Fahrkomfort in der Achterbahn

Bei vielen Achterbahnen stehen Geschwindigkeit und Beschleunigung im Vordergrund. Doch auch der Fahrkomfort ist in Themenachterbahnen entscheidend, in denen sowohl die Fahrt, als auch das Erlebnis der Umgebung beeindrucken. Dies gilt vor allem dort, wo sehr junge Fahrgäste angesprochen werden. Bei „Arthur und die Minimoys“ im Europa-Park Rust sorgen intelligente Umrichter von Sensor-Technik Wiedemann (STW) für E-Motoren in Verbindung mit einer ausgeklügelten Regelung für einen bislang unerreichten Fahrkomfort. Die Firma EMIS Electrics GmbH zeichnete sich dabei für die Integration der komplexen Steuerungstechnik verantwortlich.


Das Familienunternehmen Mack ist dabei mit MACK Rides nicht nur Hersteller der Anlage, sondern auch Betreiber des Europa-Park Rust. Diese Konstellation ermöglicht es der Firma, aus der Praxis für die Praxis innovative und optimale Lösungen für ihre Kunden zu entwickeln. Beim Entwurf und der Entwicklung der Stahlachterbahn für den Themenbereich „Arthur und die Minimoys“ wurde ein Schwerpunkt auf den Fahrkomfort des durch E-Motoren angetriebenen „Inverted Powered Coaster“ gelegt. „Inverted“ bedeutet, dass die Züge unter den Schienen hängen, „powered“ beschreibt, dass die Züge einen eigenen Antrieb haben. Bei MACK Rides kommt hinzu, dass auch „Powered Coasters“ auf Abwärtsstrecken frei rollen können.

Abbildung 1: Vorteile der direkten Lastausgleichsregelung


Jeder einzelne der acht „Arthur“-Züge besitzt vier eigenständige, mit Umrichtern ausgestattete E-Motoren.

Ohne starre Verbindung über Getriebe sind die Antriebe indirekt miteinander gekoppelt, um über eine Regelung dynamische Anpassungen vornehmen zu können. Bei reiner Drehzahlregelung würden die Antriebe aufgrund von unterschiedlichen Durchmessern im Antriebsstrang (z.B. abgenutzte Antriebsräder, Fertigungstoleranzen) oder aufgrund von Toleranzen in der Drehzahlmessung, die über Resolver erfolgt, gegeneinander arbeiten. Denn kleinere Räder wollen die Drehzahl erhöhen, größere Räder möchten die Drehzahl verkleinern. Bei Kurvenfahrten müssen die Außenräder mit größerer Drehzahl arbeiten. Damit ist eine reine Drehzahlregelung nicht praktikabel. Auch eine reine Drehmomentregelung kommt praktisch nicht in Frage, da die Antriebe bei fehlender Belastung durchdrehen können. Dazu kann es u.a. durch ungenügenden Anpressdruck (Kurvenlage) oder die Vereisung von Schienen im Außenbereich kommen.
Eine indirekte Lastausgleichsregelung könnte dieses Problem adressieren und in der Steuerung der Leitstelle erfolgen. Aufgrund der für die Kommunikation entstehenden Latenzzeiten kann diese zentrale Version jedoch nicht zum Einsatz kommen. Die Lösung ist also eine direkte Lastausgleichsregelung mittels in den Umrichtern integrierten, in „C“ frei programmierbaren ESX-Steuerungskomponenten von STW. Diese Art der Regelung stellt die Drehmomentgleichheit aller Antriebe sicher.


Zur technischen Realisierung trug die enge und konstruktive Zusammenarbeit der Firmen STW und EMIS bei. In gemeinschaftlicher Entwicklung entstand eine intelligente Lastausgleichsregelung, bei der die auftretenden Drehmomentrippel auf ein Viertel des Wertes der indirekten Regelung reduziert werden (Bild 1). Dies wirkt sich nun direkt auf den Fahrkomfort und damit das Fahrerlebnis aus.

Abbildung 2: Der powerMELA Wechselrichter ist für den Einsatz in mobilen Arbeitsmaschinen mit IT-Netz konzipiert


In jedem E-Motor ist eine Temperaturüberwachung mittels PT1000 Elementen integriert, die im Falle des Überhitzens zum Einsatz kommt und die Belastung reduziert. Zudem wurden innerhalb der ESX-Steuerungskomponenten bestimmte Fehlerreaktionen definiert, so dass sich die Leitstelle dazu keine Gedanken mehr machen muss. Jeder Slave kann auch durch einfache Umkonfiguration die Master-Rolle übernehmen, so dass jeder Zug jederzeit sicher zurückgefahren werden kann.


Parallel werden sämtliche CAN-Nachrichten, die zwischen Master und Slaves ausgetauscht werden, auf einer TC3G, dem Telemetrieprodukt von STW, aufgezeichnet. Die TC3G fungiert als Gateway und gibt die Daten an die Zentrale weiter. So können die Funktionalität des Regelkreises überprüft und Fehlerfälle dokumentiert und mittels MatLab/Simulink analysiert werden. In umgekehrter Richtung lassen sich die ESX-Steuerungskomponenten neu konfigurieren bzw. programmieren. Zu guter Letzt gibt es einen weiteren positiven Effekt, der durch die Nutzung der Umrichter von STW erzielt wurde: Bei „Arthur und die Minimoys“ handelt es sich um die erste dynamische Achterbahn, die rekuperieren kann und somit beim Bremsen Energie ins Netz zurückliefert.