Elektrische Antriebe und Energieverteilung

Bibliothek des technischen Wissens
Elektrische Antriebe und
Energieverteilung
Fachwissen der Elektroniker/in für Maschinen- und
Antriebstechnik sowie für Betriebstechnik
5. erweiterte und überarbeitete Auflage
VERLAG EUROPA-LEHRMITTEL · Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG
Düsselberger Straße 23 · 42781 Haan-Gruiten
Europa-Nr.: 50015
Autoren von Elektrische Antriebe und Energieverteilung
Gregor D. Häberle
Dr.-Ing.
Friedrichshafen, Tettnang
Heinz O. Häberle
Dipl.-Gewerbelehrer, VDE
Kressbronn
Armin Schonard
staatl. gepr. Techniker,
Göppingen
Technischer Betriebswirt
Bildbearbeitung:
Zeichenbüro des Verlags Europa-Lehrmittel, 70771 Leinfelden-Echterdingen.
Das Buch wurde auf der Grundlage der neuen Rechtschreibung erstellt.
Diesem Buch wurden die neuesten Ausgaben der DIN-Blätter und der VDE-Bestimmungen
zugrunde gelegt. Verbindlich sind jedoch nur die DIN-Blätter und VDE-Bestimmungen selbst.
Die DIN-Blätter können von der Beuth-Verlag GmbH, Burggrafenstraße 6, 10787 Berlin,
und Kamekestraße 2-8, 50672 Köln, bezogen werden. Die VDE-Bestimmungen sind bei der
VDE-Verlag GmbH, Bismarckstraße 33, 10625 Berlin, erhältlich.
5. Auflage 2006
Druck 5 4 3 2 1
Alle Drucke derselben Auflage sind parallel einsetzbar, da sie bis auf die Korrektur von Druckfehlern untereinander
unverändert sind.
ISBN 10 3-8085-5005-8
ISBN 13 978-3-8085-5005-2
Umschlaggestaltung unter Verwendung eines Fotos der Siemens AG.
Alle Rechte vorbehalten. Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der
gesetzlich geregelten Fälle muss vom Verlag schriftlich genehmigt werden.
© 2006 by Verlag Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG, 42781 Haan-Gruiten
http: //www.europa-lehrmittel.de
Satz: Meis Grafik, 59469 Ense
Druck: Media Print, 33100 Paderborn
Vorwort
3
Aus dem Vorwort zur 1. Auflage
Dieses Buch behandelt die elektrischen Maschinen und ihr Umfeld in Anlagen der Energietechnik. Es
wendet sich an Fachkräfte der elektrotechnischen Berufe, die sich vertieft in das Fachgebiet der elektrischen Maschinen in Anlagen der Energietechnik einarbeiten müssen. Das Buch ist ein Lehrbuch. Deshalb werden auch komplizierte Sachverhalte in einer verständlichen Sprache dargestellt. Auf die Gestaltung der Bilder wurde besondere Aufmerksamkeit gelegt.
Vorwort zur 5. Auflage
Angesicht der technischen Entwicklung und der durch NQF (National Qualification Framework) zu erwartenden Erweiterung der Kompetenzorientierung des Lernenden wurde das Buch vor allem in Richtung technischer Systeme erweitert. Die Hauptabschnitte enthalten jetzt:
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Grundlagen (Grundgrößen, Schaltungen von Zweipolen, Bezugspfeile),
Elektrisches Feld (Feldgrößen, Kapazität, kapazitive Blindleistung),
Magnetisches Feld (Feldgrößen, induktiver Blindwiderstand, Grundlagen des Transformators),
Versorgung mit elektrischer Energie (Wärmekraftwerke, regenerative Stromerzeugung, Stromtransport, Spannungsebenen, Umspannwerke),
Verhalten von Transformatoren (idealer Transformator, realer Transformator, Wirkungsgrad),
Bauarten von Transformatoren (Anschlusskennzeichnung, Kleintransformatoren, Messwandler, Einphasentransformatoren, Drehstromtransformatoren, Transformatoren für mehr als drei Phasen),
Drehende elektrische Maschinen (Einteilung, Betriebsarten, Bauformen, Schutzarten, Grundgleichungen),
Drehfeldmaschinen (Synchrongenerator, Synchronmotor, Gleichstrommotoren mit Magnetläufer,
Asynchronmaschinen),
Stromwendermaschinen (Gleichstrommaschinen, Einphasen-Reihenschlussmotor, Repulsionsmotor),
Umformer (Motorgenerator, asynchrone Frequenzumformer, sonstige Umformer),
Antriebstechnik (Auswahl von Elektromotoren, Steuerung und Regelung, Komponenten für Motorsteuerung, Motorschutz, Stromrichter zur Drehzahlsteuerung, Servomotoren),
Übertragungsnetze (Niederspannungsnetze, Mittelspannungsnetze, Hochspannungsnetze, Höchstspannungsnetze),
Maßnahmen für die Betriebssicherheit (Arbeiten in elektrischen Anlagen, Schutzmaßnahmen, Elektromagnetische Verträglichkeit EMV, SSV-Systeme, Umweltbelastungen, Planung von Anlagen),
Internet (Internet-Kommunikation, Gefahren durch das Internet).
Neu aufgenommen wurden Ausgleich schwankender Stromerzeugung, Stromtransport, Leitungen und
Kabel, Steuern und Regeln mit dem PC, Regeln mit Universalregler, Doppelt speisender Asynchrongenerator DAS, Niederspannungsnetze, Hausanschluss, Mittelspannungsnetze, Hochspannungsnetze,
Höchstspannungsnetze, Hochspannungs-Gleichstromübertragung HGÜ, Erdungsanlagen, Stromqualität, Regelung der Netzspannung, Planung von elektrischen Anlagen, Umweltbelastungen der Elektrotechnik, Internet.
Überarbeitet und erweitert wurden Windkraftwerke, Wechselrichter für Drehstrom, Übertragungsnetze,
Arbeiten unter Spannung AuS und Elektromagnetische Verträglichkeit EMV. Bei der Überarbeitung erfolgte eine Anpassung an geänderte Normen, z. B. neue Kennbuchstaben der Betriebsmittel.
In der 4. Auflage richtet sich das Buch an alle, die sich mit den Lernfeldern elektrische Antriebe und elektrische Energieverteilung vertieft auseinander zu setzen haben, nämlich Auszubildende der Berufe Elektroniker/in für Maschinen- und Antriebstechnik, Elektroniker/in für Betriebstechnik, Schüler von Berufsfachschulen und Berufskollegs entsprechender Schwerpunkte, Studierende von Fachschulen (Technikerschulen und Meisterschulen) sowie von Berufsakademien und Hochschulen.
Autoren und Verlag danken für die wertvollen Benutzerhinweise und sind weiterhin für konstruktive
Verbesserungsvorschläge dankbar.
Herbst 2006
Die Verfasser
4
Firmen und Dienststellen
Verzeichnis der Firmen und Dienststellen
Die nachfolgend aufgeführten Firmen und Dienststellen haben die Autoren durch Beratung, durch Zurverfügungstellen von Druckschriften, Fotos und Retuschen sowohl bei der Textbearbeitung als auch bei
der bildlichen Ausgestaltung des Buches unterstützt. Es wird ihnen hierfür herzlich gedankt.
ABB Asea Brown Boveri AG
68165 Mannheim
General Electric Deutschland
50354 Hürth-Efferen
Panasonic Deutschland GmbH
22525 Hamburg
ADDI-DATA GmbH
77833 Ottersweier
Gossen-Metrawatt
90471 Nürnberg
Phoenix Contact GmbH
32819 Blomberg
Ahlborn Mess- und
Regelungstechnik
83602 Holzkirchen
Hager Electro GmbH
66131 Ensheim-Saar
RS Components GmbH
64546 Mörfelden-Walldorf
Anton Piller GmbH
37520 Osterode
Hauptberatungsstelle für
Elektrizitätsanwendung (HEA)
60329 Frankfurt
RWE AG
45128 Essen
Balluff
73765 Neuhausen
Hensel KG
57368 Lennestadt
Schalk Steuerungstechnik GmbH
87784 Westerheim
BASF AG
67069 Ludwigshafen
Hewlett-Packard GmbH
71034 Böblingen
Siemens AG
91050 Erlangen
Bautz GmbH
64331 Weiterstadt
Hirschmann, Richard GmbH & Co.
73728 Esslingen
Berker, Gebrüder
58579 Schalksmühle
IBM Deutschland Produktions
GmbH
71065 Sindelfingen
Texas Instruments Deutschland
GmbH
85350 Freising
Best Power Technologie
91058 Erlangen
Black Box Deutschland GmbH
85716 Unterschleißheim
Indramat GmbH
97816 Lohr
Thorsam & Co. GmbH
58540 Meinerzhagen
Toshiba Electronics Europe GmbH
40549 Düsseldorf
Informationszentrale der
Elektrizitätswirtschaft
60555 Frankfurt
Trumpf GmbH & Co.
71252 Ditzingen
INSTA ELEKTRO GmbH & Co.KG
58511 Lüdenscheid
TÜV Rheinland Holding AG
51105 Köln
Cherry Mikroschalter GmbH
91275 Auerbach
IZE, Informationszentrale der
Elektrizitätswirtschaft
60555 Frankfurt
Umweltbundesamt
14191 Berlin
CONRAD Elektronic GmbH
92530 Wernberg-Köblitz
JENOPTIK GmbH
07739 Jena
Daimler-Chrysler Aerospace
81663 München
VDE, Verband Elektrotechnik,
Elektronik, Informationstechnik e.V.
