Elektrische Maschinen REPETITIONEN

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1 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN REPETITIONEN Kapitel Elektrische Maschinen REPETITIONEN Verfasser: Hans-Rudolf Niederberger Elektroingenieur FH/HTL Vordergut 1, 8772 Nidfurn Ausgabe: August September 09

2 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN REPETITIONEN 1 Gleichstrommotor Ein Gleichstrommotor hat die Nennleistung 18,5 kw und eine Nenndrehzahl 1 von 10min Wie gross ist das Kippmoment, wenn M K / M N = 3 angegeben ist? 5. September 09

3 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN REPETITIONEN 2 Kenndaten Drehstrommotor Bestimmen Sie aus dem vorhandenen Klemmenbrett a) Motorenleistung, b) Wirkleistung elektrisch, c) Blindleistung, d) Scheinleistung und e) Wirkungsgrad des Motors. f) Zeichnen Sie das Leistungsdreieck. Typ 3 ~ Nr Y400 V 12,9 A 5,5 kw cosϕ 0, U/min 50 Hz Isol-Kl. B IP 44 t 5. September 09

4 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN REPETITIONEN 3 Kenndaten Drehstrommotor Bestimmen Sie aus dem vorhandenen Klemmenbrett a) Motorenleistung, b) Wirkleistung elektrisch, c) Blindleistung, d) Scheinleistung und e) Wirkungsgrad des Motors. f) Zeichnen Sie das Leistungsdreieck. Typ 3 ~ Nr V 18,9 A 7,5 kw cosϕ 0, U/min 50 Hz Isol-Kl. H IP 44 t 5. September 09

5 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN REPETITIONEN 4 Kenndaten Drehstrommotor Bestimmen Sie aus dem nachfolgenden Klemmenbrett a) Motorenleistung, b) Wirkleistung elektrisch, c) Blindleistung, d) Scheinleistung und e) Wirkungsgrad des Motors. f) Zeichnen Sie das Leistungsdreieck. Typ 3 ~ Mot Nr V 2 A 1 kw cosϕ 0, U/min 50 Hz Isol-Kl. B IP 44 t 5. September 09

6 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN REPETITIONEN 5 Kenndaten Drehstrommotor Ein Motor mit nachfolgenden Daten ist an das 3x400V -Netz angeschlossen: 400V, 50 Hz. Wie gross ist die Nenndrehzahl und wie gross ist der cos ϕ, wenn eine Kondensatorenbatterie von 10 µ F in Dreieck dazu geschaltet wird (Die Berechnung ist grafisch zu unterstützen)? cosϕ η 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 I 9 A η cosϕ I n n min. 900 Aus den Betriebskennlinien des Drehstrom- Asynchronmotors sind folgende Daten zu entnehmen: Nennleistung Nenndrehzahl Schlupf mit Formel Wirkungsgrad bei Nennlast Leistungsfaktor bei Nennbedingungen Polpaarzahl mit Formel 0,2 0, , 5 3,0 kw Leistungsabgabe 5 4 L a s t P 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 5. September 09

7 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN REPETITIONEN 6a Asynchronmotor Ein 6-poliger Drehstrom-Asynchronmotor mit einem Schlupf von 4 % ist an ein 3x400/230V Netz mit 50 Hz angeschlossen. Berechnen Sie die Drehzahl des Läufers in 1 min. cosϕ η 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 I 9 A η cosϕ I n n min. 900 Aus den Betriebskennlinien des Drehstrom- Asynchronmotors sind folgende Daten zu entnehmen: Nennleistung Nenndrehzahl Schlupf mit Formel Wirkungsgrad bei Nennlast Leistungsfaktor bei Nennbedingungen Polpaarzahl mit Formel 0,3 0,2 0, , 5 3,0 kw Leistungsabgabe 5 4 L a s t P 2 5. September 09

