Über die Leistung  Power considerations
MEG-Glaser A-4191 Vorderweissenbach Glasau 3
Betrachtungen, eine Art Lehrbrief für Interessierte,
  die der Physik nichtnon academic! akademisch begegnen. 

  the article deals with power and energy considerations, written for non academic readers.
Some paragraphs are written in German and English.

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Über die physikalische Arbeit (Energie) und die Leistung bestehen gravierende Mißverständnisse, und das nicht nur in den Medien. Dazu soll die folgende Betrachtung ein wenig Konturen in den Nebel bringen.
 

Wenn Sie eine Handbohrmaschine mit 300W statt einer mit 600W verwenden, um ein Loch zu bohren, dann sparen Sie keinen Groschen für den Strom aus der Steckdose - das Loch kostet 30 Groschen (4 Pfennig, Annahme). Wenn Sie mit einem 1200W Bügeleisen ein Leintuch bügeln statt mit einem 800W Bügeleisen, dann kostet das gleich viel Kilowattstunden und Schilling (Pfennig).
Using a hand drill with 300W instead of a 600W machine to drill a particular hole does not save energy and money, the hole will cost 2 cents (assumption). Ironing a linen with a 1200W iron will cost the same amount of energy as with a 800W iron.

Mit der kleinen Bohrmaschine brauchen Sie nur länger, um das Loch zu bohren, mit der starken dagegen können Sie mit höherer Bohrerdrehzahl arbeiten oder fester drücken. Wenn Sie mit der großen Bohrmaschine aber nicht mit höherer Drehzahl bohren und auch nicht fester drücken, dann braucht sie genau so lang für das Loch, und sie nimmt auch nicht mehr Strom aus der Steckdose auf als die kleine.
With the small hand drill it will simply take longer to drill the hole, with the 600W drill you can press stronger or drill with higher rotational speed. If you don't press stronger and use the same speed, it will take the same time, and the machine will not consume more power out of the mains socket.

Motor
Die Leistungsangabe am Typenschild eines Motors besagt fast nichts darüber, wie viel Strom er aus der Steckdose entnimmt, sondern darüber, wieviel Drehzahl und Kraft (Drehmoment) er an der Welle abgeben kann, ohne sich dabei zu überhitzen. Wenn er stark belastet wird, dann entnimmt er einfach mehr Strom aus dem Netz (oder aus der Batterie...). Die Leistungsangabe am Typenschild hängt mit der Erwärmbarkeit des Motors zusammen. Für kurze Zeitspannen kann ein Elektromotor problemlos doppelt und mehrfach überlastet werden, er entnimmt dann eben entsprechend viel Strom aus der Steckdose. Im Leerlauf entnimmt der Motor nur wenig Strom aus der Steckdose, für seine Reibungsverluste und für die Magnetisierung, natürlich hat ein großer Motor mehr Leerlauf - Aufnahme als ein kleiner.
The nominal power, as written on the motors label, does not determine how much current it will consume from the mains socket, it tells how much rotational speed and force (torque) it can deliver at the pulley without overheating. For short time periods the motor can be overloaded with double or more power, it will simply take more current from the mains in this case. If unloaded the motor will consume very little power from the mains, it only has friction losses and magnetic losses. Of course a bigger motor has higher losses.

Die Leistungsangabe an einer Glühbirne dagegen oder an einem Heizkörper bedeutet ganz was anderes, die Glühbirne nimmt die Energie dauernd auf, solange sie eingeschaltet ist. Da gibt es keine veränderliche Belastung. PulsdiagrammDas würde eigentlich auch für das Bügeleisen im obigen Beispiel gelten, aber das hat einen Thermostat. Beim Bügeleisen mit der schwächeren Heizspirale wird der Thermostat länger einschalten, um die eingestellte Temperatur zu halten und daher ist der Stromverbrauch (Arbeit, Energie) bei beiden gleich. Das 1200W - Bügeleisen wird nur schneller heiß beim Einschalten und Sie bekommen die frisch gebügelte Zeitung eine Minute früher von Ihrem Butler.
On the other hand, the nominal power of a light bulb has a different meaning. A 75W bulb does NOT deliver 75W of light, it consumes 75W of electric power. The bulb will consume the power as long as it is switched on. The same would apply to the iron too, but this has a thermostatic switch. The thermostatic switch will switch on the 800W heater for longer periods of time to hold the desired temperature, thus consuming the same amount of energy for the linen. Yet the 1200W iron will heat up faster and so your butler can bring you the freshly ironed newspaper one minute earlier...

