UnTERRICHTsEnTWuRF

Humboldt-Universität zu Berlin
Institut Für Informatik
Transport und Verkehr
Arten von Elektromotoren
Unterrichtsentwurf
1.
Unterrichtsvoraussetzungen
1.1
Angaben zur Klasse
Die Klasse 10a setzt sich aus 14 Schülerinnen und 10 Schülern zusammen, zukünftig als
Schüler bezeichnet. 5 Schüler besitzen ein gutes bis sehr gutes Leistungsvermögen, sie haben
keine Probleme den Unterrichtsthemen zu folgen. Drei dieser Schüler wirken besonders
durch ihre seit dem Schuljahresbeginn gestiegenen Leistungen positiv auf das Lernklima in
der Klasse. Dennoch zeigen nicht alle Schüler eine positive Leistungsentwicklung,
mehrheitlich fehlt noch die Bereitschaft zu konzentrierter Lernarbeit.
Das Fach Technik wird von vielen Schülern als unnötig angesehen. Es fehlt an Wissen aus
den naturwissenschaftlichen Fächern wie Mathematik und Physik. Besonders auffällig sind
vier Schüler. Ohne ständige Kontrolle ihrer Unterrichtsarbeit wirken sie störend auf die
Klasse ein. Diese vier Schüler haben einen enormen Einfluss auf das Gruppenleben in der
Klasse, Sichtbar wird dieser Einfluss insbesondere in den Pausen durch ihr forderndes und
lautstarkes Verhalten gegenüber Mitschülern.
1.2
Angaben zum Lehrer
Nach meinem erfolgreichen Studienabschluss zum Diplomlehrer für Polytechnik am
20.06.1991 an der Humboldt Universität zu Berlin, bin ich seit dem 1.10.1991 als
Umweltingenieur bei der Allianz Versicherungs-Aktiengesellschaft beschäftigt.
1996 – 1998 erfolgte im Abendstudium die Qualifikation zur Industriefachkraft Betrieblicher
Umweltschutz. 1998 – 2001 absolvierte ich erfolgreich ein Fernstudium an der TFH Wildau
zum Diplom Wirtschaftsingenieur (FH). Momentan bin ich für mein Studium des
L2
Lehramtes Arbeitslehre/Technik und Informatik vom Dienst bei der Allianz freigestellt.
Neben meiner einjährigen Unterrichtstätigkeit von 1990-1991 an der Puschkin Gesamtschule
Neuenhagen und dem Einstein-Gymnasium Neuenhagen habe ich bei der Allianz
Versicherungs –Aktiengesellschaft die Auszubildendenden der Jahrgänge 1995-2003 in den
Fächern Betriebliches Rechnungswesen und Haftpflichtversicherung unterrichtet.
2
1.3
Technische Bedingungen
Der Unterricht findet in der dritten und vierten Stunde im Elektrotechnikkabinett statt. Die
Ausstattung mit Unterrichtsmitteln ist sehr gut. Es existieren zwei Overheadprojektoren, eine
Kreidetafel, Videotechnik und eine Schalttafel. Material für Demonstrationen und
Experimente, auch Schülerexperimente sind in ausreichender Anzahl und funktionsfähigem
Zustand vorhanden. Alle Installationen und Labortische wurden im Elektrotechnikkabinett
vor drei Jahren erneuert.
1.4
Stellung der Stunde im weiteren Unterricht
Die Unterrichtsstunde findet im Rahmen des Themenfeldes Infrastrukturen in den 10. Klassen
an Realschulen in Berlin/Brandenburg statt. Das Themenfeld Infrastrukturen gliedert sich in
die Bereiche Information und Kommunikation, Transport und Verkehr sowie Energie. Ein
Bereich soll im Pflichtunterricht behandelt werden, die anderen sind Themen für den
Wahlunterricht.
Das Thema Drehstrom-Asynchronmotor zählt zum Bereich Transport und Verkehr, dieser
wurde als Pflichtteil ausgewählt. Das Thema wird in zwei Doppelstunden erarbeitet diese Zeit
sollte für eine grundlegende Wissensvermittlung zur Thematik Drehstrom-Asynchronmotor
ausreichen, da teilweise auf Wissen aus dem Physikunterricht zurückgegriffen werden kann.
