schreiben Sie mir! -> mailto:peter [period] bickel [snail] orange [period] fr?subject=Gartenbahn  © Peter Bickel 2009...2018 Revision 2018 PMWiki V 2.2.105 |
 4QD: Fequently Asked QuestionsDiese Seite ist 4QD gewidmet, einem britischen Hersteller von PWM-Kontrollern für akkugespeiste Gleichstromantriebe. Auf der Webseite hat es mehrere Seiten mit technischen Auskünften und Diskussionen zu PWM-Steuerungen, die mir sehr hilfreich scheinen. Ich habe nirgendwo sonst so viel gescheite Information auf so kleinem Raum gefunden! Seien Sie beruhigt, ich habe keine Aktien von 4QD und werde an Ihrem Einkauf nicht verdienen! Und ich denke, dass andere Hersteller auch gute Kontroller bauen. Die Kontroller von 4QD werden in den unterschiedlichsten Anwendungen vom Kinderwagen bis zum Gabelstapler eingesetzt. Die FAQ sind allerdings etwas chaotisch strukturiert und enthalten viele Wiederholungen. Ich habe darum nur die für GartenBahner wichtigen Teile übersetzt und folge nicht stur dem Aufbau des Originals. Die Übersetzung ist sehr frei, teilweise gekürzt und manchmal von mir ergänzt; das englische Original finden Sie auf der Webseite. Ich habe versucht, das Kontroller-Angebot etwas durchschaubar zu machen und in einer Tabelle zusammengestellt, was ich im Internet gefunden habe. Das Resultat finden Sie hier (PDF 160kB) Wenn Sie Hersteller kennen, die nicht in der Tabelle sind, und vielleicht sogar Erfahrung mit deren Produkten haben, bitte ich um einen Hinweis.
Welche Kontroller bietet 4QD an?
Welche Kontroller eignen sich für welche Anwendungen?Die Tabelle nennt einige Einsatzgebiete von Gleichstromantrieben und die jeweils verwendbaren Kontroller von 4QD.
Welchen Kontroller soll ich wählen?Viele Kunden neigen dazu, einen stärkeren Kontroller zu wählen, als sie benötigen. Das ist eine kluge Wahl, denn 4QD-Kontroller sind wirklich billig. Ausserdem erwärmt sich ein stärkerer Kontroller weniger und arbeitet darum mit besserm Wirkungsgrad. Es gibt den 'zu starken Kontroller' gar nicht, denn die Motoren nehmen immer nur den Strom auf, den sie benötigen. Die Angaben zur Belastbarkeit der 4QD-Kontroller sind realistische Werte. Für kurze Zeit können sie mehr Strom abgeben: Ein VTX-Kontroller für 70A kann kurzzeitig bis zu 115A liefern. Wenn Sie ihn allerdings über längere Zeit mit 70A belasten, beginnt er sich zu erwärmen. Eine interne Schaltung beschränkt dann den Strom und hält ihn auf ungefährlicher Höhe. Wenn Sie Ihren Kontroller also zu knapp gewählt haben, wird er sich erwärmen und seine Leistung reduzieren. aber er wird keinen Schaden nehmen. Sie haben dann zwei Möglichkeiten: Sie können die Wärmeableitung verbessern oder einen stärkeren Kontroller kaufen. Die zweite Möglichkeit ist die bessere, denn ein kühler Kontroller arbeitet mit besserm Wirkungsgrad als ein heisser. Wenn Sie von Ihrem Motor beide Drehrichtungen erwarten, sollten Sie zu einem Vier-Quadrant-Kontroller greifen, also zu einer der Serien Pro-120, VTX oder 4QD. Für Gartenbahner kommen sinnvollerweise nur Vier-Quadrant-Kontroller in Frage. Wie finde ich heraus, wieviel Strom mein Kontroller liefern muss?Der Elektromotor in Ihrer Lok wandelt elektrische Energie aus dem Akku in mechanische Energie um. Diese mechanische Energie wird in Ihrem Gartenbahnzug weiter umgewandelt in:
Diese beiden Anteile können nach den Gesetzen der Physik einfach berechnet werden. Weil elektrische und mechanische Systeme nie ideal sind, entstehen dabei Verluste, wobei Energie in Wärme umgewandelt wird.Auch diese Energie wird vom Akku geliefert, dieser Anteil hängt von vielen konstruktiven Details ab und ist darum sehr schwer abzuschätzen.
