Elektrische Maschinen und Wechselstromkreis Flashcards
Welche Arten von elektrischen Maschinen gibt es?
- Generatoren (Dynamomaschinen) -> Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische
- Elektromotoren -> Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische
Worauf beruht die Wirkung von Generator bzw. Motor?
- Generator -> elektromagnetische Induktion
- Motor -> Kraftwirkung eines Magnetfeldes auf elektrische Ströme
Wie funktioniert ein Wechselstromgenerator?
Durch eine in einem Magnetfeld [Stator] rotierende Leiterschleife [Rotor / Läufer] (+ Eisenkern und hohe Windungszahl für hohe Spannungen) wird eine Spannung erzeugt -> der Storm wird an Schleifenringen abgenommen
-> die Induktionsspannung ist nicht konstant, sondern hängt von der jeweiligen Stellung der Schleife im Magnetfeld ab.
=> sie ist proportional der Änderungsgeschwindigkeit des magnetischen Flusses -> Phi=BAcos(phi)
=> Die induzierte Spannung ist eine Sinusfunktion der Zeit. Während einer Periode wechselt sie zweimal das Vorzeichen -> Wechselspannung
Wie funktionier ein Gleichstormgenerator?
Gleiches Prinzip wie beim Wechselstromgenerator (Magnetfeld + rotierende Leiterschleife), der Strom wird allerdings nicht durch Schleifenringe, sonder durch zwei gegeneinander isolierte Halbringe (Kommutator) abgenommen -> haben die Aufgabe die Anschlüsse umzupolen, wenn die Spannung ihre Richtung ändert => es entsteht eine pulsierende Gleichspannung (Richtung konstant aber sinusförmige Schwankung der Stärke)
[Pulsieren lässt sich weitgehend mindern durch Verwendung eines Trommelankers -> viele zueinander versetzte Wicklungen, die jeweils mit den entsprechenden Segmenten des Kollektors verbunden sind]
Wie funktioniert ein Drehstromgenerator?
Es werden drei gleiche, um je 120° versetzte Induktionsspulen verwendet -> liefern drei um je 120° phasenverschobene Wechselspannungen => Drehstorm bzw. Dreiphasenstrom (die algebraische Summe der drei Spannungen (bzw. Ströme) ist in jedem Augenblick null
- die drei Stränge werden in Dreiecks- oder Sternschaltung (in einem Punkt zusammengeschaltet -> Nullleiter) verkettet
[Verwendung: Drehstrom-Sychrongenerator -> großtechnische Energieerzeugung (Kraftwerke) | Drehstrom-Asynchrongenerator -> kleinerer Leistungsbereich wie Windkraftanlagen und Notstromaggregate]
Wie funktionieren Motoren?
Der prinzipielle Aufbau gleicht dem von Generatoren, sie haben jedoch eine umgekehrte Wirkungsweise.
-> an die Ankerwicklung wird eine Spannung gelegt, die den Ankerstrom erzeugt
-> das mag. Feld deines Elektro- oder Permanentmagneten übt auf die stromdurchflossenen Ankerwindungen Kräfte aus
=> es wird ein Drehmoment erzeugt, welches den Rotor in eine Rotationsbewegung versetzt
[M=NIBAsin(omegat) (M -> Drehmoment; N -> Windungsanzahl; I -> Strom; B -> mag. Flussdichte; A -> Fäche einer Windung; omega -> Winkelgeschwindigkeit der Spule =2pif; t- Zeit seit Druchlaufen der Anfangsstellung rechtwinklig zur Richtung des Magnetfeldes)
P=Momega=NIBAomegasin(omegat)]
Welche Eigenschaften haben Wechselstrommotoren?
- Synchronmotor (entspricht Wechselstromgenerator):
- > Frequenz der Wechselspannung bestimmt die Drehzahl des Läufers
- > Motor läuft nicht von allein an, sondern muss erst auf die erforderliche Drehzahl gebracht werden (oder durch besondere Anlaufwicklung)
- > bei Überlastung sinkt nicht die Drehzahl, sondern der Motor bleibt stehen
- > kann als Außenpol- oder Innenpolmaschine gebaut sein
- Universalmotor (Umkehrung des Gleichstromgenerators):
- > kann auch mit Wechselstrom laufen, da die Änderung der Stromrichtung in Feldmagnet und Anker gleichzeitig erfolgt und deshalb ohne Wirkung bleibt
- > die Drehzahl ist unabhängig von der Netzfrequenz, der Motor läuft asynchron
- > Bahnmotor läuft nach dem gleichen Prinzip, ist aber führ größere Leistungen ausgelegt
Welche Eigenschaften haben Gleichstrommotoren?
