Grundlagen Wechselstrommaschinen

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1 Grundlagen Wechselstrommaschinen Arbeitsbuch I Mit CD-ROM L1 N PE U1 C B C A U2 n M 1 Z2 Z1 P2 n /min n = f [ M] W A P2 = f [ M] I = f [ M] Nm 1.2 M Festo Didactic de

2 Bestell-Nr.: Stand: 06/2011 Autoren: Jürgen Stumpp Redaktion: Frank Ebel Grafik: Jürgen Stumpp, Thomas Ocker Layout: 08/2011, Frank Ebel, Sophia Härer Festo Didactic GmbH & Co. KG, Denkendorf, 2011 Internet: Weitergabe sowie Vervielfältigung dieses Dokuments, Verwertung und Mitteilung seines Inhalts verboten, soweit nicht ausdrücklich gestattet. Zuwiderhandlungen verpflichten zu Schadenersatz. Alle Rechte vorbehalten, insbesondere das Recht, Patent-, Gebrauchsmuster- oder Geschmacksmusteranmeldungen durchzuführen. Hinweis Soweit in dieser Broschüre nur von Lehrer, Schüler etc. die Rede ist, sind selbstverständlich auch Lehrerinnen, Schülerinnen etc. gemeint. Die Verwendung nur einer Geschlechtsform soll keine geschlechtsspezifische Benachteiligung sein, sondern dient nur der besseren Lesbarkeit und dem besseren Verständnis der Formulierungen.

3 Inhalt Bestimmungsgemäße Verwendung V Vorwort VI Einleitung VIII Arbeits- und Sicherheitshinweise IX Trainingspaket Grundlagen Wechselstrommaschinen X Lernziele XI Zuordnung von Lernzielen und Aufgaben XIII Komponenten XV Hinweise für den Lehrer/Ausbilder XVII Struktur der Aufgaben XVIII Bezeichnung der Komponenten XVIII Inhalte der CD-ROM XIX Aufgaben und Lösungen Übersicht Wechselstrommaschinen 3 Aufgabe 1: Grundlagen des Einphasen-Wechselstrommotors mit Kurzschlussläufer (Kondensatormotor) _ 5 Aufgabe 2: Einphasen-Wechselstrommotor mit Kurzschlussläufer (Kondensatormotor) bei verschiedenen Belastungen 13 Aufgabe 3: Einphasen-Wechselstrommotor mit Kurzschlussläufer: Messungen mit der Software DriveLab 23 Übersicht Gleichstrommaschinen, Einphasen-Wechselstrommaschinen 37 Aufgabe 4: Grundlagen des Universalmotors 39 Aufgabe 5: Universalmotor bei verschiedenen Belastungen 45 Aufgabe 6: Universalmotor bei verschiedenen Belastungen: Messungen mit der Software DriveLab 53 Festo Didactic GmbH & Co. KG III

4 Aufgaben und Arbeitsblätter Übersicht Wechselstrommaschinen 3 Aufgabe 1: Grundlagen des Einphasen-Wechselstrommotors mit Kurzschlussläufer (Kondensatormotor) _ 5 Aufgabe 2: Einphasen-Wechselstrommotor mit Kurzschlussläufer (Kondensatormotor) bei verschiedenen Belastungen 13 Aufgabe 3: Einphasen-Wechselstrommotor mit Kurzschlussläufer: Messungen mit der Software DriveLab 23 Übersicht Gleichstrommaschinen, Einphasen-Wechselstrommaschinen 37 Aufgabe 4: Grundlagen des Universalmotors 39 Aufgabe 5: Universalmotor bei verschiedenen Belastungen 45 Aufgabe 6: Universalmotor bei verschiedenen Belastungen: Messungen mit der Software DriveLab 53 IV Festo Didactic GmbH & Co. KG

5 Bestimmungsgemäße Verwendung Das Trainingspaket Grundlagen Wechselstrommaschinen ist nur zu benutzen: für die bestimmungsgemäße Verwendung im Lehr- und Ausbildungsbetrieb in sicherheitstechnisch einwandfreiem Zustand Die Komponenten des Trainingspakets sind nach dem heutigen Stand der Technik und den anerkannten sicherheitstechnischen Regeln gebaut. Dennoch können bei unsachgemäßer Verwendung Gefahren für Leib und Leben des Benutzers oder Dritter und Beeinträchtigungen der Komponenten entstehen. Das Lernsystem von Festo Didactic ist ausschließlich für die Aus- und Weiterbildung im Bereich Automatisierung und Technik entwickelt und hergestellt. Das Ausbildungsunternehmen und/oder die Ausbildenden hat/haben dafür Sorge zu tragen, dass die Auszubildenden die Sicherheitsvorkehrungen, die in diesem Arbeitsbuch beschrieben sind, beachten. Festo Didactic schließt hiermit jegliche Haftung für Schäden des Auszubildenden, des Ausbildungsunternehmens und/oder sonstiger Dritter aus, die bei Gebrauch/Einsatz dieses Gerätesatzes außerhalb einer reinen Ausbildungssituation auftreten; es sei denn Festo Didactic hat solche Schäden vorsätzlich oder grob fahrlässig verursacht. Festo Didactic GmbH & Co. KG V

6 Vorwort Das Lernsystem Automatisierung und Technik von Festo Didactic orientiert sich an unterschiedlichen Bildungsvoraussetzungen und beruflichen Anforderungen. Abgeleitet hieraus ergibt sich die Gliederung des Lernsystems: Technologieorientierte Trainingspakete Mechatronik und Fabrikautomation Prozessautomation und Regelungstechnik Mobile Robotik Hybride Lernfabriken Parallel zu den Entwicklungen im Bildungsbereich und in der beruflichen Praxis wird das Lernsystem Automatisierung und Technik laufend aktualisiert und erweitert. Die technologieorientierten Trainingspakete befassen sich mit den Technologien Pneumatik, Elektropneumatik, Hydraulik, Elektrohydraulik, Proportionalhydraulik, Speicherprogrammierbare Steuerungen, Sensorik, Elektrotechnik, Elektronik und elektrischen Antrieben. Der modulare Aufbau des Lernsystems ermöglicht Anwendungen, die über die Grenzen der einzelnen Trainingspakete hinausgehen. Beispielsweise sind SPS-Ansteuerungen von pneumatischen, hydraulischen und elektrischen Antrieben möglich. VI Festo Didactic GmbH & Co. KG

