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Schaltschrankbau – Wärmeentwicklung und Kühlkonzept (Praxisfall SC-07)

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Schaltschrankbau und elektrische Anlagendokumentation – Wärmeentwicklung im Schaltschrank beurteilen

Ausbildungskurs | Elektrotechnik und Automatisierungstechnik

Kurzbeschreibung: Verlustleistung berechnen, Wärmeentwicklung beurteilen, Kühlkonzept auswählen und fachgerecht dokumentieren.

Lernzeit: ca. 90 Minuten inklusive Aufgaben

Lernform: Sechs kurze Lerneinheiten, Ausbildungsfall, Stromlaufbilder, Signaldiagramme, virtuelle Schaltungssimulationen und gestufte Hilfen.

Einleitung

Ein Schaltschrank schützt elektrische Betriebsmittel. Gleichzeitig entsteht durch elektrische Verlustleistung Wärme.

Dein Auftrag: Beurteile die Wärmeentwicklung im Schaltschrank einer Sortieranlage. Prüfe, ob die passive Kühlung ausreicht, entwickle ein Kühlkonzept und ergänze die Anlagendokumentation.

Sicherheitsregel: Du arbeitest ausschließlich mit vorhandenen Unterlagen, virtuellen Simulationen und gegebenenfalls ausdrücklich freigegebenen, berührungssicheren Schulungsmodellen. Reale Elektroarbeiten dürfen nur durch entsprechend qualifizierte und beauftragte Personen im zulässigen Verantwortungsrahmen erfolgen. Auszubildende handeln nur im Rahmen ihrer Befugnisse und unter der erforderlichen Leitung und Aufsicht. Ein bestandenes Quiz ist niemals eine Freigabe für Elektroarbeiten oder den Anlagenbetrieb.

Quelle: DGUV Vorschrift 3.

Dein Lernpfad

Einheit	Thema	Zeit	Lernprodukt
1	Wärmequellen erkennen	7 min	Wärmequellen markieren
2	Verlustleistung berechnen	10 min	Verlustleistungsbilanz
3	Wärmeabgabe beurteilen	10 min	Wärmebilanz
4	Kühlkonzept vergleichen	8 min	Entscheidungsmatrix
5	Stromlaufbild und Simulation	12 min	Signaldiagramm
6	Anlagendokumentation	8 min	Dokumentationsblatt

Anschließend bearbeitest Du Basis-, Anwendungs- und Transferaufgaben.

Der Ausbildungsfall: Sortieranlage SC-07

Situation: Eine Sortieranlage wird erweitert. Im geschlossenen Steuerschrank befinden sich eine SPS, ein Netzteil, zwei Antriebsregler, ein Netzwerk-Switch und Relais. Der Aufstellraum ist zeitweise staubbelastet.

Alle folgenden Werte sind angenommene Ausbildungsdaten, keine geprüften Herstellerdaten oder Bemessungswerte einer existierenden Anlage.

Merkmal	Ausbildungswert
Gehäuse	Stahlblech, 800 × 600 × 300 mm
Aufstellung	Innenraum, seitlich teilweise eingeschränkt
Wirksame wärmeabgebende Oberfläche	1,2 m² als Fallannahme
Maximale Umgebungstemperatur	32 °C
Gewählte maximale Innentemperatur	40 °C als Planungsziel
Angenommener Wärmedurchgangskoeffizient	5,5 W/(m²·K)
Betriebsfall	Alle aufgeführten Verbraucher gleichzeitig belastet
Weitere Wärmeeinträge	Sonneneinstrahlung nicht berücksichtigt

Wichtig: Die 40 °C sind keine allgemeine Normgrenze. Reale Temperaturgrenzen ergeben sich aus Bauteildaten, Einbaubedingungen, Belastung und geltenden Anforderungen. Die wirksame Oberfläche und der Wärmedurchgangskoeffizient müssen für ein reales Gehäuse bestimmt werden.

Lerneinheit 1: Wo entsteht Wärme?

Elektrische Betriebsmittel setzen einen Teil ihrer aufgenommenen Energie in Wärme um.

Typische Wärmequellen sind Netzteil, SPS, Antriebsregler, Relais und weitere elektronische Geräte.

Merke: Nicht die gesamte Motorleistung eines außerhalb des Schaltschranks angeordneten Motors wird im Schaltschrank zu Wärme. Entscheidend sind die dort tatsächlich entstehenden Verluste.

             WÄRMEBILANZ
                    |
       +------------+------------+
       |                         |
  Netzteilverluste         Geräteverluste
       |                         |
       +------------+------------+
                    |
              Verlustwärme
                    |
           Schaltschrankluft
                    |
       +------------+------------+
       |                         |
  Gehäuseoberfläche       Kühlvorrichtung
       |                         |
       +------------+------------+
                    |
                Umgebung

Basisfrage: Welche Bauteile auf dem Bild können Wärme erzeugen? Begründe Deine Auswahl mit ihrer elektrischen Funktion.

