Fragensammlung Elektrische Antriebe PDF

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Questions that you need to prepare for the exam...

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Fragensammlung Elektrische Antriebe Erwärmung elektrischer Maschine 1. Isolationsklasse: Maximal zulässiger Dauertemperatur. Die zulässige Erwärmung elektrischer Maschinen ist mit Rücksicht auf die Wärmebeständigkeit der Isolierstoffe begrenzt. Klasse A B F H C

Höchstzulässige Dauertemperatur 105 130 155 180 Über 180

Isolierstoffe

2. Verluste in einer Asynchronmaschine: Elektrisch: Magnetisch: Eisenverluste durch Wirbelströme und Ummagnitisierung des Dynamobleches in Wechselfeld Mechanisch: Mechanische Lager- und Bürstenreibungsverluste 3. Formel (Einmassensystem): Thermischer Widerstand , Rth =

∆ϑ Pv

Thermischer Kapazität , 4. Verschiedene Formen des Wärmetransports Wärmeleitung/Konduktion: Kinetische Energie wird zwischen benachbarten Atomen oder Molekülen ohne Materialtransport transportiert. Strahlung Konvektion 5. ESB und die Formel für den Temperaturverlauf eines Einmassensystems Physikalische Effekte 6. Die Wicklung und das Blechpaket: Zweimassensystem Thermisches ESB mit den Quellen, Widerständen und Kapazitäten Temperaturentwicklung im Kupfer und Blech beim Einsatz des Motors in einem Elektroauto. 7. Temperaturverlauf für den S-6 Betrieb. Betrachtung als Einmassensystem

8. Verschiedene Kühlarten von el. Maschinen. Arten Selbstkühlung Kühlmittel Luft Eigenkühlung Fremdkühlung Wasserstoff

Wasser

Öl

Vorteile Vorteile -geringsten Kosten -durch einen Lüfter wirkungsvoll transportiert -2mal besseres Wärmeabgabevermögen als Luft -Größere Wärmekapazität als Luft und Öl -mehr Wärme aufnehmen ohne die Temperatur wesentlich zunimmt -Größere Wärmekapazität als Luft -isolierende Eigenschaften: bis die spannungsführenden Teile herangeführt werden

Nachteile -Nur bei kleine Leistungen Nachteile -schlechter Wärmeübergang -kleine spezifische Wärmekapazitäten -druckfeste Ausfürhung der Druck der Kühlmittelzuführung -Rückkühlung in entsprechenden Wärmetäuscher ist problematisch Niedrigerer Siedepunkt

9. Sensortypen zur Messung der Temperaturen in elektrische Maschinen Wo, Isolierung?

Asynchronmaschine am Netz-Ortskurve 10. Vollständiges ESB Asynchronmaschine und die Bedeutung der einzelnen Elemente

Elemente R1 ' R2 RFe Xh Xσ 1 ' X σ2

Bedeutung

11. ESB Asynchronmaschine und die Vernachlässigung der Elemente Betrieb



Leerlauf (s=0)



Stillstand (s=1)



Bremsbetrieb(s= ∞ ¿

ESB

Vernachlässigung

Ohmscher Widerstand Grund: sehr klein im Vergleich zum Hauptinduktivität

Hauptreaktanz , X h Grund: X h ≫ X ' σ 2

Anmerkung: in allen Fällen werden Eisenverluste vernachlässigt.

Hauptreaktanz , X h

12. Stern-Dreiecks-Anlauf einer Asynchronmaschine am Netz (Ströme, Spannungen, Drehmoment). Alternativlösungen zur Begrenzung des Anlaufstromes? 13. Skizzieren Sie den Verlauf des Drehmoments einer Asynchronmaschine über dem Schlupf (von s=-1 bis s=+1). Wie verändert sich dieser Verlauf durch das Zuschalten von Widerständen auf der Rotorseite. Kennzeichnen Sie den stabilen Arbeitsbereich der Kennlinie.

14. Skizzieren Sie die Stromortskurve einer Asynchronmaschine mit Berücksichtigung des Statorwiderstandes R1 im Bereich s=0 bis s= . Die Eisenverluste werden nicht berücksichtigt. Geben Sie die Leistungsgerade und die Drehmomentgerade an. Beschreiben Sie mit dieser Ortskurve die Aufteilung der Wirkleistung in den Betriebspunkten s=1 und s = skipp. Geben Sie die Punkte mit max. Drehmoment und max. Abgabeleistung an. Wie werden diese Punkte im Diagramm ermittelt?