Was sind Ramps und was bedeutet Dual Ramp Reversing? Wenn Sie Ihren Motor ohne Kontroller mit einem Akku verbinden, zieht er einen hohen Anlaufstrom, weil er sofort auf seine volle Drehzahl beschleunigt. Mit einem Kontroller tritt dieser Effekt nicht ein, sondern der Motor startet langsam. Das liegt nicht nur daran, dass der Steuermann den Regler langsam öffnet, es ist auch eine Eigenschaft des Kontrollers. Diese allmähliche Beschleunigung wird Winding up Ramp genannt, was vielleicht mit 'Beschleunigungs-Charakteristik' übersetzt werden kann. Einfache Kontroller haben eine sogenannte C-R-Ramp eingebaut, so genannt, weil sie mit einer Kondensator-Widerstands-Schaltung erzeugt wird. Das zweite Bild zeigt eine ausgefeiltere Art, die Linear Ramp. 4QD-, VTX und PRO-Kontroller sind damit ausgerüstet. Die Steilheit der Rampe ist bei vielen Kontrollern einstellbar. Diese Art der Motorsteuerung erlaubt es auch, die Fahrtrichtung bei laufendem Motor umzukehren: Der Kontroller bremst dann die Lok bis zum Stillstand ab und fährt sie in umgekehrter Richtung wieder an - Zwei-Rampen-Umsteuerung also: Dual Ramp Reversing. Die meisten 4QD-Kontroller können das. Und was ist Regeneration Breaking?Der englische Ausdruck regeneration bedeutet hier Rückgewinnung, im Kontroller-Jargon regen braking, also 'energierückgewinnendes Bremsen'. Der im Deutschen gebräuchliche Ausdruck ist Rekuperation, bzw Rekuperationsbremse. Und darum geht es hier: Wenn Ihr Zug bergab fährt, arbeiten die Motoren als Generatoren und erzeugen Strom. Diese Energie kann im Akku gespeichert werden, diesen also nachladen. GartenBahnen haben in der Regel keine langen Strecken im Gefälle, die Bedeutung der Rekuperation ist also eher gering. Alle Zwei-Quadrant- und Vier-Quadrant-Kontroller bieten die Möglichkeit aber an, also beinahe alle Modelle von 4QD. Wie hoch sind die Verluste im Kontroller?4QD-Kontroller sind ausgereifte technische Geräte auf dem letzten Stand der Entwicklung:
Viel wichtiger sind die Verluste ausserhalb des Kontrollers:
Kann ich den Kontroller fernsteuern?Ja. Das Steuerpotentiometer kann über eine beliebig lange Leitung mit dem Kontroller verbunden werden, die Lok lässt sich also auch von einem der angehängten Wagen aus steuern. Beliebt ist auch die Steuerung mit einem JoyStick, für dessen Anschluss 4QD einen Adapter liefert. Der Empfänger einer Funkfernsteuerung lässt sich dagegen nicht direkt an den Kontroller anschliessen, es gibt aber Lösungen für dieses Problem:
Welchen Akku soll ich wählen: 12V, 24V oder eine noch höhere Spannung?Geschwindigkeit, Beschleunigung und Steigfähigkeit Ihres Fahrzeugs hängen von der Leistung ab, die Sie zur Verfügung haben, und diese Leistung kommt vom Akkumulator. Die elektrische Leistung berechnet sich als Volt * Ampere = Watt. Ein Akku von 12V liefert bei einem Strom von 40A 12*40 = 480W. Die gleiche Leistung erhalten Sie aus einem Akku von 24V bei 20A Strom, aus einem Akku von 36V bei 13A. Je höher also Ihre Akkuspannung ist, desto kleiner ist der entnommene Strom. Der elektrische Strom führt zur Erwärmung von Kabeln, Schaltern und Transistoren. Die Erwärmung ist proportional zum Quadrat des Stromes multipliziert mit dem Widerstand - diese Verluste sind bei 24V Akkuspannung also halb, bei 36V ein Drittel so gross wie bei 12V. Natürlich ist diese Überlegung stark vereinfacht. Sofern der Platz in Ihrem Fahrzeug es zulässt: 24V oder 36V Betriebsspannung sind immer besser als 12V. Grössere Akku-betriebene Fahrzeuge benutzen Spannungen bis 72V, es zeigen sich aber schnell praktische Probleme: Kontroller für 24V sind gut erhältlich, für höhere Spannungen müssen Sie zu industriellen Produkten greifen, die sind in der Regel teuer. Die im Akku gespeicherte Energie ist Volt * Ampere * Stunden. Ein Akku von 12V und 60Ah enthält genau so viel Energie wie einer von 24V und 30Ah. Statt eines Akkus 12V/60Ah ist es also besser, zwei Akkus von 12V/30Ah in Serie zu schalten. Sie enthalten genau die gleiche Energiemenge wie der dickere 12V-Akku. Es gibt noch ein weiteres Argument für eine höhere Akku-Spannung: MOSFETs brauchen Spannung, um schnell durchzuschalten. Bei höherer Akkuspannung ist es einfacher, die MOSFETs richtig anzusteuern und es entstehen weniger Verluste. Aufgrund dieser Überlegungen sollten Sie bei höheren Motorströmen zur Akkuspannung 24V oder höher wechseln. Lesen Sie zu diesem schwierigen Thema auch meine Seite zum Blei-Akkumulator. Was für einen Akkutyp soll ich wählen?Autoakkus sind für kurze und hohe Belastungen ausgelegt, wie sie beim Anlassen des Motors auftreten. Sie werden im Fahrzeug sofort wieder aufgeladen und halten erfahrungsgemäss nicht sehr lange, wenn sie immer wieder fast ganz entladen und dann wieder aufgeladen werden. Und sie werden schnell zerstört, wenn sie tiefentladen werden. Der andere Typ, bekannt unter Namen wie Traktionsakkumulator oder Tiefentladungsakkumulator, kann nicht Anlasserströme von 300...500A liefern, lässt sich aber viele Male entladen und wiederladen. Er soll aber nicht allzu lange im entladenen Zustand herumstehen. Akkus mit flüssiger Säurefüllung sind erfahrungsgemäss ein Schwachpunkt in elektrischen Fahrzeugen. Die Lebensdauer eines Akkus hängt aber in erster Linie von der Behandlung ab, die er im Laufe seines Lebens erfahren hat. Ganz allgemein gilt: Je mehr er gebraucht wird, desto älter wird er. Wozu dienen Ampere- und Voltmeter in der Akkuleitung?Ein Amperemeter zur Kontrolle des Batterie-Stroms ist kaum sinnvoll. Sie müssten es eigentlich einsetzen, bevor Sie den Kontroller kaufen, später ist die Stromaufnahme kaum mehr interessant. Das Amperemeter