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Abitur 20_ _ Technik - Elektrotechnik - Lehrermaterial Vorschlag A eA

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Mustervorschlag_Niedersachsen_BG_Technik_Elektrotechnik_Lehrermaterial

Unterrichtliche Voraussetzungen

Kursfolge in der Qualifikationsphase 12.1 Lerngebiet ET1: Gleich- und Wechselspannungsnetzwerke analysieren 12.2 Lerngebiet ET2: Technische Prozesse steuern 13.1 Lerngebiet ET3: Elektrische Antriebe auswählen und deren Leistungselektronik dimensionieren 13.2 Lerngebiet ET6 (ET4): Technische Prozesse regeln

Bezug der Aufgaben zum Unterricht Durch den vorliegenden Abiturvorschlag werden Inhalte aus 3 Kurshalbjahren bzw. Lerngebieten abgedeckt. Die erforderlichen Kenntnisse sind im Rahmen praxisorientierter Problem- und Auf-gabenstellungen erarbeitet worden. Dabei sind die konkreten Aufgaben dieses Vorschlags im Unterricht aber nicht eingehend behandelt worden. 1. Aufgabe Die Aufgabe bezieht sich auf das Lerngebiet ET1 (Gleich- und Wechselspannungsnetzwerke ana-lysieren). Im Rahmen dieses Lerngebiets wurden den Schülern u.a. anhand der Lernsituation „Analyse und Änderung einer Beleuchtungsanlage mit Leuchtstofflampen“ Grundkenntnisse der Wechselstromtechnik vermittelt. Die elementaren elektrischen Größen und deren Zusammenhän-ge wurden dabei am Beispiel der einfachen Leuchtstofflampenschaltung sowohl theoretisch und rechnerisch als auch anhand praktischer Messübungen erarbeitet. Die Bearbeitung der Aufgabenstellung sollte den Schülern daher gelingen, wenngleich die hierbei zugrunde liegende Tandemschaltung im Unterricht nur angesprochen, aber nicht näher untersucht wurde. Insofern sind insbesondere die in Teilaufgabe 1.4 geforderten Leistungen dem Anforde-rungsbereich III zuzuordnen. 2. Aufgabe Die Aufgabe bezieht sich auf das Lerngebiet ET2 (Technische Prozesse steuern). In diesem Lern-gebiet wurden an unterschiedlichen Lernsituationen (u.a. „Rührkessel“, „Fußgängerampel“ und „Mischanlage“) automatisierte Prozessabläufe mit der Steuerung Siemens SIMATIC S7-300 pro-grammiert und mit Hilfe von Modellen und Anlagensimulatoren realisiert. Dabei wurden die hier abgeprüften Kompetenzen und Inhalte behandelt. Bei dem in der Aufgabe geforderten GRAFCET sind bezüglich der Transitionen und Aktionen kreative Leistungen erforderlich, die im Anforde-rungsbereich III anzusiedeln sind. Der GRAFCET unterscheidet sich hier von den im Unterricht behandelten Beispielen. 3. Aufgabe Die Aufgabe ist dem Lerngebiet ET3 (Elektrische Antriebe auswählen und deren Leistungselektro-nik dimensionieren) zuzuordnen. Im Unterricht wurden die zur Lösung der Aufgabe erforderlichen Kompetenzen und Inhalte anhand der Lernsituation „Modernisierung eines drehzahlgesteuerten Pumpenantriebs für einen Gartenbaubetrieb“ vermittelt. In Teilaufgabe 3.4 dieses Prüfungsvor-schlags verlangt die Aufgabenstellung das Dokumentieren eines komplexen Sachverhaltes durch Darstellen entscheidender Skizzen, Erklärungen und Herleitungen. Die Zuordnung zum Anforde-rungsbereich III ist somit begründet.

Kommentiert [K1]: Um die Zuordnung der Prüfungsleistung zu den Anforderungs-bereichen und ihre Angemessenheit insgesamt nachzuweisen, ist der Bezug zu den im Unterricht behandelten Lerngebieten in angemessenem Umfang zu beschreiben.

