Abhängigkeit auf. Nennen Sie und begründen Sie die Leistungsanteile ( P, Q, S ).

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1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN LÖSUNGSSATZ INDUKTION, EINPHASEN-WECHSELSTROM REPETITIONEN 0 Von welchen elektrischen Grössen hängt die zu erzeugende Wechselspannung und die Frequenz ab? 0 Was heisst Maximalwert, Effektivwert und Momentanwert? Zeigen Sie ihre berechnungsmässige und aussehensmässige Abhängigkeit auf. 03 Erklären Sie die Strom- und Spannungsverhalten der drei Verbraucherarten am Wechselspannungsnetz! 04 Am Gleichspannungsnetz heisst die Leistungsberechnung P U I [W ]. Nennen Sie und begründen Sie die Leistungsanteile am Wechselspannungsnetz ( P, Q, S ).

2 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN LÖSUNGSSATZ INDUKTION, EINPHASEN-WECHSELSTROM REPETITIONEN 0 Was versteht man unter dem Begriff Selbstinduktion? Der sich ändernde Strom in der Spule erzeugt eine Selbstinduktionsspannung die der eigenen Stromänderung entgegenwirkt und demzufolge der Netzspannung entgegenwirkt. Diese Selbstinduktionsspannung bewirkt in der Spule das nacheilen des Stromes. 0 Welche Auswirkungen hat die Selbstinduktion beim Einschalten des Stromkreises? Der Strom steigt verzögert an. 03 Welche Bedeutung hat die Induktivität und welches ist ihre Einheit? Die Spulendaten werden in der Induktivität ausgedrückt. L N µ r A l µ 0 m Die Einheit ist [ H ] Vs A 03 Wovon ist die Grösse der Induktivität abhängig? Die Spulendaten werden in der Induktivität ausgedrückt. Die Grössen sind: - Windungszahl - Permeabilität, Material - Querschnitt der Spule - Länge der Feldlinien bzw. magnetischer Flussweg

3 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN LÖSUNGSSATZ INDUKTION, EINPHASEN-WECHSELSTROM REPETITIONEN 04 Was passiert, wenn man eine gleichstromdurchflossene Spule mit Eisenkern abschaltet? Hohe Selbstinduktionsspannung 05 Wozu dient die Diode im skizzierten Kreis? Welche anderen Massnahmen würde den gleichen Zweck erfüllen? Beim Ausschalten des Stromkreises wird die Induktionsspannung und damit das Magnetfeld über die Diode abgebaut. + Kurzschliessen der Spule beim öffnen des Schalters über Umschaltkontakt. 06 Was versteht man unter einer bifilaren Wicklung und wozu dient sie? Die bifilare Wicklung ist eine gegenläufig gewickelte Spule. Mit diese Anordnung kann eine Spule induktionsarm aufgebaut werden. 07 In einem Gleichstrommotor bewegt sich ein Ankerleiter von 0,5 m Länge mit einer Geschwindigkeit von 35 m/s durch ein Magnetfeld von 0,85 T. Welche Selbstinduktionsspannung wird in den Leiter induziert. u i B l v Vs m u i 0,85 0,5 m 35 m s u i 4, 875V

4 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN LÖSUNGSSATZ INDUKTION, EINPHASEN-WECHSELSTROM REPETITIONEN 30 Wie sind Drosselspulen im Prinzip aufgebaut? Drosselspulen sind Spulen mit Eisenkern, also wie normale Spulen aufgebaut. 30 Wie verhält sich eine Drosselspule gegenüber Gleichstrom? Drosselspulen sind gegenüber Gleichstrom, wie ein ohmscher Widerstand. 303 Wird eine Drosselspule mit H an 48 V Gleichspannung angeschlossen, fliesst ein Strom von 4,5 A. Wie ändert er, wenn die Spule an eine gleich grosse Wechselspannung 50 Hz angeschlossen wird? U 48V R 0,67Ω I 4,5A X L π f L X L π 50Hz H 34,Ω U 48V I 0,57 A Z 34,34Ω Z Z L Z L R + X L L (0,67Ω) 34, 34Ω + (34,Ω) 304 Wie heissen die drei Widerstände, die bei einer Drosselspule unterschieden werden? - Impedanz - Ohmscher Widerstand - Induktiver Blindwiderstand, Reaktanz

