18. Versorgung mit elektrischer Energie
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18. Versorgung mit elektrischer Energie 18.1 Der Transformator Führe den Schülerversuch zum Transformator durch! 1. Unbelasteter Transformator: Spannungsverhältnis: U1 : U2 = N1 : N2 Versorgung mit elektr. Energie Herleitung des Übersetzungsverhältnisses Trafo I Aus der zweiten Kirchhoffschen Regel folgt für den Primärkreis: U1 II U L1 10V ~ U2 800W / 1600W U1 + UL1 = 0 UL1 = – U1 die durch die Selbstinduktion bewirkte Spannung. Wegen der hohen Induktivität fließt im Primärkreis nur ein sehr geringer um /2 verschobener Wechselstrom (Blindstrom). Wenn sich an II kein Verbraucher befindet, ist I2 = 0. In einer Windung der Primärspule wird eine Spannung von induziert. Versorgung mit elektr. Energie U1 N1 Da der magnetische Fluss fast ausschließlich durch den Eisenkern geht, treten keine Verluste auf. Daher wird in einer Windung von II die Spannung II: U2 U1 induziert und daher in der ganzen Spule II: N1 U1 N1 N 2 Daraus folgt für die Spannungsübersetzung: U2 U1 N2 N1 ü Versorgung mit elektr. Energie 2. Belasteter Trafo Führe Schülerversuch 3 durch! Trafo I II A U1 12V ~ U L1 1600W / 800W 1 2 Erkenntnis: Beim belasteten Trafo steigt die Stromstärke auch im Primärkreis. Je heller die Lämpchen in II leuchten, desto höher die Stromstärke in I. Stromübersetzung ? Versorgung mit elektr. Energie Stromübersetzung ? Ansatz: Leistung im Primärkreis = Leistung im Sekundärkreis U 1eff I1eff cos 1 U 2 eff I 2 eff cos 2 Es gilt annähernd: und daher: I1 I2 U2 U1 N2 N1 1 2 ü Die Ströme werden verkehrt proportional zur Windungszahl transformiert. Versorgung mit elektr. Energie Anwendungen des Transformators: Versuch: Lange Leitung 10k Die beiden Widerstände simulieren den Leitungswiderstand 230V ~ Ergebnis: Lange Leitung Die Lampe leuchtet nicht. Der Hochspannungstrafo Trafo 10k Trafo 230V ~ 10000W / 500W 500W / 10000W Lange Leitung Ergebnis: Die Lampe leuchtet. Versorgung mit elektr. Energie Berechne jeweils die Stromstärke, wenn die Leistung gleichbleibt! Spannung U Stromstärke I Leistung P=U.I Kraftwerk 10 kV 1000 A Hochspannungstrafo 200 kV " Umspannwerk 20 kV " Ortstrafo 230 V " Spannung U Stromstärke I Leistung P=U.I Kraftwerk 10 kV 1000 A 10 MW Hochspannungstrafo 200 kV 50 A " Umspannwerk 20 kV 500 A " Ortstrafo 230 V 43478 A " Versorgung mit elektr. Energie Schweißtrafo Trafo 230V ~ 600W / 5W Nagel Der Nagel glüht und schmilzt dann durch. Versorgung mit elektr. Energie 18.2 Dreiphasenwechselstrom (Drehstrom) Überlegung: R Leitung Verbraucher ~ Verluste durch Spannungsabfall an beiden Leitungen. R Leitung Könnte man eine Leitung einsparen? Versorgung mit elektr. Energie Drehstromgenerator: 3 Statorwicklungen sind gegeneinander jeweils um 120° (= 2/3) versetzt. L1, L2, L3 ... Phasenleiter N ... Neutralleiter (Nullleiter) er wird meist geerdet. In allen 3 Wicklungen wird eine Wechselspannung induziert. Simulation Versorgung mit elektr. Energie Versorgung mit elektr. Energie Phasen Versorgung mit elektr. Energie Phasen u 1 U 01 sin t 2 f 100 u 2 U 02 sin( t 2 ) 3 u 3 U 03 sin( t 4 ) 3 Versorgung mit elektr. Energie Sternschaltung Versorgung mit elektr. Energie Addiert man die 3 Spannungen (Simulation mit Excel), so sieht man: U1 + U 2 + U3 = 0 Werden nun die 3 Phasen gleichmäßig belastet (gleiche Verbraucher), so haben wir in allen 3 Phasen gleiche Phasenwinkel zwischen Spannung und Stromstärke. und daher: Summe der Stromstärken: I1 + I2 + I3 = 0 Das heißt aber, dass die Stromstärke im Neutralleiter 0 ist. Daher kann die Rückleitung dünn gehalten werden. Bei den großen Überlandleitungen lässt man sie überhaupt