Elektrotechnik und Elektronik

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1 2008 AGI-Information Management Consultants May be used for personal purporses only or by libraries associated to dandelon.com network. Rudolf Busch Elektrotechnik und Elektronik für Maschinenbauer und Verfahrenstechni ker 3., überarbeitete und ergänzte Auflage Mit 461 Abbildungen und 132 Übungsaufgaben mit Lösungen Teu bner B. G. Teubner. ' Wiesbaden

2 Inhaltsverzeichnis Teil A: Grundlagen der Elektrotechnik 1 Das elektrische Feld... 1 Feldbegriff Darstellung von Feldern Das stationäre elektrische Strömungsfeld Ladung. Strom. Stromdichte... 3 I Potenzial. Spannung. Feldstärke Elektrischer Widerstand. Ohmsches Gesetz Der elektrische Stromkreis Die Gesetze von Kirchhoff Das elektrostatische Feld Entwicklung aus dem Strömungsfeld Kenngrößen des elektrostatischen Feldes I. 3.3 Kapazität. Kondensatoren Kondensatorstrom Energie und Kräfte im elektrostatischen Feld Übungsaufgaben Das magnetische Feld Magnetische Erscheinungen Magnetische Kenngrößen Magnetischer Fluss und magnetische Flussdichte Durchflutun g. Magnetische Spannung. Magnetischer Widerstand Die magnetische Feldstärke Das Durchflutungsgesetz Materie im Magnetfeld Die Permeabilität. Einteilung der Stoffe Hystereseschleife und Magnetisierungskurve Das Induktionsgesetz I Grundlagen. Der Versuch von Faraday Anwendungen des induktionsgesetzes Selbst- und Gegeninduktion Selbstinduktion Gegeninduktion... 71

3 X Inhaltsverzeichnis 2.7 Energie und Kräfte im magnetischen Feld Energieinhalt des Magnetfeldes Kraftwirkungen im magnetischen Feld Kräfte an Grenzflächen Kräfte auf stromdurchflossene Leiter Übungsaufgaben Die passiven Bauelemente der Elektrotechnik Berechnung von Stromkreisen bei Gleichstrom Der unverzweigte Gleichstromkreis Der elektrische Widerstand Lineare und nichtlineare Widerstände Energie und Leistung im Gleichstromkreis Der Grundstromkreis Leistungsumsatz im Stromkreis Der verzweigte Gleichstromkreis Vereinfachung von Widerstandsnetnverken Teilerregeln Die Stromteilerregel Die Spannungsteilerregel Berechnung verzweigter Stromkreise mittels der Gesetze von Kirchhoff Übungsaufgaben Berechnung von Stromkreisen bei Wechselstrom Erzeugung von Wechselstrom. Bestimmungsgrößen... Kenngrößen Zeitliche Mittelwerte Zählpfeile Darstellung sinusförmiger elektrischer Größen im Zeigerdiagramm Spannungs- und Stromzeiger bei den Grundschaltelementen Zeigerdiagramme bei gemischten Wechselstromschaltungen Reihenschaltung von Kondensator und Widerstand Parallelschaltung von Spule und Widerstand Gemischte Schaltung Die komplexe Darstellung von Zeigern Komplexe Zeiger der Grundschaltelemente

4 Inhaltsverzeichnis XI 5.8 Komplexer Widerstand und komplexer Leitwert Komplexer Widerstand Komplexer Leitwert Wirk- und Blindkomponenten von Spannung und Strom Wechselstromleistung Drehstrom (Dreiphasenwechselstrom) I. 1 Erzeugung von Drehstrom Die Verkettung des Drehstromsystems Spannungen und Ströme im symmetrischen Drtehstromsystem Drehstromleistung Übungsaufgaben Ausgleichsvorgänge in Strom kreisen Die Schaltgesetze Aufladung eines Kondensators Kurzschluss einer stromdurchflossenen Spule Entladung eines Kondensators in einem Reihenschwingkreis Schlussbemerkungen Übungsaufgaben Teil B: Anwendungen der Elektrotechnik 7 Elektronik 7.1 Einleitende Bemerkungen Physikalische Grundlagen Eigenleitung Störstellenleitun g Eigen- und Störstellenleitung im Bändermodell Der pn-übergang Elektronische Bauelemente Halbleiterwiderstände Haibleiterdioden Aufbau. Kennlinien. Typen Diode als Gleichrichter Transistoren Bipolartransistoren Feldeffekttransistoren Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs) Betriebsarten von Transistoren