verbraucht selber etwas Strom, den Sie besser dem Kontroller zuführen. Und ausserdem: Der Akkustrom sagt nichts über den Motorstrom aus! Ein Voltmeter hingegen ist sehr wichtig, denn es zeigt Ihnen den Ladezustand des Akkus. Tiefentladung verkürzt dessen Lebensdauer drastisch, Sie müssen sie also unbedingt vermeiden. Mit dem Voltmeter überwachen Sie auch den Alterungsprozess Ihres Akkus. Voltmeter mit LEDs zeigen die Spannung in Stufen, ein Zeigerinstrument oder ein Digitalvoltmeter ist aber besser. Moderne Kontroller besitzen einen Tiefentladeschutz: Sie überwachen die Akkuspannung und schalten sich ab, wenn die Mindestspannung erreicht ist. Kann ich meine Akkus von 24 oder 36V mit einem handelsüblichen 12V-Ladegerät laden?Es ist in der Regel eine Ausnahmesituation, wenn Sie Ihren Autoakku mit einem der handelsüblichen Ladegeräte laden: Sie haben das Licht brennen lassen oder Ihr Akku ist am Ende seines Lebens angelangt. Diese billigen Ladegeräte sind für gelegentliche Benützung ausgelegt und eigenen sich nicht zum regelmässigen Laden Ihrer Bahnakkus. Wenn Sie es mit Ihren Akkus gut meinen, sollten Sie in ein Ladegerät investieren, das Ihre Batterien schonend auflädt und dann den Endladezustand erhält. Dies ist insbesondere im Winter wichtig, wenn die Akkus einige Monate lang ruhen. Sie verlieren nämlich durch Selbstentladung auch dann Energie, wenn sie nicht gebraucht werden. Wenn Sie Ihre Bahn mit 24 oder 36V betreiben, haben Sie zwei oder drei 12V-Akkus in Serie geschaltet. Es ist selbstverständlich möglich, diese Akkus einen nach dem anderen mit einem 12V-Ladegerät zu laden, empfehlenswert ist dieses Vorgehen aber nicht. Sie investieren besser in ein 24V- oder 36V-Gerät - Ihre Akkus werden es Ihnen danken! Schaltungen für Batterieladegeräte gibt es Internet wie Sand am Meer! Wenn Sie also selber löten, können Sie viel Geld sparen mit einem Selbstbauprojekt. Im Original dieser FAQ finden Sie eine Schaltung zum Laden von zwei oder drei 12V-Akkus mit einem 12V-Ladegerät. Vorteil dieses Vorschlags: Sie brauchen kein teures Spezial-Ladegerät und müssen Ihre Akkus nicht ausbauen. Was muss ich beachten, wenn ich zwei Motoren parallel oder in Serie betreibe?Wir gehen davon aus, dass die beiden Motoren vom gleichen Hersteller stammen und dieselben Angaben auf dem Typenschild tragen. Die Drehzahl von PM-Motoren ist umgekehrt proportional zur Windungszahl des Rotors und umgekehrt proportional zum magnetischen Fluss. Die Windungszahl der Rotors wird kaum veriieren von Motor zu Motor und sie ist auch nicht der Alterung unterworfen. Anders die Magnete, sie können durch Alterung oder Überlastung und Überhitzung des Motors ihre Kraft verlieren, ohne dass Sie das merken. In der Folge wird einer der Motoren stärker belastet als der andere und vielleicht Schaden nehmen.
