Projekt „Kochplatte“

Projekt „Kochplatte“
System- und Gerätetechnik
Arbeitsblatt
Name:
Unterrichtsleitung: Schötz
B.
Seite
B1
Datum:
Überprüfung der Funktion der Kochplatte
Nach DIN VDE 0701.T1 muss bei der Reparatur und Änderung eines elektrischen Betriebsmittels ein
Prüfprotokoll erstellt werden (besorgen Sie sich ein Formular bei Ihrem Unterrichtsleiter).
B1
Erstellen Sie nun das Prüfprotokoll.
Messen Sie den Schutzleiterwiderstand, den Isolationswiderstand und den Ableitstrom.
Dann unterschreiben Sie das Protokoll.
Zunächst untersuchen Sie jetzt die „Heizfähigkeit“ der Kochplatte. In nachfolgenden Versuchen sollen Sie feststellen,
von welchen elektrischen Größen diese „Heizfähigkeit“ abhängig ist.
Die folgenden Versuche sind unter Aufsicht des Unterrichtsleiters an den vorbereiteten
Messplätzen durchzuführen.
B2
B2.1
Bestimmen Sie für folgende Bedingungen die Zeit t, bis sich die Platte von ca. 35°C auf eine
Temperatur von ca. 60°C erwärmt hat, und schließen Sie daraus auf die Heizfähigkeit. Verwenden Sie
zum Messen der Temperatur das Oberflächen-Thermometer.
Messung des Einflusses der Stromstärke auf die Heizfähigkeit:
Anmerkung zu den Schaltstufen: Die Kochplatte verfügt über 7 Schaltstufen,
nämlich: 0, 0-1, 1, 1-2, 2, 2-3, 3
Schaltstufe 0-1
U = 230 V
t=
Heizfähigkeit:
Schaltstufe 2
I=
U = 230 V
t=
Heizfähigkeit:
groß / klein
I=
groß / klein
Die Heizfähigkeit ist umso größer, je größer die Stromstärke ist.
Geben Sie diesen Sachverhalt in einer kurzen mathematischen Schreibweise wieder:
P~I
B2.2 Messung des Einflusses der Spannung auf die Heizfähigkeit:
Schaltstufe 2
Schaltstufe 2
U = 230 V
I=
t=
U = 100 V
I=
t=
groß / klein
Heizfähigkeit:
Heizfähigkeit:
groß / klein
Die Heizfähigkeit ist umso größer, je größer die Spannung ist.
Geben Sie diesen Sachverhalt in einer kurzen mathematischen Schreibweise wieder:
P~U
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B2.3
B2
Datum:
Name:
Wie lautet in der Elektrotechnik der fachlich richtige Begriff für diese Heizfähigkeit?
Leistung
B2.4
Seite
Formelbuchstabe: P
Einheit: Watt [W]
Geben Sie aufgrund der in Aufgabe B 2 ermittelten Abhängigkeiten die Formel für die Leistung an.
P=U●I
B3
B3.1
Berechnung der Leistung
Berechnen Sie mit Hilfe der Messwerte aus Aufgabe B 2 die Leistung bei folgenden Schaltstufen:
(ausführliche Schreibweise, zuerst allgemein mit Formelbuchstaben, dann mit Zahlenwerten)
Schaltstufe 0-1:
P=U●I
Schaltstufe 2:
B3.2
P=U●I
Berechnen Sie mit Hilfe der Messwerte aus Aufgabe B 2 die Leistung bei folgenden Schaltstufen:
(ausführliche Schreibweise, zuerst allgemein mit Formelbuchstaben, dann mit Zahlenwerten)
Schaltstufe 2 :
(bei 230 V)
P=U●I
Schaltstufe 2:
(bei 100 V)
P=U●I
B3.5
Auf dem Typenschild der Kochplatte ist die sogenannte Nennleistung des Gerätes angegeben.
Wie groß ist sie?
1500 W
Die Spannung, bei der das Gerät die Nennleistung umsetzt, heißt Nennspannung, der dabei fließende Strom
Nennstrom.
