Elektrotechnik für Maschinenbauer

Transkript

1 Hermann Linse. Rolf Fischer Elektrotechnik für Maschinenbauer Grundlagen und Anwendungen

2 Hermann Linse, Rolf Fischer Elektrotechnik für Maschinenbauer Grundlagen und Anwendungen 12., überarbeitete und ergänzte Auflage Mit 350 Abbildungen, 25 Tabellen und 120 Beispielen Im Teubner

3 Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. Prof. Dipl.-Ing. Hermann Linset lehrte an der Fachhochschule Esslingen. Prof. Dr.-Ing. Rolf Fischer, Lehrbeauftragter an der Fachhochschule für Technik Esslingen. 1. Auflage Auflage Auflage Auflage Auflage Auflage Auflage Auflage , überarbeitete und ergänzte Auflage Juni 2005 Alle Rechte vorbehalten B. G. Teubner Verlag / GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2005 Der B. G. Teubner 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. 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: Ulrike Weigel, Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. ISBN ISBN (ebook) DOI /

4 Vorwort Das vorliegende Buch ist vornehmlich für die Studierenden in nichtelektrotechnischen Fachbereichen konzipiert. Der Name "Elektrotechnik für Maschinenbauer" verkürzt aber eigentlich den angesprochenen Leserkreis unzulässig, soll aber aus Gründen der Kontinuität beibehalten werden. Darüber hinaus soll das Buch jedoch auch den Praktikern in Behörden, Gewerbe und Industrie eine verlässliche Hilfe sowohl beim Nachschlagen einzelner Begriffe oder Formeln wie auch beim Auffrischen von elektrotechnischen Kenntnissen sein. Mit gut einem Viertel des Inhalts nehmen die Grundlagen der Elektrotechnik bewusst einen breiten Raum ein, da sie die Basis aller Tätigkeiten auf elektrotechnischem Gebiet sind und der Lehrplan wohl fast aller technischen Fachbereiche einschlägige Vorlesungen enthält. Es folgen mit den Themen - Elektronik und Leistungselektronik - Elektrische Messtechnik - Elektrische Maschinen - Elektrische Antriebe und Steuerungen - Energieversorgung Fachgebiete, die in der technischen Entwicklung und industriellen Produktion eine große Rolle spielen. Vor allem bei den bei den letzten Themen musste im Hinblick auf den etwa vorgegebenen Seitenumfang des Buches eine strenge Stoffauswahl getroffen werden. Zu allen behandelten Fachgebieten werden zu Beginn des Kapitels Hinweise auf die spezielle, aktuelle Buchliteratur gegeben. Dies soll zu einem vertieften Eindringen in interessierende Themen anregen. Ralf Fischer

5 Vorwort zur 12. Auflage Der Verfasser hat über Zuschriften an den Verlag in den vergangenen Jahren eine Vielzahl von Hinweisen auf Druckfehler aber auch eine ganze Reihe von guten Anregungen inhaltlicher Art erhalten. Sie wurden dankbar aufgegriffen und in der Regel mit dieser 12. Auflage des Buches verwertet. Vor allem im Abschnitt Grundlagen der Elektrotechnik wurden Schaltzeichen und Textpassagen aktualisiert, sowie mehrere Rechenbeispiele praxisnäher gestaltet. Dabei zeigte es sich wieder, dass dies im Bestreben, den Charakter des Jahrzehnte bewährten Buches zu erhalten, keine leichte Aufgabe ist. Im Abschnitt Elektrische Messtechnik wurde die Darstellung elektromechanischer Messgeräte - die aber immer noch auf dem Markt sind - auf ein Minimum begrenzt und dafür den Hinweisen zum sachgerechten Einsatz von Digitalmultimetem deutlich mehr Raum eingeräumt. Die wenigen Seiten zur Mikroprozesstechnik in der 11. Auflage, die nur einen ersten Einblick in dieses Thema geben sollten, fanden mehrheitlich wenig Zustimmung und wurden nach jetzt auch eigener Überzeugung gestrichen. Wer die hier angesprochene Technik nutzen muss, benötigt das spezielle Fachbuch und/oder die Programmierungs-Hinweise der Hersteller. Das Thema Energieversorgung hat schon durch die politische Diskussion fast allgemeinbildende Bedeutung. Es wurde daher - auch nach mehrfachem Wunsch - wieder aufgenommen und soll die technischen Grundlagen für den "Strom aus der Steckdose" darstellen. Der Verfasser dankt allen Fachkollegen, die durch ihre Hinweise zur Gestaltung dieser neuen Auflage beigetragen haben und hofft auch weiterhin auf diese Unterstützung. Herrn Dr. M. Feuchte vom Verlag B.G.Teubnerund den an der Herstellung des Buches Beteiligten danke ich für die angenehme und kompetente Zusammenarbeit. Esslingen, Frühjahr 2005 Ralf Fischer

