Elektrotechnik/Elektronik für Maschinenbauer

Transkript

1 Elektrotechnik/Elektronik für Maschinenbauer

2 Herbert Bernstein Elektrotechnik/Elektronik für Maschinenbauer Grundlagen und Anwendungen 2., überarbeitete Auflage 2012 Mit 273 Abbildungen und 47 Tabellen

3 Herbert Bernstein Technikerschule München München Deutschland ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Vieweg+Teubner Verlag Springer Fachmedien Wiesbaden 2004, 2012 Dieses Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, 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. Lektorat: Thomas Zipsner Einbandentwurf: KünkelLopka GmbH, Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media

4 Vorwort Dieses Buch beinhaltet die Theorie und eine praxisnahe Simulation für nicht-elektrotechnische Berufe. Der Inhalt wurde so aufbereitet, dass auch der Nichtelektriker die wichtigsten Zusammenhänge leicht erfassen und in der Praxis anwenden kann. Gleichzeitig bieten die einzelnen Kapitel die Grundlage für die Prüfung einer Elektrofachkraft für festgelegte Tätigkeiten. Die Ausführung (Neuanschluss, Reparatur und Erweiterung) elektrischer Arbeiten ist jedoch nur bei entsprechender Qualifikation zulässig, denn ein Nichtelektriker muss sich aus rechtlichen und Sicherheitsgründen diese Kenntnisse und praktischen Fertigkeiten aneignen. Dieses Buch liefert der angehenden Elektrofachkraft für festgelegte Tätigkeiten die notwendigen theoretischen Voraussetzungen. Das hier enthaltene Wissen muss jeder, der Arbeiten an elektrischen Anlagen und Geräten vornimmt, beherrschen. Durch die Simulation am PC lässt sich die Sicherheit in elektrischen Anlagen sowie für elektronische Geräte und Einrichtungen durchführen. Jede Abbildung, die einen Bildschirm zeigt, kann unter dem Programm MultiSim simuliert werden. Jede simulierte Schaltung lässt sich erweitern und ergänzen, 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 für die Leistungselektronik Elektromotoren in der Antriebstechnik Microcomputersysteme Durch das Kapitel Grundlagen der Elektrotechnik ergibt sich das Fundament, denn neben dem Basiswissen für die Gleichstromtechnik werden auch die elektrischen Bauelemente behandelt und mittels der Simulation untersucht. Damit hat man den direkten Übergang zur Wechsel- und Drehstromtechnik, also das Arbeiten mit 230/400 V. Im Gegensatz zum Gleichstrom treten jetzt neben der Wirkleistung auch die Schein- und Blindleistung auf. Mittels der Simulation lässt sich auch komplizierte Theorie durch messtechnische Schaltungen einfach aufbereiten.

5 VI Vorwort Für die Errichtung und Reparaturen dienen die Schutzmaßnahmen nach DIN VDE Gerade die Schutzeinrichtungen und Schutzmaßnahmen werden ausführlich behandelt und ziehen sich durch alle Kapitel wie ein roter Faden. Das Versorgungsnetz von 230/400 V bedeutet eine hohe Verantwortung gegenüber dem Leben von Mensch und Tier. Außerdem stellt dies einen wichtigen Faktor für die Brandgefahr dar. Das Thema für die Halbleiterbauelemente in der Leistungselektronik reicht von der Diode mit den Gleichrichter- und Schaltfunktionen, über Transistoren und Thyristoren bzw. TRIAC. Durch den Einsatz der Halbleiterbauelemente erkennt man erst die vielseitigen Möglichkeiten 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 für den Maschinenbauer die wichtigste Nahtstelle zwischen Elektrotechnik/Elektronik und der Mechanik dar, denn die mechanische Leistung bzw. Arbeit, Beschleunigung, Drehmoment und Druck sind die Grundlagen für dieses Fachgebiet. Völlig neu in der aktuellen Auflage ist ein Kapitel über Microcomputersysteme. Anstelle der CD finden Sie nun einzelne Beispiele zum Herunterladen auf der Verlagsseite beim Buch unter dem Symbol O+ (OnlinePlus- Zusatzmaterialien). In diesem Buch werden neben den technischen Zeichnungen auch Bildschirmausdrucke verwendet. Diese Darstellungen sind mit der Simulationssoftware MultiSim von Electronics Workbench erstellt worden. Das Programm erhalten Sie unter www. Multisim.de. Die Simulationen wurden in der Schule und im Labor ausführlich getestet, da aber unter Windows gearbeitet wird, können Probleme auftreten. Durch Änderungen der Zeitschritte im Analyse können Sie die Probleme beheben, was aber etwas Geduld erfordert, wenn man kein Spezialist ist. Mein ganz besonderer Dank gilt meiner Frau Brigitte für die Erstellung der technischen Zeichnungen. Mai 2012 Herbert Bernstein

6 Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen der Elektrotechnik Gleichstromkreis Elektrischer Gleichstromkreis Elektrische Spannung Ohmsches Gesetz Elektrischer Widerstand Reihenschaltung von Widerständen Parallelschaltung von Widerständen Belasteter und unbelasteter Spannungsteiler Gemischte Schaltungen Elektrische Arbeit und Leistung Ohmsche Widerstände Werkstoffe Eigenschaften von Widerständen Bauarten von Widerständen Belastbarkeit von Widerständen Potentiometer und Einsteller Spannungsteiler Brückenschaltung NTC- und PTC-Widerstände Photowiderstände Varistoren (VDR-Widerstände) Kondensatoren Physikalische Grundlagen Elektrisches Feld