Vernachlässigung der Eisenverluste: Die Ortskurve ist nach unten verschoben.

15. Skizzieren Sie die Stromortskurve einer Asynchronmaschine ohne Berücksichtigung des Statorwiderstandes R1 im Bereich s=0 bis s=. Die Eisenverluste werden nicht berücksichtigt. Geben Sie die Leistungsgerade und die Drehmomentgerade an. Beschreiben Sie die Ermittlung eines beliebigen Betriebspunktes sx mit Hilfe einer Schlupfgeraden. Der Betriebspunkt s=1 sei bekannt.

Ermittlung des Betriebpunktes sx: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Ein frei wählbarer Bezugpunkt auf dem Kreis auswählen. Richtungsgerade eintragen, definiert die Richtung der Schlupfgeraden Jede Parallele zur Richtungsgerade kann als Schlupfgerade verwendet werden Eine Gerade BP : s=0 definiert die untere Grenze der Schlupfgeraden Eine Gerade BP : s=1 definiert die obere Grenze der Schlupfgeraden Jetzt erfolgt die Skalierung der Schlupfgeraden Eine Gerade BP : P einzeichnen und Wert des Schlupfes an der Skalierung ablesen Sx mit der Skalierung verbunden und der Wert ablesen

16. Erklären Sie das messtechnische Verfahren, mit dem bei einer Asynchronmaschine im Leerlauf die mechanischen Verluste für eine konstante Drehzahl bestimmt werden können. Wie lassen sich die Eisenverluste von den mechanischen Verlusten trennen? Erklären Sie den im Labor verwendeten Versuchsaufbau. 17. Geben Sie die Gleichung des Kippmoments einer Asynchronmaschine an. Welche Größen bestimmen maßgeblich das Kippmoment und welche gerade nicht?

18. Welche Wirkung hat das Zuschalten von Rotorwiderständen auf den Anlaufstrom und auf das Anlaufmoment? Erklären Sie dies anhand der Stromortskurve

19. Eine Asynchronmaschine befindet sich im Leerlauf und wird jetzt mechanische belastet. Beschreiben Sie die Veränderungen hinsichtlich der Drehzahl (des Schlupfes) und der Ströme im Stator und im Rotor. 20. Wovon hängt bei einem Asynchronmotor die Baugröße im Wesentlichen ab? a) von der Bemessungsleistung? b) von der Bemessungsspannung? c) von dem Bemessungsstrom? d) von dem Bemessungsmoment? e) von der aufgenommenen Leistung? Begründen Sie ihre Antwort 21. Stellen Sie den Wirkleistungsfluss der ASM bei Bemessungsbetrieb dar. Nennen Sie häufig verwendete Vernachlässigungen. Wie können Sie in der Stromortskurve die Blindleistungsaufnahme der Maschine darstellen?

Asynchronmaschine am Frequenzumrichter 22. Beschreiben Sie die die Grundfunktionen des Frequenzumrichters und nennen Sie die wesentlichen Baugruppen 

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Frequenzumrichter für Drehstrommotoren wandeln die meist sinusförmige Wechselspannung des speisenden elektrischen Netzes in eine Wechselspannung mit veränderlicher Frequenz und Amplitude um. Die Eingangsspannung (A) wird vom Gleichrichter gleichgerichtet und mit einem Kondensator spannungsmäßig stabil gehalten (⇒ Gleichspannungszwischenkreis). Die Zwischenkreisspannung wird vom Wechselrichter in eine getaktete periodische Form gewandelt. Das Verfahren beruht auf der sinusbewerteten Pulsweitenmodulation (Sinus PWM). Die wesentlichen Baugruppen sind: Gleichrichter, Zwischenkreis, Wechselrichter mit IGBT Transistoren

23. Wie ist prinzipiell die Statorspannung in Abhängigkeit von der Frequenz einzustellen, damit der Fluss der Maschine konstant bleibt? Wie erreicht man den Feldschwächbereich bei einer Asynchronmaschine?

24. Skizzieren Sie den Verlauf des Dauermoments und des Kippmoments als Funktion der Frequenz (oder der Drehzahl) im Grunddrehzahl- und im Feldschwächbereich. Tragen Sie in das Diagramm auch den Verlauf der Statorspannung und des Flusses ein. Begründen Sie alle Verläufe anhand der jeweiligen Gleichung aus dem Skript.

25. Welche zusätzlichen Verluste treten beim Betrieb der Asynchronmaschine am Frequenzumrichter in der Maschine auf und wie können diese durch Parameter des Frequenzumrichters verändert werden.

