Unterrichtsmaterialien zum Thema "Schalttechnik"

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Asynchronmotor: Arbeiten mit Herstellerkatalogen

Unterrichtseinheit

Mit der Neuordnung der Elektroberufe ist der Unterricht lernfeldorientiert. Eine berufstypische Tätigkeit ist das Lesen von Datenblättern. In der Lernsituation nutzen die Schülerinnen und Schüler Online-Kataloge eines Motorenherstellers und eines Herstellers von Schutzeinrichtungen.Ausgangspunkt der Lernsituation ist ein betrieblicher Auftrag: Schülerinnen und Schüler sollen einen Asynchronmotor für ein Rührwerk einer Wasseraufbereitungsanlage bei einem Zulieferer bestellen. Die Anforderungen für den Betrieb des Antriebsmotors liegen vor. Nachdem ein erster Motor ausgewählt wurde, werden im nächsten Schritt ökologische und ökonomische Gesichtspunkte in die Entscheidungsfindung einbezogen.In dieser Unterrichtseinheit lernen die Schülerinnen und Schüler, Datenblätter zu lesen. Sie erkennen, dass die Datenblätter nur interpretiert werden können, wenn die technischen Hintergründe beherrscht werden. Die Schüler begründen die Auswahl der Betriebsmittel in jedem Punkt des Anforderungskatalogs. Lernsituation Die Aufgabenstellung ist praxisnah und für die Schülerinnen und Schüler motivierend. Sie führen eine vollständige berufliche Handlung aus. Lernschritte In vier Lernschritten werden Unterrichtsmaterialien und die Online-Quellen eines Zulieferbetriebs eingesetzt. Die Schülerinnen und Schüler sollen einen Asynchronmotor und eine Motorschutzeinrichtung unter Berücksichtigung technischer Anforderungen aus Hersteller-Katalogen auswählen Betriebskosten mithilfe eines Tabellenkalkulationsprogramms berechnen und Diagramme erstellen Schaltpläne erstellen erkennen, dass sich ökonomisches und ökologisch verantwortliches Handeln vereinen lässt. Die Schüler berechnen in MS-Excel oder OpenOffice-Calc die Betriebskosten von Motoren unterschiedlicher Wirkungsgradklassifizierungen und stellen die Ergebnisse in einem Diagramm vergleichend dar. Sie wählen einen passenden Motorschutzschalter aus dem Online-Katalog eines Herstellers von Schutzeinrichtungen. Alternativ setzen sie den Online-Assistenten des Herstellers ein. Der Online-Assistent schlägt den Schülern nach Eingabe der Motordaten einen Motorschutzschalter vor. Die Schüler vervollständigen die Dokumentation der Planungsabteilung und erstellen Schaltpläne von der Unterverteilung bis zum Motor. Thema Asynchronmotor: Arbeiten mit Herstellerkatalogen Autor Markus Asmuth Fach Elektrotechnik Zielgruppe Elektroberufe, 2. Lehrjahr Lernfeld Antriebssysteme auswählen und integrieren Zeitraum 8 Unterrichtsstunden Technische Voraussetzungen Internetzugang, Webbrowser, MS-Excel oder OpenOffice-Calc Planung Verlaufsplan Asynchronmotor Lernvoraussetzungen Vorausgesetzt wird, dass die Schülerinnen und Schüler die technischen Grundlagen Betriebsverhalten, Betriebsart, Polpaarzahl, Isolierung, Bauform, Schutzart und Motorschutz verstehen Berechnungen in MS-Excel oder OpenOffice-Calc durchführen können und Diagramme erstellen können Lernsituation Die Aufgabenstellung ist praxisnah und für die Schülerinnen und Schüler motivierend. Gegenstand ist der Antrieb eines Rührwerks einer Wasseraufbereitungsanlage eines Chemiewerks. Die Lernenden bearbeiten eine vollständige berufliche Handlung. Diese umfasst neben technischen und methodischen Aspekten zusätzlich ökonomische und ökologische Aspekte. Ein wichtiges Grundprinzip beruflicher Handlungen ist, negative Einflüsse auf die Umwelt zu minimieren. In der Lernsituation lernen die Schüler, dass sich Ökonomie und Ökologie miteinander vereinen lassen. Die Schüler setzen moderne Arbeitsmittel wie Online-Kataloge der Hersteller und Tabellenkalkulationsprogramme zur Lösungsfindung ein. Eine wichtige Kompetenz ist das Lesen von Datenblättern. Interpretiert werden können die Produkttabellen nur, wenn die fachlichen Inhalte beherrscht werden. Auswahl des Motors Zunächst müssen die sprachlich formulierten Anforderungen an die Schutzart und Betriebsart mithilfe des Tabellenbuches und des Fachbuches in Kennzeichnungen übertragen werden. Diese Kennzeichnungen können dann mit den Angaben im Online-Katalog verglichen werden. Außerdem ist mittels der Polpaarzahl und der Netzfrequenz die Drehfelddrehzahl zu berechnen. Nicht alle Anforderungen finden sich in den Datenblättern. Die Schülerinnen und Schüler müssen die technischen Erläuterungen hinzuziehen. Dort wird die standardmäßige Schutzart und Isolierstoffklasse für die Motoren des Herstellers genannt. Berechnung der Betriebskosten Die Betriebskosten werden über die elektrische Arbeit und den Strompreis berechnet. Zur Berechnung der elektrischen Arbeit bestimmen die Schülerinnen und Schüler die zugeführte Leistung des Motors mittels im Datenblatt angegebenen Wirkungsgrad und der ebenfalls notierten abgegebenen Leistung. Die Betriebszeit des Rührwerks fließt in die Berechnung ein. Die Berechnungen werden direkt im Tabellenkalkulationsprogramm durchgeführt. Für jeden Tag werden über den Zeitraum von zwei Jahren die bis zu diesem Tag angefallenen Stromkosten in jeweils einem separaten Tabellenfeld berechnet. Rentabilität Die Schülerinnen und Schüler berechnen die Betriebskosten für den im Schritt 1 ausgewählten Motor der Wirkungsgradklassifizierungen EFF2 und für das etwas teurere Modell mit der besseren Wirkungsgradklassifizierung EFF1. Die benötigten Daten finden sie auch diesmal im Online-Katalog des Motorenherstellers. Ein zu erstellendes Diagramm, das die Differenz der Betriebskosten über die Tage aufträgt, verdeutlicht, ab wann ein Motor der Klassifizierung EFF1 rentabel ist. Auswahl des Motorschutzschalters Zunächst dimensionieren die Schülerinnen und Schüler den Motorschutzschalter. Dem Datenblatt entnehmen sie den Bemessungsstrom für den im Schritt 2 ausgewählten Motor. Der Motor wird ohne ein zusätzliches Anlassverfahren direkt an die Netzspannung gelegt. Der Überlastschutz des Motorschutzschalters wird auf den Bemessungsstrom des Motors eingestellt. Alternativ kann auch der Online-Assistent von Moeller eingesetzt werden, der nach Auswahl des Motors, einen Motorschutzschalter vorschlägt. Erstellung der Schaltpläne Als Teil der vollständigen beruflichen Handlung erstellen die Schülerinnen und Schüler Schaltpläne. Diese werden der Planungsabteilung zur Vervollständigung der Dokumentation ausgehändigt. Die Schüler zeichnen Schaltpläne von der Unterverteilung bis zum Motor in einpoliger und in mehrpoliger Darstellung. Entsprechend der Betriebsbedingungen ist den Schaltplänen ein TN-S-Netzsystem zugrunde zu legen. Im Tabellenbuch oder in den Fachbüchern finden die Lernenden die Schaltsymbole für den Motorschutzschalter und die Schaltsymbole für den Sicherungslasttrennschalter mit NH-Sicherung.

