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1 Inhalt 1 Einleitender Uberblick Der Weg der Energie vom Rraftwerk zum Verbraucher Anwendungen elektrischer Energie: Motoren und Antriebe Inhalte des Buchs Grundlagen der Elektrotechnik Elektrische Maschinen Elektrische Antriebe 19 2 Grundbegriffe der Elektrotechnik Elektrische Ladung Quellen, Potential und Spannung Elektrischer Strom Elektrischer Grundstromkreis Elektrischer Widerstand (im Gleichstromkreis) Elektrische Energie (im Gleichstromkreis) Elektrische Leistung (im Gleichstromkreis) Wirkungsgrad Bezugspfeile ffir Strom und Spannung Spannungsbezugspfeile Strombezugspfeile Erzeuger-undVerbraucherpfeilsystem(EPSundVPS) Erzeugerpfeilsystem Verbraucherpfeilsystem Ubungsaufgaben 31 3 Lineare Gleichstromnetze Begriffsdefinitionen Komponenten linearer Gleichstromnetzwerke Ohm'scher Widerstand/Leitwert Ideale Energiequellen Topologie von Gleichstromnetzen Knoten und Zweige Maschen und Baume Topologische Grundstrukturen Grundstromkreis Reine Reihenschaltung 42 Bibliografische Informationen digitalisiert durch

2 Reine Parallelschaltung Allgemeines Netz Fundamental Berechnungsmethoden Ohm'sches Gesetz KirchhofFsche Regeln Knotenregel Maschenregel Lineare Quellen Verhalten realer Energiequellen Modelle fur das Verhalten realer Energiequellen Kennzeichen linearer Quellen Lineare Spannungsquelle Lineare Stromquelle Hinweise zur Modellierung realer Quellen Umwandlung linearer Quellen Umwandlung einer linearen Spannungsquelle Umwandlung einer linearen Stromquelle Beispiel fur aquivalente lineare Quellen Leistungsanpassung bei linearen Quellen Leistungsanpassung bei der linearen Spannungsquelle Leistungsanpassung bei der linearen Stromquelle Methoden zur Umformung von Netzwerken Berechnung von Widerstandsersatzschaltungen Reihenschaltung aus Ohm'schen Widerstanden oder Leitwerten Parallelschaltung aus Ohm'schen Widerstanden oder Leitwerten Sterne und Dreiecke aus Ohm'schen Widerstanden Sterne und Dreiecke aus Ohm'schen Leitwerten Beispiel fur die Berechnung einer Widerstandsersatzschaltung Widerstandsberechnung bei Punkten gleichen Potentials Berechnung von Quellenersatzschaltungen Berechnung von Spannungen und Stromen bei Serien- und Parallelschaltungen von Widerstanden oder Leitwerten Spannungsteilerregel Stromteilerregel Berechnung stark verzweigter Netzwerke Zweigstromanalyse Zweipoltheorie Ubungsaufgaben 73

3 4 Elektrische und magnetische Felder Grundlagen der Feldtheorie Experimentelle Erfahrungen Der (physikalische) FeldbegrifT Lokale und globale (integrale) FeldgroBen Lokale FeldgroBen Globale (integrale) FeldgroBen Die FeldgroBen des elektrischen Stromungsfelds Die FeldgroBen des elektrostatischen Felds Die FeldgroBen des magnetischen Felds Ferromagnetische Materialien Lorentzkraft auf bewegte Ladungen im Magnetfeld Zugspannungen im Magnetfeld und im elektrostatischen Feld Feldlinien Definition Magnetische Feldlinien an Grenzflachen Feldlinienverlauf bei homogenen Feldern Die Maxwell'schen Gleichungen Die Feldgleichungen Das Durchflutungsgesetz (1. MaxwelFsche Gleichung) Das Induktionsgesetz (2. MaxwelFsche Gleichung) Die Kontinuitatsgleichungen (Quellen und Wirbel) Quelleneigenschaft des elektrostatischen Felds Wirbeleigenschaft des magnetischen Felds Die Materialgleichungen Anwendungsbeispiel: Kondensator Begriffsdefinitionen Ill Kondensator Kapazitat Parallel- und Reihenschaltung von Kapazitaten Parallelschaltung...; Reihenschaltung Der Kondensator als Energiespeicher Laden des Kondensators und fundamentale i-w-beziehung Gespeicherte Energie des Kondensators Entladen des Kondensators Anwendungsbeispiel: Spule Begriffsdefinitionen Spule 118