Bei einem Motor ist also der Begriff Leistung ein wenig irreführend, besser wäre Leistungsvermögen oder Belastbarkeit. Das gilt ähnlich auch für einen Benzinmotor, aber der bleibt bei Überlastung einfach stehen, er wird abgewürgt. Bei niedriger Belastung entnimmt er nur wenig Benzin (Energie) aus dem Tank. Wenn Sie eine bestimmte Entfernung zurücklegen wollen, dann brauchen Sie mit einem starken Motor nicht viel mehr Benzin als mit einem schwächeren, Sie sind nur schneller dort. Dieses Beispiel ist deshalb nicht ganz korrekt, weil die Reibungsverluste bei hoher Geschwindigkeit überproportional ins Gewicht fallen.
With an electric motor the term power is a little misleading, it should be named power capability or loadability. And it means continuous load, for short periods of time the motor may be overloaded heavily, as described above. This is similar to a gasoline motor, if it runs with a small load, it will consume little gasoline, but if overloaded, it will simply stop running. If you drive your car a particular distance, a high power motor will not consume much more gasoline than a small motor, you will simply arrive earlier. This is not absolutely correct because of the rising friction losses with higher speed.

Die Leistung wird in Watt  oder kW  gemessen oder in PS. Die Leistung einer Maschine besagt, wie schnell die Arbeit verrichtet wird.
Power is measured in Watt units or kW or with HP (horse power). The power says how fast the work is done.

Kaltblüter Die Pferdestärke ist definiert als 75 kpm/s, umgerechnet über die Newton gibt das  1 PS = 75 * 9,81 = 736 W = 0,736 kW.

Die Arbeit wird in Joule gemessen, ein Joule = eine Sekunde lang ein Watt.  1 J = 1 W*s   Wattsekunde. In der Mechanik ist 1 J = 1 N*m ein Newtonmeter. Wenn eine Maschine ein Gewicht von 1 Newton (ca. 100g) um einen Meter hoch hebt (oder eine Flüssigkeit hochpumpt), dann hat sie 1 Joule Energie hineingesteckt (potentielle Energie, Lageenergie). Wenn das Gewicht hinunterfällt, dann gibt es die gespeicherte Arbeit = Energie wieder zurück (Verformung des Parkettbodens...). Wenn die Maschine das Gewicht in einer Sekunde hochhebt, dann tut sie das mit einer Leistung von 1 Watt. Wenn sie dafür 5 Sekunden braucht, dann leistet sie nur 0,2 Watt, aber sie braucht dafür länger. 1 Watt = 1 J/s = 1 Nm/s.
Energy is measured with Joule units. 1 Joule = 1 Watt during 1 second:  1 J = 1 W*s. In mechanical physics 1 J = 1 N*m one newtonmeter.

Was Sie dem E-Werk abkaufen, das ist Arbeit, auch Energie genannt, wenn man eher an gespeicherte Arbeit denkt. Und die wird mit Joule gemessen, oder besser mit Kilowattstunden. 1 kWh = 3600000 J  = 3,6 Millionen Joule, weil eine Stunde 3600 Sekunden hat. kWh ist also ähnlich zum Joule wie die Tonne zur Unze.(nicht zahlenmäßig, sondern gefühlsmäßig), mit den kWh und Joule wird Energie gemessen, mit Tonne und Unze Gewicht.
What you buy from the electric supplier is Work or Energy. It is measured with Joules or better with kWh kilowatthours. 1 kWh = 3600000J = 3.6 mio J since an hour has 3600 seconds. 1 erg (the basic physical unit for energy) is 1.0E-07 J.
 

falls Sie schnell einen Rechner brauchen... if you need a calculator...