60596 Frankfurt
Jung, Albrecht
58579 Schalksmühle
Danfoss Antriebs- und
Regeltechnik GmbH
63004 Offenbach
Lapp KG
70565 Stuttgart
BMW AG
80788 München
Busch-Jaeger Elektro GmbH
58513 Lüdenscheid
Dehn + Söhne
92306 Neumarkt
Deutsche Philips GmbH
20095 Hamburg
Driescher-Wegberg
41827 Wegberg
EnBW Energie BadenWürttemberg
70174 Stuttgart
Forschungs- und TechnologieZentrum FTZ
64295 Darmstadt
FRIWO Gerätebau GmbH
48342 Ostbevern
Leitz Messtechnik GmbH
35578 Wetzlar
MAICO-Ventilatoren
78023 Villingen-Schwenningen
Matsushita Automation Controls
83607 Holzkirchen
Microsoft GmbH
85716 Unterschleißheim
Mitsubishi Electric Europe GmbH
40880 Ratingen
Moeller GmbH
53105 Bonn
MTU München GmbH
80995 München
VDI, Verein Deutscher Ingenieure
40002 Düsseldorf
Vicor Europe
85748 Garching
WAGO Kontakttechnik GmbH
32423 Minden
Zeiss, Carl
73447 Oberkochen
ZF Friedrichshafen AG
88038 Friedrichshafen
ZVEH, Zentralverband der
Deutschen Elektrohandwerke
53113 Bonn
ZVEI, Zentralverband der Elektrotechnik- und Elektronikindustrie
Deutschlands
60696 Frankfurt
Lernfeldauswahl
5
Lernfelderauswahl für nachfolgend genannten Elektroniker/in und Hauptabschnitte des Buches
Lernfeld
Lernfeldinhalte
Hauptabschnitte im Buch Elektrische Maschinen und Energieverteilung (Fachwissen für
Elektroniker/in Maschinen und Antriebstechnik sowie für Betriebstechnik)
Elektroniker/in für Maschinen- und Antriebstechnik
1
Elektrotechnische Systeme analysieren und
Funktionen prüfen
Teile 1.1 bis 1.5, 2.1 bis 2.6, 3.1 bis 3.11, 6.1,
7.1 bis 7.3, 13.1, Anhang
2
Elektrische Installationen planen und
ausführen
Teile 12.1, 12.2, 13.1, 13.10
3
Steuerungen anpassen und analysieren
Teile 11.2, 11.3, 11.4, 11.8
4
Informationstechnische Systeme bereitstellen Teile 11.2.6, 11.2.7, 14
5
Elektroenergieversorgung und Sicherheit von Teile 4.1, 4.2, 4.3, 6.1 bis 6.6, 12.1, 12.2, 13.1
Betriebsmitteln gewährleisten
bis 13.6, 13.9
6
Elektrische Maschinen herstellen und prüfen
Teile 5.1 bis 5.8, 6.1 bis 6.7, 7.1 bis 7.6, 8.1 bis
8.3, 8.5 bis 8.7, 8.9 bis 8.11, 9.1 bis 9.9
7
Betriebsverhalten elektrischer Maschinen
analysieren
Teile 5.3 bis 5.7, 7.8, 7.9, 8.2 bis 8.6, 9.1, 9.4
bis 9.7
8
Elektrische Maschinen und mechanische
Komponenten integrieren
Teile 4.3, 6.6.2, 7.6.2, 7.7, 10.1 bis 10.3, 11.6
9
Elektrische Maschinen instand setzen
Teile 7.6, 8.12, 8.13, 9.9
10
Steuerungen und Regelungen für elektrische
Maschinen auswählen und anpassen
Teile 11.2 bis 11.5, 11.9, 11.10, 14.1 bis 14.3
11
Elektrische Maschinen in technische Systeme
integrieren
Teile 11.1, 11.2, 11.3, 11.4,12.6
12
Antriebssysteme instand halten
Teile 7.6, 13.6, 13.10
13
Antriebssysteme anpassen und optimieren
Teile 11.1, 11.3, 11.4, 11.7, 12.6
Elektroniker/in für Betriebstechnik
1 bis 5 Wie bei Elektroniker/in für Maschinen- und Antriebstechnik
6
Geräte und Baugruppen in Anlagen
analysieren und prüfen
Teile 7.6, 8.13, 11.2, 11.3, 11.8, 11.9, 12.1, 12.2,
12.3, 12.4, 13.6
7
Steuerungen für Anlagen programmieren
und realisieren
Teile 11.2.6, 11.2.7,13.10
8
Antriebssysteme auswählen und realisieren
Teile 11.1 bis 11.9.7, 13.10
9
Gebäudetechnische Anlagen ausführen und
in Betrieb nehmen
Teile 12.2, 12.3, 12.5, 13.1 bis 13.7
10
Energietechnische Anlagen errichten und
in Stand halten
Teile 4.1 bis 4.4, 6.1 bis 6.7, 12.1 bis 12.6
11
Automatisierte Anlagen in Betrieb nehmen
und realisieren
Teile 11.1 bis 11.10, 13.1 bis 13.9
12
Elektrotechnische Anlagen planen und
realisieren
Teile 4.1 bis 4.4, 6.1 bis 6.7, 7.1 bis 7.5, 11.1
bis 11.3, 12.1 bis 12.5, 13.10
13
Elektrotechnische Anlagen instand halten
und ändern
Teile 8.12, 12.1 bis 12.6, 13.1 bis 13.9, 14.1 bis
14.3
Die Teile sind oft für die Lernfelder mehrfach aufgeführt. Die Inhalte der Teile im Buch sind also je nach
angestrebter Qualifikationsstufe auf die verschiedenen Lernfelder zu verteilen.
6
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1
Grundlagen
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Stromstärke, Widerstand, Spannung . . . . . .
Schaltungen von Zweipolen . . . . . . . . . . . . .
Leistung, Arbeit, Energie . . . . . . . . . . . . . . . .
Bezugspfeile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
Elektrisches Feld
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.5.1
2.5.2
2.5.3
2.5.4
2.6
Elektrische Ladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elektrische Feldstärke . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elektrische Flussdichte . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kapazität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kapazitiver Blindwiderstand . . . . . . . . . . . . .
Ladung und Stromstärke . . . . . . . . . . . . . . . .
Kondensatorstrom bei Sinusspannung . . . . .
Kapazitive Blindleistung . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kondensator als Blindwiderstand . . . . . . . . .
Elektrisches Feld als Energiespeicher . . . . . .
3
Magnetisches Feld
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
3.11
Arten magnetischer Stoffe . . . . . . . . . . . . . . .
Elektrische Durchflutung . . . . . . . . . . . . . . . .
Magnetische Feldstärke . . . . . . . . . . . . . . . . .
Magnetische Flussdichte . . . . . . . . . . . . . . . .
Magnetischer Fluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Magnetischer Verkettungsfluss . . . . . . . . . . .
Lorentzkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Induktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Induktiver Blindwiderstand . . . . . . . . . . . . . .
Magnetisches Feld als Energiespeicher . . . .
Grundlagen des Transformators . . . . . . . . . .
4
Versorgung mit elektrischer Energie
4.1
4.2
4.2.1
4.2.2
4.3
4.3.1
4.3.2
4.3.3
4.3.4
4.4
4.4.1
4.4.2
4.4.3
4.4.4
Grundlagen der Stromversorgung . . . . . . . .
Wärmekraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Verbrennungskraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . .
Kernkraftwerke (Atomkraftwerke) . . . . . . . . .
Regenerative Stromerzeugung . . . . . . . . . . .
Wasserkraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Weitere regenerative Stromerzeuger . . . . . .
Stromerzeugung mit Brennstoffen . . . . . . . .
Ausgleich schwankender Stromerzeugung .
Stromtransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zweck der Spannungstransformation . . . . . .
Spannungsebenen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Umspannwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Leitungen und Kabel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
Verhalten von Transformatoren
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
Idealer Transformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Realer Transformator im Leerlauf . . . . . . . . .
Realer Transformator unter Last . . . . . . . . . .
Ersatzschaltungen von Transformatoren . . .
Zeigerdiagramm des belasteten
Transformators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kurzschlussstrom und Einschaltstrom . . . .
Wirkungsgrad und Nutzungsgrad von
Transformatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6
5.7
11
12
15
17
20
23
24
25
25
25
25
26
27
27
28
29
30
31
31
33
33
34
35
39
43
44
47
48
48
50
52
52
53
58
61
62
62
62
63
66
68
70
72
74
77
78
80
5.8
5.8.1
5.8.2
5.8.3
Besondere Transformatoren . . . . . . . . . . . . . .
Spartransformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Übertrager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elektronische Transformatoren . . . . . . . . . . .
6
Bauarten von Transformatoren
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
6.5.1
6.5.2
6.5.3
6.6
6.6.1
6.6.2
6.6.3
6.6.4
6.7
6.7.1
6.7.2
6.7.3
6.7.4
6.7.5
Anschlusskennzeichnung . . . . . . . . . . . . . . .
Kleintransformatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Lichtbogen-Schweißtransformatoren . . . . . .
Messwandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Einphasentransformatoren für Drehstrom . .
Eigenschaften von Drehstrom . . . . . . . . . . . .
V-Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Transformatorengruppe . . . . . . . . . . . . . . . . .
Drehstromtransformatoren . . . . . . . . . . . . . .
Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Eisenkern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Wicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ölkessel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schaltungen von Drehstromtransformatoren
Schaltungen der Wicklungsstränge . . . . . . . .
Schaltgruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Parallelschalten von Transformatoren . . . . . .
Drehtransformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Transformatoren für mehr als drei Phasen . .
7
Drehende elektrische Maschinen
7.1
7.2
7.3
7.3.1
7.3.2
7.3.3
7.3.4
7.3.5
7.4
7.5
7.6
7.6.1
7.6.2
7.7
7.8
Einteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Isolierstoffklassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Betriebsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Dauerbetrieb S1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kurzzeitbetrieb S2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aussetzbetriebsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ununterbrochene periodische Betriebsarten
Bauformen von elektrischen Maschinen . . .
Leistungsschild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Wartung und Prüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elektrische Prüfungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Mechanische Prüfungen . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schutzarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Grundgleichungen der drehenden
elektrischen Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . .
Anschlusskennzeichnung von drehenden
elektrischen Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.9
8
Drehfeldmaschinen
8.1
8.2
8.2.1
8.2.2
8.3
Erzeugung des Drehfeldes . . . . . . . . . . . . . . .
Drehstrommaschinen mit Magnetläufern . .
Synchrongenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Synchronmotoren für Drehstrom . . . . . . . . .
Einphasenwechselstrom-Maschinen mit
Magnetläufern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Einphasengeneratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Synchronmotoren für Einphasenwechselstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Gleichstrommotoren mit Magnetläufern . .
Arten der Schrittmotoren . . . . . . . . . . . . . . .
8.3.1
8.3.2
8.4
8.4.1
81
81
82
84
85
86
91
93
98
98
101
102
104
104
104
105
107
108
108
110
111
113
114
116
117
118
118
118
118
119
120
122
123
124
124
129
133
135
136
141
144
144
149
151
151
151
153
153
Inhaltsverzeichnis
8.4.2
8.4.3
8.4.4
8.5
8.5.1
8.5.2
8.5.3
8.5.4
Steuerschaltungen von Schrittmotoren . . . .
Betriebsverhalten der Schrittmotoren . . . . . .
Elektronikmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Maschinen mit Kurzschlussläufern . . . . . . . .
Aufbau des Kurzschlussläufers . . . . . . . . . . .
Wirkungsweise des Asynchrongenerators . .
Wirkungsweise des Kurzschlussläufermotors .
Kurzschlussläufermotoren für Einphasenwechselstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.6
Schleifringläufermaschinen . . . . . . . . . . . . . .
8.7
Sonstige Motoren mit bewegtem
Magnetfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.7.1 Wirbelstromläufermotoren . . . . . . . . . . . . . . .
8.7.2 Reluktanzmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.7.3 Polumschaltbare Motoren . . . . . . . . . . . . . . .
8.7.4 Spannungsumschaltbare Motoren . . . . . . . .
8.7.5 Wechselstrom-Linearmotoren . . . . . . . . . . . .
8.7.6 Linearschrittmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.7.7 Gleichstrom-Linearmotoren . . . . . . . . . . . . . .
8.7.8 Schwingankermotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.8
Theorie der Asynchronmaschine . . . . . . . . .
8.8.1 Oberschwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.8.2 Ersatzschaltung der Asynchronmaschine . .
8.8.3 Ortskurve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.8.4 Leerlaufversuch und Kurzschlussversuch . . .
8.8.5 Auswertung der Ortskurve . . . . . . . . . . . . . .
8.8.6 Rechengang beim Kreisdiagramm . . . . . . . .
8.8.7 Verfeinertes Kreisdiagramm . . . . . . . . . . . . .
8.9
Einfache Dreiphasenwicklungen . . . . . . . . . .
8.10 Weitere Dreiphasenwicklungen . . . . . . . . . .
8.10.1 Einschichtwicklungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.10.2 Zweischichtwicklungen . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.10.3 Polumschaltbare Wicklungen . . . . . . . . . . . .
8.11 Einphasenwicklungen . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.12 Umwickeln von Wechselstromwicklungen . .
8.13 Fehler bei Drehfeldmaschinen . . . . . . . . . . . .
7
158
160
161
162
162
163
164
167
169
172
172
172
173
175
175
177
178
179
180
180
182
184
185
186
188
190
192
197
197
199
201
204
206
207
9
Stromwendermaschinen
9.1
9.2
9.7.1
9.7.2
9.7.3
9.7.4
9.7.5
9.8
9.8.1
9.8.2
9.9
Aufbau von Gleichstrommaschinen . . . . . . .
Wirkungsweise von Gleichstromgeneratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schaltungen der Gleichstromgeneratoren . .
Ankerquerfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Wirkungsweise von Gleichstrommotoren . .
Schaltungen von Gleichstrommotoren . . . .
Stromwendermotoren für Einphasenwechselstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Einphasen-Reihenschlussmotor . . . . . . . . . .
Repulsionsmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Linearmotor mit Stromwender . . . . . . . . . . .
Stromwendermotoren für Drehstrom . . . . . .
Gleichstromwicklungen . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ständerwicklung von Gleichstrommotoren .
Ankerwicklung von Stromwendermaschinen .
Fehler bei Stromwendermaschinen . . . . . . .
10
Umformer
10.1
10.2
10.3
Motorgenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
Asynchrone Frequenzumformer . . . . . . . . . . 241
Sonstige Umformer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
9.3
9.4
9.5
9.6
9.7
209
212
214
217
220
223
226
226
227
228
229
229
230
230
230
239
11
Antriebstechnik
11.1
11.2
11.2.1
11.2.2
11.2.3
11.2.4
11.2.5
11.2.6
11.2.7
11.3
11.3.1
11.3.2
11.3.3
11.3.4
11.4
11.4.1
11.4.2
Auswahl eines Elektromotors . . . . . . . . . . . .
Steuern und Regeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Steuern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Regeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schaltende Regeleinrichtungen . . . . . . . . . . .
Stetige Regeleinrichtungen . . . . . . . . . . . . . .
Kennzeichnung der Regelstrecke . . . . . . . . . .
Steuern und Regeln mit dem PC . . . . . . . . . .
Regeln mit dem Universalregler . . . . . . . . . .
Komponenten für Steuerung . . . . . . . . . . . .
Nockenschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schütze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Halbleiterbauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Halbleiterbaugruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Anlassen von Drehfeldmotoren . . . . . . . . . . .
Allgemeine Bestimmungen . . . . . . . . . . . . . .
Anlassschaltungen für DrehstromKurzschlussläufermotoren . . . . . . . . . . . . . . .
11.4.3 Einfache Schützschaltungen . . . . . . . . . . . . .
11.4.4 Polumschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.4.5 Stern-Dreieck-Schützschaltungen . . . . . . . . .
11.4.6 Anlassschaltungen für Schleifringläufermotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.4.7 Elektronische Motorstarter . . . . . . . . . . . . . .
11.5 Anlasserberechnung beim Schleifringläufermotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.6 Bremsen von Drehstrom-Asynchronmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.6.1 Mechanisches Bremsen mit elektrischer
Steuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.6.2 Elektrisches Bremsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.6.3 Verlustwärme beim Anlauf und Bremsen . .
11.7 Steuerung von Stromwendermotoren . . . . .
11.8 Motorschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.9 Stromrichter zur Drehzahlsteuerung . . . . . .
11.9.1 Drehzahlsteuerung beim Universalmotor . . .
11.9.2 Drehzahlsteuerung beim fremderregten
Gleichstrommotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.9.3 Drehzahlsteuerung mit Gleichstromsteller . .
11.9.4 Umrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.9.5 Stromzwischenkreis-Umrichter . . . . . . . . . . .
11.9.6 Umrichter mit Pulsamplitudenmodulation . .
11.9.7 Umrichter mit Pulsweitenmodulation . . . . . .
11.9.8 Direktumrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.9.9 Untersynchrone Stromrichterkaskade . . . . . .
11.9.10Doppelt speisender Asynchrongenerator . . .
11.10 Servomotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.10.1Anforderungen an Servomotoren . . . . . . . . .
11.10.2Drehstrommotoren als Servomotoren . . . . .
11.10.3Gleichstrommotoren als Servomotoren . . . .
12
Übertragungsnetze
12.1
12.2
12.2.1
12.2.2
12.3
12.3.1
12.3.2
12.3.3
Netzformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Niederspannungsnetze . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Netzaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Hausanschluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Mittelspannungsnetze . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Bemessungsspannung und Aufgaben . . . . .
Netzaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elektrische Wirkung auf die Umgebung . . . .
243
243
243
245
247
247
248
249
250
251
251
252
254
260
264
264
264
266
269
271
272
273
276
278
278
280
283
284
288
290
290
291
293
294
296
296
298
299
300
300
302
302
303
307
309
310
310
312
314
314
314
315
8
12.4
12.4.1
12.4.2
12.4.3
12.4.4
12.5
12.6
12.6.1
12.6.2
12.6.3
12.6.4
Inhaltsverzeichnis
Hochspannungsnetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Bemessungsspannung und Aufgaben . . . . .
Netzaufbau beim 110-kV-Netz . . . . . . . . . . . .
Netzaufbau der Höchstspannungsnetze . . . .
Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung
HGÜ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Erdungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Beeinflussung der Netze . . . . . . . . . . . . . . . . .
Blindleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Oberschwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Stromqualität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Regelung der Netzspannung . . . . . . . . . . . . .
13
Maßnahmen für die
Betriebssicherheit
13.1
Sicherheit beim Arbeiten in elektrischen
Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Systemformen im Niederspannungsnetz . . .
