ELT-PK1-191005 - Klausur PDF

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Mantelbogen ,Prüfungsleistung 10 /19, WB, TB, FM, ELT© 2019 HFH · Hamburger Fern-Hochschule GmbH XX00-ELT-PK1- 191005Name, VornameMatrikel-Nr.StudienzentrumStudiengang Wirtschaftsingenieurwesen, Aufbaustudiengang Technik, Facility ManagementModul Elektrotechnik / ElektronikArt der Leistung Prüfungsl...

Description

Name, Vorname Matrikel-Nr. Studienzentrum Studiengang

Wirtschaftsingenieurwesen, Aufbaustudiengang Technik, Facility Management

Modul

Elektrotechnik / Elektronik

Art der Leistung

Prüfungsleistung

Klausur-Kennzeichen

XX00-ELT-PK1-191005

Datum

05.10.2019

Ausgegebene Arbeitsbögen _______

Abgegebene Arbeitsbögen _______

Ausgegebene Arbeitsblätter ___+2__

Abgegebene Arbeitsblätter _______

_________________________________________

_________________________________________

Ort, Datum

Ort, Datum

_________________________________________

_________________________________________

Name in Druckbuchstaben und Unterschrift Aufsichtsführende(r)

Prüfungskandidat(in)

Wahl Aufgabe

1

2

3

4

5

6



20

20

20

20

20

20

100

Note

Bewertung

max. Punktezahl Prüfer ggf. Gutachter1

_________________________________________

__________________________________________

Prüfer (Name in Druckbuchstaben)

Datum, Unterschrift

_________________________________________

__________________________________________

ggf. Gutachter (Name in Druckbuchstaben)

Datum, Unterschrift

––––––––––– 1

ggf. Gutachten im Rahmen eines Widerspruchsverfahrens

Mantelbogen, Prüfungsleistung 10/19, WB, TB, FM, ELT

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XX00-ELT-PK1-191005

Mantelbogen, Prüfungsleistung 10/19, ELT, WB, TB, FM

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Anmerkungen Prüfer:

________________________________ Datum, Unterschrift

Anmerkungen Gutachter:

________________________________ Datum, Unterschrift

Sonstige Anmerkungen:

________________________________ Datum, Unterschrift

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Seite 4

Studiengang

Wirtschaftsingenieurwesen, Aufbaustudiengang Technik, Facility Management

Modul

Elektrotechnik / Elektronik

Art der Leistung

Prüfungsleistung

Klausur-Kennzeichen

XX00-ELT-PK1-191005

Datum

05.10.2019

Bezüglich der Anfertigung Ihrer Arbeit sind folgende Hinweise verbindlich: • Verwenden Sie ausschließlich das vom Aufsichtsführenden zur Verfügung gestellte Papier und geben Sie sämtliches Papier (Lösungen, Schmierzettel und nicht gebrauchte Blätter) zum Schluss der Klausur wieder bei Ihrem Aufsichtsführenden ab. Eine nicht vollständig abgegebene Klausur gilt als nicht bestanden. • Beschriften Sie jeden Bogen mit Ihrem Namen und Ihrer Immatrikulationsnummer. Lassen Sie bitte auf jeder Seite 1/3 der Breite als Rand für Korrekturen frei und nummerieren Sie die Seiten fortlaufend. Notieren Sie bei jeder Ihrer Antworten, auf welche Aufgabe bzw. Teilaufgabe sich diese bezieht. • Die Lösungen und Lösungswege sind in einer für den Prüfer zweifelsfrei lesbaren Schrift abzufassen (kein Bleistift). Korrekturen und Streichungen sind eindeutig vorzunehmen. Unleserliches wird nicht bewertet. • Bei numerisch zu lösenden Aufgaben ist außer der Lösung stets der Lösungsweg anzugeben, aus dem eindeutig hervorzugehen hat, wie die Lösung zustande gekommen ist. • Die Klausur-Aufgaben können einbehalten werden. Dies bezieht sich nicht auf ausgeteilte Arbeitsblätter, auf denen Lösungen einzutragen sind. • Die Klausur bietet einen Wahlbereich: Von den Aufgaben 5 bis 6 ist eine auszuwählen und zu bearbeiten. Sollten Sie dennoch alle Aufgaben lösen, so wird immer nur die Aufgabe 5 zur Bewertung herangezogen. Zur Prüfung sind bis auf Schreib- und Zeichenutensilien ausschließlich die nachstehend genannten Hilfsmittel zugelassen. Werden andere als die hier angegebenen Hilfsmittel verwendet oder Täuschungsversuche festgestellt, gilt die Prüfung als nicht bestanden und wird mit der Note 5 bewertet. Bearbeitungszeit:

120 Minuten

Hilfsmittel:

Anzahl Aufgaben:

–5–

Höchstpunktzahl:

– 100 –

Studienbriefe; Taschenrechner; Formelsammlung ELT der HFH

Wahl Aufgabe max. Punktezahl

1

2

3

4

5

6

∑

20

20

20

20

20

20

100

Viel Erfolg! Klausuraufgaben, Prüfungsleistung 10/19, ELT, WB, TB, FM

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Klausuraufgaben, Prüfungsleistung 10/19, ELT, WB, TB, FM

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Aufgabe 1

20 Punkte

Gegeben ist die rechts abgebildete Gleichstromschaltung mit R = 1 kΩ , R1 = 2 kΩ und R 2 = 3 kΩ .

1.1

Berechnen Sie die Ströme I , I 1 und I 2 , wenn die angelegte Spannung U = 12 V beträgt. Kontrollieren Sie den Stromwert I mithilfe der Knotenregel.

9

1.2

Welches Verhältnis der Spannungen über die Widerstände R und R12 (wobei R12 der Ersatzwiderstand der Parallelschaltung aus R1 und R 2 ist) stellt sich ein, wenn alle Einzelwiderstände gleich groß sind?

7

1.3

Wie groß sind die Ströme I , I1 und I 2 , wenn R kurzgeschlossen wird?

4

Aufgabe 2

20 Punkte

Gegeben ist der magnetische Kreis eines unverzweigten symmetrischen Eisenkerns mit zwei Spulen und einem Luftspalt (s. Skizze rechts, alle Angaben sind in mm).

45

45

I1

Alle Schenkel besitzen den gleichen Querschnitt. Die magnetische Feldstreuung kann vernachlässigt werden.

2

N2

N1

30

I2

10 2.1

Zeichnen Sie den mittleren Feldlinienverlauf im Eisenkern mit Richtungsangabe. Zeichnen Sie die magnetische Ersatzschaltung und kennzeichnen Sie den Fluss und die Durchflutungsrichtungen (Richtungsangabe). Benutzen Sie hierfür das beiliegende Arbeitsblatt.

5

2.2

Gesucht ist der Strom I 2 bei I 1 = 1,5 A und den Windungszahlen N1 = 1000 und N 2 = 1500 , wenn die magnetische Induktion B (magnetische Flussdichte) im Kern 1,3 T beträgt und der Eisenkern aus Elektroblech V360-50 B besteht.

11

2.3

Wie viele Prozent der Durchflutung entfallen auf den Luftspalt?

4

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Klausuraufgaben, Prüfungsleistung 10/19, ELT, WB, TB, FM

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Aufgabe 3

20 Punkte

Eine Parallelschaltung besteht aus 2 Glühlampen (je 12 V/3 W), von der die eine über einen Kondensator (C = 100 µF), die andere über eine Drossel ( L = 150 mH ) in Serie miteinander verbunden ist. Vor dem Schließen des Schalters ist der Kondensator vollständig entladen.

3.1

Welche Spannungen werden sich an den 4 Bauelementen einstellen, jeweils kurz nach dem Einschalten ( t = +0 ) und im stationären Zustand (t → ∞ )?

8

Werte sind in die vorgesehenen Felder auf dem Arbeitsblatt einzutragen

3.2

Wie lauten die Lampenspannungen jeweils als Funktionen (ohne Zahlenwerte) der Zeit ( U Lam,C = fC (t ); U Lam,L = fL (t ) ) ?

6

3.3

Skizzieren Sie die beiden Funktionen in einen Graphen (Maßstab: 1 cm/2 V und 1 cm/1 ms).

5

3.4

Zu welchem Zeitpunkt haben die beiden Lampen die gleiche Helligkeit (zeichnerische Ermittlung des Ergebnisses aus der Skizze zu Teilaufgabe 3.3)?