Kommentiert [K2]: Bei scheinbaren Unstimmigkeiten zwischen einem Operator und dem ihm zugeordneten Anforderungsbereich sollten diese in den Unterrichtlichen Voraussetzungen begründet werden.




Erwartungshorizont

Teil-

aufgabe

Erwartete Schülerleistungen

Anforderungsbereiche

Bewertung

I II III Σ

1.1 Nennen der fachlichen Bezeichnung der vorgefundenen Leuchtstofflampenschaltung (► Tandemschaltung).

Erklären, warum bei einem Defekt immer zwei der vier eingesetzten Leuchtstofflampen gleichzeitig ausfallen.

1 4

5

1.2 Zeichnen des vollständigen Ersatzschaltbildes der Lam-penschaltung.

Zeichnen des qualitativen Zeigerdiagramms der Spannun-gen.

Berechnen des Leistungsfaktors cos φ, der Induktivität LV, der Spannungen ULa1 und ULa2 an den Leuchtstofflampen, der Widerstände RLa1 und RLa2 und der Leistungen PLa1 und PLa2.

Beurteilen der Ergebnisse im Vergleich zu den Angaben auf dem Leistungsschild.

4 6

16 2

28

1.3 Begründen des Zuschaltens eines Kondensators zwischen L1 und N.

Erklären des Unterschieds zwischen einer Parallel- und einer Reihenkompensation in Bezug auf den jeweils flie-ßenden Strom.

Beurteilen einer möglichen Anwendung der Reihenkom-pensation alternativ zur vorgeschlagenen Parallelkompen-sation für den konkreten Fall.

6 4

3

13

1.4 Zeichnen des erweiterten Ersatzschaltbildes mit parallel geschaltetem Kondensator.

Rechnerisches Überprüfen des insgesamt fließenden Stromes IK der erweiterten Schaltung mit Kondensator.

Entwickeln des quantitativen Zeigerdiagramms der Span-nungen und der Ströme.

Grafisches Überprüfen des Phasenverschiebungswinkels φK und des zugehörigen Leistungsfaktors cos φK.

Erläutern, in welcher Weise sich die Parallelschaltung des vorhandenen Kondensators auf die elektrischen Größen auswirkt.

4

3

8 8 2

25

1.5 Nennen der zur abschließenden Beurteilung des Erweite-rungsvorschlags relevanten Vorgaben in den TAB.

Entsprechendes Einordnen der Beleuchtungsanlage in dem Großraumbüro ohne bzw. mit zugeschaltetem Kon-densator.

Abschließendes Beurteilen der Dimensionierung des Kon-densators.

4

3

2

9

Summen 1. Aufgabe 23 34 23 80

Kommentiert [K3]: Es ist ein aussagekräftiger Erwartungshorizont mit Zuordnung zu den Anforderungsbereichen anzugeben. Es werden die we-sentlichen Bearbeitungsschritte der Schülerinnen und Schüler stichpunktartig aufgeführt. Diesen werden die Punkte unterteilt nach Anforderungsbereichen zugeordnet. Im Erwartungshori-zont sollten ggf. auch alternative Lösungswege angedeutet werden.

Kommentiert [K4]: Bei der Erstellung des Erwartungshorizonts ist darauf zu ach-ten, dass die Operatoren in den erwarteten Schülerleistungen den Anforderungsbereichen entsprechen.

Kommentiert [K5]: Die erste Teilaufgabe sollte nicht dem Anforderungsniveau III zugeordnet werden.

Kommentiert [K6]: Je Aufgabe müssen alle drei Anforderungsbereiche abgebildet werden; die Einordnung in diese erfolgt unter Berücksichtigung des bisherigen Unterrichtes.




