Elektrotechnik Schulprüfung vom 29. Januar 2011 Elektro-Sicherheitsberater/in

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1 Elektrotechnik Schulprüfung vom 29. Januar 2011 Elektro-Sicherheitsberater/in Kandidatennummer Name Vorname Maximale Punkte 100 Erreichte Punkte Note Datum Bemerkung zur Prüfung: Bearbeitungszeit 2 Stunden 100 Punkte gibt die Note 6 Die zu ereichenden Punkte (z.b. (2) 2 Punkt) sind bei der Aufgabenstellung vermerkt. Erlaubte Hilfsmittel (Massstab, Zirkel, Schablone, Farbstifte, Bleistift, Taschenrechner, Formelsammlung ohne Aufgabenbeispiele) Werden bei der Aufgabe die Formel- und Einheitengleichung nicht geschrieben, werden entsprechende Abzüge gemacht. Für grafische Lösungen wird eine Abweichung von ± 5% toleriert. Unterschrift Experte 1 Unterschrift Experte 2

2 Schulprüfung Elektrotechnik Aufgabe-Seite Elektrotechnik Grundlagen: Grundlegende Betrachtungen In den nachfolgenden Aufgaben sind Mehrfachnennungen möglich. Für jede vollständig richtig beantwortete Aufgabe a-j erhalten Sie je 0,5 Punkt. 5 a) (0,5) Die gebräuchliche Abkürzung für einen Heissleiter ist? VDR b) (0,5) Nimmt bei einem Bauelement mit steigender Temperatur auch der Widerstand zu, wird dieser dargestellt mit dem Symbol: NTC ZPA ϑ PTC VSE ϑ ϑ c) (0,5) Wie heisst der kleinste Baustein eines Grundstoffes, der noch dessen Eigenschaften besitzt? d) (0,5) Freie Elektronen ermöglichen in metallischen Werkstoffen den Stromtransport. Was ist richtig von den nachfolgenden Aussagen? Positives Ion Molekül Atom Sie sind die positiven Ladungsträger und damit für den Stromfluss verantwortlich Die freien Elektronen sind die negativen Ladungsträger Negatives Ion Sie sind die Hauptmasseträger des Atoms Valenz-Elektron Die Rekombinationsträger sind die freien Elektronen Die negativen Ladungsträger haben keine Masse e) (0,5) Die Phasenverschiebung zwischen grössten bei einer Frequenz von U T und I T ist am Bild zu Aufgabe e) 0,5 khz U T 1 khz 2 khz 5 khz T U R U L I R L 10 khz

3 Schulprüfung Elektrotechnik Aufgabe-Seite 1-2 f) (0,5) Welche der eingezeichneten Grössen ist die physikalische Stromgrösse (richtigen Buchstaben eintragen)? Der Strom I fliesst vom Pluspol zum Minuspol! Die freien Elektronen wandern vom Minuspol zum Pluspol! E Grafik zu Aufgabe f) I I A Die Eingangsspannung minus die Ausgangsspannung ist der Spannungsfall! Die Spannungsquelle ist die Ursache für das fliessen des elektrischen Stromes I! Die Ausgangsspannung durch den Ausgangswiderstand bestimmt den Strom! U 0 C U 1 D U 2 U R B U = U 1 U 2 g) (0,5) Was versteht man nicht unter Permeabilität? die Elektrische Feldkonstante h) (0,5) Die gesamte elektrische Ladung in einer Serieschaltung von Kondensatoren: ist gleich der Einzelladung die Dielektrizitätszahl ist gleich dem Produkt der Einzelladungen die Dielektrizitätskonstante die Durchlässigkeit von Materie für magnetische Felder ist gleich der Summe der Einzelleistungen ergibt sich aus der Differenz der Einzelladungen i) (0,5) Welche Kennlinien gehören nicht zu dem Bauelement mit einem Widerstandswert von 0, 5Ω? A I [A] 7 Bild zu Aufgabe i) A B B C C D 3 2 D 1 U[V] j) (0,5) Welche Pfeile wurden in der gegebenen Schaltung richtig gezeichnet? Der Spannungspfeil U Grafik zu Aufgabe j) I Die Spannung Der Strom I Die Spannung U R U i U i U 0 U R

4 Schulprüfung Elektrotechnik Aufgabe-Seite Gleichstrom: Drehspulmessgerät Ein Drehspulinstrument der Klasse 1,5 hat den Messbereich 0-600V. Ab welcher Spannung kann gemessen werden, wenn der maximal zulässige Messfehler ±2% des maximalen Messbereichs betragen darf? 4