Feedback: Ein Bauteil erzeugt im Betrieb meist Wärme, wenn es elektrische Leistung aufnimmt. Die genaue Verlustleistung muss aus geeigneten Herstellerdaten oder einer begründeten Berechnung stammen.

Lerneinheit 2: Verlustleistung berechnen

Grundformel:

$P_{V} = P_{e i n} - P_{a u s}$

Für ein Netzteil mit dem Wirkungsgrad η gilt:

$P_{V} = P_{a u s} (\frac{1}{η} - 1)$

Ausbildungsbeispiel:

Netzteilausgang: 24 V × 5 A = 120 W

Angenommener Wirkungsgrad: 90 %

Eingangsleistung: 120 W / 0,90 = 133,3 W

Netzteilverlustleistung: 13,3 W

Verlustleistungsbilanz SC-07

Bauteil	Menge	Verlustleistung gesamt
Netzteil, 120 W Ausgangsleistung, η = 90 %	1	13,3 W
SPS	1	12 W
Netzwerk-Switch	1	5 W
Antriebsregler	2	44 W
Relais	2	6 W
Gesamtverlustleistung		80,3 W

$P_{V, g e s} \approx 80,3 W$

Merke: Geräteverluste werden nicht doppelt gezählt. Die Netzteil-Ausgangsleistung ist nicht zusätzlich als Wärme anzusetzen, wenn die versorgten Verbraucher mit ihren eigenen Verlustleistungen berücksichtigt sind.

Für eine reale Planung werden tatsächliche Lastfälle, Gleichzeitigkeiten und Verlustleistungsangaben aus Datenblättern benötigt.

Lerneinheit 3: Reicht die passive Wärmeabgabe?

Ein geschlossenes Gehäuse kann Wärme über seine Oberfläche abgeben. Für eine überschlägige stationäre Betrachtung verwenden wir:

$P_{O} = k \cdot A \cdot (T_{i} - T_{u})$

Zeichen	Bedeutung
P_O	Wärmeabgabe über die Gehäuseoberfläche in W
k	angenommener Wärmedurchgangskoeffizient
A	wirksame Gehäuseoberfläche in m²
T_i	Innentemperatur in °C
T_u	Umgebungstemperatur in °C

Berechnung des Ausbildungsfalls:

$Δ T = 40 - 32 = 8 K$

$P_{O} = 5,5 \cdot 1,2 \cdot 8 = 52,8 W$

Die Gehäuseoberfläche gibt bei der angenommenen Temperaturdifferenz ungefähr 52,8 W ab.

Verlustwärme           80,3 W
                      |
                      v
               +-------------+
               |  SCHRANK    |
               |  max. 40 °C |
               +-------------+
                      |
           +----------+----------+
           |                     |
    Oberfläche             weitere Kühlung
       52,8 W                  27,5 W
           |                     |
           +----------+----------+
                      |
                   Umgebung

Ergebnis:

$P_{K, m i n} = 80,3 - 52,8 = 27,5 W$

Die passive Wärmeabgabe reicht im Beispiel nicht aus.

Ohne zusätzliche Kühlung ergäbe das vereinfachte stationäre Modell rechnerisch:

$T_{i} \approx 32 + \frac{80,3}{5,5 \cdot 1,2} = 44,2^{\circ} C$

Achtung: Die 27,5 W sind nur der rechnerische Restwärmestrom unter den angenommenen Bedingungen. Sie sind noch keine geprüfte Kühlgeräte-Nennleistung. Örtliche Temperaturspitzen, Eigenverluste des Kühlsystems, zusätzliche Wärmeeinträge, Sicherheitsreserven und Herstellerkennlinien fehlen.

Der vereinfachte Ansatz ersetzt keinen Erwärmungsnachweis nach den anwendbaren Anforderungen der IEC 61439.

Fachquellen: Rittal: Berechnungsgrundlagen der Schaltschrank-Klimatisierung und IEC TR 60890:2022.

Lernvideo: Kühlfunktion und Temperaturdifferenz

Beobachtungsauftrag: Welche Temperaturdifferenz nutzt der Hersteller zur Funktionsprüfung? Warum ersetzt die gezeigte Messmethode keinen vollständigen thermischen Nachweis? Das Video ist eine Demonstration; führe keine Arbeiten am realen Kühlgerät durch.

Videoquelle: Hersteller Fuhrmeister, Kühlfunktion prüfen über Temperaturdifferenz.

Lerneinheit 4: Das passende Kühlkonzept

Beispiel eines Axiallüfters, nicht eines speziell bemessenen Schaltschrank-Filterlüfters.