Teil-

aufgabe

Erwartete Schülerleistungen

Anforderungsbereiche

Bewertung

I II III Σ

Übertrag (1. Aufgabe) 23 34 23 80

2.1 Zeichnen des Steuerstromkreises mit SPS für die spei-cherprogrammierte Steuerung einschließlich der notwen-digen Freigabekontakte des NOT-HALT-Schützes Q0.

16

16

2.2 Entwickeln des GRAFCET nach DIN EN 60848 für den Betrieb der Autowaschstraße: ► Schrittkette, ► Transitionsbedingungen und Aktionen.

6

16

22

2.3 Entwerfen der STEP7-Programmierung in FUP für … ► … den Initialschritt (M1.0) und Richtimpuls (M100.1), ► … den Schritt 2 (M2.0), ► … die Ausgangszuweisung Leuchtmelder P2 (A5.2), ► … die Ausgangszuweisung Ventil Q5 (A4.5).

7 6 3 2

2 2

22


3.1 Bestimmen der Baugröße des einzubauenden Motors.

Bestimmen der zugehörigen Bemessungsgrößen: Pn, nn, In, Mn, ηn und cos φn.

Überprüfen, ob bei dem gewählten Motor ein direkter Mo-torstart mit Schütz am 400 V-Drehstromnetz zulässig wäre.

1 6

8

15

3.2 Darstellen der besonderen Merkmale des Motorbetriebs mit Frequenzumrichter (► min. 7 Merkmale).

Stellung nehmen zu der vorgesehenen Motorsteuerung mit Frequenzumrichter im Vergleich zu alternativen Antriebs-steuerungen wie direkter Motorstart mit Schütz, Stern-Dreieck-Starter oder Sanftanlaufgerät (Softstarter) unter Berücksichtigung des konkreten Anwendungsfalls.

7

7

14

3.3 Skizzieren von zwei zeitlichen Spannungsverläufen der Ausgangsspannung UIII bei den Frequenzen f1 = 50 Hz und f2 = 25 Hz.

Erklären der grundlegende Funktionsweise eines Fre-quenzumrichters anhand des Prinzipschaltbildes und der skizzierten Spannungsverläufe.

5

2 9

16

3.4 Dokumentieren der Auswirkungen des Spannungsstell- und des Feldstellbereichs auf das Betriebsverhalten des Drehstrommotors anhand der qualitativen U/f- und M/f-Kennlinie des Frequenzumrichters.

15

15


Gesamtsummen 58 84 58 200

% 29 42 29 100





Kommentiert [K11]: Bezogen auf die gesamte Prüfungsaufgabe (Klausur) müssen die drei Anforderungsbereiche ungefähr im Verhältnis 30 % - 40 % - 30 % stehen.




Umrechnung der Gesamtpunkte in KMK-Punkte Die Umrechnung der Gesamtpunkte in KMK-Punkte ergibt sich nach folgendem Bewertungsmaß-stab:

Ab Prozent: 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 34 28 20 00

KMK-Punkte: 15 14 13 12 11 10 09 08 07 06 05 04 03 02 01 00

Musterlösung

Lösungsvorschlag zur Teilaufgabe 1.1 Analyse der vorgefundenen Leuchtstofflampenschaltung Bei der vorgefundenen Leuchtstofflampenschaltung handelt es sich um eine Tandemschaltung. Bei der Tandemschaltung sind ein Vorschaltgerät und zwei Leuchtstofflampen in Reihe geschaltet. Daher kann nur dann ein Betriebsstrom fließen, wenn alle drei genannten Betriebsmittel funkti-onsfähig sind. Fällt also eine Leuchtstofflampe aufgrund eines Defekts aus, kann auch durch die andere Lampe kein Strom mehr fließen. Dadurch fällt also immer auch die zweite Lampe - unab-hängig von einem Defekt - zeitgleich mit der ersten aus.

Lösungsvorschlag zur Teilaufgabe 1.2 Weitere Untersuchung der Leuchtstofflampenschaltung Ersatzschaltbild der Lampenschaltung Zeigerdiagramm der Spannungen

Kommentiert [K12]: Der Bewertungsmaßstab (Notenschlüssel) ist durch die KMK verbindlich vorgegeben.

