BET402: Elektrische Maschinen (mit Praktikum)

Lernpfad Modellbasierter Entwurf

BET402: Elektrische Maschinen (mit Praktikum)

Kurzporträt BET402: Elektrische Maschinen (mit Praktikum)

Worum geht es? Dieses Modul behandelt elektrische Maschinen als zentrale Komponenten der elektromechanischen Energieumwandlung. Studierende vertiefen Dreiphasensysteme, magnetische Kreise und Transformatoren und analysieren darauf aufbauend Gleichstrom-, Asynchron- und Synchronmaschinen. Dabei betrachten sie Modellierung, Betriebsverhalten, Leistungsbilanzen, Verluste, Erwärmung sowie grundlegende leistungselektronische Steuerungslösungen. Im Praktikum überprüfen Studierende das Betriebsverhalten wichtiger Maschinentypen messtechnisch und vergleichen die Beobachtungen mit theoretischen Modellen.

Wofür braucht man es? Diese Kompetenzen werden benötigt, um elektrische Maschinen in technischen Systemen auszuwählen, auszulegen, zu modellieren und ihr Betriebsverhalten zu bewerten. Sie sind besonders wichtig für elektrische Antriebe, Automatisierung, Elektromobilität, Robotik und mechatronische Systeme.

Wieso ist es interessant? Elektrische Maschinen wandeln Energie in Bewegung oder elektrische Leistung um und prägen damit viele moderne technische Anwendungen. Das Modul zeigt, wie physikalische Grundlagen, Maschinenmodelle, Leistungselektronik und Messungen zusammenwirken, um reale Antriebssysteme zu verstehen und auszulegen.

Modulverantwortung

Prof. Dr. Andreas Waldhorst

Lehrperson(en)

Prof. Dr. Andreas Waldhorst

Verwendbarkeit

Bachelor Elektrotechnik

Fächergruppe

Ingenieurwissenschaften

Modultyp

Pflicht

Sprache

Deutsch

Angebot

Wintersemester

Dauer

1 Semester

Credits

5 ECTS

Benotung

Deutsche Notenskala 1-5

SWS

2 V | 1 Ü | 1 P | - S

Workload

Präsenzstudium: 45 Std. Selbststudium: 90 Std.

Engl. Titel

Electrical Machines

Empfohlene Voraussetzungen

BB004: Grundlagen der Mechanik: mechanische Grundgrößen und statische Zusammenhänge als Grundlage mechanischer Messgrößen.
BB005: Grundlagen der Elektrotechnik 1: mathematische Beschreibung einfacher elektrischer Netzwerke und grundlegender Schaltungen.
BB006: Grundlagen der Elektrotechnik 2: frequenzabhängige Netzwerke, komplexe Darstellung elektrischer Größen und Filtergrundlagen.
BB007: Mathematische Grundlagen für Ingenieurwissenschaften: Gleichungen, Funktionen und grundlegende Rechenverfahren zur Auslegung und Bewertung von Messschaltungen.

Lernergebnisse / Kompetenzen

WAS

Ausgehend von den physikalischen Grundlagen erklären die Studierenden Aufbau, Funktion und Modelle elektrischer Maschinen zur Energieumformung. Unter Berücksichtigung leistungselektronischer Steuerungslösungen treffen sie eine geeignete Wahl für Systeme mit elektromagnetischen Wandlern und nehmen eine passende Auslegung vor.

WOMIT

Die Studierenden erreichen dieses Lernergebnis, indem sie

an die Grundlagen der Berechnungsmethoden für ein- und dreiphasige Wechselstromschaltungen sowie an die zugehörigen Grundmodelle für magnetische Kreise und Trafos anknüpfen, diese erweitern und vertiefend analysieren.
das physikalische Grundprinzip der elektromechanischen Energieumwandlung darstellen.
typische leistungselektronische Grundschaltungen einschließlich geeigneter Bauelemente zur Steuerung von elektrischen Maschinen anwenden.
die stationäre und einfache dynamische Modellierung der unterschiedlichen Typen der Gleichstrommaschine dazu verwenden, ihr Bertiebsverhalten unter gewissen Bedingungen vorauszusagen.
ie Methodik der Raumzeigerdarstellung benutzen, Drehfelder und Drehfeldmaschinen in Grundzügen zu beschreiben.
begreifen, wie sich die Stromortskurve, das Drehzahl- und Belastungsverhalten sowie die Leistungsbilanz aus der Modellierung der Asynchronmaschine ableiten.
die Varianten der Synchronmaschine mit ihren Wirkungsweisen erörtern, modellieren und deren Betriebs- und Drehzahlverhalten analysieren.
das praktische Betriebsverhalten der wichtigsten elektrischen Maschinen unter verschiedenen Bedingungen im Labor messtechnisch überprüfen und die Beobachtung anhand der gelernten Theorie zu erklären.

WOZU

Die erworbenen Kenntnisse und Methoden dieses Moduls unterstützen Sie dabei, eigenständig Modelle, Analysen, Simulationen und messtechnische Validierungen durchzuführen, wie sie bei Dimensionierung, Optimierung oder Entwurf von Systemen, die elektrische Maschinen als Komponenten besitzen, unerlässlich sind.

Inhalte

Dreiphasensystem: Aufbau, Kennzeichen, Bezeichnungen, Schaltungsarten, Leistungsbegriff bei sinus- u. nicht sinusförmigen Größen, symmetrischer u. unsymmetrischer Betrieb
Magnetische Kreise: Fluss, Durchflutung, magnetischer Widerstand, Verluste, elektromechanische Energieumformung, Leistungsaufteilung
Transformator: Aufbau, Modellierung, Betriebsverhalten, Nichtlinearitäten, Wirkungsgrad, Baugröße
Gleichstrommaschine: Aufbau, Magnetkreis, Wicklungen, Spannungsinduktion und Drehmomentbildung, Varianten und Ersatzschaltbild, Leistungsbilanz, Drehzahlverhalten und Stellmethoden
Drehfeldmaschinen: Drehfelderzeugung, Raumzeigerdarstellung
Asynchronmaschine: Aufbau, Magnetkreis, Funktion, Kurzschluss- und Schleifringläufer, Modellierung, Stromortskurve, Energiebilanz, Drehzahlkennlinie und Drehzahlverstellung
Synchronmaschine: Voll- u. Schenkelpolmaschine, Magnetkreis, Spannugsinduktion, Drehmomentbildung, Ersatzschaltbild, Betriebsarten, Last- und Drehzahl-Kennlinie, Drehzahlverstellung
Verluste und Erwärmung, Betriebsarten, Grundlagen zur dynamischen Modellierung und Regelung elektrischer Maschinen, Leistungsauswahl

Prüfungsvorleistung

aktive Praktikumsteilnahme

Prüfungsleistung

Klausur, 120 Minuten

Literatur

Schröder u. Kennel: Elektrische Antriebe - Grundlagen. Springer Vieweg 2021
Binder: Elektrische Maschinen und Antriebe - Grundlagen, Betriebsverhalten. Springer 2017
Müller, Ponick: Grundlagen elektrischer Maschinen. Wiley-VCH 2014