Bestimmung des maximalen Motorenstroms zur

Bestimmung des maximalen Motorenstroms zur Lokdekoderauswahl
Urs Egger
Um den genügend leistungsfähigen Dekoder für eine Lok auszuwählen ist es notwendig den maximal möglichen Motorenstrom einer Lok zu kennen. Nachfolgend
wird gezeigt wie ein Gleichstrommotor funktioniert und wie der Wert des maximalen
Motorenstroms bestimmt werden kann.
Prinzip eines Gleichstrommotors (DC-Permanentmagnet Motor)
In einem stehenden Magnetfeld, erzeugt durch den Permanentmagneten, ist eine
Spule drehbar gelagert. Die Spule ist über Kollektorbürsten elektrisch angeschlossen.
Wird durch eine externe elektrische Spannung ein Strom durch die Spule aufgebracht,
entsteht ein Magnetfeld welches zusammen mit dem Permanentmagnetfeld eine
Kraft auf die Spule ausübt und diese auslenkt. Damit in der neuen mechanischen
Position dasselbe wieder funktioniert ist die Spule mehrfach vorhanden auf dem
Rotor (Anzahl Pole) und die elektrische Spannung wird über den Kollektor von Spule zu Spule weitergegeben. So passiert dass rundherum und der Motor und seine
Antriebswelle rotieren. Sie können auch den Motor an der Welle antreiben und so
eine elektrische Spannung erzeugen, dann ist es ein Generator. (Machen Sie einen
Versuch mit dem Fahrraddynamo, evt. müssen Sie einen solchen etwas anschieben
damit er bei ca. 3 Volt dreht als - sehr schlechter - Motor).
Ein solcher Motor kann elektrisch als Serieschaltung einer Induktivität und eines
Widerstandes betrachtet werden. Der Widerstand ist gegeben durch die Rotorspule,
die Kollektoranschlüsse und die Anschlussdrähte. Die Induktivität ist gegeben durch
die drehende Rotorspule im Magnetfeld.
Ersatzschaltbild eines DC-Motors
Der Rotor mit der Induktivität L dreht mit einer Rotationsgeschwindigkeit damit die
Summe der Spannungen Ul und URi der externen Spannung U entsprechen. Die
Spannung URi ist gegeben durch den Innenwiderstand Ri und den notwendigen
Strom I damit der Rotor dreht. Der Strom I ist abhängig von der Last and der Motorwelle und motorinternen Verlusten.
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Der Rotor dreht IMMER genauso schnell dass die Spannung Ul gemäss Ul=n*L*k
entsteht wobei n die Rotordrehzahl, L die Rotorinduktivität und k eine spezifische
Motorkonstante sind.
Da L und k konstant sind ist die Drehzahl direkt von der Spannung Ul abhängig.
Warum wird dann die Drehzahl kleiner unter Last bei konstanter externer Spannung U?
Wie oben gezeigt entspricht die äussere Spannung U der Summe aus der Spannung
am Innenwiderstand und der Spannung an der Induktivität. Da mit zunehmendem
Strom I die motorinterne Spannung URi zunimmt und die äussere Spannung U
konstant bleibt, MUSS die Spannung an der Induktivität und somit die Drehzahl
kleiner werden. Der Innenwiderstand ist abhängig von der Motorqualität (Material
usw.) und ist vor allem auch relativ schlechter je kleiner oder billiger der Motor ist,
da die mechanischen Toleranzen und elektrischen Eigenschaften schlechter zu
bestimmen sind.
Typische Kennlinien eines DC-Motors
Zwei Arbeitspunkte sind in der obigen Grafik zu erwähnen: Leerlauf und Vollast.
Leerlauf ist der Fall ohne Last an der Motorwelle. Hier fliesst der kleinste Motorenstrom und die Drehzahl ist am grössten und entspricht der motortypischen Leerlaufdrehzahl.
