Elektrotechnik und Elektronik

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1 Rudolf Busch Elektrotechnik und Elektronik für Maschinenbauer und Verfahrenstechniker 5., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage Mit 429 Abbildungen und 132 Übungsaufgaben mit Lösungen STUDIUM VIEWEG+ TEUBNER

2 Inhaltsverzeichnis Teil A: Grundlagen der Elektrotechnik 1 1 Das elektrische Feld Feldbegriff. Darstellung von Feldern Das stationäre elektrische Strömungsfeld Ladung. Strom. Stromdichte 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 Kapazität. Kondensatoren Kondensatorstrom Energie und Kräfte im elektrostatischen Feld Übungsaufgaben 25 2 Das magnetische Feld Magnetische Erscheinungen Magnetische Kenngrößen Magnetischer Fluss und magnetische Flussdichte Durchflutung. Magnetische Spannung. Magnetischer Widerstand Die magnetische Feldstärke Das Durchflutungsgesetz : Materie im Magnetfeld Die Permeabilität. Einteilung der Stoffe Hystereseschleife und Magnetisierungskurve Das Induktionsgesetz : Grundlagen. Der Versuch von Faraday Anwendungen des Induktionsgesetzes Selbst- und Gegeninduktion Selbstinduktion Gegeninduktion Energie und Kräfte im magnetischen Feld Energieinhalt des Magnetfeldes Kraftwirkungen im magnetischen Feld Kräfte an Grenzflächen Kräfte auf stromdurchflossene Leiter Übungsaufgaben 57 3 Die passiven Bauelemente der Elektrotechnik 61

3 X Inhaltsverzeichnis 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 Widerstandsnetzwerken Teilerregeln Die Stromteilerregel Die Spannungsteilerregel Berechnung verzweigter Stromkreise mittels der Gesetze von Kirchhoff Spannungsquellen und Stromquellen. Zweipoltheorie Übungsaufgaben 82 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 Komplexer Widerstand und komplexer Leitwert Komplexer Widerstand Komplexer Leitwert Wirk-und Blindkomponenten von Spannung und Strom Wechselstromleistung Drehstrom (Dreiphasenwechselstrom) Erzeugung von Drehstrom Die Verkettung des Drehstromsystems Spannungen und Ströme im symmetrischen Drehstromsystem Drehstromleistung Übungsaufgaben 119 Ausgleichsvorgänge in Stromkreisen Die Schaltgesetze Aufladung eines Kondensators Kurzschluss einer stromdurchflossenen Spule Entladung eines Kondensators in einem Reihenschwingkreis Schlussbemerkungen Übungsaufgaben 133

4 Inhaltsverzeichnis XI Teil B: Anwendungen der Elektrotechnik Elektronik Einleitende Bemerkungen Physikalische Grundlagen Eigenleitung Störstellenleitung Eigen- und Störstellenleitung im Bändermodell Der /?w-übergang Elektronische Bauelemente Halbleiterwiderstände Halbleiterdioden Aufbau. Kennlinien. Typen Diode als Gleichrichter Transistoren Bipolartransistoren Feldeffekttransistoren Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs) Betriebsarten von Transistoren 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 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 Wechselspannungsverstärker Operationsverstärker 198

5 XII Inhaltsverzeichnis Schwingungserzeuger Digitalschaltungen Kombinatorische Schaltungen Logische Verknüpfungen Gatter Sequenzielle Schaltungen Kippschaltungen Flipflops Mikroelektronik Schaltungsintegration Schaltkreisfamilien Mikroprozessoren und Mikrorechner Komponenten des Mikrorechnersystems Mikrorechner als Prozessrechner Weitere Ergebnisse der Mikrorechentechnik Übungsaufgaben 228 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 Drehstromasynchronmotor Aufbau Ersatzschaltbild Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie 269

6 Inhaltsverzeichnis XIII Drehzahlstellung 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 298 Elektrische Energieversorgung Einleitung Überblick zu Kraftwerken Elektrotechnische Komponenten eines Kraftwerkes Übertragungssysteme für elektrische Energie '5 Drehstromnetze Spannungsebenen ' Drehstromleitungen Die Leitungsgleichungen Übertragung auf Hoch- und Höchstspannungsleitungen (Fernübertragung) Übertragung auf Mittel-und Niederspannungsleitungen Praktische Ausführung von Drehstromleitungen Netzgestalturig Sternpunktbehandlung in Drehstromnetzen : Netzstrukturen Schaltanlagen Arten von Schaltanlagen Schaltgeräte der elektrischen Energietechnik Schalten von Wechselstrom Niederspannungsschaltgeräte Schaltgeräte für Spannungen > 1000 V Hochleistungssicherungen Praktische Ausführung von Schaltanlagen 337 '9.7 Personenschutz in Niederspannungsnetzen 338

7 XIV Inhaltsverzeichnis Gefährdung 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 Frequenzmessung Elektrische Messung nichtelektrischer Größen Allgemeines Messung von Wegen und Winkeln Messung von Kräften und Momenten Drehzahlmessung 367, Temperaturmessung Messtechnik mit dem PC Einleitende Bemerkungen Geräte mit integrierter digitaler Schnittstelle Messkarten Störbeeinflussung von Messkreisen Übungsaufgaben 380 Lösungen der Übungsaufgaben 383 Literatur '. 398 Sachwortverzeichnis 401