Humboldt-Universität zu Berlin Institut Für Informatik. Transport und Verkehr. Arten von Elektromotoren. Unterrichtsentwurf

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1 Humboldt-Universität zu Berlin Institut Für Informatik Transport und Verkehr Arten von Elektromotoren Unterrichtsentwurf

2 1. Unterrichtsvoraussetzungen 1.1 Angaben zur Klasse Die Klasse 10a setzt sich aus 14 Schülerinnen und 10 Schülern zusammen, zukünftig als Schüler bezeichnet. 5 Schüler besitzen ein gutes bis sehr gutes Leistungsvermögen, sie haben keine Probleme den Unterrichtsthemen zu folgen. Drei dieser Schüler wirken besonders durch ihre seit dem Schuljahresbeginn gestiegenen Leistungen positiv auf das Lernklima in der Klasse. Dennoch zeigen nicht alle Schüler eine positive Leistungsentwicklung, mehrheitlich fehlt noch die Bereitschaft zu konzentrierter Lernarbeit. Das Fach Technik wird von vielen Schülern als unnötig angesehen. Es fehlt an Wissen aus den naturwissenschaftlichen Fächern wie Mathematik und Physik. Besonders auffällig sind vier Schüler. Ohne ständige Kontrolle ihrer Unterrichtsarbeit wirken sie störend auf die Klasse ein. Diese vier Schüler haben einen enormen Einfluss auf das Gruppenleben in der Klasse, Sichtbar wird dieser Einfluss insbesondere in den Pausen durch ihr forderndes und lautstarkes Verhalten gegenüber Mitschülern. 1.2 Angaben zum Lehrer Nach meinem erfolgreichen Studienabschluss zum Diplomlehrer für Polytechnik am an der Humboldt Universität zu Berlin, bin ich seit dem als Umweltingenieur bei der Allianz Versicherungs-Aktiengesellschaft beschäftigt erfolgte im Abendstudium die Qualifikation zur Industriefachkraft Betrieblicher Umweltschutz absolvierte ich erfolgreich ein Fernstudium an der TFH Wildau zum Diplom Wirtschaftsingenieur (FH). Momentan bin ich für mein Studium des L2 Lehramtes Arbeitslehre/Technik und Informatik vom Dienst bei der Allianz freigestellt. Neben meiner einjährigen Unterrichtstätigkeit von an der Puschkin Gesamtschule Neuenhagen und dem Einstein-Gymnasium Neuenhagen habe ich bei der Allianz Versicherungs Aktiengesellschaft die Auszubildendenden der Jahrgänge in den Fächern Betriebliches Rechnungswesen und Haftpflichtversicherung unterrichtet. 2

