Elektrotechnik für Maschinenbauer

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1 Elektrotechnik für Maschinenbauer Von Professor Dipl.-Ing. Hermann Linse unter Mitwirkung von Professor Dr.-Ing. Rolf Fischer Fachhochschule für Technik Esslingen/Neckar 9., überarbeitete und erweiterte Auflage Mit 397 Bildern und 26 Tafeln 83 B. G. Teubner Stuttgart 1992

2 1 Grundlagen der Elektrotechnik (Linse) 1.1 Gleichstrom Elektrische Größen und Grundgesetze : Physikalische Grundlagen der elektrischen Erscheinungen Stromkreis. Wirkungen des elektrischen Stroms Elektrischer Widerstand Kirchhoffsche Regeln Messung elektrischer Größen Zahlenbeispiele Gleichstromkreise Widerstandsschaltungen Elektrische Spannungsquellen Ersatzschaltbilder für Gleichstromkreise Berechnung von Gleichstromkreisen Gleichstrommessungen Zahlenbeispiele Elektrisches Feld und magnetisches Feld Elektrisches Feld Größen des elektrischen Feldes, Kondensator Ladung und Entladung des Kondensators Zahlenbeispiele Magnetisches Feld Wirkungen im magnetischen Feld Magnetische Feldstärke Magnetische Flußdichte (Induktion) Magnetischer Fluß. Durchflutungsgesetz Magnetische Hysterese, Energie des Magnetfeldes Zahlenbeispiele Kräfte und Spannungserzeugung im magnetischen Feld Kräfte im Magnetfeld Lenzsche Regel, Induktionsgesetz Spannungserzeugung durch Selbstinduktion, Induktivität Transformatorische Spannungserzeugung Rotatorische Spannungserzeugung Wirbelströme Zahlenbeispiele Elektromagnetisches Feld Wechselstrom und Drehstrom Wechselgrößen und Grundgesetze Sinusförmige Wechselgrößen (Sinusgrößen) Widerstand, Spule und Kondensator bei Wechselstrom 82

3 V Darstellung von Wechselgrößen im Zeigerbild Leistung, Leistungsfaktor, Arbeit Wechselstromkreise Kirchhoffsche Regeln bei Wechselstrom Wechselstromschaltungen mit R, L und C Schwingkreise Komplexe Berechnung von Wechselstromschaltungen Wechselstrommessungen Zahlenbeispiele Drehstrom Erzeugung von Drehstrom. Drehstromschaltungen Elektrische Größen bei Stern- und Dreieckschaltung Drehstrommessungen Zahlenbeispiele Elektronik (Fischer) 2.1 Grundlagen und Bauelemente der Elektronik Allgemeine elektrische Bauelemente Widerstände Spulen Kondensatoren Grundbegriffe der Halbleitertechnik Trägerbewegung in Halbleitern Störstellenleitfähigkeit PN-Übergang Eigenschaften der Sperrschicht 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 170

4 VI Inhalt Glättungs- und Siebglieder Netzgeräte Spannungsumformung durch RC-Glieder Differenzierglied Integrierglied Weitwinkelphasenschieber Verstärker Transistorgrundschaltungen Emitterschaltung Mehrstufige Verstärker Differenzverstärker Steuerschaltungen mit Transistoren Generator- und Kippschaltungen Schalterbetrieb des Transistors Kippschaltungen Sinusgeneratoren Integrierte Schaltungen Aufbau elektronischer Schaltungen Operationsverstärker Beschaltung von Operationsverstärkern Einsatz einer integrierten Schaltung Elektrische Meßtechnik (Fischer) 3.1 Grundlagen der elektrischen Meßtechnik Allgemeine Angaben Analoges und digitales Messen Meßtechnische Begriffe Kennzeichnung elektrischer Meßinstrumente Betriebsdaten elektrischer Meßgeräte Innenwiderstand Messung nichtsinusförmiger Größen Meßbereichserweiterung Elektrische Meßwerke und Meßgeräte Elektrische Meßwerke Elektronenstrahlröhren Dreheisenmeßwerke Drehspulmeßwerke Elektrodynamische Meßwerke Induktions-(Ferraris)-Meßwerk Elektrische Meßgeräte Widerstandsmeßgeräte Zangenstrommesser Vielfachinstrumente Schreibende Meßgeräte Oszilloskope Magnetbandgeräte Meßwandler 217

5 VII 3.3 Digital-Meßtechnik Baugruppen digitaler Meßgeräte Analog/Digital-Umsetzer Codierung Speicher und Zählschaltungen Digitale Meßgeräte Zähler Multimeter Transientenspeicher Elektrische Messung nichtelektrischer Größen Mechanische Größen Drehzahl Drehmoment Kraft, Druck und Schwingungen Sonstige Größen Beleuchtungsstärke /> H -Wert einer wässerigen Lösung Temperatur Zeit Elektrische Maschinen (Linse/Fischer) 4.1 Gleichstrommaschinen Aufbau, Wirkungsweise, Leistungsbilanz Aufbau Wirkungsweise Leistungsbilanz Anschlußbezeichnungen und Schaltungen Betriebsverhalten und Drehzahlsteuerung Gleichstromgeneratoren Gleichstrommotoren mit Fremderregung Verfahren der Drehzahlsteuerung Gleichstrom-Reiehnschlußmotoren Zahlenbeispiele Transformatoren Wechselstromtransformatoren Aufbau Kenngrößen und Ersatzschaltbild Betriebsverhalten Sondertransformatoren Zahlenbeispiele Drehstromtransformatoren Bauart und Schaltung Kenngrößen und Betriebsverhalten Zahlenbeispiele Drehstrom-Asynchronmaschinen Aufbau und Wirkungsweise Ständer und Drehstromwicklung Läufer 280

