Inhalt 1 Einleitender Überblick Grundbegriffe der Elektrotechnik 3 Lineare Gleichstromnetze
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- Nadja Geisler
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1 Inhalt 1 Einleitender Überblick Der Weg der Energie vom Kraftwerk zum Verbraucher Anwendungen elektrischer Energie: Motoren und Antriebe Inhalte des Buchs Grundlagen der Elektrotechnik Elektrische Maschinen Elektrische Antriebe Grundbegriffe der Elektrotechnik Elektrische Ladung Quellen, Potential und Spannung Elektrischer Strom Elektrischer Grundstromkreis Elektrischer Widerstand (im Gleichstromkreis) Elektrische Energie (im Gleichstromkreis) Elektrische Leistung (im Gleichstromkreis) Wirkungsgrad Bezugspfeile für Strom und Spannung Spannungsbezugspfeile Strombezugspfeile Erzeuger- und Verbraucherpfeilsystem (EPS und VPS) Erzeugerpfeilsystem Verbraucherpfeilsystem Übungsaufgaben Lineare Gleichstromnetze Begriffsdefinitionen Komponenten linearer Gleichstromnetzwerke Ohm scher Widerstand/Leitwert Ideale Energiequellen Topologie von Gleichstromnetzen Knoten und Zweige Maschen und Bäume Topologische Grundstrukturen Grundstromkreis Reine Reihenschaltung
2 Reine Parallelschaltung Allgemeines Netz Fundamentale Berechnungsmethoden Ohm sches Gesetz Kirchhoff sche Regeln Knotenregel Maschenregel Lineare Quellen Verhalten realer Energiequellen Modelle für das Verhalten realer Energiequellen Kennzeichen linearer Quellen Lineare Spannungsquelle Lineare Stromquelle Hinweise zur Modellierung realer Quellen Umwandlung linearer Quellen Umwandlung einer linearen Spannungsquelle Umwandlung einer linearen Stromquelle Beispiel für äquivalente lineare Quellen Leistungsanpassung bei linearen Quellen Leistungsanpassung bei der linearen Spannungsquelle Leistungsanpassung bei der linearen Stromquelle Methoden zur Umformung von Netzwerken Berechnung von Widerstandsersatzschaltungen Reihenschaltung aus Ohm schen Widerständen oder Leitwerten Parallelschaltung aus Ohm schen Widerständen oder Leitwerten Sterne und Dreiecke aus Ohm schen Widerständen Sterne und Dreiecke aus Ohm schen Leitwerten Beispiel für die Berechnung einer Widerstandsersatzschaltung Widerstandsberechnung bei Punkten gleichen Potentials Berechnung von Quellenersatzschaltungen Berechnung von Spannungen und Strömen bei Serien- und Parallelschaltungen von Widerständen oder Leitwerten Spannungsteilerregel Stromteilerregel Berechnung stark verzweigter Netzwerke Zweigstromanalyse Zweipoltheorie Übungsaufgaben
3 4 Elektrische und magnetische Felder Grundlagen der Feldtheorie Experimentelle Erfahrungen Der (physikalische) Feldbegriff Lokale und globale (integrale) Feldgrößen Lokale Feldgrößen Globale (integrale) Feldgrößen Die Feldgrößen des elektrischen Strömungsfelds Die Feldgrößen des elektrostatischen Felds Die Feldgrößen des magnetischen Felds Ferromagnetische Materialien Lorentzkraft auf bewegte Ladungen im Magnetfeld Zugspannungen im Magnetfeld und im elektrostatischen Feld Feldlinien Definition Magnetische Feldlinien an Grenzflächen Feldlinienverlauf bei homogenen Feldern Die Maxwell schen Gleichungen Die Feldgleichungen Das Durchflutungsgesetz (1. Maxwell sche Gleichung) Das Induktionsgesetz (2. Maxwell sche Gleichung) Die Kontinuitätsgleichungen (Quellen und Wirbel) Quelleneigenschaft des elektrostatischen Felds Wirbeleigenschaft des magnetischen Felds Die Materialgleichungen Anwendungsbeispiel: Kondensator Begriffsdefinitionen Kondensator Kapazität Parallel- und Reihenschaltung von Kapazitäten Parallelschaltung Reihenschaltung Der Kondensator als Energiespeicher Laden des Kondensators und fundamentale i-u-beziehung Gespeicherte Energie des Kondensators Entladen des Kondensators Anwendungsbeispiel: Spule Begriffsdefinitionen Spule