8 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN REPETITIONEN 6b Drehmoment-Drehzahlkennlinie M % 300 M k M a 0 b M b 100 M d c M n a 50% 100% n 1 Die Kennlinie M = f (n) ist vom Motortyp und von der Ausführung des Rotors abhängig. a b Erforderliches Antriebsmoment einer unbelastet anlaufenden Drehmaschine Erforderliches Antriebsmoment eines anlaufenden Kompressors M g Gegenmoment der Maschine [Nm] M b Beschleunigungsmoment [Nm] M Durchzug- oder Sattelmoment [Nm] d M k Höchstdrehmoment oder Kippsmoment [Nm] M a Anzugsmoment [Nm] M % Drehmoment in % des Nenndrehmoments n 1 Drehfelddrehzahl bzw, [Nm] Leerlaufdrehzahl [ 1/ min] n Betriebsdrehzahl [ 1/ min] Asynchronmotoren sind Motoren mit Kurzschluss-läufern und werden übergiegend dort eingesetzt, wo sie nicht ständig mit derselben Drehzahl laufen müssen. Ein Asynchronmotor dreht nicht mit der Synchrondrehzahl. Der Unterschied wird wie folgt dargestellt: s = % n n % n Nenndrehzahl [min 1 ] n Synchrondrehzahl [min 1 ] 1 s Schlupf [%] % n Schlupfdrehzahl [min 1 ] S n S = 1 n n s n n = n 1 % 1 100% 5. September 09

9 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN REPETITIONEN 7 Drehmoment-Drehzahlkennlinie Dargestellt iszt die Kennlinie M = f (n) eines Kurzschlussläufermotors mit dem Nennmoment M n = 5Nm. 1 Wie gross ist die Leistungsabgabe des Motors bei 1000min, und Nenndrehzahl? 00 min 1 5. September 09

10 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN REPETITIONEN 8 Riemenzugkraft Drehstrommotor Ein Drehstrom-Kurzschlussläufermotor hat das dargestellte Leistungsschild. Es treibt eine Maschiene über eine Riemenscheibe mit 280 mm Durchmesser an. M n P = 9550 [kw ] Bestimmen Sie die Riemenzugkraft bei Nennleistung. 5. September 09

11 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN REPETITIONEN 9 Batteriespeicher der Zukunft ABB hat zusammen mit den Elektrizitätswerken des Kantons Zürich (EKZ) eine Batterie mit einer Leistung von 1 MW in Dietikon installiert. Damit ist sie die grösste und erste dieser Art in der Schweiz. Sie kann Energie bis 500kWh speichern und ins Mittelspannungs-Verteilnetz einspeisen, respektive von dort beziehen. Welche Zeit in h,. min und s kann die Batterie die maximale Leistung liefern? 5. September 09

12 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN REPETITIONEN 101 Nennen Sie die wesentlichsten Teile zum Aufbau einer Gleichstrommaschine. 102 Erklären Sie die Funktionsweise einer Gleichstrommaschine mit Hilfe einer einfachen Skizze (Drehbare Drahtschleife zwischen magnetpolen)! S N 103 Die Rotorwicklung ist eine fortlaufende Drahtwicklung. Sie kann auf zwei verschiedene Arten ausgeführt werden. Nennen Sie die beiden Möglichkeiten. 104 Welche Funktionen fallen dem Kollektor einer Gleichstrommaschine zu? 5. September 09

13 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN REPETITIONEN 105 Erklären Sie die Entstehung der Gegen-EMK bei einem Gleichstrommotor. 106 Schalten Sie in Gedanken einen Gleichstrommotor ein, erlären und begründen Sie dabei den Ablauf bzw. die Wirkungsweise dieser Maschine. 107 Warum sind Anlasswiderstände notwendig bzw. warum benötigt man für grössere Geichstrommotoren Anlasser? 108 Geht ein Motor defekt, bei dem beim Einschalten die Spannung an den Erregerspulen fehlt, hingegen Spannung am Rotor vorhanden ist? 5. September 09

14 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN REPETITIONEN 109 Wie kann an Gleichstrommaschinen eine Drehrichtungsänderung erreicht werden? 110 Nennen Sie die offizielle Bezeichnung der Anschlüsse einer Ankerwicklung sowie der Erregerwicklung einer fremderregten Maschine. 111 Zeichnen Sie die Schemas für eine Hauptschluss sowie für eine im Nebenschluss geschaltete Gleichstrommaschine. 112 Warum können die einphasigen Wechselstrommotoren der Haushaltgeräte praktisch wie Kollektormotoeren (also Gleichstrommotoren) aufgebaut werden)? 5. September 09

15 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN REPETITIONEN 113 Können Gleichstrommotoren grundsätzlich auch als Generatoren verwendet werden? 114 Wo werden heute noch in der Praxis Gleichstrommotoren verwendet? 115 Erklären Sie den Aufbau einer Ward-Leonard- Anlage. Leonardumformer 116 Welcher Teil der Maschine wird als Anker bezeichnet? 5. September 09