3 1.3 Technische Bedingungen Der Unterricht findet in der dritten und vierten Stunde im Elektrotechnikkabinett statt. Die Ausstattung mit Unterrichtsmitteln ist sehr gut. Es existieren zwei Overheadprojektoren, eine Kreidetafel, Videotechnik und eine Schalttafel. Material für Demonstrationen und Experimente, auch Schülerexperimente sind in ausreichender Anzahl und funktionsfähigem Zustand vorhanden. Alle Installationen und Labortische wurden im Elektrotechnikkabinett vor drei Jahren erneuert. 1.4 Stellung der Stunde im weiteren Unterricht Die Unterrichtsstunde findet im Rahmen des Themenfeldes Infrastrukturen in den 10. Klassen an Realschulen in Berlin/Brandenburg statt. Das Themenfeld Infrastrukturen gliedert sich in die Bereiche Information und Kommunikation, Transport und Verkehr sowie Energie. Ein Bereich soll im Pflichtunterricht behandelt werden, die anderen sind Themen für den Wahlunterricht. Das Thema Drehstrom-Asynchronmotor zählt zum Bereich Transport und Verkehr, dieser wurde als Pflichtteil ausgewählt. Das Thema wird in zwei Doppelstunden erarbeitet diese Zeit sollte für eine grundlegende Wissensvermittlung zur Thematik Drehstrom-Asynchronmotor ausreichen, da teilweise auf Wissen aus dem Physikunterricht zurückgegriffen werden kann. Die theoretischen Grundlagen wie Drehmoment, Lenzsches Gesetz und elektromotorisches Prinzip wurden im Physikunterricht eingeführt und werden in dieser Doppelstunde wiederholt und gefestigt. Das Thema Drehstrom-Asynchronmotor ist ein praktisches Beispiel für technische Funktionszusammenhänge aus dem unmittelbaren Lebensumfeld der Schüler. Die Schüler lernen eine weitere Möglichkeit der Übertragung und Umwandlung elektrischer Energie kennen. Eine Vertiefung des Themas ist nicht geplant, es wird keine Projektarbeit erfolgen. Die praktische Arbeit an Drehstrommotoren findet in einem Spannungsbereich von 380V statt. Mit Schülern ist eine Installation von Elektromotoren in diesem hohen Spannungsbereich nicht erlaubt. Thema der nächsten sechs Unterrichtsstunden werden weitere Arten von Elektromotoren sein, meine Zielsetzung ist es dabei den Schülern grundlegendes Wissen über elektromotorischer Antriebe zu vermitteln. 3

4 2. Inhalts- und Zielentscheidungen 2.1 Sachanalyse Ausgehend von der grundlegenden Bedeutung der Elektroenergie für eine moderne Gesellschaft wird den Schülern die Abhängigkeit der Gesellschaft vom verfügbaren Energiepotential erläutert. Kenntnisse über Anlagen zur Übertragung der Elektroenergie und der Notwendigkeit einer dezentralen, ökologischen Erzeugung und Verwendung der Energie werden erarbeitet, die Schwerpunkte liegen beim Drehstromdrei- und Vierleitersystem. Im Mittelpunkt steht hier die Verwendung der Elektroenergie für Wärme- und Beleuchtungsanlagen in Haushalten und der Industrie. Ein weiterer Punkt ist die Umwandlung der Elektroenergie in mechanische Energie. Den Schülern wird der Drehstrom- Asynchronmotor als sehr häufig verwendetes Antriebsmittel erläutert. Sie lernen seinen Aufbau, die Wirkungsweise und die Einsatzmöglichkeiten kennen. Das Thema Drehstrom-Asynchronmotor ist dabei hervorragend zur fächerübergreifenden Bildung geeignet. Die Wiederholung der bereits im Physikunterricht vermittelten theoretischen Grundlagen erfolgt durch eine praktischen Umsetzung in einer Lehrerdemonstration am Motormodell. Drehmoment : M = F * r * sin( F, r ), der Winkel zwischen beiden Vektoren wird anhand des noch nicht vorhandenen Fachwissens vernachlässigt. Lenzsches : Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass sein Gesetz magnetisches Feld der Ursache des Induktionsvorganges entgegenwirkt. Das Lenzsche Gesetz folgt aus dem Gesetz von der Erhaltung der Energie. Elektro- : Auf eine vom Strom durchflossene Leiterschleife wirkt im motorisches magnetischen Feld eines Dauer- oder Elektromagneten die Lorentzkraft. Prinzip Die Leiterschleife beginnt sich zu drehen. Die Entstehung des magnetischen Drehfeldes und des Drehmomentes am Rotor wird in verständlichen Schritten am Motormodell erläutert. Stern- und Dreieckschaltung werden im 4

