Elektrotechnik/ Elektronik für Maschinenbauer
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Herbert Bernstein Elektrotechnik/ Elektronik für Maschinenbauer Grundlagen und Anwendungen Mit 297 Abbildungen, 48 Tabellen und zahlreichen Beispielen Viewegs Fachbücher der Technik VII Inhaltsverzeichnis VORWORT ................................................................................................................................ V GRUNDLAGEN DER ELEKTROTECHNIK.................................................................... 1 1.1 Gleichstromkreis.......................................................................................................... 1.1.1 Elektrischer Gleichstromkreis.................................................................................. 1.1.2 Elektrische Spannung............................................................................................... 1.1.3 Ohmsches Gesetz ..................................................................................................... 1.1.4 Elektrischer Widerstand........................................................................................... 1.1.5 Reihenschaltung von Widerständen ......................................................................... 1.1.6 Parallelschaltung von Widerständen ...................................................................... 1.1.7 Belasteter und unbelasteter Spannungsteiler.......................................................... 1.1.8 Gemischte Schaltungen.......................................................................................... 1.1.9 Elektrische Arbeit und Leistung............................................................................. Gleichspannungs- und Gleichstromquellen................................................................ 1.2 1.2.1 Potentialbildung..................................................................................................... 1.2.2 Elektrolyt und Elektrolyse...................................................................................... 1.2.3 Galvanisches Element (Primärelemente) ............................................................... 1.2.4 Leclanche-Element................................................................................................. 1.2.5 Kohle-Zink-Trockenelemente................................................................................ 1.2.6 Quecksilberoxid-Zink-Trockenelement................................................................. 1.2.7 Bleiakkumulator..................................................................................................... 1.2.8 Nickel-Cadmium-Akkumulator.............................................................................. 1.2.9 Nickel-Eisen-Akkumulator .................................................................................... 1.2.10 Chemische Spannungsquelle.................................................................................. 1.2.11 Reihenschaltung von chemischen Spannungserzeugern......................................... 1.2.12 Parallelschaltung von chemischen Spannungserzeugern........................................ 1.3 Ohmsche Widerstände ............................................................................................... 1.3.1 Werkstoffe ............................................................................................................. 1.3.2 Eigenschaften von Widerständen ........................................................................... 1.3.3 Bauarten von Widerständen................................................................................... 1.3.4 Belastbarkeit von Widerständen ............................................................................ 1.3.5 Potentiometer und Einsteller .................................................................................. 1.3.6 Spannungsteiler...................................................................................................... 1.3.7 Brückenschaltung................................................................................................... 1.3.8 NTC- und PTC-Widerstände ................................................................................. 1.3.9 Feldplatte ............................................................................................................... 1.3.10 Photowiderstände................................................................................................... 1.3.11 Varistoren (VDR-Widerstände).............................................................................. 1.4 Kondensatoren ........................................................................................................... 1.4.1 Physikalische Grundlagen...................................................................................... 1.4.2 Elektrisches Feld .................................................................................................... 1 2 3 4 5 9 11 12 14 15 16 16 19 20 22 24 26 26 27 28 29 31 33 35 36 37 38 41 42 44 46 47 50 52 53 54 54 57 1 VIII Inhaltsverzeichnis 1.4.3 Kondensatoren an Gleichspannung........................................................................ 1.4.4 Aufbau von Festkondensatoren.............................................................................. 1.4.5 Elektrolytkondensatoren......................................................................................... 1.4.6 Kondensator an Rechteckspannung........................................................................ 1.4.7 Differenzierglied.................................................................................................... 1.5 Spulen ........................................................................................................................ 1.5.1 Physikalische Grundlagen ...................................................................................... 1S.2 Magnetischer Fluss und magnetische Feldstärke.................................................... 1S . 3 Magnetische Feldstärke und magnetische Flussdichte ........................................... 1.5.4 Hysterese................................................................................................................ 1.5.5 Permeabilität .......................................................................................................... 1.5.6 Luftspulen .............................................................................................................. 1.5.7 Spulen mit magnetisierbarem Kern ........................................................................ 1.5.8 Blechkerne ............................................................................................................. 1.5.9 Messung einer idealen Spule.................................................................................. 