Rudolf Busch. Elektrotechnik und Elektronik

Transkript

1 Rudolf Busch Elektrotechnik und Elektronik

2 Grundlagen Maschinenbau BWL für Ingenieure und Ingenieurinnen von A. Daum, W. Greife und R. Przywara English for Materials Science and Engineering von I. Eisenbach Projektmanagement für technische Projekte von R. Felkai und A. Beiderwieden Technische Berichte von H. Hering und L. Hering Mechanical Engineering von A. Jayendran Englisch für Maschinenbauer von A. Jayendran Chemie von P. Kurzweil und P. Scheipers Physik Formelsammlung herausgegeben von P. Kurzweil Elektrotechnik für Maschinenbauer von H. Linse und R. Fischer --.

3 Rudolf Busch Elektrotechnik und Elektronik für Maschinenbauer und Verfahrenstechniker 6., erweiterte und überarbeitete Auflage Mit 436 Abbildungen und 136 Übungsaufgaben mit Lösungen STUDIUM 111 VIEWEG+ TEUBNER

4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. Prof. Dr.-Ing. Rudolf Busch wechselte nach fast zwanzigjähriger Tätigkeit in der Industrie in das Hochschulwesen und lehrte zuletzt über zehn Jahre an der Universität Essen, wo er das Fachgebiet Elektrotechnik leitete und mit der Ausbildung von Maschinenbauingenieuren betraut war. 1. Auflage Auflage Auflage Auflage Auflage , erweiterte und überarbeitete Auflage 2011 Alle Rechte vorbehalten Vieweg + Teubner Verlag I Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2011 Lektorat: Thomas Zipsner I Ellen Klabunde Vieweg+ Teubner Verlag ist eine Marke von Springer Fachmedien. Springer Fachmedien ist Teil der Fachverlagsgruppe 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. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg Technische Redaktion: Stefan Kreickenbaum, Wiesbaden Druck und buchbinderische Verarbeitung: AZ Druck und Datentechnik GmbH, Berlin Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Printed in Germany ISBN

5 Wenn Du ein Schiffbauen willst, dann trommle nicht Männer zusammen, um Holz zu beschaffen, Aufträge zu vergeben oder Arbeit zu verteilen, sondern lehre sie die Sehnsucht nach dem weiten, endlosen Meer. Antoine de Saint - Exupery Vorwort Das vorliegende Buch ist aus Vorlesungen entstanden, die ich über viele Jahre hinweg für Studierende der Ingenieurwissenschaften in nichtelektrotechnischen Studienrichtungen an der Technischen Universität "Otto von Guericke" Magdeburg gehalten habe und seit 1991 an der Universität GH Essen durchführe. Es gehört zu den wichtigen Erfahrungen meiner Lehrtätigkeit, dass es den Lernenden, die keinen elektrotechnischen Beruf ausüben oder ausüben wollen, sich jedoch mit Elektrotechnik und Elektronik befassen müssen, häufig sehr schwerfällt, sich in der Gedankenwelt der Elektrizitätslehre zurechtzufinden. Allzu oft treten dann Misserfolg und Resignation ein und die Studierenden sind froh, wenn endlich die Elektrotechnikprüfung abgelegt und dieses Fach "überstanden" ist. Von dem vermittelten Stoff bleiben bei ihnen oft nur einige wenige Begriffe oder diffuse Vorstellungen im Gedächtnis, mit denen sie in ihrer Ingeniewpraxis wenig anzufangen wissen. Nach meiner Überzeugung kann man dem entgegenwirken, wenn das in so genannten,,nebenfächern" oft praktizierte "black-box-denken" verlassen und mehr danach gefragt wird, was sich in der "box" verbirgt, welche grundlegenden physikalischen Zusammenhänge dort existieren, d.h., wenn man sich darum bemüht, die Erscheinungen wirklich zu verstehen. Denn nur mit dem, was man begriffen hat, kann man erfolgreich arbeiten, beispielsweise weitergehende Studien durchfiihren oder Schlussfolgerungen für das eigene Fachgebiet ziehen. Allein auf der Basis soliden Grundlagenwissens wird man ein guter Spezialist in der Praxis. Es gibt für mich keinen erkennbaren Grund, hier das "Nebeufach" (ich gebrauche dieses Wort ungern) auszuschließen, weil es nicht nur Bestandteil des Studiums, sondem ohne Zweifel auch der Praxis ist, was in besonderem Maße für die Elektrotechnik zutrifft, der man in Wissenschaft und Technik auf Schritt und Tritt begeguet. Das vorliegende Buch habe ich mit dem Ziel geschrieben, auch den diesem Fachgebiet ferner stehenden Studierenden, Ingenieuren und anderen Interessierten die physikalischen Zusammenhänge in der Elektrizitätslehre und in deren wichtigsten Anwendungsgebieten deutlich zu machen. Dabei war ich stets bemüht, von einfachen, der Leserin oder dem Leser oft aus eigener Erfahrung bekannten Phänomenen auszugehen und darauf Schritt für Schritt aufbauend zu komplizierteren Zusammenhängen zu führen. Dieser Orientierung habe ich u.a. dadurch Rechnung getragen, dass die Behandlung der Felder an den Aufang des Lehrbuches gestellt wurde. Aus ihnen lassen sich die technischen Grundlagen der Elektrotechnik anschaulich ableiten. Bei der Darlegung der Anwendungen war ich darüber hinaus bestrebt, auch modemste Entwicklungen einzubeziehen.

