Stellen Sie einen weichmagnetischen und einen hartmagnetischen Stoff mithilfe der Hysterese dar und erklären Sie den Begriff “Hystereseverluste”.
Hystereseverlust: Phasenverschiebung zwischen Magnetfluss und Strom
Wodurch entstehen Magnetfelder?
Magnetfelder entstehen durch:
Dauermagneten
stromdurchflossene Leiter
Welche Wirkung haben magnetische Felder?
Wirkung von Magnetfeldern:
Anziehende Wirkung auf magnetische Stoffe, z.B. Eisen
stromdurchflossende Leiter
Welche Eigenschaften haben Magnetfelder?
Eigenschaften:
Das magnetische Feld hat weder Quellen noch Senken
es gibt keine magnetische Ladungen
Wie werden Magnetfelder dargestellt?
Über Feldlinienbilder
Wie sehen die Feldlinien des Magnetfeldes eines stromdurchflossenen Leiters aus?
Was ist die Permeabilitätszahl und in welche drei Arten lassen sich durch sie Stoffe unterscheiden?
Die Permeabilitätszahl ist ein Maß für die Durchlässigkeit (Permeabilität) von Materie für magnetische Felder.
Wann gilt ein Stoff als gesättigt?
Ein Stoff gilt als gesättigt, wenn dessen Flussdichte ab einem bestimmten Wert nur noch linear ansteigt.
Wie lautet das Induktionsgesetz in der Integralform?
Darstellung in Integralform:
Was versteht man unter Selbstinduktion?
Selbstinduktion:
Das zeitlich veränderliche Magnetfeld induziert in der Spule eine Spannung.
Was ist die Aufgabe von Transformatoren?
Transformatoren werden zur Umwandlung einer Spannung auf eine andere Spannung eingesetzt. Damit dienen sie zur Kopplung von Dreh- oder Wechselstromsystemen unterschiedlicher Spannungsebenen.
Zeichnen Sie ein Ersatzschaltbild einer Asynchronmaschine mit transformierten Größen.
Erläutern Sie den physikalischen Begriff Feld. Welche Arten von Feldern gibt es? Was sind wesentliche Unterschiede der genannten Arten? Führen Sie jeweils ein Beispiel für die genannten Feldarten an.
In der Physik beschreibt ein Feld die räumliche Verteilung einer physikalischen Größe.
Wie funktioniert eine elektrische Maschine?
—> durch ein dreiphasiges Drehfeld
Wie lauten die Formeln für Gruppen- und Sehnungsfaktoren?
Gruppenfaktor:
Sehnungsfaktor:
Welchen Leistungsbereich haben Asynchronmaschinen?
Leistungsbereich von 5W bis 50MW
Was sind die Vorteile von Asynchronmaschinen?
nahezu wartungsfrei
einfacher mechanischer Aufbau
kostengünstige Massenproduktion möglich
Welche Typen von Asynchronmotoren gibt es? Wie ist ihr Leistungsbereich und wo werden sie eingesetzt?
Benennen Sie:
Wie funktioniert der motorische Hochlauf einer Asynchronmaschine (Wirkungsweise von Asynchronmaschinen).
Eine Asynchronmaschine steht still. Welchen Schlupf hat sie?
Antwort: Der Schlupf bei einer Maschine im Stillstand ist 1.
Wann ist der Schlupf bei einer Asynchronmaschine = 0 ?
Antwort: Wenn Drehzahl und Synchrondrehzahl gleich groß sind.
Zeichnen Sie das Ersatzschaltbild für eine Aysnchronmaschine im stationären Zustand. Nennen Sie zusätzlich die dazugehörigen Klemmenspannungen.
Zeichnen Sie ein Sankay-Diagramm für eine Asynchronmaschine und geben Sie Leistung und Verlustleistung an.
Nennen Sie die drei in der Vorlesung behandelten Streuziffern sowie die dazugehörigen Formeln.
Geben Sie die Klossche Formel an und zeichnen Sie die Kennlinie für den motorischen und generatorischen Betrieb.
Was sind die Merkmale der Synchronmaschine?
Die Energieumwandlung findet bei einer konstanten Rotationsgeschwindigkeit statt
Der Rotor läuft im stationären Betrieb synchron mit dem Drehfeld
Die Statorwicklung wird als 3strängige Drehstromwicklung ausgeführt. Der Rotor besitzt eine Gleichstromerregerwicklung, die über Schleifringe oder eine weitere, mitrotierende Maschine gespeist wird
Was sind die wichtigsten Bauarten der Synchronmaschine? Skizzieren Sie diese.
Schenkelpolmaschine
Vollpolmaschine
Skizzieren Sie das vollständige Ersatzschaltbild einer Vollpolmaschine.
