Herbert Bernstein. ElektrotechnikfElektronik fur Maschinenbauer

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1 Herbert Bernstein ElektrotechnikfElektronik fur Maschinenbauer

2 Aus dem Programm Grundlagen Maschinenbau und Verfahrenstechnik Vieweg Handbuch Maschinenbau vona. Boge Lehrsystem Technische Mechanik vona. Boge Technische Stromungslehre von 1. Boswirth Thermodynamik fur Ingenleure von K. Langeheinecke, P. Jany und E. Sapper Technische Mechanik mit Mathcad, Matlab und Maple von G. Henning, A. Jahr und U. Mrowka Einfuhrung in die Festigkeitslehre von V. Uipple (LV.) Werkstoffkunde und Werkstoffprufung von W. WeiBbach vieweg

3 Herbert Bernstein Elektrotechnik/ Elektronik für Maschinenbauer Grundlagen und Anwendungen Mit 297 Abbildungen, 48 Tabellen und zahlreichen Beispielen Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH al v1eweg

4 Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliographie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < /dnb.ddb.de> abrufbar. 1. Auflage November 2004 Alle Rechte vorbehalten Springer Fachmedien Wiesbaden 2004 Ursprünglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2004 Lektorat: Thomas Zipsner Der Vieweg Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, Technische Redaktion: Andreas Meißner, Wiesbaden Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Additional material to this book can be downloaded from ISBN ISBN (ebook) DOI /

5 v Vorwort Dieses Buch beinhaltet die Theorie und eine praxisnahe Simulation fiir nicht-elektrotechnische Berufe. Der Inhalt wurde so aufbereitet, dass auch der Nichtelektriker die wichtigsten Zusammenhange leicht erfassen und in der Praxis anwenden kann. Gleichzeitig bieten die einzelnen Kapitel die Grundlage fiir die Priifung einer Elektrofachkraft fiir festgelegte Tatigkeiten. Die Ausfiihrung (Neuanschluss, Reparatur und Erweiterung) elektrischer Arbeiten ist jedoch nur bei entsprechender Qualiftkation zuuissig, denn ein Nichtelektriker muss sich aus rechtlichen und Sicherheitsgriinden diese Kenntnisse und praktischen Fertigkeiten aneignen. Dieses Buch liefert der angehenden "Elektrofachkraft fiir festgelegte Tatigkeiten" die notwendigen theoretischen Voraussetzungen. Das bier enthaltene Wissen muss jeder, der Arbeiten an elektrischen Anlagen und Geraten vornimmt, beherrschen. Durch die Simulation am PC lasst sich die Sicherheit in elektrischen Anlagen sowie fiir elektronische Gerate und Einrichtungen durchfiihren. Jede Abbildung, die einen Bildschirm zeigt, kann unter dem Programm, das sich auf der CD befindet, simuliert werden. Jede simulierte Schaltung lasst sich erweitern und erganzen, damit eine praxisorientierte, messtechnische Schaltung und eine sichere Beherrschung der Grundlagen gegeben ist. Folgende Themen werden behandelt Grundlagen der Elektrotechnik Theorie und Praxis der Wechsel- und Drehstromtechnik Halbleiterbauelemente fiir die Leistungselektronik Elektromotoren in der Antriebstechnik Durch das Kapitel "Grundlagen der Elektrotechnik" ergibt sich das Fundament, denn neben dem Basiswissen fiir die Gleichstromtechnik werden auch die elektrischen Bauelemente behandelt und mittels der Simulation untersucht. Damit hat man den direkten Ubergang zur Wechsel- und Drehstromtechnik, also das Arbeiten mit 230 V/400 V. 1m Gegensatz zum Gleichstrom treten jetzt neben der Wirkleistung auch die Schein- und Blindleistung auf. Mittels der Simulation lasst sich auch komplizierte Theorie durch messtechnische Schaltungen einfach aufbereiten. FUr die Errichtung und Reparaturen dienen die SchutzmaBnahmen nach DIN VDE Gerade die Schutzeinrichtungen und SchutzmaBnahmen werden ausfiihrlich behandelt und ziehen sich durch alle Kapitel wie ein roter Faden. Das Versorgungsnetz von 230 V/400 V bedeutet eine hohe Verantwortung gegenfiber dem Leben von Mensch und Tier. AuBerdem stellt dies einen wichtigen Faktor fiir die Brandgefahr dar. Das Thema fiir die Halbleiterbauelemente in der Leistungselektronik reicht von der Diode mit den Gleichrichter- und Schaltfunktionen, fiber Transistoren und Thyristoren bzw. TRIAC. Durch den Einsatz der Halbleiterbauelemente erkennt man erst die vielseitigen Moglichkeiten aus der Elektronik und Informatik in Verbindung mit der Mechanik, Hydraulik und Pneumatik. Seit dem Jahr 2000 sind zahlreiche neue Berufsgruppen der,,mechatronik" entstanden. Die Antriebstechnik stellt fiir den Mascbinenbauer die wichtigste Nahtstelle zwischen ElektrotechniklElektronik.und der Mechanik dar, denn die mechanische Leistung bzw. Arbeit, Beschleunigung, Drehmoment und Druck sind die Grundlagen fiir dieses Fachgebiet.