6 Inhalt 1 Grundlagen der Elektrotechnik 1.1 Gleichstrom Elektrische Größen und Grundgesetze Physikalische Grundlagen Stromkreis, Wirkungen des elektrischen Stromes Elektrischer Widerstand Kirchhoffsche Regeln Gleichstromkreise Widerstandsschaltungen Elektrische Spannungsquellen Berechnung von Gleichstrom-Netzwerken Messungen im elektrischen Stromkreis Elektrisches und magnetisches Feld Elektrisches Feld Größen des elektrischen Feldes, Kondensator Influenz und Polarisation Schaltung von Kondensatoren Ladung von Kondensatoren, Energie des elektrischen Feldes Magnetisches Feld Wirkungen im magnetischen Feld Magnetische Feldstärke Magnetische Flussdichte (Induktion) Magnetischer Fluss, Durchflutungsgesetz Magnetische Hysterese, Energie des Magnetfeldes Kräfte und Spannungs erzeugung im magnetischen Feld Kräfte im Magnetfeld Lenzsche Regel, Induktionsgesetz Spannungserzeugung durch Selbstinduktion, Induktivität Transformatorische und rotatorische Spannungserzeugung Wirbelströme Elektromagnetisches Feld Wechsel- und Drehstrom Wechselgrößen und Grundgesetze Sinusförmige Wechselgrößen (Sinusgrößen) Belastungsarten im Wechselstromkreis Darstellung von Wechselgrößen im Zeigerbild Leistung, Leistungsfaktor, Arbeit Wechselstromkreise Kirchhoffsche Regeln bei Wechselstrom Wechselstrom schaltungen mitr, L und c Schwingkreise... 85

7 8 Inhalt Komplexe Berechnung von Wechselstromschaltungen Messungen bei Wechselstrom Drehstrom Drehstromsysteme Elektrische Größen bei Stern- und Dreieckschaltung Messungen im Drehstromnetz Elektronik 2.1 Grundlagen und Bauelemente der Elektronik Allgemeine elektrische Bauelemente Widerstände Spulen Kondensatoren Grundbegriffe der Halbleitertechnik Trägerbewegung in Halbleitern Störstellenleitfahigkeit PN-Übergang Eigenschaften des PN-Übergangs 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 Schutzmaßnahrnen bei Halbleiterbauelementen Verluste und Erwärmung Kühlkörper Schutzmaßnahrnen für Halbleiter Baugruppen der Elektronik Gleichrichterschaltungen Wechselstromschaltungen Drehstromschaltungen Glättungs- und Siebglieder Netzteile Verstärker Transistorgrundschaltungen Emitterschaltung Mehrstufige Verstärker Differenzverstärker Steuerschaltungen mit Transistoren

8 Inhalt Generator- und Kippschaltungen Schalterbetrieb des Transistors Kippschaltungen Sinusgeneratoren Integrierte Schaltungen Aufbau elektronischer Schaltungen Operationsverstärker Beschaltung von Operationsverstärkern Einsatz einer integrierten Schaltung Leistungselektronik Stromrichterschaltungen für Gleichstromantriebe Netzgeführte Stromrichter Gleichstromsteller Stromrichterschaltungen für Wechsel- und Drehstromantriebe Wechsel- und Drehstromsteller Untersynchrone Stromrichterkaskade Frequenzumrichter Netzrückwirkungen von Stromrichteranlagen Steuerblindleistung Oberschwingungen Störspannungen und EMV Elektrische Messtechnik 3.1 Grundlagen der elektrischen Messtechnik Allgemeine Angaben Messwerterfassung Betriebsdaten von Messgeräten Auswahl eines Messgeräts Einsatz elektrischer Messgeräte Strom- und spannungsrichtige Messung Innenwiderstände von Messgeräten Messbereichserweiterung Elektrische Messgeräte Elektromechanische Messwerke Dreheisenmesswerke Drehspulmesswerke Elektrodynamische Messwerke Induktions-(Ferraris-)Messwerk Messwandler Zangenstrommesser Strom- und Spannungswandler Elektronische Messgeräte Digitalmultimeter Oszilloskope Digital-Messtechnik Baugruppen digitaler Messgeräte Analog-lDigital-Umsetzer Codierung Speicher und Zähl schaltungen