6 VI Vorwort Das Buch wendet sich an alle, für die in Studium oder Beruf Kenntnisse der Grundlagen der Elek1rotechnik und Elektronik sowie ihrer Anwendungen notwendig sind. Der Stoff entspricht etwa den Anforderungen, die heute an eine moderne Ingenieurausbildung, bei der Elektrotechnik nicht das Hauptfach bildet, gestellt werden. Das Buch ist auch für Studierende der Elektrotechnik in den Anfangssemestem geeignet. Vorkenntnisse in Physik und Mathematik sind im Rahmen dessen wiinschenswert, was in natorund ingenieurwissenschaft\ichen Studienrichtongen an Universitäten, Technischen Hochschulen und Fachhochschulen im ersten Studienjahr geboten wird. Die den Hauptabschnitten nachgestellten Übungsaufgaben sind bezüglich ihres Schwierigkeitsgrsdes dem Leserkreis angemessen. Ihre Lösungen werden am Ende des Buches angegeben. Sie sollen dazu dienen, den Stoff zu vertiefen und die Kenntnisse zu erweitem. Bei meinem wissenschaftlichen Mitarbeiter, Herrn Dipl.-Ing. Sven Hilfert, möchte ich tnich für die wertvolle Hilfe bei der computergestützten Erstellung der Bilder und beim Durchrechnen der Übungsaufgaben bedanken. Weiterhin gilt mein Dank Herrn Dr. Jens Schlembach vom Teubner Verlag für die gnte Zusammenarbeit, den im Text genannten Firmen für die Überlassung von Bildmaterial und meinen ehemaligen Magdeburger Kollegen für die Beistenerung einiger Übungsaufgaben. Schließlich bedanke ich mich bei meiner Frau Ingrid für viele Hinweise und tatkräftige Unterstützung beim Korrekturlesen. Essen, im Frühjahr 1994 RudolfBusch Vorwort zur 6. Auflage Die vorliegende Aullage ist das Ergehnis einer griindlichen Überarbeitong wesentlicher Teile dieses Lehrbuches. Darüber hinaus wurden auch neue Abschnitte hinzugefügt. Beides machte sich aufgrund der Weiterentwicklung des Standes der Technik erforderlich. Die Überarbeitong betrifft insbesondere die emeuerbaren Energien. Die neuesten Entwicklungen auf diesem Gebiet werden in angemessenem Umfang behandelt. Gerade für den Maschinenbauer ergibt sich hier ein bedeutendes zukunftsträchtiges Betätigungsfeld. Neu aufgenommen wurde die Beschreibung der Funktionsweise von Brennstoffzellen und deren Varianten, da in der heutigen Zeit diese Technik inuner mehr in den Vordergrund rückt (Automobile, dezentrale Krsftwerke usw.). Weiterhin wird durch den neu geschriebenen Hauptabschnitt,,Mechanismen der Stromleitong" berücksichtigt, dass einerseits die dort geschilderten Prozesse zum grundlegenden Wissen über Elektrotechnik gehören und andererseits diese Prozesse bei vielen technologischen Verfahren, mit denen Maschinenbau- und Verfahrenstechnik-Ingenieure heute in der Praxis konfrontiert werden können, eine Rolle spielen. Darüber hinaus sind gewisse Kenntnisse der Strom1eitongsmechanismen erforderlich, um u. a. die Funktionsweise der elektronischen Bauelemente besser zu verstehen. Es bleibt diesbezüglich zu erwähnen, dass der bisherige Abschnitt über die Stromleitong in Halbleitem unverändert in den neuen Hauptabschnitt übernommen wurde.

