Elektrotechnik für Maschinenbauer

Transkript

1 Rolf Fischer Hermann Linse Elektrotechnik für Maschinenbauer Mit Elektronik, elektrischer Messtechnik, elektrischen Antrieben und Steuerungstechnik 13., überarbeitete und erweiterte Auflage Mit 415 Bildern und Tabellen, 113 Beispielen und 68 Aufgaben mit Lösungen STUDIUM VIEWEG+ TEUBNER

2 Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen der Elektrotechnik Gleichstrom Elektrische Größen und Grundgesetze Physikalische Grandlagen Stromkreis, Wirkungen des elektrischen Stroms Elektrischerwiderstand Kirchhoffsche Regeln Gleichstromkreise Widerstandsschaltungen Elektrische Spannungsquellen Berechnung von Gleichstrom-Netzwerken Messungen im elektrischen Stromkreis Elektrisches Feld und magnetisches Feld Elektrisches Feld Größen des elektrischen Feldes, Kondensator Influenz und Polarisation Schaltung von Kondensatoren Ladung von Kondensatoren, Energie des elektrischen Feldes Magnetisches Feld Wirkungen im magnetischen Feld Magnetische Feldstärke Magnetische Flussdichte (Induktion) Magnetischer Fluss, Durchflutungsgesetz Magnetische Hysterese, Energie des Magnetfeldes Kräfte und Spannungserzeugung im magnetischen Feld Kräfte im Magnetfeld Lenzsche Regel, Induktionsgesetz Spannungserzeugung durch Selbstinduktion, Induktivität Transformatorische und rotatorische Spannungserzeugung Wirbelströme Wechselstrom und Drehstrom Wechselgrößen und Grundgesetze Sinusförmige Wechselgrößen (Sinusgrößen) Belastungsarten im Wechselstromkreis Darstellung von Wechselgrößen im Zeigerbild Leistung, Leistungsfaktor, Arbeit Wechselstromkreise Kirchhoffsche Regeln bei Wechselstrom Wechselstromschaltungen mit R, L und С Schwingkreise Komplexe Berechnung von Wechselstromschaltungen Messungen bei Wechselstrom Drehstrom Drehstromsysteme 91

3 VIII Inhaltsverzeichnis Elektrische Größen bei Stern-und Dreieckschaltung Messungen im Drehstromnetz 98 2 Elektronik Grundlagen und Bauelemente der Elektronik Allgemeine elektrische Bauelemente Widerstände Spulen Kondensatoren Grundbegriffe der Halbleitertechnik Trägerbewegung in Halbleitern Störstellenleitfähigkeit PN-Übergang Eigenschaften des PN-Übergangs Halbleiterbauelemente ohne Sperrschicht Thermistoren Varistoren Fotowiderstände Magnetfeldabhängige Bauelemente Flüssigkristallzellen Halbleiterbauelemente mit Sperrschichten Dioden Bipolare Transistoren Feldeffekttransistoren Optoelektronische Bauelemente Thyristoren Elektronen- und Gasentladungsröhren Elektronenröhren Gasentladungsröhren Kühlung und Schutzmaßnahmen bei Halbleiterbauelementen Verluste und Erwärmung Kühlkörper Schutzmaßnahmen für Halbleiter Baugruppen der Elektronik Gleichrichterschaltungen Wechselstromschaltungen Drehstromschaltungen Glättungs-und Siebglieder Netzteile Verstärker Transistorgrundschaltungen Emitterschaltung Differenzverstärker Steuerschaltungen mit Transistoren Generator- und Kippschaltungen Schalterbetrieb des Transistors Kippschaltungen Sinusgeneratoren 160

4 Inhaltsverzeichnis IX Integrierte Schaltungen Aufbau elektronischer Schaltungen Operationsverstärker Beschaltung von Operationsverstärkern Einsatz einer integrierten Schaltung Elektrische Messtechnik Grundlagen der elektrischen Messtechnik Allgemeine Angaben Messwerterfassung Betriebsdaten von Messgeräten Auswahl eines Messgerätes Einsatz elektrischer Messgeräte Strom-und spannungsrichtige Messung Innenwiderstände von Messgeräten Messbereichserweiterung Elektrische Messgeräte Elektromechanische Messwerke Dreheisenmesswerke Drehspulmesswerke Elektrodynamische Messwerke lnduktions-(ferraris-)messwerk Messwandler Zangenstrommesser Strom- und Spannungswandler Elektronische Messgeräte Digitalmultimeter Oszilloskope Digital-Messtechnik Baugruppen digitaler Messgeräte Analog/Digital-Umsetzer Codierung Speicher und Zählschaltungen Digitale Messgeräte Zähler Multimeter Transientenspeicher Elektrische Messung nichtelektrischer Größen Messwertgeber für mechanische Beanspruchungen Verfahren der Drehzahlmessung Verfahren der Drehmomentbestimmung Bestimmung von Kraft, Druck und Schwingungen Messwertaufnehmer für nichtmechanische Größen Bestimmung der Beleuchtungsstärke Bestimmung von Temperaturen Zeitmessung Bestimmung von Geräuschen 203