Kommentiert [K13]: Die Musterlösung enthält einen kompletten, exemplarischen Lösungsgang.




V5,2054A38,0RIU VRV

2RV

2VLV )U()U(U V197)V5,20()V198( 22

U

Uarcsin LV

V230

V197arcsin 58,9° cos φ = 0,52

A38,0

V197

I

UX LV

LV 518 Ω

VLV Lf2X

f2

XL LV

V

Hz502

5181,65 H

2LV

2RV2La1La )U()U(UUU 22 )V197()V230( 118,7 V

2La1La UU 118,7 V – 20,5 V = 98,2 V 2La1La UU 2

V2,98 49,1 V

I

UR 1La

1La A38,0

V1,49 129 Ω 2La1La RR 129 Ω

A38,0V1,49IUP 1La1La 18,7 W 2La1La PP 18,7 W

Die berechneten Werte bestätigen die Angaben auf dem Leistungsschild der Lampe. Angaben auf dem Leistungsschild: P = 18 W pro Lampe, cos φ = 0,55 berechnete Werte: P = 18,6 W pro Lampe, cos φ = 0,52 Die sehr geringen Abweichungen der berechneten Werte von den Angaben auf dem Leistungs-schild können durch Toleranzen der Betriebsmittel oder durch Messungenauigkeiten verursacht sein und liegen im üblichen Toleranzbereich.

Lösungsvorschlag zur Teilaufgabe 1.3 Vorschlag zur Erweiterung der vorgefundenen Lampenschaltung Die Induktivität der hier installierten Drosselspule (Vorschaltgerät) verursacht eine Phasenver-schiebung φ zwischen Stromstärke und Spannung. Der in Teilaufgabe 1.2 berechnete Wirkleistungsfaktor cos φ ist entsprechend gering. Dadurch entsteht induktive Blindleistung QL, die vom Netz des Verteilungsnetzbetreibers (VNB) geliefert wird, wenn die Anlage nicht kompensiert wird. Diese Blindleistung pendelt ständig zwischen der Erzeugeranlage (Generator) des Energie-versorgungsunternehmens (EVU) und dem induktiven Verbraucher hin und her und belastet infolge des entsprechenden Blindstromes zusätzlich die Erzeugeranlagen, Leitungen und Übertragungseinrichtungen. Dadurch fallen Kosten an, weil u.a. die genannten Anlagenteile größer ausgelegt werden müssen. Die induktive Blindleistung QL kann beim Abnehmer durch Zuschalten von Kondensatoren - also durch kapazitive Blindleistung QC - ausgeglichen (kompensiert) werden. Durch die Kompensation werden die Energieübertragungseinrichtungen entlastet, weil dadurch die über das Leitungsnetz




hin und her pendelnde Blindleistung von QL auf QK = QL – QC verringert wird. Bei gleicher Wirkleistungsaufnahme P wird die Scheinleistung S und damit die Stromstärke im Netz des VNB geringer. Bei der Parallelkompensation wird der Kondensator parallel zum Verbraucher geschaltet. Dadurch bleibt der Strom durch den Verbraucher unverändert. Er ist nicht von der Größe des Kondensators abhängig. Lediglich der Gesamtstrom der Parallelschaltung wird verringert. Bei der Reihenkompensation wird der Kondensator dagegen in Reihe mit dem Verbraucher ge-schaltet. Dadurch wird der Strom durch den Verbraucher verändert. Im Extremfall ist der kapazitive Widerstand gleich dem induktiven (Resonanzfall). Bei der Reihenkompensation wird der Strom im Resonanzfall (cos φ = 1) nur noch durch den ohm-schen Widerstand des Vorschaltgerätes und der Lampen bestimmt und kann recht große Werte annehmen. Dadurch können die Spannungen an der Drosselspule und am Kondensator sogar größer als die Versorgungsspannung werden (Spannungsüberhöhung) Aus diesem Grund ist im konkreten Anwendungsfall der Einsatz einer Reihenkompensation nicht sinnvoll.