Stillstand ist der Überlastungsfall mit Stillstand der Welle. Hier fliesst der maximal
mögliche Motorenstrom (englisch: stall current) und der Rotor ist im Stillstand, hat
also n=0. Gemäss oben gesagtem ist dann auch die Spannung an der Induktivität
gleich Null und die GANZE äussere Spannung U liegt am Innenwiderstand Ri. Dieser
Fall ist der Fall den es zu beachten gilt bei der Dekoderauswahl. Im Normalbetrieb
sollte der Zustand mit abgewürgtem Motor (stehende Lok) und voller Fahrspannung
nicht vorkommen aber...
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Speziell bei regelnden Lokdekodern kann dieser Fall auch auftreten wenn Sie beispielsweise 20 % Geschwindigkeit einstellen am Fahrregler. Die Dekoderregelung
versucht nun unter allen Lastfällen diese Sollgeschwindigkeit durch Regelung der
Dekodermotorspannung innerhalb 0 bis 100 % einzustellen. Bei solchen Dekodern
wissen Sie als Lokführer ohne Motoramperemeter also nicht in welchem Arbeitspunkt
der Motor aktuell betrieben wird.
Bei nicht regelnden Dekodern wählen Sie als Lokführer mit der Wahl der Fahrstufe
auch direkt die Höhe der Motorspannung, allenfalls unter Beachtung einer lokdekoderinternen Geschwindigkeitskurve oder -tabelle.
Wie wird der maximale Motorstrom bestimmt?
Dazu gibt es drei einfache Methoden:
- der Motorhersteller bzw. Lokhersteller gibt den Wert im Datenblatt an (leider ist
dies heute zumeist noch nicht der Fall). Beachten Sie, dass der Wert nur einmal
für jeden eingesetzten Motortyp bestimmt werden müsste, nicht für jede Lok individuell.
- Sie messen direkt mit einem Ohmmeter den (Motor-)Innenwiderstand. Dazu
messen Sie direkt den elektrischen Widerstand zwischen den zwei Polen der Lokstromabnahme. Dabei messen Sie allenfalls auch Lampen usw. mit, aber diesen
Messfehler können Sie im allgemeinen übersehen und der Fehler würde einen zu
kleinen Motorinnenwiderstand suggerieren, ist also auf der sicheren Seite. Beachten Sie dass der zu erwartende Wert für den Innenwiderstand nur einige Ohm ist
(für HO etwa 10 Ohm) und nicht alle Messgeräte solch kleine Widerstandswerte
genau messen.
- Sie bestimmen den Wert in einem Versuch mit einem Strom- und Spannungsmessgerät. Dies ist die zumindest für den Motor wenigst angenehme Variante, da
Sie ja genau einen Überlastfall mit stehender Lok erzeugen müssen. Dazu bauen
Sie auf einem Gleis ein festes Hindernis auf und lassen die Lok SANFT! daran
fahren. Dann wird die Fahrspannung aufgedreht und die Werte der Fahrspannung und der entstehende Strom gemessen. Der Versuch darf auch mit kleinerer
Spannung als das mögliche Maximum gemacht werden. Wichtiger ist, dass die
Fahrspannung möglichst Gleichspannung ist sonst misst das Messgerät mehr oder
weniger ungenau. Der Motorinnenwiderstand kann gemäss Ri=U/I einfach aus
den gemessenen Werten berechnet werden. Je nach Konstruktion der Lok und
Getriebe bleibt sie in solchen Fällen einfach stehen mit abgewürgtem Motor oder
die Lok steht und die Räder drehen durch bei kleinem Lokgewicht. Dann müssen
Sie die Räder sonstwie blockieren um den richtigen (höheren) Wert für den Strom
zu erhalten. Ein Versuch mit stillstehendem Motor soll nur kurzzeitig (einige Minuten) gemacht werden, da die üblichen Modellbahnmotoren nicht ausgelegt sind
für einen solchen Betrieb und thermisch überlastet werden können.
Der grösstmögliche Motorenstrom kann gemäss Imax = Umax / Ri, wobei Umax die
maximale Fahrspannung und Ri der gemessene Wert sind, berechnet werden.