26. Erklären Sie die Pulsweitenmodulation. Welche Vorteile hat dieses Verfahren hinsichtlich des Aufbaus des Frequenzumrichters? Mit welcher Maßnahme wird ein nahezu sinusförmiger Stromverlauf erreicht? Welche Probleme können beim Einsatz der Pulsweitenmodulation in Verbindung mit langen Motorleitungen auftreten? 

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Eine Modulationsart, bei der eine technische Größe (z. B. elektrische Spannung) zwischen zwei Werten wechselt. Dabei wird bei konstanter Frequenz der Tastgrad eines Rechteckpulses moduliert, also die Breite der ihn bildenden Impulse. Der ungesteuerte Eingangsgleichrichter erzeugt eine konstante Zwischenkreisspannung- Der nachgeschaltete Wechselrichter bildet sowohl die Frequent als auch – durch Modulation der relativen Pulsbreite- die Amplitude der Spannungs-Grundschwingung.

Vorteile: 1. 2. 3. 4.

Parallelbetrieb von Motoren möglich Fast keine thermischen Zusatzverluste durch Oberschwingungen Geräuscharmer und ruckfreier Lauf auch bei niedrigsten Frequenzen Umrichter geräuchlos

27. Im Praktikum wird der Eckpunkt der Spannungskennlinie von 50Hz auf 70Hz erhöht. Welche Auswirkung hat dies auf den Fluss der Maschine und auf den Leerlaufstrom? Bitte mit entsprechender Formel begründen. 28. Im Praktikum wird zur Einstellung der Spannungskennlinie der Parameter „Boost“ verändert. Welche Wirkung hat diese Änderung und warum ist Sie erfordern. Erklären Sie dies anhand des Ersatzschaltbildes im Leerlauf (s=0).

Synchronmaschine am Netz 29. Erklären Sie die Unterschiede bei den Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien bei Asynchronund Synchronmaschinen. 30. Leiten Sie die Gleichung des Drehmoments einer Synchronmaschine aus der Gleichung der Wirkleistung P1 ab und stellen Sie das Drehmoment einer Synchronmaschine in Abhängigkeit vom Winkel ϑ(Polradwinkel) dar. 31. Welchen Zusammenhang stellen die so genannten V-Kurven bei einer SyM dar? Erklären Sie dies anhand des Diagramms I1 = f(IE) und des Zeigerdiagramms der Ströme. Wie werden diese V-Kurven im Praktikum bestimmt (Versuchsaufbau erklären). Definieren Sie den Strom IE0.

IE0: Leerlauferregerstrom: Der Erregerstrom, der fließen muss, damit im Leerlauf (I1 = 0A) bei Bemessungsdrehzahl U1 = U1N ist. 32. Was versteht man unter Phasenschieber-Betrieb? Erläutern Sie das dazu passende Zeigerdiagramm. 

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Als Phasenschieberbetrieb wird eine Betriebsart der ans Netz synchronisierten Synchronmaschine bezeichnet, bei der fast ausschließlich Blindleistung aus dem Netz bezogen oder in das Netz abgegeben wird. Durch Erhöhen oder Absenken des Erregerstroms wird die Höhe der ans Netz abgegebenen oder aus dem Netz aufgenommenen Blindleistung beeinflusst. Bei Übererregung wird induktive Blindleistung abgegeben (Verhalten wie Kondensator) und untererregt nimmt die Synchronmaschine induktive Blindleistung auf (Verhalten wie Spule). Die Abgabe induktiver Blindleistung entspricht einer Aufnahme von kapazitiver Blindleistung und umgekehrt, gemäß der Bezeichnung der Blindleistungs-Flussrichtung.

33. Leiten Sie ausgehend vom einfachen Ersatzschaltbild der SyM (ohne R1) das Zeigerdiagramm des Statorstromes für einen motorischen Betriebspunkt ab (Gleichungen angeben). Wie können in dem Diagramm Wirk- und Blindleistung ermittelt werden? Erläutern Sie die Auswirkung einer Veränderung des Erregerstromes bei konstanter Wirkleistungsabgabe. 34. Erläutern Sie den wesentlichen konstruktiven Unterschied zwischen einer Vollpol- und einer Schenkelpolmaschine. Welche Unterschiede bestehen hinsichtlich des Drehmoments? 35. Beschreiben und erklären Sie verschiedene Möglichkeiten zur Erzeugung des Polradfeldes 36. Ein Synchrongenerator wird bei Bemessungsleistung übererregt betrieben. Skizieren Sie dazu das Zeigerdiagramm der Ströme und der Spannungen. Erklären Sie den Aufbau des Zeigerdiagramms anhand der Gleichungen der Statorspannung U1 und des Statorstromes I1. 37. Geben Sie die Gleichung des Kippmoments einer Synchronmaschine an. Welche Größen bestimmen maßgeblich das Kippmoment? Skizzieren Sie die Funktion im Motor- und Generatorbereich. Vergleichen Sie diese Gleichung mit der entsprechenden Gleichung der Asynchronmaschine. Was sind die wichtigsten Unterschiede?