B3.6
Erklären Sie nun folgende Begriffe:
„Nennleistung“:
Es ist die Leistung bei Nennbetrieb, also bei Nennspannung und Nennstrom
„aufgenommene Leistung“:
Das ist die elektrische Leistung, die aus dem Stromnetz bezogen wird.
„abgegebene Leistung“:
Das ist die Leistung, die von der Kochplatte abgegeben wird, in Form von Heizenergie
B3.7
Die Leistung lässt sich auch aus der angelegten Spannung U und dem Gesamtwiderstand R direkt
errechnen.Geben Sie die dazu nötige Formel an.
TIPP: (Ersetzen Sie dazu in der Leistungsformel I durch I = U/R und kontrollieren Sie Ihr Ergebnis mittels FT -Buch oder
Formelsammlung)
Formel:
P = U2 / R
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B3.8
Name:
Seite
B3
Datum:
Die Leistung kann auch berechnet werden, wenn nur der Strom I und der Widerstand R bekannt sind.
Geben Sie die dazu nötige Formel an.
TIPP: (Ersetzen Sie dazu in der Leistungsformel U durch U = R ● I und kontrollieren Sie Ihr Ergebnis mittels FT-Buch oder
Formelsammlung)
Formel:
P = I2 ● R
B4
B4.1
B4.2
Der 7-Takt-Schalter und seine verschiedenen Schalterstellungen
Bevor Sie ein elektrisches Gerät einwandfrei reparieren können, müssen Sie dessen Funktion verstanden haben. Der 7-TaktSchalter schaltet die verschiedenen Heizwicklungen (die als ohmsche Widerstände wirken) unterschiedlich zueinander (TIPP:
Gruppenschaltung ohmscher Widerstände).
Zeichnen Sie mit Hilfe des Schaltplanes auf dem Informationsblatt 1 für jede Schalterstellung jeweils den entsprechenden
geschlossenen Stromkreis ein (L1 und N an die Klemmenleiste anschließen).
Zeichnen Sie für jede Schalterstellung die von Strom durchflossenen Widerstände so heraus, dass klar hervorgeht, ob es sich um
eine Reihen-, Parallel- oder Gruppenschaltung handelt. Geben Sie zu jeder Schalterstellung die Gleichung zur Berechnung des
Gesamtwiderstandes Rg der jeweiligen Schaltung an.
Verwenden Sie ein eigenes Notizblatt. Achten Sie auf einwandfreie Darstellung der Schaltungen (Lineal!!)
Die Lösung finden Sie auf der letzten Seite!
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B5
B4
Datum:
Name:
Unterrichtsleitung: Schötz
Seite
Berechnen Sie nun auf Ihrem Notizblatt für alle Schaltstufen jeweils den Gesamtwiderstand und die
jeweilige Leistungsaufnahme bei Nennspannung und tragen Sie die Werte in die Tabelle ein.
Dabei gelten folgende Widerstandswerte:
R1= 124,0 Ω
R2= 138,0 Ω
R3= 60,5 Ω
Nennspannung (von Typenschild) : U Nenn = 220 V
Schaltstufe
0
0-1
1
1-2
2
2-3
3
R in Ω
P=U²/R in [W]
60,5 Ω
800 W
42 Ω
1150 W
31,4 Ω
1541 W
B6
B6.1
0Ω
0W
322, 5 Ω
150 W
198,5 Ω
244 W
138 Ω
350 W
Die Nennspannung sinkt auf den halben Wert.
Berechnen Sie jetzt die umgesetzte Leistung bei Schalterstellung 2-3.
P =
U 2
R
=
(110
V )2
42 Ω
= 288 ,1 W
B6.2
Bei halber Spannung geht die Leistung auf ein Viertel zurück.
B6.3
Wie würde sich die Leistung bei doppelter Nennspannung verändern?
Bei doppelter Spannung steigt die Leistung auf das Vierfache
B7
Vervollständigen Sie mit Hilfe dieser Erkenntnisse folgende Tabelle (Kopfrechnen):
U in V
P in W
30
60
120
240
5,625
22,5
90
360
B8
Bearbeiten Sie folgende Aufgaben aus dem FR-Buch ( EUROPA, Rechenbuch Elektrotechnik):
Rechnen Sie auf einem eigenen Notizblatt.