Um festzustellen, ob Ihre Motoren wirklich zusammenpassen, kuppeln Sie sie mechanisch. Bei Parallelschaltung muss der Strom, bei Serieschaltung die Spannung über beide Motoren gleich sein. Kann ich einen 12V-Motor an 24V betreiben?GleichstromMotoren werden meist so beschrieben: Sie laufen bei einer bestimmten Spannung und einer bestimmten Belastung mit einer bestimmten Umdrehungszahl. In der Regel nimmt der Motor unter diesen Bedingungen seinen maximalen Dauerstrom auf. Wenn Sie - ohne die Spannung zu ändern - die Last verkleineren, sinkt die Stromaufnahme und die Umdrehungszahl steigt. Umgekehrt steigt der Strom und sinkt die Umdrehungszahl, wenn Sie die Last erhöhen. Aufgrund dieser Überlegungen ist die Antwort auf Ihre Frage: Natürlich können Sie einen 12V-Motor an 24V betreiben, er wird einfach mit doppelter Umdrehungszahl laufen. Die Gefahr, dass Sie dabei Motor und Kontroller überlasten, ist allerdings gross, denn Sie bewegen sich ausserhalb der Vorgaben des Konstrukteurs. Der Kontroller begrenzt zwar Strom und und Spannung am Motor und verhindert zu hohe Umdrehungszahlen, trotzdem ist es besser, wenn Sie diese Betriebsart vermeiden. Übrigens: Überlast kann dazu führen, dass die Permanentmagnete ihre Magnetisierung verlieren. Gefahrlos können Sie zwei in Serie geschaltete 12V-Motoren an 24V betreiben, das geht auch problemlos mit einem einzigen Kontroller. Jeder Motor erhält dann 12V und Sie bleiben innerhalb der Spezifikationen. Meine Lok hat zwei Motoren, brauche ich auch zwei Kontroller?Nein. Kontroller können nicht zählen, Sie können einen oder mehrere gleiche Motoren betreiben, wenn Sie die folgendes beachten:
Was versteht man unter 'Serie-Parallel-Schaltung'?Wenn Sie zwei Motoren einsetzen, können Sie sie in Serie-Parallel-Schaltung betreiben. Sie wirkt wie eine elektrische Gangschaltung:
Diese Schaltung war früher bei Widerstandssteuerung weit verbreitet, Genaueres finden Sie hier Kann ich Motoren mit Feldwicklung mit handelsüblichen Kontrollern einsetzen?Die Frage stellt sich vor allem, wenn Sie einen Anlasser-Motor in Ihrer Lok verwenden wollen. Grundsätzlich sind diese Motoren keine gute Wahl, obwohl sie billig erhältlich sind. Sie sind für sehr grosse Stromaufnahme während sehr kurzer Zeit ausgelegt, einige hundert Ampere während einiger Sekunden. Es weiss also niemand, wie sie sich im Dauerbetrieb verhalten. Vermutlich werden sie sich sehr rasch erhitzen. Wir raten darum von diesen Motoren eher ab. Es gibt allerdings auch Starter-Motoren mit Permanent-Magnet. Für diese treffen diese Überlegungen nicht zu - versuchen Sie also, so einen Motor zu ergattern. Motoren mit Feldwicklung haben vier Anschlüsse: zwei für den Rotor und zwei für die Feldwicklung. Üblicherweise sind die beiden Wicklungen in Serie geschaltet, was zur Folge hat, dass sich die Drehrichtung beim Umpolen des Motors nicht ändert. Die Drehrichtung ändert sich nur, wenn entweder der Rotor oder das Feld umgepolt werden. Viele für PM-Motoren ausgelegte Kontroller können nur den ganzen Motor umpolen, sie haben keine separaten Anschlüsse für die Feldspule. Rekuperation ist nicht möglich mit diesen Motoren. 4QD-Kontroller können aber - mit einigen Einschränkungen - mit Felderregten Motoren umgehen. Eine Application Note finden Sie hier. Was ist ein Motor mit 'bevorzugter Drehrichtung'?Es gibt Anwendungen, in denen der Motor nur in einer Richtung drehen muss. Solche Motoren sind für diese eine Drehrichtung optimiert, ihre Bürsten sind gegenüber der Normalstellung leicht verdreht. Diese Motoren drehen selbstverständlich in beiden Drehrichtungen, sie entwickeln im 'Rückwärtsgang' aber weniger Kraft. Solche Motoren müssen beim Zusammenschalten natürlich zusammenarbeiten können, also die gleiche Vorzugsdrehrichtung haben! Beispiele für oft gebrauchte MotorenDarf ein Elektrofahrzeug abgeschleppt werden?Ja, es ist aber unbedingt nötig, die Motoren vom Kontroller zu trennen! Vergisst man dies, wird der Kontroller mit grosser Wahrscheinlichkeit zerstört. Vergessen Sie nicht: Die Motoren arbeiten beim Abschleppen als Generatoren, sie produzieren Energie, die zerstörerisch wirken kann.
Als Regel gilt darum: Beim Abschleppen den Motor vom Kontroller trennen! |