5 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN LÖSUNGSSATZ INDUKTION, EINPHASEN-WECHSELSTROM REPETITIONEN 305 Welcher Widerstand in der Drosselspule ist für die Erwärmung der Spule verantwortlich? Der ohmsche Widerstand erwärmt die Drosselspule. 306 Wovon ist der induktive Blindwiderstand abhängig? Von den Spulendaten, also von der Induktivität und von der Frequenz. X L π f L 307 Wie ändert der induktive Blindwiderstand, wenn die Frequenz zunimmt? Der induktive Blindwiderstand wird grösser. 308 Wie heisst der Widerstand, der aus ohmschem und induktivem Widerstand zusammengesetzt ist? Impedanz

6 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN LÖSUNGSSATZ INDUKTION, EINPHASEN-WECHSELSTROM REPETITIONEN 30 Eine Spule hat eine Induktivität von H. Es fliesst ein Strom von A. Wie gross ist ihr induktiver Widerstand bei einer Frequenz von 50 Hz und welche Blindleistung tritt auf? X L π f L X L π 50Hz H 34,Ω QL I X L Q L (A) 34, Ω Q L 444, 3VAr 30 Welcher Zusammenhang besteht zwischen Schei-, Wirk- und Blindwiderstand? Z R + X Z X L ϕ R 3 Zeichnen Sie das Vektordiagramm das den Zusammenhang zwischen Schei-, Wirk- und Blindwiderstand darstellt! Z X L ϕ R Z R + X 3 Eine Drosselspule hat einen ohmschen Widerstand von 5 Ω und bei einer bestimmten Frequenz einen Blindwiderstand von 45 Ω. Zeichnen Sie das Widerstandsdreieck und tragen Sie den Winkel ϕ ein. Wie gross wird der cos ϕ? Z ϕ R X L Z Z R + X (5Ω) + (45Ω) Z 3, 8Ω R 5Ω cos ϕ 0,40 Z 3,8Ω

7 0 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN LÖSUNGSSATZ INDUKTION, EINPHASEN-WECHSELSTROM REPETITIONEN 33 Welche Phasenverschiebung ergibt sich, wenn X gegenüber R sehr gross ist? L Es ergibt sich eine Phaseverschiebung von annähernd 0. Der Strom eilt der Spannung um annähernd 0 nach. 34 Ist der Strom in einer Drosselspule vor- oder nacheilend? Der Strom eilt der Spannung bei einer idealen Spule um 0 nach Welche Gesamtinduktivität ergibt sich bei seriegeschalteten Drosselspulen? Bei nicht gekoppelten Drosselspulen können die Induktivitäten addiert werden. L L + L + L Tot 3 L n 36 Wie ergibt sich der induktive Gesamtwiderstand parallel geschalteter Drosselspulen, wenn ihr ohmscher Widerstand vernachlässigt wird? Die Gesamtinduktivität wird wie parallelgeschaltete Widerstände berechnet: L L + L + L Tot 3 L n

8 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN LÖSUNGSSATZ INDUKTION, EINPHASEN-WECHSELSTROM REPETITIONEN 37 Welchen Vorteil hat die Drosselspule als Vorwiderstand im Wechselstromkreis gegenüber einem ohmschen Widerstand? Die Strombegrenzung wird mit einem geringen Leistungsverlust erreicht. 38 Wie kann der induktive Widerstand angepasst, d.h. reguliert werden? - Frequenz - Eisen, Luftspalt - Windungszahl beeinflusst auch den ohmschen Widerstand 3 Eine Drosselspule hat 5 Ω Widerstand und eine Induktivität von 0,H. Sie wird an 30V / 50 Hz angeschlossen. Bestimmen Sie: a) die Kreisfrequenz b) den induktiven Widerstand c) den Scheinwiderstand d) die Stromstärke e) die Phasenverschiebung zwischen U und I f) die Selbstinduktionsspannung g) die Blindleistung