Lösungsvorschlag zur Teilaufgabe 1.4 Überprüfung des Erweiterungsvorschlags Erweitertes Ersatzschaltbild mit zugeschaltetem Kondensator

Zeigerdiagramm der Spannungen und der Ströme




F5,3Hz502

1

Cf2

1X

KC 909 Ω

909

V230

X

UI

C2 253 mA

oooo

12 9,148909,5890

12212

22

1K cosII2)I()I(I o22 9,148cosmA253mA3802)mA253()mA380( 209 mA

Konstruktion des Zeigerdiagramms (s.o.) liefert:

oK 20

94,0cos K (induktiv)

Durch das Parallelschalten des Kondensators wird der Leistungsfaktor von zuvor cos φ = 0,52 auf cos φK ≈ 0,94 (jeweils induktiv) deutlich verbessert. Infolgedessen sinkt die Stromaufnahme der Schaltung bei gleicher Wirkleistung ebenfalls deutlich von I1 = 380 mA ohne Kondensator auf jetzt noch IK = 209 mA durch Kompensation mit Kondensator.

Lösungsvorschlag zur Teilaufgabe 1.5 Abschließende Einordnung und Beurteilung des Erweiterungsvorschlags In den TAB heißt es: Entladungslampen dürfen je Kundenanlage bis zu einer Gesamtleistung von 250 W je Außenleiter unkompensiert angeschlossen werden. Für größere Lampenleistungen muss der Leistungsfaktor cos φ durch Kompensation zwischen 0,9 kapazitiv und 0,9 induktiv liegen. Bis zu einer Leistungsgrenze von 5 kVA werden bezüglich der Art der Kompensation keine Vorgaben gemacht.

Im Großraumbüro ist insgesamt eine Lampenleistung von W1152W18416Pges instal-

liert. Weil die untersuchte Leuchtstofflampenschaltung demnach als Teil einer Kundenanlage mit mehr als 250 W anzusehen ist, darf die Anlage unkompensiert - also ohne Kondensator - nicht betrie-ben werden. Da die installierte Leistung andererseits aber weniger als 5 kVA beträgt, ist die Art der Kompensation freigestellt. Die untersuchte Schaltung mit parallel geschaltetem Kondensator ist also zulässig. Mit dem vorgeschlagenen Kondensator von 3,5 µF wird bei Betrieb der Deckenleuchten ein Leistungsfaktor von cos φK ≈ 0,94 induktiv erreicht. Dies erfüllt die Vorgaben in den TAB. Außer-dem ist der cos φK < 1, wodurch Resonanzerscheinungen vermieden werden. Der Kondensator ist somit richtig dimensioniert.




Lösungsvorschlag zur Teilaufgabe 2.1 Steuerstromkreis mit SPS (Anschlussplan)




Lösungsvorschlag zur Teilaufgabe 2.2 GRAFCET nach DIN EN 60848




Lösungsvorschlag zur Teilaufgabe 2.3 STEP7-Programm (Auszug)




Lösungsvorschlag zur Teilaufgabe 3.1 Dimensionierung des Antriebsmotors gefordert: nf = 1500 min-1 aus Tabellenbuch (Westermann): Baugröße: 100L

Mn = 18 Nm Pn = 3 kW

nn = 1415 min-1

In = 6,4 A

Mn = 20 Nm

n = 81 %

cos φn = 0,83

Überprüfung der Zulässigkeit eines direkten Motorstarts Zur Überprüfung der Zulässigkeit eines direkten Motorstarts mit Schütz am 400 V-Drehstromnetz ist gemäß TAB die Berechnung der Scheinleistung und des Anlaufstroms erforderlich:

kVA43,4A4,6V4003IU3S

aus Tabellenbuch (Westermann): 2,6I

I

n

A

A7,39A4,62,6I2,6I nA

Der in den TAB vorgegebene Grenzwert von S = 5,2 kVA für gelegentlich (zweimal täglich) anlau-fende Motoren ist nicht überschritten. Im konkreten Anwendungsfall (Waschstraße) ist aber häufiges Schalten anzunehmen. Der hierfür vorgeschriebene Grenzwert von IA = 30 A wäre bei direktem Motorstart also überschritten, so dass mit dem Versorgungsnetzbetreiber eine Vereinbarung über das Anlassverfahren zu treffen wäre.