Mechanische Systeme 38. Nennen Sie verschiedene „Energiespeicher“ in mechanischen Systemen und geben Sie die zugehörigen Bestimmungsgleichungen an. 39. Erklären Sie die Bestimmungsgleichung für das reduzierte Trägheitsmoment. Wie werden hier die verschiedenen Energiespeicher und Reibungseffekte berücksichtigt? 40. Gegeben sei ein Getriebe mit dem Übersetzungsverhältnis 10. Wie unterscheiden sich die Drehzahlen, die Drehmomente und die Trägheitsmomente auf der Antriebs- und der Lastseite? 41. Beschreiben Sie die verschiedenen Formen von Reibung in mechanischen Systemen.

42. Beschreiben Sie mindestens 5 verschiedene Betriebsarten (S1, S2 u.s.w). Nennen Sie Anwendungsbeispiele dieser Betriebsarten. Betriebsarten Dauerbetrieb S1

Beschreibung und Anwendung Die Betriebsdauer bei konstanter Belastung (Bemessungsleistung) ist so groß, dass der Thermische Beharrungszustand erreicht wird. Pumpen-, Lüfterantriebe

Kurzzeitbetrieb S2

Die Betriebsdauer ist bei konstanter Belastung (Bemessungsleistung) zu kurz um den thermischen Beharrungszustand zu erreichen bzw. zu halten. Während der Stillstandzeit, in der die Maschine nicht unter Spannung steht, erfolgt Abkühlung auf Kühlmitteltemperatur. Haushaltgeräte, Anlasser

Aussetzbetrieb S3

Gleichartige Spiele setzen sich aus der Betriebszeit tB (konstanter Belas-tung mit Bemessungsleistung) und der Stillstandszeit Stt zusammen. Die Zeiten Bt und tSt genügen nicht, um den thermischen Beharrungszustand während eines Spiels zu erreichen! Aufzüge, Krane

Aussetzbetrieb mit Einfluss des Anlaufes auf die Temperatur S4

Es liegt hier (wie bei S3) eine Folge gleichartiger Spiele vor, die sich aus der Anlaufzeit tA, einer Betriebszeit tB mit konstanter Belastung und einer Stillstandszeit tSt zusammensetzt. Die Zeiten genügen nicht, um den thermischen Beharrungszustand während eines Spieles zu erreichen. Das Stillsetzen erfolgt ohne thermische Belastung der Maschine (freier Anlauf).

Aussetzbetrieb mit Einfluss der elektrischen Bremsung auf die Temperatur S5

Es liegt hier (wie bei S4) eine Folge gleichartiger Spiele vor. Es erfolgt je-doch eine zusätzliche Erwärmung durch elektrisches Bremsen. (z.B. Gegenstrombremsung). Zur Betriebsart S5 gehört weiterhin die Angabe der Trägheitsmomente, die Anzahl der Anläufe und die An-gabe der Bremsart.

43. Geben Sie die Definition der effektiven Leistung und des effektiven Drehmoments an. Zeigen Sie die Berechnung anhand eines einfachen Beispiels mit einer Beschleunigungsphase, einer Phase mit konstanter Drehzahl und einer Bremsphase. Zeiten und Werte bitte selbst festlegen. Effektive Leistung: Effektive Drehmoment: 44. Gegeben sein eine Bandanlage mit Beladung, die mittels Motor und Getriebe angetrieben wird. Geben Sie den Verlauf von Motormoment und Motorleistung beim Beschleunigen, bei konstanter Geschwindigkeit und beim Bremsen an. Die Reibungen können vernachlässigt werden. 45. Gegeben sei ein Hubantrieb mit Motor, Getriebe und Seiltrommel und Lastmasse. Geben Sie den Verlauf von Motormoment und Motorleistung beim Beschleunigen, bei konstanter Geschwindigkeit und beim Bremsen an. Die Reibungen können vernachlässigt werden....