9 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN LÖSUNGSSATZ INDUKTION, EINPHASEN-WECHSELSTROM REPETITIONEN 30 Wozu werden Drosselspulen verwendet? - Strombegrenzung - Zündspannung von FL 3 Was verstehen Sie unter der Induktion der Bewegung? Spannungserzeugung mit Generatoren. 3 Wie bezeichnet man die Induktion bei den Transformatoren auch noch? Induktion der Ruhe 33 Wie lauten die Übersetzungen beim Transformator? U U I I N N N N ü S S

10 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN LÖSUNGSSATZ INDUKTION, EINPHASEN-WECHSELSTROM REPETITIONEN 34 Wie lautet die Transformatorenformel? U 4,44 AFe Bˆ f N 35 Wie viel Strom fliesst auf der Sekundärseite, wenn der Stromwandler mit 0/5 A bezeichnet ist und der aktuelle Primärstrom 60 A beträgt.,5 A 36 Wo werden Spannungswandler hauptsächlich eingesetzt? Bei der Energiemessung in Hochspannungsanlagen. 37 Warum werden Stromwandler in Niederspannungsanlagen hauptsächlich eingesetzt? Bei der Energiemessung zum Messen grosser Ströme.

11 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN LÖSUNGSSATZ INDUKTION, EINPHASEN-WECHSELSTROM REPETITIONEN 38 Welche Sekundären Nennwerte werden bei Mess-Wandlern für die Energiemessung normalerweise transformiert, bei: a) 00 V b) A, 5 A a) Spannungswandlern b) Stromwandlern 3 a) Welche maximale Leistung haben Strom- und Spannungswandler? b) Wie werden Die Messwandler auch noch bezeichnet? a) <00 VA b) Präzisionstransformatoren, Messtransformatoren 330 Darf man den Sekundärstromkreis von Stromwandlern im Betrieb öffnen? Begründen Sie Ihre. Nein. Der Sekundärstromkreis muss vorgängig geerdet werden. Unzulässige Spannungserhöhungen führen zur Überhitzung des Eisenkerns. 33 Warum wird die Sekundärseite der Mess- Wandler geerdet? Damit ein Durchschlag von der Primär- zur Sekundärwicklung keinen Personen- oder Sachschaden verursachen kann.

12 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN LÖSUNGSSATZ INDUKTION, EINPHASEN-WECHSELSTROM REPETITIONEN 33 Was ist die Bürde eines Messwandlers? Bemessungsbürde Zn (früher Nennbürde) Die Bürde ist der Scheinwiderstand der sekundär angeschlossenen Geräte, einschließlich der Zuleitungen. Die Bemessungsbürde ist die Bürde, auf welche die festgelegten Bestimmungen über die Fehlergrenzen bezogen sind. Die Bürde wird üblicherweise als Scheinleistung in VA angegeben. 333 Was ist ein Summenstromwandler? Summenstromwandler ermöglichen die Summierung mehrer synchroner Wechselströme gleicher Phasenlage, jedoch unterschiedlicher Lastphasenverschiebung. Ebenfalls ist die Summierung von Strömen bei unterschiedlichen Nennspannungen gleicher Phasenlage möglich. Diese Messungen können jedoch nicht für Verrechnungszwecke genutzt werden, da die vorhanden Spannungsdifferenzen voll als Fehler in die Messung eingehen. 334 Was ist der Vorteil von Durchfädelwandlern? Durchfädel - Stromwandler können bei kleinen Strömen (< 50A) eine preiswerte Alternative sein. Bei der Übersetzung kleiner Ströme kann eine Kostenersparnis erzielt werden, indem man den Primärleiter mehrmals durch die Primärschienen-Durchführung gewickelt (gefädelt) wird. Z.B. entsteht aus einem Aufsteckwandler 50/5A durch dreimaliges fädeln des Primärleiters ein Stromwandler mit der Übersetzung 50/5A. 335 Wie gross ist die Bemessungsübersetzung des vorhandenen Stromwandlers? Die Bemessungsübersetzung ist das Verhältnis des Primär - Nennstromes zum Sekundär - Nennstrom. Die Nennübersetzung wird auf dem Leistungsschild (Typenschild) als ungekürzter Bruch angegeben. (Beispiel: A 300/5) Bemessungsübersetzung ist auch das Verhältnis der Primärwicklung : Sekundärwicklung. Im Regelfall ist die Primärwicklung.