9 10 Inhalt Digitale Messgeräte Zähler Multimeter Transientenspeicher Elektrische Messung nichtelektrischer Größen Messwertgeber für mechanische Beanspruchungen Verfahren der Drehzahlmessung Verfahren der Drehmomentbestimmung Bestimmung von Kraft, Druck und Schwingungen Messwertaufnehmer für nichtmechanische Größen Bestimmung der Beleuchtungsstärke Bestimmung von Temperaturen Zeitmessung Bestimmung von Geräuschen Elektrische Maschinen 4.1 Gleichstrommaschinen Aufbau und Wirkungsweise Aufbau Motor- und Generatorbetrieb Leistungsbilanz Anschlussbezeichnungen und Schaltungen Betriebsverhalten und Drehzahlsteuerung Leerlaufund Selbsterregung Gleichstrommotoren mit Fremderregung Verfahren der Drehzahlsteuerung Gleichstrom-Reihenschlussmotoren Transformatoren Wechselstromtransformatoren Aufbau Kenngrößen und Ersatzschaltbild Betriebsverhalten Sondertransformatoren Drehstromtransformatoren Bauart und Schaltung Kenngrößen und Betriebsverhalten Drehstrom-Asynchronmaschinen Aufbau und Wirkungsweise Ständer und Drehstromwicklung Läufer Asynchrones Drehmoment Linearmotoren Betriebsverhalten und Drehzahlsteuerung Kennlinien und Kenngrößen Anlassen Drehzahlsteuerung

10 Inhalt Drehstrom-Synchronmaschinen Aufbau und Wirkungsweise Ständer und Läufer Kennlinien und Ersatzschaltung Betriebsverhalten im Netzbetrieb Synchronisation Wirk- und Blindlaststeuerung Drehzahlsteuerung Positionierantriebe Wechselstrommotoren Universalmotoren Schaltung und Einsatz Betriebsverhalten Wechselstrommotoren mit Hilfswicklung Spaltpolmotoren Kondensatormotoren Schrittmotoren Aufbau und Wirkungsweise Betriebsdaten Elektrische Antriebe und Steuerungen 5.1 Standardisierung und Normvorschriften Äußere Gestaltung Baugrößen Bauformen Schutzarten Betriebsbedingungen Betriebsarten Leistungsschild Prüfung elektrischer Maschinen Planung und Berechnung von Antrieben Stationärer Betrieb Momentengleichung des elektrischen Antriebs Betriebskennlinien von Elektromotoren Betriebskennlinien von Arbeitsmaschinen Schwungmassen von Motor und Arbeitsmaschine Dynamik des Antriebs Anlauf Bremsen Umsteuem Bemessung des Motors Zulässiges Motormoment Berechnung der Erwärmung Steuerungstechnik Schaltgeräte und Kontaktsteuerungen Schalter, Schütze und Sicherungen Schaltpläne Festverdrahtete Steuerungen

11 12 Inhalt Grundlagen elektronischer Steuerungen Logische Grundverknüpfungen " Kombinationen der Grundverknüpfungen Speicherschaltungen Schaltungstechnik Grundlagen speicherprogrammierbarer Steuerungen Aufbau einer SPS Einführung in die Programmiertechnik Drehrichtungsumkehr eines Motors mit SPS Feldbussysteme Elektrische Energieversorgung 6.1 Erzeugung elektrischer Energie Energiewirtschaft Energiewandlung Erzeugung und Verbrauch elektrischer Energie Entwicklungstendenzen Kraftwerke Thermische Kraftwerke Wasserkraftwerke Regenerative Energieerzeugung Energieübertragung Elektrische Netze Stromversorgungsanlagen Verbundbetrieb..., Schutzmaßnahmen in elektrischen Anlagen Allgemeine Grundsätze Schutz gegen gefährliche Körperströme Unfallverhütungsvorschriften Gesetzliche Einheiten und Formelzeichen Literatur Sachverzeichnis