Schutzmaßnahmen gegen direktes
Berühren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fehlerschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schutz gegen elektrischen Schlag . . . . . . . . .
13.2
13.3
13.4
13.5
316
316
316
318
319
321
323
323
326
329
330
332
336
337
338
344
13.6
13.6.1
13.6.2
13.6.3
13.6.4
13.7
13.8
13.9
13.10
Prüfungen der Elektroinstallation . . . . . . . . .
Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Messgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Spezielle Messverfahren . . . . . . . . . . . . . . . .
Durchführung der Prüfungen . . . . . . . . . . . .
Elektromagnetische Verträglichkeit EMV . .
SSV-Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Umweltbelastungen der Elektrotechnik . . . .
Planung von elektrischen Anlagen . . . . . . . .
345
345
345
345
348
351
358
363
365
14
Internet
14.1
14.2
14.3
Internet-Kommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . 367
Gefahren durch das Internet . . . . . . . . . . . . . 368
Firewire-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
15
Anhang
Größen und Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Wichtige Normen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Internet-Adressen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Organisationen und Normungsbegriffe . . . . . . . . . .
Sachwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
370
372
374
376
377
Literaturverzeichnis
B. D. Schaaf
Automatisierungstechnik
Carl Hanser Verlag, München, Wien
P. K. Budig
Drehzahlvariable Drehstromantriebe
mit Asynchronmotoren
VDE-Verlag GmbH, Berlin, Offenbach
F. Kümmel
Elektrische Antriebstechnik
VDE-Verlag GmbH, Berlin, Offenbach
Vogel
Elektrische Antriebstechnik
Dr. A. Hüthig Verlag, Heidelberg
K. Heuck u. a.
Elektrische Energieversorgung
Friedr. Vieweg & Sohn, Braunschweig
Moczala u. a.
Elektrische Kleinstmotoren
und ihr Einsatz
expert-Verlag, Ehningen
Fischer
Elektrische Maschinen
Carl Hanser Verlag, München, Wien
G. Müller
Elektrische Maschinen
VDE-Verlag GmbH, Berlin, Offenbach
Giersch u. a.
Elektrische Maschinen
Verlag Teubner, Stuttgart
Groß u. a.
Elektrische Vorschubantriebe
für Werkzeugmaschinen
Franzis Verlag, München
D. Speck u. a.
Energiekabel im EVU
expert-Verlag, Ehningen
G. Häberle u. a.
Fachkunde Industrieelektronik
und Informationstechnik
Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten
Ernst Habiger u. a.
Handbuch Elektromagnetische
Verträglichkeit
VDE-Verlag GmbH, Berlin
K. W. Bonfig u. a.
Sensoren, Meßaufnehmer
expert-Verlag, Ehningen
H. Häberle u. a.
Tabellenbuch Elektrotechnik
Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten
Formelzeichen dieses Buches
9
Formelzeichen dieses Buches
Formelzeichen
Bedeutung
Kleinbuchstaben
Formelzeichen
Bedeutung
Großbuchstaben
a
Beschleunigung
A
b
1. Breite,
2. Ladungsträgerbeweglichkeit
1. Fläche, Querschnitt
2. Ablenkungskoeffizient
3. Dämpfungsmaß
B
1. Magnetische Flussdichte
2. Blindleitwert
3. Gleichstromverhältnis
C
1. Kapazität
2. Wärmekapazität
3. Konstante
D
1. Elektrische Flussdichte
2. Dämpfungsfaktor
E
Elektrische Feldstärke
c
d
1. spez. Wärmekapazität
2. elektrochemisches
Äquivalent
3. Ausbreitungsgeschwindigkeit von
Wellen
1. Durchmesser
2. Abstand
3. Verlustfaktor
F
1. Kraft, 2. Faktor,
3. Fehler
G
1. Leitwert, Wirkleitwert
2. Verstärkungsmaß
1. Schwerebeschleunigung
2. Tastgrad
H
Magnetische Feldstärke
I
Stromstärke
h
Höhe
J
1. Stromdichte
2. Trägheitsmoment
i
zeitabhängige Stromstärke
K
k
1. Faktor, z. B. für Wicklungsangabe
2. allgem. Konstante
1. Konstante
2. Kopplungsfaktor
3. Lamellenzahl
e
Elementarladung
f
Frequenz
g
Œ
m
L
1. Induktivität
2. Pegel
M
Kraftmoment, Moment
N
1. Zahl, z. B. Windungszahl
2. Nutenzahl
1. Länge, 2. Abstand
1. Masse
2. Momentverhältnis
3. Strangzahl
4. Zahl der Stufen
Formelzeichen
Bedeutung
Griechische Kleinbuchstaben
a
(alpha)
1. Winkel
2. Temperaturkoeffizent
3. Polbedeckungsfaktor
4. Zündwinkel
b
(beta)
1. Winkel
2. Kurzschluss-Stromverstärkungsfaktor
g
(gamma)
1. Winkel
2. Leitfähigkeit
d
(delta)
Verlustwinkel
e0
Elektrische Feldkonstante
e
Permittivität
(epsilon)
f
(zeta)
n
(eta)
h
(theta)
l
(lambda)
m0
Arbeitsgrad,
Nutzungsgrad
Wirkungsgrad
Temperatur in °C
Wellenlänge
Magnetische Feldkonstante
m
(müh)
Permeabilität
v
(nüh)
Ordnungszahl
p
(pi)
r
(rho)
Zahl 3,1415926...
1. spez. Widerstand
2. Dichte
P
Leistung, Wirkleistung
1. Drehzahl,
Umdrehungsfrequenz
2. Ganze Zahl 1, 2, 3 ...
Q
1. Ladung, 2. Wärme
3. Blindleistung
4. Gütefaktor, Güte
p
1. Polpaarzahl, 2. Druck
3. Leistungsverhältnis
R
Wirkwiderstand
t
(tau)
1. Zeitkonstante
2. Teilung
q
Lochzahl
S
j
(phi)
r
1. Radius
2. differenzieller
Widerstand
1. Scheinleistung
2. Steilheit
3. Schlupf (absolut)
Winkel, insbesondere
Phasenverschiebungswinkel
T
s
1. Strecke, Dicke
2. Siebfaktor
3. bezogener Schlupf
1. Periodendauer
2. Temperatur in K
3. Übertragungsfaktor
U
Spannung
t
Zeit
V
u
zeitabhängige Spannung
1. Volumen
2. Verstärkungsfaktor
3. Verlustleistung
ü
Übersetzungsverhältnis
W
1. Arbeit, 2. Energie
3. Spulenweite
v
Geschwindigkeit
X
Blindwiderstand
w
1. Energiedichte
2. Führungsgröße
Y
Scheinleitwert
G
(Phi)
Magnetischer Fluss
x
Regelgröße
Z
U
(Psi)
1. Elektrischer Fluss
2. magn. Verkettungsfluss
y
1. Schritt
2. Stellgröße
1. Impedanz,
Scheinwiderstand
2. Wellenwiderstand
z
ganze Zahl
n
s
(sigma)
w
Streufaktor
1. Winkelgeschwindigkeit
2. Kreisfrequenz
Griechische Großbuchstaben
D
(Delta)
Differenz
z. B. Dn Schlupf
Q
(Theta)
Durchflutung
O
(Omega)
Raumwinkel
Spezielle Formelzeichen werden gebildet, indem man an die Formelzeichen-Buchstaben einen Index oder mehrere Indizes anhängt
oder sonstige Zeichen dazusetzt.
10
Indizes und Zeichen für Formelzeichen dieses Buches
Indizes und Zeichen für Formelzeichen dieses Buches
Index,
Zeichen
Bedeutung
Ziffern, Zeichen
0
1. Leerlauf
2. im Vakuum
3. Bezugsgröße
1
1. Eingang
2. Reihenfolge
2
1. Ausgang
2. Reihenfolge
3, 4, ...
