Kursangebot | | Elektrische Maschinen

Elektrische Maschinen

01. Was sind elektrische Maschinen?

Elektrische Maschinen erbringen Leistungen und verrichten somit eine bestimmte Arbeit je Zeiteinheit.

imported

  • Der Elektromotor ist eine elektrische Maschine, die mithilfe von magnetischen Feldern elektrische Energie in mechanische Arbeit umwandelt. In Elektromotoren wird die Kraft, die von einem Magnetfeld auf die Leiter einer Spule ausgeübt wird, in Bewegung umgesetzt. Der Elektromotor ist in seiner Wirkungsweise das Gegenstück zum Generator.

  • Der Generator ist eine elektrische Maschine, die durch Aufwendung von mechanischer Energie Elektroenergie erzeugt. Diese Art von Spannungserzeugung wird von den Elektroenergieunternehmen betrieben. Generatoren im kleinen Maßstab sind der Dynamo am Fahrrad und die Lichtmaschine im Kraftfahrzeug. Spannungserzeugung geschieht z. B. in Generatoren, Batterien/Akkumulatoren, Solarzellen und Thermoelementen.

  • Transformatoren dienen zur Umformung von Wechselspannungen (vgl. ausführlich Frage 19.).

Hinweis

Hier klicken zum Ausklappen

Bevor auf die Bauarten von Elektromotoren und der Transformatoren eingegangen wird, erfolgt eine kurze Wiederholung ausgewählter Zusammenhänge der Elektrotechnik (vgl. ausführlich unter A 5.1.5).

02. Welche elektrischen Größen und Einheiten sind zu unterscheiden?

Elektrische Größen und Einheiten
GrößeZeichenEinheitZeichen
LeistungPWattW
SpannungUVoltV
WiderstandROhmΩ
StromstärkeIAmpereA

03. Was ist die elektrische Stromstärke (I)?

Die elektrische Stromstärke I gibt an, wie viel elektrische Ladung Q in einer bestimmten Zeit t durch einen Leiterquerschnitt transportiert wird:

$$I = \frac{Q}{t}$$

[I] = A

Merke

Hier klicken zum Ausklappen

Elektrischer Strom (I) kann nur fließen, wenn eine Spannung vorhanden und der Stromkreis geschlossen ist.

04. Was ist elektrischer Widerstand (R)?

Alle elektrischen Leitungen und Verbraucher setzen dem elektrischen Strom einen Widerstand (R) entgegen. Gemessen wird er in Ohm mit einem Widerstandsmessgerät (Ohmmeter) oder indirekt durch die Messung von Stromstärke und Spannung.

Beispiel

Hier klicken zum Ausklappen

In einem elektrischen Stromkreis wird ein Widerstand von unbekannter Größe eingesetzt. Die Spannungs- und Strommessung ergibt die Werte U = 230 V und I = 2,3 A. Daraus folgt:

$$R = \frac{U}{I}$$

 

$$= \frac{230\; V}{2,3\; A} = 100,00 Ω$$

05. Was ist die elektrische Spannung (U)?

Die elektrische Spannung U

  • ist Ursache des elektrischen Stroms

  • besteht zwischen den Polen einer Spannungsquelle

  • unterscheidet man in Gleich-, Wechsel- und Mischspannung

  • entsteht aus Elektronenüberschuss (Minuspol) und Elektronenmangel (Pluspol)

  • wird in Volt (V) mit einem Spannungsmesser gemessen

  • wird berechnet über die Verschiebungsarbeit (W) an Ladungsträgern in elektrischen Feldern.

06. Was ist die elektrische Leistung (P)?

Die elektrische Leistung P eines Gerätes hängt von der Spannung U und der Stromstärke I ab.