  • Elektrotechnik
  • Sekundarstufe II

Einführung in die Pneumatische Steuerungstechnik

Unterrichtseinheit

Dieser Grundlagenkurs befasst sich mit den grundlegenden Bedingungen der pneumatischen Steuerungstechnik. Es werden die einzelnen Komponenten und deren Verhalten, das Medium Druckluft, die Erzeugung der Druckluft und die besonderen Verhaltensmerkmale im pneumatischen System betrachtet.In diesem Zusammenhang werden die notwendigen schaltungstechnischen Unterlagen für pneumatische Steuerungen der Pneumatikschaltplan, das Funktionsdiagramm, die notwendigen Wertetabellen, der Funktionsplan nach Grafcet (PAL-Nähe), Stückliste und Funktionsbeschreibung in der Regel für die Steuerung eines Zylinders erstellt. Bearbeitet werden zudem verschiedene Verknüpfungsarten, beispielsweise "ODER" und "UND", verschiedenen Steuerungsarten wie Sicherheitssteuerung, zeitabhängige Steuerung, Einzelbetrieb, Dauerbetrieb, Verriegelung von Signalen, und vieles mehr. Zudem werden verschiedene Sensoren vorgestellt und getestet.Lehrkräfte können diesen Grundlagenkurs im Rahmen der Ausbildung in metallischen Ausbildungsberufen des Handwerks und der Industrie gezielt einsetzen. Er wurde entwickelt für die Ausbildung von Industriemechanikern im 1. Ausbildungsjahr als Grundlage für die Vorbereitung auf die Abschlussprüfung Teil 1. Die Unterlagen können aber auch in Berufsfachschulen und anderen industriellen und handwerklichen Ausbildungsberufen verwendet werden. Ablauf der Unterrichtssequenz und Arbeitsmaterialien Die Unterrichtsmaterialien dienen zur Einführung in das Themengebiet pneumatische Steuerungstechnik. Dazu stehen umfangreiche Arbeitsmaterialien zum Download bereit. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen Verständnis für die pneumatischen Anlagen und Komponenten entwickeln. pneumatische Schaltungen anhand der Lernsituationen entwerfen können. schaltungstechnische Unterlagen wie Pneumatikschaltplan, Funktionsdiagramm, Wertetabelle und Funktionsplan nach Grafcet erstellen können. Fehler in Anlagen eingrenzen und beheben können. die Eigenschaften wichtiger pneumatischer Komponenten kennen lernen. pneumatische Bauteile auswählen und funktionsgerecht montieren können. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen ihre Lösungen mit modernen Medien präsentieren können. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen im Team Lösungen entwickeln und technisch realisieren können. Zum Einstieg in das Thema werden verschiedene Beispiele für das Handling pneumatischer Aktoren vorgestellt. Anlagen mit pneumatischen Komponenten sind im Film der Firma Festo und in verschieden Videos aus dem Internet zu sehen. Hinzu kommt die Vorstellung pneumatischer Aktoren aus der eigenen Sammlung der Schule (reale Komponenten). Die Ausbildungsbetriebe sind uns in diesem Zusammenhang immer gerne behilflich gewesen. Komponenten Themen dieser beiden Stunden sind die Aufgabe und Funktion der Komponenten einer pneumatischen Anlage (Darstellungen in vielen Fachbüchern. Beispiel: "Bildliche Darstellung und Schaltplan einer Pneumatikanlagen" in Fachkunde Metall, Europa-Lehrmittel, 55. Auflage, Seite 470, Bild 1). Dazu kann das Arbeitsblatt des Verlags (CD mit Abbildungen wird mitgeliefert) genutzt werden. Aus Urheberschutzgründen werden Verlagsarbeitsblätter hier nicht veröffentlicht. Die Komponentenbeschreibung ist im genannten Fachbuch recht ausführlich. Inhalte können beispielweise mit der Methode Expertengespräch aufgearbeitet werden. Erstellung einer ersten Steuerung Auf Grundlage der zuvor betrachteten Steuerung werden die abgebildeten Bauteile von den Auszubildenden an ihren Arbeitsplätzen montiert. Zuvor werden Sicherheitshinweise für die Arbeit an den Schülerarbeitsplätzen gegeben. Die Lehrkraft zeigt den Schülerinnen und Schülern die Bauteile und weist sie auf die Unfallgefahr hin, wenn die Schläuche nicht richtig fixiert werden. Vorschlag Bauteile Verwendung eines 4/3-Wegeventils mit Handhebel und Raste zur Steuerung eines doppeltwirkenden Zylinders (DWZ). Es wird eine erste Schaltung montiert (Motivationssteigerung) und die Schülerinnen und Schüler werden an die Notwendigkeit der Kenntnis der Anschlussbezeichnungen herangeführt. Ergänzungsaufgabe Montage einer Schaltung mit einem 3/2-Wegeventil und einem einfachwirkender Zylinder (EWZ) Dieser Exkurs, der circa zwei bis vier zusätzliche Unterrichtsstunden in Anspruch nimmt, kann auch zu einem späteren Zeitpunkt bearbeitet werden. Als Methode