7 Alle Trainingspakete setzen sich aus den folgenden Elementen zusammen: Hardware Medien Seminare Hardware Die Hardware der Trainingspakete besteht aus didaktisch aufbereiteten Industriekomponenten und Systemen. Die Komponentenauswahl und Ausführung in den Trainingspaketen ist speziell an die Projekte der begleitenden Medien angepasst. Medien Die Medien zu den einzelnen Themengebieten sind den Bereichen Teachware und Software zugeordnet. Die praxisorientierte Teachware umfasst: Fach- und Lehrbücher (Standardwerke zur Vermittlung fundamentaler Kenntnisse) Arbeitsbücher (praktische Aufgaben mit ergänzenden Hinweisen und Musterlösungen) Lexika, Handbücher, Fachbücher (bieten Fachinformationen zu vertiefenden Themenbereichen) Foliensammlungen und Videos (zur anschaulichen und lebendigen Unterrichtsgestaltung) Poster (für die übersichtliche Darstellung von Sachverhalten) Aus dem Bereich Software werden Programme für die folgenden Anwendungen bereitgestellt: Digitale Lernprogramme (didaktisch und medial aufbereitete Lerninhalte) Simulationssoftware Visualisierungssoftware Software zur Messdatenerfassung Projektierungs- und Konstruktionssoftware Programmiersoftware für Speicherprogrammierbare Steuerungen Die Lehr- und Lernmedien sind in mehreren Sprachen verfügbar. Sie sind für den Einsatz im Unterricht konzipiert, aber auch für ein Selbststudium geeignet. Seminare Ein umfassendes Seminarangebot zu den Inhalten der Trainingspakete rundet das Angebot in Aus- und Weiterbildung ab. Haben Sie Anregungen oder Kritikpunkte zu diesem Buch? Dann senden Sie eine an: Die Autoren und Festo Didactic freuen sich auf Ihre Rückmeldung. Festo Didactic GmbH & Co. KG VII

8 Einleitung Das vorliegende Arbeitsbuch ist ein Element aus dem Lernsystem Automatisierung und Technik der Firma Festo Didactic GmbH & Co. KG. Das System bildet eine solide Grundlage für eine praxisorientierte Aus- und Weiterbildung. Das Trainingspaket TP 1410 Servo Brems- und Antriebssystem behandelt die folgenden Themen: Grundlagen Gleichstrommaschinen Grundlagen Wechselstrommaschinen Grundlagen Drehstrommaschinen Das Arbeitsbuch Grundlagen Wechselstrommaschinen liefert die Einführung in das Thema der elektrischen Maschinen mit Wechselstromanschluss. Mit Wechselstromantrieben kommen wir alle täglich in Berührung, denn vor allem in Haushaltsgeräten und elektrischen Handwerkzeugen sind diese Motoren in großer Stückzahl im Einsatz. Die Inhalte Aufbau, Anschluss und Anwendungsgebiete werden vermittelt. Dabei werden die Maschinen unterschiedlichsten, nachgebildeten Belastungssituationen ausgesetzt, um so ihre Möglichkeiten experimentell auszuloten. Technische Voraussetzungen für den Aufbau der Schaltungen sind ein Laborarbeitsplatz ausgestattet mit einem A4-Rahmen, der Gerätesatz TP 1410 Servo Brems- und Antriebssystem, ein 230 V AC Netzanschluss, ein Universalmotor, ein Kondensatormotor, Komponenten zur Ansteuerung der elektrischen Maschinen und Sicherheits-Laborleitungen. Mit dem Gerätesatz TP 1410 und den Wechselstromantrieben werden die kompletten Schaltungen der 6 Aufgabenstellungen aufgebaut. Die theoretischen Grundlagen für das Verständnis dieser Aufgaben enthält das Lehrbuch Fachkunde Elektrotechnik, Bestell-Nr Des Weiteren stehen Datenblätter der einzelnen Komponenten (Universalmotor, Kondensatormotor usw.) zur Verfügung. VIII Festo Didactic GmbH & Co. KG

9 Arbeits- und Sicherheitshinweise Allgemein Die Auszubildenden dürfen nur unter Aufsicht einer Ausbilderin/eines Ausbilders an den Schaltungen arbeiten. Beachten Sie die Angaben der Datenblätter zu den einzelnen Komponenten, insbesondere auch alle Hinweise zur Sicherheit! Störungen, die die Sicherheit beeinträchtigen können, dürfen beim Schulungsbetrieb nicht erzeugt werden und sind umgehend zu beseitigen. Mechanik Hängen Sie alle dafür vorgesehenen Komponenten in den A4-Rahmen ein. Beachten Sie Angaben zur Platzierung der Komponenten. Elektrik Das Servo Brems- und Antriebssystem (Motorenprüfstand) darf nur mit einem zusätzlichen Schutzleiter in Betrieb genommen werden. Output L1 DC+ L2 L3/N DC- Input PE PE Verbinden Sie immer den Temperaturschalter des Motors mit dem Eingang Motor ϑ des Motorenprüfstands. Herstellen bzw. Abbauen von elektrischen Anschlüssen nur in spannungslosem Zustand! Verwenden Sie für die elektrischen Anschlüsse nur Verbindungsleitungen mit Sicherheitssteckern. Ziehen Sie beim Abbauen der Verbindungsleitungen nur an den Sicherheitssteckern, nicht an den Leitungen. Festo Didactic GmbH & Co. KG IX