Die theoretischen Grundlagen wie Drehmoment, Lenzsches Gesetz und elektromotorisches
Prinzip wurden im Physikunterricht eingeführt und werden in dieser Doppelstunde wiederholt
und gefestigt.
Das Thema Drehstrom-Asynchronmotor ist ein praktisches Beispiel für technische
Funktionszusammenhänge aus dem unmittelbaren Lebensumfeld der Schüler. Die Schüler
lernen eine weitere Möglichkeit der Übertragung und Umwandlung elektrischer Energie
kennen. Eine Vertiefung des Themas ist nicht geplant, es wird keine Projektarbeit erfolgen.
Die praktische Arbeit an Drehstrommotoren findet in einem Spannungsbereich von 380V
statt. Mit Schülern ist eine Installation
von Elektromotoren
in diesem hohen
Spannungsbereich nicht erlaubt.
Thema der nächsten sechs Unterrichtsstunden werden weitere Arten von Elektromotoren sein,
meine Zielsetzung ist es dabei den Schülern grundlegendes Wissen über elektromotorischer
Antriebe zu vermitteln.
3
2.
Inhalts- und Zielentscheidungen
2.1
Sachanalyse
Ausgehend von der grundlegenden Bedeutung der Elektroenergie für eine moderne
Gesellschaft wird den Schülern die Abhängigkeit der Gesellschaft vom verfügbaren
Energiepotential erläutert. Kenntnisse über Anlagen zur Übertragung der Elektroenergie und
der Notwendigkeit einer dezentralen, ökologischen Erzeugung und Verwendung der Energie
werden erarbeitet, die Schwerpunkte liegen beim Drehstromdrei- und Vierleitersystem.
Im Mittelpunkt steht hier die Verwendung der Elektroenergie für Wärme- und
Beleuchtungsanlagen in Haushalten und der Industrie. Ein weiterer Punkt ist die Umwandlung
der Elektroenergie in mechanische Energie. Den Schülern wird der DrehstromAsynchronmotor als sehr häufig verwendetes Antriebsmittel erläutert. Sie lernen seinen
Aufbau, die Wirkungsweise und die Einsatzmöglichkeiten kennen.
Das Thema Drehstrom-Asynchronmotor ist dabei hervorragend zur fächerübergreifenden
Bildung geeignet. Die Wiederholung der bereits im Physikunterricht vermittelten
theoretischen
Grundlagen
erfolgt
durch
eine
praktischen
Umsetzung
in
einer
Lehrerdemonstration am Motormodell.
Drehmoment :
M = F * r * sin( F, r ), der Winkel zwischen beiden Vektoren wird
anhand des noch nicht vorhandenen Fachwissens vernachlässigt.
Lenzsches
:
Gesetz
Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass sein
magnetisches Feld der Ursache des Induktionsvorganges entgegenwirkt.
Das Lenzsche Gesetz folgt aus dem Gesetz von der Erhaltung der
Energie.
Elektro-
:
Auf eine vom Strom durchflossene Leiterschleife wirkt im
motorisches
magnetischen Feld eines Dauer- oder Elektromagneten die Lorentzkraft.
Prinzip
Die Leiterschleife beginnt sich zu drehen.
Die Entstehung des magnetischen Drehfeldes und des Drehmomentes am Rotor wird in
verständlichen Schritten am Motormodell erläutert. Stern- und Dreieckschaltung werden im
4
Modell angewendet, eine praktische Anwendung ist den Schülern bereits aus dem
Maschinenkabinett bekannt.
Drehstrom-Asynchronmotor: Aufbau und Funktionsweise
Ein Drehstrom-Asynchronmotor (auch Induktionsmaschine oder Asynchronmaschine
genannt) ist ein oft verwendeter Elektromotor, der mit Drehstrom betrieben wird. Beim
Asynchronmotor ist die Drehzahl des Rotors im Motorbetrieb geringer als die Drehzahl des
antreibenden elektromagnetischen Drehfeldes, d. h. der Rotor rotiert asynchron zum Drehfeld.