:, z. B. u
:
;
;
, z. B. u
:
; z. B. u
;:
‘, z. B. u ’
Scheitelwert, Höchstwert
Y
in Sternschaltung
Ziffern, Zeichen
1. Abschalten
2. Ausgang, 3. außen
4. Abfall, 5. Anker
ab
abgegeben
auf
aufgenommen
b
1. Betrieb-, 2. Blind-, 3. Bit-
c
1. Grenz- (cut-off)
2. Form- (crest)
d
1. Gleichstrom-, 2. Dauer-,
3. Zonen-, 4. Dämpfung
e
1. Eingang, 2. Erreger-,
3. Empfang
Frequenz
ges
Gesamt-
h
hoch, oben
i
1. innen, 2. induziert
3. Strom4. ideell, 5. ist6. Impuls
j
Quer-
r
1. in Reihe
2. relativ, bezogen
3. Anstiegs4. Resonanz
s
1. Sieb2. Signal, 3. Serie
4. Synchron5. in Wegrichtung
6. Stoß7. Soll
sch
t
Sperrschicht
(von junction)
thermisch, Wärmetotal, gesamt
u
v
1. Vor-, 2. Verlust
1. Wirk-, wirksam
2. Führungsgröße
3. Wellen, 4. Wicklungs-
x
1. unbekannte Größe
2. in x-Richtung
y
1. Stellgröße
2. in y-Richtung
zu
Großbuchstaben
A
AC
m
n
1. Kurzschluss2. kinetisch
1. magnetisch
2. Mittelwert
3. Messwert
4. Maschine
maximal, höchstens
min
minimal, mindestens
L
1. induktiv, 2. Last
3. Läufer-, 4. Laden
5. höchstzulässige
Berührungsspannung
6. Lorentz-
M
Mitkopplung
N
1. Bemessungs2. Nutz3. Nut-
Q
Quer-
R
1. Rückwärts- (reward)
2. Wirkwiderstand
3. rechts
4. Regel5. rot
S
1. Source
2. Schleife3. Sattel4. Schalt5. Schleusen6. Sektor
Str
Strang-
T
1. Transformator
2. Träger3. Spur (track)
U
Umgebung
V
1. Spannungsmesser
2. Verstärkungs-
W
Wirbel
X
am X-Eingang
Y
1. am Y-Eingang
2. in Sternschaltung
Z
1. Zener-, 2. Zünd
3. zulässig
Wechselstrom
1. Basis
2. Betriebserdung (Netz)
3. Bau-
C
1. Kollektor
2. kapazitiv
3. Takt
Drain
Gleichstrom
E
1. Emitter, 2. Entladen
3. Erde
F
1. Vorwärts- (forward)
2. Fehler
G
1. Gate, 2. Gewicht
3. Glättung
H
1. Hysterese
2. Hall-
Nenn-
max
1. Strommesser
2. Anker3. Anzug, Ablauf
4. Anlagenerdung
B
D
1. Kopplung (Gegen-)
2. Kühlkörper
3. Kippen
4. Katode
Zonenzugeführt
Bedeutung
K
1. Spannungs2. Umdrehung
w
z
Index
tief, unten
tot
DC
k
Schritt-
th
Effektivwert
f
1. parallel, 2. Pause
q
1. Spitze-Talwert
2. Schwingungsbreite
1. bezogen auf,
2. Hinweis, 3. Ableitung
Bedeutung
3. Puls, 4. potenziell
5. Pol-, 6. Druck
7. Sehnungsspannung
Tiefstwert, Kleinstwert
in Dreieckschaltung
eff
p
Reihenfolge
™
a
Index
Griechische Kleinbuchstaben
a
(alpha)
in Richtung vom
Winkel a
m
(müh)
Magnetisierung
s
(sigma)
j
(phi)
StreuPhasenverschiebung
betreffend
Griechische Großbuchstaben
D
(Delta)
eine Differenz betreffend
Die Indizes können kombiniert werden, z. B. bei UCE für Kollektor-Emitterspannung. Indizes, die aus mehreren Buchstaben bestehen,
können bis auf den Anfangsbuchstaben gekürzt werden, wenn keine Missverständnisse zu befürchten sind. Zur Kennzeichnung von
Werkstoffen können die Symbole für das Material verwendet werden, z. B. PvCu oder VCu für Kupferverlustleistung.
1.1 Allgemeines
1
Grundlagen
1.1
Allgemeines
11
Bei der Erzeugung des elektrischen Stromes, bei
elektrischen Antrieben und bei der Energieverteilung sind elektrische Maschinen mit ihren Steuereinrichtungen die wesentlichen Betriebsmittel. Bei
der Stromerzeugung sind das die Generatoren, bei
den Antrieben die Motoren und bei der Energieverteilung die Transformatoren.
Elektrische Maschinen sind die wichtigsten Betriebsmittel der Elektrotechnik.
1
Kleintransformator zum Einbau in gedruckte Schaltung,
Kantenlänge 6,4 mm
Generatoren ermöglichen den Strom, weil sie mechanische Energie in elektrische Energie umsetzen, Motoren ermöglichen Antriebe, weil sie elektrische Energie in mechanische umsetzen, Transformatoren ermöglichen die Energieverteilung,
weil sie die jeweils günstigste Spannung zur Verfügung stellen.
Die kleinsten Transformatoren sind wenige Millimeter groß (Bild 1). Sie werden in die Leiterplatten
von elektronischen Schaltungen eingebaut. Die
größten Transformatoren sind mehrere hundert
Tonnen schwer (Bild 2). Sie werden zur Übertragung der elektrischen Energie bei großen Leistungen zu Schwerpunkten des Verbrauchs eingesetzt.
2
Drehstromtransformator für ein Umspannwerk
Der Leistungsbereich von Transformatoren erstreckt sich von weniger als 1 Milliwatt bis zu
über 1000 Megawatt.
Die kleinsten drehenden elektrischen Maschinen
sind Kleinstmotoren in der Größe von wenigen
Millimetern, z. B. zum Antrieb von elektrischen Uhren. Diese Kleinstmotoren rechnet man nicht zum
Arbeitsbereich des Elektronikers für Maschinen
und Antriebstechnik (Elektromaschinenbauer). Dagegen gehören Kleinmotoren mit einem Durchmesser ab etwa 10 mm dazu (Bild 3). Die größten
drehenden elektrischen Maschinen sind Generatoren im Gewicht von mehreren hundert Tonnen
(Bild 4). Sie dienen zur Erzeugung der elektrischen
Energie in Kraftwerken.
3
Kleinstmotor für Büromaschine, Durchmesser 59 mm
Es gibt elektrische Maschinen mit einer Bemessungsleistung von weniger als 1 Milliwatt bis zu
solchen mit einer Bemessungsleistung von
über 1000 Megawatt.
Besonders eindrucksvoll erscheint der Leistungsbereich, wenn man ihn in Watt ausdrückt. Die genannten Betriebsmittel decken den Bereich von
0,0005 W bis 1 000 000 000 W ab.
4
Drehstromgenerator in einem Kraftwerk
12
1.2
1.2 Stromstärke, Widerstand, Spannung
Stromstärke, Widerstand,
Spannung
¡
G
Verbraucher
1
Strommessung in einem Stromkreis
Stromstärke
Die Stromstärke hat die Einheit Ampere (A), benannt nach Ampère (sprich: Ampähr), franz. Physiker, 1775 bis 1836. Sie wird durch einen Strommesser gemessen, der in den Stromweg geschaltet
wird (Bild 1). Die Stromstärke hat das Formelzeichen I.
+
Erzeuger
-
Der elektrische Strom kann nur in einem geschlossenen Stromkreis fließen (Bild 1).
Die Stromrichtung ist festgelegt vom Pluspol
des Erzeugers durch den Verbraucher zum Minuspol des Erzeugers und von dort zum Pluspol
des Erzeugers zurück.
+ A -
+
Zum Verständnis der elektrischen Antriebe und der
Energieverteilung sind einige Grundkenntnisse
über den elektrischen Strom erforderlich.
Zeit t
2
Gleichstrom
Kurzschreibweise: [I] = A
Sprich: Einheit der Stromstärke I ist das Ampere A.
Periodendauer T
Strom in der
einen Richtung
Stromstärke
Man unterscheidet mehrere Stromarten. Gleichstrom ist ein Strom, der dauernd in gleicher Richtung und mit gleicher Stärke fließt (Bild 2). Wechselstrom ist ein elektrischer Strom, der periodisch
seine Richtung und seine Stärke ändert (Bild 3).
Mischstrom ist ein Strom mit einem Gleichstromanteil und einem Wechselstromanteil (Bild 4).
Bei elektrischen Maschinen wird auch dann von
Gleichstrom gesprochen, wenn ein Mischstrom
mit einem kleinen Wechselstromanteil vorliegt,
z. B. bei einem Gleichstromgenerator.
Zeit t
Strom in der
anderen Richtung
3
Wechselstrom (Sinusstrom)
Stromstärke
In der Energietechnik ist vor allem ein Wechselstrom von Bedeutung, bei dem die zeitabhängige
Darstellung der Stromstärke eine Sinuslinie ist
(Bild 3). Man spricht da auch von einem Sinusstrom.
Der wichtigste Wechselstrom ist ein Sinusstrom.
Zeit t
Einphasenwechselstrom ist die genaue Bezeichnung für einen einzigen Sinusstrom, z. B. aus der
Steckdose eines Beleuchtungsstromkreises in der
Wohnung. Dreiphasenwechselstrom (Drehstrom)
besteht aus drei derartigen Einphasenwechselströmen (Abschnitt 6.5.1).
Beim Wechselstrom nennt man die Zeit von einem
Nulldurchgang bis zum nächsten, gleichartigen
Nulldurchgang Periodendauer. Das ist die Zeit für
eine vollständige Schwingung (Bild 3). Der Kehrwert der Periodendauer heißt Frequenz.
4
Mischstrom
f
Frequenz
T Periodendauer
[f] = Hz
1
f = ––
T
Die Einheit der Frequenz ist das Hertz (Hz), benannt
nach Hertz, deutscher Physiker, 1857 bis 1894.
Diese Einheit gilt jedoch nur im deutschen
Sprachraum. Sonst wird c/s bzw. cps (cykles per
second = Umdrehungen je Sekunde) verwendet.
1.2 Stromstärke, Widerstand, Spannung
13
Beispiel 1:
Tabelle 1: Leitfähigkeit und
spezifischer Widerstand
Die Periodendauer eines Sinusstromes beträgt 20 ms.
Wie groß ist die Frequenz in Hz und in c/s?
Lösung:
f = 1/T = 1/20 ms = 0,05 kHz = 50 Hz = 50 c/s
Leitfähigkeit
Werkstoff
Stromdichte ist der Quotient Stromstärke durch
Querschnittsfläche. Bei den Transformatoren und
elektrischen Maschinen verwendet man für die
Stromdichte die Einheit A/mm2.