B8.1
S. 63, Aufgabe 8
S. 64, Aufgaben 11,12
Die Lösung finden Sie im Anhang!
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Name:
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B9
B9.1
Seite
B5
Datum:
Überprüfen Sie die Ergebnisse aus Aufgabe B 5 durch entsprechende Messungen von Strom und
Spannung.
Zeichnen Sie zuerst die Messinstrumente für die indirekte Leistungsmessung in folgende Skizze ein, achten
Sie dabei auf eine einwandfreie Darstellung.
A
v
Die folgende Messung ist unter Aufsicht des Unterrichtsleiters an den vorbereiteten
Messplätzen durchzuführen.
B9.2
Messung: (Übernehmen Sie die Widerstandswerte aus Tabelle B 5)
Stufe
0
R in Ω
0Ω
0W
I in A
P=U ● I in [W]
B9.3
0/1
1
1/2
2
2/3
3
322,5 Ω 198, Ω
S
138 Ω
60,5 Ω
42 Ω
31,4 Ω
ca. 150 244 W
W
350 W
800 W
1150 W 1541W
Vergleichen Sie die Ergebnisse aus Tabelle B 5 mit den obigen Ergebnissen. Wodurch könnten eventuelle
Abweichungen begründet sein?
o Messfehler
o
Die Netzspannung entspricht nicht der Nennspannung
B10 Messgeräte zur direkten Leistungsmessung
B10.1 Mit welchem Messgerät kann die Leistung der Heizwiderstände direkt bestimmt werden?
Mit einem Leistungsmessgerät
B10.2 Um welche der in Aufgabe B 3.6 aufgeführten Leistungen handelt es sich dabei?
Es handelt sich um die aufgenommene Leistung
B10.3 Die Leistungsaufnahme der Kochplatte ist jetzt mit einem Leistungsmesser direkt zu messen.
Informieren Sie sich dazu vor dem Aufbau der Schaltung im Fachtheoriebuch und in der
Bedienungsanleitung des Leistungsmessers (Informationsmappe).
Vorsicht!
Bei falschem Anschluss oder falscher Einstellung kann der Leistungsmesser zerstört werden.
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Name:
Seite
B6
Datum:
B10.4 Wie viele Anschlüsse, die für die Leistungsmessung notwendig sind, hat das verwendete
Leistungsmessgerät?
drei Anschlüsse
B10.5 Welches Instrument bei der indirekten Leistungsmessung wird durch den "Strompfad" ersetzt?
Strommessgerät oder Amperemeter
B10.6 Ist der Widerstand des Strompfades sehr hochohmig oder sehr niederohmig?
Er muss niederohmig sein.
B10.7 Welches Instrument bei der indirekten Leistungsmessung wird durch den "Spannungspfad" ersetzt?
Spannungsmessgerät oder Voltmeter
B10.8 Ist der Widerstand des Spannungspfades sehr hochohmig oder sehr niederohmig?
Er muss hochohmig sein.
B10.9 Welches Messwerk wird in einem mechanischem Leistungsmessgerät verwendet?
Ein elektrodynamisches Messwerk
B11
Zeichnen Sie nun das Messinstrument ein und kennzeichnen Sie den Strompfad (rot) und den
Spannungspfad (blau) (evtl. FT-Buch).
B11.1 Wie gehen Sie vor, wenn für die Messung die Spannung bekannt, der zu erwartende Strom aber
unbekannt ist?
Den Spannungsbereich entsprechend einstellen, den Strombereich in den höchsten Bereich schalten
B11.2 Warum kann das Gerät trotz eines geringen Zeigerausschlages überlastet werden?
Bei falscher Einstellung kann das Gerät trotzdem im I- bzw. U-Pfad überlastet werden.
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B7
Datum:
B11.3 Welche Leistung wird bei nebenstehender Anzeige gemessen?
(Die Anleitung zum Leistungsmesser befindet sich in der InfoMappe)
U-Bereich: 300 V
I-Bereich: 10 A
Anzeige: 1500 Watt
B11.4 Wie muss der Leistungsmesser eingestellt werden bei
Schalterstufe 3
Schalterstufe 0-1
Spannungspfad:
300 V
300 V
Strompfad:
10 A
1A
Die folgende Messung ist unter Aufsicht des Unterrichtsleiters an den vorbereiteten
Messplätzen durchzuführen.