5 X Inhaltsverzeichnis 4 Elektrische Maschinen und Leistungselektronik Gleichstrommaschinen Aufbau und Wirkungsweise Aufbau Motor-und Generatorbetrieb Leistungsbilanz Anschlussbezeichnungen und Schaltungen Betriebsverhalten und Drehzahlsteuerung Leerlauf und Selbsterregung Gleichstrommotoren mit Fremderregung Verfahren der Drehzahlsteuerung Gleichstrom-Reihenschlussmotoren Transformatoren Wechselstromtransformatoren Aufbau Kenngrößen und Ersatzschaltbild Betriebsverhalten Sondertransformatoren Drehstromtransformatoren Bauart und Schaltung Kenngrößen und Betriebsverhalten Drehstrom-Asynchronmaschinen Aufbau und Wirkungsweise Ständer und Drehstromwicklung Läufer Asynchrones Drehmoment Linearmotoren Betriebsverhalten und Drehzahlsteuerung Kennlinien und Kenngrößen Anlassen Drehzahlsteuerung Drehstrom-Synchronmaschinen Aufbau und Wirkungsweise Ständer und Läufer Kennlinien und Ersatzschaltung Betriebsverhalten im Netzbetrieb Synchronisation Wirk-und Blindlaststeuerung Drehzahlsteuerung Positionierantriebe Wechselstrommotoren Universalmotoren Schaltung und Einsatz Betriebsverhalten Wechselstrommotoren mit Hilfswicklung Spaltpolmotoren Kondensatormotoren Schrittmotoren 272

6 Inhaltsverzeichnis XI Aufbau und Wirkungsweise Betriebsdaten Leistungselektronik Stromrichterschaltungen für Gleichstromantriebe Netzgeführte Stromrichter Gleichstromsteller Stromrichterschaltungen für Wechsel-und Drehstromantriebe Wechsel-und Drehstromsteller Untersynchrone Stromrichterkaskade Frequenzumrichter Netzrückwirkungen von Stromrichteranlagen Steuerblindleistung 286, Oberschwingungen 287 4J6.3.3 Störspannungen und EMV Elektrische Antriebe und Steuerungen Standardisierung und Normvorschriften Äußere Gestaltung Baugrößen Bauformen Schutzarten Betriebsbedingungen Betriebsarten Leistungsschild Prüfung elektrischer Maschinen Planung und Berechnung von Antrieben Stationärer Betrieb Momentengleichung des elektrischen Antriebs Betriebskennlinien von Elektromotoren Betriebskennlinien von Arbeitsmaschinen Schwungmassen von Motor und Arbeitsmaschine Dynamik des Antriebs Anlauf Bremsen Bemessung des Motors Zulässiges Motormoment Berechnung der Erwärmung Steuerungstechnik Schaltgeräte und Kontaktsteuerungen Schalter, Schütze und Sicherungen Schaltpläne Festverdrahtete Steuerungen Grundlagen elektronischer Steuerungen Logische Grundverknüpfungen Kombinationen der Grundverknüpfungen Speicherschaltungen Schaltungstechnik Grundlagen speicherprogrammierbarer Steuerungen 333

7 XII Inhaltsverzeichnis Aufbau einer SPS Einführung in die Programmiertechnik Drehrichtungsumkehr eines Motors mit SPS Feldbussysteme Elektrische Energieversorgung Erzeugung elektrischer Energie Energiewirtschaft Energiewandlung Erzeugung und Verbrauch elektrischer Energie Kraftwerke Thermische Kraftwerke Wasserkraftwerke Regenerative Energieerzeugung Energieübertragung Elektrische Netze Stromversorgungsanlagen Verbundbetrieb Schutzmaßnahmen in elektrischen Anlagen Allgemeine Grundsätze Schutzmaßnahmen gegen elektrischen Schlag 357 Berechnung der Aufgaben 361 Gesetzliche Einheiten und Formeln 367 Literatur 370 Sachwortverzeichnis 371