1

Aufgabe 4

20 Punkte I

Eine verlustbehaftete Spule mit R = 50Ω , L= 100 mH und ein Kondensator mit C = 820 nF liegen an einer Wechselspannung mit

R

UR

L

UL

C

UC

U

U = 50 V , ϕ u = 0 ° und f = 400 Hz (s. Skizze).

4.1

Wie groß sind der Scheinwiderstand Z , die Stromstärke I und der Phasenverschiebungswinkel ϕ ?

4.2

Hat die Schaltung induktiven oder kapazitiven Charakter?

4.3

Berechnen Sie die Teilspannungen U R , U L und U C (in Betrag und Phase).

4.4

Zeichnen Sie das vollständige quantitative U-I -Zeigerdiagramm und das Widerstandsdreieck. Für das U-I -Zeigerdiagramm soll der Strom phasenrichtig (gemäß den Resultaten der vorherigen Teilaufgaben) eingezeichnet werden. Für Strom, Spannung und Widerstand sind folgende Maßstäbe zu wählen:

mi =

0,05A , cm

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mu =

10V cm

und

mR,X =

6 1,5 6 6,5

50 Ω . cm

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Klausuraufgaben, Prüfungsleistung 10/19, ELT, WB, TB, FM

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Wahlaufgaben Aus den beiden folgenden Aufgaben können Sie eine Aufgabe zur Bearbeitung auswählen. Treffen Sie eine eindeutige Wahl! Wichtig: Ist die Wahl nicht eindeutig erkennbar (d. h. beide Aufgaben wurden bearbeitet), wird immer nur die Aufgabe 5 gewertet.

Aufgabe 5

20 Punkte

Wahlaufgabe I

Ein Drehstrommotor wird am 400 V/50 Hz-Drehstromnetz mit Pab = 22 kW belastet. Dabei hat er den Wirkungsgrad η = 91,7 % und den Leistungsfaktor cos ϕ 1 = 0,8 .

5.1

Bestimmen Sie die vom Netz aufgenommene Wirk-, Blind- und Scheinleistung.

8

5.2

Welcher Strom fließt in den Motorzuleitungen?

3

5.3

Der Motor soll durch Kondensatoren in Dreieckschaltung auf cos ϕ 2 = 0,95 kompensiert werden. Welche Kapazität C ∆ muss dazu vorgesehen werden?

7

5.4

Bei einem Drehstromasynchronmotor soll die Drehzahl einstellbar sein. Welche Größen sind hierfür geeignet? Geben Sie auch den maßgeblichen Zusammenhang, der diese Eigenschaften beschreibt, in einer Gleichung an.

2

Aufgabe 6 Der abgebildete symmetrische Verbraucher in Dreieckschaltung wird von einem symmetrischen Drehstromnetz bei U = 400 V f = 50 Hz gespeist. Der Strangwiderstand der reinohmschen Verbraucher beträgt R = 20 Ω.

I1

L1

I12

U 12

R

U 31

U 23

R

I2

I3

L3 L2

6.1

20 Punkte

Wahlaufgabe II

I2

I 31

R

I 23

I 23

I12

I3 I31

I1

Bestimmen Sie die Beträge der Außenleiterströme und deren Phasenwinkel bezüglich der Spannung U 12 (Bezugsgröße). Beschreiben Sie in kurzen Sätzen die Phasenlagen der Außenleiterströme gegenüber U 12 .

15

Hinweise zur Phasenlage der Ströme entnehmen Sie dem Zeigerbild. 6.2

Wie ändern sich die drei Außenleiterströme, wenn die Zuleitung L2 unterbrochen wird? Beschreiben Sie in kurzen Sätzen die Phasenlagen der Außenleiterströme gegenüber U 31 .

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5

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Arbeitsblatt, Prüfungsleistung 10/19, ELT, WB,TB, FM

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Name, Vorname, Matrikel-Nr.

Arbeitsblatt der Klausur Dieses Aufgabenblatt ist zugleich Teil Ihrer Arbeitsblätter. Tragen Sie bitte oben Ihren Namen und Ihre Matrikel-Nummer ein und geben Sie dieses Blatt in jedem Fall zusammen mit Ihren übrigen Arbeitsblättern ab.