4 Selbstinduktion Fundamental w-j-beziehung und Induktivitat Schaltungen magnetisch nicht gekoppelter Spulen Reihenschaltung Parallelschaltung Spule als Energiespeicher Bestromen der Spule Gespeicherte Energie der Spule Entstromen der Spule Anwendungsbeispiel: Transformator (Grundlagen) Magnetisch gekoppelte Spulen Gegeninduktion Gegeninduktivitat Transformatorprinzip Ubungsaufgaben Lineare Wechselstromnetze Begriffe Wechselstromnetz/Sinusstromnetz Komponenten von Wechselstromnetzen Wirk- und Blindleistung Sinusfbrmige Spannungen und Strome Mathematische Beschreibung Grafische Darstellung elektrischer SinusgroBen Festlegung des Zeitnullpunkts SinusgroBen als Funktion des Winkels SinusgroBen als Funktion der Zeit Phasenwinkel zwischen Spannung und Strom Integrale Kennwerte sinusformiger GroBen ArithmetischerMittelwert Effektivwert Darstellung sinusformiger GroBen durch komplexe Zeiger Exponentialform Algebraische Form Komplexer Drehzeiger Reelle Zeitfunktion Beispiel fur das Rechnen mit sinusformigen Wechselgroflen Zeigerdiagramm und Phasenwinkel q> Komponenten linearer Wechselstromnetze

5 5.3.1 Ideale Wechselspannungsquellen Reale Wechselspannungsquellen Allgemeine komplexe Widerstande und Leitwerte Verhalten eines Ohm'schen Widerstands/Leitwerts bei sinusformiger Wechselspannung Verhalten einer Spule bei sinusformiger Wechselspannung Verhalten eines Kondensators bei sinusfbrmiger Wechselspannung Zusammenfassung der Zeigerdiagramme Berechnung linearer Wechselstromnetze Fundamental Berechnungsmethoden Ohm'sches Gesetz in komplexer Form KirchhofFsche Regeln in komplexer Form Komplexe Widerstands- und Leitwertsersatzschaltungen Reihenschaltung Parallelschaltung Effektivwertzeigerdiagramme Komplexe Spannungsteilerregel Komplexe Stromteilerregel Leistung im Wechselstromnetz Momentanleistung am Verbraucher Momentane Wirk- und Blindleistung Mittlere Leistungen Wirk-, Blind- und Scheinleistung, Leistungsfaktor Komplexe Leistung Blindleistungskompensation (klassisch) Ubungsaufgaben Lineare Drehstromnetze Vorteile von Drehstromsystemen Drehstromgeneratoren Prinzip der Drehstromerzeugung Symmetrisches dreiphasiges Spannungssystem Verkettung Stemschaltung des Generators (4-Leiter-Netz) Dreieckschaltung des Generators (3-Leiter-Netz) ; Drehstromverbraucher Symmetrische und unsymmetrische Verbraucher Drehstromverbraucher am 4-Leiter- und 3-Leiter-Netz Berechnung von Drehstromnetzen

6 6.4.1 Drehstromverbraucher am 4-Leiter-Netz Sternschaltung Dreieckschaltung Drehstromverbraucher am 3-Leiter-Netz Sternschaltung Dreieckschaltung Leistung im Drehstromnetz Ausgangslage fur die Leistungsberechnung Momentanleistung Komplexe Leistung, Wirk-, Blind- und Scheinleistung Drehstromleistung bei symmetrischer Last Kollektive Leistung Blindleistungskompensation im Drehstromnetz (klassisch) Problemstellung Sternschaltung der Kondensatoren Dreieckschaltung der Kondensatoren Ubungsaufgaben Uberblick iiber elektrische Maschinen Unterscheidungsmerkmale fur elektrische Maschinen Haupttypen elektrischer Maschinen Transformator Rotierende elektrische Maschinen und Linearmaschinen Drehfeldmaschine Einphasen-Wechselstrommaschine Gleichstrommaschine Schrittmotor Spezielle Typen rotierender elektrischer Maschinen Servomotor Elektronisch kommutierter Motor Reluktanzmaschine High-Torque-Motor (Direktantrieb) Transformator MechanischerAufbau Eisenkem Wicklungen : Funktionsprinzip des Einphasentransformators Bezugspfeile beim Einphasentransformator

7 8.3.1 Wicklungssinn Magnetische Kopplung und Strombezugspfeile Klemmenspannungen Schema fur die Festlegung der Bezugspfeile Derideale Einphasentransformator Bezugspfeile und Wicklungssinn Ideale Spannungstransformation Ideale Stromtransformation Ideale Widerstandstransformation Der reale Einphasentransformator Vollstandiges Ersatzschaltbild des Einphasentransformators Kupferverluste Unvollstandige magnetische Kopplung Eisenverluste Leerlauf- und Kurzschlussversuch LeerlaufVersuch Kurzschlussversuch Berechnungsbeispiel Nennbetrieb (Kapp'sches Dreieck) Drehstromtransformator Aufbau eines Drehstrom-Kerntransformators Wicklungen und Schaltungen Schaltgruppen Kennbuchstaben Kennzahl Elektrisches Ersatzschaltbild bei symmetrischer Last Nennspannungen Ubersetzungsverhaltnis Ubungsaufgaben Drehstromasynchronmaschine Aufbau des Drehstromasynchronmotors Funktionsweise Schlupf Standerdrehfeld Laufer- und Luftspaltdrehfeld Drehmomentbildung Elektrisches Ersatzschaltbild Leistungsbilanz des Drehstromasynchronmotors