13 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN LÖSUNGSSATZ INDUKTION, EINPHASEN-WECHSELSTROM REPETITIONEN 336 Was bedeutet die Güteklasse bei Messwandlern? Messwandler gehören zur Gruppe elektrischer Messgeräte. Die Güteklasse oder auch Genauigkeitsklasse ist eine Klasse von Messgeräten, die vorgegebene messtechnische Forderungen erfüllen, so dass Messabweichungen dieser Messgeräte innerhalb der festgelegten Grenze bleiben. Z.B. 0,5% Messfehler des Angegebenen Sekundären Messtromes. 337 Was wird an der Sekundärwicklung eines Stromwandlers angeschlossen? - Amperemeter - Stromspule Wattmeter und/oder Zähler - Schutzrelais - Schutzgeräte 338 Bezeichnen Sie an einem Transformator alle Teile und Grössen (Machen Sie eine Skizze eines Einphasentransformators). I I U U N N Primär Sekundär 33 Was versteht man unter dem Wirkwiderstand einer Spule? Es ist der elektrische Widerstand des Wicklungsdrahtes. R ρ [ Ω ] l A d m di + da ρ π N R A d i d a

14 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN LÖSUNGSSATZ INDUKTION, EINPHASEN-WECHSELSTROM REPETITIONEN 340 Was versteht man unter den Begriff Selbstinduktion? Die Veränderung des Eigenfeldes verursacht in der Spule eine Selbstinduktion. u L I s ± t Die Selbstinduktionsspannung ist stets so gerichtet, dass sie der Änderung des Stromes entgegenwirkt. 34 Wie wird die induzierte Spannung berechnet? ui ± N Φ t

15 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN LÖSUNGSSATZ INDUKTION, EINPHASEN-WECHSELSTROM REPETITIONEN 40 Welches Prinzip liegt dem Wechselstromgenerator zu Grunde? Induktion der Bewegung 40 Welche Form weist die erzeugte Wechselspannung, bzw. der entstehende Strom auf? Sinusform [%] Uˆ U i α [ ] [%] -3. T f [ ] Periodendauer 403 Was verseht man unter der Frequenz eines Wechselstromes und welches ist ihre Einheit? Die Frequenz des Netzes bzw. einer Wechselspannung sagt aus, wie oft sich die Richtung des Stromes in der Sekunde ändert. Die Einheit ist [Hz]. 404 Von welchen Grössen ist die Frequenz des erzeugten Wechselstromes abhängig? Die Frequenz f des Netzes ist von der Drehzahl n und der Polzahl p des Generators abhängig. n p f. 0

16 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN LÖSUNGSSATZ INDUKTION, EINPHASEN-WECHSELSTROM REPETITIONEN 404 Ein Wechselstromgenerator 50 Hz hat Pole. Wie gross ist seine Drehzahl? f 0 n p 50Hz 0 n 500 min 405 Wie heisst der cos ϕ auch noch? - Leistungsfaktor - Wirkfaktor 406 Wie heissen die angedeuteten Spannungsund Zeitwerte? [%] [%] -3. D E [ ] Bild.0.0 α [ ] A B C [%] [%] -3. Halbwelle U eff Periodendauer Uˆ [ ] U P Bild.0.0 t [ms] α [ ] 407 Welche Bedeutung hat der Effektivwert eines Wechselstromes? Der Effektivwert einer Sinusgrösse gibt an, welche identische Leistung bei Gleichstrom erzeugt wird. Aus oben genanntem Grund müssen die Messgeräte den Effektivwert anzeigen.