werden Quergruppen/Gruppenpuzzle (Stammgruppe - Expertengruppe) eingesetzt. Bei der Aufarbeitung der Themen mit PowerPoint sind zwei weitere Stunden vorgesehen. Pneumatische Schaltpläne - Anschlussbezeichnungen Zur Einstimmung kann auf die installierte Schaltung der vergangenen Stunde Bezug genommen werden. Vorgestellt werden die wichtigsten Ventile (Steuerglieder) zur Darstellung der Systematik der Anschlussbezeichnungen (Zahlen und Buchstaben nennen). Die Erläuterung der Systematik der Ventilbezeichnungen (3/2, 4/3 und so weiter) erfolgt anhand der Angaben im Tabellenbuch. Aufbau und Funktion Wegeventile / Zylinder Mithilfe von Plexiglasmodellen wird die Funktion einzelner pneumatischer Bauteile verdeutlicht (Minifluidsystem). Zunächst werden vorhandenen Wegeventile (4/2-Wegeventil) und der Arbeitszylinder betrachtet. Die Schülerinnen und Schüler können den Weg des Öls über den Tageslichtprojektor betrachten. Gegebenenfalls ist hier auch eine Funktionsbeschreibung des Vorgangs sinnvoll. Es sollte der Zylinder betrachtet und unter anderem der Unterschied zwischen doppeltwirkendem und einfachwirkendem Zylinder unterschieden werden (gegebenenfalls Abbildungen der Verlags-CD für Arbeitsblatt nutzen). Der Zylinder mit Endlagendämpfung wird später behandelt. Es bietet sich hier das Themengebiet "Berechnungen zur Pneumatik" an (Druck am Zylinder und so weiter). Vergleiche: Technische Mathematik Metall, Höllger, Bildungsverlag EINS, 27. Auflage, Seite 195. Das Drosselrückschlagventil Das Ergebnis an dem realen Modell soll sein, dass das Werkstück ohne Drossel bei Betätigung der Steuerung durch die Gegend fliegt. Darüber wird die Notwendigkeit der Drosselung abgeleitet. Die Entwicklung der Thematik erfolgt im Unterrichtsgespräch (gegebenenfalls Hinweis auf abgeknickten Gartenschlauch: weniger Wasser kommt heraus). Es sollte zunächst nur ein Drosselrückschlagventil eingeführt werden. Dadurch wird gewährleistet, dass die Schülerinnen und Schüler erkennen, für welche Bewegung das Drosselrückschlagventil Wirkung zeigt (Ein- oder Ausfahrbewegung). Später sollten aber schon zwei Drosselrückschlagventile Verwendung finden. Drücke beim Ein- und Ausfahren Der Aufbau der Drosselrückschlagventile kann den Fachbüchern entnommen werden. Besonders eignen sich auch die Klarsichtmodelle für den Tageslichtprojektor (Minifluid-System). Im zweiten Teil der Stunde sollen die Drücke beim Ein- und Ausfahren ermittelt und dokumentiert werden. Achtung: Es ist ein leichter Handdruck als Gegenkraft beim Aus- und Einfahren des Zylinders notwendig. Unfallgefahr! Es empfiehlt sich, den Zylinder daher vorab zunächst mehrmals langsam aus- und einfahren zu lassen. Stick-Slip-Effekt Ziel der Stunde soll sein, den Auszubildenden die Vorzüge der Abluftdrosselung gegenüber der Zuluftdrosselung zu vermitteln. Meist stehen den Schulen jedoch keine geeigneten Versuchseinrichtungen zur Verfügung, die unter anderem die Darstellung des Stick-Slip-Effektes erlauben. Ich habe zumindest noch keinen Aufbau ohne Klemmer gefunden. Daher beschränke ich mich bei der Demonstration auf eine Belastung der Zylinder durch eine Handkraft mit wechselnder Last. Versuchsaufbau mit Drosselrückschlagventil Dabei ist bei der Ausfahrbewegung des Zylinders mit Abluftdrosselung ein deutlich gleichmäßigeres Ausfahren zu beobachten. Im Unterrichtsgespräch wird mithilfe verschiedener Versuche dafür eine Begründung gesucht (Zylinder im Luftpolster eingespannt) und entschieden, welche Drosselungsart zukünftig genutzt werden soll. Zunächst sollte auch hier ein Versuchsaufbau mit nur einem Drosselrückschlagventil gewählt werden, um die Wirkung des Bauteils stärker zu verdeutlichen. Um die Bedienung einer Fertigungsanlage zu vereinfachen, werden die Bedienungselemente für die pneumatischen Steuerungen auf einem Pult zusammengefasst. Der Abstand zu den Schaltzylindern kann so mehrere Meter betragen. Dadurch kann sich das Schaltverhalten der Steuerungen verändern. Funktion mit Umschaltventil (Federrückstellung und Impulsventil) Lernsituation Werkstückmagazin Einführung von Grenztastern Oszillierende Bewegung Funktionstest und Anwendung (Spannvorrrichtung) Funktionsdiagramm, Wertetabelle Klassenarbeit Lernsituation Türsteuerung Nicht-Funktion Lernsituation Türsteuerung Lernsituation Bustür Dominierende Signale Türsteuerung (mit Umschaltventil) Lernsituation Steuerung: Schieber Schüttgutbehälter Steuerung einer Trocknerstecke Wiederholung - Vertiefung Klassenarbeit