Lösungsvorschlag zur Teilaufgabe 3.2 Antriebssteuerung mit Frequenzumrichter Die besonderen Merkmale eines Motorbetriebs mit Frequenzumrichter sind im Einzelnen: + Mit einem Frequenzumrichter lässt sich die Drehzahl eines Antriebs von n = 0 bis n = maximal

stufenlos einstellen. + Ein Frequenzumrichter stellt von n = 0 bis n = nn ein konstantes Drehmoment zur Verfügung. + Die Strombegrenzung lässt sich einstellen. + Die Hochlaufzeit (Anfahrrampe) und die Bremszeit (Verzögerungsrampe) sind einstellbar. Dies

ermöglicht ein sanftes, ruckfreies und schonendes Anfahren und Abbremsen von Maschinen und Anlagen.

+ Ein Frequenzumrichter besitzt eine hohe Dynamik. + Eine Anschaltung über Automatisierungssysteme (z.B. Profibus) ist möglich. + Der Frequenzumrichter ermöglicht ohne weitere Beschaltung eine Regelung der Drehfrequenz

und des Drehmomentes. + Antriebe mit Frequenzumrichtern verursachen keinen Blindstrom. - Der Frequenzumrichter „verschmutzt“ das Drehstromnetz mit Oberschwingungen. Es sind i.d.R.

Netzfilter erforderlich.




Der Einsatz eines Frequenzumrichters ist verglichen mit anderen Motorsteuerungen wie direkter Motorstart mit Schütz, Stern-Dreieck-Starter oder Sanftanlaufgerät (Softstarter) eine relativ teure Lösung. Doch unter Berücksichtigung des konkreten Anwendungsfalls ergeben sich aufgrund der aufgezählten Merkmale deutliche Vorteile, die den Motorbetrieb mit Frequenzumrichter klar begründen: Im Grunde nicht vergleichbar mit dem Einsatz eines Frequenzumrichters ist der direkte Motorstart mit Schütz. Hierbei kann weder der Anlaufstrom verringert werden (siehe auch Teilaufgabe 3.1) noch ist mit dieser Motorsteuerung ein komfortables und ruckfreies Anfahren bzw. Abbremsen des Förderbandes und der transportierten Fahrzeuge samt Insassen möglich. Außerdem kann damit nicht die Fördergeschwindigkeit reguliert werden. Prinzipiell gilt dies auch für den Stern-Dreieckstarter, bei dem jedoch der Anlaufstrom reduziert wird. Das Sanftanlaufgerät bietet demgegenüber schon einige Vorteile. So wird bei diesem Antriebs-system zum einen der Anlaufstrom reduziert und zum anderen ein sanftes und ruckfreies Anfahren und Abbremsen der Anlage ermöglicht. Das System erlaubt dagegen beispielsweise nicht, die Drehzahl und damit die Fördergeschwindigkeit zu regulieren, was hier gegen diese Art der Motor-steuerung spricht.

Lösungsvorschlag zur Teilaufgabe 3.3 Funktionsweise des Frequenzumrichters

Der gewählte Frequenzumrichter beinhaltet im Wesentlichen eine Steuereinrichtung und eine Leistungselektronik. Die Leistungselektronik besteht dabei im Prinzip aus drei Funktionsblöcken (siehe Prinzipschaltbild): I. Der Gleichrichter (hier: Sechspuls-Brückenschaltung B6U) formt die Eingangsspannung (hier:

dreiphasig 400 V) in die feste, pulsierende Gleichspannung um.