17 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN LÖSUNGSSATZ INDUKTION, EINPHASEN-WECHSELSTROM REPETITIONEN 408 Welche Bedeutung hat der Effektivwert eines Wechselstromes? Der Effektivwert einer Sinusgrösse gibt an, welche identische Leistung bei Gleichstrom erzeugt wird. Aus oben genanntem Grund müssen die Messgeräte den Effektivwert anzeigen. 40 Welcher Zusammenhang besteht zwischen dem Effektivwert und dem Maximalwert desselben sinusförmigen Wechselstromes? Uˆ U 40 Aus welchen Angaben lässt sich die Scheinleistung einer Spule berechnen? Zeichnen Sie das Leistungsdreieck auf! S U I S P + S P S, S cosϕ Q sinϕ S Q L ϕ P 4 (ET0-A) Ist der Strom bei einem induktiven Verbraucher vor- oder nacheilend? Machen Sie eine Skizze mit den Liniendiagrammen für Strom und Spannung. Nacheilend (Strom kleinere Amplitude)!

18 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN LÖSUNGSSATZ INDUKTION, EINPHASEN-WECHSELSTROM REPETITIONEN 50 Wovon ist die Wechselstromleistung abhängig? - Strom - Spannung - Leistungsfaktor P U I cosϕ 50 Was versteht man unter dem Leistungsfaktor? Der Leistungsfaktor sagt aus, welcher Wirkanteil die Schaltung gegenüber dem Scheinanteil besitzt. 503 Wie berechnet sich allgemein die Leistung in einem Wechselstromkreis? P U I cosϕ 504 Was versteht man unter einem induktionsfreien Verbraucher bzw. unter einem induktionsfreien Stromkreis? Im Stromkreis sind keine Spulen vorhanden. Es wird keine induktive Blindleistung verbraucht. Es sind nur ohmsche oder Kapazitive Verbraucher vorhanden. Es ist eine Spule mit bifilarer Wicklung.

19 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN LÖSUNGSSATZ INDUKTION, EINPHASEN-WECHSELSTROM REPETITIONEN 505 Nennen Sie die bekannten induktionsfreien Verbraucher. - Glühlampen - Heizungen - Kondensatoren 506 Durch eine Glühlampe fliesst bei Anschluss an 30V und 50Hz ein Strom von 0,435A. Wie gross ist die aufgenommene Leistung? P U I P 30 V 0, 435A P 00, 05W 507 Durch eine Glühlampe fliesst bei Anschluss an 30V und 50Hz ein Strom von 0,435A. Wie gross ist die aufgenommene Leistung? P U I P 30 V 0, 435A P 00, 05W 508 Zählen Sie die bekannten induktiven Verbraucher auf. - Motoren - Drosselspulen - Induktionskochherd

20 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN LÖSUNGSSATZ INDUKTION, EINPHASEN-WECHSELSTROM REPETITIONEN 50 Warum kann in einem induktiven Kreis die Leistung nicht mehr aus dem Produkt der Effektivwerte von Strom und Spannung bestimmt werden? Weil Blindleistung verbraucht wird und dies mit dem Wirkverbrauch zu einer Phasenverschiebung ( cos ϕ ) von Spannung und Strom führt. P U I cosϕ

21 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN LÖSUNGSSATZ INDUKTION, EINPHASEN-WECHSELSTROM REPETITIONEN 60 Was versteht man unter dem elektrischen Feld? + - Bild Der Begriff des elektrischen Feldes bezeichnet in der Elektrostatik und in der Elektrodynamik einen Zustand des Raumes, der von den vorhandenen elektrischen Ladungen und von der zeitlichen Änderung des magnetischen Feldes verursacht wird. 60 Was drückt die elektrische Feldstärke aus? Die Feldstärke ist ein Maß für die Fähigkeit eines physikalischen Feldes, eine Kraft auf einen Körper auszuüben, der eine Eigenschaft besitzt, auf die das Feld wirken kann. Eine Feldstärke ist somit als Kraft pro Ladung definiert. E F N V Q As m 603 Wie ist ein Kondensator im Prinzip aufgebaut? - Zwei Platten - Dielektrikum d A Bild Dielektrikum ε ε 0 ε r 604 Wovon ist die Grösse der in einem Kondensator gespeicherten Ladung abhängig? - Kapazität - Aufbau des Kondensators ε r A C 0 ε d - Angelegte Spannung Q U C