J
I
A
Stromdichte
Stromstärke
Querschnittsfläche
[J] = A/mm2
m
g in –––––––––
Ω · mm2
Silber
Kupfer
Aluminium
Nickelin (CuNi 30 Mn)
Konstantan (CuNi 44)
Kohle
I
J = ––
A
Spezifischer
Widerstand
Ω · mm2
r in –––––––––
m
0,0167
0,0178
0,0278
0,4
0,49
65
60
56
36
2,5
2,04
0,015
Die Werte sind gerundet und gelten für 20 °C
Beispiel 2:
Bei einem Transformator beträgt die Stromstärke 25 A.
Die zulässige Stromdichte beträgt in der vorgesehenen
Bauweise (Ölkühlung) 2,5 A/mm2. Wie groß muss der
Wicklungsquerschnitt sein?
Lösung:
J = I/A π A = I/J = 25 A/(2,5 A/mm2) = 10 mm2
Jedes Material setzt dem elektrischen Strom einen
Widerstand entgegen. Dieser Widerstand ist umso
größer, je kleiner der Leitwert des Materials ist. Die
Eigenschaft des großen oder kleinen Leitvermögens kann also durch den Widerstand oder den
Leitwert ausgedrückt werden. Die Einheit des Widerstandes ist das Ohm (Ω, sprich: Ohm), benannt
nach Ohm, deutscher Physiker, 1787 bis 1854. Die
Einheit des Leitwertes ist das Siemens (S), benannt
nach Siemens, deutscher Ingenieur, 1816 bis 1892.
Das Wort Widerstand kann die physikalische Größe
„Widerstand“ bedeuten, aber auch das Bauelement Widerstand. Für die physikalische Größe „Widerstand“ sagen wir im Zweifelsfall Resistanz oder
Widerstandswert. Die Resistanz hat das Formelzeichen R, der Leitwert hat das Formelzeichen G.
1
R = ––
G
R Widerstand (Resistanz)
G Leitwert
Œ
R = –––––
g·A
R
Œ
A
g
r
Widerstand
Leiterlänge
Querschnitt
Leitfähigkeit (g griech. Kleinbuchstabe Gamma)
spezifischer Widerstand (r griech. Kleinbuchstabe
Rho)
Beispiel 4:
Für eine Wicklung sind 30 m Kupferdraht mit 0,5 mm2 erforderlich. Wie groß ist der Wicklungswiderstand?
Lösung:
Œ
30 m
R = –––––– = ––––––––––––––––––––––––– = 1,07 Ω
g·A
56 m/(Ω · mm2) · 0,5 mm2
Der Widerstand hängt von der Temperatur ab. Der
mit den Werten von Tabelle 1 errechnete Widerstand gilt für eine Temperatur vom 20 °C. Bei Abweichungen von dieser Temperatur erhält man
die Widerstandsänderung mithilfe des Temperaturkoeffizienten des betreffenden Materials. Bei
Kupfer ist aCu = 0,0039 1/K, bei Aluminium aAl =
0,0038 1/K.
[R] = Ω
[G] = S
ΔR = a · R1 · Δh
Beispiel 3:
R2 = R1 + ΔR
Die Wicklung eines Kleintransformators hat einen Widerstand von 0,5 Ω. Wie groß ist der Leitwert?
R2 = R1 (1 + a · Δh)
Lösung:
R = 1/G π G = 1/R = 1/0,5 Ω = 2 S
Der Widerstand eines Drahtes, z. B. von einer Wicklung, kann berechnet werden, wenn Material und
Abmessungen des Drahtes bekannt sind. Dazu
müssen die Leitfähigkeit oder der spezifische Widerstand des Materials aus einer Tabelle entnommen werden (Tabelle 1).
r· Œ
R = –––––
A
ΔR
a
R1
Δh
R2
Widerstandsänderung
(Δ griech. Großbuchstabe Delta)
Temperaturkoeffizient
Kaltwiderstand bei 20 °C
Übertemperatur über 20 °C
(h griech. Kleinbuchstabe Theta)
Warmwiderstand
14
1.2 Stromstärke, Widerstand, Spannung
Beispiel 1:
Eine Kupferwicklung hat bei Raumtemperatur von 20 °C
einen Widerstand von 0,5 Ω. Im Betrieb erreicht die Wicklung eine Temperatur von 110 °C. Wie groß ist nun der
Widerstand.
G
Lösung:
V
U
V
U
Δh = 110 °C – 20 °C = 90 K
ΔR = a · R1 · Δh
= 0,0039 1/K · 0,5 Ω · 90 K = 0,176 Ω
1
R2 = R1 + ΔR = 0,5 Ω + 0,175 Ω
= 0,676 Ω ≈ 0,68 Ω
Messung der Spannung
Die elektrische Spannung bewirkt, dass durch einen Widerstand ein elektrischer Strom fließt. Die
Spannung hat das Formelzeichen U und die Einheit
Volt (V), benannt nach Volta, italienischer Physiker,
1745 bis 1827. Die Spannung wird mit einem Spannungsmesser gemessen. Dieser wird zwischen die
Punkte der Schaltung geschaltet, zwischen denen
die zu messende Spannung liegt (Bild 1).
Das ohmsche Gesetz gibt den Zusammenhang
zwischen Stromstärke, Spannung und Widerstand
an. Dabei ist wichtig, dass es nur für zusammengehörige Größen gilt, z. B. nur für die Stromstärke,
die Spannung und den Widerstand desselben
Wicklungsteiles.
7
R
=
1Ø
6
5
Stromstärke ¡
Entsprechend zu den Stromarten unterscheidet
man Gleichspannung, Wechselspannung und
Mischspannung. Bei der Wechselspannung ist die
Sinusspannung besonders verbreitet.
8
A
4
2Ø
R=
3
3Ø
R=
2
R = 5Ø
1
0
0
1
2
3
4
5
6
7 V 8
Spannung U
2
Merkformel:
U
I = ––
R
I Stromdichte
U Spannung
R Widerstand (Resistanz)
I (U)-Kennlinie von ohmschen Widerständen
U = R·I
[I] = A
[U] = V
[R] = Ω
Bei konstantem Widerstand besteht zwischen
Stromstärke und Spannung ein linearer Zusammenhang (Bild 2). Widerstände mit dieser linearen
I (U)-Kennlinie nennt man ohmsche Widerstände.
Wiederholung und Vertiefung:
1. Geben Sie den Leistungsbereich von Transformatoren an.
2. Welche Aufgabe erfüllen Drehstromtransformatoren in einem Umspannwerk?
3. Wo findet man die größten elektrischen Maschinen?
4. Geben Sie den Leistungsbereich von elektrischen
Maschinen an.
5. Welche Einheit hat die elektrische Stromstärke?
Beispiel 2:
Ein Wicklungsstrang (Wicklungsteil) eines Drehstrommotors nimmt einen Strom von 2 A auf, wenn er an einer
Gleichspannung von 3 V liegt. Wie groß ist der ohmsche
Widerstand des Wicklungsstranges?
Lösung:
I = U/R π R = U/I = 3 V/2 A = 1,5 Ω
6. Was versteht man unter Einphasenwechselstrom?
7. Erklären Sie den Begriff Sinusstrom.
8. Welche Einheiten hat die Frequenz?
9. Was versteht man unter der Stromdichte?
10. Wie hängen Leitwert und Widerstand voneinander
ab?
11. Was versteht man unter ohmschen Widerständen?
1.3 Schaltungen von Zweipolen
1.3
15
Schaltungen von Zweipolen
¡
Als Zweipole bezeichnen wir Betriebsmittel mit
zwei Anschlüssen für den Betriebsstromkreis. Derartige Zweipole sind z. B. Glühlampen, Spulen
oder Spannungsmesser. Zweipole können Erzeuger oder Verbraucher sein.
R1
R2
U1
U2
U
Für Zweipole als Erzeuger gelten dieselben Gesetze wie für Zweipole als Verbraucher.
1
Eine Reihenschaltung liegt vor, wenn der Strom
nacheinander durch die Zweipole fließt, wenn also
das Ende des vorhergehenden Zweipols mit dem
Anfang des folgenden verbunden ist (Bild 1).
Reihenschaltung
¡
In der Reihenschaltung ist die Stromstärke an
jeder Stelle gleich.
R1
U
¡1
R2
V
¡2
Wegen U = R · I und wegen der gleichen Stromstärke I hat der Zweipol mit dem größten Widerstand in der Reihenschaltung auch die größte
Spannung.
2
Parallelschaltung
In der Reihenschaltung verhalten sich die Spannungen wie
die Widerstände.
U
R1
–––1 = –––
R2
U2
Knoten
3A
1A
In der Reihenschaltung ist die Gesamtspannung so
groß wie die Summe der Teilspannungen (Bild 1).
U Gesamtspannung
U1, U2… Teilspannungen
U = U1 + U2 + …
U
R1
2A
¡2
R2
¡1
Den Widerstand, der dieselbe Stromstärke aufnimmt wie eine Schaltung, nennt man Ersatzwiderstand der Schaltung. Wegen R = U/I folgt für
den Ersatzwiderstand der Reihenschaltung:
R Ersatzwiderstand
R1, R2… Teilwiderstände
¡
3
Knotenregel
R = R1 + R2 + …
In Reihe sind z. B. die Spulen der Wicklung eines
Drehstrommotors geschaltet.
Eine Parellelschaltung liegt vor, wenn alle Zweipole an dieselbe Spannung angeschlossen sind,
wenn also alle gleich liegenden Anschlüsse der
Zweipole miteinander verbunden sind (Bild 2).
In der Parallelschaltung liegt an jedem Zweipol
dieselbe Spannung.