Der Ständer oder Stator besteht aus dem Gehäuse, dem Blechpaket und der darin eingelegten
Ständerwicklung.
Durch die an die Statorwicklung angelegte Netzspannung wird im Inneren der Maschine ein
magnetisches Drehfeld erzeugt, welches in der kurz geschlossenen inneren Wicklung (Anker)
einen Strom induziert. Dieser Strom baut selbst wiederum ein magnetisches Feld im sich
drehenden Rotor auf. Beide Magnetfelder befinden sich derart in Wechselwirkung, dass ein
Drehmoment erzeugt wird - das Ankerfeld wird mitgezogen. Da die Drehmomente dieses
Motortyps beim Anlaufen sehr ungünstig sind, ist der Motor nicht in der Lage, unter vollem
Lastmoment anzulaufen. Er muss mit geringer Last auf etwa 90 % der Nenndrehzahl
hochfahren.
Zur Begrenzung hoher Anlaufströme kann bei Leistungen bis 10 kW die Stern-DreieckSchaltung eingesetzt werden.
Vorteile der Drehstrom-Asynchronmotoren:
•
lange Lebensdauer auch bei Dauerbetrieb, kaum Wartung notwendig
•
kurzzeitige Überlastung möglich
•
nahezu konstante Drehzahl
•
vergleichsweise geringe Herstellungskosten
•
Läufer spannungslos (kann auch in Medien oder in Gasen / im Vakuum laufen)
Nachteile der Drehstrom-Asynchronmotoren:
* hoher Anlaufstrom bei gleichzeitigem geringen Anzugsmoment
*Drehzahlveränderung nur bei Sonderbauformen
5
* relativ großes Volumen im Vergleich zur abgegebenen Leistung
Typische Anwendungen für Drehstrom-Asynchronmotoren:
•
Motoren für Plattenspieler
•
Ventilatoren
•
Kompressoren für Kühlschränke
•
Antriebe für Werkzeugmaschinen und in der Industrie
•
Antriebe für Pumpen und Gebläse mit Leistungen bis zu einigen tausend kW.
•
Fahrmotoren für Schienenfahrzeuge, Leistung bis weit über 1000 kW. Verwendung in
Schienenfahrzeugen wie TGV (Frankreich) und ICE (Deutschland).
Drehstrom (Dreiphasenwechselspannung):
Drehstrom wir mit Drehstromgeneratoren auf der Grundlage der elektromagnetischen
Induktion erzeugt. Ein Drehstromgenerator besitzt drei Induktionsspulen. Diese befinden sich
um 120° versetzt angeordnet im Stator (Ständer). Der Rotor (Läufer) besitzt eine Feldspule
zum Erzeugen des Magnetfeldes, welches für die Induktion nötig ist. Dieser Feldspule wird
über Schleifringe Gleichspannung zugeführt, und es entsteht ein Magnetfeld mit Nord- und
Süpdpol.
Wird nun der Rotor in Drehung versetzt, dreht sich auch das Magnetfeld mit. Dabei
durchsetzen die Feldlinien die Induktionsspulen nacheinander. So wird in jeder der drei
Spulen eine Wechselspannung induziert. Sie ist sinusförmig, für eine vollständige
Schwingung (Periode) muß das Magnetfeld eine volle Umdrehung (360°) ausführen.
Aufgrund der räumlichen um 120° versetzten Anordnung der Induktionsspulen sind die
induzierten Wechselspannungen zeitlich untereinander verschoben. Diese Verschiebung heißt
Phasenverschiebung.
Drehstromnetz:
Ein Drehstromnetz ist ein Stromnetz, in dem Wechselstrom in drei verschiedenen Phasen
verwendet wird. Da man den Drehstrom gut transformieren kann und Drehstrommotoren
klein, kompakt und preiswert hergestellt werden können, sind heute alle öffentlichen
Stromnetze in Deutschland als Drehstromnetze ausgelegt. Die drei Phasen des
Wechselstromes lassen sich jeweils einzeln zur Versorgung elektrischer Verbraucher nutzen.