4 Selbstinduktion Fundamentale u-i-beziehung und Induktivität Schaltungen magnetisch nicht gekoppelter Spulen Reihenschaltung Parallelschaltung Spule als Energiespeicher Bestromen der Spule Gespeicherte Energie der Spule Entstromen der Spule Anwendungsbeispiel: Transformator (Grundlagen) Magnetisch gekoppelte Spulen Gegeninduktion Gegeninduktivität Transformatorprinzip Übungsaufgaben Lineare Wechselstromnetze Begriffe Wechselstromnetz/Sinusstromnetz Komponenten von Wechselstromnetzen Wirk- und Blindleistung Sinusförmige Spannungen und Ströme Mathematische Beschreibung Grafische Darstellung elektrischer Sinusgrößen Festlegung des Zeitnullpunkts Sinusgrößen als Funktion des Winkels Sinusgrößen als Funktion der Zeit Phasenwinkel zwischen Spannung und Strom Integrale Kennwerte sinusförmiger Größen Arithmetischer Mittelwert Effektivwert Darstellung sinusförmiger Größen durch komplexe Zeiger Exponentialform Algebraische Form Komplexer Drehzeiger Reelle Zeitfunktion Beispiel für das Rechnen mit sinusförmigen Wechselgrößen Zeigerdiagramm und Phasenwinkel Komponenten linearer Wechselstromnetze
5 5.3.1 Ideale Wechselspannungsquellen Reale Wechselspannungsquellen Allgemeine komplexe Widerstände und Leitwerte Verhalten eines Ohm schen Widerstands/Leitwerts bei sinusförmiger Wechselspannung Verhalten einer Spule bei sinusförmiger Wechselspannung Verhalten eines Kondensators bei sinusförmiger Wechselspannung Zusammenfassung der Zeigerdiagramme Berechnung linearer Wechselstromnetze Fundamentale Berechnungsmethoden Ohm sches Gesetz in komplexer Form Kirchhoff sche Regeln in komplexer Form Komplexe Widerstands- und Leitwertsersatzschaltungen Reihenschaltung Parallelschaltung Effektivwertzeigerdiagramme Komplexe Spannungsteilerregel Komplexe Stromteilerregel Leistung im Wechselstromnetz Momentanleistung am Verbraucher Momentane Wirk- und Blindleistung Mittlere Leistungen Wirk-, Blind- und Scheinleistung, Leistungsfaktor Komplexe Leistung Blindleistungskompensation (klassisch) Übungsaufgaben Lineare Drehstromnetze Vorteile von Drehstromsystemen Drehstromgeneratoren Prinzip der Drehstromerzeugung Symmetrisches dreiphasiges Spannungssystem Verkettung Sternschaltung des Generators (4-Leiter-Netz) Dreieckschaltung des Generators (3-Leiter-Netz) Drehstromverbraucher Symmetrische und unsymmetrische Verbraucher Drehstromverbraucher am 4-Leiter- und 3-Leiter-Netz Berechnung von Drehstromnetzen
6 6.4.1 Drehstromverbraucher am 4-Leiter-Netz Sternschaltung Dreieckschaltung Drehstromverbraucher am 3-Leiter-Netz Sternschaltung Dreieckschaltung Leistung im Drehstromnetz Ausgangslage für die Leistungsberechnung Momentanleistung Komplexe Leistung, Wirk-, Blind- und Scheinleistung Drehstromleistung bei symmetrischer Last Kollektive Leistung Blindleistungskompensation im Drehstromnetz (klassisch) Problemstellung Sternschaltung der Kondensatoren Dreieckschaltung der Kondensatoren Übungsaufgaben Überblick über elektrische Maschinen Unterscheidungsmerkmale für elektrische Maschinen Haupttypen elektrischer Maschinen Transformator Rotierende elektrische Maschinen und Linearmaschinen Drehfeldmaschine Einphasen-Wechselstrommaschine Gleichstrommaschine Schrittmotor Spezielle Typen rotierender elektrischer Maschinen Servomotor Elektronisch kommutierter Motor Reluktanzmaschine High-Torque-Motor (Direktantrieb) Transformator Mechanischer Aufbau Eisenkern Wicklungen Funktionsprinzip des Einphasentransformators Bezugspfeile beim Einphasentransformator
7 8.3.1 Wicklungssinn Magnetische Kopplung und Strombezugspfeile Klemmenspannungen Schema für die Festlegung der Bezugspfeile Der ideale Einphasentransformator Bezugspfeile und Wicklungssinn Ideale Spannungstransformation Ideale Stromtransformation Ideale Widerstandstransformation Der reale Einphasentransformator Vollständiges Ersatzschaltbild des Einphasentransformators Kupferverluste Unvollständige magnetische Kopplung Eisenverluste Leerlauf- und Kurzschlussversuch Leerlaufversuch Kurzschlussversuch Berechnungsbeispiel Nennbetrieb (Kapp sches Dreieck) Drehstromtransformator Aufbau eines Drehstrom-Kerntransformators Wicklungen und Schaltungen Schaltgruppen Kennbuchstaben Kennzahl Elektrisches Ersatzschaltbild bei symmetrischer Last Nennspannungen Übersetzungsverhältnis Übungsaufgaben Drehstromasynchronmaschine Aufbau des Drehstromasynchronmotors Funktionsweise Schlupf Ständerdrehfeld Läufer- und Luftspaltdrehfeld Drehmomentbildung Elektrisches Ersatzschaltbild Leistungsbilanz des Drehstromasynchronmotors