In einer Produktionsanlage wird eine Synchronmaschine mit einem durch die öffentliche Netz gespeisten Wechselrichter drehzahlvariabel betrieben. Zeichnen Sie eine schematische Darstellung des Antriebssystems und beschreiben Sie die Funktion der Komponenten
Wechselrichter (WR)
Wechselt Strom mit fester Frequenz in Strom nahezu beliebiger Frequenz
Synchronmaschine
Wandelt elektrische Energie in mechanische Energie
Regler
Regelt den Wechselrichter basierend auf Sollgröße
Definieren Sie das Induktionsgesetz mathematisch und erläutern Sie es.
Definieren Sie das Durchflutungsgesetz mathematisch und erläutern Sie es.
Beschreiben Sie die Entstehung des magnetischen Drehfeldes im Luftspalt einer elektrischen Maschine am dreiphasigen Netz.
Je eine Phase des Netzes erzeugt mit einem Strang der Maschine ein näherungsweise sinusförmiges pulsierendes Feld. Da diese räumlich und zeitlich um 120° versetzt sind, ergibt sich ein näherungsweise sinusförmiges Drehfeld.
Erläutern Sie, was man unter Harmonischen versteht. Was ist diesbezüglich im Zusammenhang mit Drehfeldern in elektrischen Maschinen gewünscht?
Harmonische beschreiben die Frequenz einer Schwingung als ganzzahliges Vielfaches einer Grundschwingung. Bei Drehfeldern in elektrischen Maschinen ist im Allgemeinen gewünscht, dass eine Harmonische, im Normalfall die erste, dominiert.
Skizzieren Sie die Kloss`sche Kennlinie einer Asynchronmaschine im motorischen Betrieb. Markieren Sie den Kipppunkt und den Stillstandspunkt. Wie groß ist der Stillstandsschlupf?
Erläutern Sie, warum Statoren elektrischer Maschinen üblicherweise geblecht ausgeführt werden. Wieso können Rotoren von Synchronmaschinen nicht geblecht ausgeführt werden?
Verringerung von Wirbelströmen und folglich von Eisenverlusten
Rotoren von Synchronmaschinen sind im stationären Betrieb nicht sich ändernden magnetischen Feldern unterworfen —> keine Wirbelströme
Nennen Sie zwei Arten von (Rotoren bei) Asynchronmaschinen.
Käfigläufer
Schleifringläufer
Unter welchen Umständen ist der Einsatz von:
Sternschaltung
Dreieckschaltung
Zickzackschaltung
vorteilhaft?
Wodurch lässt sich beim Käfigläufer die Wirkung der Oberwellen beeinflussen?
Durch eine geeignete „Schrägung” der Käfigstäbe lässt sich die Wirkung der Oberwellen beeinflussen!
Welche Ausführungsformen von Käfigstäben gibt es?
Skizzieren Sie den Unterschied eines Kurzstatormotors und eines Langstatormotors.
Was charakterisiert einen Spaltpolmotor?
einphasiger Induktionsmotor mit ausgeprägten Polen
schlechter Wirkungsgrad
einfacher konstruktiver Aufbau
geringe Fertigungskosten
sehr robust
Wo wird die Dämpferwicklung bei Synchronmaschinen verwendet? Was ist ihre Aufgabe?
Die Dämpferwicklung wird bei größeren oder speziellen Maschinen verwendet.
Ihre Aufgabe ist:
Dämpfung von Polradpendelungen
Dämpfung (Aufhebung) von gegenläufigen Feldern bei unsymmetrischer Belastung
Möglichkeit zum asynchronen Hochlauf
Abschirmung der Erregerwicklung gegen asynchrone Felder bei Störungen
Herabsetzung der Überspannung in der unbeteiligten Phase beim zweipoligen Kurzschluss
Was sind die Einsatzgebiete für Schenkelpolgeneratoren und für Turbogeneratoren?
Schenkelpolgeneratoren
verwendet in Pumpspeicherkraftwerken oder als Motor-Generatoren
Turbogeneratoren
Verwendet für die Energieversorgung gesamter Städte und deren Industrie
Welche Annahmen gelten für eine n-strängige Synchronmaschine mit magnetisch symmetrischen Rotor?
Wie lauten die Annahmen für eine einphasige Synchronmaschine mit nicht erregtem Rotor?
Aus welchen drei Anteilen setzt sich das elektromagnetische Moment zusammen?
Was charakterisiert die Schenkelpolmaschine?
Unterschiedlicher Luftspalt entlang des Umfangs
Hauptreaktanz daher Funktion der Rotorstellung
Entsprechend der Polradlage können d- und q-Achse eingeführt werden
—> Luftspalt minimal in d-Achse
—> Luftspalt maximal in q-Achse
Woraus setzt sich das innere Moment der Schenkelpolmaschine zusammen?