5 Modell angewendet, eine praktische Anwendung ist den Schülern bereits aus dem Maschinenkabinett bekannt. Drehstrom-Asynchronmotor: Aufbau und Funktionsweise Ein Drehstrom-Asynchronmotor (auch Induktionsmaschine oder Asynchronmaschine genannt) ist ein oft verwendeter Elektromotor, der mit Drehstrom betrieben wird. Beim Asynchronmotor ist die Drehzahl des Rotors im Motorbetrieb geringer als die Drehzahl des antreibenden elektromagnetischen Drehfeldes, d. h. der Rotor rotiert asynchron zum Drehfeld. Der Ständer oder Stator besteht aus dem Gehäuse, dem Blechpaket und der darin eingelegten Ständerwicklung. Durch die an die Statorwicklung angelegte Netzspannung wird im Inneren der Maschine ein magnetisches Drehfeld erzeugt, welches in der kurz geschlossenen inneren Wicklung (Anker) einen Strom induziert. Dieser Strom baut selbst wiederum ein magnetisches Feld im sich drehenden Rotor auf. Beide Magnetfelder befinden sich derart in Wechselwirkung, dass ein Drehmoment erzeugt wird - das Ankerfeld wird mitgezogen. Da die Drehmomente dieses Motortyps beim Anlaufen sehr ungünstig sind, ist der Motor nicht in der Lage, unter vollem Lastmoment anzulaufen. Er muss mit geringer Last auf etwa 90 % der Nenndrehzahl hochfahren. Zur Begrenzung hoher Anlaufströme kann bei Leistungen bis 10 kw die Stern-Dreieck- Schaltung eingesetzt werden. Vorteile der Drehstrom-Asynchronmotoren: lange Lebensdauer auch bei Dauerbetrieb, kaum Wartung notwendig kurzzeitige Überlastung möglich nahezu konstante Drehzahl vergleichsweise geringe Herstellungskosten Läufer spannungslos (kann auch in Medien oder in Gasen / im Vakuum laufen) Nachteile der Drehstrom-Asynchronmotoren: * hoher Anlaufstrom bei gleichzeitigem geringen Anzugsmoment *Drehzahlveränderung nur bei Sonderbauformen 5

6 * relativ großes Volumen im Vergleich zur abgegebenen Leistung Typische Anwendungen für Drehstrom-Asynchronmotoren: Motoren für Plattenspieler Ventilatoren Kompressoren für Kühlschränke Antriebe für Werkzeugmaschinen und in der Industrie Antriebe für Pumpen und Gebläse mit Leistungen bis zu einigen tausend kw. Fahrmotoren für Schienenfahrzeuge, Leistung bis weit über 1000 kw. Verwendung in Schienenfahrzeugen wie TGV (Frankreich) und ICE (Deutschland). Drehstrom (Dreiphasenwechselspannung): Drehstrom wir mit Drehstromgeneratoren auf der Grundlage der elektromagnetischen Induktion erzeugt. Ein Drehstromgenerator besitzt drei Induktionsspulen. Diese befinden sich um 120 versetzt angeordnet im Stator (Ständer). Der Rotor (Läufer) besitzt eine Feldspule zum Erzeugen des Magnetfeldes, welches für die Induktion nötig ist. Dieser Feldspule wird über Schleifringe Gleichspannung zugeführt, und es entsteht ein Magnetfeld mit Nord- und Süpdpol. Wird nun der Rotor in Drehung versetzt, dreht sich auch das Magnetfeld mit. Dabei durchsetzen die Feldlinien die Induktionsspulen nacheinander. So wird in jeder der drei Spulen eine Wechselspannung induziert. Sie ist sinusförmig, für eine vollständige Schwingung (Periode) muß das Magnetfeld eine volle Umdrehung (360 ) ausführen. Aufgrund der räumlichen um 120 versetzten Anordnung der Induktionsspulen sind die induzierten Wechselspannungen zeitlich untereinander verschoben. Diese Verschiebung heißt Phasenverschiebung. Drehstromnetz: Ein Drehstromnetz ist ein Stromnetz, in dem Wechselstrom in drei verschiedenen Phasen verwendet wird. Da man den Drehstrom gut transformieren kann und Drehstrommotoren klein, kompakt und preiswert hergestellt werden können, sind heute alle öffentlichen Stromnetze in Deutschland als Drehstromnetze ausgelegt. Die drei Phasen des Wechselstromes lassen sich jeweils einzeln zur Versorgung elektrischer Verbraucher nutzen. 6