6 VIII Inhalt Asynchrones Drehmoment Linearmotoren Betriebsverhalten und Drehzahlsteuerung Kennlinien und Kenngrößen Anlassen Drehzahlsteuerung Zahlenbeispiele Drehstrom-Synchronmaschinen Aufbau und Wirkungsweise Ständer und Läufer Kennlinien und Ersatzschaltung Betriebsverhalten im Netzbetrieb Synchronisation Wirk- und Blindlaststeuerung Drehzahlsteuerung Drehstrom-Stromwendermaschinen Wechselstrommotoren Universalmotoren Schaltung und Einsatz Betriebsverhalten Wechselstrommotoren mit Hilfswicklung Spaltpolmotoren Kondensatormotoren Schrittmotoren Aufbau und Wirkungsweise Betriebsdaten Elektrische Industrieantriebe (Linse/Fischer) 5.1 Normvorschriften elektrischer Maschinen Äußere Gestaltung Baugrößen Bauformen Schutzarten Betriebsbedingungen Nennbetriebsarten Leistungsschild Prüfung elektrischer Maschinen Grundlagen für Planung und Berechnung Drehmomente Momentengleichung des elektrischen Antriebs Betriebskennlinien von Elektromotoren Betriebskennlinien von Arbeitsmaschinen Schwungmassen von Motor und Arbeitsmaschine Dynamik des Antriebs Anlauf Bremsen Umsteuern 336

7 IX Bemessung des Motors Zulässiges Motormoment Zulässige Motortemperatur Zahlenbeispiele Schalt- und Steuerungstechnik Schaltgeräte Schalter Schmelzsicherungen Schütze Schaltpläne Arten von Schaltplänen Bezeichnungen in Schaltplänen Kontaktsteuerungen Anlaufsteuerungen Brems- und Umkehrsteuerungen Drehzahlsteuerungen Elektronische Steuerungstechnik (Fischer) 6.1 Kontaktlose Steuerungstechnik Grundlagen Elektronischer Schalter und Relais Aufbau und Wirkungsweise einer elektronischen Steuerung Erfassung der Eingangsgrößen Aufbereitung der Eingangssignale Erstellung der Ausgangsgrößen Logische Schaltkreise Grundfunktionen Aufbau von Kippgliedern Logikfamilien Mikrocomputertechnik Struktur eines Mikrocomputers Aufbau und Wirkungsweise eines Mikrocomputers Mikroprozessor Speicher Schnittstellen Ein- und Ausgabevorrichtungen Interne serielle Datenübertragung Programmierung, Ausgabetechnik Flußdiagramm Aufbereitung der Ausgangsgrößen Stellglieder Leistungselektronik Stromrichter für Gleichstromantriebe Netzgeführte Stromrichter Gleichstromsteller 399

8 X Inhalt Stromrichter für Wechsel- und Drehstromantriebe Wechsel- und Drehstromsteller Stromrichterkaskade Frequenzumrichter Netzrückwirkungen von Stromrichterantrieben Blindleistung Oberschwingungen Zahlenbeispiel Energie- und Elektrizitätswirtschaft. Elektrische Anlagen (Linse) 7.1 Energiewirtschaft Energieformen und Energieumwandlungen, Energieeinheiten Energieflußbild und Energiebilanz Entwicklungstendenzen der Energietechnik Elektrizitätswirtschaft Erzeugung und Verbrauch elektrischer Energie Entwicklungstendenzen der Elektrizitätswirtschaft Stromversorgung im vereinigten Deutschland Wirtschaftliche Fragen Kosten für Erzeugung und Bereitstellung elektrischer Energie Stromkosten für Abnehmer aus dem Niederspannungsnetz (220/380 V) Stromkosten für Abnehmer aus dem Mittelspannungsnetz (10 kv, 20 kv) Elektrische Kraftwerke, elektrische Netze Elektrizitätswerke Einteilung der Kraftwerke Einsatz der Kraftwerke Elektrische Leitungen und Netze Genormte Nennspannungen Spannungsstufen in elektrischen Netzen Elektrische Industrieanlagen Mittelspannungsanlagen Schaltgeräte Schaltanlagen Stromverteilungsanlagen Niederspannungs-Schaltanlagen Elektrische Leitungen Industrienetze Zahlenbeispiele Schutzmaßnahmen in elektrischen Anlagen Verantwortlichkeit Schutzmaßnahmen Betrieb von Starkstromanlagen, Unfallverhütungsvorschriften 455

9 XI Physikalische Größen, Gesetzliche Einheiten, Schreibweise von Gleichungen 457 Formelzeichen 460 Schrifttum 462 Sachverzeichnis 463 Hinweise auf DIN-Normen entsprechen dem Stand der Normung bei Abschluß des Manuskriptes. Maßgebend sind die jeweils neuesten Ausgaben der Normblätter des DIN Deutsches Institut für Normung e.v. (früher DNA), die durch den Beuth-Verlag, Berlin und Köln, zu beziehen sind. Sinngemäß gilt das gleiche für alle in diesem Buch erwähnten Richtlinien, Bestimmungen usw.