Kühlprinzip	Geeignet, wenn ...	Beachten
Passive Kühlung	Gehäuse genügend Wärme abgibt	Aufstellung und Wärmelast
Filterlüfter	Umgebungsluft kühler und hinreichend sauber ist	Staub, Filter, Schutzart und Volumenstrom
Luft/Luft-Wärmetauscher	getrennte Luftkreisläufe und geeignete Temperaturdifferenz möglich sind	Tatsächliche Kühlleistung aus Kennlinie
Schaltschrankkühlgerät	zusätzliche aktive Kühlung erforderlich ist	Leistung, Umgebung, Kondensat und Wartung
Luft/Wasser-Wärmetauscher	geeigneter Kühlwasserkreislauf vorhanden ist	Wasserversorgung und Systemüberwachung

Entscheidung für SC-07: Wegen der staubbelasteten Umgebung ist ein Konzept ohne direkten Austausch von Innen- und Außenluft vorzuziehen. Ein geeigneter Luft/Luft-Wärmetauscher ist eine zu prüfende Variante. Bei nicht ausreichender Leistungsfähigkeit kommen andere Kühlverfahren infrage.

Bei nur 8 K Temperaturdifferenz muss die tatsächliche Kühlleistung besonders sorgfältig anhand der Herstellerkennlinie überprüft werden.

Wichtig: Ein Filterlüfter allein kann einen Schrank nicht unter die Temperatur der angesaugten Umgebungsluft kühlen. Die ursprüngliche Schutzart des Gehäuses darf durch eine Änderung der Lüftung nicht ungeprüft als erhalten gelten.

Lernvideo: Filtermatten und Staubschutz

Beobachtungsauftrag: Warum ist die Filtermatte bei einer Kühlung mit Umgebungsluft relevant? Welche Wartungsaufgaben entstehen? Das Video dient nur der Beobachtung; keine eigene Wartung an realen Anlagen.

Videoquelle: Hersteller Fuhrmeister, Filtermattenwechsel.

Ergänzung: Kühlkonzept digital planen

Nutze als Zusatzquelle die Herstellerinformationen zu RiTherm. Notiere, welche Eingabedaten für eine detaillierte Kühlauslegung fehlen.

Lerneinheit 5: Stromlaufbild, Signale und sichere Simulation

Ein Stromlaufplan zeigt elektrische Zusammenhänge. Er ist nicht mit einem Aufbauplan oder einer Freigabe zum Verdrahten gleichzusetzen.

Vereinfachtes Funktionsstromlaufbild

REIN VIRTUELLES 24-V-DC-LERNMODELL

+24 V o----[ S1 ]----( H1 )----o 0 V
           Schalter   Lampe
           "Kühlen"

T1 Temperaturwert ----> B1 Schaltlogik
                         |
                         +----> S1 (Schaltzustand)
                         |
                         +----> W1 Warnsignal
                         |
                         +----> A1 Alarmsignal

Bezeichnungen:
T1 = virtueller Temperaturwert
B1 = logische Auswertung
S1 = virtueller Schalter
H1 = virtuelle Anzeigelampe
W1 = Warnmeldung
A1 = Alarmmeldung

Dieses Bild ist eine didaktische Funktionsskizze, kein normgerechter Fertigungsstromlaufplan. Die Temperaturlogik wird zunächst anhand der Tabelle geprüft. Der Schalter S1 wird in der einfachen Simulation von Dir manuell betätigt.

Temperaturregelung mit Hysterese

Für das Lernmodell legen wir fest:

Bedingung	Wirkung
Temperatur steigt auf 38 °C	Kühlanforderung EIN
Temperatur sinkt auf 34 °C	Kühlanforderung AUS
Temperatur erreicht 39 °C	Warnmeldung EIN
Temperatur erreicht 40 °C	Alarmmeldung EIN

Zwischen 34 °C und 38 °C bleibt der vorherige Zustand der Kühlanforderung erhalten. Das ist die Hysterese. Warnung und Alarm sind hier einfache virtuelle Temperaturmeldungen ohne Hysterese. Sie ersetzen kein geeignetes Schutzkonzept.

Signaldiagramm

Zeitpunkt      t0  t1  t2  t3  t4  t5
Temperatur °C  33  38  39  41  37  34

Kühlen         0   1   1   1   1   0
Warnung        0   0   1   1   0   0
Alarm          0   0   0   1   0   0

0 = AUS
1 = EIN

Anwendungsfrage: Weshalb bleibt die Kühlanforderung bei t4 eingeschaltet, obwohl die Temperatur wieder unter 38 °C liegt?

Feedback: Sie bleibt eingeschaltet, weil die Ausschaltschwelle erst bei 34 °C erreicht wird. Dadurch wird häufiges Ein- und Ausschalten vermieden.