6 VI Vorwort In diesem Buch werden neben den technischen Zeichnungen auch Bildschirmausdrucke verwendet. Diese Darstellungen sind mit der Simulations software,,multisim" von,,electronics Workbench" erstellt worden. Auf der CD befindet sich das Programm. Die Simulationen wurden in der Schule und im Labor ausfuhrlich getestet, da aber unter Windows gearbeitet wird, k6nnen Probleme auftreten. Durch Anderungen der Zeitschritte im "Analyse" k6nnen Sie die Probleme beheben, was aber etwas Geduld erfordert, wenn man kein Spezialist ist. Mein ganz besonderer Dank gilt meiner Frau Brigitte fur die Erstellung der technischen Zeichnungen. Oktober 2004 Herbert Bernstein

7 VII Inhaltsverzeichnis VORWORT... V 1 GRUNDLAGEN DER ELEKTROTECHNIK Gieichstrolllkreis Elektrischer Gieichstrolllkreis Elektrische Spannung Ohmsches Gesetz Elektrischer Widerstand Reihenschaltung von Widerstiinden Parallelschaltung von Widerstiinden Belasteter und unbelasteter Spannungsteiler Gemischte Schaltungen Elektrische Arbeit und Leistung Gleichspannungs- und Gleichstromquellen Potentialbildung Elektrolyt und Elektrolyse Galvanisches Element (Primarelemente) Leclanche-Element Kohle-Zink-Trockenelemente Quecksilberoxid-Zink-Trockenelement Bleiakkumulator Nickel-Cadmium-Akkumulator Nickel-Eisen-Akkumulator Chemische Spanitungsquelle Reihenschaltung von chemischen Spannungserzeugern Parallelschaltung von chemischen Spannungserzeugern Ohmsche Widerstiinde Werkstoffe Eigenschaften von Widerstiinden Bauarten von Widerstiinden Belastbarkeit von Widerstiinden Potentiometer und Einsteller Spannungsteiler Briickenschaltung NTC- und PTC-Widerstiinde Feldplatte Photowiderstiinde Varistoren (VDR-Widerstiinde) Kondensatoren Physikalische Grundlagen Elektrisches Feld... 57

8 vm Inhaltsverzeichnis Kondensatoren an G1eichspannung Aufbau von Festkondensatoren E1ektrolytkondensatoren Kondensator an Rechteckspannung Differenzierg1ied Spu1en Physikalische Grund1agen Magnetischer Fluss und magnetische Fe1dstarke MagnetischeFeldstarke und magnetische F1ussdichte Hysterese Permeabilitlit Luftspu1en Spulen mit magnetisierbarem Kern Blechkerne Messung einer idea1en Spu1e Ideale Spule im Wechse1stromkreis Messung einer realen Spu1e Transformatoren und Obertrager Funktionsweise Kleintransformatoren Simulation eines idealen Transformators Berechnung eines Transformators THEORIE UND PRAXIS DER WECHSEL- UND DREHSTROMTECHNIK Grundlagen des Wechse1stromkreises Erzeugung von Wechselspannung Kraft auf parallele Stromleiter Kraft auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld Kraft im Magnetfeld Induktion der Bewegung Feldlinien Induktionsgesetz Drehstrom Drehstromiibertragung Verg1eich zwischen Stern- und Dreieckschaltung Widerstand, Kondensator und Spule im Wechselstromkreis Ohmscher Widerstand im Wechse1stromkreis Kondensator im Wechse1stromkreis Spu1e im Wechselstromkreis Zeiger- und Liniendiagramm Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom Induktive und kapazitive Blindleistung Scheinleistung Wechselstromkreise Widerstand-Kondensator-Reihenschaltung Reihenschaltung von Widerstand und Spu1e Reihenschaltung von Widerstand, Kondensator und Spule Paralle1scha1tung von Widerstand, Kondensator und Spule