7 VIII Inhaltsverzeichnis Kondensatoren an Gleichspannung Kondensator an Rechteckspannung Differenzierglied Spulen Physikalische Grundlagen Magnetischer Fluss und magnetische Feldstärke Magnetische Feldstärke und magnetische Flussdichte Hysterese Permeabilität Luftspulen Spulen mit magnetisierbarem Kern Blechkerne Messung einer idealen Spule Ideale Spule im Wechselstromkreis Messung einer realen Spule Transformatoren und Übertrager Funktionsweise Kleintransformatoren Simulation eines idealen Transformators Berechnung eines Transformators Theorie und Praxis der Wechsel- und Drehstromtechnik Grundlagen des Wechselstromkreises Erzeugung von Wechselspannung Kraft auf parallele Stromleiter Kraft auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld Kraft im Magnetfeld Induktion der Bewegung Feldlinien Induktionsgesetz Drehstrom Drehstromübertragung Vergleich zwischen Stern- und Dreieckschaltung Widerstand, Kondensator und Spule im Wechselstromkreis Ohmscher Widerstand im Wechselstromkreis

8 Inhaltsverzeichnis IX Kondensator im Wechselstromkreis Spule im Wechselstromkreis Zeigerbild- und Liniendiagramm Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom Induktive und kapazitive Blindleistung Scheinleistung Wechselstromkreise Widerstand-Kondensator-Reihenschaltung Reihenschaltung von Widerstand und Spule Reihenschaltung von Widerstand, Kondensator und Spule Parallelschaltung von Widerstand, Kondensator und Spule Leistung im Wechselstromkreis Kompensationsschaltung für den Einphasenbetrieb Drehstrom Simulation einer symmetrisch belasteten Sternschaltung Simulation einer symmetrisch belasteten Dreieckschaltung Elektrische Arbeit und Energie Allgemeine Leistungsmessung Leistungsmessung bei Wechselstrom Leistungsmessung bei Drehstrom Halbleiterbauelemente für die Leistungselektronik Aufbau und Anwendungen von Dioden pn-übergang bei Dioden Kennlinien von Dioden Statische Aufnahme einer Diodenkennlinie Statischer und dynamischer Innenwiderstand Z-Dioden Diode als Einweggleichrichtung Zweiweggleichrichtung Brückengleichrichtung Drehstrom-Einweggleichrichtung Drehstrom-Brückengleichrichtung Einweggleichrichter mit Ladekondensator Zweiweggleichrichtung mit Ladekondensator

9 X Inhaltsverzeichnis Brückengleichrichtung mit Ladekondensator Begrenzerschaltungen mit Dioden und Z-Dioden Elektronische Schalterfunktionen mit Dioden ODER- und UND-Gatter in RDL-Technik Freilaufdiode Schaltungstechnik mit Transistoren Wirkungsweise des npn-transistors Untersuchung der Verstärkerwirkung eines npn-transistors Grundschaltung eines npn-transistors Verstärkerschaltungen mit Transistor Transistor als Schalter Digitale Transistorschaltungen RS-Kippglieder (Flipflops) in RTL-Technik Leistungselektronik mit Thyristoren und TRIAC Vierschichtdiode Thyristor Dynamisches Verhalten von Thyristoren Löschverfahren Schutzschaltungen Leistungssteuerung Phasenanschnittsteuerung Leistungselektronik mit TRIAC Phasenanschnitt mit DIAC und TRIAC Thyristor als steuerbarer Gleichrichter Elektromotoren in der Antriebstechnik Gleichstromantriebe Gleichstromgeneratoren Gleichstrommotoren Drehzahlsteuerung bei Gleichstrommotoren Ein- und Mehrquadrantenbetrieb Drehstrommotor Wirkungsweise des Asynchronmotors Schlupf, Moment und Drehzahl Wirkungsgrad und Verlust

10 Inhaltsverzeichnis XI Magnetfeld Sterndreieckschalter Drehrichtung bei Drehstrommotor Drehzahl bei Drehstrommotoren Drehzahländerungen Schlupfsteuerung Verlustfreie Steuerung durch Frequenzänderung Motordaten Belastungscharakteristik Reluktanzmotor Praxis der Antriebstechnik Drehstromantriebe mit einer oder mehreren festen Drehzahlen Dimensionierung aus Lastmoment, Schwungmasse und Schalthäufigkeit Sanftanlauf und Sanftumschaltung Mechanische Verstellgetriebe Auswahl für ein Untersetzungsgetriebe Wechselstrommotoren Einphasenkommutatormotor oder Universalmotor Drehstrommotor als Einphasenmotor Mikrocomputersysteme Mikrocontroller in Mikrocomputersystemen Interne Funktionseinheiten des Mikrocontrollers Ports des Mikrocontrollers Schnittstellenbausteine und Programme in Assembler Programmierung von Mikrocontrollern Programmstatusregister Externe 8-Bit-D/A- und A/D-Wandler Sachwortverzeichnis