  • Metalltechnik
  • Sekundarstufe II

Pneumatische Steuerungstechnik II

Unterrichtseinheit

Dieser Aufbaukurs beschäftigt sich mit pneumatischen Steuerungen für besondere Aufgaben. Erarbeitet wird unter anderem die Sicherheitssteuerung, eine Schaltung mit Einknopfbedienung und mit der Option für die Betriebsarten Einzel- und Dauerbetrieb. Die Schaltungen basieren auf der Grundsteuerungen des Moduls Pneumatik I.In einem zweiten Teil wird die Funktion ausgesuchter wichtiger Komponenten betrachtet. Dafür stehen animierte Funktionsdarstellungen der Bauteile zur Verfügung. Ergänzt wird diese Unterrichtseinheit um prüfungsnahe Schaltungen, unter anderem als Vorbereitung auf die Abschlussprüfung Teil I für Industriemechanikerinnen und -mechaniker. In diesem Zusammenhang werden die vorhandenen Schaltpläne analysiert und praxisnah betrachtet. Es werden die notwendigen schaltungstechnischen Unterlagen wie das Funktionsdiagramm, die Wertetabellen und der Funktionsplan nach Grafcet (PAL-Nähe) betrachtet.Lehrkräfte können diesen Aufbaukurs im Rahmen der Ausbildung in metallischen Ausbildungsberufen des Handwerks und der Industrie gezielt einsetzen. Er wurde entwickelt für die Ausbildung von Industriemechanikern im 1. und 2. Ausbildungsjahr als Vorbereitung auf die Abschlussprüfung Teil 1. Die Unterlagen können aber auch in Berufsfachschulen, der Fachoberschule und anderen industriellen und handwerklichen Ausbildungsberufen verwendet werden. Ablauf der Unterrichtssequenz und Arbeitsmaterialien Die Unterrichtsmaterialien dienen zur der Fortführung des Themengebietes "Pneumatische Steuerungstechnik". Dazu stehen umfangreiche Arbeitsmaterialien zum Download bereit. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen Verständnis für die pneumatischen Anlagen und Komponenten entwickeln. pneumatische Schaltungen analysieren können. schaltungstechnische Unterlagen wie Pneumatikschaltplan, Funktionsdiagramm, Wertetabelle und Funktionsplan nach Grafcet erstellen und auswerten können. die Eigenschaften wichtiger pneumatischer Komponenten kennenlernen. pneumatische Bauteile auswählen und funktionsgerecht montieren können. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen ihre Lösungen mit digitalen Medien präsentieren können. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen im Team Lösungen entwickeln und technisch realisieren können. Funktionsbeispiele Die Schülerinnen und Schüler lernen die Funktion der Sicherheitssteuerung kennen. Als Funktionsbeispiele aus der Praxis kann beispielsweise eine Pressensteuerung betrachtet werden. Praktischer Hinweis Beide Schalter müssen nahezu zeitgleich gedrückt werden. Es kann kein Schalter festgesetzt werden (Besenstiel). Die beiden Schalter müssen in einem gewissen Abstand voneinander montiert werden (zum Beispiel 60 Zentimeter), damit sie sich nicht mit einer Hand bedienen lassen. Eine Tür lässt sich auf Knopfdruck öffnen und durch Betätigung desselben Knopfes wieder schließen. Die Funktion dieser komplexen Steuerung soll von den Schülerinnen und Schüler erfasst werden. Auch hier soll die Funktion einer Schaltung erfasst werden. Die Schaltung lässt die Betriebsart Einzelbetrieb, eine Aus- und Einfahrbewegung des Zylinders, und auch Dauerbetrieb, oszillierende Bewegung des Zylinders, zu. Anhand des Versuchsaufbaus soll die Funktion des Schnell-Entlüftungsventils und dessen Bedeutung von den Schülerinnen und Schülern erfasst werden. Es werden dabei zwei Schaltungen miteinander verglichen. Endlagendämpfung Die Schülerinnen und Schüler stellen die Endlagendämpfung ein und nehmen sie wieder heraus ("Aufschlagen" des Zylinders). Die Funktion wird mithilfe einer Animation verdeutlicht. Sitz- und Schieberventil Thema ist die Unterscheidung der Bauarten von Ventilen: Sitz- und Schieberventil. Zur Funktionsdarstellung werden jeweils Animationen eingesetzt. Damit lassen sich die Merkmale der beiden Ventiltypen herausarbeiten. Der Einstieg in die Thematik kann mit einem Versuch erfolgen. Dabei wird ein vorgesteuertes Ventil einem Ventil ohne Vorsteuerung gegenübergestellt. Es werden jeweils die Schaltdrücke aufgenommen und dokumentiert. Der Mindestschaltdruck wird festgestellt. Die Funktion der Ventile mit und ohne Vorsteuerung wird mithilfe einer Animation verdeutlicht. Der Versuch kann mit einem elektropneumatischen Ventil wiederholt werden. Auch hier steht eine animierte Datei zur Funktionsdarstellung zur Verfügung.

  • Metalltechnik
  • Berufliche Bildung

WebQuest "Digitaltechnik"

