Elektrotechnik Schulprüfung vom 26. Januar 2008 Elektro-Sicherheitsberater/in E-SB

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1 Elektrotechnik Schulprüfung vom 26. Januar 2008 Elektro-Sicherheitsberater/in E-SB Kandidatennummer Name Vorname Maximale Punkte 100 Erreichte Punkte Note Datum Notenskala Bemerkung zur Prüfung: Notenskala nach Vorgabe Bearbeitungszeit 2 Stunden Erlaubte Hilfsmittel (Massstab, Zirkel, Schablone, Farbstifte, Bleistift, Taschenrechner, Formelsammlung ohne Aufgabenbeispiele) Werden bei der Aufgabe die Formel- und Einheitengleichung nicht geschrieben, werden entsprechende Abzuge gemacht. Für grafische Lösungen wird eine Abweichung von ± 5% toleriert. Unterschrift Experte 1 Punktebereich Note 100 bis bis bis bis bis bis bis bis bis bis Unterschrift Experte 2

2 Aufgabe/Seite Dreiphasenwechselstrom: Grundlagen - Motorenkenndaten Ein Motor mit nachfolgenden Daten ist an das 3x400V/50Hz - Netz in angeschlossen. a) (1) Wie gross ist die Drehzahl bei Halblast? b) (1) Lesen Sie den Wirkungsgrad des Motors bei ¾-Last aus der Grafik heraus? c) (3) Wie gross ist der Wirkfaktor, wenn bei Volllast eine Kondensatorbatterie von 200 µ F in Dreieck dazu geschaltet wird (grafische Unterstützung gefordert)? 5 cosϕ η 1,0 0,9 0,8 I 180 A 160 η n n min. 0,7 0,6 0, cosϕ I 0,4 0,3 0,2 0, ,0 60,0 kw Leistungsabgabe 5 4 L a s t P 2

3 Aufgabe/Seite 1-2 Q sinϕ 1,0 Bild ,9 0,8 0,7 0,6 cosϕ 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 P

4 Aufgabe/Seite Dreiphasenwechselstrom: Neutralleiterstrom Die Grösse der Kapazität ist für die untenstehende Schaltung zu bestimmen. Dabei soll der Neutralleiterstrom Null sein! Die Lösungsfindung muss grafisch unterstützt erfolgen. L 1 L 2 L R U = 3x400V / 230V f = 50 Hz R = 22Ω L = 72mH, ϕ = 65 L 5 L 3 C N ω U 12 U 1N U 3N U 31 U 23 Bild U 2N

5 Aufgabe/Seite 2-2

6 Aufgabe/Seite Leitungsberechnungen: Querschnittsbestimmung Ein Verbraucher wird wie skizziert über ein Kupferkabelan eine Transformatorenstation, mittels einer Rohranlage, angeschlossen. Der Spannungsabfall soll beim Verbraucher nicht grösser als 5% betragen. 5 Leiter- Querschnitt Strombelastung 100% in Ampère bei Verlegung der Kabel in mm 2 Erde Rohrblock Luft 16 Cu Cu Cu Cu Cu Cu Al Cu Al Cu Al Cu Al Cu Al Cu Al a) (2) Wie gross ist der Kabelquerschnitt zu wählen, wenn die Belastungstabelle verwendet wird? b) (3) Wie gross ist der Spannungsabfall beim Verbraucher mit dem Querschnitt aus der Tabelle in %? 3x400/230V A I Verbraucher Bild I = 230 A l = 250 m cos ϕ = 0,8 Länge

7 Aufgabe/Seite 3-2

8 Aufgabe/Seite Grundlagen: Spannungsabfall Erweitertes Fachwissen: Einphasentransformator Zur Beleuchtung einer Bauabschrankung sollen 15 Glühlampen 25W/36V verwendet werden. Der Anschluss an das Netz (230 V) kann in einer 60 m entfernten Baubaracke erfolgen ( ρ = 0,0175Ωmm / m ). Der Spannungsabfall soll 6% 2 nicht überschreiten. Es ist der theoretische Leiterquerschnitt zu berechnen: 10 a) (4) wenn der Einphasen-Transformator (Verluste vernachlässigt) 230/36V in der Baracke montiert ist, b) (4) wenn der gleiche Trafo bei der Abschrankung montiert wird! c) (2) Für die beiden Lösungsansätze ist eine Skizze zu erstellen. Baracke Bild m Cu Abschrankung