5 XI I Inhaltsverzeichnis Transistoren als Verstärker Transistoren als Schalter Thyristoren Aufbau und Wirkungsweise. Typen Thyristoren als gesteuerte Gleichrichter Optoelektronische Bauelemente Lichtempfangende Bauelemente Lichtaussendende Bauelemente Andere optoelektronische Bauelemente Leistungselektronik I Einführung. Arten und Wirkungsweise von Stromrichtern Gleichrichter Gleichrichter mit Dioden (Ungesteuerte Gleichrichter) Einphasengleichrichter Dreiphasengleichrichter Gleichrichter mit Thyristoren (Gesteuerte Gleichrichter) Gesteuerte Einphasengleichrichter Gesteuerte Dreiphasengleichrichter (B6C, B6H) Zusammenfassung gesteuerte Gleichrichter Umkehrstromrichter Wechselrichter Gleichstromumrichter Wechselstromumrichter. Frequenzumrichter informationselektronik Einführung Analoge und digitale Größen und Signale Analogschaltungen I Wechselspannungsverstärker Operationsverstärker Schwingungserzeuger Digitalschaltungen Kombinatorische Schaltungen Logische Verknüpfungen Gatter Sequenzielle Schaltungen Kippschaltungen Flipflops Mikroelektronik Schaltungsintegration Schaltkreisfamilien

6 Inhaltsverzeichnis XI Mikroprozessoren und Mikrorechner Komponenten des Mikrorechnersystems Mikrorechner als Prozessrechner Weitere Ergebnisse der Mikrorechentechnik Übungsaufgaben Elektrische Maschinen und Antriebe Einleitung Die Gleichstrommaschine Aufbau und Funktionsprinzip Erregung der Gleichstrommaschine Der Gleichstromnebenschlussmotor Ersatzschaltbild und Kennlinien Drehzahlstellung Anlassen und Bremsen Der Gleichstromreihenschlussmotor Spezielle Typen Der Transformator Grundsätzlicher Aufbau und Funktionsprinzip Der ideale Transformator Definition und Ersatzschaltbild Induzierte Spannung und Klemmenspannung Zeigerdiagramme und Wirkungsweise Widerstandstransformation Der technische Transformator Ersatzschaltbild Spezielle Betriebsfälle Betriebsverhalten Drehstromtransformatoren Spezielle Transformatortypen Rotierende Drehstrommaschinen Das Drehfeld Arten von Drehfeldmaschinen Der Drehstromaspchronmotor Aufbau Ersatzschaltbi Id Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie Drehzahlstel lung

7 XIV Inhaltsverzeichnis Anlassen von Asynchronmotoren Spezielle Typen von Asynchronmotoren Die Synchronmaschine Ersatzschaltbild Betrieb am starren Drehstromnetz Inselbetrieb des Synchrongenerators Spezielle Typen von Synchronmotoren Elektrische Antriebstechnik Mechanische Struktur elektrischer Antriebe Grundgesetze elektrischer Antriebe Die Bewegungsgleichung Stabilität stationärer Arbeitspunkte Wellenlast bei Übertragungsgliedern Betriebsarten elektrischer Maschinen Motorwicklungserwärmung Nennbetriebsarten Motorauswahl Ein- und Mehrquadrantenantriebe Regelung elektrischer Antriebe Ergänzende Bemerkungen Übungsaufgaben Elektrische Energieversorgung Einleitung Überblick zu Kraftwerken Elektrotechnische Komponenten eines Kraftwerkes Übertragungssysteme für elektrische Energie Drehstromnetze Spannungsebenen Drehstromleitungen Die Leitungsgleichungen Übertragung auf Hoch- und Höchstspannungsleitungen Übertragung auf Mittel- und Niederspannungsleitungen Praktische Ausführung von Drehstromleitungen Netzgestaltung Sternpunktbehandlung in Drehstromnetzen Netzstrukturen Schaltanlagen Schaltgeräte der elektrischen Energietechnik Arten von Schaltanlagen

8 Inhaltsverzeichnis XV I Schalten von Wechselstrom Niederspannungsschaltgeräte Schaltgeräte für Spannungen 1000 V Hochleistungssicherungen Praktische Ausführung von Schaltanlagen Personenschutz in Niederspannungsnetzen Getährdung des Menschen Schutzmaßnahmen Übungsaufgaben Elektrische Messtechnik Einleitung Grundlegende Begriffe der elektrischen Messtechnik Elektrische Messwerke Drehspulmesswerk Dreheisenmesswerk Elektrodynamisches Messwerk induktionsmesswerk Messgeräte Vielfachmesser Elektronenstrahloszilloskope Registriergeräte Zählmessgeräte Messverfahren für elektrische Größen Messung von Strom und Spannung Messung von Widerständen und Impedanzen Messung der elektrischen Leistung Zeit- und Frequemessung Elektrische Messung nichtelektrischer Größen Allgemeines Messung von Wegen und Winkeln Messung von Kräften und Momenten Drehzahlmessung Temperaturmessung Störbeeinflussung von Messkreisen Übungsaufgaben Lösungen der Übungsaufgaben Literatur Sachwortverzeichnis