Lernvideo: Innentemperatur einstellen

Beobachtungsauftrag: Unterscheide am gezeigten Regler zwischen Temperatur-Sollwert und tatsächlicher Innentemperatur. Betrachte das Video nur; keine Eingriffe an realen Geräten.

Videoquelle: Hersteller Fuhrmeister, Schaltschrankinnentemperatur einstellen.

Virtuelle Simulation A: PhET

Berührungssicher, weil vollständig digital und ohne reale elektrische Verbindung.

PhET – Stromkreise schalten: Gleichstrom

Gleichstromkreis: Baue im Browser eine virtuelle Spannungsquelle, einen Schalter und eine Lampe zu einem geschlossenen Stromkreis zusammen.
Stromlaufplan: Wechsle zwischen realistischer Ansicht und Schaltplanansicht.
Messgerät: Beobachte den Strom bei geöffnetem und geschlossenem Schalter.
Schaltzustand: Betätige den virtuellen Schalter so, wie es die Temperaturtabelle verlangt.

Feedback: Bei geschlossenem Schalter fließt im intakten virtuellen Stromkreis Strom. Bei geöffnetem Schalter ist der Stromkreis unterbrochen. Die Temperaturregelung selbst wird bei dieser Basisaufgabe durch Deine manuelle Schalterbetätigung nachgebildet.

Virtuelle Simulation B: Falstad CircuitJS

Falstad – Elektronischer Schaltungssimulator

Standard: Erstelle eine virtuelle Gleichspannungsquelle, einen Schalter, einen geeigneten Widerstand und eine Anzeige oder Lampe. Untersuche Schaltzustand, Spannung und Strom.

Schwer: Erweitere das Modell mit einem geeigneten virtuellen Schwellwertschalter und untersuche eine Regelung mit zwei unterschiedlichen Temperaturschwellen.

Feedback: Eine Simulation zeigt idealisierte Funktionszusammenhänge. Sie ist kein Nachweis für Berührungsschutz, Schutzkoordination, reale Temperaturbeständigkeit oder normgerechte Verdrahtung.

Alternative im Unterricht: Ein von einer Elektrofachkraft freigegebenes berührungssicheres SELV-Schulungsmodell mit geschützter Stromversorgung, abgedeckten Anschlüssen und geeigneter Absicherung. Die Auswahl und Gefährdungsbeurteilung erfolgen durch die verantwortliche Lehr- beziehungsweise Fachkraft. Eine beliebige 24-V-Versorgung ist nicht automatisch ein geeignetes Schulungsmodell.

Lerneinheit 6: Elektrische Anlagendokumentation

Eine gute Technische Dokumentation macht Annahmen, Wärmequellen, Berechnungen, Kühlentscheidung und verbleibende Prüfungen nachvollziehbar.

Dokumentationsblatt SC-07

Feld	Eintrag
Projekt	Sortieranlage SC-07
Dokument	Thermische Vorabschätzung
Revision	Lernstand A
Umgebung	Innenraum, maximal 32 °C, staubbelastet
Temperaturziel	maximal 40 °C gemäß Ausbildungsannahme
Verlustleistung	80,3 W
Wirksame Oberfläche	angenommen 1,2 m²
Passive Wärmeabgabe	52,8 W
Rechnerische Restwärme	27,5 W
Vorläufiges Kühlkonzept	Geschlossenes System bevorzugt, Herstellerprüfung erforderlich
Elektrische Unterlagen	Virtueller Stromlaufplan, Signaldiagramm, Betriebsmittelliste
Fehlende Nachweise	Herstellerdaten, Temperaturverteilung, Kühlkennlinie, Schutzart, anzuwendende Normennachweise
Status	Ausbildungsrechnung, keine technische Freigabe

Dokumentationskette:

Stromlaufplan
     |
     v
Betriebsmittelliste
     |
     v
Hersteller-Verlustleistungsdaten
     |
     v
Wärmebilanz + Einbaubedingungen
     |
     v
Kühlkonzept + Herstellerkennlinien
     |
     v
Erforderliche Nachweise und Prüfungen
     |
     v
Dokumentierte Bewertung durch
zuständige qualifizierte Personen

Weitere hilfreiche Unterlagen: Betriebsmittelkennzeichnung, Stückliste, Klemmenplan, Aufbauplan, Prüfprotokoll und Änderungsdokumentation.

Gestufte Lernhilfen und begründetes Feedback

Nutze Hilfe 1 zuerst, dann Hilfe 2 und erst danach Hilfe 3.

Niveau	Aufgabe	Hilfe 1	Hilfe 2	Hilfe 3
Basis	Wärmequellen erkennen	Wo wird Energie umgesetzt?	Unterscheide Geräte- und Nutzleistung.	Die externe Motorleistung zählt nicht vollständig als Schaltschrankverlust.
Anwendung	Wärmebilanz berechnen	Addiere die Verluste.	Berechne danach k × A × ΔT.	Vergleiche 80,3 W mit 52,8 W.
Transfer	Umgebung bei 42 °C	Kann die Oberfläche noch Wärme abgeben?	Setze ΔT = 40 − 42 K ein.	Die Oberflächenbilanz beträgt −13,2 W.