7 VOlWort vn Wegen der Bedeutung der EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit) auch fiir Ingenieure, die keine Spezialisten der Elektrotechnik sind, habe ich einen kurzen Abschnitt über dieses interessante, inzwischen selbstständig gewordene Fachgebiet aufgenommen. Alle statistischen Aogaben und die Literalurübersicht wurden wiederum auf den neuesten Stand gebracht. Eine bisher fehlende Zusammenstellung der Formelzeichen soll die Übersicht erleichtern. Dem Lektorat Maschinenbau des Verlages daoke ich fiir die konstruktive Zusammenarbeit, insbesondere Herm Stefan Kreickenbaum fiir die einwandfreie technische Herstellung des neuen Manuskriptes, was wegen der teilweisen Neugestaltung dieser Auflage nicht immer leicht war. Für Hinweise zur weiteren Verbesseruog des Lehrbuches bin ich jederzeit dankbar. Farsleben bei Magdeburg, im Mai 2011 Rudolf Busch

8 Inhaltsverzeichnis Teil A: Grundlagen der Elektrotechnik... I 1 Das elektrische Feld... I 1.1 Feldbegriff. Darstellung von Feldern... I 1.2 Das stationäre elektrische Strömungsfeld Ladung. Strom. Stromdichte Poteozial. Spannung. Feldstärke Elektrischer Widerstand. Ohmsches Gesetz Der elektrische Stromkreis Die Gesetze von Kirchhoff Das elektrostatische Feld Entwicklung aus dem Strömungsfeld Kenogrößen des elektrostatischen Feldes Kapazität. Kondensatoren Kondensatorstrom Energie und Kräfte im elektrostatischen Feld Übungsaufgaben Das magnetische Feld Magnetische Erscheinungen Magnetische Kenngrößen Magnetischer Fluss und magnetische Flussdichte Durchflutong. Maguetische Spannung. Maguetischer Widerstand Die maguetische Feldstärke Das Durchflutongsgesetz Materie im Maguetfeld Die Permeabilität. Einteilung der Stoffe Hystereseschleife und Maguetisierungskurve Das Induktionsgesetz Grundlagen. Der Versuch von Faraday Anwendungen des Induktionsgesetzes Selbst- und Gegeninduktion Selbstinduktion Gegeninduktion Energie und Kräfte im maguetischen Feld Energieinhalt des Maguetfeldes Krsftwirkungen im maguetischen Feld Kräfte an Grenzflächen Kräfte aufs1romdurchflossene Leiter Übungsaufgaben... 57

9 X Inhaltsverzeichnis 3 Berechnung von Stromkreisen bel Glelcbstrom Derunvenweigte Gleichstromkreis Der elektrische Widerstand Lineare und nichtlineare Widerstände Energie und Leistung im Gleichstromkreis Der Grundstromkreis Leistungsumsatz im Stromkreis Der venweigte Gleichstromkreis Vereinfachung von Widerstandsnetzwerken Teilerregeln Die Stromteilerregel Die Spannungsteilerregel Berechnung venweigter Stromkreise mittels der Gesetze von Kirchboff Spannungsquellen und Stromquellen. Zweipoltheorie Übungsaufgaben Berechnung von Stromkreisen bel Wechselstrom Erzeugung von Wechselstrom. Bestimmungsgrößen K.enngrößen 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 Ausgleicbsvorgänge in Stromkreisen Die Schaltgesetze Aufladung eines Kondensators Kurzschluss einer stromdurchflossenen Spule Schlussbemerkungen Übungsaufgaben