B11.5 Führen Sie nun die Leistungsmessung am Messplatz durch.
Tragen Sie die Messergebnisse in die nachfolgende Messtabelle ein.
Schaltstufe
0
0-1
1
1-2
2
2-3
3
P in [W]
0
152
246
354
796
1159
1520
B11.6 Vergleichen Sie die in Schaltstufe 3 (= Nennbetrieb) gemessenen Werte mit dem Typenschild und
entscheiden Sie, ob das Gerät in Ordnung ist.
Das Gerät ist
in Ordnung
/
nicht in Ordnung
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B12
Name:
Seite
B8
Datum:
Erweitern Sie Ihren Wortschatz im technischen Englisch aus der zweisprachigen Bedienungsanleitung des Leistungsmessgerätes.
B12.1 Suchen Sie für folgende deutschen Wörter die jeweilige englische Übersetzung aus der Bedienungsanleitung ( operating instructions) des Leistungsmesser der Firma Lucas Nülle.
Leistungsmesser
electronic power meter
Strom
current range
Spannung
voltage
Spannungsbereich
voltage range
Betriebsspannung
operating voltage
Leistungsbereich
power range
Instrument
meter
Messbereich
range of measurement
Messleitung
test lead
Messgenauigkeit
accuracy
Ausgang
output
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B13
Seite
B9
Datum:
Überprüfen Sie selbständig Ihr Wissen, ohne die Unterlagen zu verwenden.
B13.1 Die Leistungsfähigkeit elektrischer Geräte (z.B. Helligkeit einer Glühlampe, Heizfähigkeit einer Kochplatte)
wird durch ihre elektrische Leistung angegeben.
B13.2 Die elektrische Leistung ist umso größer, je größer die anliegende Spannung und der durchfließende
Strom sind.
Die Formel für die elektrische Leistung ergibt daraus:
P=U●I
[ 1 W = 1 V ●1 A ]
B13.3 Fließt durch einen Widerstand bei einer angelegten Spannung von 1 Volt ein Strom von 1 Ampere, so wird
eine elektrische Leistung von 1 W in Wärme umgewandelt.
B13.4 Nennleistung: Dauerleistung eines Gerätes im normalen Betriebsfall, also bei
Nennspannung und Nennstrom .
B13.5 Die aufgenommene Leistung ist die elektrische Leistung, die der Verbraucher aus dem Stromnetz
bezieht.
B13.6 Die abgegebene Leistung ist die Leistung, die der Verbraucher abgibt,
z.B.
bei Motoren in Form von Arbeitsleistung,
bei Heizgeräten in Form von Heizleistung.
B13.7 Bei Kleingeräten (z.B. Heizgeräten, Lampen, Elektrowerkzeugen, Haushaltsgeräten,...) ist die Nennleistung
immer die aufgenommene Leistung, bei großen Geräten (z.B. größeren Elektromotoren) ist die
Nennleistung immer die abgegebene Leistung.
B13.8 Indirekte Leistungsmessung:
Die Spannung U und der Strom I werden gemessen und daraus dann die Leistung P = U ● I berechnet.