Für den Zählerstand ist es egal, ob Sie die Energie in kurzer Zeit mit hoher Leistung entnehmen oder über einen längeren Zeitraum mit niedriger Leistung. Der Zählerstand zeigt die insgesamt verbrauchte elektrische Energie. Für das Kraftwerk und für die Zuleitungen ist es aber nicht egal, wenn Sie viel Energie in kurzer Zeit beanspruchen, sie müssen die Leistung auch liefern können. Auch hier gilt die Betrachtung von der Belastbarkeit. Die Kaltblüter fressen die Joule in Form von Hafer und theoretisch kaufen Sie auch an der Tankstelle nur Joule bzw. Kilowattstunden, in flüssiger Form. Es gibt keinen Energiespeicher, der mehr kWh in einem kg oder Liter Materie speichern kann als Erdöl und Kohle. Abgesehen von den "atomischen" Energiespeichern bis zum e = mc2 (damit die g'studierte Seele auch ihre Ruh' habe!)
Moserboden Kaprun Salzburg AustriaFor the electricity meter, the kWh counter, it does not matter whether you took the energy over a long time with low power or in a short time with high power. The counter will display the total amount of used electrical energy. But for the power plant, the wires and transformers, it is important if you require much energy in a short time interval, they must be able to deliver the power without a net breakdown. Here the considerations about loadability are valid too.

Übrigens, die alte thermische Maßeinheit für die Arbeit/Energie ist die Kalorie, die Arbeit, die nötig ist um 1 cm3 Wasser um 1°C zu erwärmen:
1 cal =  4,1868 J und 1 kWh = 860 kcal.
Die Wärmeträgheit des Wassers ist höher als die der meisten anderen Stoffe, auch der Metalle. Es kostet mehr Arbeit, um Wasser zu erwärmen als zB. einen Eisenklotz mit dem selben Gewicht. Andererseits ist das nützlich, zum Beispiel, damit das Bad in der Wanne möglichst lang warm bleibt. Um 1 Liter Wasser mit 100°C in 1 kg Sattdampf mit 100°C zu verwandeln, sind ca. 540 kcal nötig (0,63 kWh), so viel, als ob das Wasser auf 640°C erhitzt worden wäre. Dampf ist ein guter Wärmespeicher und ein gutes Wärme-Transportmedium  -  und ein exzellentes Kühlmedium.. Wenn ein Verbrennungsmotor mit Wasserkühlung überhitzt zu werden droht, dann beginnt das Kühlwasser zu kochen. Und da kann noch relativ viel Wärmeenergie aufgefangen werden, bevor die Temperatur über die 100°C steigt und die Zylinderkopfdichtung zerstört.

https://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Splitter/VomEisZumWasserdampf/
Eine schöne, wissenschaftliche Beschreibung von Prof. Franz Embacher


By the way, the old thermal measuring unit for energy is the calory, the energy necessary to heat 1 cm3 (1 g) of water by 1 centigrade. Sorry, I am not familiar with the old fashioned english units.

Mit diesen Informationen können Sie jetzt ausrechnen, wie viel Wasser im Kraftwerk Kaprun vom 80m hohen Stausee durch die Turbinen rasen muß, um Ihre 180 l Badewannenwasser im Elektroboiler von 8°C auf 34°C zu erhitzen. Und dann nehmen Sie doppelt so viel, weil unterwegs so viel Arbeit verloren geht. Aber das ist noch gar nichts im Vergleich zu dem Aufwand der Sonne, die das Wasser zuerst vom Meeresspiegel in die Wolkenhöhe gehoben hat - der Großteil der Energie ging beim Regnen schon verloren.
Having these informations you are now able to calculate, how many liters of water have to rush from the 80m high reservoir dam through the turbines in Kaprun (Salzburg country, Austria) to heat your 180 l of bath water from 8°C to 34°C. Then you better take twice as much due to the losses. But remember: most of the energy, which the sun pushed into the water up to the clouds, was lost when the rain fell down to the earth...
 

