THEMA: Standard-Motoren mit hoher Frequenz

PWM hat zwei Hauptziele (in dieser Reihenfolge):

1) PWM schont die Endstufe: PWM hält die Verlustleistung (Abwärme) der Treiber-Endstufe klein. Mit PWM gibt es nur noch "Ein" oder "Aus", kein "Dazwischen".

Kurzer Ausflug in die Elektrik: Jeder weiss (hoffentlich), was ein Vorwiderstand ist. Das ist ein Widerstand, der einen Teil der Energie in Wärme verheizt, unter Reduktion der Klemmenspannung des nachfolgenden Motors (Verbrauchers).

Ein elektronischer nicht-PWM Spannungsregler ist genau das gleiche im "Dazischen"-Betrieb: Es wird ein Teil der Spannung verzehrt; der Strom ist gleich wie im nachgeschalteten Verbraucher; die Verlustleistung berechnet sich wie folgt:
Pverlust = Udifferenz * I
Der Leistungstransistor in der Endstufe erwärmt sich beim "Dazwischen"-Betrieb also genau gleich viel wie ein Vorwiderstand. Nun ist das Problem bei Decodern, dass man aus Platzgründen keinen Kühlkörper anbringen kann; die Wärme kann also nicht abgeführt werden. Da hilft PWM: Die Endstufe funktioniert als simpler Schalter - Verlustleistung ist nahe Null. Naja, sie ist nicht null, aber so klein wie technisch möglich. Dieser Effekt ermöglicht es, Endstufen ohne (oder mit kleinem) kühlkörper zu bauen - auch dort, wo Platz wäre.

2) PWM hilft dem Motor loszudrehen: Da für eine kleine Zeit die volle Spannung am Motor anliegt, wird diesem quasi eine "Ohrfeige" nach der anderen verteilt - der Motor bewegt sich dabei, aber nur ein bisschen.Das soll er ja. Aber die Backe wird von den vielen Ohrfeigen warm... viel Energie kann nicht in Bewegung umgewandelt werden aufgrund der Trägheit des Motors. Somit wird die Energie im Motor verheizt. Anders gesagt, der Stromverbrauch wird erhöht, der Wirkungsgrad verkleinert. Solange der Motor (egal ob Fauli oder Eisenanker) thermisch nicht überlastet wird, schadet es ihm nicht.

(Permanentmagnete hat es auch in den Faulis.)

Wir sehen daraus, dass die Frequenz der PWM zur Motorcharakteristik passen muss, sonst haben wir nichts erreicht. Heisswolf hat dazu Studien angestellt, welche in die Konzeption seines Reglers eingeflossen sind.

Soviel mal von mir

Felix

Nachtrag:
> der Stromverbrauch wird erhöht, der Wirkungsgrad verkleinert

während des Anfahrens. Wenn er dann mal dreht, gleicht sich das aus.

Felix

Hi Felix,

habe ich das richtig verstanden?
Der Strom ist im Einschaltmoment (Pulsbeginn) erhöht?

Grüße zum Wochenende,
Günter

Hohe Frequenz bei Eisenankermotoren bringt nix, der Motor "betrachtet" das auf Grund der Wicklungsinduktivität als Gleichspannung.

@3
Felix unterliegt da einem kleinen Irrtum. Ein kurzer Blick in Grundlagen hilft da weiter - bei Induktivitäten ist Strom nacheilend, also beim Anstieg der Spannung fließt noch gar kein Strom bzw. nur verzögert.
Die Leistung entspricht der Fläche aus Spannung x Strom, kurze Spannung und kleiner Strom ist nun einmal wenig zugeführte Leistung (und hat nicht wirklich was mit Wirkungsgrad zu tun). Der Sinn einer PWM ist ja, mit kleiner Leistung (=kleine Drehzahl), aber hohem Anfahrmoment die Lok in Bewegung zu setzen.

Die Drehzahl bei PWM entspricht dem Mittelwert der Spannung, das Drehmoment aber dem Verhältnis Spitzenspannung zu Mittelspannung.

Da die Verlustwärme eines Kleinmotors im wesentlichen dem Produkt aus Nennstrom x Wicklungswiderstand (Eisenverluste ignorieren wir mal, da gering) entspricht und gleichzeitig der Strom gering ist (Ankerinduktivität), ist die Verlustleistung auch gering. Anders sieht die Sache bei Glockenankermotoreen aus...

Aus meinen Erfahrungen kann ich sagen, dass jeder Motor eine nahezu individuelle Arbeitsfrequenz der PWM benötigt, um ideal zu fahren (Heisswolf ist ja nicht unclever...)

Enrico

@3
Klar, gegenüber Gleichspannung, denn I = U / R
Hmmm... oder weisst du was anderes?

Ich seh's ja ein, hab mich etwas verrannt. Habs schon nach dem Abschicken von Nr.1 gemerkt...

Felix

(klar, Günter weiss etwas anderes, er ist ja schliesslich Elektroniker)

Moin Felix,
Elektroniker bin ich aber garnicht )

Aber du kannst ja mal einen Blick hierhin werfen:

http://www.1zu160.net/elektrik/spule.php

Kannste ja mal reinschauen.


Grüße aus dem total verregnetem Norden Niedersachsens,

Günter
(andererseits aber optimales Bastelwetter!)

@Günter:  optimales Bastelwetter nur dann, wenn das Dach drauf bleibt, bei den Sturmböen :).  Aber im Keller ist es ruhiger als unterm Dach, deshalb gehe ich da gleich hin.

