ELT-PK1-191207 - Klausur PDF

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Summary

Mantelbogen ,Prüfungsleistung 12 /1 9 , ELT, WB, TB, FM, MA, ME© 2019 HFH · Hamburger Fern-Hochschule GmbH XX00-ELT-PK1-Name, VornameMatrikel-Nr.StudienzentrumStudiengangWirtschaftsingenieurwesen, Aufbaustudiengang Technik, Facility Management, Maschinenbau, MechatronikModul Elektrotechnik / Elektro...

Description

Name, Vorname Matrikel-Nr. Studienzentrum Studiengang

Wirtschaftsingenieurwesen, Aufbaustudiengang Technik, Facility Management, Maschinenbau, Mechatronik

Modul

Elektrotechnik / Elektronik

Art der Leistung

Prüfungsleistung

Klausur-Kennzeichen

XX00-ELT-PK1-191207

Datum

07.12.2019

Ausgegebene Arbeitsbögen _______

Abgegebene Arbeitsbögen _______

Ausgegebene Arbeitsblätter ___1__

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. Gutachter 1

_________________________________________

__________________________________________

Prüfer (Name in Druckbuchstaben)

Datum, Unterschrift

_________________________________________

__________________________________________

ggf. Gutachter (Name in Druckbuchstaben)

Datum, Unterschrift

––––––––––– 1

ggf. Gutachten im Rahmen eines Widerspruchsverfahrens

Mantelbogen, © 2019 HFH · Hamburger Fern-Hochschule GmbH Prüfungsleistung 12/19, ELT, WB, TB, FM, MA,ME

XX00-ELT-PK1-191207

Mantelbogen , Prüfungsleistung 12/19, ELT, WB, TB, FM, MA, ME

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Anmerkungen Prüfer:

________________________________ Datum, Unterschrift

Anmerkungen Gutachter:

________________________________ Datum, Unterschrift

Sonstige Anmerkungen:

________________________________ Datum, Unterschrift

XX00-ELT-PK1-191207

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Seite 4

Studiengang

Wirtschaftsingenieurwesen, Aufbaustudiengang Technik, Facility Management, Maschinenbau, Mechatronik

Modul

Elektrotechnik / Elektronik

Art der Leistung

Prüfungsleistung

Klausur-Kennzeichen

XX00-ELT-PK1-191207

Datum

07.12.2019

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

1

2

3

4

5

6



max. Punktezahl

20

20

20

20

20

20

100

Viel Erfolg!

Klausuraufgaben, Prüfungsleistung 12/19, ELT, WB, TB, FM, MA, ME

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XX00-ELT-PK1-191207

Klausuraufgaben, Prüfungsleistung 12/19, ELT, WB, TB, FM, MA,ME

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Aufgabe 1

20 Punkte

Gegeben ist die abgebildete Gleichstromschaltung. Dabei betragen

I*

I

I = 10 mA,

U

R2 = 4,7 k  ,

R2

R1

R3 = 6,8 k  und

R3

I1

der Strom in unterem Zweig 7 mA (s. Skizze).

7 mA

1.1

Bestimmen Sie die Klemmenspannung U und den Widerstand R1.

8

1.2

Ermitteln Sie den Gesamtwiderstand R der Schaltung und kontrollieren Sie das Ergebnis über das OHMsche Gesetz.

3

1.3

Bestimmen Sie die Gesamtleistung P sowie die Teilleistungen P1 , P2 und P3 .

6

1.4

Angenommen in der obigen Parallelschaltung wird ein Widerstandswert verändert, so dass der angegebene Strom von 7 mA dadurch kleiner wird. Die Spannung U bleibt dabei unverändert. Ist der Gesamtwiderstand R dann größer, gleich oder kleiner geworden? Begründen Sie kurz Ihre Aussage.

3

Aufgabe 2

20 Punkte

Die in der Abbildung dargestellte Kondensatorschaltung wird durch die Spannungsquelle Uq aufgeladen und anschließend wird der Schalter S geöffnet. Danach ( t  0 s ) wird am Kondensator C1 die Spannung U1  60 V gemessen. Die Kapazitäten der Kondensatoren betragen: C1  6 µF , C2  2 µF , C 3  1,5 µF , C4  3 µF und C5 1 µF .

S

A C1

Uq

U AB

C4

C2 C3

B

iC C UCB

C5

B

2.1

Wie groß sind jetzt die Spannungen U AB und UCB ?

8

2.2

Wie groß ist die insgesamt aufgebrachte Ladungsmenge Q ?

8

2.3

Welche Energie W hat die Kondensatorschaltung aufgenommen?

4

Lösungshinweis: Falls Sie in Aufgabenteil 2.1 bzw. 2.2 kein Ergebnis ermitteln konnten, gehen Sie von U AB  345 V bzw. Q  0,8 mC aus. (Diese Werte entsprechen nicht der regulären Lösung.)