16 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN REPETITIONEN 117 Welche Aufgabe hat die Erregerwicklung einer elektrischen Maschine? 118 Welche Vorteile haben Gleichstrommotoren? 119 Erklären Sie die Begriffe Schleifringe und Stromwender! Schleifringe Stromwender Zeichnerische Darstellung Kohlenbürste 1 2 Schleifring 1 2 Kohlenbürste Kollektor Kommutator 1 2 N 1 1 n Φ Eine Leiterschleife dreht sich mit konstanter Geschwindigkeit in einem homogenen Magnetfeld. Welche Spannungsart wird mit Schleifringen bzw. mit einem Stromwender abgegriffen? S 5. September 09

17 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN REPETITIONEN 121 Weisen Sie die Begriffe korrekt zu! 1. Ständer mit Jochring und ausgeprägten Polen 2. Erregerwicklung (Hauptwicklung) 3. Läufer (Anker) mit Wicklung 4. Stromwender (Kollektor, Kommutator) 5. Bürstenhalter mit Kohlenbürsten 6. Wendepole mit Wendepolwicklung Bild Ein Gleichstrommotor mit einem Ankerwiderstand von 2 Ω hängt an einem Netzgerät (Spannung: 50 V, Strombegrenzung 40 A ). Warum wird im unbelasteten Zustand ein Strom von ca. 0,25 A und nicht 25 A gemessen? 123 Welche Gefahr besteht beim unbelasteten Gleichstrom-Reihenschlussmotor? 124 Erklären Sie den Aufbau eines Universalmotors! 5. September 09

18 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN REPETITIONEN 125 Erklären Sie den prinzipiellen Aufbau eines Drehstrom-Asynchron-Motors! 126 Erklären Sie die Funktion eines Drehstrom- Asynchron-Motors mit Kurzschlussläufer! 127 Welche Vor- und Nachteile haben Schleifringläufer-Motoren im Vergleich zu Drehstrom-Asynchron-Motoren mit Kurzschlussläufer? 128 Welche beiden Läuferarten werden für Drehstrom-Asynchronmotoren verwendet? 5. September 09

19 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN REPETITIONEN 129 Welche Vorteile hat der Kurzschlussläufermotor gegenüber dem Schleifringläufermotor nicht? Weniger Blindleistungsaufnahme Weniger Wärmeverluste Günstigere Anlaufbedingungen Verwendung in explosionsgefährdeten Räumen Einfachere Wartung 130 Welche Vorteile hat der Schleifringläufermotor gegenüber dem Kurzschlussläufermotor nicht? Störungsfreier Betrieb Verwndbarkeit als Drehtransformator Verwendbarkeit als Frequenzumformer Drehzahlsteuerung durch Schlupfänderung Günstigere Anlaufbedingungen 131 Wie kann Dreiphasenwechselstrom erzeugt werden? 132 Wie nennt man die Spannung zwischen zwei Aussenleitern? 5. September 09

20 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN REPETITIONEN 133 Wie nennt man die Spannung zwischen einem Aussenleiter und dem Neutralleiter? 134 Welche beiden Schaltungen sind bei Drehstromverbrauchern möglich? 135 In welchem Verhältnis steht die Strangspannung zur Leiterspannung bei Sternschaltung? 136 Vergleichen Sie die Leiterspannung und die Strangspannung bei Dreieckschaltung. 5. September 09

21 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN REPETITIONEN 137 Welche Aufgabe hat der Neutralleiter eines Drehstromnetzes bei ungleichmässiger Belastung? 138 Erklären Sie den Begriff Verkettung! 139 Was versteht man unter einem Vierleiter- Drehstrom-Netz? 140 Erklären Sie die Begriffe Leiterspannung und Strangspannung! 5. September 09

22 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN REPETITIONEN 141 Unter welcher Bedingung kann bei der Sternschaltung auf den Anschluss des Neutralleiters am Verbraucher verzichtet werden? 142 Warum sind Niederspannungsnetze meist als Vierleiternetze ausgeführt? 143 Welche Energieumwandlungen findet in einem Elektromotor statt? 144 Wie berechnet man den Wirkungsgrad η eines Elektromotors? 5. September 09

