CARL HANSER VERLAG Friedhelm Noack Einführung in die elektrische Energietechnik 3-446-21527-1 www.hanser.de Inhaltsverzeichnis I Bedeutung und Wesen der elektrischen Energie . . . . . . . . . . . . . . . 15 1 Energie und Gesellschaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.1 Bedeutung der elektrischen Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.2 Eigenschaften der elektrischen Energie . 1.2.1 Der Energiebegriff . . . . . . 1.2.2 Elektroenergieanwendung . . . 1.2.3 Elektroenergiequellen . . . . . 1.2.4 Elektroenergiespeicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 17 17 17 18 1.3 Besonderheiten der Elektroenergieversorgungssysteme 1.3.1 Synchronmaschinen als Kraftwerksgeneratoren . 1.3.2 Netzbelastung und Kraftwerkseinsatz . . . . . 1.3.3 Verbundnetz zum Lastausgleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 19 21 22 1.4 Energiebedarf und Energieversorgung . . . . . . . . . . . . . . 1.4.1 Entwicklung des Energiebedarfes . . . . . . . . . . . . . 1.4.2 Primärenergiebedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.2.1 Individueller Primärenergieverbrauch . . . . . . . . 1.4.2.2 Primärenergiestruktur . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.2.3 Primärenergiequellen . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.2.4 Internationaler Vergleich. . . . . . . . . . . . . . 1.4.3 Elektroenergiebedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.3.1 Entwicklung des Stromverbrauchs . . . . . . . . . . 1.4.3.2 Verbrauchergruppen und Energieträger . . . . . . . . 1.4.3.3 Internationaler Vergleich. . . . . . . . . . . . . . 1.4.4 Energieversorgungsunternehmen und Energierecht in Deutschland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 23 24 24 25 26 26 27 27 28 29 29 2 Energie und Leistung in elektrischen Kreisen . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.1 Energie und Leistung im Gleichstromkreis . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.2 Energie und Leistung im Wechselstromkreis. . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Sinusförmige Zeitfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 32 2.2.2 Augenblickswerte der Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.2.3 Zeigerdarstellung der Leistungen. . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.3 Leistungen im Drehstromsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.3.1 Spannungen und Ströme im Drehstromsystem . . . . . . . . . . . 39 2.3.2 Schaltungen der Abnehmer im Drehstromsystem . . . . . . . . . . 2.3.2.1 Sternschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 44 2.3.2.2 Dreieckschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.3.3 Leistungen im Drehstromsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Inhaltsverzeichnis 8 2.4 Leistungsfaktor und Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1 Leistungsfaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2 Wirkungsgrad der Energieumwandlung . . . . . . . . . . . . . . 51 51 52 2.5 Verluste in elektrischen Energieversorgungsnetzen . . . . . . . . . . . . 53 3 Energie in Feldern und Energiespeicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.1 Transport elektrischer Energie im elektrischen Strömungsfeld. . . . . . . . 55 3.2 Speicherung elektrischer Energie im elektrischen Feld . . 3.2.1 Speicherung in Raumladungen. . . . . . . . . 3.2.2 Speicherung in Kondensatoren. . . . . . . . . 3.2.3 Technische Ausführung von Kondensatoranlagen . 3.2.4 Stoßstromanlagen mit kapazitivem Energiespeicher . . . . . 55 56 57 59 60 3.3 Speicherung elektrischer Energie im magnetischen Feld . . . . . . . . . . 3.3.1 Speicherung in Spulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2 Stoßstromanlagen mit induktivem Energiespeicher . . . . . . . . . 61 61 63 3.4 Felder in den Energieversorgungsnetzen und Blindstromkompensation . . . . 3.4.1 Kompensation des Blindstrombedarfs induktiver Elemente . . . . . . 3.4.2 Kompensation der Blindstromlieferung kapazitiver Elemente . . . . . 64 64 66 3.5 Elektroenergiespeicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1 Elektrochemische Elemente . . . . . . . . . . . . . . 3.5.2 Schwungradenergiespeicher . . . . . . . . . . . . . . 