10 Trainingspaket Grundlagen Wechselstrommaschinen Gegenstand dieses Teils des Trainingspakets TP 1410 sind die Grundlagen von Wechselstrommaschinen. Einzelne Komponenten aus dem Trainingspaket TP 1410 können auch Bestandteil anderer Pakete sein. Wichtige Komponenten des TP 1410 Fester Arbeitsplatz mit A4-Rahmen Gerätesätze oder Einzelkomponenten (Universalmotor, Kondensatormotor) Sicherheits-Laborleitungen Komplette Laboreinrichtungen Medien Die Teachware zum Trainingspaket TP 1410 besteht aus einem Fachbuch und Arbeitsbüchern. Das Lehrbuch vermittelt die Grundlagen der Wechselstrommaschinen und ihrer Steuerschaltungen. Die Arbeitsbücher enthalten zu jeder Aufgabe die Aufgabenblätter, die Lösungen zu jedem einzelnen Arbeitsblatt und eine CD-ROM. Ein Satz gebrauchsfertiger Aufgaben- und Arbeitsblätter zu jeder Aufgabe ist enthalten. Datenblätter zu den Hardware-Komponenten werden mit dem Trainingspaket zur Verfügung gestellt. Medien Lehrbuch Arbeitsbuch Fachkunde Elektroberufe Grundlagen Gleichstrommaschinen Grundlagen Wechselstrommaschinen Grundlagen Drehstrommaschinen Digitale Lernprogramme WBT Elektrische Antriebe 1 WBT Elektrische Antriebe 2 Übersicht der Medien zum Trainingspaket TP 1410 Als Software zum Trainingspaket TP 1410 stehen die digitalen Lernprogramme Elektrische Antriebe 1 und Elektrische Antriebe 2 zur Verfügung. Diese Lernprogramme beschäftigen sich ausführlich mit den Grundlagen der elektrischen Antriebstechnik. Die Lerninhalte sind sowohl fachsystematisch als auch anwendungsbezogen an praxisnahen Fallbeispielen dargestellt. Weitere Ausbildungsmittel ersehen Sie aus unseren Katalogen und im Internet. Das Lernsystem Automatisierung und Technik wird laufend aktualisiert und erweitert. Die Foliensätze, die Filme, CD-ROMs, DVDs und Lernprogramme sowie die weitere Teachware werden in mehreren Sprachen angeboten. X Festo Didactic GmbH & Co. KG

11 Lernziele Grundlagen Wechselstrommaschinen Einphasen-Wechselstrommotor mit Kurzschlussläufer (Kondensatormotor) Sie kennen die grundsätzliche Funktion des Kondensatormotors. Sie kennen die Anschlussplatte des Motors mit allen Bezeichnungen. Sie kennen die Schaltung des Motors mit Haupt- und Hilfswicklung, mit Anlauf- und Betriebskondensator. Sie kennen die Schaltung am Klemmbrett für Rechts- und Linkslauf des Motors. Sie kennen die Messschaltung zur Kontrolle der Leistungsschildangaben. Sie kennen die Kontrolle der Leistungsschildangaben durch Messung und Berechnung bei Leerlauf und Nennlast. Sie kennen den Umgang mit dem Motorenprüfstand und der Software DriveLab. Sie kennen die Messschaltung zur punktuellen Aufnahme der Lastkennlinien des Motors. Sie kennen die Inbetriebnahme des Motors bei verschiedenen Belastungen. Sie kennen die Berechnung der fehlenden Werte in der Tabelle. Sie kennen die Erstellung eines Diagramms mit den Lastkennlinien des Motors. Sie kennen die Auswertung der Lastkennlinien. Sie kennen die rechnerische Ermittlung von Blindleistung, Wirkungsgrad und Leistungsfaktor. Sie kennen die Erstellung eines Diagramms mit den berechneten Werten. Sie kennen die Auswertung des Diagramms. Grundlagen Wechselstrommaschinen Universalmotor Sie kennen die Erklärung für den Begriff Universalmotor. Sie kennen die ohmschen Widerstände von Anker- und Erregerwicklung des Universalmotors. Sie können die Widerstandswerte von Anker- und Erregerwicklung beurteilen. Sie kennen das Problem des Universalmotors im Leerlauf. Sie kennen den Aufbau des Läufers beim Universalmotor. Sie kennen die Möglichkeit zur Drehrichtungsänderung des Universalmotors. Sie kennen die Möglichkeit für eine Drehfrequenzänderung beim Universalmotor. Sie kennen Anwendungsbeispiele für Universalmotoren. Sie kennen den Umgang mit dem Motorenprüfstand und der Software DriveLab. Sie kennen das Leistungsschild des Motors und die Bedeutung der eingetragenen Werte. Sie kennen die Messschaltung zur punktuellen Aufnahme der Lastkennlinien des Motors. Sie kennen die Inbetriebnahme des Motors bei verschiedenen Belastungen. Sie kennen die Berechnung der fehlenden Werte in der Belastungstabelle. Sie kennen die Erstellung eines Diagramms mit den Lastkennlinien des Motors. Sie kennen die Auswertung der Lastkennlinien. Festo Didactic GmbH & Co. KG XI

12 Einsatz des Servo Brems- und Antriebssystems und der Software DriveLab Sie kennen den Umgang mit dem Servo Brems- und Antriebssystem und der Software DriveLab. Sie kennen Anschluss und Inbetriebnahme der Motoren mit dem Servo Brems- und Antriebssystem und der Software DriveLab. Sie kennen die Programmoberfläche der Software DriveLab. Sie kennen Auswahl und Änderung der Messgrößen auf der X-Achse und der Y-Achse. Sie kennen die Anpassung von Farbe und Stil der Messkurven. Sie kennen die Einstellung von Drehfrequenz und Drehmoment über den Rechner. Sie kennen Vorbereitung und Start einer Messung über den Rechner. Sie kennen Aufnahme und Dokumentation von Lastkennlinien über den Rechner. XII Festo Didactic GmbH & Co. KG