6
In Drehstromnetzen wird meist der Mittelpunktleiter geerdet. Hierbei werden im
Niederspannungsbereich Vierleitersysteme, im Hochspannungsbereich über 1000 Volt
Dreileitersysteme verwendet. Die Bezeichnungen der Außenleiter (Phasen) mit R, S und T ist
teilweise noch in Gebrauch. Sie sind jedoch veraltet, die aktuell üblichen Bezeichnungen sind
L1, L2 und L3. 'L' steht dabei für 'Live'.
Stern-Dreieck-Schaltung
Mit einer Stern-Dreieck-Schaltung werden größere Drehstrommotoren (KurzschlussläuferMotoren ab 5kW) wegen des hohen Anzugsstroms bei direkter Einschaltung in Betrieb
genommen. Hierzu wird ein in Dreieck-Schaltung arbeitender Motor während des Anlaufs
vorübergehend in Stern-Schaltung betrieben. Dabei verringert sich der Anzugsstrom und das
Anzugsmoment auf etwa 1/3 des Wertes als bei direkter Inbetriebnahme in DreieckSchaltung.
Die Stern-Dreieck-Umschaltung kann nur bei Motoren angewendet werden, deren
Ständerwicklung bei der verfügbaren Netzspannung Dreieck-Schaltung zulässt. Das
Umschalten auf Dreieck-Schaltung darf erst dann erfolgen, wenn der Motor bei SternSchaltung seine volle Drehzahl erreicht hat. Bei zu früher Umschaltung entsteht ein starker
Stromstoß und der Zweck der Umschaltung wird nicht erreicht.
Wegen der Verringerung des Anzugsmoment auf 1/3, kann die Stern-Dreieck-Umschaltung
nur
bei
leichten
Anlaufbedingungen,
z.B.
beim
Anlaufen
von
leerlaufenden
Werkzeugmaschinen, erfolgen.
2.2
Fachdidaktische Prinzipien
Technik kann im Unterricht nicht isoliert, sondern nur im Zusammenhang mit den
Bedürfnissen der Schüler und ihrem natürlichen Lebensumfeld betrachtet werden. Eine
allgemeine technische Bildung gibt den Schülern Hilfen zur geistigen und praktischen
Orientierung in der von Technik mitbestimmten Welt. Die Schüler sollen Voraussetzungen
und Folgen der Technik besser beurteilen können.
Jeder Schüler kennt aus seinem täglichen Leben elektrische Motoren als Antriebsmittel. Das
gewählte Beispiel ist daher kein abstraktes Thema für die Schüler.
7
2.3
Für
Didaktische Reduktion
die
Vermittlung
des
Lehrstoffes
Drehstrom-Asynchronmotor
habe
ich
90
Unterrichtsminuten eingeplant. Es handelt sich um die erste Doppelstunde zur Thematik
elektromotorische Antriebe.
Eine besonders Bedeutung kommt dabei dem gewählten Einstieg in das Themengebiet zu. Bei
all den fachlichen Aussagen sowie den dazu zählenden Experimenten geht es nicht um
vollendete wissenschaftliche Korrektheit, es geht darum den Schülern die Problemstellungen
verständlich darzulegen. Unter diesem Gesichtspunkt zeige ich gleich zu Beginn der
Doppelstunde mehrere Experimente. Die Darstellung der Experimente wird in ein Gespräch
zwischen Lehrer und Schülern eingebettet. Ziel ist es auch leistungsschwache Schüler für das
Unterrichtsthema zu interessieren.
2.4
•
Ziele
Die Schüler erkennen den Zusammenhang zwischen den experimentellen Vorführungen
und den geltenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten.
•
Sie verinnerlichen notwendiges Fachwissen über die Entstehung des magnetischen
Drehfeldes und des Drehmomentes.
•
Sie kennen den Aufbau des Drehstrom-Asynchronmotors.