Musterlösungen mit Feedback

Basis: SPS, Netzteil, Switch, Antriebsregler und Relais sind Wärmequellen. Das ist richtig, weil die eingebauten Geräte im Betrieb elektrische Verluste besitzen.

Anwendung: 80,3 W − 52,8 W = 27,5 W. Das ist die rechnerische zusätzliche Wärmeabfuhr im vereinfachten Modell. Es wäre falsch, die gesamte Netzteil-Ausgangsleistung nochmals als Verlust zu addieren.

Transfer: Bei 42 °C Umgebung und 40 °C Soll-Innentemperatur gilt P_O = 5,5 × 1,2 × (−2) = −13,2 W. Damit ergibt sich eine rechnerisch erforderliche aktive Kühlleistung von 80,3 − (−13,2) = 93,5 W, noch ohne Zuschläge oder weitere Wärmeeinträge.

Begründung: Die Umgebung führt nun Wärme zu, statt über die Gehäuseoberfläche Wärme abzuführen. Ein gewöhnlicher Filterlüfter kann unter diesen Bedingungen das Temperaturziel nicht erreichen.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was beschreibt die elektrische Verlustleistung? (Die im betrachteten Bauteil in Wärme umgesetzte Leistung) (!Die gesamte mechanische Leistung einer Maschine) (!Die maximale Leistung des vorgeschalteten Transformators) (!Die Kühlleistung der Raumlüftung)

Wie bestimmst Du die Verlustleistung eines Netzteils aus Ein- und Ausgangsleistung? (Eingangsleistung minus Ausgangsleistung) (!Eingangsleistung plus Ausgangsleistung) (!Ausgangsleistung mal Eingangsspannung) (!Eingangsleistung geteilt durch Umgebungstemperatur)

Welche Verlustleistung hat das Ausbildungsnetzteil ungefähr? (13,3 Watt) (!120 Watt) (!133,3 Watt) (!90 Watt)

Wie groß ist die Gesamtverlustleistung im Fall SC-07? (80,3 Watt) (!52,8 Watt) (!27,5 Watt) (!120 Watt)

Welche passive Wärmeabgabe ergibt die Beispielrechnung bei 40 Grad Innentemperatur? (52,8 Watt) (!80,3 Watt) (!27,5 Watt) (!93,5 Watt)

Wie groß ist die rechnerisch verbleibende Wärmelast für zusätzliche Kühlung? (27,5 Watt) (!52,8 Watt) (!80,3 Watt) (!133,3 Watt)

Was ist bei stark staubbelasteter Umgebung besonders wichtig? (Die geforderte Schutzart und der Eintrag von Staub) (!Nur die Gehäusefarbe) (!Nur die Länge der Klemmenleiste) (!Ausschließlich die Netzfrequenz)

Warum bleibt das Kühlsignal bei 37 Grad eingeschaltet? (Die Ausschaltschwelle liegt erst bei 34 Grad) (!Die Einschaltschwelle liegt bei 32 Grad) (!Der Temperatursensor ist grundsätzlich defekt) (!Die Hysterese schaltet immer bei 37 Grad aus)

Welche Lernumgebung ist für eigenständige Schaltungsversuche ohne reale Elektroarbeiten geeignet? (Eine vollständig virtuelle Schaltungssimulation) (!Ein geöffneter spannungsführender Industrieschaltschrank) (!Ein ungesichertes Laborgerät an Netzspannung) (!Eine eigenmächtig veränderte Produktionsanlage)

Welche Bedeutung hat ein bestandenes Quiz für einen realen Schaltschrank? (Es ist ein Lernnachweis und keine technische Freigabe) (!Es ersetzt die erforderlichen elektrischen Prüfungen) (!Es erlaubt selbstständige Arbeiten an jeder Anlage) (!Es bestätigt automatisch die Normenkonformität)

Feedback zum Quiz

Fragen	Begründung
1–2	Entscheidend ist die tatsächlich im betrachteten Gerät umgesetzte Verlustleistung.
3–4	Der Netzteilverlust beträgt rund 13,3 W und die Summe der betrachteten Verluste 80,3 W.
5–6	Die passive Wärmeabgabe von 52,8 W ist kleiner als die innere Wärmelast.
7	Ein Luftaustausch kann die Schutzwirkung des Gehäuses beeinflussen.
8	Die Hysterese verhindert häufiges Schalten zwischen den beiden Grenzwerten.
9	Virtuelle Schaltungen vermeiden reale elektrische Gefährdungen.
10	Ein Quiz ersetzt weder Qualifikation noch Beauftragung oder erforderliche Prüfungen.