5 Schulprüfung Elektrotechnik Aufgabe-Seite 2-2

6 Schulprüfung Elektrotechnik Aufgabe-Seite Elektrotechnik Grundlagen: Temperaturänderung am ohmschem Widerstand Eine Spule ist mit 100VDC versorgt. Im kalten Zustand (20 C) ist der Strom 0,5A und im warmen Zustand 0,45A (α=0,004 1/ C). Wie gross ist die Temperaturzunahme? 4

8 Schulprüfung Elektrotechnik Aufgabe-Seite Grundlagen Elektrotechnik Gemischte Schaltung Alle Widerstände sind gleich gross. Um wieviel verändert sich U 3, wenn der Schalter (S 1 ) geschlossen wird (U=12V)? 6 Wichtig: Jeder Berechnungsschritt muss in Formeln- und Wertegleichungen ersichtlich sein. Das Resultat zählt jeweils nur einen Punkt! a) in Volt? b) In Prozent? 1 I R R 2 U S 1 U 3 R 3

10 Schulprüfung Elektrotechnik Aufgabe-Seite Energieumwandlung: Pumpe eines Wasserreservoirs Zur Wasserversorgung eines Dorfes müssen pro Tag 300 m 3 Wasser 40 m hoch gepumpt werden. Welche Arbeit muss die Pumpe in kwh verrichten? Was kostet pro Jahr (18 Rp./kWh, 365Tage) das Pumpen ( η = 81,75% ) des Wassers? Welche Leistung muss der Motor der Pumpe aufweisen, wenn die Wassermenge in 8 Stunden in das Reservoir gepumpt werden muss? 6

12 0 0 Schulprüfung Elektrotechnik Aufgabe-Seite Einphasenwechselstrom: Liniendiagramme und Widerstandsschaltungen Amplituden lituden P h a s e n w i i n k k e l l [ [ ] ] Nachfolgend sind zu den verschiedenen Schaltungen die entsprechenden Ströme einzuzeichnen. (Spannung höhere Amplitude). Der Scheitelwert des Gesamtstromes soll 50% der Amplitude der Spannung betragen (Die Maximalwerte und die Nulldurchgänge sind mit Punkten exakt zu markieren). Die Phasenverschiebungswinkel sind anzugeben. 8 a) b) C 1 (2) I TOT (2) U 50Ω 100Ω 100Ω C 2 C 4 C Amplituden Amplituden P h a s e n w i i n k e l l [[ ]] P h a s e n w i i n k e l l [[ ]] c) d) (2) I TOT (2) I TOT 50Ω U 500Ω 866Ω U Amplituden P h a s e n w i i n k e l l [[ ]] Amplituden P h a s e n w i i n k e l l [[ ]]

14 Schulprüfung Elektrotechnik Aufgabe-Seite Deiphasenwechselstrom: Klemmenbrett Drehstrommotor Bestimmen Sie aus dem nachfolgenden Klemmenbrett a) (1) Motorenleistung (in W ), b) (1) Wirkleistung elektrisch, c) (1) Blindleistung, d) (1) Scheinleistung und e) (1) Wirkungsgrad des Motors in Prozent. f) (1) Zeichnen Sie massstäblich das Leistungsdreieck ( 1 cm = ˆ 500W ). Typ -MASTER 3 ~ Mot Nr V 4,5 A 2,2 kw cos ϕ 0, U/min 50 Hz Isol-Kl. B IP 44 6 Die Isolationsstoffklasse (Iso-Kl.) beschreibt die zulässige Dauertemperatur der Wicklungsisolation. Klasse B (130 C) entspricht dem Standard. Klasse F (155 C) ist bei umrichtergespiesenen Motoren empfehlenswert. Klasse H (180 C) ist nur in besonderen Fällen erforderlich.

16 Schulprüfung Elektrotechnik Aufgabe-Seite Elektrisches Feld: Kondensatorschaltung an Gleichspannung C 1 U 1 C 2 U 2 C 5 U C 6 C 3 C 4 U 3 U 4 U1 = 100V C 2, 5µ F 2 = Q 3 = 100µC U4 = 20V U5 = 50V C 5 = C 6 Q 1 = 400 µc Berechnen Sie an der gegebenen Schaltung: a) (1) C Tot b) (1) C 3 c) (1) C 4 d) (1) U 2 e) (1) U 3 f) (1) C 5 g) (1) U 7

18 Schulprüfung Elektrotechnik Aufgabe-Seite Energieumwandlung: Boileraufheizung Jede Nacht wird der Inhalt eines 300-Liter Boilers um 55 K erwärmt. Der Wirkungsgrad η ist 97%. Die Anschlussleistung beträgt 3 kw. Das EVU verrechnet pro kwh 22,5 Rp. 8 a) (2) Bestimmen Sie die Aufheizzeit. b) (2) Bestimmen Sie die Kosten für eine Aufheizung. c) (2) Wie lange dauert die Aufheizung, wenn 5% Überspannung gemessen werden? d) (2) Welche Leistung hat der Elektroboiler bei Überspannung?