10 Inhaltsverzeichnis XI 6 Mechanismen der Stromleitung Stromleitung im Vakuum Stromleitung in Gasen Stromleitung in Flüssigkeiten Stromleitung in Festkörpern Allgemeines Stromleitung in Mets1len Stromleitung in Halbleitern und Isolatoren Eigenieitung Störstel1enleitung Bändermodel Der pn-übergang Übungsaufgaben Teil B: Anwendnngen der Elektrotechnik Elektronik Einleitende Bemerkungen Elektronische Bauelemente Halbleiterwiderstände Halbleiterdioden Aufbau. Kennlinien. Typen Diode als Gleichrichter Transistoren Bipolartraosistoren Feldeffekttransistoren Iosulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs) Betriebsarten von Transistoren Transistoren als Verstärker Transistoren als Scbalter 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) Gleichrichter mit Thyristoren (Gesteuerte Gleichrichter) Wechselrichter Gleichstronnnnrichter Wechselstromumrichter. Frequenzumrichter Iofonnationselektronik Einführung

11 XII Inhaltsverzeichnis Analoge und digitale Größeo und Sigoale Analogschaltungen Wechselspannungsverstärker Opemtionsverstärker Schwingungserzeuger Digitalschaltungen Kombinatorische Schaltungen Sequenzielle Schaltungen Mikroelektronik Schaltungsintegration Schaltkreisfamilien 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 Gleichstromoebenschlussmotor Ersatzschaltbild und Kennlinien Drehzahlstellung Anlassen und Bremsen Der Gleichstromreihenschlussmotor Spezielle Typen Der Tmnsformator Grundsätzlicher Aufbau und Funktionsprinzip Der ideale Tmnsformator Definition und Ersatzschaltbild Induzierte Spannung und Klemmenspannung Zeigerdiagramme und Wirkungsweise Widerstandstransformation Der technische Transformator Ersatzsehaltbild Spezielle Betriebsfälle Betriebsverhalten Drehstromtraosformatoren Spezielle Transformatortypen Rotierende Drehstrommaschinen Das Drehfeld Arten von Drehfeldmasehinen Der Drehstromasyochronmotor Aufbau Ersatzschaltbild

12 Inhaltsverzeichnis xm Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie DrehzahlsteIlung Anlassen von Asynchronmotoren Spezielle Typen von Asynchronmotoren Die Synchronmaschine EIliatzschaltbild Betrieb am starren Drehstronmetz Inselbetrieb des SynchrongeneratoIli 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 Motorauswabl Ein- und Mehrquadrantenantriebe Regelung elektrischer Antriebe Ergänzende Bemerkungen Übungsaufgaben Elektrische Energieversorgung Einleitong Überblick zu Kraftwerken Konventionelle Kraftwerke KraftwerkemiterneuerbarenEnergien Einsatzstrategien von Kraftwerken Elektrotechnische Komponenten eines Kraftwerkes Übertragungssysteme für elektrische Energie Drehstronmetze Spannungsebenen Drehstromleitongen Die Leitongsgleichungen Übertragung auf Hoch- und Höchstspannungsleitongen (Fernübertragung) Übertragung auf Mittel- und NiedeI1ipannungsleitongen Praktische Ausfiihrung von Drehstromleitongen Netzgestaltong Stempunktbehandlung in Drehstromnetzen Netzstrukturen Schaltanlagen Arten von Schaltanlagen Schaltgeräte der elektrischen Energietechnik Schalten von Wechselstrom

13 XIV Inhaltsverzeichnis Niederspannungsschaltgeräte Schaltgeräte für Spannungen> 1000 V Hochleistungssicherungen Praktische Ausfiihrung von Schaltanlagen Personenschutz io Niederspannungsnetzen Gefährdung des Menschen Schutzmaßnahmen Übungsaufgaben Elektrische Messtechnik Eioleitung Grundlegende Begriffe der elektrischen Messtechnik Elektrische Messwerke Drehspulmesswerk Dreheisenmesswerk Elektrodynamisches Messwerk Induktionsmesswerk Messgeräte Vielfachmesser Oszilloskope 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 Allgemeioes Messung von Wegen und Winkeln Messung von Kräften und Momenten Drehzablmessung Temperatunnessung Messtechnik mit dem pe Eioleitende Bemerkungen Geräte mit iotegrierter digitaler Schnittstelle Messkarten Störbeeinflussung von Messkreisen Elektromagnetische Verträglichkeit Übungsaufgaben Lösungen der Übungsaufgaben Zusammenstellung der Formelzeichen Literatur Sachwortverzeicbuis