II. Der Gleichspannungs-Zwischenkreis enthält einen Kondensator, der die pulsierende Gleich-spannung glättet und stabilisiert, da er Energie bei Laststößen liefert.

III. Der Wechselrichter formt die Gleichspannung wieder in eine Dreiphasen-Wechselspannung um. Dies erfolgt häufig mit IGBT, die eine hohe Schalthäufigkeit zulassen (bis 20 kHz). Durch Pulsung der Spannungsblöcke wird die Spannung am Ausgang in eine Folge schmalerer Ein-zelimpulse mit dazwischen liegenden Pausen zerlegt. Dieses Verfahren heißt Puls-Weiten-Modulation (PWM). Bei der sinusbewerteten Puls-Weiten-Modulation sind die Spannungs-impulse in der Mitte breiter als am Anfang und Ende. Durch die Induktivität des Motors verzö-gern sich Stromanstieg und Stromabfall, so dass sich ein oberschwingungsbehafteter Strom mit sinusförmiger Grundschwingung ergibt. Die Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters wird dabei mit der Steuereinrichtung über die Polung der Einzelimpulse und die Höhe der Aus-gangsspannung durch das Puls-Pausen-Verhältnis gesteuert (siehe Spannungsverläufe UIII).

Lösungsvorschlag zur Teilaufgabe 3.4 Inbetriebnahme und Dokumentation des Antriebssystems Weicht die mittels Frequenzumrichter eingestellte Drehfrequenz (Betriebsfrequenz) f von der Bemessungsfrequenz fn und damit Bemessungsdrehzahl nn des Drehstrom-Asynchronmotors ab, hat dies Auswirkungen auf das Betriebsverhalten des Motors: 1. Damit der Motor bei niedrigen Betriebsfrequenzen f keinen unzulässig hohen Strom aufnimmt,

muss der Motor mit konstantem Drehmoment M bzw. konstantem Fluss Φ betrieben werden. Wegen des Zusammenhangs

M ~ 111

1

Nf44,4

U

~

f

U

muss dann die Betriebsspannung U proportional zur Betriebsfrequenz f verstellt, d.h. durch U/f-Kennliniensteuerung der Frequenz angepasst werden. Man spricht vom Proportional- oder Spannungsstellbereich (siehe nachstehende qualitative U/f- und M/f-Kennlinie).

Spannungsstellbereich Feldschwächbereich (Φ, M = konstant) (Φ, M sinken) U = konstant U ~ f (ohne Boost)

Wird der Motor im Spannungsstellbereich mit Bemessungsstrom betrieben, entwickelt er also sein Bemessungsdrehmoment Mn. Bei sehr niedrigen Frequenzen muss der Motor dann fremd-belüftet werden, um die Stromwärmeverluste abzuführen. Da hier ein eigenbelüfteter Drehstrommotor gewählt worden ist (siehe Teilaufgabe 3.1), ist bei der Inbetriebnahme des Antriebssystems am Frequenzumrichter ein unterer Grenzwert für die Betriebsfrequenz zu programmieren.




2. Sobald die Bemessungsspannung Un erreicht ist, kann nur noch die Frequenz f bei konstanter Spannung U erhöht werden. Da wegen obiger Gleichung in diesem Bereich die Höhe des mag-netischen Flusses Φ mit zunehmender Frequenz abnimmt, spricht man hier vom sogenannten Feldschwächbereich (siehe U/f- und M/f-Kennlinie).

Kausalkette: f größer Φ wird kleiner M wird kleiner. Mit größer werdender Frequenz nimmt dann das Drehmoment M des Motors hyperbelförmig ab. Die Leistung P bleibt in diesem Bereich aber nahezu konstant. Hieraus folgt für das Antriebssystem des Unterflurförderbandes: Soll der Motor im Be-reich oberhalb der Bemessungsdrehzahl betrieben werden, muss er hinsichtlich seines Drehmoments überdimensioniert werden oder aber es muss die Last verringert werden.

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