[OttoW]

Hallo SAH,
du möchtest doch den Einfluss eines PWM-Stroms auf den Kohlen/Kollektorverschleiss untersuchen. Da ist es doch völlig egal, ob die Lok bei den Vergleichsfahrten mit oder ohne Gehäuse betrieben wird. Nur musst du dich für eine Variante entscheiden. Die thermischen Einflüsse müssen nur bei mit/ohne PWM identisch sein.

Daher würde ich die Messungen eben ohne Gehäuse durchführen.

[SAH]

Guten Tag Otto,

Zitat von OttoW

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Hallo SAH,
du möchtest doch den Einfluss eines PWM-Stroms auf den Kohlen/Kollektorverschleiss untersuchen. Da ist es doch völlig egal, ob die Lok bei den Vergleichsfahrten mit oder ohne Gehäuse betrieben wird. Nur musst du dich für eine Variante entscheiden. Die thermischen Einflüsse müssen nur bei mit/ohne PWM identisch sein.
Daher würde ich die Messungen eben ohne Gehäuse durchführen.

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Ohne Gehäuse ist der Temperaturgradient größer wegen der besseren Kühlung durch die Fortbewegung. Das gibt dann automatisch eine größere, vor allem nicht beherrschbare Belastung, da die Viskosität des Schmiermittels exponentiell mit der Temperatur abnimmt. Habe ich das Gehäuse montiert, dann ist die Temperatur bei Dauerbelastung konstant und wird nur durch die Messungen geringfügig verändert. Ein erneutes Einfahren ist dann nicht notwendig. Daher möchte ich diese Fehlerquelle soweit wie möglich minimieren, denn eine größere Belastung bedeutet Erhöhung der Stromaufnahme.

mit freundlichen Grüßen,
Stephan-Alexander Heyn

[michl080]

Zitat von SAH

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nachfolgend die ersten Überlegungen zur Überprüfung der These eines höheren Verschleißes mit PWM im Vergleich zu DC:
a) Modellauswahl
[...]
b) Messgeräteauswahl
[...]
c) Durchführung
[...]
Ich lasse mir das Ganze nochmal durch den Kopf gehen, ob ich nicht evtl. etwas vergessen habe.
Auf jeden Fall wird das Ganze "etwas" länger dauern, da ich nicht jedes WE Zeit habe.

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hallo,

kommt da jetzt eigentlich noch was?

Michael

[SAH]

Guten Abend Michael,

Zitat von michl080

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Zitat von SAH

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nachfolgend die ersten Überlegungen zur Überprüfung der These eines höheren Verschleißes mit PWM im Vergleich zu DC:
a) Modellauswahl
[...]
b) Messgeräteauswahl
[...]
c) Durchführung
[...]
Ich lasse mir das Ganze nochmal durch den Kopf gehen, ob ich nicht evtl. etwas vergessen habe.
Auf jeden Fall wird das Ganze "etwas" länger dauern, da ich nicht jedes WE Zeit habe.

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hallo,
kommt da jetzt eigentlich noch was?
Michael

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Ja da kommt noch was, nur keine Bange.
Derzeit (weil Du explizit fragst) bin ich beim PWM-Betrieb mit dem ausgesuchten Modell am Reihenschlussmotor. Es fehlt "nur" noch die Lastmessung.
*Falls* es Dich beruhigt: AC vs DC habe ich fertig (4 bis 7 facher Verschleiß bei AC im Vergleich zu DC). Zu PWM sage ich dann etwas, wenn o.g. Messreihe fertig ist.

mit freundlichen Grüßen,
Stephan-Alexander Heyn

[SAH]