Die Einheit der Leistung P ist:

$$1\; W = 1\; V * 1\; A$$

$$1 kW = 1.000\; W$$

$$P = U * I$$

07. Was ist die elektrische Arbeit (W)?

Die elektrische Arbeit W ist das Produkt aus der Leistung P und der Zeit t, in der die Leistung erbracht wurde.

$$W = P * t$$

$$= U * I * t$$

Beispiel

Hier klicken zum Ausklappen

Ein Elektroofen mit einer Anschlussleistung P = 16 kW ist t = 6 h lang in Betrieb. Daraus folgt für die elektrische Arbeit: W = P • t = 16 kW • 6 h = 96 kWh

08. Was sagt das Ohmsche Gesetz aus?

Der durch einen Widerstand fließende elektrische Strom I ist umso größer, je größer die Spannung U und je kleiner der Widerstand R ist. Diesen Zusammenhang zwischen Stromstärke, Spannung und Widerstand bezeichnet man als Ohmsches Gesetz:

$$I = \frac{U}{R}$$

Beispiel

Hier klicken zum Ausklappen

Durch einen Lötkolben fließt elektrischer Strom von 0,30 A, wenn er an 230 V Spannung angeschlossen ist. Daraus folgt für den elektrischen Widerstand des Lötkolbens:

$$I = \frac{U}{R} ⇒ R = \frac{U}{I}$$

 = 

$$\frac{230\; V}{0,30\; A} = 767 Ω$$

09. Was ist elektrischer Strom?

In elektrischen Leitungen werden Elektronen bewegt. Diesen Fluss von Elektronen bezeichnet man als elektronischen Strom. Wenn durch den Leiterquerschnitt in einer Sekunde 6,25 • 1018 Elektronen strömen, so fließt ein Strom von 1 Ampere.

imported

Merke

Hier klicken zum Ausklappen

Der elektrische Strom ist der Fluss von Elektronen.

10. Was ist Gleichstrom?

Bewegt sich der Elektronenstrom stets in die gleiche Richtung, so spricht man von Gleichstrom. Stellt man in einem Diagramm den Strom in Abhängigkeit von der Zeit dar, so zeigt das Diagramm eine parallele Linie zur Zeitachse. Gleichstrom liefern z. B. Batterien und Akkumulatoren.

imported

Merke

Hier klicken zum Ausklappen

Ein Strom, der stets in die gleiche Richtung fließt, ist ein Gleichstrom.

Symbol: – oder DC (Direct Current)

11. Was ist Wechselstrom?

Ändert der Elektronenstrom in regelmäßigen Zeitabständen seine Größe und seine Richtung, so wird dieser Strom als Wechselstrom bezeichnet (z. B. Dynamo am Fahrrad). Stellt man in einem Diagramm den Strom in Abhängigkeit von der Zeit dar, so zeigt das Diagramm eine Wellenlinie um die Nulllinie.

imported

Merke

Hier klicken zum Ausklappen

Ein Strom, der periodisch seine Richtung und Größe ändert, ist ein Wechselstrom.

Symbol: ~ oder AC (Alternating Current)

12. Was ist ein elektrischer Stromkreis?

In einer elektrischen Schaltung liegt ein Kreislauf vor, wenn Strom vom Erzeuger über die Übertragungseinrichtungen zum Verbraucher und dann zurück zum Erzeuger fließen kann.

Merke

Hier klicken zum Ausklappen

Der Stromfluss wird durch den Erzeuger (Generator, Batterie) hervorgerufen.

Ein elektrischer Stromkreis besteht aus

  • Spannungsquelle (Erzeuger)

  • Verbraucher (z. B. Glühlampe)

  • Leitungen mit Schalter.

imported

13. Wie entsteht elektrische Energie?

Elektrische Energie entsteht durch Umwandlung aus anderen Energiearten, z. B.:

  • Elektrochemisch aus chemischer Energie

  • thermoelektrisch aus Wärmeenergie

  • fotoelektrisch aus Lichtenergie

  • induktiv aus mechanischer Energie.