weg. Versorgung mit elektr. Energie Bemerkung: Bei Hausinstallationen ist es wichtig, alle drei Phasen möglichst gleichmäßig zu belasten. Bei Geräten mit großer Leistungsaufnahme werden alle drei Phasen verwendet. (z. B. E-Herd, Boiler, ....) In Österreich und im Großteil der EU-Länder haben wir zwischen Phase und Nullleiter eine Spannung von Ueff = 230 V. Versorgung mit elektr. Energie Dreiecksschaltung Versorgung mit elektr. Energie U2 U1 .... Potential am Phasenleiter 1 U2 .... Potential am Phasenleiter 2 U3 .... Potential am Phasenleiter 3 U1 U3 -U2 U1-U2 Die Potentialdifferenz zwischen Phasenleiter 1 und Phasenleiter 2 beträgt : U 1,2 U 1 U 2 U 1, eff 3 ( = 400 V) Zwischen 2 Phasen des Drehstroms herrscht eine Spannung von 400 V. Versorgung mit elektr. Energie Sternschaltung Dreiecksschaltung 400V 230V 400V 230V 230V Versorgung mit elektr. Energie 400V Bei Verwendung von 400 V ( 3 -fache Spannung) ergibt sich am selben Verbraucher wegen P = U²/R die 3 - fache Leistung. Vorteile des Dreiphasenwechselstromes: 1. Einsparung der Rückleitung über das Hochspannungsnetz (nicht im Ortsnetz) 2. Es stehen zwei verschiedene Spannungen, eine mit viel höherer Leistung zur Verfügung. 3. Der Drehstrom eignet sich für den Betrieb einfacher Elektromotoren. Versorgung mit elektr. Energie 18.3 Drehstrommotoren 18.3.1 Synchronmotor Versuch: Prinzip des Synchronmotors: Ergebnis: Die Magnetnadel dreht sich synchron mit. N S S N Statt des rotierenden Hufeisenmagneten verwenden wir ein magnetisches Drehfeld, das mit Drehstrom gespeist wird. Versorgung mit elektr. Energie Versorgung mit elektr. Energie Statt des rotierenden Hufeisenmagneten verwenden wir ein magnetisches Drehfeld, das mit Drehstrom gespeist wird. Entstehen des magnetischen Drehfelds. Das resultierende Magnetfeld rotiert. Magnetisches Drehfeld. Versorgung mit elektr. Energie Der Synchronmotor ist ein Motor mit konstanter Drehzahl. Der Rotor muss über Schleifringe mit Gleichstrom gespeist werden. Um auf die richtige Drehzahl zu kommen, muss er angeworfen werden. (mit Anlaufmotor oder entsprechender Schaltung). Bei Überlastung gerät er außer Tritt. Seine Drehzahl errechnet sich aus: ns ... f ... p ... ns f 60 Drehzahl Synchronmotor Frequenz des Drehstroms Anzahl der Polpaare Versorgung mit elektr. Energie p 18.3.2 Der Asynchronmotor Versuch: Ergebnis: Der Alu-Ring dreht sich mit einem gewissen Schlupf mit. N S Al-Ring Verwendung eines magnetischen Drehfeldes: Im Alu-Ring entstehen Wirbelströme, die nach der Lenzschen Regel so gerichtet sind, dass sich der Ring mitdreht. Die Wirbelströme bleiben nur solange bestehen, als ein Schlupf zwischen Drehfeld und Ring existiert. (=kleiner Drehzahlunterschied) Bei Belastung des Motors geht seine Drehzahl zurück. Es entsteht ein stärkerer Induktionsstrom. Dieser bewirkt ein stärkeres Drehmoment Die Drehzahl steigt wieder. Versorgung mit elektr. Energie Technische Ausführung: Käfiganker. (vgl. B. S. 90. Abb. 90.4) • Vorteile: robust. Keine leitende Verbindung zu rotierenden Teilen. • Schlupf: s ns n ns n ... Drehzahl des Motors (Läufers) ns ... Drehzahl des Drehfeldes Versorgung mit elektr. Energie 18.4 Stromversorgung. Ermittle aus dem Buch und verschiedenen Unterlagen: 1. Wie erfolgt der Stromtransport vom Kraftwerk zum Verbraucher? (verschiedene Spannungsebenen) 2. Welches ist die vordringliche Aufgabe eines EVUs. Wie wird diese Aufgabe bewältigt. 3. Belastungsdiagramm 4. Welche Kraftwerkstypen werden wofür eingesetzt? 5. Versorgung Österreichs mit Strom, Art der Strombeschaffung (Kraftwerkstyp, Import, Export,...) Versorgung mit elektr. Energie Vom Kraftwerk zum Verbraucher Versorgung mit elektr. Energie Ende
