Ar­beits­blatt: Kraft­wer­ke bei Be­las­tung

Kom­pe­ten­zen:

Vor­aus­set­zun­gen:

3.3.2 (6) Funk­ti­ons­wei­se Ge­ne­ra­tor

Ziele:

• Tur­bi­nen als En­er­gie­wand­ler zum An­trieb von Ge­ne­ra­to­ren be­schrei­ben kön­nen.
• Den Ef­fekt einer ver­än­der­ten Dreh­ge­schwin­dig­keit (Dreh­fre­quenz) des Ge­ne­ra­tors bei einem ver­än­der­ten Leis­tungs­be­darf er­ken­nen.
• Die An­pas­sung der Ein­gangs­leis­tung eines Kraft­werks an einen wech­seln­den Be­darf er­ken­nen.

Pro­blem­stel­lung:

Woran er­ken­nen Kraft­werks­be­trei­ber schnell, wann ein immer grö­ßer wer­den­der Be­darf an elek­tri­scher En­er­gie vor­liegt?

Dazu der fol­gen­de Ver­such:

Eine re­gel­ba­re Span­nungs­quel­le treibt einen Elek­tro­mo­tor (M) als Tur­bi­nen­er­satz an. Über eine Kupp­lung (ge­stri­chel­te Linie) mit punkt­för­mi­ger Farb­mar­kie­rung ist die­ser mit einem zwei­ten Elek­tro­mo­tor ver­bun­den, der den Ge­ne­ra­tor (G) des Kraft­werks dar­stellt.

Der Ge­ne­ra­tor ver­sorgt drei bis vier par­al­lel ge­schal­te­te Glüh­lam­pen (6V/3W), die mit je­weils einem Schal­ter aus- oder ein­ge­schal­tet wer­den kön­nen. Ein Stro­bo­skop be­leuch­tet die sich dre­hen­de Kupp­lung.

Auf­ga­ben 1

1. Zu­nächst wer­den nur zwei Lam­pen als „Ver­brau­cher“ ein­ge­schal­tet und die Span­nungs­quel­le so ein­ge­stellt, dass diese Lam­pen nor­mal hell leuch­ten.

2. Dann wird die drit­te Lampe zu­ge­schal­tet.

   1. Be­schrei­be, was da­durch auf der „Ver­brau­cher­sei­te“ pas­siert und

   2. Be­schrei­be, was mit der Dreh­fre­quenz der Kupp­lung pas­siert?

3. Die Kraft­werks­leis­tung (Tur­bi­ne) wird jetzt so nach­ge­re­gelt, dass alle drei Lam­pen nor­mal hell leuch­ten. Wel­che Dreh­fre­quenz stellt sich schließ­lich ein?

4. Die Lam­pen wer­den dann nach­ein­an­der wie­der aus­ge­schal­tet.

   1. Be­ob­ach­te je­weils die Dreh­fre­quenz und die Hel­lig­keit der noch leuch­ten­den Lam­pen.

   2. Gib eine Er­klä­rung für diese Be­ob­ach­tung.

   3. Be­schrei­be, wel­che Maß­nah­me je­weils dazu führt, dass die üb­ri­gen Lam­pen nor­mal hell leuch­ten.

Auf­ga­ben 2

Die im eu­ro­päi­schen Strom­netz zur Ver­fü­gung ge­stell­te Wech­sel­span­nung hat eine Fre­quenz von sehr genau 50 Hz. Dies ist ein Grad­mes­ser dafür, wie gut sich an­ge­bo­te­ne und ge­for­der­te elek­tri­sche Leis­tung die Waage hal­ten. Zur Si­che­rung gibt es einen Fünf­stu­fen­plan:

• Sinkt die Fre­quenz auf 49,8 Hz gibt es einen Alarm für das Per­so­nal
• 49 Hz: 10-15 % der Ver­brau­cher wer­den ab­ge­schal­tet.
• 48,7 Hz: wei­te­re 10-15 % wer­den ab­ge­schal­tet
• 48,4 Hz: wei­te­re 10-25 % wer­den ab­ge­schal­tet
• We­ni­ger als 47,5 Hz: Tren­nung des Kraft­werks vom Netz

1. Er­klä­re den Be­griff „Wech­sel­span­nung“.

2. Er­läu­te­re, was im Kraft­werk zur Bei­be­hal­tung der 50 Hz pas­sie­ren muss, wenn sich immer mehr Ver­brau­cher ab­schal­ten? Plane einen ein­fa­chen Ver­such mit dem oben ge­zeig­ten Sys­tem dazu.

3. Be­schrei­be, was beim Be­trieb eines Kraft­werks ge­än­dert wer­den muss, um einem Ab­sin­ken der Fre­quenz ent­ge­gen zu wir­ken.

4. Er­läu­te­re, warum dann immer ge­rin­ge­re Dreh­fre­quen­zen zu einer Ge­fahr für ein Kraft­werk wer­den kön­nen. Hin­weis: siehe auch Ver­such 2, Ar­beits­blatt – Ge­ne­ra­tor unter Last

Ar­beits­blatt: Kraft­wer­ke bei Be­las­tung: Her­un­ter­la­den [docx][146 KB]

Wei­ter zu Kopp­lung von Ge­ne­ra­to­ren