Unterrichtseinheit

In dieser Unterrichtseinheit zum Thema Digitaltechnik eignen sich die Lernenden mit der handlungsorientierten Unterrichtsmethode WebQuest aktiv und ganzheitlich Wissen mithilfe der digitalen Medien an. Sie erhalten eine Aufgabenstellung zur Entwicklung einer digitalen Steuerung, die sie mithilfe authentischer Informationsquellen in Gruppen bearbeiten.In der Unterrichtseinheit "WebQuest 'Digitaltechnik'" beschäftigen sich die Schülerinnen und Schüler im Rahmen eines WebQuests mit dem Einsatz von digitalen Bauteilen in der Steuerungstechnik. Bevor sie aber die vorgesehene Gebläsesteuerung entwerfen können, müssen sie sich zuerst einmal mit den digitalen Grundschaltungen auseinandersetzen. Im Internet gibt es dazu zahlreiche Informationsquellen. Die Schülerinnen und Schüler lernen Möglichkeiten kennen, wie man derartige Schaltungen entwerfen, gegebenenfalls vereinfachen und simulieren kann. Konzeption In der Beruflichen Bildung sind Lehr-Lern-Arrangements gefragt, die sich an "vollständigen Handlungen" orientieren, autonome Lernstrategien zulassen und gleichzeitig die Motivation der Lernenden fördern. Dementsprechend gab es zwei Hauptmotive für die Entwicklung dieses WebQuests: Zum einen ging es darum, durch ein bei Jugendlichen positiv besetztes Medium (= Internet) ein motivierendes Lehr-Lernarrangement zu schaffen, das sie auf den Weg zum selbstorganisierten Lernen bringt. Zum anderen wurde nach einer E-Learning-Variante gesucht, die kooperatives Lernen in der Gruppe ermöglicht und gleichzeitig die zahlreichen Chancen neuer Medien nutzt. Nach den gemachten Erfahrungen erfüllt das vorgestellte WebQuest diese Bedingungen. Durchführung Der Ablauf der Lernsituation ergibt sich aus der Bearbeitung der WebQuest-Struktur, beginnend bei der Vorstellung des Themas bis zur Präsentation. Insgesamt umfasst die Lernsituation etwa 14 bis 16 Unterrichtsstunden, wobei für einen Arbeitsschritt jeweils etwa drei bis vier Stunden einzuplanen sind. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler entwerfen eine Gebläsesteuerung, überprüfen die Funktion mithilfe von Simulationssoftware und nehmen sie in Betrieb. dokumentieren ihre Lösungen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler arbeiten ziel- und ergebnisorientiert, indem sie relevante Informationen aus dem Internet oder anderen Quellen zur Bearbeitung der WebQuest-Aufgabe heranziehen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler organisieren die Zusammenarbeit in ihrem Team. Dabei setzen sie sich rational und verantwortungsbewusst mit anderen Menschen auseinander.