14. Wie ist das Funktionsprinzip von Elektromotoren?

Jeden stromdurchflossenen Leiter umgibt ein magnetisches Leiterfeld. Befindet sich ein stromdurchflossener Leiter in einem Polfeld, wirkt auf ihn eine Kraft – senkrecht zur Stromrichtung und senkrecht zur Richtung des Polfeldes. Der Betrag der Kraft ist von der Stärke des Polfeldes, der Stromstärke und der Länge des Leiters abhängig. Das Magnetfeld rechts vom Leiter wird verstärkt und links geschwächt. Die so entstandene Kraftwirkung bewegt den Leiter nach links. Werden viele Leiter als Wicklung auf den Läufer des E-Motors aufgebracht, entsteht somit eine Drehbewegung und der Motor wird angetrieben. Ändert man die Stromrichtung im Leiter, so ändert sich auch die Bewegungs- und Kraftrichtung des Läufers.

  • Eigenschaften von Elektromotoren:

    • Es entstehen keine Abgase

    • wartungsarm

    • guter Wirkungsgrad

    • die Leistung steht sofort zur Verfügung

    • einfacher Anschluss an das elektrische Netz

    • geräuscharm

    • für sehr kleine und sehr große Leistungen geeignet.

  • Kenngrößen von Elektromotoren:

    • Die Leistung in kW oder W

    • die Stromart (Gleichstrom oder Wechselstrom)

    • die Spannung in V (z. B. 42 V, 230 V oder 400 V)

    • die Nennumdrehungsfrequenz in 1/min

    • der elektrische Wirkungsgrad

    • die Drehmoment-Umdrehungsfrequenz-Kennlinie beschreibt das Betriebsverhalten eines Elektromotors.

Typenschild eines Elektromotors

imported

15. Wie ist der Aufbau und die Wirkungsweise von Gleichstrommotoren?

Gleichstrommotoren bestehen aus einem Anker, der drehbar zwischen den Polen eines Ständers gelagert ist. Dem Anker wird über Kohlebürsten (= Kommutator, Stromwender) Strom zugeführt. Der Ständer wird über eine stromdurchflossene Feldwicklung (Spule) magnetisiert.

Der Kommutator bewirkt, dass der Stromfluss im Anker stets so gerichtet ist, dass an dieser Stelle ein Magnetfeld entsteht, das ihn im Ständerfeld in eine Drehbewegung versetzt.

Aufbau eines Gleichstrommotors

imported

Je nach Schaltung der Ständerwicklung und der Ankerwicklung können die Eigenschaften des Motors beeinflusst werden.

  • Änderung der Drehrichtung:

    Die Drehrichtungsänderung des Ankers ist von der Magnetisierungsrichtung und somit der Stromrichtung im Anker und in der Feldwicklung abhängig. Möglichkeiten zur Drehrichtungsänderung:

    • Umkehr der Stromrichtung im Anker

    • Umkehr der Stromrichtung in der Feldwicklung.

  • Änderung der Umdrehungsfrequenz:

    Die Änderung der Umdrehungsfrequenz kann durch Änderungen der Ankerspannung oder Änderung der Erregerspannung erfolgen. Geräte, die fast ohne Verluste und sehr schnell die Höhe der Gleichspannung und die Stärke des Gleichstromes ändern können, nennt man Stromrichter (auch: Frequenzumrichter).

  • Eigenschaften und Verwendung:

    • Fremd erregter Motor und Nebenschlussmotor:

      Maschinen mit gleichbleibenden oder genau einstellbaren Umdrehungsfrequenzen sind z. B. CNC-Maschinen.

    • Reihenschlussmotor:

      Maschinen mit schwerem Anlauf, z. B. Kreiselpumpen, Hebezeuge, Fahrzeuge.

