Lösungen Systemtechnik (Dezember 2016)

Unser Stromweltsponsor dieser Ausgabe:

Aufgabe 1

A = Befehlsgeber / Sollwertgeber
B = Vergleichsglied
C = Regler
D = Regelstrecke
E = Messeinrichtung / Sensor
w = Führungsgrösse / Sollwert
e = Regeldifferenz (Sollwert – Istwert)
y = Stellgrösse
z = Störgrösse
x = Regelgrösse, d.h. der Wert der tatsächlich vorliegt
xi = Rückführgrösse / gemessene Regelgrösse

Aufgabe 2

  • Messen bedeutet vergleichen. Der Messwert ist sodann das Messergebnis.
  • Beim Steuern wird mit einer Eingangsgrösse eine Ausgangsgrösse beeinflusst, ohne dass die vorhandene bzw. entstandene Ausgangsgrösse auf die Eingangsgrösse zurückwirkt.
  • Beim Regeln wird mit einer Eingangsgrösse eine Ausgangsgrösse beeinflusst, wobei die vorhandene bzw. entstandene Ausgangsgrösse auf die Eingangsgrösse zurückwirkt.

Aufgabe 3

a) PID – Regler

b) Zweipunktregler

c) I – Regler

d) P – Regler

e) PI – Regler

f) Dreipunktregler

Korrigenda zur Aufgabe 3: Das Schaltbild des Reglertyps a) ist wegen drucktechnischer Probleme nur unzureichend erkennbar. Darum hier das besser erkennbare Bild für a):

Aufgabe 4

Pt = Platin
100 bedeutet, dass der Messwiderstand bei 0°C auf 100Ω abgeglichen wurde.

Aufgabe 5

250 kW ≡ 16 mA

P = (250 kW : 16 mA) ⋅ 8.2 mA = 128.125 kW

Aufgabe 6

Als Störgrösse z bezeichnet man eine von Aussen auf eine Regelstrecke wirkende Grösse, die das eigentliche Ziel der Regelung ungünstig beeinflusst. Bei einer Raumheizung sind dies z.B. Lüftungs- und Transmissionswärmeverluste.

Aufgabe 7

Damit ein Regelkreis schnell und genau arbeiten kann, sollte die Wirkung einer Stellveränderung möglichst rasch in der Regelgrösse x abgebildet werden. Die zwischen der Stellveränderung und erwähnten Abbildung verstrichene Zeit wird als Totzeit bezeichnet. Je kürzer sie ist, desto schneller und leichter lässt sich eine Regeldifferenz beseitigen.

Aufgabe 8

Beim dargestellten RC-Glied handelt es sich um eine PT1-Regelstrecke, d.h. eine Regelstrecke mit Verzögerung 1. Ordnung (Regelstrecke mit einem Energiespeicher).

Aufgabe 9

Ein Schütz ist ein elektromagnetisch betätigtes Schaltgerät, bestehend aus Haupt- und allenfalls Hilfs-kontakten.

Wird an die Schützenspule eine Spannung angelegt, entsteht durch den Stromfluss ein Magnetfeld. Dieses Magnetfeld übt auf den beweglich gelagerten Anker eine Kraft aus und zieht beim Erreichen der erforderlichen Kraft diesen an. Dabei werden die vorhandenen Schliesskontakte geschlossen und die Öffnerkontakte geöffnet.

Die Hauptkontakte sowie die Lichtbogen-Löschsysteme sind in der Regel für Wechselstrom ausgelegt. Der beim Öffnen eines stromdurchflossenen Schaltkontaktes entstehende Lichtbogen wird bei kleinen Schützen zwischen den Kontakten gelöscht. Bei grossen Schützen wird der entstehende Lichtbogen aufgrund des Löschsystemaufbaus durch dynamische Wirkung in eine Löschkammer getrieben.

Aufgabe 10

Die Schützenspulen sind häufig für Wechselspannung ausgelegt. Während des Betriebes geben sie aufgrund der 50 Hz Sinusschwingung ein Brummgeräusch von sich, was je nach Standort der Verteilung hörbar und störend sein kann. Schützen, die als Erregerspannung eine Gleichspannung benötigen, arbeiten nach dem Anziehen geräuschfrei.