7 In Drehstromnetzen wird meist der Mittelpunktleiter geerdet. Hierbei werden im Niederspannungsbereich Vierleitersysteme, im Hochspannungsbereich über 1000 Volt Dreileitersysteme verwendet. Die Bezeichnungen der Außenleiter (Phasen) mit R, S und T ist teilweise noch in Gebrauch. Sie sind jedoch veraltet, die aktuell üblichen Bezeichnungen sind L1, L2 und L3. 'L' steht dabei für 'Live'. Stern-Dreieck-Schaltung Mit einer Stern-Dreieck-Schaltung werden größere Drehstrommotoren (Kurzschlussläufer- Motoren ab 5kW) wegen des hohen Anzugsstroms bei direkter Einschaltung in Betrieb genommen. Hierzu wird ein in Dreieck-Schaltung arbeitender Motor während des Anlaufs vorübergehend in Stern-Schaltung betrieben. Dabei verringert sich der Anzugsstrom und das Anzugsmoment auf etwa 1/3 des Wertes als bei direkter Inbetriebnahme in Dreieck- Schaltung. Die Stern-Dreieck-Umschaltung kann nur bei Motoren angewendet werden, deren Ständerwicklung bei der verfügbaren Netzspannung Dreieck-Schaltung zulässt. Das Umschalten auf Dreieck-Schaltung darf erst dann erfolgen, wenn der Motor bei Stern- Schaltung seine volle Drehzahl erreicht hat. Bei zu früher Umschaltung entsteht ein starker Stromstoß und der Zweck der Umschaltung wird nicht erreicht. Wegen der Verringerung des Anzugsmoment auf 1/3, kann die Stern-Dreieck-Umschaltung nur bei leichten Anlaufbedingungen, z.b. beim Anlaufen von leerlaufenden Werkzeugmaschinen, erfolgen. 2.2 Fachdidaktische Prinzipien Technik kann im Unterricht nicht isoliert, sondern nur im Zusammenhang mit den Bedürfnissen der Schüler und ihrem natürlichen Lebensumfeld betrachtet werden. Eine allgemeine technische Bildung gibt den Schülern Hilfen zur geistigen und praktischen Orientierung in der von Technik mitbestimmten Welt. Die Schüler sollen Voraussetzungen und Folgen der Technik besser beurteilen können. Jeder Schüler kennt aus seinem täglichen Leben elektrische Motoren als Antriebsmittel. Das gewählte Beispiel ist daher kein abstraktes Thema für die Schüler. 7

8 2.3 Didaktische Reduktion Für die Vermittlung des Lehrstoffes Drehstrom-Asynchronmotor habe ich 90 Unterrichtsminuten eingeplant. Es handelt sich um die erste Doppelstunde zur Thematik elektromotorische Antriebe. Eine besonders Bedeutung kommt dabei dem gewählten Einstieg in das Themengebiet zu. Bei all den fachlichen Aussagen sowie den dazu zählenden Experimenten geht es nicht um vollendete wissenschaftliche Korrektheit, es geht darum den Schülern die Problemstellungen verständlich darzulegen. Unter diesem Gesichtspunkt zeige ich gleich zu Beginn der Doppelstunde mehrere Experimente. Die Darstellung der Experimente wird in ein Gespräch zwischen Lehrer und Schülern eingebettet. Ziel ist es auch leistungsschwache Schüler für das Unterrichtsthema zu interessieren. 2.4 Ziele Die Schüler erkennen den Zusammenhang zwischen den experimentellen Vorführungen und den geltenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten. Sie verinnerlichen notwendiges Fachwissen über die Entstehung des magnetischen Drehfeldes und des Drehmomentes. Sie kennen den Aufbau des Drehstrom-Asynchronmotors. Die Schüler kennen die Schaltungsarten des Drehstrom-Asynchronmotors im Dreileitersystem. 8