Memory

Finde die fachlich zusammengehörigen Begriffe.

Verlustleistung	In Wärme umgesetzte elektrische Leistung
Wirkungsgrad	Verhältnis von Ausgangsleistung zu Eingangsleistung
Temperaturdifferenz	Unterschied zwischen Innen- und Außentemperatur
Effektive Oberfläche	Wirksam an der Wärmeabgabe beteiligte Gehäusefläche
Filterlüfter	Luftaustausch mit der Umgebung
Luft-Luft-Wärmetauscher	Wärmeübertragung zwischen getrennten Luftkreisläufen
Hysterese	Abstand zwischen Ein- und Ausschaltschwelle
Derating	Verringerung der zulässigen Belastung unter bestimmten Betriebsbedingungen

Drag and Drop

Ordne jedem Fachbegriff die passende Funktion zu.

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Funktion
Verlustleistung	Wärmequelle im Schaltschrank
Gehäuseoberfläche	Passive Wärmeabgabe an die Umgebung
Filterlüfter	Austausch von Innen- und Außenluft
Luft-Luft-Wärmetauscher	Wärmeabfuhr durch getrennte Luftströme
Kühlgerät	Aktive Kühlung bei entsprechendem Wärmebedarf
Temperaturregler	Schaltsignalerzeugung abhängig von einem Temperaturwert
Betriebsmittelliste	Übersicht der dokumentierten Geräte
Signaldiagramm	Zeitliche Darstellung von Zuständen

Kreuzworträtsel

Verlustleistung	Wie heißt die im Bauteil in Wärme umgesetzte elektrische Leistung?
Wirkungsgrad	Welche Kenngröße beschreibt das Verhältnis von Ausgangsleistung und Eingangsleistung?
Hysterese	Wie nennt man den Abstand zwischen Ein- und Ausschaltschwelle?
Filterlüfter	Welches Gerät tauscht Luft durch einen Filter mit der Umgebung aus?
Wärmetauscher	Welches Gerät überträgt Wärme zwischen getrennten Medien?
Stromlaufplan	Welche Unterlage stellt elektrische Stromkreise und Verbindungen dar?

LearningApps

Suche nach ergänzenden Übungen. Die Suchergebnisse sind keine geprüften Bestandteile des Ausbildungsfalls.

Lückentext

Im Schaltschrank entsteht durch elektrische Betriebsmittel

.

Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis von Ausgangsleistung und

.

Die Verlustleistungen der eingebauten Geräte werden zur Gesamtverlustleistung

.

Die Wärmeabgabe eines geschlossenen Gehäuses hängt auch von seiner wirksamen

ab.

Die Temperaturdifferenz wird bei dieser Berechnung in der Einheit

angegeben.

Ist die Verlustleistung größer als die passive Wärmeabgabe, ist zusätzliche

zu prüfen.

Ein Filterlüfter führt einen Austausch mit der

durch.

Bei staubbelasteter Umgebung ist die erforderliche

besonders zu berücksichtigen.

Unterschiedliche Schaltschwellen bezeichnet man als

.

Der zeitliche Verlauf digitaler Ein- und Ausgangssignale kann in einem

dargestellt werden.

Ein virtueller Stromkreis ermöglicht ungefährliche Versuche in einer

.

Eine vollständige Anlagendokumentation enthält unter anderem die verwendeten

.

Offene Aufgaben

Bearbeite zwölf Aufgaben in aufsteigender Schwierigkeit. Verwende ausschließlich Dokumente, digitale Werkzeuge, die bereitgestellten Medien und zulässige Schulungsmodelle.

Leicht – Basisaufgaben

Schaltschrank: Betrachte die Fotos und erstelle eine beschriftete Skizze mit fünf typischen Betriebsmitteln. Kennzeichne wahrscheinliche Wärmequellen.
Verlustleistung: Erkläre mit einer eigenen Zeichnung den Unterschied zwischen Nutzleistung und Verlustleistung.
Wirkungsgrad: Erstelle eine Rechenkarte für das Ausbildungsnetzteil mit 120 W Ausgangsleistung und 90 % Wirkungsgrad.
Arbeitssicherheit: Gestalte ein Warnplakat mit den Unterschieden zwischen virtueller Simulation, freigegebenem Schulungsmodell und realem Schaltschrank.

Feedback Basis: Eine gute Lösung erkennt die Wärmequellen und trennt Leistungsaufnahme, Nutzleistung und Verlustleistung. Das Netzteil erzeugt im Beispiel rund 13,3 W Verlustwärme. Die Sicherheitsregeln müssen ausdrücklich festhalten, dass Lernaufgaben keine Arbeitsfreigabe darstellen.