Zu Aufgabe 2.1:

Magnetische Ersatzschaltung:

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Arbeitsblatt, Prüfungsleistung 10/19, ELT, WB,TB, FM

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Zu Aufgabe 3.1:

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Seite 2/2

Korrekturrichtlinie zur Prüfungsleistung Elektrotechnik / Elektronik am 05.10.2019 Wirtschaftsingenieurwesen, Aufbaustudiengang Technik, Facility Management XX00-ELT-PK1-191005 Für die Bewertung und Abgabe der Prüfungsleistung sind folgende Hinweise verbindlich:

• Die Vergabe der Punkte nehmen Sie bitte so vor, wie in der Korrekturrichtlinie ausgewiesen. Eine summarische Angabe von Punkten für Aufgaben, die in der Korrekturrichtlinie detailliert bewertet worden sind, ist nicht gestattet. • Nur dann, wenn die Punkte für eine Aufgabe nicht differenziert vorgegeben sind, ist ihre Aufschlüsselung auf die einzelnen Lösungsschritte Ihnen überlassen. • Stoßen Sie bei Ihrer Korrektur auf einen anderen richtigen als den in der Korrekturrichtlinie angegebenen Lösungsweg, dann nehmen Sie bitte die Verteilung der Punkte sinngemäß zur Korrekturrichtlinie vor. • Rechenfehler sollten grundsätzlich nur zur Abwertung des betreffenden Teilschrittes führen. Wurde mit einem falschen Zwischenergebnis richtig weitergerechnet, so erteilen Sie die hierfür vorgesehenen Punkte ohne weiteren Abzug. • Ihre Korrekturhinweise und Punktbewertung nehmen Sie bitte in einer zweifelsfrei lesbaren roten Schrift vor. • Die von Ihnen vergebenen Punkte und die daraus sich gemäß dem nachstehenden Bewertungsschema ergebende Bewertung tragen Sie bitte in den Klausur-Mantelbogen ein. Unterzeichnen Sie bitte Ihre Bewertung auf dem Mantelbogen. • Gemäß der Prüfungsordnung ist Ihrer Bewertung das folgende Bewertungsschema zu Grunde zu legen: Punktzahl

Note

von

bis einschl.

95 90 85 80 75 70 65 60 55

100 94,5 89,5 84,5 79,5 74,5 69,5 64,5 59,5

1,0 1,3 1,7 2,0 2,3 2,7 3,0 3,3 3,7

sehr gut sehr gut gut gut gut befriedigend befriedigend befriedigend ausreichend

50 0

54,5 49,5

4,0 5,0

ausreichend nicht ausreichend

• Die korrigierten Arbeiten reichen Sie bitte spätestens bis zum

23.10.2019 in Ihrem Studienzentrum ein. Dies muss persönlich oder per Einschreiben erfolgen. Der angegebene Termin ist unbedingt einzuhalten. Sollte sich aus vorher nicht absehbaren Gründen eine Terminüberschreitung abzeichnen, so bitten wir Sie, dies unverzüglich dem Prüfungsamt der Hochschule anzuzeigen (Tel. 040 / 35094-318 bzw. [email protected]). Korrekturrichtlinie, Prüfungsleistung 10/19, ELT, WB, TB, FM

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Korrekturrichtlinie, Prüfungsleistung 10/19, ELT, WB, TB, FM

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Bitte beachten Sie: Die jeweils im Lösungstext angeführten Punkte ( Aufgabe zu vergeben sind.

Lösung 1 1.1

) geben an, für welche Antwort die einzelnen Teilpunkte für die

vgl. SB 1: Kap. 1.2 u. 2

20 Punkte

Der Gesamtwiderstand ist nach Gl. (2.2) und Gl. (2.7):

R ⋅R R ges = R + R12 = R + 1 2 R1 + R2 ⇒ Rges = 1kΩ +

2kΩ ⋅ 3kΩ = 1kΩ + 1,2kΩ = 2,2kΩ . 2kΩ + 3kΩ

1

1

Nach dem OHMschen Gesetz Gl. (1.17) ist der Strom: I =

U 12 V = ≈ 5, 45 mA . Rges 2,2 ⋅ 103 Ω

1,5

Die Ausgangsspannung U 2 ist: U 2 = R12 ⋅ I = 1, 2 kΩ ⋅ 5,45 mA = 6,54 V bzw. alternativ U 2 = U – U R = U – R ⋅ I = 12 V–1kΩ ⋅ 5,45 mA = 6,55 V .