Aufgabe 11

Vor dem Schliessen des Ankers besitzt der magnetische Kreis einen Luftspalt und somit einen grösseren magnetischen Widerstand. Die Spule besitzt zu diesem Zeitpunkt eine geringere Induktivität L und Impedanz Z. Sobald der Anker angezogen ist, besteht kein Luftspalt mehr. Der magnetische Widerstand sinkt, Induktivität L und Impedanz Z der Spule steigen.

Aufgabe 12

Sie bestehen z.B. aus einer Leuchtdiode und einem lichtempfindlichen Feldeffekttransistor (MOSFET = Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) oder einem Triac. Sobald die Leuchtdiode stromdurchlässig ist, sendet sie Licht aus. Dieses Licht steuert den lichtempfindlichen MOSFET/Nullpunktschalter beim Triac an, sodass durch den MOSFET/Triac ein Stromfluss möglich ist.

Aufgabe 13

Vorteile:

kontakt- und funkenlos, prellfrei, nahezu unbegrenzte Lebensdauer, sehr hohe Schaltgeschwindigkeiten, für die Ansteuerung wird kaum Energie benötigt, kleinere Baugrösse, geringere Anschaffungskosten

Nachteile:

im Sperrzustand keine galvanische Trennung am Ausgang, die anzuschliessende Last muss zur Schaltung mit Halbleiterrelais geeignet sein, die zum Schalten benötigte Energie muss aus dem Lastkreis entnommen werden, weshalb keine beliebig kleinen Lasten geschaltet werden können, zur Vermeidung einer Selbstzündung des Triacs ist ein RC-Glied erforderlich, welches auch im ausgeschalteten Zustand einen kleinen Stromfluss zulässt (RC-Glied leitet Wechselstrom), Halbleiterrelais sind empfindlich auf Überspannungen, weshalb parallel zur Last z.B. Varistoren geschaltet werden sollten, sie sind zudem temperaturempfindlich und müssen ab einer bestimmten Grösse mit einem Kühlkörper und Kühlpaste bestückt und montiert werden.

Aufgabe 14

B: steht für Brückenschaltung
6: steht für Sechspuls
U: steht für ungesteuert d.h., die Ventile werden mithilfe des Sinusverlaufes der Netzspannung in den Durchlass- bzw. Sperrzustand überführt.

Aufgabe 15

Es handelt sich um eine Thyristor-Wechselwegschaltung die als Wechselstromschalter oder Wechselstromsteller verwendet werden kann. Bei ausstehenden Zündimpulsen bleiben die beiden Thyristoren sperrend. Der elektronische Schalter ist offen und an der Last liegt keine Spannung.

Wenn der Steuersatz jeweils zu Beginn einer Halbwelle den Thyristor, bei dem die Spannung in Vorwärtsrichtung anliegt mit einem Zündimpuls ansteuert, wird der Halbleiter leitend und an der Last liegt nahezu die volle Netzspannung. Dabei ist jeder Thyristor während einer Halbwelle je Sinuskurve stromführend. Der Schalter ist geschlossen.

Die Durchbruchspannung sollte etwa dem doppelten Scheitelwert der anliegenden Wechselspannung entsprechen, damit die Thyristoren im Sperrzustand nicht beschädigt werden.

Aufgabe 16

a) Gleichstrom – Umrichter
Formen den eingangsseitigen Gleichstrom von U1 in einen ausgangsseitigen Gleichstrom von U2 um. Die Ausgangsspannung U2 kann dabei eine andere Polarität sowie Spannungshöhe besitzen als die Eingangsspannung U1.

b) Wechselstrom – Umrichter
Formen den eingangsseitigen Wechselstrom von U1 in einen ausgangsseitigen Wechselstrom von U2 um. Die Ausgangsspannung U2 kann dabei eine andere Frequenz, Spannungshöhe und Phasenzahl besitzen als die Eingangsspannung U1.

c) Gleichrichter (GR)
Formen den eingangsseitigen Wechselstrom in einen ausgangsseitigen Gleichstrom um.

d) Wechselrichter / Inverter (WR)
Formen den eingangsseitigen Gleichstrom in einen ausgangsseitigen Wechselstrom um. Bei den Stromrichtern wird zudem zwischen statischen und dynamischen Stromrichtern unterschieden. Solche ohne bewegliche Teile nennt man statische Stromrichter und solche mit rotierenden Maschinen nennt man dynamische Stromrichter.