3.5.3 Supraleitende Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . 3.5.3.1 Supraleiter in der Energietechnik . . . . . . . . 3.5.3.2 Supraleitende magnetische Energiespeicher (SMES) 3.5.4 Vergleich der Speichertechnologien . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 68 69 72 72 74 76 II Verfahren und Anlagen der Elektroenergiebereitstellung . . . . . . . . . . . 78 4 Thermische Kraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Kraftwerksarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.2 Dampfkraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Geschichtliches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2 Prinzip der Energiewandlung . . . . . . . . . . . . . 4.2.3 Thermodynamische Grundlagen . . . . . . . . . . . . 4.2.4 Wirkungsgrade des Kraftwerkes . . . . . . . . . . . . 4.2.5 Maßnahmen zur Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades 4.2.6 Thermodynamische Auslegung des Kreisprozesses . . . . 4.2.7 Energieumsatz in der Dampfturbine . . . . . . . . . . 4.2.8 Rauchgasreinigungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 79 79 83 85 85 88 92 93 4.3 Gasturbinenkraftwerke . . . . . . . . . . . 4.3.1 Thermodynamische Grundlagen . . . . . 4.3.2 Wirkungsgrad des Gasturbinenprozesses. . 4.3.3 Aufbau und Eigenschaften der Gasturbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 95 96 97 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Inhaltsverzeichnis 9 4.4 Gas- und Dampfturbinenkraftwerke (GuD) . . . . . . . . . . . . . . . 98 5 Kernkraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 5.1 Geschichtliches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 5.2 Kernphysikalische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 5.3 Spaltung schwerer Kerne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 5.4 Kernreaktoren für die Kernspaltung . 5.4.1 Aufbau der Reaktoren . . . . 5.4.2 Typen von Kernreaktoren. . . 5.4.2.1 Siedewasserreaktoren . 5.4.2.2 Druckwasserreaktoren . 5.4.3 Sicherheit der Kernkraftwerke . . . . . . . 104 104 106 106 107 107 5.5 Konversion schwerer Kerne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5.1 Schneller Brüter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5.2 Hochtemperaturreaktor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 110 111 5.6 Kernfusion . . . . . . . 5.6.1 Geschichtliches . . . 5.6.2 Fusionsbedingungen . 5.6.3 Fusionsreaktoren . . 5.6.4 Fusionskraftwerke . . . . . . 112 112 113 115 117 6 Wasserkraftanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 Geschichtliches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 6.2 Hydrodynamische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 6.3 Auslegung der Wasserturbinen . 6.3.1 Grundprinzip der Turbinen 6.3.2 Turbinenarten . . . . . 6.3.3 Auswahl der Turbinen . . 6.3.4 Auswahl der Generatoren . 6.3.5 Spezielle Turbinenarten . 6.3.6 Stelleinrichtungen. . . . . . . . . . . 122 122 123 129 130 132 132 6.4 Wasserkraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 6.5 Nutzung der Wasserkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 7 Windenergieanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 7.1 Geschichtliches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 7.2 Strömungstechnische Grundlagen . . . . . 7.2.1 Leistung des Windstromes . . . . . 7.2.2 Widerstandskonverter . . . . . . . 7.2.3 Auftriebskonverter . . . . . . . . 7.2.4 Anwendungen von Auftriebskonvertern 7.2.5 Leistungs- und Drehzahlregelung . . 136 136 137 140 143 144 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Inhaltsverzeichnis 10 7.3 Netzkopplung der Windkraftanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 7.4 Nutzung der Windkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 8 Solarenergieanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 8.1 Solarthermische Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.1 Solarstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.2 Solarthermische Kraftwerke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 150 151 8.2 Photovoltaikanlagen . . . . . . . . . 8.2.1 Geschichtliches . . . . . . . . . 8.2.2 Physikalische Grundlagen . . . . 