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Aufgabe 3

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20 Punkte

Der Eisenkern einer Drosselspule gemäß Zeichnung hat bei den äußeren Schenkeln eine Querschnittsfläche von A1  A3  160 mm2 . Der Eisenkern mit der Erregerspule ( N  150 Windungen) hat eine 2 Querschnittsfläche von A2  320 mm . Der Eisenkern ist ohne Luftspalt eingepresst. Das ganze Gebilde hat eine Induktivität von L1  180 mH .

3.1

Erstellen Sie die elektrische Ersatzschaltung für die Anordnung.

4

3.2

Wie sieht die elektrische Ersatzschaltung aus, hätte der mittlere Eisenkern oben und unten einen Luftspalt mit der Länge von jeweils  2 ?

6

3.3

Bei welcher Luftspaltlänge 2 sinkt die Induktivität auf 40 mH ab?

10

Aufgabe 4

20 Punkte

In der unten dargestellten Kondensatorschaltung betragen C  0,5 μF , R  1 kΩ und U  5 V . Zum Zeitpunkt t  0 wird der Schalter S1 geöffnet und der Kondensator von der Spannungsquelle getrennt (dabei bleibt der Schalter S2 geschlossen).

4.1

Bestimmen Sie die Entladezeitkonstante  in ms .

5

4.2

Bestimmen Sie die Zeit t * , in der nach dem Öffnen von S1 die Kondensatorspannung auf u C (t *)  1 V gefallen ist, in ms .

10

4.3

Zu einem späteren Zeitpunkt t  0 wird der Schalter S2 geöffnet und damit der Entladevorgang abgebrochen. Bestimmen Sie den Kondensatorstrom iC (t*) in mA, d. h. den Strom zum in Teilaufgabe 4.2 bestimmten Zeitpunkt t * .

5

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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

Wahlaufgabe I

20 Punkte

Ein kapazitiver Spannungsteiler mit den Kapazitäten C1  500 nF und C2  1μF liegt am Netz U ein  230 V , f  50 Hz und wird mit einem ohmsch-induktiven Verbraucher belastet (siehe Abbildung).

5.1

Bestimmen Sie die Ausgangsspannung U aus des unbelasteten Teilers.

7

5.2

Geben Sie die Schaltung im komplexen Bereich (Frequenzbereich) an.

3

5.3

Um das Wievielfache ändert sich die Ausgangsspannung U aus , wenn der Teiler gegenüber dem unbelasteten Zustand mit einer ohmsch-induktiven Last mit R  10 k Ω und L  20 H , wie in der Skizze, belastet wird?

10

Lösungshinweis: Verwenden Sie die Spannungsteilerregel. Die komplexe Rechnung ist erforderlich.

Aufgabe 6

Wahlaufgabe II

20 Punkte

In einer Fabrik sind am 400/230 V – 50 Hz-Netz drei Verbrauchergruppen installiert, so dass der Gesamtstrom gleich der Summe der Ströme der drei Verbrauchergruppen ist: I  I I  I II  I III . I) 80 Drehstrom-Motoren zu je 1,5 kW mit cos I  0,85 und  I  79 % . II) 15 Drehstrom-Motoren zu je 7,5 kW mit cos II  0,89 und II  88 % . III) Elektrowärme- und Beleuchtungsgeräte 50 kW mit cos  III  1 . Es kann angenommen werden, dass bei der Höchstbelastung 70 % der Motoren mit Bemessungslast und alle Elektrowärme- und Beleuchtungsgeräte in Betrieb sind.

6.1

Berechnen Sie die gesamte aufgenommene Wirk-, Blind- bzw. Scheinleistung sowie den Gesamtstrom und den Gesamtleistungsfaktor.

11

6.2

Berechnen Sie die Ströme I I , I II und I III , und stellen Sie die Sternspannung U 1n und die drei Anteile I I , I II, I III des Leiterstromes I in einem Zeigerbild quantitativ dar.

9

Wählen Sie als Maßstäbe mi  50 A/cm und mu  70 V/cm . Vergleichen Sie I und  mit den in Teilaufgabe 6.1 berechneten Werten. Benutzen Sie das beiliegende Arbeitsblatt. XX00-ELT-PK1-191207

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Arbeitsblatt , Prüfungsleistung 12/19 , ELT, WB, TB, FM,MA, ME

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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 6.2:

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Korrekturrichtlinie zur Prüfungsleistung Elektrotechnik / Elektronik am 07.12.2019 Wirtschaftsingenieurwesen, Aufbaustudiengang Technik, Facility Management, Maschinenbau, Mechatronik XX00-ELT-PK1-191207 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

27. Dezember 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 , © 2019 HFH · Hamburger Fern-Hochschule GmbH XX00-ELT-PK1-191207 Prüfungsleistung 12/19, ELT, WB, TB, FM, MA, ME

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Bitte beachten Sie: Die jeweils im Lösungstext angeführten Punkte ( ) geben an, für welche Antwort die einzelnen Teilpunkte für die Aufgabe zu vergeben sind.