In der Physik:
Die Arbeit sagt, wie viel zu tun ist,
die Leistung sagt, wie schnell es geht.
Energy says, how much work to do,
power says, how fast it is done.

Maschinen sind in der Physik dazu da, eine Energieform in eine andere umzuwandeln, zB. elektrische in Bewegungsenergie. Leider tun sie das nicht gratis, einen Teil der aufgenommenen Leistung wandeln sie in Verlustwärme um, das heißt, sie haben einen mehr oder weniger schlechten Wirkungsgrad. Wärme ist die unedelste aller Energieformen, sie läßt sich nur schwer wieder zurückwandeln in mechanische oder elektrische Energie. In Wirklichkeit geht zwar bei der Umwandlung nichts verloren, aber die Verlustwärme ist halt nur schlecht nutzbar. Anders herum: eine Glühbirne hat einen sagenhaften Wirkungsgrad von 96% bei der Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme zur Raumheizung, nur 4% gehen als kurzwelliges, sichtbares Licht verloren - aber die alten Kohlenfadenlampen waren in diesem Punkt noch besser...
In physics machines are determined for conversion of energy from one form to another, eg. electrical energy to mechanical energy. Unfortunately they do their job not free of charge, a part of the consumed energy is converted to losses, usually thermal losses. That means that they have a limited efficiency. Heat is the least noble energy, it is only poorly convertible to other energy forms. Theoretically no power is lost at the conversion, but the heat is normally useless. On the other hand: a light bulb has a surprisingly high efficiency of 96% when used to convert electric power to heat, only 4% get lost as visible light - the older carbon lamps were even better in this respect... This is only written to highlight the ambivalence of the word efficiency.

Die Belastbarkeit der Maschine besagt, wie schnell sie diese Umwandlung durchführen kann, ohne dabei kaputtzugehen.Die Nennbelastbarkeit ist eine Zahl, die unter bestimmten Umgebungsvoraussetzungen gilt, zB. Lufttemperatur (bei Elektromotoren wird typisch 40°C angenommen).
The loadability of a machine is defined: how fast it can convert the energy without burning through or breaking. The nominal power is a number which is valid and makes sense only together with several environmental conditions, eg. the air temperature.

Die Wicklung im Motor darf  höchstens 120°C heiß werden, soviel hält die Isolierung der Wicklungsdrähte aus, die Wärme muß über das Gehäuse, über Kühlrippen und meistens auch mit einem Ventilator an die Außenwelt abgeführt werden. Das Temperaturgefälle zwischen Wicklung und Umgebung ist durch die mechanische Konstruktion vorgegeben, und so ergibt sich eine bestimmte maximale Verlustleistung für den Motor. Wenn Sie gewährleisten können, daß der Motor nur bei Temperaturen unter 30°C betrieben wird, dann dürfen Sie ihn auch dauernd ein wenig höher belasten als auf dem Typenschild als Nennleistung angegeben ist.

Die tatsächliche Verlustleistung im Motor darf nur so hoch sein, daß die Wicklung nie über 120°C erhitzt wird. Das ist genaugenommen das einzige Kriterium für die Belastbarkeit des Motors. Deshalb ist der beste Motorschutz die Temperaturmessung in der Wicklung, das geschieht üblicherweise bei großen Motoren mit einem Kaltleiter - Temperaturfühler, der bei Überhitzung den Motor abschaltet.
The effective losses in the motor are limited by the maximum permitted temperature of the copper winding, it may be heated up to 120°C. This is in fact the only criteria for the load capability of the motor! Therefore the best overload protection is by measuring the copper temperature in the winding of the motor, which is normally performed with PTC resistor sensors.