20 Schulprüfung Elektrotechnik Aufgabe-Seite Elektromagnetische Induktion: Grundlagen - Generatorprinzip und Motorprinzip Die beiden weichmagnetischen Hufeisen werden durch Gleichströme erregt. a) (2) Bestimmen Sie die Polaritäten der magn. Pole am Hufeisen des Generators und des Motors (Nordpol = rote Farbe, Südpol = blaue Farbe). b) (2) Das Drahtstück des Generators wird wie vorgegeben mit Strom (Kreuz = rote Farbe) durchflossen. Bestimmen Sie die Ablenkungsrichtung des Drahtstücks. c) (1) Zeichnen Sie in den Verbindungdrähten (Hin- und Rückleitung) zwischen Generator und Motor die Stromrichtungen ein. d) (1) Tragen Sie die zwei bekannten Formeln für die Berechnung der induzierten Spannung unten in den Kästen ein. e) (2) Zeichnen Sie alle magnetischen Flussrichtungen (grüne Farbe) in der Skizze ein. f) (1) Die Ablenkungsrichtung der Motorschlaufe ist vorgegeben. Bestimmen Sie die Formel der Kraftwirkung sauf einen stromdurchflossenen Leiter (Kreuz, Punkt = rote Farbe ) unten im Kasten eintragen. g) (1) Welche Stromrichtung im Rotor ist aus der Situation zu erwarten und welche Polarität (elektrisch) hat die Statorwicklung des Motors. 10 F L Formel der induzierten Spannung mit Einbezug der Induktion B Formel der Kraftwirkung auf den stromdurchflossenen Leiter mit Einbezug der Induktion B Formel der induzierten Spannung mit Einbezug der Flussänderung Φ

22 Schulprüfung Elektrotechnik Aufgabe-Seite Dreiphasenwechselstrom: Grafische Stromaddition, Neutralleiterstrom Die Theaterbeleuchtung eines Bühnenhauses wird auf die drei Polleiter 3x400 /230V verteilt. Mit dem Zangen-Amperemeter werden folgende Ströme bei Vollast gemessen: I1 = 17A, I 2 = 14A und I N = 5, 45 A. 6 Skizze: Bestimmen Sie: L1 L2 A A A R 1N R 2N a) (2) den Anschlusswert der einzelnen Verbraucher und der Gesamtanlage. b) (2) den Zuleitungsstrom I 3 c) (2) den Ausgleichsstrom im Neutralleiter, wenn der Verbraucher R 3 defekt ist. N R 3N A Massstab =ˆ ω U 12 U 1N U 3N U 31 U 23 U 2N

23 Schulprüfung Elektrotechnik Aufgabe-Seite 11-2 Hilfsmittel zu Aufgabe c: U 12 ω U 1N U 3N U 31 U 23 U 2N

24 Schulprüfung Elektrotechnik Aufgabe-Seite Dreiphasenwechselstrom: Spannungsfall, Leitungslänge Die Planungsgrundsätze raten, dass der Spannungsfall in den Wärme- Gruppen- Leitungen (Kochherd, Boiler) im 3x400-V-Netz, 3% nicht überschreiten soll. 4 Welchen maximale Leitungslängen entspricht dies bei der Maximalbelastung (Beilage 1; Verlegeart A2) bei einem Querschnitt von 2,5 mm 2.