13 Zuordnung von Lernzielen und Aufgaben Aufgabe Lernziel Sie kennen die grundsätzliche Funktion des Kondensatormotors. Sie kennen die Anschlussplatte des Motors mit allen Bezeichnungen. Sie kennen die Schaltung des Motors mit Haupt- und Hilfswicklung, mit Anlauf- und Betriebskondensator. Sie kennen die Schaltung am Klemmbrett für Rechts- und Linkslauf des Motors. Sie kennen die Messschaltung zur Kontrolle der Leistungsschildangaben. Sie kennen die Kontrolle der Leistungsschildangaben durch Messung und Berechnung bei Leerlauf und Nennlast. Sie kennen den Umgang mit dem Motorenprüfstand und der Software DriveLab. Sie kennen die Messschaltung zur punktuellen Aufnahme der Lastkennlinien des Motors. Sie kennen die Inbetriebnahme des Motors bei verschiedenen Belastungen. Sie kennen die Berechnung der fehlenden Werte in der Tabelle. Sie kennen die Erstellung eines Diagramms mit den Lastkennlinien des Motors. Sie kennen die Auswertung der Lastkennlinien. Sie kennen die rechnerische Ermittlung von Blindleistung, Wirkungsgrad und Leistungsfaktor. Sie kennen die Erstellung eines Diagramms mit den berechneten Werten. Sie kennen die Auswertung des Diagramms. Sie kennen den Umgang mit dem Motorenprüfstand und der Software DriveLab. Sie kennen Anschluss und Inbetriebnahme des Kondensatormotors mit dem Motorenprüfstand und der Software DriveLab. Sie kennen Anschluss und Inbetriebnahme des Universalmotors mit dem Motorenprüfstand und der Software DriveLab. Sie kennen die Programmieroberfläche der Software DriveLab. Sie kennen Auswahl und Änderung der Messgrößen auf der X-Achse und der Y-Achse. Sie kennen die Anpassung von Farbe und Stil der Messkurven. Sie kennen die Einstellung von Drehfrequenz und Drehmoment über den Rechner. Sie kennen Vorbereitung und Start einer Messung über den Rechner. Sie kennen die Eintragung eines neuen Motors in die Motorbibliothek. Sie kennen Aufnahme und Dokumentation von Lastkennlinien über den Rechner. Festo Didactic GmbH & Co. KG XIII

14 Aufgabe Lernziel Sie kennen die Erklärung für den Begriff Universalmotor. Sie kennen die ohmschen Widerstände von Anker- und Erregerwicklung des Universalmotors. Sie können die Widerstandswerte von Anker- und Erregerwicklung beurteilen. Sie kennen das Problem des Universalmotors im Leerlauf. Sie kennen den Aufbau des Läufers beim Universalmotor. Sie kennen die Möglichkeit zur Drehrichtungsänderung des Universalmotors. Sie kennen die Möglichkeit für eine Drehfrequenzänderung beim Universalmotor. Sie kennen Anwendungsbeispiele für Universalmotoren. Sie kennen den Umgang mit dem Motorenprüfstand und der Software DriveLab. Sie kennen das Leistungsschild des Motors und die Bedeutung der eingetragenen Werte. Sie kennen die Messschaltung zur punktuellen Aufnahme der Lastkennlinien des Motors. Sie kennen die Inbetriebnahme des Motors bei verschiedenen Belastungen. Sie kennen die Berechnung der fehlenden Werte in der Belastungstabelle. Sie kennen die Erstellung eines Diagramms mit den Lastkennlinien des Motors. Sie kennen die Auswertung der Lastkennlinien. XIV Festo Didactic GmbH & Co. KG

15 Komponenten Die Komponenten des Trainingspakets Grundlagen Wechselstrommaschinen vermitteln Kenntnisse über Aufbau, Anschluss und Anwendungsgebiete von Wechselstrommaschinen. Zum Aufbau funktionsfähiger Schaltungen werden zusätzlich ein Laborarbeitsplatz, optional mit A4-Rahmen, der Gerätesatz TP 1410 Servo Brems- und Antriebssystem, eine 230 V Wechselspannungsversorgung und Ansteuerungen für die elektrischen Maschinen und benötigt. Gerätesatz TP 1410 Servo Brems- und Antriebssystem Komponente Bestell-Nr. Menge Servo Brems- und Antriebssystem Elektrische Maschinen Grundlagen Wechselstrommaschinen Komponente Bestell-Nr. Menge Einphasen-Wechselstrommotor mit Kurzschlussläufer (Kondensatormotor) Universalmotor Ansteuerungen für die elektrischen Maschinen Komponente Bestell-Nr. Menge Drehstromversorgung EduTrainer Netzteil 24 V EduTrainer Schützboard EduTrainer Schützsatz Motortechnik Bedien- und Meldegerät EduTrainer Festo Didactic GmbH & Co. KG XV

16 Grafische Symbole des Gerätesatzes Komponente Grafisches Symbol Einphasen-Wechselstrommotor mit Kurzschlussläufer (Kondensatormotor) M 1 Universalmotor M XVI Festo Didactic GmbH & Co. KG