Aufgabe 17

Die an der Last anliegende Ausgangsspannung und deren Frequenz ist von den Steuersignalen an den Schalttransistoren abhängig. Durch Ändern dieser Steuersignale lässt sich die Frequenz der Ausgangsspannung ändern.

Aufgabe 18

Aufgabe 19

Korrigenda zur Aufgabenstellung 19: Die Frage müsste natürlich lauten: «Wozu dient der Spannungszwischenkreis beim Frequenzumrichter aus Aufgabe 18 (U – Umrichter)?»

Nach dem Gleichrichter kommt eine grosse Zwischenkreis-Kapazität. Die vom Gleichrichter erzeugte Gleichspannung wird durch die Kapazität geglättet und zwischengespeichert. Zudem wird dank dem Zwischenkreis der Ausgang des Frequenzumrichters vom speisenden Netz entkoppelt. Die Ausgangsfrequenz lässt sich dadurch unabhängig der Eingangsfrequenz beeinflussen. Auch kann die Energieflussrichtung getauscht werden, was z.B. beim Abbremsen eines Motors der Falls ist. Aus dem Netz bezieht der Frequenzumrichter nahezu keine induktive Blindleistung (ausgenommen der Steuer- und Verzerrungsblindleistung).

Aufgabe 20

Speicherprogrammierbare Steuerung
Eine SPS ist ein Computer, der speziell für Steuerungsaufgaben entwickelt wurde. Erst durch das Erstellen eines Steuerungsprogrammes und die Beschaltung der Ein- und Ausgänge wird die SPS zu einer ganz spezifischen Steuerung. Die weniger feudale Alternative zu einer SPS ist eine VPS (Verbindungsprogrammierte Steuerung oder auch Verdrahtungsprogrammierte Steuerung).

Aufgabe 21

  • Anweisungsliste (AWL)
  • Kontaktplan (KOP)
  • Funktionsbausteinsprache (FBS) bzw. Funktionsplan (FUP)
  • Ablaufsprache (AS)
  • Strukturierter Text (ST)

Aufgabe 22

a) Einschaltverzögerung
Der Ausgang wird erst nach einer parametrierbaren Zeit durchgeschaltet.
Trg (Trigger) = Über diesen Eingang startet die Zeit für die Einschaltverzögerung.
T (Time) = Nach Ablauf dieser parametrierten Zeit wird der Ausgang eingeschaltet.
Q (Ausgang) = Wird eingeschaltet, wenn die parametrierte Zeit abgelaufen ist und der Eingang Trg noch gesetzt ist.

b) Ausschaltverzögerung
Der Ausgang wird erst nach einer parametrierbaren Zeit zurückgesetzt.
Trg (Trigger) = Die Zeit für die Ausschaltverzögerung beginnt, wenn am Eingang Trg das Signal von 1 auf 0 fällt (fallende Flanke).
R (Rücksetzen) = Steht an diesem Eingang ein Signal an, wird die Zeit für die Ausschaltverzögerung zurückgesetzt und der Ausgang auf 0 gesetzt.
T (Time) = Nach Ablauf dieser parametrierten Zeit wird der Ausgang ausgeschaltet.
Q (Ausgang) = Wird mit dem Eingang Trg eingeschaltet und bleibt so lange eingeschaltet, bis die pa-rametrierte Zeit abgelaufen ist.

c) Selbsthalterelais
Über den Eingang S wird der Ausgang Q gesetzt und über den Eingang R wieder zurückgesetzt.
S (Setzen) = Über den Eingang S wird der Ausgang Q gesetzt.
R (Rücksetzen) = Steht an diesem Eingang ein Signal an, wird der Ausgang Q zurückgesetzt. Steht am Eingang S und R gleichzeitig ein Signal an, hat Rücksetzen Priorität.
Par (Parameter) = Wird Par auf off eingestellt, wird die Remanenz ausgeschaltet. Dies bedeutet, dass bei geschaltetem Ausgang und einem Stromausfall und Wiederkehr der Ausgang Q auf 0 gesetzt wird. Wird Par auf on eingestellt, ist der Zustand remanent gespeichert, sodass bei Spannungswiederkehr der Zustand vor dem Spannungsausfall wieder hergestellt wird.