26 Schulprüfung Elektrotechnik Aufgabe-Seite Einphasenwechselstrom: Transformatorenberechnung Die beiden Spulen eines Transformators haben 2250 bzw. 90 Windungen. Machen Sie jeweils bei Aufgabe a) und d) die notwendigen Skizzen mit allen technischen Angaben! 9 a) (3) Welche Spannung misst man an den Anschlüssen der einen Spule, wenn die jeweils andere als Primärspule verwendet und an eine Steckdose (U=230V) angeschlossen wird? b) (2) Die in a) berechneten Spannungen sind alles Effektivwerte. Berechne jeweils die zugehörigen Scheitelwerte der sinusförmigen Wechselspannungen. c) (2) Welche Spannung misst man an den Anschlüssen der 2250-Windungen- Spule, wenn die andere Spule an eine 12V-Autobatterie angeschlossen wird? d) (2) Die Spule mit 2250 Windungen wird als Primärspule verwendet und an eine Steckdose angeschlossen. Durch eine an die Sekundärspule angeschlossene Glühlampe fließt ein Strom der Stärke 850 ma. Welche Stromstärke fließt in der Primärspule, wenn die durch den Transformator verursachten Verluste vernachlässigbar klein sind?

28 Schulprüfung Elektrotechnik Aufgabe-Seite Einphasenwechselstrom: Widerstandsschaltung Zu einer Spule, Reihenschaltung aus R L =40 Ω und L=0,8 H, ist ein Kondensator mit C=10 µf, parallel geschaltet. Die Schaltung liegt an 400 V / 50 Hz. 6 Von dieser Schaltung sind folgende Grössen zu berechnen: a) Teilströme und Gesamtstrom. b) cosϕ der Spule. c) cosϕ der Schaltung.

30 Schulprüfung Elektrotechnik Aufgabe-Seite Dreiphasenwechselstrom: Liniendiagramm der Phasenwerte Gegeben ist die Messschaltung des Drehstromverbrauchers an einem Strang (siehe untenstehendes Liniendiagramm) in welchem die Strangspannung ( Uˆ = 325, 27V ) und der Zuleitungsstrom ( Iˆ = 14, 142A ) am Verbraucher gegeben ist. L1 U Str I V A Z 5 N Folgende Werte sind zu bestimmen: a) (1) Welchen Wert zeigt das Ampere-Meter an? b) (2) Der cos ϕ des Verbrauchers soll bestimmt werden? c) (2) Wie gross ist die Wirkleistung eines Stranges? Spannung Strom P h a s s e n w i i n k k e l l [ [ ] ]

32 Schulprüfung Elektrotechnik Aufgabe-Seite Dreiphasewechselstrom Einzelkompensation an Kurzschlussankermotor Bei einem Drehstrom-Kurzschlussankermotor U=3x400 V, f=50 Hz, P1 = 4 kw, cos ϕ = 0,8,, werden drei Kondensatoren mit je 1 kvar ( -geschaltet) zur Kompensation parallel an die Motorenklemmen angeschlossen. 6 Welcher Strom fliesst mit der Kompensation in der Zuleitung?

34 Schulprüfung Elektrotechnik Beilage 1 Strombelastbarkeit bzw. Wahl des Anschlussüberstromunterbrechers nach NIN Tabelle und für Verlegearten nach NIN Tabelle , PVC-Isolierung, drei belastete Kupferleiter mit einer Leitertemperatur von 70 C und einer Umgebungstemperatur von 30 C. A1 A2 B1 B2 C C (in Wärmedämmung) Maximaler Anschlussüberstromunterbrecher nach Verlegeart (in Beton) (auf Wand) Polleiter L1-L2-L3 PEN- Leiter Hauszuleitung Schutzleiter Hauszuleitung Erdungsleiter Leistungsund Lichtstromkreise Neutralleiter Hauptpotentialausgleichsleiter HPA-Leiter mit Verbindung zur Blitzschutz- Anlage [A] [A] [A] [mm 2 ] [mm 2 ] [mm 2 ] [mm 2 ] [mm 2 ] [mm 2 ] [mm 2 ] A1 A2 B1 B2 C ,5 1,5 1, ,5 2,5 2, ) 5) 5) 3) 2) 1) 1) 50% des Hauptschutzleiters, aber mindestens 6mm 2 und nicht grösser als 25mm 2 2) 16mm 2 ist der kleinste und 50mm 2 der grösste Querschnitt, ansonsten gleich wie der Schutzleiter 3) Schutzleiter 16 Querschnitt wie Polleiter, 16mm 2 für Querschnitte 35mm 2, Halber Polleiterquerschnitt ab 50mm 2. Der Schutzleiterquerschnitt muss mit Rechnung nachgewiesen werden. 4) Mindestquerschnitt für PEN-Leiter 10mm 2 oder bei Konzentrischem Kabel 4mm 2 5) Bemessung von PEN- und Neutralleiter wie Polleiter. Reduktion des Querschnittes nur zulässig, wenn halber Polleiterstrom vorhanden