- Hauptschlussmotor:
- > Feldmagnet und Anker liegen in Reihe
- > beim Einschalten fließt ein großer Strom durch den Anker und damit auch durch den Magneten und gibt dem Motor so ein großes Drehmoment
- > Drehzahl ist stark belastungsabhängig
- > bei zu geringer Belastung kann die Drehzahl sehr ansteigen und der Motor “durchgehen”
- Nebenschlussmotor:
- > Wicklungen von Feldmagnet und Anker liegen parallel
- > beim Einschalten muss der Ankerwicklung ein strombegrenzender Anlasswiderstand vorgeschaltet sein (wird mit steigender Drehzahl -> steigender induzierter Gegenspannung überflüssig)
- > Ankerstrom fließt nicht durch den Magneten -> Erregung ist konstant => Drehzahl des Motors ist nur gering belastungsabhängig
Welche Eigenschaften haben Drehstrommotoren?
- Aufbau entspricht einem Innenpol-Drehstromgenerator
- > Stator besteht aus drei Wicklungen, in denen der Drehstrom ein Drehfeld erzeugt (Storm erreicht in den einzelnen Wicklungen nacheinander sein Maximum)
- > der Rotor benötigt deshalb keine Wicklung
- > das Drehfeld setzt den Rotor in Umdrehung
- > damit im Rotor ein Strom induziert werden kann, muss dieser immer etwas langsamer rotieren als das Drehfeld => Asynchronmotor (relative Drehzahldifferenz = “Schlupf”)
Welche Eigenschaften hat ein Wechselstromkreis?
- Spannung und Stromstärke sind Funktionen der Zeit und änder sich periodisch
- sind neben Gleichstromwiderständen (ohmsche Widerstände) zusätzlich Induktivitäten oder Kapazitäten vorhanden, erreichen Spannung und Stromstärke nicht gleichzeitig ihre Maximalwerte
- Arbeit und Leistung können nicht wie im Gleichstromkreis berechnet werden
Was muss man tun, um im Wechselstromkreis mit Stromstärke und Spannung rechnen zu können?
Man vergleicht den Wechselstrom mit einem Gleichstrom gleicher Leistung und bestimmt so die effektiven (wirksamen) Werte für Spannung und Stromstärke
-> bei konstantem Widerstand ist die Leistung ~I² bzw ~ U²
=> effektiv Wert ergibt sich aus den Quadraten der Momentanwerte
=> zeitlicher Mittelwert ergibt den Effektivwert
- I=î/Wurzel(2)=0,707î
- U=û/Wurzel(2)=0,707û
-> Mit I und U in den Gleichungen des Wechselstromkreises sind immer die Effektivwerte von Stromstärke und Spannung gemeint!
Wie wird der Widerstand eines Leiters in einem Wechselstromkreis berechnet?
Berechnung ist identisch mit der im Gleichstromkreis: R=rho*l/A [rho -> spezifischer Widerstand; l -> Gesamtlänge des Leiters; A -> Querschnittsfläche des Leiters]
-> wird als ohmscher oder auch als Wirkwiderstand bezeichnet
=> Ursache des Widerstandes ist die Struktur des Leiters
Was versteht man unter einem Blindwiderstand?
Widerstand (zusätzlich zum Wirkwiderstand) der die elektrische Energie nicht in Wärme umwandelt.
- > verursacht eine zeitliche Phasenverschiebung zwischen Spannung und Stromstärke
- > der Wert des Blindwiderstandes ist frequenzabhängig
- > die Begrenzung der Amplitude des Wechselstroms, beruht auf der zeitweiligen Energieaufnahme beim Aufbau des magnetischen/elektrischen Feldes => die Energie wird beim Abbau desselben wieder an die Stromquelle zurückgegeben
Was versteht man unter dem Begriff “Scheinwiderstand”?
Die geometrische Summe von Blind- und Wirkwiderstand.
Was versteht man unter einem induktiven Widerstand?
Induktivität L im Stromkreis -> wirkt auf die Änderung des Stroms verzögernd => der Strom erreicht sei Maximum î stets später als die Spannung ihr Maximum û
-> u=omegaLîsin(omegat+pi/2) => zwischen Spannung und Strom besteht eine Phasendifferenz von +pi/2 (in jedem Wechselstromkreis mit reiner Induktivität eilt die Spannung dem Strom um pi/2 | T/4 voraus)
=> Vergleich û=omegaLî | U=RI -> Produkt omegaL wirkt wie ein Widerstand
=> in jedem Wechselstromkreis mit einer Induktivität L gibt es einen Wechselstromwiderstand; man nennt ihn induktiven Widerstand X[L]=omegaL (wächst mit der Frequenz wegen omega=2pi*f)