8 9.5 Ortskurve des Ständerstroms (Heyland-Kreis) Drehmoment-Schlupf-Kennlinie (Kloss sche Formel) Übungsaufgaben Drehstromsynchronmaschine Aufbau des Drehstromsynchrongenerators Funktionsweise des Drehstromsynchrongenerators Elektrisches Ersatzschaltbild Betrieb am starren Netz Synchronisierung mit dem Netz Drehstromgenerator als Blindleistungserzeuger Drehstromgenerator als Wirkleistungserzeuger Übungsaufgaben Gleichstrommaschine Grundlegende physikalische Gesetze Kraft auf stromdurchflossene gerade Leiter im Magnetfeld Spannungserzeugung in der Läuferwicklung Aufbau des Gleichstrommotors Ständer Läufer, Kommutator und Bürsten Läuferblechpaket Kommutator und Bürsten Stromverlauf bei der Kommutierung Ankerwicklung Ankerrückwirkung Die Grundgleichungen des Gleichstrommotors Induzierte Spannung Drehmoment Leistungsbilanz des Gleichstrommotors Drehmoment als Funktion von Fluss und Strom Drehmoment als Funktion der Drehzahl (M-n-Kennlinie) Erregungsarten und elektrische Ersatzschaltbilder Erregung von Gleichstrommotoren Elektrische Ersatzschaltbilder Fremderregter Gleichstrommotor Nebenschlussmotor Reihenschlussmotor Betriebsverhalten von Gleichstrommotoren
9 Nebenschlussverhalten Reihenschlussverhalten Übungsaufgaben Elektrische Antriebe Einführende Übersicht Leistungsantrieb Ungesteuerte, gesteuerte und geregelte Antriebe Ungesteuerter Antrieb Gesteuerter Antrieb Geregelter Antrieb Einsatz- und Betriebsbedingungen Bauform und Aufstellung (IM) Schutzart (IP) Kühlung (IC) Betriebsarten Physikalische Grundgesetze der Antriebstechnik Das dynamische Grundgesetz der Rotation Bezugspfeile für Drehzahl und Drehmoment Bewegungsgleichung eines rotierenden Körpers Freischneiden Beispiel für das Aufstellen einer Bewegungsgleichung Umrechnung von Bewegungsgrößen Umrechnung von translatorischer Bewegung in rotatorische Umrechnung von Drehmomenten Umrechnung von Trägheitsmomenten bei rotierenden Massen Umrechnung von Trägheitsmomenten bei geradlinig bewegten Massen Beispiel für die Umrechnung von Bewegungsgrößen Stationäre M-n-Kennlinien und Arbeitspunktstabilität Stationäre M L -n-kennlinien von Arbeitsmaschinen Konstante Antriebsleistung Konstantes Lastmoment Quadratisch ansteigendes Lastmoment Stationäre M M -n-kennlinien von Motoren Stationärer Arbeitspunkt Drehmomentgleichung Beispiel für eine Arbeitspunktberechnung Statische Stabilität im Arbeitspunkt
10 12.4 Antriebsdynamik Langsame Drehzahländerungen Konstantes Beschleunigungsmoment Linear abnehmendes Beschleunigungsmoment Beliebiger Verlauf des Beschleunigungsmoments Schnelle Drehzahländerungen Klassische Verfahren der Drehzahlsteuerung Drehzahlsteuerung beim Drehstromasynchronmotor Grundsätzliche Möglichkeiten U-f-Steuerung Drehzahlsteuerung beim Gleichstrommotor Stromrichterantriebe Stromrichterventile Diode Thyristor Leistungstransistor Stromrichter Netzgeführter Stromrichter für Gleichstrommotoren Wechselstrombrückenschaltung mit Dioden Wechselstrombrückenschaltung mit Thyristoren Drehstrombrückenschaltung Transistorumrichter für den Drehstromasynchronmotor Grundsätzlicher Aufbau eines U-Umrichters Pulsweitenmodulation Antriebsregelung Struktur eines geregelten Antriebs Verfahren für die Lage- und Drehzahlregelung Aufbau von Gesamt-Antriebsmoduln Netzteil Leistungsteil-Interface Signalverarbeitungseinheit Schnittstellen Übungsaufgaben Lösungen der Übungsaufgaben Literatur Stichwortverzeichnis
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