1,5

Somit sind die gesuchten Ströme:

U 2 6,55 V = = 3, 275 mA R1 2 kΩ

1,5

U 6,55V ≈ 2,18mA . I2 = 2 = 3kΩ R2

1,5

I1 =

Kontrolle mit der Knotenregel nach Gl. (2.4): I = I1 + I 2 = 3, 275 mA + 2,18 mA ≈ 5,45 mA.

1.2

1

Das gesuchte Verhältnis der Spannungen ist: UR R⋅ I R = = UR12 R12 ⋅ I R12

4

⇒

UR R = U R12 1 R 2

2

⇒

UR =2. U R12

1

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Korrekturrichtlinie, Prüfungsleistung 10/19, ELT, WB, TB, FM

1.3

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Bei kurzgeschlossenem R handelt es sich um eine reine Parallelschaltung, somit ist:

U ′′ 12 V U 2′ =U =12 V (1) ⇒ I1′′ = 2 = = 6 mA (1) R1 2 kΩ

2

U ′′ 12 V = 4 mA I′2′ = 2 = R 2 3 kΩ

1

I ′ = I 1′ + I ′2′ = 10 mA .

1

Lösung 2

vgl. SB 2: Kap. 2.3 - 2.5

20 Punkte

2.1

2

Magnetische Ersatzschaltung:

3

2.2

Da die Feldstreuung im Luftspalt vernachlässigbar ist, ist im magn. Kreis: BFe = BLuft = B .

1

Die magn. Feldstärke H ist im unverzweigten Kreis überall gleich. Aus B = 1,3 T folgt aus der Magnetisierungskennlinie Abb. 2.21 SB 2 für Elektroblech V360-50B:

A A HFe = 5 = 500 . cm m

1,5

Nach der Materialgleichung (2.22) gilt: HLuft =

B

µ0

=

1,3 Vs ⋅ Am 2

m ⋅ 0,4 π ⋅ 10

–6

≈ 1,035 ⋅ 10 6 Vs

A . m

1,5

Mithilfe vom Durchflutungsgesetz (Gl. (2.17) bzw. (2.18)) kann der unbekannte Strom ermittelt werden: N1 ⋅ I1 + N2 ⋅ I 2 = HLuft ⋅ lLuft + 2 HFe ⋅0,04 m + 2 HFe ⋅0,02 m + HFe ⋅0, 082 m XX00-ELT-PK1-191005

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2 Seite 3/10

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=1, 035 ⋅10 6

2.3

A A A A ⋅ 0, 002 m + 2 ⋅ 500 ⋅0,04 m + 2 ⋅ 500 ⋅ 0,02 m + 500 ⋅ 0,082 m m m m m

1

= 2070 A + 40 A + 20 A + 41 A = 2171 A .

1

⇒ 1000 ⋅ 1,5A + 1500 ⋅ I 2 = 2171A ⇒ 1500⋅ I 2 = 2171A–1500 A = 671A

2

⇒ I2 ≈ 0, 45 A .

1

HLuft ⋅ lLuft 2070 A ⋅ 100 = ⋅ 100 ≈ 95,3% . H ges ⋅ l ges 2171A

4

Lösung 3 3.1

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vgl. SB 3, Kap. 2.3.1 u. 2.4.1

20 Punkte

Unmittelbar nach dem Schalten: Der Kondensator wirkt im Schaltmoment wie ein Kurzschluss (vgl. Kap. 2.3.1), daher wird für die Lampe die volle Spannung zur Verfügung stehen können, beim Kondensator hingegen entsteht kein Spannungsabfall. Die stromlose Induktivität wirkt im Schaltmoment wie eine Stromkreisunterbrechung (vgl. Kap. 2.4.1). Es fließt kein Strom, d. h. volle Spannung liegt lediglich an der Induktivität.

Lange nach dem Schalten: Der Kondensator wirkt im stationären Zustand wie eine Stromkreisunterbrechung (vgl. Kap. 2.3.1), es fließt in diesem Kreis kein Strom mehr, daher fällt keine Lampenspannung ab. Die Induktivität wirkt im stationären Zustand wie ein Kurzschluss (vgl. Kap. 2.4.1), die Lampe erhält volle Quellspannung.

8

3.2

Die Spannung am Kondensator entwickelt sich gemäß Gl. (2.19) wie folgt: t   – RLam⋅ C . u C( t) = Uq ⋅ 1 – e    

1

Gemäß Maschensatz (SB 1, Gl. (1.19)) i...