  • Elektrotechnik
  • Berufliche Bildung, Sekundarstufe II

Regelung einer Wärmepumpenanlage

Unterrichtseinheit

Mit den immer aktueller und dringender werdenden Diskussionen über Energiesparen nimmt das Interesse an Wärmepumpenanlagen zu. Lerngegenstand der Unterrichtseinheit ist die Funktionsweise einer Wärmepumpenanlage und deren Regelung.Die Schülerinnen und Schüler analysieren methodisch die Funktionsweise einer Wärmepumpenanlage. Diese wird durch eine Animation veranschaulicht. Sie ziehen Kennzahlen von Wärmepumpen heran und vergleichen mithilfe von Tabellenkalkulationsprogrammen den Energieverbrauch zweier Wärmepumpen. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Analyse der Regelung der Wärmepumpenanlage. Die Schülerinnen und Schüler bilden die Zweipunktregelung in das Modul BORIS des Programms WinFACT ab und lernen den Einfluss der Schalthysterese auf die Schalthäufigkeit kennen.Lerngegenstand ist eine zweipunktgeregelte monovalente Elektrowärmepumpenanlage zur Raumheizung. Aufgrund der Komplexität des Systems ist die Anforderung an die Schülerinnen und Schüler hoch. Der Lerngegenstand eröffnet ihnen die Chance, komplexe Systeme fachgerecht verstehen zu lernen. Eine geeignete fachspezifische Methode ist die Analysemethode. Zunächst wird die Funktionsweise der Wärmepumpenanlage und anschließend die Regelung der Anlage analysiert. Aufgabenstellung Das Erläutern der Aufgabenstellung steht zu Beginn des Unterrichtsverlaufs. Die Lehrkraft sollte in die Fragestellungen einführen. Funktionsweise einer Wärmepumpenanlage Die Schülerinnen und Schüler setzen sich intensiv mit den Arten von Wärmepumpen, mit Energiebilanzen und Kennwerten dieser Bilanzen auseinander. Regelungen einer Wärmepumpenanlage Um die Ursache der Unterbrechungsmeldung und die Auswirkungen einer Änderung der Schalthysterese auf die Raumtemperatur verstehen zu können, analysieren die Schülerinnen und Schüler die Regelung einer Wärmepumpenanlage. Methodenkompetenzen Die Schülerinnen und Schüler sollen ihre methodischen Fähigkeiten im Umgang mit komplexen technischen Systemen weiterentwickeln. die Analysemethode einüben und anwenden lernen. mit Bedienungsanleitungen vertraut werden und diese einsetzen. Fachkompetenzen Die Schülerinnen und Schüler sollen die Funktionsweise einer Wärmepumpenanlage verstehen. mit Kennzahlen von Wärmepumpenanlagen rechnen. die Regelung einer Wärmepumpenanlage verstehen. die Funktionsweise einer Zweipunktregelung, den Begriff Schalthysterese und die Begriffe oberer beziehungsweise unterer Schaltpunkt verstehen. Thema Regelung einer Wärmepumpenanlage Autor Markus Asmuth Zielgruppe Handwerkliche und industrielle Elektroberufe Lernfeld Energie- und gebäudetechnische Anlagen in Stand halten und ändern Zeitraum 10 Unterrichtsstunden Technische Voraussetzungen Tabellenkalkulationsprogramm (MS-Excel oder OpenOffice Calc), Software WinFACT mit dem Modul BORIS Planung Regelung einer Wärmepumpenanlage Am Beispiel einer zweipunktgeregelten Wärmepumpenanlage soll das Verhalten unstetiger Regler in Regelkreisen mit Einfluss der Hysterese untersucht werden. Geeignet ist folgende praxisbezogene Aufgabenstellung: Die Aufgabenstellung spiegelt eine reale Situation authentisch wieder. Eine Unterbrechungsmeldung am Display von Waterkotte Wärmepumpenanlagen kann auftreten und es sollte dann Einfluss auf den Anlagenbetrieb genommen werden. Parameter können direkt am Bedienteil des Reglers geändert werden. Optional kann der Regler mit einem Telefonmodem ausgestattet werden und so jederzeit mit der Servicefirma in Verbindung treten. Auf dem Bildschrim ist dann der