16. Was sind Drehstrom-Synchronmotoren?

Motoren für Drehstrom bestehen aus einem Ständer, dessen Wicklungen so angebracht und geschaltet sind, dass bei eingeschaltetem Strom ein umlaufendes Magnetfeld entsteht. Dieses umlaufende Magnetfeld nennt man Drehfeld. Bringt man einen zentrisch gelagerten Magneten in dieses Drehfeld, so rotiert er in gleicher Weise wie das Feld, er dreht sich synchron.

Synchronmotoren haben eine konstante Umdrehungsfrequenz. Ihr Anker dreht sich synchron mit dem Magnetfeld des Ständers. Synchronmotoren können nicht selbstständig anlaufen, weil die sich drehenden Teile des Motors zu träge sind, um dem schnell umlaufenden Drehfeld zu folgen. Sie werden daher mit Hilfswicklungen ausgerüstet, die das Anlaufen ermöglichen und nach Erreichen des Gleichlaufes abgeschaltet werden. Wird der Synchronmotor belastet, so bleibt der Anker hinter dem Feld zurück, läuft aber synchron mit. Man nennt den Winkel, um den der Anker zurückbleibt, den Lastwinkel. Synchronmotoren geraten bei etwa doppelter Nennlast (vgl. Herstellerschild) aus dem Synchronlauf.

  • Anwendung von Drehstrom-Synchronmotoren:

    • Synchronmotoren werden am häufigsten als Vorschubmotoren in Werkzeugmaschinen verwendet.

    • Sie ermöglichen eine reaktionsschnelle Änderung der Umdrehungsfrequenz bei Frequenzänderungen des Drehstromes.

    • Sie sind weitgehend wartungsfrei durch ihren einfachen Aufbau.

    • Sie haben ein nahezu konstantes Drehmoment bei unterschiedlichen Umdrehungsfrequenzen.

17. Was sind Drehstrom-Asynchronmotoren?

Asynchronmotoren bestehen aus einem Ständer mit Wicklungen, in denen durch Drehstrom ein umlaufendes Drehfeld erzeugt wird.

Die Magnetwirkung im Läufer (Anker) entsteht durch Ströme, die vom äußeren Drehfeld im Läufer induziert werden. Ein induzierter Strom erzeugt immer ein Magnetfeld, dass seiner Quelle, in diesem Fall dem Magnetfeld des Ankers, entgegengerichtet ist.

Darum besteht zwischen den Magnetfeldern in Ständer und Läufer immer Abstoßung. Dieses Prinzip sich abstoßender Magnetfelder zum Erzeugen der Drehbewegung des Läufers beruht darauf, dass man den Läufer aus mehreren kurzgeschlossenen Windungen zusammensetzt. Hierbei werden keine Feldlinien geschnitten und daher kann der Läufer nicht synchron mit dem Drehfeld mitlaufen. Der Läufer von Asynchronmotoren bleibt mit seiner Umdrehungsfrequenz hinter der Umdrehungsfrequenz des Feldes zurück. Diese Differenz nennt man Schlupf.

  • Aufbau eines Drehstrom-Asynchronmotors:

    In einfacher Ausführung enthält der Drehstrom-Asynchronmotor einen Läufer aus einem Blechpaket, in dessen Längsnuten oder Bohrungen Leiterstäbe eingelegt sind, die an den Stirnseiten mit Ringen kurzgeschlossen sind.

    Die Leiterstäbe, die mit den Ringen kurzgeschlossen sind, ähneln einem Käfig; von daher spricht man von sog. Käfigläufern. Asynchronmotoren mit einer Leistung von über 3 kW werden zur Vermeidung hoher Einschaltströme häufig in der Stern-Dreieck-Schaltung angelassen, sofern sie nicht mit einem Frequenzumrichter ausgestattet sind.

