Grundlagenwissen Elektrotechnik

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1 Marlene Marinescu I Jürgen Winter Grundlagenwissen Elektrotechnik Gleich-, Wechsel- und Drehstrom 3., bearbeitete und erweiterte Auflage Mit 281 Abbildungen und ausführlichen Beispielen STUDIUM 11 VIEWEG+ TEUBNER

2 Inhaltsverzeichnis I. Grundlegende Begriffe 1. Strom und Spannung 1.1. Der elektrische Strom Stromstärke Stromdichte Stromarten Elektrische Spannung und Energie Elektrische Feldstärke Leitfähigkeit Elektrische Spannung Elektrische Energie Elektrische Leistung G 7 R Gleichstromschaltungen Die Grundgesetze Der Stromkreis Das Ohmsche Gesetz Der elektrische Widerstand Berechnung von Widerständen Lineare und nicht lineare Widerstände. differentieller Widerstand Temperaturabhängigkeit von Widerständen Erste Kirchhoffsche Gleichung (Knotengleichung) Zweite Kirchhoffsche Gleichung (Maschengleichullg) 3. Reihen- und Parallelschaltung Reihenschaltung von Widerständen Gesamtwiderstand..... Let Spannungsteiler Vorwiderstand (Spannungs~Messbercichserweitenl1lg) 2R

3 VIII Inhaltsverzeichnis 3.2. Parallelschaltung von Widerständen Gesamtleitwert Stromteiler Nebenwiderstand (Strom-Messbereichserweiterung) Vergleich zwischen Reihen- und Parallelschaltung Gruppenschaltungen von Widerständen Schaltungssymmetrie Netzumwandlung 4.1. Umwandlung eines Dreiecks in einen Stern Umwandlung eines Sterns in ein Dreieck Lineare Zweipole 5.1. Zählpfeile für Spannung und Strom Spannungsquellen und Stromquellen Spannungsquellen Stromquellen Innenwiderstand Kennlinienfelder Aktive Ersatz-Zweipole Ersatzspannungsquelle Ersatzstromquelle Vergleich zwischen Ersatzspannungs- und Ersatzstromquelle..., Die Sätze von den Zweipolen (Thevenin-Theorem und Norton-Theorem) Leistung an Zweipolen Leistungsanpassung Wirkungsgrad, Ausnutzungsgrad Leistung, Spannung und Strom bei Fehlanpassung Nichtlineare Zweipole 6.1. Kennlinien nichtlinearer Zweipole 6.2. Reihen- und Parallelschaltung Netze mit nichtlinearen Zweipolen Analyse linearer Netze ~nwendung der Kirchhoffschen Gleichungen Uberlagerungssatz und Reziprozitätssatz Überlagerungssatz (Superpositionsprinzip nach HeImholtz) Reziprozitäts-Satz Topologische Grundbegriffe beliebiger Netze..., 94

4 Inhaltsverzeichnis IX 7.4.?\laschenstromverfahren (Umlaufanalyse ) Unabhängige und abhängige Ströme Aufstell ung der U mla ufgleidmngen Regeln zur Anwendung des MaschenstrOlllv<~rfahITlls Beispiele zur Anwendung des Masdwllstromv('rfahn'lls 7.5. Knotenpotentialverfahren (Knotenanalyse ) Abhängige und unabhängige Spamlllugcn Aufstellung der Knotengleichuugen Regeln zur Anwendung der Knotenanalyse Beispiele zur Anwendung der Knotenanalyse 7.6. Zusammenfassung: Analyse linearer Netzwerke Allgemeines Die Kirchhoffschen Gleichungen (Zweigstromanalyse) Ersatzspannungsquelle und Ersatzstromquelle Der Überlagerungssatz Maschenstromverfahren Knoten potential verfahren 7.7. Design von Gleichstromkreisen o;~ I O~ Wechselstromschaltungen 8. Grundbegriffe der Wechselstromtechnik 8.1. Warum verwendet man Wechselstrom? 8.2. KeIlllwcrtc der siuusförmigcli Wcchsdgrüß<'1l Wechsclgriißen Sinusgrößen Einfache Sinusstromkreise im Zeitbereich 9.1. Allgemeines Ohmscher Widerstand R Induktivität und Kapazität 9.4. Ideale Induktivität L Ideale Kapazität C Ohmsches Gesetz bei Wechselstrom Kirchhoffsche Sätze für Wcchselstromschaltungell 9.8. Schaltungen von Grundclementen Reihenschaltung Rund L Reihenschaltuug Rund C Reihenschaltung R, L und C 9.9. Kennwerte der Sinusstromkreisp Impedanz und Phascnwiukel Resistanz und Reaktanz I :~!) 1, ~ : IG7 158 IGO 1 (i:~ 1 (i:~ 1 G, I