9 Aufgabe/Seite 4-2

10 Aufgabe/Seite Einphasenwechselstrom: Liniendiagramme und Widerstandsschaltungen Nachfolgend sind verschiedene Grafiken dargestellt. Ordnen Sie die entsprechende Schaltung den Liniendiagrammen zu (Spannung höhere Amplitude). a) b) 5 Prozentwerte [%] [%] P h a s e n w i i n k e l l [[ ]] Prozentwerte [%] [%] P h a s e n w i i n k e l l [[ ]] c) d) Proztentwerte [%] [%] P h a s e n w i i n k e l l [[ ]] Prozentwerte [%] [%] P h a s e n w i i n k e l l [[ ]] e) I TOT Prozentwerte [%] [%] P h a s e n w i i n k e l l [[ ]] ❶ ❸ 200V 50Hz Bild I TOT 200V 50Hz Bild Ω 100Ω 100Ω ❷ 100Ω I TOT 50Ω ❹ 100V 50Hz Bild I TOT 200V 50Hz Bild Ω 866Ω ❺ 200V 50Hz I TOT Bild Ω 1732Ω ❻ 50Ω I TOT 5Ω I 1 100V, 50Hz Bild Ω ❼ 200V 50Hz I TOT 500Ω Bild ❽ I TOT 50Ω 100V, 50Hz Bild

11 Aufgabe/Seite 5-2

12 Aufgabe/Seite Energieumwandlung: Erwärmen von Wasser Gesucht ist die notwendige Anschlussleistung, wenn 1 Liter Wasser ( ϑ = 20 C ) in einer Pfanne ohne Deckel in 6 min. auf 100 C erwärmt werden. Dabei verdampft 3 % des Wassers. 5 Spezifische Daten des Wassers: Wärmekapazität c W = 4,18 kj / kg C Verdampfungswärme r = LV = 2'256 kj / kg Schmelzwärme q = LS = 333,7 kj / kg Wasserdampf bei konstantem Druck c p = 1,88 kj / kg C.

14 Aufgabe/Seite Elektrisches Feld: Berechnungen an gemischter Kondensatorschaltung an Gleichspannung Gesucht ist C und U! Bild TOT 1 = 4 F C 2 C 3 C 1 C 4 C µ C 2 = 6 µf, Q 2 = 150 µ C C 4 µf 3 = U 4 = 15V 5

16 Aufgabe/Seite Energieumwandlung: Boileraufheizung Jede Nacht wird der Inhalt eines 160-Liter Boilers um 32 K erwärmt. Der η ist 90%. Die Anschlussleistung beträgt 1,6kW. Das EVU verrechnet pro kwh 22,5 Rp. 6 a) (2) Bestimmen Sie die Aufheizzeit. b) (2) Bestimmen Sie die Kosten für eine Aufheizung. c) (2) Wie lange dauert die Aufheizung, wenn 9% Unterspannung gemessen werden?

18 Aufgabe/Seite Elektromagnetische Induktion: Drehstromgenerator Magnetisches Feld: Grundlagen a) (3) Anhand der Skizze soll das Ankerfeld eingezeichnet werden. b) (2) Die Richtung der induzierten Spannung bzw. die Stromrichtung in der Statorwicklung einzeichnen (Rotor dreht im Uhrzeigersinn). c) (1) Die induzierte Spannung soll in der Skizze der nächsten Seite mit dem Gesetz von Lenz begründet werden. Gesetz der induzierten Spannung aufschreiben. Die Lorenzkraft soll in der Skizze eingezeichnet werden. 6

19 Aufgabe/Seite 9-2 Skizze mit Lorenzkraft, Gesetz von Lenz und zugehörige Formeln :

20 Aufgabe/Seite Dreiphasenwechselstrom: Kompensation mit grafischer Lösung Eine Werkstatt bezieht im Sommer eine Leistung von 50 kw bei einem cosϕ 1 von 0, 7. Am strengsten Wintertag muss eine Heizungsleistung von 60 kw zugeschaltet werden. Die Firma hat entschlossen eine neue Kompensationsanlage einzusetzen mit demselben cosϕ 2 der extremsten Winterlast. 6 Bestimmen Sie: a) (3) den cosϕ 2 mit Winterlast. b) (3) Wie goss müssen die -geschalteten Kompensations-Kondensatoren gewählt werden? I Länge A P cos ϕ Last Bild x400/230V P = 50 kw cos ϕ = 0,7 2 A = 50mm Q sinϕ 1,0 Bild ,9 0,8 0,7 0,6 cosϕ 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 P