17 Hinweise für den Lehrer/Ausbilder Lernziele Das Groblernziel des vorliegenden Arbeitsbuchs ist das Kennenlernen der Grundlagen von Wechselstrommaschinen. Durch diese direkte Wechselwirkung von Theorie und Praxis ist ein schneller und nachhaltiger Lernfortschritt gewährleistet. Die Feinlernziele sind in der Matrix dokumentiert. Konkrete Einzellernziele sind jeder Aufgabenstellung zugeordnet. Richtzeit Die benötigte Zeit für das Durcharbeiten der Aufgabenstellungen hängt vom Vorwissen der Lernenden ab. Auszubildende im Elektrobereich: ca. 3 Tage. Mit Facharbeiterausbildung: ca. 1 Tag. Komponenten Arbeitsbuch und Komponenten sind aufeinander abgestimmt. Für die Aufgaben 1 bis 3 benötigen Sie einen Einphasen-Wechselstrommotor mit Kurzschlussläufer (Kondensatormotor). Für die Aufgaben 4 bis 6 benötigen Sie einen Universalmotor. Normen Im vorliegenden Arbeitsbuch werden die folgenden Normen angewendet: EN bis EN : Graphische Symbole für Schaltpläne EN : Industrielle Systeme, Anlagen und Ausrüstungen und Industrieprodukte; Strukturierungsprinzipien und Referenzkennzeichnung Kennzeichnungen im Arbeitsbuch Lösungstexte und Ergänzungen in Grafiken oder Diagrammen sind rot dargestellt. Kennzeichnungen in den Arbeitsblättern Zu ergänzende Texte sind durch Raster oder graue Tabellenzellen gekennzeichnet. Zu ergänzende Grafiken sind durch Raster hinterlegt. Hinweise für den Unterricht Hier werden zusätzliche Informationen zu den einzelnen Komponenten und Schaltungen gegeben. Diese Hinweise sind in den Arbeitsblättern nicht enthalten. Lernfelder Im Folgenden ist eine Zuordnung der Lernfelder der Berufsschule auf das Ausbildungsthema Grundlagen Wechselstrommaschinen für ausgewählte Ausbildungsberufe dargestellt. Festo Didactic GmbH & Co. KG XVII

18 Ausbildungsberuf Lernfeld Thema Elektroniker/in für Automatisierungstechnik 1 Elektrotechnische Systeme analysieren und Funktionen prüfen 3 Steuerungen analysieren und anpassen 6 Anlagen analysieren und deren Sicherheit prüfen Mechatroniker/in 3 Installieren elektrischer Betriebsmittel unter Beachtung sicherheitstechnischer Aspekte 4 Untersuchen der Energie- und Informationsflüsse in elektrischen, pneumatischen und hydraulischen Baugruppen 7 Realisieren mechatronischer Teilsysteme 11 Inbetriebnahme, Fehlersuche und Instandsetzung Struktur der Aufgaben Alle 6 Aufgaben haben den gleichen methodischen Aufbau. Die Aufgaben sind gegliedert in: Titel Lernziele Problemstellung Lageplan Projektauftrag Arbeitshilfen Arbeitsblätter Das Arbeitsbuch enthält die Lösungen zu jedem Arbeitsblatt. Bezeichnung der Komponenten Die Bezeichnung der Komponenten in den Schaltplänen erfolgt nach der Norm DIN EN In Abhängigkeit der Komponente werden Buchstaben vergeben. Mehrere Komponenten innerhalb eines Schaltkreises werden durchnummeriert. Relais: K, K1, K2, Schalter/Taster: S, S1, S2, Schütz: Q, Q1, Q2, Sicherungen: F, F1, F2,... Signalgeräte: P, P1, P2,... XVIII Festo Didactic GmbH & Co. KG

19 Inhalte der CD-ROM Das Arbeitsbuch ist auf der mitgelieferten CD-ROM als pdf-datei gespeichert. Zusätzlich stellt die CD-ROM Ihnen weitere Medien zur Verfügung. Die CD-ROM enthält folgende Ordner: Bedienungsanleitungen Bilder Datenblätter Bedienungsanleitungen Bedienungsanleitungen für verschiedene Komponenten des Trainingspakets stehen zur Verfügung. Diese Anleitungen helfen bei Einsatz und Inbetriebnahme der Komponenten. Bilder Fotos und Grafiken von Komponenten und industriellen Anwendungen werden bereitgestellt. Hiermit können eigene Aufgabenstellungen illustriert werden. Auch Projektpräsentationen können durch den Einsatz dieser Abbildungen ergänzt werden. Datenblätter Die Datenblätter der Komponenten des Trainingspakets stehen als pdf-dateien zur Verfügung. Festo Didactic GmbH & Co. KG XIX

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21 Inhalt Aufgaben und Lösungen Übersicht Wechselstrommaschinen 3 Aufgabe 1: Grundlagen des Einphasen-Wechselstrommotors mit Kurzschlussläufer (Kondensatormotor) _ 5 Aufgabe 2: Einphasen-Wechselstrommotor mit Kurzschlussläufer (Kondensatormotor) bei verschiedenen Belastungen 13 Aufgabe 3: Einphasen-Wechselstrommotor mit Kurzschlussläufer: Messungen mit der Software DriveLab 23 Übersicht Gleichstrommaschinen, Einphasen-Wechselstrommaschinen 37 Aufgabe 4: Grundlagen des Universalmotors 39 Aufgabe 5: Universalmotor bei verschiedenen Belastungen 45 Aufgabe 6: Universalmotor bei verschiedenen Belastungen: Messungen mit der Software DriveLab 53 Festo Didactic GmbH & Co. KG

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23 Übersicht Wechselstrommaschinen Wechselstrommaschinen Transformatoren umlaufende Maschinen Asynchronmaschinen Synchronmaschinen Dreiphasentransformator Einphasentransformator Sondertransformatoren z. B. Streufeldtransformatoren Spartransformatoren Motoren mit Hilfswicklung oder Kondensator Motoren Generatoren Einphasenmaschinen Dreiphasenmaschinen Kurzschlussläufermotor Sondermaschinen z. B. Spaltpolmotor Repulsionsmotor Schleifringläufermotor Sondermaschinen z. B. Linearmotor Kollektormotor Festo Didactic GmbH & Co. KG