Seilwinde Nennlast
Nun ein Beispiel: Ein Motor mit Nennleistung 1 kW hat (angenommen) bei Nennbelastung einen Wirkungsgrad von 80%. Er nimmt also bei Nennbelastung 1250W vom Netz auf und gibt 1000W an der Welle ab, mit 250W heizt er die Umgebung. Daß er davon nicht dunkelrot glühend wird wie ein Tauchsieder liegt an seiner großen, gerippten Oberfläche und am Kühlventilator. Die Oberfläche und die Kühlung des Motors muß so konstruiert und ausgelegt sein, daß bei 250W die Temperatur in der Wicklung nicht höher als auf  120° steigt, wenn die Umgebungstemperatur 40° beträgt.
An example motor with a nominal power of 1 kW (1.4 HP) has typically an efficiency of 80%. Under nominal load conditions it takes 1250W from the mains, delivers 1000W of mechanical power (1000 Nm/s) at the pulley and converts 250W into thermal heat. The surface of the motor and the cooling fan must be dimensioned so that with 250W the wire temperature will not rise above 120°C, assumed an air temperature of 40°C.
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Seilwinde Überlast
Wenn der 1 kW - Motor aber mit 2 kW an der Welle belastet wird, dann steigen seine inneren Verluste auf 1000W (das ist eine elektrische Gesetzmäßigkeit, die hier nicht näher erläutert wird, die Verlustleistung steigt quadratisch mit der Belastung). Er nimmt 3000W vom Netz auf. Diese enorme Verlustleistung verträgt die Wicklung nur sehr kurze Zeit, weniger als eine Sekunde lang, und danach muß die Belastung sofort wieder weit unter die Nennbelastbarkeit fallen, damit die Wicklung abkühlen kann. Der Motor ist doppelt überlastbar bei 25% Belastungsdauer. Solche Lastverhältnisse sind nicht unüblich, bei Maschinen die stoßen oder pressen, bei Steinbrechern und Webstühlen. Beim Hochfahren - Einschalten wird übrigens jeder Motor mehrfach überlastet, die Stromaufnahme kann leicht 10 mal so hoch wie die Nennstromstärke sein, aber das dauert meist nur ein paar Zehntelsekunden.
If the 1 kW nominal-power-motor is loaded with 2 kW at the pulley, the thermal losses will increase to 1000W (this has electric reasons). It takes 3000W from the mains. The high thermal loss can be applied to the copper windings only for a very short time interval, usually less than 1 second. Then the load has to decrease far below the nominal load such that the motor winding can cool. The motor can be loaded with double the nominal power for a quarter of the time. This is not an unusual operating mode at machines which push or press, with stonebrakers and weaving mills.

Sehr kleine Motoren sind so gewickelt, daß sie im Leerlauf hohe Verluste haben. Das hängt mit den Magnetisierungsproblemen bei kleinen Spulen zusammen, es gilt auch für manche Kleintrafos und wird hier nicht näher erläutert. Billige Motoren werden mit Drähten gewickelt, die eine höhere Temperatur vertragen, bis 160°C. Das hat den Vorteil, daß sie ein wenig dünner sein dürfen, was enorme Ersparnisse bei der Konstruktion der Nuten hat. So kann der ganze Motor kleiner gebaut und dadurch billiger auf den Markt geworfen werden. Der Käufer tut sich damit aber nichts Gutes, denn der Motor hat im Betrieb einen schlechteren Wirkungsgrad, er nimmt noch mehr Strom aus der Steckdose auf und verheizt ihn als Verlustwärme. Und der Zähler läuft und läuft. Aber das ist nur ein Beispiel dafür, daß sich das billige Kaufen furchtbar rächen kann.
Tiny motors are designed to have relatively high losses if unloaded. This has to do with magnetic problems at small coils. It is also true with small transformers. Cheap motors are made with wires, which withstand high temperatures, thus allowing higher losses and use of thinner wires and finally a smaller construction. But this is expensive while the motor is running.