Standard – Anwendungsaufgaben

Energiebilanz: Übertrage die Gerätedaten in eine Tabelle, ermittle 80,3 W Gesamtverlustleistung und überprüfe die Addition.
Wärmeübertragung: Berechne die passive Wärmeabgabe des Falles SC-07 und beurteile das Temperaturziel mit vollständigem Rechenweg.
Schaltungssimulation: Baue den virtuellen Lampenstromkreis in PhET oder Falstad auf. Dokumentiere zwei Schaltzustände durch Screenshots.
Signaldiagramm: Zeichne Temperatur, Kühlanforderung, Warnung und Alarm für die sechs vorgegebenen Zeitpunkte in ein eigenes Zeitdiagramm.

Feedback Anwendung: Die nachvollziehbare Wärmebilanz führt auf 52,8 W passive Wärmeabgabe und 27,5 W rechnerische Restwärme. Das virtuelle Schaltverhalten muss mit der Wahrheitstabelle übereinstimmen. Eine reine Zahl ohne Einheiten, Randbedingungen und Begründung reicht nicht aus.

Schwer – Transferaufgaben

Kühltechnik: Verändere die maximale Umgebungstemperatur auf 42 °C. Berechne die neue Wärmebilanz und begründe, warum ein gewöhnlicher Filterlüfter nicht ausreicht.
Konstruktionsplanung: Entwickle zwei Kühlkonzepte für einen staubbelasteten Schaltschrank. Bewerte Schutzart, Energiebedarf, Wartung, Temperaturdifferenz und unbekannte Auslegungsdaten.
Anlagendokumentation: Erstelle einen vollständigen Entwurf mit Betriebsmittelliste, Verlustleistungsberechnung, virtuellem Funktionsstromlaufbild, Signaldiagramm und einer offenen Prüfpunkte-Liste.
Technisches Interview: Befrage eine entsprechend qualifizierte und beauftragte Elektrofachkraft zur fachgerechten thermischen Beurteilung. Frage nach Herstellerdaten, Prüfung, Dokumentation und Zuständigkeiten. Führe keine eigenen Arbeiten am Schaltschrank durch.

Feedback Transfer: Bei 42 °C ergibt das vereinfachte Modell 93,5 W zusätzliche Kühlleistung vor Zuschlägen. Eine überzeugende Lösung begründet die Wahl des Kühlsystems, benennt fehlende Daten und unterscheidet zwischen Vorauslegung und nachgewiesener Sicherheit.

Lernkontrolle

Bearbeite die folgenden Aufgaben schriftlich oder in einem Fachgespräch. Im Mittelpunkt stehen Problemlösen, begründete Entscheidungen und die Übertragung auf veränderte Situationen.

Temperaturmanagement: Zwei Schaltschränke enthalten identische Geräte, aber einer steht unmittelbar an einer Wand. Erkläre, weshalb unterschiedliche Innentemperaturen möglich sind und welche Informationen Du zur Beurteilung brauchst.
Wirkungsgrad: Ein effizienteres Netzteil wird eingesetzt. Erkläre, wie sich dadurch die Wärmebilanz verändern kann, und warum die Netzteil-Ausgangsleistung trotzdem nicht vollständig als Verlust zählt.
Fehleranalyse: Die simulierte Kühlanforderung bleibt dauerhaft aktiv, obwohl die Temperatur steigt. Entwickle mehrere mögliche Ursachen und einen ausschließlich dokumentations- oder simulationsgestützten Diagnoseablauf.
Anpassung: Die Umgebungstemperatur steigt von 32 °C auf 42 °C. Begründe den Einfluss auf die Wärmeabgabe und die Wahl der Kühltechnik.
Schutzart: Vergleiche Filterlüfter und geschlossenen Kühlkreislauf für eine staubbelastete Anlage und begründe, unter welchen zusätzlichen Bedingungen Deine Entscheidung gültig ist.
Dokumentationsqualität: Ein Prüfblatt enthält nur den Satz „Kühlung ausreichend“. Erkläre, weshalb diese Aussage nicht genügt und welche Angaben für eine überprüfbare Bewertung erforderlich sind.

Bewertungsmaßstab: Fachlich zutreffender Zusammenhang, nachvollziehbare Rechnung, begründete Annahmen, sicherheitsbewusstes Vorgehen und Dokumentation offener Prüfbedarfe.