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25 Aufgabe 1 Grundlagen des Einphasen-Wechselstrommotors mit Kurzschlussläufer (Kondensatormotor) Lernziele Wenn Sie die Aufgabe bearbeitet haben, kennen Sie die grundsätzliche Funktion des Kondensatormotors. kennen Sie die Anschlussplatte des Motors mit allen Bezeichnungen. kennen Sie die Schaltung des Motors mit Haupt- und Hilfswicklung, mit Anlauf- und Betriebskondensator. kennen Sie die Schaltung am Klemmbrett für Rechts- und Linkslauf des Motors. kennen Sie die Messschaltung zur Kontrolle der Leistungsschildangaben. kennen Sie die Kontrolle der Leistungsschildangaben durch Messung und Berechnung bei Leerlauf und Nennlast. Problemstellung Für den Betrieb eines Druckluftkompressors steht nur eine einphasige Wechselspannung mit 230 V (L1 und N) zur Verfügung. Da bei dem Kompressor mit Schweranlaufbedingungen zu rechen ist, soll als Antrieb ein Kondensatormotor mit Anlauf- und Betriebskondensator verwendet werden. Der Motor soll in der Ausbildungswerkstatt auf seine Eignung untersucht werden. Die Untersuchung ist in einem Protokoll zu dokumentieren. Druckluftkompressor Festo Didactic GmbH & Co. KG

26 Aufgabe 1 Grundlagen des Einphasen-Wechselstrommotors mit Kurzschlussläufer (Kondensatormotor) Arbeitsaufträge 1. Beschreiben Sie die grundsätzliche Funktion eines Einphasen-Wechselstrommotors mit Kurzschlussläufer (Kondensatormotor). 2. Vervollständigen Sie die Vorgaben für die Anschlussplatte des Motors. 3. Vervollständigen Sie die Schaltung des Motors mit Haupt- und Hilfswicklung, mit Anlauf- und Betriebskondensator. 4. Vervollständigen Sie die Vorgaben für Rechts- und Linkslauf des Motors. 5. Vervollständigen Sie die Messschaltung zur Kontrolle der Leistungsschildangaben. 6. Kontrollieren Sie durch Messung und Rechnung die Angaben auf dem Leistungsschild des Motors für Leerlauf und Nennlast. Arbeitshilfen Fachbücher, Tabellenbücher Auszüge aus Herstellerkatalogen Datenblätter Handbuch Servo Brems- und Antriebssystem Internet WBT Elektrische Antriebe 1 6 Festo Didactic GmbH & Co. KG

27 Aufgabe 1 Grundlagen des Einphasen-Wechselstrommotors mit Kurzschlussläufer (Kondensatormotor) 1. Grundsätzliche Funktion des Kondensatormotors a) Beschreiben Sie den Aufbau eines Kondensatormotors. U1 U2 M 1 Z2 Z1 Kondensatormotor Prinzipielle Anordnung der beiden Wicklungen Im Blechpaket des Stators sind zwei Wicklungen angeordnet, die räumlich um 90 versetzt sind. Es handelt sich um die Hauptwicklung mit den Bezeichnungen U1 und U2. Sie belegt 2/3 der Ständernuten. In den restlichen Nuten ist die Hilfswicklung mit den Bezeichnungen Z1 und Z2 untergebracht. Abhängig von den Anlaufbedingungen hat der Einphasenmotor noch einen Anlauf- und Betriebskondensator. b) Beschreiben Sie die Funktion des Kondensatormotors. Um eine Phasenverschiebung zwischen den beiden Wicklungen und damit ein Drehfeld zu erreichen, muss eine Kapazität mit der Hilfswicklung in Reihe geschaltet werden. Bei einem Einphasenmotor mit Betriebskondensator bleibt die Hilfswicklung mit dem in Reihe geschalteten Betriebskondensator dauernd eingeschaltet. Für schwere Anlaufbedingungen wird ein Anlaufkondensator parallel zum Betriebskondensator geschaltet. Der Anlaufkondensator wird nach dem Anlauf über einen Fliehkraftschalter abgeschaltet. c) Welche Funktion erfüllt der Betriebskondensator? Durch den Betriebskondensator C B erhält der Motor einen ruhigeren Lauf und einen besseren Leistungsfaktor. Die Kapazität des Betriebskondensators sollte so bemessen werden, dass sich die Hilfswicklung nicht unzulässig erwärmt. Die Kapazität des Betriebskondensators sollte näherungsweise pro Kilowatt Motorleistung eine Blindleistung von 1 kvar aufnehmen. Festo Didactic GmbH & Co. KG

28 Aufgabe 1 Grundlagen des Einphasen-Wechselstrommotors mit Kurzschlussläufer (Kondensatormotor) d) Welche Funktion erfüllt der Anlaufkondensator? Um das Anzugsmoment des Motors zu vergrößern, muss die Kapazität des Kondensators ebenfalls größer werden. Die Kapazitätsvergrößerung wird durch Parallelschaltung eines Anlaufkondensators C A erreicht. Nach dem Anlauf wird der Anlaufkondensator durch einen Fliehkraftschalter abgeschaltet, damit sich die Hilfswicklung nicht unzulässig hoch erwärmt. 2. Anschlussplatte des Motors Bezeichnen Sie die einzelnen Anschlüsse der Anschlussplatte des Kondensatormotors. U1 U2 Hauptwicklung, Anschlüsse U1 und U2 Z1 Z2 Hilfswicklung, Anschlüsse Z1 und Z2 Anlaufkondensator, Anschlüsse C A und C A C B C B Betriebskondensator, Anschlüsse C B und C B Fliehkraftschalter, Anschlüsse 11 und 12 Temperaturüberwachung des Motors, Anschlüsse 21 und 22 8 Festo Didactic GmbH & Co. KG

29 Aufgabe 1 Grundlagen des Einphasen-Wechselstrommotors mit Kurzschlussläufer (Kondensatormotor) 3. Schaltung des Kondensatormotors mit Haupt- und Hilfswicklung, Anlauf- und Betriebskondensator Vervollständigen Sie die Schaltung des Motors. L1 N PE U1 C B C A U2 n M 1 Z2 Z1 4. Schaltung für Rechts- und Linkslauf des Motors Vervollständigen Sie die Schaltungen für Rechts- und Linkslauf. L1 N PE L1 N PE U1 Z1 U1 Z1 Z2 U2 Z2 U2 C B C A C B C A U1 U1 U2 n U2 n M 1 Z2 Z1 M 1 Z2 Z1 Festo Didactic GmbH & Co. KG