23 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN REPETITIONEN 145 Welchem Aufbau gleichen die Gleichstrommotoren? 146 Aus welchen Hauptteilen bestehen DC-Motoren? Machen Sie eine Skizze! 147 Welche Vorteile hat ein Gleichstrommotor mit Hauptschlusserregung? A1 M = + - n n ~ U M A2 Bild I A I A ~ M 2 M Reihenschluss Seriemotor Universalmotor M 148 Welche Verhalten zeigt ein Gleichstrommotor mit Nebenschluss? A1 + - n M = A2 I A U A=konst M Bild Nebenschluss M 5. September 09

24 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN REPETITIONEN 149 Durch was wird das Drehmoment in Gleichstrommotoren erzeugt? 150 Wie kann die Drehrichtung in einem Gleichstrommotor geändert werden? 151 Was sind die Vorteile von Gleichstrommotoren? Wie begrenzt man den Anlaufstrom von Gleichstrommotoren? 5. September 09

25 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN REPETITIONEN 153 Welche Regel muss man anwenden, damit man die Magnetfeldrichung im stromdurchflossenen Leiter im Magnatfeld bestimmen kann? 154 Zeichnen Sie die Feldlinien um zwei parallele stromdurchflossenen Leiter ein, wenn der Strom: a) in beiden Leitern vom Betrachter wegfliesst. b) in den Leitern Hin- und Zurückfliesst. 155 Nenen Sie zwei Anwendungen von Gleichstrom- Motoren! 156 Nennen Sie zwei Nachteile von Gleichstrom- Motoren! 5. September 09

26 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN REPETITIONEN 157 Nennen Sie zwei Vorteile von Gleichstrom- Motoren! 158 Mit welcher Frequenz werden die Gleichstrommotoren betrieben? 159 Nennen Sie eine moderne Steuerungsart von Gleichstrommotoren! 160 Für was hat ein Gleichstrommotor Kohlenbürsten? Was passiert, wenn der Anker umgepolt wird? 5. September 09

27 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN REPETITIONEN 161 Seit wann gibt es Gleichstrommotoren? 162 Zähle zwei Schaltungsmöglichkeiten von Gleichstrommotoren auf? 163 Wie kehrt man bei Gleichstrommotoren die Drehrichtung um? 164 Warum benötigt man für grosse Gleichstrommotoren Anlasser? 5. September 09

28 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN REPETITIONEN 165 Wie wirkt sich die Änderung der Ankerspannung auf die Drehzahl von DC-Motoren aus? Womit kann die Ankerspannung von Gleichstrommotoren verändert werden? 166 Wie wirkt sich die Änderung des Erregerstromes auf die Drehzahl von DC-Motoren aus? 167 Welche Vorteile haben Gleichstrommotoren, deren Drehzahl mit gesteuerten Gleichrichtern eingestellt werden? 168 Wie erhöht man die Ankerdrehzahl beim fremderregten DC-Motor über die Bemessungsdrehzahl? 5. September 09

29 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN REPETITIONEN 169 In welche Richtung verschiebt sich im Gleichstrommotor die neutrale Zone bei Belastung? 170 Welche DC-Motoren sind fremderregte Motoren? 171 Was ist beim DC-Motor, vom Aufbau her, der Unterschied bei einem Reihenschlussmotor und einem Nebenschlussmotor? 172 Was ist bei grösseren Gleichstrommotoren, bezüglich dem Anlassen, zu beachten? 5. September 09

30 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN REPETITIONEN 173 Wie kann man die Motordrehzahl beim Gleichstrommotor bis zur Bemessungsdrehzahl und wie über die Bemessungsdrehzahl erhöht werden? 174 Welche zwei Wicklungsarten befinden sich in den Nuten des Stators eines Gleichstrom-Motors (DC-Motor)? 175 Welche von den nachfolgenden DC-Motoren hat das grösste Anzugsmoment? a) Fremderregter Motor b) Reihenschluss-Motor c) Nebenschlussmotor d) Doppelschlussmotor 176 (ET02-A) Nennen Sie verschiedene Verluste, die im Elektromotor entstehen! 5. September 09

31 ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN REPETITIONEN 177 Was bedeutet Smart Meter? 178 Was bedeutet Smart Grid? 179 Was bedeutet Smart? 180 Kann mit einem Smart Meter oder mit dem Smart Grid Strom gespart werden? 5. September 09