Ein Aspekt ist wichtig für die Elektriker: die Schalter und Schützen müssen möglicherweise viel großzügiger dimensioniert werden als es die Leistungsangabe am Typenschild angibt. Zwar werden Schützen nach AC3 oder AC4-5 bereits vom Hersteller für die üblichen, schweren Lastverhältnisse ausgelegt, aber es ist wichtig, daß der Techniker genau weiß, worauf es ankommt. Im Gegensatz zu den Schützen und Schaltern müssen die Motorschutzschalter genau auf die Stromangabe am Motor - Typenschild eingestellt werden, nicht höher. Die Motorschutzschalter bilden quasi mit ihrem Bimetall (oder mit ihrer Elektronik) das Wärmeträgheitsverhalten der Wicklung nach und schätzen die Motor - Wicklungstemperatur aus der durchgeflossenen Stromstärke. Die Zuleitungen zu Motoren mit Stoßlast müssen auch dicker dimensioniert werden, aber nicht wegen der Erwärmung (wenn der Motor den Strom aushält, dann gilt das auch für die Leitungen), es geht um den Spannungsabfall, der dem Motor gerade bei der Stoßlast besonders weh tut.
An important consideration for the electric technician is the fact that all switches and relays and wires must be capable of the possibly much higher current, which the motors draw when overloaded. It depends heavily on the type of load, whether intermittent with high peaks or continuous with no peaks, how to design the controls.On the other hand, the protection switches MUST be dimensioned and adjusted exactly conforming to the current (Ampere) rating of the motors label! The supply wires to motors, which are usually loaded with peaks, must be dimensioned very thick. This is not necessary for temperature but for voltage losses, because low supply voltage is especially bad for overloaded motors. What the motor does not get as voltage, it will obtain as current, to deliver the desired power at the pulley. And more current through the copper windings will produce more losses.


Leider ist es in der Werkshalle üblich, daß die Betriebselektriker den Motorschutzschalter so lange höher stellen, bis er nicht mehr abschaltet. Und ihr Chef wundert sich über die hohen Kosten für die Neu - Wicklungen der vielen Motoren, die jahrüber notwendig werden. In den meisten Fällen ist daran aber nicht der Konstrukteur der Maschine schuld, daß er die Motoren zu schwach dimensioniert hat, sondern die mangelhafte Wartung im Werk. Wie viele Förderbänder, Schnecken usw. sind so schlecht gewartet, daß die Motoren dauernd auf Überlast betrieben werden. Auch Zuleitungen, die zu viel Spannungsabfall verursachen, machen den Motoren schwer zu schaffen. Was der Motor an Leistung an der Welle abgeben muß, das holt er sich vom Netz - und wenn die Spannung dafür zu niedrig ist, dann nimmt er mehr Stromstärke auf. Das aber führt zu höheren Verlusten und zu durchgebrannten Wicklungen.
Unfortunately in the production halls it is sometimes usual, that the technicians screw up the current limiting protection switches above the allowed values, to inhibit machine stops. But this no longer protects the motor windings! It will lead to unnecessary repairs and machine stops. Overcurrent tells the knowledgable engineer that there is something wrong in the mechanics, that grease is missing or dirt is at locations where it should not be. Or that the wires are too thin or simply the motors are too small.
 

Für einen seriösen Anlagenbauer - Steuerungsbauer  ist es leider oft schwierig, dem Kunden eine gediegene Dimensionierung plausibel zu machen. Der Konkurrent, der knapper dimensioniert, hält sich zwar auch an die einschlägigen Vorschriften und sein Angebot ist billiger. Aber der investierende Kunde zahlt später drauf, mit höheren Stromkosten, mit Reparaturen und Maschinen - Stillstand.
It is not easy for a serious investment supplier to convince a customer about a solid dimensioning of a control cabinet. The competitor, who uses less powerful components,who only observes the legal rules, can make a much cheaper offer. But the investing customer will later pay for the poor dimensioning, with higher cost for the energy and with unnecessary repairs and expensive machine halts.
 
 


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