8.2.3 Solarzellen . . . . . . . . . . 8.2.4 Elektrische Kennlinien der Module . 8.2.5 Anwendungsgebiete . . . . . . . 8.2.6 Nutzung der Photovoltaik. . . . . . . . . . . . 153 153 154 155 156 158 160 9 Verfahren zur Elektroenergiedirektumwandlung . . . . . . . . . . . . . . . 162 9.1 MHD-Generatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 9.2 Thermoelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 9.3 Thermionische Wandler 164 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4 Brennstoffzellen . . . . . . . . . . . . . . . 9.4.1 Geschichtliches . . . . . . . . . . . . . 9.4.2 Chemisch-physikalische Grundlagen . . . . 9.4.3 Eigenschaften von Brennstoffzellen . . . . 9.4.4 Anwendungen von Brennstoffzellensystemen . . . . . 165 165 165 167 169 . . . . . . . . . . . . 170 10 Stromsysteme für die Elektroenergieversorgung . . . . . . . . . . . . . . 170 10.1 Geschichtliches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 10.2 Einsatz der Stromsysteme . . 10.2.1 Gleichstromsysteme . 10.2.2 Wechselstromsysteme 10.2.3 Drehstromsysteme . . . . . . 171 171 172 172 10.3 Struktur der Energieversorgungsnetze . . . . . . . . . . . . . . . . 174 11 Betriebszustände von Drehstromsystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 11.1 Vorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 11.2 Sternpunktbehandlung von Drehstromsystemen . . . . . . . . . . . . 177 11.3 Überströme in Drehstromsystemen . . . 11.3.1 Kurzschlüsse im Drehstromsystem 11.3.2 Dreipoliger Kurzschluss. . . . . 11.3.3 Zweipoliger Kurzschluss . . . . 11.3.4 Einpoliger Fehler . . . . . . . 178 178 179 180 180 III Prozesse und Anlagen der Elektroenergieversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Inhaltsverzeichnis 11 11.3.5 Stromausgleichsvorgänge . . . . . . . . . . . 11.3.5.1 Zeitlicher Verlauf der Kurzschlussströme . 11.3.5.2 Inrushströme . . . . . . . . . . . . 11.3.5.3 Kondensator-Einschaltströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 182 185 185 11.4 Überspannungen in Drehstromnetzen . . . . . . . . . . . 11.4.1 Zeitweilige Spannungserhöhungen mit Betriebsfrequenz. 11.4.2 Beherrschung der stationären Spannungserhöhungen . . 11.4.3 Schaltüberspannungen . . . . . . . . . . . . . . 11.4.4 Blitzüberspannungen . . . . . . . . . . . . . . . 11.4.5 Beherrschung der transienten Überspannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 187 188 188 192 194 12 Geräte und Anlagen für die Elektroenergieübertragung. . . . . . . . . . . . 196 12.1 Generatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1.1 Aufbau und Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . . . . 12.1.2 Ausführungsformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1.2.1 Vollpolmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . 12.1.2.2 Schenkelpolmaschinen . . . . . . . . . . . . . 12.1.3 Betriebsverhalten der Synchronmaschine im stationären Betrieb 12.1.4 Regelung der Synchronmaschine im Netzbetrieb . . . . . . . 12.1.5 Asynchronmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 196 197 197 198 199 201 203 12.2 Transformatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2.1 Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . 12.2.2 Aufbau und Wirkungsweise . . . . . . . . . 12.2.3 Elektrisches Ersatzschaltbild des Transformators . 12.2.4 Ausführung der Drehstromtransformatoren . . . . . . . . . . . . . 203 203 203 205 208 12.3 Schaltgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 12.4 Messwandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 12.5 Überspannungsableiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.6 Drosselspulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 12.7 Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 12.8 Freileitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 12.9 Kabel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 12.10 Schaltanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 13 Erdungsanlagen und Schutzmaßnahmen. . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 13.1 Aufgaben der Erdung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 13.2 Stromverteilung im Erdreich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 13.3 Ausführung von Erdern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 13.4 Gefährdung durch Durchströmung . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.4.1 Auftreten der Schrittspannung . . . . . . . . . . . . . . . . 229 229 Inhaltsverzeichnis 12 13.4.2 Auftreten der Berührungsspannung . . . . . . . . . . . . . . 13.4.3 Körperimpedanz und Stromempfindlichkeit des Menschen . . . . . 13.5 Berührungsschutzmaßnahmen für Niederspannungsanlagen 13.5.1 Schutzforderungen . . . . . . . . . . . . . . 13.5.2 Schutzmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . 13.5.2.1 Schutz durch automatische Abschaltung . 13.5.2.2 Kleinspannung . . . . . . . . . . . 13.5.2.3 Schutzisolierung . . . . . . . . . . . 13.5.2.4 Schutztrennung . . . . . . . . . . . 13.5.2.5 Schutz durch nichtleitende Räume. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 231 233 233 233 233 236 237 237 237 14 Isolier- und Hochspannungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 14.1 Potenzialdifferenzen und elektrische Isolierungen . . . . . . . . . . . 238 14.2 Beanspruchung elektrischer Isolierungen durch Spannungsformen . . . . . 239 14.3 Elektrostatisches Feld von Anordnungen 14.3.1 Darstellung des Feldes . . . . 14.3.2 Homogenes Feld. . . . . . . 14.3.3 Inhomogenes Feld . . . . . . 14.3.4 Dielektrikum im Feld . . . . . 14.3.5 Geschichtetes Dielektrikum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 239 240 240 242 244 14.4 Elektrische Festigkeit von Isolierungen. . . . . . . . . . . 14.4.1 Isolierstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.4.2 Einflussgrößen auf die elektrische Festigkeit . . . . . 14.4.3 Durchschlagsmechanismen . . . . . . . . . . . . 14.4.4 Einfluss von Spannungsform und Einwirkdauer auf die elektrische Festigkeit . . . . . . . . . . . . . . . 14.4.5 Richtwerte für die elektrische Festigkeit von Isolierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 246 246 246 . . . . . . . . . . 249 250 14.5 Hochspannungserzeuger . . . . . . . . 14.5.1 Erzeugung hoher Wechselspannungen 14.5.2 Erzeugung hoher Gleichspannungen . 14.5.3 Erzeugung von Stoßspannungen . . . . . . . . . . 251 252 254 256 15 Blitz- und Überspannungsschutz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 15.1 Gewitterhäufigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.2 Entstehung von Gewitterwolken . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 15.3 Ladungstrennung in der Gewitterzelle . . . . . . . . . . . . . . . . 260 15.4 Typen von Blitzentladungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 15.5 Mechanismus der Blitzentladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 15.6 Blitzstromwirkungen . 15.6.1 Erststoßstrom . 15.6.2 Folgestoßstrom 15.6.3 Langzeitstrom. 264 264 265 265 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Inhaltsverzeichnis 13 15.7 Blitzschutzmaßnahmen in Hochspannungs-Elektroenergieanlagen . . . . . 15.7.1 Schutzraum gegen direkte Einschläge . . . . . . . . . . . . . 15.7.2 Überspannungsschutzgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 266 267 15.8 Blitzschutzmaßnahmen an Gebäuden 15.8.1 Geschichtliches . . . . . . 15.8.2 Äußerer Blitzschutz . . . . 15.8.3 Innerer Blitzschutz . . . . . . . . . 269 269 269 271 15.9 Schutz von Niederspannungs-Energieversorgungsanlagen . . . . . . . . 272 15.10 Schutz von Signal- und Informationsanlagen . . . . . . . . . . . . . 273 16 Lichtbogen und Plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.1 Erscheinungsformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 16.2 Physikalische Grundlagen . . . . . . . . . . . . 16.2.1 Plasma . . . . . . . . . . . . . . . . 16.2.2 Lichtbogen . . . . . . . . . . . . . . . 16.2.3 Entstehung des Lichtbogens . . . . . . . . 16.2.4 Bedingungen für die Existenz des Lichtbogens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 275 276 276 277 16.3 Charakteristik des Lichtbogens 16.3.1 Katodengebiet . . . 16.3.2 Anodengebiet . . . . 16.3.3 Bogensäule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 279 279 280 16.4 Elektrische Eigenschaften des Gleichstromlichtbogens . . . . . . . . . 