Lernnachweis

Für den Lernnachweis reichst Du eine digitale Lernmappe ein:

Betriebsmittelliste: Tabelle mit Geräten, angenommenen oder nachgewiesenen Verlustleistungsdaten und Quellen.
Verlustleistungsberechnung: Rechenweg einschließlich Netzteilwirkungsgrad, Summe und Einheiten.
Thermische Bewertung: Wärmebilanz, Temperaturannahmen, Grenzen der vereinfachten Berechnung und Interpretation.
Kühlkonzept: Begründete Auswahl mit mindestens einer Alternative und offenen Nachweisen.
Stromlaufplan: Selbst erstellte virtuelle Funktionsschaltung mit eindeutig bezeichneten Bauteilen.
Signaldiagramm: Temperaturverlauf und zugehörige Schaltzustände einschließlich Hysterese.
Simulation: Zwei nachvollziehbare Screenshots oder ein kurzes Bildschirmvideo mit schriftlicher Erklärung.
Sicherheitsreflexion: Klare Abgrenzung zwischen Lernergebnis, fachlicher Prüfung, Beauftragung und Betriebsfreigabe.

Entscheidend: Der Lernnachweis bewertet Kompetenzen. Er bescheinigt keine Elektrofachkraftqualifikation, keine Berechtigung zum Arbeiten an elektrischen Anlagen und keine technische Betriebsfreigabe.

Fachquellen und Qualitätsprüfung

Quellenstand: 08.10.2026

Fachquelle	Bedeutung für den Kurs
DIN EN IEC 61439-1:2021-10	Allgemeine Anforderungen und Erwärmungsnachweise für Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen; zusammen mit dem jeweils anwendbaren Produktteil zu betrachten.
IEC TR 60890:2022	Berechnungsverfahren für die Lufterwärmung, insbesondere bei geschlossenen Schaltgerätekombinationen ohne Zwangsbelüftung.
DIN EN IEC 61439-1 Beiblatt 2:2025-02	Deutsche Veröffentlichung zum Berechnungsverfahren der IEC TR 60890:2022.
Rittal – Berechnungsgrundlagen	Herstellerdarstellung von Verlustleistung, Gehäusewärmeabgabe und erforderlicher Kühlleistung.
Rittal – Auswahl von Kühlsystemen	Einfluss von Umgebung, Temperatur, Staub, Feuchtigkeit und Einbaubedingungen.
Siemens – Wärmebetrachtung	Bedeutung von gerätebezogenen Verlustleistungsdaten und thermischer Planung.
DGUV Vorschrift 3	Anforderungen an elektrische Sicherheit sowie Qualifikation und Aufsicht.
Falstad CircuitJS	Browserbasierte virtuelle Schaltungssimulation.
PhET, University of Colorado Boulder	Virtueller Aufbau und Untersuchung von Gleichstromkreisen.

Fachlicher Geltungsbereich: Die Ausbildungsgleichungen sind vereinfachte Abschätzungen. Ein formeller Nachweis benötigt das jeweils zulässige Verfahren, belastbare Herstellerangaben und die verantwortliche fachliche Beurteilung. Der Kurs enthält keine Anleitung für Eingriffe in spannungsführende Anlagen.

Geprüfte Medienquellen und Lizenzen

Die folgenden Dateien wurden auf ihren Wikimedia-Commons-Beschreibungsseiten mit Urheber- und Lizenzangaben recherchiert. Die Darstellungen werden unverändert als Lernmedien eingebunden.

Wikimedia-Datei	Urheberangabe	Lizenz
Schaltschrank 54541051.jpg	Denis PI	CC BY-SA 3.0
Schaltschrank Enclosure.jpg	Detmolder2020	CC BY-SA 4.0
Components for DIN rail.JPG	Dmitry G	CC BY-SA 3.0
PLC Panasonic FP-XH C30T.jpg	Angga Panca Alam Anugrah	CC BY-SA 4.0
Simple electrical schematic with Ohms law.svg	Mehanik	CC BY-SA 3.0
ADDA AD0812HS-A70GL.png	Trio3D	CC BY-SA 3.0
ThermostatWorksForCooling.svg	OnionBulb	CC BY-SA 4.0

Lizenztexte: CC BY-SA 3.0 und CC BY-SA 4.0.

Bei einer Weiterverwendung müssen die jeweiligen Urheber- und Lizenzbedingungen eingehalten werden. Die drei eingebundenen YouTube-Videos sind auf der Herstellerseite Fuhrmeister – Videos mit konkreten Titeln nachgewiesen. Eine Einbettung bedeutet nicht, dass eine freie Nachnutzungslizenz für Videodateien vorliegt. Die Verfügbarkeit und Einbettbarkeit kann sich ändern. Die textbasierten Funktions- und Signaldiagramme sind didaktische Modelle.

OERs zum Thema

Schaltschrankklimatisierung, Schaltschrank, Wärmeübertragung, Elektrische Leistung, Wirkungsgrad und Stromlaufplan bieten weitere Grundlagen.

Hinweis: Wikipedia und Wikimedia Commons bieten frei lizenzierte Inhalte gemäß den jeweiligen Bedingungen. Herstellerunterlagen und Normen sind fachliche Quellen, aber nicht automatisch frei nachnutzbare OER.