8 9.5 Ortskurve des Standerstroms (Heyland-Rreis) Drehmoment-Schlupf-Kennlinie (Kloss'sche Formel) Ubungsaufgaben Drehstromsynchronmaschine Aufbau des Drehstromsynchrongenerators Funktionsweise des Drehstromsynchrongenerators Elektrisches Ersatzschaltbild Betrieb am starrennetz Synchronisierung mit demnetz Drehstromgenerator als Blindleistungserzeuger Drehstromgenerator als Wirkleistungserzeuger Ubungsaufgaben Gleichstrommaschine Grundlegende physikalische Gesetze Kraft auf stromdurchflossene gerade Leiter im Magnetfeld Spannungserzeugung in der Lauferwicklung Aufbau des Gleichstrommotors Stander Laufer, Kommutator und Biirsten Lauferblechpaket Kommutator und Bursten Stromverlaufbei der Kommutierung Ankerwicklung Ankerriickwirkung Die Grundgleichungen des Gleichstrommotors Induzierte Spannung Drehmoment Leistungsbilanz des Gleichstrommotors Drehmoment als Funktion von Fluss und Strom Drehmoment als Funktion der Drehzahl (A/-n-Kennlinie) Erregungsarten und elektrische Ersatzschaltbilder Erregung von Gleichstrommotoren Elektrische Ersatzschaltbilder Fremderregter Gleichstrommotor Nebenschlussmotor Reihenschlussmotor Betriebsverhalten von Gleichstrommotoren

9 Nebenschlussverhalten Reihenschlussverhalten Ubungsaufgaben Elektrische Antriebe Einfuhrende Ubersicht Leistungsantrieb Ungesteuerte, gesteuerte und geregelte Antriebe UngesteuerterAntrieb Gesteuerter Antrieb Geregelter Antrieb Einsatz- und Betriebsbedingungen BauformundAufstellung(IM) Schutzart (IP) Kuhlung(IC) Betriebsarten Physikalische Grundgesetze der Antriebstechnik Das dynamische Grundgesetz der Rotation Bezugspfeile fur Drehzahl und Drehmoment Bewegungsgleichung eines rotierenden Korpers Freischneiden Beispiel fur das Aufstellen einer Bewegungsgleichung Umrechnung von BewegungsgroBen Umrechnung von translatorischer Bewegung in rotatorische Umrechnung von Drehmomenten Umrechnung von Tragheitsmomenten bei rotierenden Massen Umrechnung von Tragheitsmomenten bei geradlinig bewegten Massen Beispiel fur die Umrechnung von BewegungsgroBen Stationare Af-n-Kennlinien und Arbeitspunktstabilitat Stationare Af L -n-kennlinien von Arbeitsmaschinen Konstante Antriebsleistung Konstantes Lastmoment Quadratisch ansteigendes Lastmoment Stationare A/ M -n-kennlinien von Motoren Stationarer Arbeitspunkt Drehmomentgleichung Beispiel fur eine Arbeitspunktberechnung Statische Stabilitat im Arbeitspunkt

10 12.4 Antriebsdynamik Langsame Drehzahlanderungen Konstantes Beschleunigungsmoment Linear abnehmendes Beschleunigungsmoment BeliebigerVerlaufdesBeschleunigungsmoments Schnelle Drehzahlanderungen Klassische Verfahren der Drehzahlsteuerung Drehzahlsteuerung beim Drehstromasynchronmotor Grundsatzliche Moglichkeiten f/-/-steuenmg Drehzahlsteuerung beim Gleichstrommotor Stromrichterantriebe Stromrichterventile Diode Thyristor Leistungstransistor Stromrichter Netzgefuhrter Stromrichter fur Gleichstrommotoren Wechselstrombriickenschaltung mit Dioden Wechselstrombriickenschaltung mit Thyristoren Drehstrombruckenschaltung Transistorumrichter fur den Drehstromasynchronmotor Grundsatzlicher Aufbau eines CZ-Umrichters Pulsweitenmodulation Antriebsregelung Struktur eines geregelten Antriebs Verfahren fur die Lage-und Drehzahlregelung Aufbau von Gesamt-Antriebsmoduln Netzteil Leistungsteil-Interface Signalverarbeitungseinheit Schnittstellen Ubungsaufgaben 395 Losungen der Ubungsaufgaben 397 Literatur 405 Stichwortverzeichnis