Systemzustand ersichtlich und aus der Ferne kann eingegriffen werden. Wärmepumpenanlagen sind Wärmekraftmaschinen, die zur Raumbeheizung, zur Warmwasserbereitung und in der Verfahrenstechnik eingesetzt werden. Hierbei wird die in der Umgebung (Erdreich, Grundwasser, Umgebungsluft) zwischengespeicherte Sonnenenergie oder Abwärme aus Produktionsprozessen genutzt. Neben der Umgebungsenergie benötigt die Wärmepumpe elektrische Energie, Verbrennungsenergie (Kompressionswärmepumpen) oder thermische Energie (Absorptionswärmepumpen). Der größte Anteil der in Deutschland installierten Wärmepumpenanlagen fällt auf elektrische Wärmepumpenanlagen zur Wohnraumbeheizung und auf Kleinstanlagen zur Warmwasserbereitung. Meistens werden Wärmepumpen mit monovalenter Betriebsweise installiert. Monovalente Anlagen decken als alleiniger Wärmeerzeuger den gesamten Wärmebedarf des Gebäudes. In den letzten Jahren ist die Zahl neu installierter Wärmepumpen zur Wohnraumbeheizung deutlich gestiegen. Grund für diesen Marktaufschwung sind die steigenden Energiepreise und vor allem die Diskussion bezüglich der ökologischen Nebenwirkungen von Anlagen zur Raumheizung. Die Raumheizung ist in Deutschland besonders in der Diskussion, da auf sie ca. 30 % des Primärenergieverbrauchs fällt und somit entsprechend hohe Minderungspotentiale der C02-Emissionen bestehen. Impulse erhielt der Wärmepumpenmarkt durch die Energieeinsparverordnung von 2002 und Fördermaßnahmen von Bund, Ländern, Kommunen und Energieversorgungsunternehmen. bmvbw.de Die Energiesparverordnung können Sie auf der Seite des Bundesministeriums für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen nachlesen. Die Anzahl der Niedrigenergie- und Passivhäuser wird durch die Klimaschutzbemühungen weiter wachsen und damit auch die Anwendungsmöglichkeiten von Wärmepumpen. Insbesondere bei Niedrigenergie- und Passivhäusern hat die Wärmepumpe günstige Einsatzbedingungen. Ob der Einsatz einer Wärmepumpe zur Raumheizung sinnvoll ist, muss im Einzelfall entschieden werden. Mehr Anwendungsfelder könnten mit dem zunehmenden Einsatz kohlenstoffärmerer Brennstoffe in der Stromerzeugung und damit einer besseren ökologischen Bilanz der Wärmepumpe ergeben. Die Warmwasserversorgung wird in die unterrichtliche Betrachtung nicht mit einbezogen. Einerseits um die Komplexität zu verringern, andererseits, da empfohlen wird, die Warmwasserversorgung möglichst nicht mit der Heizungswärmepumpe sicherzustellen. Als Systemgrenze wird die Wärmepumpenanlage (mit den Komponenten Wärmezuführung, Wärmepumpe, Wärmeverteilsystem) einschließlich Wohnraum festgelegt. Die Wärmepumpe selbst besteht aus den Wärmetauschern, dem Kompressor und dem Expansionsventil. Die Umwälzpumpen, der Motorschutz, eine Anlaufstrombegrenzung, der Tonfrequenz-Rundsteuerempfänger und andere "Details" werden nicht betrachtet. Das so abgegrenzte und reduzierte System wird in den vier Schritten der Analysemethode von den Schülerinnen und Schülern analysiert. Wichtig für das Verständnis einer Wärmepumpe ist, dass neben elektrischer Energie Umgebungsenergie zur Raumerwärmung beziehungsweise zur Wassererwärmung genutzt wird. Die Unterrichtseinheit soll technisches Basiswissen vermitteln, um eine Diskursfähigkeit in Hinblick auf das Minderungspotential von C02-Emissionen und der Wirtschaftlichkeit zu ermöglichen. Die Leistungsziffer und die Jahresarbeitszahl als Kennwerte der ökologischen Bilanz einer Wärmepumpenanlage sind Unterrichtsinhalt. Das Thema "Regelung einer Wärmepumpenanlage" dient als Einführung in die Regelungstechnik. Die Regelung der Temperatur der abgegebenen Wärme erfolgt