Wegen I = U/R folgt die Parallelschaltung:
In der Parallelschaltung verhalten sich die Stromstärken umgekehrt wie die Widerstände.
R2
I1
–––
= –––
I2
R1
Bei der Parallelschaltung tritt mindestens eine
Stromverzweigung auf (Bild 3). Da an der Stromverzweigung kein Stau der Elektronen eintreten
kann, gilt folgender wichtiger Satz, übrigens auch
dann, wenn keine Parallelschaltung vorliegt (Knotenregel):
16
1.3 Schaltungen von Zweipolen
Bei einem Knoten fließt so viel Strom zu wie ab.
Schaltung
Aus der Knotenregel folgt, dass bei der Parallelschaltung die Gesamtstromstärke so groß ist wie
die Summe der Teilstromstärken.
I Gesamtstromstärke
I1, I2… Teilstromstärken
1. Ersatzschaltung
R1
2. Ersatzschaltung
R1
R = R1 + R4
I = I1 + I2 + …
R2
R3
R4 =
R2 • R3
R2 + R3
Wegen der gleichen Spannungen erhalten wir für
den Ersatzwiderstand der Parallelschaltung I = U/R
= U/R1 + U/R2 + …
1
1 1
–– = –– + –– +…
R R1 R2
1
Reduzierung einer gemischten Schaltung
G = G1 + G2 +…
Umfahrungssinn
Bei 2 Widerständen:
R1 · R2
R = ––––––––
R1 + R2
R Ersatzwiderstand
R1, R2… Teilwiderstand
R1
90 V
G Ersatzleitwert
G1, G2 Einzelleitwerte
230 V
Die meisten Verbraucher sind zueinander parallel
geschaltet, da sie dann dieselbe Spannung erhalten. Reicht die Stromstärke eines Erzeugers nicht
aus, so wird ein weiterer Erzeuger parallel geschaltet. In dieser Weise sind die Generatoren eines
Kraftwerkes parallel geschaltet.
Gemischte Schaltungen enthalten Reihenschaltungen und Parallelschaltungen (Bild 1). Zur Berechnung des Ersatzwiderstandes einer gemischten
Schaltung wandelt man nacheinander die Reihenschaltungen und Parallelschaltungen in ihre Ersatzschaltungen um und fasst diese wieder zusammen (Bild 1).
Außer der Knotenregel gilt bei gemischten Schaltungen die Maschenregel (Bild 2).
Bei den gemischten Schaltungen gibt es zwischen
zwei Knoten mehrere Wege für den Strom. Ähnlich
wie bei einem Netz sind Maschen vorhanden.
Fährt man in einem derartigen Netzwerk von einem beliebigen Knoten auf beliebigem Weg zum
selben Knoten zurück, so durchfährt man eine
größere oder kleinere Zahl von Spannungen. Die
Spannungen können dabei positiv oder negativ
sein. Positiv sind die Spannungen, wenn der Umfahrungssinn die gleiche Richtung hat wie der
Spannungspfeil. Negativ sind die Spannungen,
wenn der Umfahrungssinn gegen den Spannungspfeil (Bezugspfeil, Abschnitt 1.5) gerichtet ist. Die
Summe dieser Spannungen ist in einer Masche
gleich null.
R2
140 V
140 V - 230 V + 90 V = 0
R3
140 V - 140 V = 0
140 V
2
Maschenregel
Maschenregel: Bei einem elektrischen Netzwerk
ist die Summe der Spannungen gleich null,
wenn man von einem Knoten auf beliebigem
Weg zu ihm selbst zurückfährt.
U1 + U2 + … = 0
Gemischte Schaltungen treten innerhalb von elektrischen Maschinen häufig auf.
Wiederholung und Vertiefung:
1. Was versteht man unter Zweipolen?
2. Geben Sie das Kennzeichen einer Reihenschaltung
an.
3. Wie verhalten sich in der Parallelschaltung die Stromstärken zu den Widerständen?
4. Wie lautet die Knotenregel?
5. Wie lautet die Maschenregel?
1.4 Leistung, Arbeit, Energie
1.4
17
Leistung, Arbeit, Energie
L+
Die elektrische Leistung ist das Produkt aus Spannung und Stromstärke. Die Einheit der elektrischen
Leistung ist das Watt (W), benannt nach Watt, engl.
Ingenieur, 1736 bis 1819. Die Leistung hat das Formelzeichen P.
A
M
V
L-
1
P = U·I
Strom-Spannungsmessung zur Ermittlung der Leistung
Die auf dem Betriebsmittel angegebene Leistung
weicht oft von der Leistungsaufnahme ab, weil bei
der Herstellung Toleranzen zugelassen werden
müssen oder weil eine Alterung eintritt, z. B. bei
Glühlampen.
L
L
N
N
Hersteller
Typ M4382
AC Mot
Aus diesen Formeln erkennt man, dass bei gleichbleibendem R die Leistung quadratisch mit der Spannung oder mit der Stromstärke ansteigt (Bild 4).
Nr. 58406
230 V
12,3 A
2,2 kW S1
cos ƒ 0,8
1500/min
50 Hz
Isolierstoffklasse B
IP 44
VDE 0530/06.02
3
Leistungsschild eines Motors
2
Widerstand
R = 10 Ø
kW
Leistung P
Setzt man in P = U · I für U nach dem ohmschen
Gesetz U = R · I ein so erhält man P = R · I · I = I 2 · R.
Setzt man für I = U/R, so bekommt man P = U · U/R
= U 2/R.
1
Leistungsmessung mit Leistungsmessern
Die Bemessungsleistung von elektrischen Maschinen ist nicht die aufgenommene Leistung.
Es ist möglich, die elektrische Leistung zu berechnen, wenn nur Stromstärke und Widerstand oder
nur Spannung und Widerstand bekannt sind.
5
2
Bei Transformatoren und bei elektrischen Maschinen steht auf dem Leistungsschild die Leistungsabgabe. Das ist bei Motoren die mechanische Leistung. Die auf dem Leistungsschild angegebene
Leistung heißt Bemessungsleistung oder auch
Nennleistung (Bild 3).
Die Begriffe Bemessungswert und Nennwert bedeuten meist das Gleiche. Nach DIN 40200 ist der
Bemessungswert „ein für eine vorgegebene Betriebsbedingung geltender Wert einer Größe“ und
der Nennwert „ein gerundeter Wert einer Größe
zur Bezeichnung“. In neuen Normblättern wird
meist Bemessungswert verwendet.
+ -
2
1
Die elektrische Leistung kann mit einem Spannungsmesser und einem Strommesser indirekt ermittelt werden (Bild 1). Mit einem Leistungsmesser
erfolgt die direkte Messung der Leistung (Bild 2).
W
3
Diese Formel gilt bei Gleichspannung immer und
bei Wechselspannung dann, wenn der Verbraucher nur Wärme erzeugt.
3
5
[P] = V · A = W
2
P Leistung
U Spannung
I Stromstärke
1
0
0
4
8
Stromstärke
12 A 16
4
Abhängigkeit der Leistung von der Stromstärke
18
1.4 Leistung, Arbeit, Energie
Die elektrische Arbeit ist umso größer, je mehr
Leistung dem Netz entnommen wird und je länger
der Verbraucher eingeschaltet ist.
potenzielle
Energie
gespeichert
Lage 2
Die elektrische Arbeit hat das Formelzeichen W. Je
nach verwendeter Zeiteinheit hat die Arbeit die
Einheit Wattsekunde (Ws) mit dem besonderen
Einheitennamen Joule (J), benannt nach Joule,
engl. Physiker, 1818 bis 1889, oder die Einheit
Wattstunden (Wh).
Arbeit wird
verrichtet
Höhe h
Lage 1
W elektrische
Arbeit
P
elektrische
Leistung
t
Zeit
FG
[W] = Ws = J [W] = Wh
W=P·t
1
Arbeit und Energie beim Anheben
Die mechanische Arbeit ist das Produkt aus Kraft in
Wegrichtung und Weg. Sie hat die Einheit Newtonmeter (Nm) = Joule (J).
W mechanische
Arbeit
Fs Kraft in
[W] = Nm = Ws = J
Wegrichtung
s
Wp = FG • h
W = Fs · s
Weg
Beispiel 2:
Ein Motor hat eine Riemenscheibe von 100 mm Durchmesser und gibt bei 1440 1/min eine Leistung von 8 kW
ab. Welche Zugkraft wird auf den Riemen ausgeübt?
Lösung:
w = 2p · n = 2p · 1440/60 1/s = 150,8 1/s
P = M · w π M = P/w = 8 kW/150,8 1/s = 53,05 Nm
M = F · r π F = M/r = 53,05 Nm/0,05 = 1061 N
Die Arbeit geteilt durch die Zeit ist die Leistung.
P
Leistung
W Arbeit
t
[P] = Nm/s = Ws/s = W
Zeit
W
P = –––
t
Beispiel 1:
Mit einer Motorwinde wird zum Anheben einer Last von
300 kg eine Kraft von 3000 N aufgebracht. Die Last soll in
5 s um 10 m angehoben werden. Welche Leistung in kW
ist erforderlich?
Lösung:
Arbeit
W = Fs · s = 3000 N · 10 m = 30 kNm
Leistung P = W/t = 30 kNm/5 s = 6 kNm/s 6 kW
Bei drehender Bewegung, z. B. bei Motoren, steigt
die mechanische Leistung mit dem Kraftmoment
M und der Winkelgeschwindigkeit w.