Lösung zu B4.2.:
Schaltstellung 0-1:
R1
Schaltstellung 1:
R2
124 Ohm
138 Ohm
R3
60 Ohm
R2
R3
138 Ohm
60 Ohm
V1
V1
230 V
50 Hz
0Deg
Schaltstellung 1-2:
R2
138 Ohm
V1
230 V
50 Hz
0Deg
Schaltstellung 2-3:
230 V
50 Hz
0Deg
Schaltstellung 2:
R3
60 Ohm
V1
230 V
50 Hz
0Deg
Schaltstellung 3:
R3
60 Ohm
R2
R3
138 Ohm
60 Ohm
R1
R2
124 Ohm
138 Ohm
V1
230 V
50 Hz
0Deg
V1
230 V
50 Hz
0Deg
Lösung zu B8.1.:
S. 63/8:
Geg.: U = 230 V, P = 700 W,
Ges.: a) INenn
b) R
c) P bei 5% Unterspannung
Lösung:
P 700W
=
= 3,04 A,
U 230V
a)
P =U •I ⇒ I =
b)
R=
c)
U 95% = 230V • 0,95 = 218,5V ;
I=
U 230V
=
= 75,57Ω,
I 3,04 A
U 218,5V
=
= 2,89 A,
R 75,57Ω
P = U • I = 218,5V • 2,89 A = 631,75W ;
700W → 100%
0,14W → 1%
631,75W → 90,25%
Die Leistung P ist um 9,75 % geringer;
S. 64/11:
Geg.: U = 400 V, PR1,R2 = 18 kW, PR1=P125%, PR1,R2,R3=P85%
Ges.: a) Ermitteln Sie, wie die Widerstände zueinander geschalten sind.
b) R1, R2, R3
Lösung:
a)
PR1, R 2 = 18kW ; ⇒ PR1 = 18kW • 1,25 = 22,5kW ;
⇒ PR1, R 2 , R 3 = 18kW • 0,85 = 15,3kW ;
P = U • I1 ⇒ I1 =
I 12 =
P 22500W
=
= 56,25 A;
U
400V
P 18000W
=
= 45 A;
U
400V
I 123 =
P 15300W
=
= 38,25 A;
U
400V
Aus der Berechnung der Ströme ergibt sich, dass die Widerstände in Reihe geschalten
sein müssen, fällt der Strom, muss unweigerlich der Widerstand größer werden.
R1
R2
7 Ohm
R3
1 Ohm
1 Ohm
V1
400 V
50 Hz
0Deg
b)
U = R • I ⇒ R1 =
U
400V
=
= 7,11Ω,
I 1 56,25 A
R12 =
U
400V
=
= 8,89Ω,
I 12
45 A
R123 =
U
400V
=
= 10,45Ω,
I 123 38,25 A
R2 = R12 − R1 = 8,89Ω − 7,11Ω = 1,78Ω;
R3 = R123 − R1 − R2 = 10,45Ω − 1,78Ω − 7,11Ω = 1,56Ω;
S. 64/12:
Geg.: U = 230 V, Pmax. = 2 kW, PStufe1=305 W, PStufe1◦=450W;
Ges.: a) I in den einzelnen Leistungstufen
b) P in den restlichen Schaltstufen
Lösung:
a)
P = U • I SS 1 ⇒ I SS 1 =
P 305W
=
= 1,33 A;
U 230V
P = U • I SS 1• ⇒ I SS1• =
b)
U = R • I ⇒ RSS 1 =
R g , SS 1• =
U
I SS1•
=
P 450W
=
= 1,96 A;
U 230V
U
230V
=
= 172,9Ω;
I SS 1 1,33 A
230V
= 117,35Ω;
1,96 A
⇒ R 2 = 117,35Ω;
R1 = RSS 1 − R 2 = 172,9Ω − 117,35Ω = 55,55Ω;
⇒ RSS 2 = 55,55Ω;
RSS 2• =
I SS 3 =
1
1
1
+
R 2 R1
1
1
1
+
117,53Ω 55,55Ω
= 37,72Ω; (Parallelschaltung R1,R2)
P 2000W
=
= 8,69 A;
U
230V
⇒ RSS 3 =
R3 =
=
U
230V
=
= 26,45Ω;
I SS 3 8,69 A
1
1
=
= 88,51Ω; (Parallelsch. R1, R2, R3)
1
1
1
1
1
1
−
−
−
−
RSS 3 R 2 R1 26,45Ω 117,53Ω 55,55Ω
RSS • = R1 + R 2 + R3 = 117,53Ω + 55,55Ω + 88,51Ω = 261,59Ω; (Reihensch. R1, R2, R3)
(230V ) = 202,22W ;
U2
=
RSS • 261,59Ω
2
PSS • =
PSS 2
U2
(230V ) = 952,30W ;
=
=
RSS 2
55,55Ω
PSS 2•
U2
(230V ) = 1402,44W ;
=
=
RSS 2• 37,72Ω
2
2
PSS 3 = 2000W ;