18. Was sind Wechselstrommotoren (Universalmotoren)?

Diese Motoren können mit Gleichstrom oder mit Wechselstrom betrieben werden, weil der Drehsinn durch Umpolen der Anschlussklemmen nicht geändert werden kann. Sie benötigen beim Betrieb mit Wechselstrom eine höhere Spannung als mit Gleichstrom. Leistung und Drehmoment im Anlauf sind beim Wechselstrombetrieb geringer als beim Betrieb mit Drehstrom. Für den Betrieb eines Drehstrommotors mit Wechselstrom wird durch Zuschalten eines Kondensators die fehlende Phasenverschiebung des Drehfeldes bewirkt.

  • Anwendung von Wechselstrommotoren, z. B.:

    • Handbohrmaschinen,

    • Trennschleifmaschinen und

    • Küchengeräte – bis zu einer Leistung von etwa 1.000 W.

19. Was sind Transformatoren?

  • Aufbau:

    Der Transformator besteht aus zwei Spulen, die einen gemeinsamen Eisenkern aus Transformatorenblechen besitzen. Die Spule, die an der umzuformenden Eingangsspannung liegt, ist die Primärspule. Die Spule, an der die gewünschte Ausgangsspannung abgegriffen wird, nennt man Sekundärspule. Die an die Primärspule angeschlossene Wechselspannung erzeugt ein sich ständig änderndes Magnetfeld. Es induziert in der Sekundärspule eine Wechselspannung.

    Schematischer Aufbau eines Transformators:

    imported

  • Anwendung:

    Der Transformator dient zur Umformung von Wechselspannungen. Eine Verwendung findet er z. B. in Schweißgeräten, um die Netzspannung von 230 V bzw. 400 V in die benötigte Schweißspannung von ca. 60 V umzuformen.

    Bei einem Transformator verhalten sich die Spannungen gleich den Windungszahlen und die Stromstärken umgekehrt wie die Windungszahlen (bzw. Spannungen):

    $$\frac{Primärspannung}{Sekundärspannung} = \frac{Windungszahl\; der\; Primärspule}{Windungszahl\; der\; Sekundärspule}$$

    $$\frac{U_{1}}{U_{2}} = \frac{N_{1}}{N_{2}}$$

    $$\frac{I_{1}}{I_{2}} = \frac{N_{2}}{N_{1}}$$

    U1,2Spannung, Eingang/Ausgang
    N1,2Windungszahl, Eingang/Ausgang
    I1,2Stromstärke, Eingang/Ausgang

20. Welche Wirkung hat der elektrische Strom auf den Menschen und welche Gefährdungsbereiche gibt es?

Die Wirkung des elektrischen Stroms auf den Menschen ist vor allem abhängig von der Stromstärke I und der Dauer der Einwirkung t. Man unterscheidet beim Wechselstrom vier Gefährdungsbereiche:

Bereich I:Bei einer Stromstärke von 0,5 mA erfolgt gewöhnlich keine Reaktion (Wahrnehmungsschwelle).
Bereich II:Stromstärken von über 0,5 bis 10 mA führen gewöhnlich zu keiner schädlichen Wirkung.
Bereich III:Stromstärken ab 20 bis 100 mA über eine Dauer von 0,2 s und mehr können bereits die Herzimpulse stören; Herzstillstand ist möglich. Muskelverkrampfungen können dazu führen, dass das Gerät nicht mehr losgelassen werden kann (Loslassschwelle).
Bereich IV:Bei Stromstärken von 50 mA und mehr treten wahrscheinlich Herzkammerflimmern, Herzstillstand, Atemstillstand und schwere Verbrennungen auf.

Stromstärkebereiche I bis IV

imported

Neben der Stromstärke und der Dauer der Einwirkung sind für das Ausmaß der Körperreaktionen folgende Faktoren relevant: Hautwiderstand, Übergangswiderstand zur Erde, Temperatur, Feuchtigkeit und Anpressdruck.

Wenn also ungünstige Bedingungen auftreten, können bereits bei Stromspannungen von 230 V gefährliche, unter Umständen tödliche Körperströme fließen.