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Warum ist es wichtig den passenden Lokdekoder je nach notwendiger
Motorenleistung auszuwählen?
Der Lokdekoder muss den Lokmotor in jedem Betriebsfall mit Energie versorgen und
damit auch den Motorstrom liefern. Dies führt auch im Lokdekoder zu einer Verlustleistung und damit Wärme. Wird nun der Motor belastet und der Motorenstrom ist
während längerer Zeit (einige zehn Minuten) grösser als der zulässige Dekoderstrom
kann dies je nach Kühlung des Lokdekoders zu einer thermischen Überlast und damit
Ausfall führen wenn der Lokdekoder keinen internen thermischen Überlastschutz hat.
Auch wenn kurzfristig (einige Zehntelsekunden) eine viel zu grosser (etwa 5 bis 10
fach der vom Dekoderhersteller spezifizierte Maximalwert) Motorstrom fliesst, kann
dies zur sofortigen Zerstörung des Lokdekoders führen wenn dieser keine interne
Überstrombegrenzung zumindest für den Motorausgang hat.
Der Lokdekoder muss also mindestens den Motorenstrom im Überlastfall liefern
können ohne selbst Schaden zu nehmen, er darf aber auch beliebig mehr liefern
können. Natürlich ist ein leistungfähigerer Lokdekoder auch baulich grösser, so dass
Sie im allgemeinen eher das notwendige Minimum wählen (müssen).
Wie steuern Lokdekoder die Motorspannung und was ist hier bei Faulhabermotoren zu beachten?
Faulhabermotoren sind eine spezielle Bauart bei welcher die interne Motorinduktivität
viel kleiner ist als bei normalen Gleichstrommotoren. Dies führt zu einem besseren
Motorverhalten bei Langsamfahrt (bzw. kleiner Motordrehzahl), da das Motorrastmoment über den Polen kleiner ist. Der Wert der Motorinduktivität ist bei reinem
Gleichstrombetrieb nicht relevant, spielt aber bei der Art der Motorsteuerung durch
Lokdekoder eine wichtige Rolle.
Ein Lokdekoder steuert den Motor nicht mit einer Gleichspannung sondern im
Pulsweitenbetrieb. Hierbei wird die Motorspannung dauernd ein- und ausgeschaltet mit einigen 100 Hertz bis einige Kilohertz Schaltfrequenz. Dabei bestimmt das
Zeitverhältnis zwischen Ein- und Ausgeschaltet die mittlere Motorspannung bzw.
Motorenstrom.
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So wird im Dekoder viel weniger Verlustwärme erzeugt als bei einer linearen Spannungseinstellung und die Langsamfahreigenschaft bei allen Motoren wird verbessert
da deren Motorrastmoment weniger Einfluss hat. Das Prinzip wird bei allen Lokdekodern angewandt.
Bei diesem Betrieb gelten noch andere elektrische Einflüsse auf den Motorenstrom. Wegen der Motorinduktivität kann der Motorstrom nicht der schnell ein- und
ausgeschalteten Motorspannung folgen, sondern steigt und sinkt mit einer durch
den Wert der Induktivität bestimmten Geschwindigkeit. Da die Faulhabermotoren
eine viel kleinere Induktivität haben muss der Lokdekoder eine angepasste höhere
Schaltfrequenz für das Schalten der Motorspannung erzeugen, sonst kann ein
Faulhabermotor nicht richtig in seiner Geschwindigkeit gesteuert werden und der
Motor wird unnötig belastet oder überlastet.
Das gleiche Verfahren der Impulsbreitensteuerung wenden auch einige analoge
Fahrpulte mit speziell guten Langsamfahreigenschaften an. Auch da gelten die
gleichen Anmerkungen für den Betrieb mit Faulhabermotoren. Weil alle Lokdekoder
so arbeiten erreichen sie die besseren Langsamfahreigenschaften somit als Nebeneffekt, dies hat aber nichts direkt mit Digital zu tun.
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