30 Aufgabe 1 Grundlagen des Einphasen-Wechselstrommotors mit Kurzschlussläufer (Kondensatormotor) 5. Messschaltung zur Kontrolle der Leistungsschildangaben a) Vervollständigen Sie die Messschaltung zur Kontrolle der Leistungsschildangaben. Bauen Sie die Schaltung auf und nehmen Sie den Motor in Betrieb. L1 N PE -P1 V -P2 A -P3 W U1 C B C A -A1.1 -M1 U2 n n M 1 Z2 Z1 Menge Kennzeichnung Benennung 1 -M1 Kondensatormotor 2 -P1, -P2 Digital-Multimeter 1 -P3 Einphasen-Leistungsmesser 1 -A1.1 Motorenprüfstand, Servo Brems- und Antriebssystem Geräteliste 10 Festo Didactic GmbH & Co. KG

31 Aufgabe 1 Grundlagen des Einphasen-Wechselstrommotors mit Kurzschlussläufer (Kondensatormotor) b) Bauen Sie die Schaltung auf. Verwenden Sie den Kondensatormotor 230 V, Bestell-Nr Kontrolle der Leistungsschildangaben durch Messung und Rechnung a) Für die Messung wird der Motor mit dem Motorenprüfstand verbunden. Der Motorenprüfstand wird eingeschaltet, hat jedoch keine Verbindung zum Rechner. Der Motor wird eingeschaltet. b) Zuerst werden die Messwerte im Leerlauf gemessen. Tragen Sie die Messwerte in die Tabelle in der Spalte Leerlauf ein. c) Für die Messung bei Nennlast wird der Motor über den Motorenprüfstand bis zum Nennstrom (siehe Leistungsschild) belastet und die Werte abgelesen. Tragen Sie die Messwerte in die Tabelle in der Spalte Nennlast ein. Leerlauf Nennlast U [V] I [A] 1,2 1,86 P [W] n [min -1 ] d) Berechnen Sie mit den Messwerten aus der Tabelle bei Leerlauf und Nennlast die Werte für die Scheinleistung, den Leistungsfaktor und die Blindleistung. Leerlauf Die Scheinleistung S: S = U I = 228 V 1,2 A = 274 VA Den Leistungsfaktor cos φ: P cos ϕ= = S 216 W = 0, VA Die Blindleistung Q: Q = S sinϕ = 274 VA 0,63 = 173 var Festo Didactic GmbH & Co. KG

32 Aufgabe 1 Grundlagen des Einphasen-Wechselstrommotors mit Kurzschlussläufer (Kondensatormotor) Nennlast Die Scheinleistung S: S = U I = 228 V 1,86 A = 424 VA Den Leistungsfaktor cos φ: P cos ϕ= = S 352 W = 0, VA Die Blindleistung Q: Q = S sinϕ = 424 VA 0,56 = 237 var Kontrolle der Kapazität von C A Messwerte: U = 230 V I = 1,75 A Der Blindwiderstand X C : XC UC = = IC 230 V = 131,42 Ω 1,75 A Die Kapazität C: 1 1 C = = 24,2 μf 2 π f X = -1 2 π 50 s 131,42 Ω C Kontrolle der Kapazität von C B Messwerte: U = 220 V I = 0,7 A Der Blindwiderstand X C : X C UC = = I C 220 V = 314,28 Ω 0,7 A Die Kapazität C: 1 1 C = = 10,13 μf 2 π f X = -1 2 π 50 s 314,28 Ω C 12 Festo Didactic GmbH & Co. KG

33 Inhalt Aufgaben und Arbeitsblätter Übersicht Wechselstrommaschinen 3 Aufgabe 1: Grundlagen des Einphasen-Wechselstrommotors mit Kurzschlussläufer (Kondensatormotor) _ 5 Aufgabe 2: Einphasen-Wechselstrommotor mit Kurzschlussläufer (Kondensatormotor) bei verschiedenen Belastungen 13 Aufgabe 3: Einphasen-Wechselstrommotor mit Kurzschlussläufer: Messungen mit der Software DriveLab 23 Übersicht Gleichstrommaschinen, Einphasen-Wechselstrommaschinen 37 Aufgabe 4: Grundlagen des Universalmotors 39 Aufgabe 5: Universalmotor bei verschiedenen Belastungen 45 Aufgabe 6: Universalmotor bei verschiedenen Belastungen: Messungen mit der Software DriveLab 53 Festo Didactic GmbH & Co. KG

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35 Übersicht Wechselstrommaschinen Wechselstrommaschinen Transformatoren umlaufende Maschinen Asynchronmaschinen Synchronmaschinen Dreiphasentransformator Einphasentransformator Sondertransformatoren z. B. Streufeldtransformatoren Spartransformatoren Motoren mit Hilfswicklung oder Kondensator Motoren Generatoren Einphasenmaschinen Dreiphasenmaschinen Kurzschlussläufermotor Sondermaschinen z. B. Spaltpolmotor Repulsionsmotor Schleifringläufermotor Sondermaschinen z. B. Linearmotor Kollektormotor Festo Didactic GmbH & Co. KG

36 4 Festo Didactic GmbH & Co. KG

37 Aufgabe 1 Grundlagen des Einphasen-Wechselstrommotors mit Kurzschlussläufer (Kondensatormotor) Lernziele Wenn Sie die Aufgabe bearbeitet haben, kennen Sie die grundsätzliche Funktion des Kondensatormotors. kennen Sie die Anschlussplatte des Motors mit allen Bezeichnungen. kennen Sie die Schaltung des Motors mit Haupt- und Hilfswicklung, mit Anlauf- und Betriebskondensator. kennen Sie die Schaltung am Klemmbrett für Rechts- und Linkslauf des Motors. kennen Sie die Messschaltung zur Kontrolle der Leistungsschildangaben. kennen Sie die Kontrolle der Leistungsschildangaben durch Messung und Berechnung bei Leerlauf und Nennlast. Problemstellung Für den Betrieb eines Druckluftkompressors steht nur eine einphasige Wechselspannung mit 230 V (L1 und N) zur Verfügung. Da bei dem Kompressor mit Schweranlaufbedingungen zu rechen ist, soll als Antrieb ein Kondensatormotor mit Anlauf- und Betriebskondensator verwendet werden. Der Motor soll in der Ausbildungswerkstatt auf seine Eignung untersucht werden. Die Untersuchung ist in einem Protokoll zu dokumentieren. Druckluftkompressor Festo Didactic GmbH & Co. KG