Energie ist Arbeitsvermögen. Die Begriffe Arbeit
und Energie stellen dieselbe physikalische Größe
dar. Jedoch sagt man mit der Artbeit etwas über
den Vorgang aus, mit der Energie etwas über den
Zustand. Meist entsteht Energie durch Arbeitsaufwand (Bild 1).
Bei der mechanischen Energie unterscheidet man
potenzielle1 Energie und kinetische2 Energie. Dem
Eimer in Bild 1 wird Arbeit zugeführt, dadurch wird
er angehoben. Gegenüber dem Ausgangszustand
besitzt er nun potenzielle Energie.
Wp potenzielle Energie
FG Gewichtskraft
h
Höhe
Wp = FG · h
[Wp] = N · m = Nm = J
[M] = Nm
M=F·r
[w] = 1/s
w = 2p · n
P=M·w
M
Kraftmoment
w
Winkelgeschwindigkeit
(w griech. Kleinbuchstabe Omega)
Hebelarm, z. B. Halbmesser der Riemenscheibe
Kraft
Leistung
Umdrehungsfrequenz, Drehzahl
r
F
P
n
Beispiel 3:
Ein gefüllter Eimer mit der Gewichtskraft von 150 N wird
um 20 m angehoben. Wie groß ist seine potenzielle Energie gegenüber der Ausgangslage?
Lösung:
Wp = FG · h = 150 N · 20 m = 3000 Nm = 3000 Ws
= 3000 J = 3 kJ
1
potentia (lat.) = Vermögen, Macht;
2
kinetisch (griech.) = bewegt
Masse
v
Geschwindigkeit
[Wk] = kg · (m/s)2 = kg · m2/s2
= Nm = Ws = J
1
Wk = ––– m · v 2
2
Der Wirkungsgrad ist eine wichtige Kenngröße
von Transformatoren und elektrischen Maschinen.
Der Leistungswirkungsgrad ist das Verhältnis von
abgegebener Leistung zu zugeführter Leistung.
Man nennt ihn meist nur Wirkungsgrad.
n
Wirkungsgrad
(griech. Kleinbuchstabe Eta)
Pab
abgegebene Leistung
Pzu
zugeführte Leistung
1000 W
kinetische Energie
Verluste:
Reibung
60 W
Lüftung
50 W
Wicklungserwärmung
100 W
Eisenerwärmung
40 W
1
Leistungsfluss bei einem Umformer
1,0
0,8
Wirkungsgrad
Wk
m
Leistungs-Aufnahme
Die kinetische Energie ist die in bewegten Massen
gespeicherte Energie. Die kinetische Energie
nimmt linear mit der Masse und quadratisch mit
der Geschwindigkeit zu.
750 W
19
Leistungs-Abgabe
1.4 Leistung, Arbeit, Energie
Pab
n = ––––
Pzu
Beispiel:
Ein Motor nimmt 5 kW elektrische Leistung auf und gibt
4 kW mechanische Leistung ab. Wie groß ist sein Wirkungsgrad?
0,6
0,4
0,2
0
0
100 200 300 400 500 600 700 800 W 1000
Leistungsabgabe
2
Wirkungsgradkennlinie bei einem Motor
Lösung:
n = Pab /Pzu = 4 kW/5 kW = 0,8
Tabelle 1: Spezifische Wärmekapazität
in kJ/(kg · K)
Der Wirkungsgrad ist immer kleiner als 1, weil bei
jeder Energieumsetzung Verluste auftreten (Bild 1).
Der Wirkungsgrad ist bei Transformatoren und bei
elektrischen Maschinen stark von der Baugröße
und der Belastung abhängig (Bild 2).
Der Arbeitsgrad oder Nutzungsgrad ist eine Kenngröße von elektrischen Anlagen, bei denen die
Leistung nicht konstant ist, z. B. bei Netzen. Er ist
das Verhältnis von abgegebener Arbeit zur zugeführten Arbeit.
x
Arbeitsgrad (Zeta)
Wab abgegebene Arbeit
Wzu zugeführte Arbeit
Wärmekapazität
Q Wärme
Dh Temperaturunterschied
Q
C = ––––
Dh
0,92
0,39
0,46
0,88
4,19
Die auf die Masse bezogene Wärmekapazität heißt
spezifische Wärmekapazität.
Wab
x = ––––
Wzu
Wärme ist die beim Erwärmen zugeführte oder
beim Abkühlen entzogene Wärmeenergie. Sie hat
wie alle Energiearten die Einheit Joule (J). Wärme
tritt in Transformatoren und elektrischen Maschinen als unerwünschte Nebenwirkung auf. Jeder
Körper, z. B. ein Motor, hat ein Speichervermögen
für Wärme. Die speicherbare Wärme je Kelvin (K)
Temperaturunterschied nennt man Wärmekapazität.
C
Aluminium
Kupfer
Stahl
Polyvinylchlorid
Wasser
Die spezifische Wärmekapazität gibt die Wärme
an, welche die Masse-Einheit eines Materials
um 1 K erwärmt.
Die spezifische Wärmekapazität von Wasser ist besonders groß (Tabelle 1). Deshalb wird es zur Kühlung von großen Maschinen verwendet, obwohl
dann bei der Isolation Probleme entstehen.
c
spezifische
Wärmekapazität
m Masse
C
c = –––
m
Q = Dh · c · m
Wärmeübertragung erfolgt von Stellen höherer
Temperatur zu Stellen niedrigerer Temperatur.
20
1.5 Bezugspfeile
Wärmeübertragung kann erfolgen durch Wärmeleitung, z. B. innerhalb von Metallen, durch Konvektion (Wärmeströmung) bei der Fortbewegung
erwärmter Gase oder Flüssigkeiten, z. B. an großen
Transformatoren, und durch Strahlung, z. B. von
heißen Motoren.
1.5
+
G
U = 50 V
-
Bezugspfeile
In den Bildern des Buches werden Spannungen
und Ströme oft durch Pfeile angegeben. Diese Bezugspfeile (Zählpfeile) geben nicht in jedem Fall
die tatsächliche Richtung von Spannung und
Strom an.
1
Spannungsbezugspfeil bei einem Gleichspannungserzeuger
+
Spannungsbezugspfeile
Bei Gleichspannungserzeugern unterscheidet man
bekanntlich den Pluspol und den Minuspol (Bild 1).
Hier wird der Spannungsbezugspfeil vom Pluspol
zum Minuspol gezeichnet. Man hat vereinbart, von
einer positiven Spannung zu sprechen, wenn die
Richtung der Spannung (Plus nach Minus) gleich
dieser Bezugspfeilrichtung ist. Der Pluspol liegt
also dann dort, wo der Spannungsbezugspfeil beginnt, und der Minuspol ist dort, wo die Pfeilspitze
des Bezugspfeils hinzeigt (Bild 1). Umgekehrt ist
das bei einer negativen Spannungsangabe, z. B. –
12 V (Bild 2). Der Minuspol liegt dann dort, wo der
Bezugspfeil beginnt, und der Pluspol dort, wohin
die Pfeilspitze des Bezugspfeils zeigt.
Bei einer positiven Spannungsangabe ist der
Pluspol dort, wo der Bezugspfeil der Spannung
beginnt. Bei einer negativen Spannungsangabe
ist der Pluspol dort, wohin der Spannungsbezugspfeil zeigt.
Bei Wechselspannungserzeugern kann eigentlich
keine eindeutige Spannungsrichtung festgelegt
werden. Deshalb werden die Anschlüsse eines
Wechselspannungserzeugers auch nicht mit Plus
und Minus bezeichnet (Bild 3). Bei einem Wechselspannungsnetz werden die Anschlüsse meistens
mit L (Außenleiter) und N (Neutralleiter) bezeichnet. Eine Halbperiode lang ist bekanntlich dann L
gegenüber N positiv. In der nächsten Halbperiode
dagegen N gegenüber L. Eine Spannungsrichtung
kann deshalb eigentlich nicht angegeben werden.
Trotzdem ist die Angabe eines Spannungsbezugspfeiles üblich. Der Bezugspfeil von Bild 3 bedeutet,
dass von einer positiven Spannung gesprochen
R1
+
10 V
12 V
R2
-2V
-
2
Spannungsbezugspfeile bei einer Reihenschaltung
L
u
G
_
+
+
U_
-
N
t
3
Spannungsbezugspfeil bei einem Wechselspannungserzeuger
L
+
u
G
Spannungsbezugspfeile werden mit geraden oder
gebogenen Pfeilen gezeichnet (Bild 2). Man muss
dabei beachten, dass aus dem Bezugspfeil der Anfangspunkt und der Endpunkt des Stromkreises erkennbar sein müssen, zwischen denen die angegebene Spannung besteht.
+
_
U_
N
-
t
4
Wechselspannungserzeuger wie in Bild 3, aber mit
anderem Spannungsbezugspfeil
werden soll, wenn L gegenüber N positiv ist, von
einer negativen Spannung aber dann, wenn N gegenüber L positiv ist.
Die Kennzeichnung der Spannung mit positiv
oder negativ ist bei Wechselspannung nur dann
sinnreich, wenn Spannungsbezugspfeile gesetzt sind.
Derselbe Sachverhalt wie in Bild 3 wird durch
Bild 4 beschrieben. Infolge der Umkehrung des
Spannungsbezugspfeiles muss jetzt (Bild 4) in der
ersten Halbperiode von einer negativen Spannung
gesprochen werden, während vorher (Bild 3) in
derselben Halbperiode die Spannung positiv war.