Frage an die Heißwolf-Spezialisten:  wie findet man am besten die optimale Einstellung für einen Motor?  Ich habe mehrere Standard-Einstellungen, damit fährt eigentlich alles.  Oft sehe ich nicht mal Unterschiede zwischen dem Fahrverhalten derselben Lok mit verschiedenen Einstellungen.

Gruß aus dem stürmischen und nassen nördlichen Niedersachsen (etwas westlicher als Günter),

Christoph

Holla Christoph,

im Anbetracht desen, das ich öfters mal Angeln gehe, habe mir hierraus was abgeleitet:
Ich habe eine N-Kupplung mit ca. 5cm Angelsehne versehen und am anderen Ende sitzt eine ausgeleierte Feder aus einem altem Kugelschreiber an einem Fixpunkt.
Ich lasse nun die mit der Kupplung und der Angelsehne und dem Fixpunkt fest verbundene Lok vorwärts losfahren.

Die Ausdehnung der Feder gibt mir nun ein Maß über die Zugkraft der Mühle die letztlich dranhängt.
Bewerten läßt sich die Sache so natürlich nicht, aber es sind Tendenzen erkennbar.
Und man kann Aussagen treffen.

Christoph,
auch hier nimmt mittlerweile der Wind kräftig zu! Derzeit noch harmlos in Boen nur bis 60 Km/h.

So denne,
Günter

Hallo,

erst mal Danke an alle. Wenn ich es also richtig verstehe ist eine höhere Frequenz ( Niveau wie bei Ansteuerung von Glockenankermotoren ) für Standardmotoren nicht schädlich solange die Temperatur im Rahmen bleibt !?

Gruß N-ANdi

Günter,

warum hängst Du nicht gleich eine Federwaage dran?

Grüße, Peter W.

Hi Peter,
das wäre sicher was genaues. Aber meine Federwaage aus der Angelkiste ist so gut wie Schrott, unbrauchbar.
Aber mir schwebt schon seit langer Zeit eine Möglichkeit sowas mit einem  Dehnungsmessstreifen zu realisieren.
Aber man kommt ja zu nichts.....

Grüße,
Günter

Hallo zusammen
Tja die Motoren wirken ja schon induktiv, also wie eine Spule. Das bedeutet aber auch, dass sie beim Betrieb mit Impulsen höherer Frequenz den Strom glätten, d.h. der Motor arbeitet dann eigentlich mit Gleichstrom. Das ist der Sinn beim Betrieb der Glockenankermotoren mit Frequenzen jenseits der 1000Hz. Diese haben nämlich nicht nur ein thermisches Problem sondern auch ein mechanisches. Der Glockenanker ist eine frei tragende eisenlose Spule mit geringer Masse. Bei niedrigen Frequenzen (<100Hz) setzt er die elektrischen Impulse in ein mechanisches Beschleunigungsmoment um. Und das geht auf die Lebensdauer, da der Motor (mechanisch) immer kurz angekickt wird. Die mechanische Beschleunigungsbelastung erzeugt entsprechende Verwindungen im Anker, die den Anker nach und nach ermüden und zerlegen.
Einem Eisenankermotor ist dieser Effekt so ziemlich egal. Er hat eine hohe Ankermasse und setzt die Impulse bis in den niedrigen Frequenzbereich (<50) mechanisch gar nicht im. Zudem ist der Eisenanker mechanisch fast unzerstörbar.

Der Sinn von Impulsen hoher Frequenz liegt in der verlustarmen Konstruktion der Fahrreglerendstufe. Gerade Digitaldecoder wissen ja nicht wohin mit einer möglicherweise entstehenden Abwärme.

Wer die Fahreigenschaften von Modellen verbessern möchte, der muss mit Frequenzen kleiner 100Hz arbeiten. Dort treten in den Motoren eben auch die mechanischen Effekte der Impulse auf. Die Impulse dienen dann zur Überwindung von Rastmomenten des Eisenankermotors und Losbrechmomenten in Motor- und Getriebelagern. Das Rastmoment tritt entsprechend der Ankerzahl bei jeder Umdrehung des Motors fortlaufend auf und ist damit in seiner Wiederholfrequenz drehzahlabhängig. Aus diesem Grund gibt es bei SFR2000 ab April den Zweifrequenzbetrieb. Hier kann man zwei Frequenzen einstellen. Der erste Wert wird beim Anfahren ausgegeben und beim weiteren Aufdrehen des Regelknopfs erhöht sich die Frequenz auf den zweiten Wert kurz vor Erreichen des Übergangs zum Gleichspannung (100% PWM). So passt die Frequenz der Impulse zur Wiederholfrequenz des Rastmoments. Die bisherigen Versuche zeigen, dass die Einstellung von zwei Frequenzen sogar einfacher ist als die Einstellung einer festbleibenden Frequenz. Die Anfangsfrequenz lässt sich sehr weit nach unten stellen, was dem Motor beim Anfahren hilft. Bei Aufdrehen des Regleknopfs verhindert die ansteigende Frequenz, dass das Modell den "Schüttelfrost" bekommt.

@8 Christoph
Die Werte an SFR200 sind in der Tat sehr variabel und feinfühlig einzustellen. Viele Modelle kommen mit gut gewählten Standardeinstellungen aus. Einige Kandidaten erfordern allerdings speziellere Einstellungen, die dann schon genauer ausgetestet werden müssen. Gerade bei den größeren Spurweiten (TT - 0e) ergeben sich schon Unterschiede. Also nicht verzagen, wenn die Einstellungen nicht so speziell sein müssen. Das spricht für die Modelle!

Soweit mal... Ich hoffe es war nicht zu technisch... aber Grundlagen sind eben grundlegend......

Grüße aus dem verscheiten Süden (Deutschlands)
Bernd Heißwolf

Uuuuups, wollte "verschneiten" sagen