üblicherweise durch Ein- und Ausschalten der Wärmepumpe (Zweipunktregelung). Neben einer Zweipunktregelung besteht neuerdings noch die Möglichkeit der Leistungsregelung mittels Frequenzumformer. In Deutschland zeichnet sich bisher nicht ab, dass sich solche drehzahlgeregelten Elektrowärmepumpen zur Hausheizung durchsetzen werden. Es wird eine konstante Außentemperatur über den betrachteten Zeitraum angenommen und es wird eine ausbleibende Wärmeeinstrahlung auf den Raum, beispielsweise durch Sonnenstrahlung, Personen oder Beleuchtung, vorausgesetzt. Durch diese Annahmen wird erreicht, dass die Lüftungs- und Transmissionswärmeverluste konstant sind und somit die Rücklauftemperatur der Fußbodenheizung als Regelziel konstant gehalten werden soll, das heisst das Führungsverhalten des Regelkreises bei konstantem Sollwert der Rücklauftemperatur wird untersucht. Gewählt wurde eine Anlage ohne Einzelraumregelung, um die Komplexität des Systems weiter zu verringern. Im Wirkungsplan ist die Regelung einer Wärmepumpenanlage der Firma Waterkotte dargestellt. Der Wärmepumpenregler "RESÜMAT CD" besteht aus der Reglerplatine und einem Bedienteil, das in die Blende der Wärmepumpe eingebaut ist. Folgende Texte enthalten die Anleitung für die Wärmepumpenalage der Firma Waterkotte: Nachdem die Regelung mittels der Analysemethode von den Schülerinnen und Schülern untersucht wurde, ordnen sie die Größen und die Elemente der Wärmepumpenregelung dem Wirkungsplan einer Regelung nach DIN 19226 zu. Der Regelkreis wird von den Schülerinnen und Schülern im Modul BORIS des Programms WinFACT abgebildet. Sie setzen die Software erstmalig ein. Das Programm ist in verschiedenen Varianten von Komponenten und Lizenzen erhätlich. Auf der Site des Ingeneurbüro Kahlert gibt es eine Preisliste mit den günstigeren Studienlizenzen. Eine Demo-Version (ohne die Möglichkeit des Speicherns und Druckens) kann kostenlos angefordert werden. In dem Fachbuch "Regelungstechnik - Projekte für den Lernfeldunterricht" vom Bildungsverlag EINS gibt es eine Light-Version des Programms. In der Aufgabenstellung ist die Behebung des Unterbrechungsbetriebs gefordert. Grund für den Unterbrechungsbetrieb sind Vorschriften des Versorgungsnetzbetreibers. Er verlangt eine Begrenzung der Schalthäufigkeit auf maximal drei Einschaltungen pro Stunde. Die Begrenzung der Schalthäufigkeit vermindert die Netzrückwirkungen. Der Unterbrechungsbetrieb des Wärmepumpenreglers ist im Regler "RESÜMAT CD" programmtechnisch wie folgt realisiert: Sind 20 Minuten zu dem vorherigen Einschaltpunkt vergangen? Wenn ja -> Einschalten Wenn nein -> Warten bis 20 Minuten um sind und dann einschalten Die Begriffe Schalthäufigkeit und Schalthysterese wurden während der Analyse der Wärmepumpenregelung geklärt. Die einzige sinnvolle Lösung zur Aufgabe besteht in der Vergrößerung der Schalthysterese. Nur theoretisch wäre der Einbau eines Pufferspeichers eine Alternative. Die Schülerinnen und Schüler lesen die Ein- und Ausschaltzeit und die Schalthysterese aus dem Diagramm ab. Sie berechnen die Schaltzyklusdauer und die Schalthäufigkeit. Der gestrichelte Zeitverlauf wurde für eine Hysterese von 2°C und der durchgezogene Zeitverlauf für eine Hysterese von 3°C aufgenommen. Da die Regelstrecke träge ist, überschreitet die Rücklauftemperatur den oberen Schaltpunkt und unterschreitet den unteren Schaltpunkt. Dieses Nachheizen und das Abkühlen sind im Zeitverlauf erkennbar. Die Auswirkungen der Erhöhung der Schalthysterese wird in der Simulation mittels BORIS deutlich. Der Unterbrechungsbetrieb wurde aufgehoben.

  • Elektrotechnik
  • Sekundarstufe II