Lösung 1 1.1

vgl. SB 1: Kap. 1.2 u. 2

20 Punkte

Die Spannung U der Parallelschaltung wird über die bekannten Widerstände R2 || R3 und den Strom I *  7 mA bestimmt. Es gilt nach Gl. (2.7):

R23 

4,7 kΩ  6,8 kΩ R2  R3  2,78 kΩ .  R 2  R3 4,7 kΩ  6,8 kΩ

2

Mit dem OHMschen Gesetz (Gl. (1.17) folgt dann: U  7 mA  R23  7 mA  2,78 kΩ  19,46 V .

2

Über die Knotenregel nach Gl. (1.18) folgt der Strom I 1 : I  I1  7 mA  I1  I  7 mA  10 mA – 7 mA  3 mA .

2

Somit ist

R1  1.2

U 19,46 V   6,487 kΩ I1 3 mA

2

Der Gesamtwiderstand nach Gl. (2.5 b) ist: R

R1 R2 R3 1 1   R2 R3  R1 R3  R1 R2 R 2 R3  R1R3  R1R2 1 1 1   R1 R 2 R3 R1R2R3

R 

6,485 kΩ  4,7 kΩ  6,8 kΩ  1, 946 kΩ . 4,7 kΩ 6,8 kΩ 6,485 kΩ 6,8 kΩ 6,485 kΩ 4,7 kΩ

2

Kontrolle:

R 1.3

U 19,46 V   1,946 kΩ . 10 mA I

1

Leistungsbestimmung mit Gl. (1.16):  P  U  I  19,46 V 10  10 3 A  194,6 mW  0,1946 W ,

P1  U  I1  19,46 V  3  10

3

A  58,38 mW ,

1,5 1,5

P2 

U 2 (19, 46 V) 2   80 ,57 mW und R2 4 ,7 103 Ω

1,5

P3 

U 2 (19, 46 V) 2   55 ,69 mW . R3 6,8 103 Ω

1,5

Kontrolle: P1  P2  P3   58, 38 80, 57  55, 69 mW  194,64 mW .

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1.4

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R wird größer (1,5). Der Widerstand R2 || R3 muss nach dem OHMschen Gesetz bei gleicher Spannung größer werden, wenn der Strom sinken soll. Somit muss auch R ansteigen (1,5).

3

Alternative richtige Begründungen sind möglich.

Lösung 2 2.1

vgl. SB 2: Kap. 1.4, 1.5.2 u. SB 3: Kap. 2.3

20 Punkte

Für die Reihenschaltung gilt mit Gl. (1.18) und Abschnitt 1.4.3 aus SB 2: Q1  C1  U1

  Q2  C2 U 2  Q3  C3 U 3   Q 

 Q  6  10

6

As V

 60 V  0, 36 mC .

Q 0,36  10 3 As U2 2   180 V . As C2 2  10 6 V

2

Q 0,36  10 3 As U3  3   240 V . C3 1,5  10 6 As V

2

Aus dem Maschensatz Gl. (1.19) aus SB 1 folgt: U AB  U1  U 2  U 3  60 V  180 V  240 V  480 V .

1

Mithilfe der Spannungsteilerregel für die Kondensatoren folgt:

U CB U AB



C4 C4  C5



3 μF 3  ; 3 μF  1μF 4

2

3 3  UCB  U AB   480 V  360 V . 4 4

1

Begründung: Die in Reihe geschalteten Kondensatoren 4 und 5 werden zu einem Kondensator zusamC C mengefasst mit einer ges. Kapazität von C45  4 5 , einer ges. Ladung von C 4  C5

Q Q 45  Q 4  Q 5 und einer ges. Spannung von U 45  45  U AB . C45 Weiter gilt:

U CB  U 5 

XX00-ELT-PK1-191207

Q5 C5



Q45 C5

und U 45 

Q45 C 45



Q45  U AB . C4  C5 C 4  C5

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 Q45  U AB  

U CB U AB

 U CB 

C4  C5

Q45 C5

U AB  

C4  C5 C 4  C5

C5



U AB  C 4 C4  C5

3 = . C 4  C5 4 C4



 UCB 

2.2

C 4  C5

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3 4

U AB 

3 4

 480 V  360V .

Die Ladungsaufnahme der Reihenschaltung aus C1, C2 und C 3 beträgt: 

Q  Q1  Q2  Q3  0,36 mC.

2

Die Ladungsaufnahme der Reihenschaltung aus C4 und C5 muss noch berechnet werden: Q45  UAB  C45 .

C45 

3μF  1μF 3 C4  C5   μF  0,75μF C4  C5 3μF 1μF 4

 Q45  480 V  0,75  10

6

As V

 0, 36 mC .

3 1

Die Gesamtladung ist nach Gl. (1.20) aus SB 2: Q  Q   Q 45  0,36 mC  0,36 mC  0, 72 mC .

2.3

2

Die gesamte gespeicherte Energie ist nach Tab. 2.1 aus SB 3:

W 

C 2

W  W 