Wovon hängen das synchrone und reluktante Moment ab?
synchrones Moment
—> abhängig von der Polradspannung, Statorspannung und Polradwinkel
reluktantes Moment
—> abhängig von dem Quadrat der Statorspannung und vom doppelten Polradwinkel
Beschriften Sie!
Was beeinflusst die größe der Polradspannung?
Die Größe des Erregerstroms
Wie wird das magnetische Feld für den Betrieb der Synchronmaschine erzeugt?
—> über den Erregerkreis
Was ist die Lorentzkraft und wie lautet die dazugehörige Formel?
Die Lorentzkraft ist die Kraft, die auf einen stromdurchflossenen Leiter wirkt.
Zeichnen Sie den Aufbau eines Transformators und benennen Sie die Bestandteile. Welcher Teil ist weichmagnetisch und geblecht?
1 = Primärspule
2 = Eisenkern
3 = Sekundärspule
Der Eisenkern ist weichmagnetisch und geblecht.
Zeichnen Sie die Drehmoment-Winkel-Kennlinie für eine Synchronmaschine
Wie ist der Schlupf definiert?
n_syn = Synchrondrehzahl
n = Nenndrehzahl
Wie viele Stränge hat eine Statorwicklung, wie muss diese angewendet sein und was gilt?
3-phasig
120°
Drehstrom
Was besagt die Lenzsche Regel?
Die induzierte Spannung wirkt ihrer Ursache entgegen.
Was besagt das Ohmsche Gesetz?
U = R * I
Spannung U
Widerstand R
Strom I
Wie lautet die Formel für die Blindleistung?
Wie lautet die Formel für die Scheinleistung?
Achtung: U taucht bei drei Strängen auch dreimal auf
Wie lautet die Formel für die Wirkleistung?
Was für Verluste gibt es in elektrischen Maschinen? Wie kann man diese Verluste reduzieren?
Mechanische Verluste (Reibung, Lager)
—> reduzierbar durch bessere Lagerung
Kupferverluste in Leitungen
—> kaum reduzierbar, außer mit besseren Material: Silber
—> Silber in größerem Maßstab zu teuer für eine reale Verwendung
Eisenverluste (=Hysterese und Wirbelstromverluste)
—> Reduzierung Hystereseverlust: Verwendung weichmagnetische Metalle
—> Reduzierung Wirbelstromverluste: Blechung der vom magnetischen Fluss durchsetzten Bauteile
Nennen Sie ein Beispiel für einen Diamagneten!
Graphit
Wofür werden Synchronmotoren verwendet?
Großantriebe für Pumpen, Verdichter etc.
Wozu dient ein Phasenverschieber (Synchronkompensator)?
Reine Blindleistungsabgabe oder -aufnahme
Was ist ein Bahngenerator?
Was ist ein Umformer?
Gewährleistet Umwandlung elektrischer Energie in andere Frequenz oder Phasenzahl.
Nennen Sie Beispiele für Gleichstrommaschinen!
Walzwerkantriebe
Papiermaschinen
Fördermaschinen
Fahrzeugantriebe
Lichtbogenschweißmaschinen
Benennen Sie die Komponenten der Gleichstrommaschine.
Wie lautet die Wirkungsweise eines Gleichstrommotors?
Wie lautet der Aufbau einer Gleichstrommaschine?
Welche beiden besonderen Arbeitszustände hat eine Gleichstrommaschine?
Leerlauf
Stillstand
Zeichnen Sie eine schematische Darstellung eines Antriebssystems, bei dem eine Asynchronmaschine über einen Wechselrichter aus dem öffentlichen Netz gespeist wird. Beschreiben Sie die Funktion der Komponenten.
Wechselstromnetz:
Stellt Wechselstromnetz mit 50 Hz zur Verfügung
Spannung hängt von Spannungsebene ab
Wechselrichter:
Wandelt Strom mit fester Frequenz in Strom nahezu beliebiger Frequenz
Asynchronmaschine
Regelt Wechselrichter basierend auf Sollgröße (Drehzahl, Drehmoment, Winkel)
Kann auch als Steuerung ausgeführt werden
Welches Feld sorgt in einer elektrischen Maschine für die Energiewandlung?
Das magnetische Feld
Weshalb kann es elektrische Maschinen mit der Polpaarzahl p = 5 geben, aber nicht mit fünf Polen?
Die Polzahl muss gerade sein. Das ist bei einer Polpaarzahl von 5 gegeben, da somit 10 Pole vorliegen, aber nicht bei 5 Polen.
Ist die Synchron oder Asynchronmaschine einfacher zu betreiben?
Synchronmaschine läuft nicht einfach an, Asynchronmaschine hingegen schon.
—> Asynchronmaschine einfacher zu betreiben
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