Guten Abend liebe Forenmitglieder,

es hat ein "wenig" gedauert, doch zumindest für Reihenschlussmotoren habe ich einige Ergebnisse.
Doch der Reihe nach:
Modellauswahl: ein Modell, dessen Bürsten leicht zugänglich und austauschbar sind und dessen Gehäuse leicht demontierbar ist. Ferner mit identischen Bürsten rechts und links. Folglich: ein Modell mit Trommelkollektor, gewählt wurde die BR 141 als 3037.2 von Märklin.
Rahmenbedingungen: Das Modell wurde vor jeder Messreihe abgeschmiert und bei konstanter Spannung (Überwacht durch Messgeräte) einmal ohne Last, einmal mit Last fahren gelassen. Alle 30 Minuten wurde die Fahrt unterbrochen, um die Feldmagnettemperatur und die Bürstenlänge zu messen. Dauer der Unterbrechung: 3-4 Minuten. Als Bezugsspannung wurde 12V gewählt. Die Messung nach 30 Minuten wurde als Einfahrzeit nicht mit in die Auswertung einbezogen. Während der Fahrt wurden noch die Stromaufnahme und die Rundenzeit (Mittelwert aus jeweils 10 Runden) gemessen. Auf diese Weise wurden jeweils 7 Messungen durchgeführt.
Messanordnungen: Spannungen und Ströme wurden bei AC und DC simultan von zwei Messgeräten überwacht. Anordnung beider Geräte in Stromfehlerschaltung: . Beim Betrieb mit PWM, erzeugt nach wurde zwischen dem PWM-Generator und den Schienen (Rot) ein 1Ohm Shunt geschalten. Zusätzliche Messung der Spannungen mit einem Oszilloskop (Fluke 125). Gemeinsame Masse an Rot, Kanal A nach dem Shunt, Kanal B an Braun. Der Motor ist so aufgebaut, dass + oder Phase am Motorschild links (Schleiferanschliss), -/Null am Motorschild rechts (Feldmagnetanschluss) sich befindet.
Die Bürstenlänge wurde mit einem 1µm Digitalmessschieber von Toolcraft (Nr. 820918), bezogen bei Conrad Electronic. Dieser Artikel ist leider ausverkauft.
Fehlerbetrachtung: während die Temperaturen, Spannungen und Ströme im Bereich zwischen 3 und 10% schwanken, sind die Fehlergrenzen bei der Bürstenlänge deutlich größer: die absolute Länge ist zwar im Bereich von 4,7mm mit einer Ablesegenauigkeit von 1µm; doch die Toleranz ist ebenfalls bei 1µm. Somit spielt die Toleranz des Messgeräts dann eine große Rolle, wenn die Standardabweichung der Differenzen eine ähnliche Größe hat. In diesem Fall wurde die Messgerätetoleranz zur Standardabweichung addiert.
Ergebnisse im Leerlauf:
a) DC
Durchschnittlicher Bürstenverschleiß links 7,1µm +/- 1,3µm zgl. 1µm Toleranz des Messgeräts. Also 7 µm +/- 2µm
Durchschnittlicher Bürstenverschleiß rechts 7,1µm +/- 1,3µm zgl. 1µm Toleranz des Messgeräts. Also 7 µm +/- 2µm
es wurde kein Unterschied zwischen beiden Bürsten festgestellt, was aufgrund des Gesamtfehlers von ca. 30% nicht verwundert.
b) AC
Durchschnittlicher Bürstenverschleiß links 20,5µm +/- 3,1µm. Also 21 µm +/- 3µm
Durchschnittlicher Bürstenverschleiß rechts 13,1µm +/- 3,8µm. Also 13 µm +/- 4µm
Die Standardabweichung ist viel größer als die Messgerätetoleranz. Daher kann Letztere vernachlässigt werden.
Fazit AC: links signifikant größerer Verschleiß als bei DC, rechts: gerade nicht signifikant größerer Verschleiß, da sich die Bereiche knapp überschneiden.
c) PWM
Durchschnittlicher Bürstenverschleiß links 8,1µm +/- 2,4µm. Also 8 µm +/- 3µm
Durchschnittlicher Bürstenverschleiß rechts 16,3µm +/- 5,4µm. Also 16 µm +/- 6µm
Beide Fehlergrenzen wurden aufgerundet. Fazit PWM: links kein signifikanter Unterschied, rechts dagegen schon.

