bremst, sie bremst aber nicht den Zug unmd sie bremst nur, solange der Zug rollt - sie ist keine Feststellbremse!
  • Es geht kaum mehr als 30% der rückgewonnenen Energie in den Akku zurück und
  • GartenBahn-Rundstrecken haben in der Regel keine langen Rampen, auf denen die Rekuperation auch wirklich sinnvoll oder nötig wäre.
• Ein richtig ausgelegter Antrieb ist die grösste Hilfe beim Energiesparen: Der Motor soll bei Nenngeschwindigkeit an der vollen Akkuspannung liegen und dabei im Bereich seines grössten Drehmoments drehen. Besorgen Sie sich also die technischen Unterlagen zu Ihrem Motor und berechnen Sie dann die Untersetzung entsprechend.
• Von allen Getriebarten sind zwei oder vier Stirnzahnräder die beste Lösung. Alles andere - Schnecke, Kette, Keil- oder Zahnriemen - ist vielleicht einfacher aufzubauen, hat aber grössere Verluste.