9 Inhaltsverzeichnis IX Leistung im Wechselstromkreis Kompensationsschaltung fw den Einphasenbetrieb Drehstrom Simulation einer symmetrisch belasteten Stemschaltung Simulation einer symmetrisch belasteten Dreieckschaltung... I Elektrische Arbeit und Energie Allgemeine Leistungsmessung Leistungsmessung bei Wechselstrom Leistungsmessung bei Drehstrom HALBLEITERBAUELEMENTE FUR DIE LEISTUNGSELEKTRONIK Aufbau und Anwendungen von Dioden pn-dbergang bei Dioden Kennlinien von Dioden Statische Aufnahme einer Diodenkennlinie Statischer und dynamischer Innenwiderstand Z-Dioden Diode als Einweggleichrichtung Zweiweggleichrichtung Briickengleichrichtung Drehstrom-Einweggleichrichtung Drehstrom-Briickengleichrichtung Einweggleichrichter mit Ladekondensator Zweiweggleichrichtung mit Ladekondensator Briickengleichrichtung mit Ladekondensator Begrenzerschaltungen mit Dioden und Z-Dioden Elektronische Schalterfunktionen mit Dioden ODER- und UNO-Gatter in RDL-Technik Freilaufdiode Schaltungstechnik.mit Transistoren Wirkungsweise des npn-transistots Untersuchung der VersUirkerwirkung eines npn-transistors Grundschaltung eines npn-transistors VersUirkerschaltungen mit Transistor Transistor als Schalter Digitale Transistorschaltungen RS-Kippglieder (Flipflops) in RTL-Technik Leistungselektronik mit Thyristoren und TRIAC Vierschichtdiode Thyristor Dynamisches Verhalten von Thyristoren LOschverfahren Schutzschaltungen... : Leistungssteuerung Phasenanschnittsteuerung Leistungselektronik mit TRIAC Phasenanschnitt mit DIAC und TRIAC Thyristor als steuerbarer Gleichrichter

10 X Inhaltsverzeichnis 4 ELEKTROMOTOREN IN DER ANTRIEBSTECHNIK Berechnungen zur Mechanik und E1ektrotechnik Mechanische Arbeit und Energie Mechanische Leistung Mechanische Leistung bei Drehbewegung Wirkungsgrad Hydraulik und Pneumatik Drehmoment und Hebel Gleichstromantriebe Gleichstromgeneratoren Gleichstrommotoren Drehzahlsteuerung bei Gleichstrommotoren Ein- und Mehrquadrantenbetrieb Drehstrommotor Wirkungsweise des Asynchronmotors Schlupf, Moment und Drehzahl Ansteuerung eines Drehstrommotors Wirkungsgrad und Verlust Magnetfeld Stemdreieckschalter Drehrichtung bei Drehstrommotor Drehzahl bei Drehstrommotoren Drehzahlfulderungen Schlupfsteuerung Verlustfreie Steuerung durch Frequenzanderung Motordaten Belastungscharakteristik Reluktanzmotor Praxis der Antriebstechnik Drehstromantriebe mit einer oder mehreren festen Drehzahlen Dimensionierung aus Lastrnoment, Schwungmasse und Schalthaufigkeit Sanftanlauf und Sanftumschaltung Mechanische Verstellgetriebe Auswahl fur ein Untersetzungsgetriebe Wechselstrommotoren Einphasenkommutatormotor oder Universalmotor Drehstrommotor als Einphasenmotor SACHWORTVERZEICHNIS