Ergebnisse im Belastung mit 19 Wagen aus den Loktests, selbe Versorgungsspannung:
a) DC
Durchschnittlicher Bürstenverschleiß links 3,1µm +/- 1,7µm zgl. 1µm Toleranz des Messgeräts. Also 3 µm +/- 3µm
Durchschnittlicher Bürstenverschleiß rechts 3,1µm +/- 1,7µm zgl. 1µm Toleranz des Messgeräts. Also 3 µm +/- 3µm
es wurde kein Unterschied zwischen beiden Bürsten festgestellt, was aufgrund des Gesamtfehlers von 100% nicht verwundert.
Bei dieser geringen Abnutzung ist die Grenze des Nachweisbaren mit den vorhandenen Geräten überschritten. Eine mögliche Lösung wäre, die Zeitabstände zu verdoppeln. Da jede Messreihe hier schon 4 Stunden dauerte, ist das sehr aufwändig.
b) AC
Durchschnittlicher Bürstenverschleiß links 5,7µm +/- 3,2µm. Also 6 µm +/- 4µm
Durchschnittlicher Bürstenverschleiß rechts 6,9µm +/- 3,1µm. Also 7 µm +/- 4µm
Aufgrund der Messgerätetoleranz wurden die Standardabweichungen aufgerundet.
Fazit AC: keine signifikanten Unterschiede zwischen AC und DC im Bürstenverschleiß unter Last.
c) PWM
Durchschnittlicher Bürstenverschleiß links 3,7µm +/- 1µm. Also 4 µm +/- 2µm
Durchschnittlicher Bürstenverschleiß rechts 12,3µm +/- 4µm. Also 12 µm +/- 5µm
Beide Fehlergrenzen wurden aufgerundet. Fazit PWM: links kein signifikanter Unterschied, rechts dagegen schon jedoch nicht sehr.

Auffallend ist die Umkehrung des höheren Verschleißes zwischen AC (links) und PWM (rechts). Die identischen Werte bei DC sind Zufall, was bei den Fehlergrenzen bis zu 100% nicht verwundert. Die linke Bürste (Plusbürste) zeigt in dieser Messreihe keinen signifikant unterschiedlichen Verschleiß zwischen DC und PWM, die rechte Bürste (Minusbürste) hingegen schon. Daher ist eine Überprüfung der Oszillogramme von Spannung und Strom d.h. am Shunt von Bedeutung. Zu diesem Zweck wurden folgende Aufnahmen gemacht:
Bild 1 Kanal A: Shunt, Kanal B: Gesamtspannung.
Wider Erwarten zeigen beide Kanäle Rechtecksignale. Auf den ersten Blick ein Widerspruch, den mit 17mH und 15 Ohm sollte der Shunt ein geglättetes Signal zeigen. Die Erklärung liegt in der Anwesenheit der Glühbirnen, die durch ihre Stromaufnahme die Motorsignale überdecken.
Bild 2 Kanal A: Shunt, Kanal B: Gesamtspannung
Eine Messung der PWM-Frequenz zeigt fast 6,6 kHz.
Bild 3 Kanal A: Shunt, Kanal B: Gesamtspannung
Nach Entfernen der Glühbirnen nun das "richtige" Bild, mit deutlich reduzierter, aber noch erkennbarer Schwankung beim Strom. Aus diesem Bild geht nicht hervor, weshalb nun die Minusbürste bei PWM mehr belastet wird.
Bild 4 Kanal A: Läufer, Kanal B: Ständer, Bezugspunkt (gemeinsame "Masse"): Motorschild rechts, an welchem Feldmagnet und Läufer verbunden sind, daher im Oszillogramm umgekehrte Polarität. Nur in Kanal B sind große Spannungsspitzen zu erkennen. Da diese nur auf der Minusbürstenseite liegen, dürften sie einen Einfluss auf den Verschleiß haben. Dies müsste durch eine Vergleichsmessung mit umgekehrter Polarität an den Schienen verifiziert werden können.
Da in der Literatur die PWM mit 17,5 kHz beschrieben wird mit größerem Verschleiß, muss an der Frequenz Nichts geändert werden.

Im nächsten Durchgang wird der Ständer gegen einen Permanentmagneten getauscht und die Glühbirnen komplett weggelassen. Sofern sich keine signifikanten Unterschiede zum Reihenschlussmotor zeigen, ist eine zweite Messreihe für den Reihenschlussmotor ohne Glühbirnen nicht notwendig.

mit freunlichen Grüßen,
Stephan-Alexander Heyn