•
Die
Schüler
kennen
die
Schaltungsarten
des
Drehstrom-Asynchronmotors
im
Dreileitersystem.
8
3.
Weg- und Medienbeschreibung
3.1
Methode
Die Stunde beginnt mit der Erläuterung zum weiteren Unterrichtsverlauf. In einem kurzen
Unterrichtsgespräch wird theoretisches Wissen aus dem Physikunterricht abgerufen und
gefestigt. Zur praktischen Verdeutlichung des Wissens verwende ich das Motormodell,
Modelle zum Nachweis des Magnetismus und ein Modell auf Folie mit Eisenfeilspänen.
Um das Wissen aus dem Physikunterricht praktisch anzuwenden, wird als nächstes ein
Schülerexperiment
durchgeführt.
elektrotechnischen
Baukästen
In
Gruppen
gearbeitet.
Der
von
zwei Schülern
Technikunterricht
wird
bietet
mit
den
günstige
Möglichkeiten, das Prinzip der Verbindung von Unterricht und realem Lebensumfeld zu
verwirklichen. Außerdem erwerben
elementare
Fähigkeiten,
die Schüler im Umgang mit den Baukästen
Fertigkeiten
und
Kenntnisse
der
Arbeitsvorbereitung,
Arbeitsausführung und der Kontrolle ihrer Arbeit. Der sorgsame Umgang mit den
Baukästen und Werkzeugen sowie die sachgerechte Montage und Demontage der Modelle
und Schaltungen wird von mir für die Erziehung zur Ordnung, Sauberkeit und
Gewissenhaftigkeit genutzt.
Die elektrotechnischen Baukästen unterstützen den Unterricht und sollen Lerneffekte
verbessern. Die Anwendungen aus der Realität z. B.: zu Hause in einer Waschmaschine, im
Computer, im Kühlschrank oder in Heizgeräten mit Lüfter werden erkannt. Weiterhin lernen
sie den Elektromotor als Antriebsorgan für Maschinen kennen. Sie können einfache
Modelle mit elektrischen Antrieb aufbauen.
Nach der selbständigen Arbeit erkläre ich zunächst technische Details zum Aufbau des
DAM. Anschließend erarbeiten sich die Schüler die konstruktive Gestaltung des DAM
selbständig, als Wissensbasis dient dabei das Lehrbuch. Die Schüler haben sich den Aufbau
als Skizze in ihre Unterlagen zu notieren. Zwei Schüler werden den Aufbau dann in einer
kurzen Zusammenfassung vortragen. Nach der kurzen Zusammenfassung des bisher
erworbenen Wissens, wird in einem Unterrichtsgespräch der Kurzschlussläufer als eine
mögliche Form des DAM erarbeitet.
9
Im bisherigen Verlauf des Unterrichtes war der Aufbau und die Funktionsweise des DAM
Thema. Um den DAM aber als Antriebsorgan für Maschinen nutzen zu können, ist es wichtig
die Art seines Anschlusses an das in Deutschland vorhandene Leitungsnetz zu kennen. Die
Schüler kennen bereits die in Deutschland gängigen Leitungssysteme. Unter Anwendung
dieses Wissens wird die Schaltungsart Stern-Dreieck-Schaltung als nächster Schritt von mir
erklärt. Es erfolgt eine Lehrerdemonstration zur Stern-Dreieck-Schaltung des DAM.
Als Abschluss der Doppelstunde erfolgt eine Zusammenfassung und die Bekanntgabe der
Hausaufgaben.
3.2
Zur
Medium
Nutzung
der
experimentellen
Methode
werden
das
Motormodell
und
die
elektrotechnischen Baukästen eingesetzt. Ein elektrotechnischer Baukasten wird von zwei
Schülern genutzt. Die erforderlichen Anschlüsse an die Verteiler sind an jedem Labortisch
vorhanden. Das theoretische Grundwissen wird unter Verwendung des Overheadprojektors,
des Lehrbuches und verschiedener praxisnaher Anschauungsmittel erarbeitet und verdeutlicht.
10