38 Aufgabe 1 Grundlagen des Einphasen-Wechselstrommotors mit Kurzschlussläufer (Kondensatormotor) Arbeitsaufträge 1. Beschreiben Sie die grundsätzliche Funktion eines Einphasen-Wechselstrommotors mit Kurzschlussläufer (Kondensatormotor). 2. Vervollständigen Sie die Vorgaben für die Anschlussplatte des Motors. 3. Vervollständigen Sie die Schaltung des Motors mit Haupt- und Hilfswicklung, mit Anlauf- und Betriebskondensator. 4. Vervollständigen Sie die Vorgaben für Rechts- und Linkslauf des Motors. 5. Vervollständigen Sie die Messschaltung zur Kontrolle der Leistungsschildangaben. 6. Kontrollieren Sie durch Messung und Rechnung die Angaben auf dem Leistungsschild des Motors für Leerlauf und Nennlast. Arbeitshilfen Fachbücher, Tabellenbücher Auszüge aus Herstellerkatalogen Datenblätter Handbuch Servo Brems- und Antriebssystem Internet WBT Elektrische Antriebe 1 6 Name: Datum: Festo Didactic GmbH & Co. KG

39 Aufgabe 1 Grundlagen des Einphasen-Wechselstrommotors mit Kurzschlussläufer (Kondensatormotor) 1. Grundsätzliche Funktion des Kondensatormotors a) Beschreiben Sie den Aufbau eines Kondensatormotors. U1 U2 M 1 Z2 Z1 Kondensatormotor Prinzipielle Anordnung der beiden Wicklungen b) Beschreiben Sie die Funktion des Kondensatormotors. c) Welche Funktion erfüllt der Betriebskondensator? Festo Didactic GmbH & Co. KG Name: Datum: 7

40 Aufgabe 1 Grundlagen des Einphasen-Wechselstrommotors mit Kurzschlussläufer (Kondensatormotor) d) Welche Funktion erfüllt der Anlaufkondensator? 2. Anschlussplatte des Motors Bezeichnen Sie die einzelnen Anschlüsse der Anschlussplatte des Kondensatormotors. U1 U2 Z1 Z2 C B C B 8 Name: Datum: Festo Didactic GmbH & Co. KG

41 Aufgabe 1 Grundlagen des Einphasen-Wechselstrommotors mit Kurzschlussläufer (Kondensatormotor) 3. Schaltung des Kondensatormotors mit Haupt- und Hilfswicklung, Anlauf- und Betriebskondensator Vervollständigen Sie die Schaltung des Motors. L1 N PE U1 C B C A U2 n> M 1 Z2 Z1 4. Schaltung für Rechts- und Linkslauf des Motors Vervollständigen Sie die Schaltungen für Rechts- und Linkslauf. L1 N PE L1 N PE U1 Z1 U1 Z1 Z2 U2 Z2 U2 C B C A C B C A U1 U1 U2 n U2 n> M 1 Z2 Z1 M 1 Z2 Z1 Festo Didactic GmbH & Co. KG Name: Datum: 9

42 Aufgabe 1 Grundlagen des Einphasen-Wechselstrommotors mit Kurzschlussläufer (Kondensatormotor) 5. Messschaltung zur Kontrolle der Leistungsschildangaben a) Vervollständigen Sie die Messschaltung zur Kontrolle der Leistungsschildangaben. Bauen Sie die Schaltung auf und nehmen Sie den Motor in Betrieb. L1 N PE V A W U1 C B C A U2 n> n M 1 Z2 Z1 Menge Kennzeichnung Benennung 1 Kondensatormotor 2 Digital-Multimeter 1 Einphasen-Leistungsmesser 1 Motorenprüfstand, Servo Brems- und Antriebssystem Geräteliste 10 Name: Datum: Festo Didactic GmbH & Co. KG

43 Aufgabe 1 Grundlagen des Einphasen-Wechselstrommotors mit Kurzschlussläufer (Kondensatormotor) b) Bauen Sie die Schaltung auf. Verwenden Sie den Kondensatormotor 230 V, Bestell-Nr Kontrolle der Leistungsschildangaben durch Messung und Rechnung a) Für die Messung wird der Motor mit dem Motorenprüfstand verbunden. Der Motorenprüfstand wird eingeschaltet, hat jedoch keine Verbindung zum Rechner. Der Motor wird eingeschaltet. b) Zuerst werden die Messwerte im Leerlauf gemessen. Tragen Sie die Messwerte in die Tabelle in der Spalte Leerlauf ein. c) Für die Messung bei Nennlast wird der Motor über den Motorenprüfstand bis zum Nennstrom (siehe Leistungsschild) belastet und die Werte abgelesen. Tragen Sie die Messwerte in die Tabelle in der Spalte Nennlast ein. Leerlauf Nennlast U [V] I [A] P [W] n [min -1 ] d) Berechnen Sie mit den Messwerten aus der Tabelle bei Leerlauf und Nennlast die Werte für die Scheinleistung, den Leistungsfaktor und die Blindleistung. Leerlauf Festo Didactic GmbH & Co. KG Name: Datum: 11

44 Aufgabe 1 Grundlagen des Einphasen-Wechselstrommotors mit Kurzschlussläufer (Kondensatormotor) Nennlast Kontrolle der Kapazität von C A Kontrolle der Kapazität von C B 12 Name: Datum: Festo Didactic GmbH & Co. KG

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