9 3. Weg- und Medienbeschreibung 3.1 Methode Die Stunde beginnt mit der Erläuterung zum weiteren Unterrichtsverlauf. In einem kurzen Unterrichtsgespräch wird theoretisches Wissen aus dem Physikunterricht abgerufen und gefestigt. Zur praktischen Verdeutlichung des Wissens verwende ich das Motormodell, Modelle zum Nachweis des Magnetismus und ein Modell auf Folie mit Eisenfeilspänen. Um das Wissen aus dem Physikunterricht praktisch anzuwenden, wird als nächstes ein Schülerexperiment durchgeführt. In Gruppen von zwei Schülern wird mit den elektrotechnischen Baukästen gearbeitet. Der Technikunterricht bietet günstige Möglichkeiten, das Prinzip der Verbindung von Unterricht und realem Lebensumfeld zu verwirklichen. Außerdem erwerben die Schüler im Umgang mit den Baukästen elementare Fähigkeiten, Fertigkeiten und Kenntnisse der Arbeitsvorbereitung, Arbeitsausführung und der Kontrolle ihrer Arbeit. Der sorgsame Umgang mit den Baukästen und Werkzeugen sowie die sachgerechte Montage und Demontage der Modelle und Schaltungen wird von mir für die Erziehung zur Ordnung, Sauberkeit und Gewissenhaftigkeit genutzt. Die elektrotechnischen Baukästen unterstützen den Unterricht und sollen Lerneffekte verbessern. Die Anwendungen aus der Realität z. B.: zu Hause in einer Waschmaschine, im Computer, im Kühlschrank oder in Heizgeräten mit Lüfter werden erkannt. Weiterhin lernen sie den Elektromotor als Antriebsorgan für Maschinen kennen. Sie können einfache Modelle mit elektrischen Antrieb aufbauen. Nach der selbständigen Arbeit erkläre ich zunächst technische Details zum Aufbau des DAM. Anschließend erarbeiten sich die Schüler die konstruktive Gestaltung des DAM selbständig, als Wissensbasis dient dabei das Lehrbuch. Die Schüler haben sich den Aufbau als Skizze in ihre Unterlagen zu notieren. Zwei Schüler werden den Aufbau dann in einer kurzen Zusammenfassung vortragen. Nach der kurzen Zusammenfassung des bisher erworbenen Wissens, wird in einem Unterrichtsgespräch der Kurzschlussläufer als eine mögliche Form des DAM erarbeitet. 9

10 Im bisherigen Verlauf des Unterrichtes war der Aufbau und die Funktionsweise des DAM Thema. Um den DAM aber als Antriebsorgan für Maschinen nutzen zu können, ist es wichtig die Art seines Anschlusses an das in Deutschland vorhandene Leitungsnetz zu kennen. Die Schüler kennen bereits die in Deutschland gängigen Leitungssysteme. Unter Anwendung dieses Wissens wird die Schaltungsart Stern-Dreieck-Schaltung als nächster Schritt von mir erklärt. Es erfolgt eine Lehrerdemonstration zur Stern-Dreieck-Schaltung des DAM. Als Abschluss der Doppelstunde erfolgt eine Zusammenfassung und die Bekanntgabe der Hausaufgaben. 3.2 Medium Zur Nutzung der experimentellen Methode werden das Motormodell und die elektrotechnischen Baukästen eingesetzt. Ein elektrotechnischer Baukasten wird von zwei Schülern genutzt. Die erforderlichen Anschlüsse an die Verteiler sind an jedem Labortisch vorhanden. Das theoretische Grundwissen wird unter Verwendung des Overheadprojektors, des Lehrbuches und verschiedener praxisnaher Anschauungsmittel erarbeitet und verdeutlicht. 10