22 Aufgabe/Seite Dreiphasenwechselstrom Polleiterstrom Gegeben sind drei Spulen von je 60 Phasenverschiebung und ein Kondensator mit 90 Phase. Alle Ströme sind 5 A stark. L 1 L a) (5) Der Strom in L3 soll grafisch bestimmt werden. b) (5) Auf der Nebenseite ist die Knotenregel des Zuleitungsstromes L3 darzustellen. Die Widerstände, Spannungen und Ströme sind in die Grafik einzuzeichnen. L 3 N ω U 12 U 1N U 3N U 31 U 23 Bild U 2N

23 Aufgabe/Seite 11-2 Darstellung der Knotenregel In der unteren Grafik ist die Knotenregel des Zuleitungsstromes L3 darzustellen. Die Widerstände, Spannungen und Ströme sind einzuzeichnen. 1 N 3 2 Bild 7.2.2

25 Aufgabe/Seite Dreiphasenwechselstrom: Polleiterstrom An einer Drehstromgruppe 3 x400 / 230V sind 90 FL Leuchten gleichmässig verteilt angeschlossen. Die Lampen haben 36 W und die Drosselspule 9 W. Der cos ϕ des Vorschaltgerätes wird mit 0, 85 angegeben. 5 a) (2) Wie gross ist der Neutralleiterstrom? b) (3) Wie gross ist der Polleiterstrom?

27 Aufgabe/Seite Elektrotechnische Grundlagen: Leistungsbestimmung In der nachfolgenden Schaltung sind alle Widerstände gleich gross ( P2 = 50W ). a) (3) Allgemeine Lösung: Wie vielmal grösser wäre die Leistung an R 2, wenn dieser an die Gesamtspannung angelegt würde? b) (3) Berechneter Wert der Leistung? 6 R2 R1 R3 Bild R4

29 Aufgabe/Seite Einphasenwechselstrom Schwingkreis: Gemischte Widerstands- Schaltung mit grafischer Unterstützung Anzeige auf dem analogen Messgerät U = 24V. Der Endausschlag des Messgerätes sei 30 V. Der Widerstand R MV des Messgreätes ist mit 40 Ω pro Volt angegeben. Die Resonanzfrequenz sei f R = 200 Hz. Die Güte Q des Parallelschwingkreises ist mit 5 angegeben. 10 a) (1) Wie gross ist der Strom im angeschlossenen Voltmeter? b) (2) Welchen Wert hat der ohmsche Widerstand der Schaltung (ohne Messgerät)? c) (1) Bestimmen Sie den cos ϕ der gesamten Schaltung. d) (1) Wie gross ist die Induktivität der idealen Spule. e) (1) Wie gross ist die Kapazität des Schwingkreises? f) (4) Alle Ströme und Spannungen sind in der nebenstehenden Grafik einzuzeichnen. A I V I MV I R R L C I = 35mA R MV = 1200Ω Bild

30 Aufgabe/Seite 14-2 Grafische Darstellung der Ströme der gegebenen Schaltung: Die Achsen sind zu beschriften und es sind geeignete Massstäbe für die Darstellungen zu wählen. 1,0 Bild ,9 0,8 0,7 0,6 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

31 Aufgabe/Seite Einphasenwechselstrom Liniendiagramm Gegeben ist die Messschaltung und das untenstehende Liniendiagramm in welchem die Spannung ( U ˆ = 325, 27V )und der Strom ( I ˆ = 2 10, 00 A )am Verbraucher gegeben ist. Folgende Werte sind zu bestimmen: 6 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 Scheinleistung des Verbrauchers? I A U V Z Amplitude Amplitude [ [ % ] ] Spannung Strom P h h a s s e n w i i n k k e l l [ [ ] ]

33 Aufgabe/Seite Elektrotechnische Grundlagen: Widerstandsschaltung Bei offenem Schalter ist I = 2 A. Wie gross ist der Strom I bei geschlossenem Schalter? a) (2) Richtiger Wert aufschreiben und doppelt unterstreichen sowie b) (3) Resultat kurz begründen! 5 a) 1 A b) 2 A c) 3 A d) 4 A e) 5 A f) 6 A R 1 S 1 R 2 R 3 R 4 R 5 R 1 = 50Ω R2 = 0, 2kΩ R = 1500Ω 3 R 4 = 300 Ω R = 1k Ω 5 I Bild Lösung : Begründung :