22 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN LÖSUNGSSATZ INDUKTION, EINPHASEN-WECHSELSTROM REPETITIONEN 605 Was versteht man unter der Kapazität und welches ist ihre Einheit? Farad As [F] V Welches Fassungsvermögen bzw. Ladungsvermögen der Kondensator aufweist. C Q U 606 Was stellt die Einheit der Kapazität dar? Farad As [F] V Welches Fassungsvermögen bzw. Ladungsvermögen pro angelegtes Spannungspotential möglich ist. 607 Ein Stosskondensator 0, µ F liegt an einer Gleichspannung von 00 KV. Wie gross ist die gespeicherte Energie? C U W 0, µ F (00 0 W W 000 J 3 V ) 608 Ein Stosskondensator 0, µ F liegt an einer Gleichspannung von 00 KV. Er wird in 00 µs entladen. Welche Leistung wird dabei umgesetzt? W P t 000 J P s P 0 MW

23 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN LÖSUNGSSATZ INDUKTION, EINPHASEN-WECHSELSTROM REPETITIONEN 60 Wovon ist die Kapazität eines Kondensators abhängig? Aufbau des Kondensators ε r A C 0 ε d Dielektrikum Plattenfläche Plattenabstand 60 Welche Bedeutung hat die Dielektrizitätszahl? Die Dielektrizitätszahl sagt aus, wie viel grösser das Fassungsvermögen eines Kondensators wird mit dem eingesetzten Dielektrikum bzw. der eingebrachten Materie zwischen die zwei Platten. 6 Wie verhält sich der Kondensator bei Gleichstrom und wie bei Wechselstrom? Gleichstrom Der Kondensator sperrt Gleichstrom nach dem Ladevorgang. Wechselstrom Der Kondensator bzw. der Widerstand wird mit zunehmender Frequenz kleiner. 6 Wieso darf ein polarisierter Elektrolytkondensator nicht an Wechselspannung angeschlossen werden? Der Kondensator bzw. seine Kapazität wird zerstört.

24 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN LÖSUNGSSATZ INDUKTION, EINPHASEN-WECHSELSTROM REPETITIONEN 63 Wie verhalten sich Strom- und Spannung bei einem Kondensator an Wechselspannung zueinander? Der Strom eilt der Spannung annähernd um 0 voraus. 64 Wovon ist der kapazitive Widerstand eines Kondensators abhängig? X C π f C Der Widerstand wir durch den Kondensatoraufbau und die vorhandene Frequenz beeinflusst. 66 Ein Kondensator mit 0,µ F liegt an einer Wechselspannung 50Hz. Welchen kapazitiven Widerstand stellt er dar? X C π f C π 50 Hz 0, 0 F 3' 83Ω X C 6 X C X C 3, 83 kω 67 Wie ergibt sich die Gesamtkapazität seriegeschalteter Kondensatoren und wie gross wird der resultierende kapazitive Widerstand? Serie geschaltete Kondensatoren verhalten sich wie parallele ohmsche Widerstände C C C C Tot 3 C n Die Gesamtkapazität wird kleiner, also der kapazitive Blindwiderstand wird demzufolge grosser. X C f C π

25 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN LÖSUNGSSATZ INDUKTION, EINPHASEN-WECHSELSTROM REPETITIONEN 68 Wie verteilt sich die an einer Serieschaltung von Kondensatoren liegende Spannung auf die einzelnen Kondensatoren? An der kleineren Kapazität ist die grössere Spannung. Je grösser die Kapazität je kleiner die Spannung. X C π f C Q U C 6 Drei parallele Kondensatoren haben eine Gesamtkapazität von 5 µ F. Zwei Kondensatoren sind gleich gross und haben eine Kapazität von je 4,5µ F. Wie gross ist der der dritte Kondensator? 6 µf