Ungünstige Bedingungen:

  • hohe Luftfeuchtigkeit

  • feuchte/weiche Haut

  • feuchter Stein-/Holzfußboden

Günstige Bedingungen:

  • trockene Luft

  • trockene, hornige Haut

  • trockener Holz- oder Gummifußboden.

Aufgrund der Wärmewirkung des Stroms kommt es bei der Berührung mit großer Stromstärke zu Verbrennungen am Körper an den Ein- und Austrittsstellen (Strommarken). Eine starke Verbrennung kann zur Schädigung der Niere und damit zum Tod führen. Bei längerer Einwirkungsdauer kann es zur Zersetzung des Blutes kommen (Vergiftung). Die gesundheitlichen Folgen können sich erst nach einigen Tagen bemerkbar machen.

Merke

Hier klicken zum Ausklappen

Daher ist bei einem Unfall mit elektrischem Strom in jedem Fall der Arzt aufzusuchen, auch wenn sich beim Verunfallten nicht sofort negative Anzeichen bemerkbar machen.

21. Welche Schutzmaßnahmen müssen beim Umgang mit elektrischen Anlagen beachtet werden?

Beim Betreiben elektrischer Anlagen und Betriebsmittel ist die Einhaltung der entsprechenden Sicherheitsbestimmungen und Vorschriften zu gewährleisten (z. B. DIN VDE 0100-410, Vorschriften der Berufsgenossenschaft und des Herstellers):

  • Es gelten die Regeln für das Arbeiten in elektrischen Anlagen (vgl. DIN VDE, DGUV Vorschrift):

    imported

    → Maßnahmen vor dem Wiedereinschalten nach beendeter Arbeit.

    → Erste Hilfe bei Unfällen durch elektrischen Strom (vgl. Abb. nächste Seite).

  • Änderungen und Instandhaltungsarbeiten an elektrischen Anlagen dürfen nur von ausgebildeten Elektrofachkräften ausgeführt werden (vgl. 1.4.3.1).

  • Es ist der „Schutz gegen gefährliche Körperströme“ entsprechend der DIN VDE zu beachten:

    • Schutz gegen direktes Berühren (Basisschutz) durch:

      • Isolierung aktiver Teile

      • Abdeckungen und Umhüllungen

      • Hindernisse (z. B. Barrieren, Schranken)

      • Abstand

      • Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (Fl-Schutzschalter).

    • Schutz bei indirektem Berühren (Fehlerschutz) durch:

      • Hauptpotenzialausgleich

      • nicht leitende Räume

      • Schutzisolierung

      • Schutztrennung

      • Schutzmaßnahmen im TN-, TT- und IT-Netz.

    • Schutz bei direktem Berühren (Zusatzschutz) durch:

      • Schutzkleinspannung bzw. Funktionskleinspannung

      • Leitungsschutzschalter (Sicherungsautomaten/Schmelzsicherungen).

  • Erst-Maßnahmen bei Stromunfällen:

    imported
  • Für elektrische Betriebsmittel gibt es Schutzklassen sowie Kennzeichen/Sinnbilder (DIN VDE 0106-1):

    SchutzklasseKennzeichnungSchutzmaßnahmenBeispiele
    0Kein Schutz, umgehend frei von Erdpotenzial, nicht leitende RäumeHinweis: Geräte der Schutzklasse 0 sind in Deutschland nicht zugelassen
    I
    imported
    Basisisolierung und SchutzleiterBetriebsmittel mit Metallgehäuse, z. B. Elektromotoren
    II
    imported
    Basisisolierung und zusätzliche SchutzisolierungBetriebsmittel mit Kunststoffgehäuse, z. B. elektrische Handbohrmaschine
    III
    imported
    Basisisolierung; zusätzlich: Schutzkleinspannung/FunktionskleinspannungBetriebsmittel mit Bemessungsspannungen bis AC 50 V und DC 120 V für Menschen, z. B. elektrische Handleuchten