EM Elektrische Maschinen — KEM Elektrotechnik

EM / WERKMEISTERSCHULE Elektrische Maschinen 2. bis 4. Semester. Ruhende und rotierende Maschinen, Leistungselektronik. 2.–4. Semester40 UE (3. Sem.)20 UE (4. Sem.)

GEGENSTANDSBESCHREIBUNG

Der Gegenstand vermittelt eine fundierte theoretische und anwendungsorientierte Übersicht über ruhende und rotierende elektrische Maschinen sowie deren Ansteuerung mittels moderner Leistungselektronik. Das Spektrum reicht von Ein- und Dreiphasentransformatoren über Gleichstrom-, Wechselstrom- und Drehfeldmaschinen bis hin zu Frequenzumrichtern und Sonderantrieben.

Hinweis: Die stoffliche Tiefe der einzelnen Themengebiete wird flexibel an das Vorwissen sowie den Ausbildungsfortschritt der Klasse angepasst.

LEHRSTOFF 2. Semester Ruhende elektrische Maschinen – Transformatoren und Umspanner

Transformatoren und Umspanner (Grundlagen & Netzanwendung)2. Semester

Physikalische Grundlagen: Induktionsgesetz, Durchflutungsgesetz, magnetischer Kreis, Kernwerkstoffe, Ummagnetisierungs- und Wirbelstromverluste Einphasentransformatoren:

Aufbau und Funktionsprinzip (Kern- und Mantelbauform)
Betriebsverhalten: Leerlauf, Kurzschluss und Belastungsfall
Ersatzschaltbild, Zeigerdiagramme und Spannungsänderung unter Last
Wirkungsgrad und Verlustaufteilung

Dreiphasentransformatoren (Drehstromtransformatoren):

Dreischenkel- und Fünfschenkelkerne
Wicklungsanordnungen und Kennzeichnung nach Norm (Schaltgruppen und Kennzahlen: Yy, Yd, Dy, Yz etc.)
Unsymmetrische Belastung und Nullsystem-Verhalten
Parallelschaltbedingungen von Drehstromtransformatoren

Konstruktion, Kühlung und Schutz:

Kühlungsarten nach Norm (z. B. ONAN, ONAF)
Trocken- und Öltransformatoren, Isolieröle und Brandschutz
Transformatorenschutz: Buchholz-Relais, Druckentlastung, thermische Überwachung

Sonderbauformen und Umspanner in Netzen: Spartransformatoren (Autotransformatoren), Stelltransformatoren, Messwandler (Strom- und Spannungswandler)

LEHRSTOFF 3. Semester Umfang: 40 Unterrichtseinheiten

1. Elektrotechnische und elektromagnetische Grundlagen (Repetitorium)3. Semester

Feldtheorie: Elektrisches und magnetisches Feld, Feldgrößen, magnetischer Fluss, Durchflutung, Induktivität und Kapazität Netzwerkanalyse & Zählpfeilsysteme: Verbraucher- und Erzeugerzählpfeilsystem (VZS/EZS), Phasenbeziehungen Wechselstromtechnik: Komplexe Rechnung, Zeigerdiagramme, Blind-, Wirk- und Scheinwiderstände sowie Leistungen (Wirk-, Blind-, Scheinleistung, Leistungsfaktor cos φ)

2. Vertiefung Transformatorentechnik3. Semester

Erweitertes Betriebsverhalten: Nichtlineare Effekte, Sättigungserscheinungen, Einschaltstromstoß (Inrush-Effekt) Schutz- und Überwachungstechnik im Detail: Funktionsweise und Ansprechverhalten des Buchholz-Relais, Kesselschutz, Differentialschutzkonzepte Spezielle Transformatortypen: Elektronische Transformatoren und HF-Übertrager

3. Allgemeine Grundlagen und Normung rotierender elektrischer Maschinen3. Semester

Klassifizierung und Systematik: Einteilung rotierender elektrischer Maschinen nach Speiseart und Wirkprinzip Normgerechte Bauformen: Klassifizierung nach IM-Code (International Mounting Code, DIN EN 60034-7) Kühlungs- und Schutzarten: Kühlarten nach IC-Code (DIN EN 60034-6); Schutzarten nach IP-Code (DIN EN 60529); Explosionsschutz (ATEX / Ex-Schutz-Konzepte) Betriebsarten und thermische Auslegung: Nennbetriebsarten S1 bis S9 nach IEC 60034-1; Isolierstoffklassen, Erwärmungsgrenzwerte und Lebensdauerzyklen

LEHRSTOFF 4. Semester Umfang: 20 Unterrichtseinheiten

1. Konstruktionsprinzipien und elektromechanische Energiewandlung4. Semester

Konstruktiver Aufbau: Stator- und Rotorbauformen, Luftspaltgestaltung, Wicklungsaufbau Grundgleichungen der Maschinendynamik: Lorentzkraft, induzierte Spannung, Maxwell’sche Spannungen, Drehmomentbildung (M = k · Φ · I), mechanische Leistung und Wirkungsgradkette

2. Stromwendermaschinen (Kommutatormaschinen)4. Semester

Aufbau und Funktionsweise: Anker, Kollektor/Kommutator, Kohlebürsten, Bürstenfeuer und Kommutierungsproblematik Feldbeeinflussung: Ankerquerfeld und Ankerrückwirkung, Gegenmaßnahmen (Wendepol- und Kompensationswicklungen) Gleichstromgeneratoren und -motoren:

Schaltungsarten: Fremderregte, Nebenschluss-, Reihenschluss- (Hauptschluss-) und Doppelschlussmaschine (Compound)
Betriebs- und Kennlinienverhalten (n(M), M(I_A), Drehzahlsteifigkeit, Durchgehen bei Reihenschluss)
Drehzahlstellverfahren: Ankerspannungsstellung, Feldstärkestellung (Feldschwächung), Vorwiderstände

Einphasen-Reihenschlussmotor (Allstrom-/Universalmotor): Konstruktive Anpassungen für Wechselstrombetrieb, Betriebscharakteristik und Einsatzgebiete

3. Drehfeldmaschinen und Sonderantriebe4. Semester

Grundlagen des magnetischen Drehfeldes: Raumzeiger, Entstehung und mathematische Beschreibung kreisförmiger Drehfelder (Ein- und Dreiphasensysteme) Asynchronmaschinen (Induktionsmaschinen):

Käfigläufer (Kurzschlussläufer) und Schleifringläufer
Drehmoment-Schlupf-Kennlinie (Kloss’sche Formel), Anlaufverfahren (Stern-Dreieck, Sanftanlauf, Anlasswiderstände)
Drehzahlstellung: Polumschaltung, Frequenzstellung mittels Frequenzumrichter (U/f-Kennlinie)

Synchronmaschinen:

Vollpol- und Schenkelpolmaschinen, Erregersysteme (bürstenlos, statisch)
Betriebsverhalten als Motor und Generator, V-Kurven, Insel- und Netzparallelbetrieb

Einphasen-Asynchronmotoren & Kleinantriebe:

Spaltpolmotor (Aufbau, Hilfsphasenprinzip, Wirkungsgrad)
Kondensatormotor (Betriebs- und Anlaufkondensator)

Präzisions- und Sonderantriebe:

Schrittmotoren (Reluktanz-, Permanentmagnet- und Hybridschrittmotoren; Voll-, Halb- und Mikroschrittbetrieb)
Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) und permanenterregte Synchronmotoren (PMSM) im Überblick