Lernfeld 2 · Prüfung Teil 1

Transformator und Drehstrommotor

Transformator und Drehstrom-Asynchronmotor erklärt: Übersetzung, Trenntrafo, Drehfelddrehzahl, Schlupf, Stern-Dreieck und Leistungsschild.

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Darum geht es

Ein Transformator überträgt Wechselspannung über ein magnetisches Wechselfeld im Eisenkern von der Primär- auf die Sekundärwicklung. Das Verhältnis der Windungszahlen bestimmt das Verhältnis der Spannungen, die Ströme verhalten sich umgekehrt. An Gleichspannung funktioniert er nicht: Es fehlt die Flussänderung, nur der kleine Wicklungswiderstand begrenzt den Strom und die Wicklung überhitzt. Ein Trenntransformator 1:1 trennt den Stromkreis galvanisch vom Netz und schützt so bei Berührung eines Leiters.

Der Drehstrom-Asynchronmotor erzeugt im Ständer ein Drehfeld. Seine Drehzahl hängt nur von Netzfrequenz und Polpaarzahl ab. Der Läufer dreht etwas langsamer, sonst würde in ihm kein Strom induziert. Diesen Unterschied nennt man Schlupf, er liegt meist bei wenigen Prozent. Tauschst du zwei Außenleiter, ändert sich die Drehrichtung.

Auf dem Leistungsschild steht zum Beispiel 230/400 V Δ/Y. Die kleinere Spannung gilt für Dreieck, die größere für Stern. Am 400-V-Netz schaltest du so einen Motor in Stern. Die angegebene Leistung ist die abgegebene Wellenleistung, die aufgenommene elektrische Leistung ist um den Wirkungsgrad größer. Beim Stern-Dreieck-Anlauf sinken Anlaufstrom und Anzugsmoment auf ein Drittel.

Das solltest du dir merken

Spannungen verhalten sich wie die Windungszahlen, Ströme umgekehrt.
Ein Transformator gehört nie an Gleichspannung.
Der Läufer eines Asynchronmotors dreht immer etwas langsamer als das Drehfeld.
Leistungsschild Δ/Y 230/400 V: am 400-V-Netz in Stern.
Zwei Außenleiter tauschen ändert die Drehrichtung.

Formeln

Übersetzungsverhältnis: $u ¨ = \frac{U _{1}}{U _{2}} = \frac{N _{1}}{N _{2}} = \frac{I _{2}}{I _{1}}$; $U$ Spannungen in V, $N$ Windungszahlen, $I$ Ströme in A; Index 1 primär, 2 sekundär
Drehfelddrehzahl: $n_{s} = \frac{f \cdot 60}{p}$; $n_{s}$ in 1/min, $f$ Netzfrequenz in Hz, $p$ Polpaarzahl
Schlupf: $s = \frac{n _{s} - n}{n _{s}}$; $s$ Schlupf (meist in %), $n_{s}$ Drehfelddrehzahl, $n$ Läuferdrehzahl in 1/min
Aufgenommene Leistung des Motors: $P_{zu} = \frac{P _{ab}}{η} = 3 \cdot U \cdot I \cdot cos φ$; $P_{ab}$ Leistung vom Schild in W, $η$ Wirkungsgrad, $U$ Außenleiterspannung in V, $I$ Leiterstrom in A

Typische Fehler in der Prüfung

Polzahl statt Polpaarzahl eingesetzt, ein sechspoliger Motor hat $p = 3$ .
Schildleistung als aufgenommene elektrische Leistung verwendet.
Motor mit 230/400 V Δ/Y am 400-V-Netz in Dreieck geschaltet.
Stromverhältnis beim Transformator gleich dem Spannungsverhältnis gesetzt.

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Zufallszahlen

Ein Asynchronmotor mit der Polpaarzahl $p = 3$ läuft am $50 Hz$ -Netz mit $n = 940 min^{- 1}$ . Wie groß ist der Schlupf in Prozent?

Tipps aus der Werkstatt

Synchrondrehzahl ns = f · 60 / p mit der Polpaarzahl p: bei 50 Hz also 3000, 1500, 1000 oder 750 1/min. Ein Asynchronmotor läuft etwas langsamer, der Schlupf ist s = (ns − n) / ns.
Auf dem Motortypenschild steht die abgegebene mechanische Leistung. Die aufgenommene elektrische Leistung ist Pzu = Pab / η = √3 · U · I · cos φ.
Drehmoment aus Leistung und Drehzahl: M = 9550 · P / n mit P in kW und n in 1/min ergibt M in Nm. Die 9550 kommen aus 60 / (2 · π) · 1000.

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39 Aufgaben zu „Transformator und Drehstrommotor“, falsche Antworten kommen in der Runde noch einmal.

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Grundlage: Rahmenlehrplan Elektroberufe Industrie, Lernfeld 2 (KMK); DIN EN 60034-1 Drehende elektrische Maschinen. Eigene Erklärung, keine Originalaufgaben der Prüfungsausschüsse.