16.4.1 Elektrische Kenngrößen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.4.2 Stabilität des Bogens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 280 281 16.5 Gleichstrom-Schaltlichtbogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.5.1 Löschbedingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.5.2 Methoden zur Lichtbogenlöschung . . . . . . . . . . . . . . 282 282 284 16.6 Wechselstrom-Schaltlichtbogen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.6.1 Wechselstromkennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.6.2 Löschen des Wechselstrom-Schaltlichtbogens . . . . . . . . . . 286 286 287 16.7 Technologische Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 IV Technologien der Elektroenergieanwendung . . . . . . . . . . . . . . . . 293 17 Leistungselektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.1 Geschichtliches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 17.2 Arten von Stromrichtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 17.3 Halbleiterventile . . . . . . . . 17.3.1 pn-Übergang . . . . . . 17.3.2 Halbleiterdiode . . . . . 17.3.3 Thyristor . . . . . . . . 17.3.4 Abschaltthyristoren (GTO) 295 295 295 296 297 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Inhaltsverzeichnis 14 17.3.5 Leistungstransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.3.6 Leistungsmodule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.4 Stromrichterschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.4.1 Halbleiterschalter und -steller für Wechsel- und Drehstrom 17.4.2 Netzgeführte Gleich- und Wechselrichter . . . . . . . . 17.4.3 Selbstgeführte Stromrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 300 . . . . 300 301 302 306 17.5 Einrichtungen zur Leistungssteuerung in Elektroenergieversorgungsnetzen mit Stromrichtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 18 Elektrische Maschinen und Antriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 18.1 Technisch-wirtschaftliche Bedeutung . . . . . . . . . . . . . . . . 310 18.2 Gleichstrommaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2.1 Ausführungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2.2 Aufbau und Wirkungsweise des Gleichstrommotors . . 18.2.3 Schaltungen und Kennlinien von Gleichstrommaschinen. 18.2.3.1 Gleichstrom-Reihenschlussmotor . . . . . . 18.2.3.2 Fremderregter Gleichstrommotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 311 311 313 313 314 . . . . . . . . . . . . 314 314 315 317 18.4 Linearmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.4.1 Prinzipieller Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.4.2 TRANSRAPID-Magnetschwebebahn . . . . . . . . . . . . . 319 319 320 18.5 Elektroautos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.5.1 Antriebskonzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.5.2 Energiequellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320 320 320 19 Elektrothermische Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 19.1 Technisch-wirtschaftliche Bedeutung . . . . . . . . . . . . . . . . 325 19.2 Umwandlungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 19.3 Indirekte Widerstandserwärmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 19.4 Direkte Widerstandserwärmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 19.5 Infrarotstrahlungserwärmung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 19.6 Lichtbogen- und Plasmaerwärmung . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 19.7 Induktionserwärmung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 19.8 Dielektrische Erwärmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.8.1 Kondensatorfelderwärmung . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.8.2 Mikrowellenerwärmung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 333 334 19.9 Elektronenstrahlerwärmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334 19.10 Laserstrahlerwärmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 18.3 Asynchronmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.3.1 Ausführungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.3.2 Aufbau und Wirkungsweise der Drehstromasynchronmaschine 18.3.3 Steuerung von Drehstromasynchronmaschinen . . . . . .