5 x Inhaltsverzeichnis Admittanz und Phasenwinkel Konduktanz und Suszeptanz Zusammenfassung und Diskussion der Kennwerte einfacher Sinusstromkreise Leistungen in Wechselstromkreisen l. Leistung bei idealen Schaltelementen R, L und C Wechselstromleistung allgemein Wirk-, Blind- und Scheinleistung, Leistungsfaktor Symbolische Verfahren zur Behandlung von Sinusgrößen Allgemeines Zeigerdarstellung von Sinusgrößen l. Geometrische Darstellung einer Sinusgröße Grundschaltelemente in Zeigerdarstellung l. Ohmscher Widerstand Ideale Induktivität Ideale Kapazität Behandlung von Sinusstromkreisen mit der Zeigerdarstellung Komplexe Darstellung von Sinusgrößen l. Darstellung einer Sinusgröße als komplexe Zahl... " Anwendung der komplexen Darstellung in der Wechselstromtechnik Komplexe Impedanzen und Admittanzen Komplexe Leistung Die Grundschaltelemente in komplexer Darstellung Sinusstromnetzwerke 202 1l.1. Allgemeines, Kirchhoffsche Gleichungen Reihen- und Parallelschaltung l.2.l. Reihenschaltung, Spannungsteiler l.2.2. Parallelschaltung, Stromteiler Kombinierte Schaltungen l.3. Netzumwandlung bei Wechselstrom l. Bedingung für Umwandlungen l.3.2. Die Umwandlung Dreieck-Stern l.3.3. Die Umwandlung Stern-Dreieck Besondere Wechselstromschaltungen Schwing- (oder Resonanz-) Kreise l.5.l. Verlust lose Schwingkreise l.5.2. Verlustbehaftete Schwingkreise Aktive Ersatz-Zweipole l.6.l. Die Sätze von den Ersatzquellen (Thevenin, Norton) 230

6 Inhaltsverzeichnis XI Leistungsanpassung bei Wechselstrom :3G Analyse von Sinusstromnetzwerken ;~H Unmittelbare Anwendung der KirchhoffschC'll Sätze. 2:~H Überlagerungssatz (Supcrpositiollsprillzip) Maschenstromverfahrell. 24;{ Knotenpotentialverfahren 24H 12.Drehstromsysteme Allgemeines, Vorteile des Drehstroms G Spannungen an symmetrischen DrehstromgeneratoreIl 2GO Generatorschaltungen Generatorsternschaltung Generatordreieckschaltung Symmetrische Verbraucher Symmetrischer Verbraucher in Sternschaltung Symmetrischer Verbraucher in Dreieckschaltung Leistungen in Drehstromsystemen Zusammenfassende Betrachtung symmetrischer Drehstromsysteme Unsymmetrische Drehstromsysteme... " Elektrische Energieverteilung... " Sternverbraucher: Die Spannung zwischen Generatorund Verbraucher-Stern punkt " Unsymmetrischer Dreieck-Verbraucher... " 2H Diskussion zur Bebandlung besoild('n~r 1I11sYlllIlldrisc!Jer Systeme " 2!)() 13. Lösungen zu den Aufgaben 291 A. Rechenregeln für Zeiger 292 B. Rechenregeln für komplexe Zahlen 294 Literaturverzeichnis 297 Index 300