1.5.10 Ideale Spule im Wechselstromkreis....................................................................... 1.5.11 Messung einer realen Spule.................................................................................... Transformatoren und Übertrager................................................................................ 1.6 1.6.1 Funktionsweise....................................................................................................... 1.6.2 Kleintransformatoren............................................................................................. 1.6.3 Simulation eines idealen Transformators............................................................... 1.6.4 Berechnung eines Transformators.......................................................................... 2 58 61 63 65 68 69 69 70 71 73 75 75 77 77 78 81 82 83 84 85 86 89 THEORIE UND PRAXIS DER WECHSEL- UND DREHSTROMTECHNIK ..............91 Grundlagen des Wechselstromkreises........................................................................ 2.1 2.1.1 Erzeugung von Wechselspannung.......................................................................... 2.1.2 Kraft auf parallele Stromleiter................................................................................ 2.1.3 Kraft auf stromdurchflosseneLeiter im Magnetfeld .............................................. 2.1.4 Kraft im Magnetfeld ............................................................................................... 2.1.5 Induktion der Bewegung ........................................................................................ 2.1.6 Feldlinien ............................................................................................................... 2.1.7 Induktionsgesetz..................................................................................................... 2.1.8 Drehstrom ............................................................................................................ 2.1.9 Drehstromübertragung......................................................................................... 2.1.10 Vergleich zwischen Stern- und Dreieckschaltung................................................ Widerstand, Kondensator und Spule im Wechselstromkreis................................... 2.2 2.2.1 Ohmscher Widerstand im Wechselstromkreis...................................................... 2.2.2 Kondensator im Wechselstromkreis..................................................................... 2.2.3 Spule im Wechselstromkreis................................................................................ 2.2.4 Zeiger- und Liniendiagramm ................................................................................ 2.2.5 Phasenverschiebungzwischen Spannung und Strom ........................................... 2.2.6 Induktive und kapazitive Blindleistung................................................................ 2.2.7 Scheinleistung...................................................................................................... 2.3 Wechselstromkreise................................................................................................. 2.3.1 Widerstand-Kondensator-Reihenschaltung.......................................................... 2.3.2 Reihenschaltung von Widerstand und Spule ........................................................ 2.3.3 Reihenschaltung von Widerstand, Kondensator und Spule.................................. 2.3.4 Parallelschaltung von Widerstand, Kondensator und Spule ................................. 91 91 92 93 95 96 98 98 101 102 105 107 107 108 110 111 112 114 118 120 120 124 127 131 Inhaltsverzeichnis 2.3.5 Leistung im Wechselstromkreis........................................................................... 2.3.6 Kompensationsschaltung für den Einphasenbetrieb............................................. 2.4 Drehstrom ................................................................................................................ 2.4.1 Simulation einer symmetrisch belasteten Sternschaltung..................................... 2.4.2 Simulation einer symmetrisch belasteten Dreieckschaltung................................. Elektrische Arbeit und Energie ................................................................................ 2.5 2.5.1 Allgemeine Leistungsmessung ............................................................................. 2.5.2 Leistungsmessung bei Wechselstrom................................................................... 2.5.3 Leistungsmessung bei Drehstrom......................................................................... 3 IX 133 139 141 142 144 145 146 148 152 HALBLEITERBAUELEMENTE FÜR DIE LEISTUNGSELEKTRONIK ...................155 Aufbau und Anwendungen von Dioden ................................................................... 3.1 3.1.1 pn-Übergang bei Dioden ...................................................................................... 3.1.2 Kennlinien von Dioden ........................................................................................ 3.1.3 Statische Aufnahme einer Diodenkennlinie ......................................................... 3.1.4 Statischer und dynamischer Innenwiderstand ...................................................... 3.1.5 Z-Dioden .............................................................................................................. 3.1.6 Diode als Einweggleichrichtung.......................................................................... 3.1.7 Zweiweggleichrichtung ........................................................................................ 3.1 .8 Brückengleichrichtung......................................................................................... 3.1.9 Drehstrom-Einweggleichrichtung ........................................................................ 3.1.10 Drehstrom-Brückengleichrichtung....................................................................... 3.1.11 Einweggleichrichtermit Ladekondensator........................................................... 3.1.12 Zweiweggleichrichtung mit Ladekondensator...................................................... 3.1.13 Brückengleichrichtungmit Ladekondensator....................................................... 3.1.14 Begrenzerschaltungenmit Dioden und Z-Dioden ................................................ 3.1.15 Elektronische Schalterfunktionenmit Dioden...................................................... 3.1.16 ODER- und UND-Gatter in RDL-Technik .......................................................... 3.1.17 Freilaufdiode........................................................................................................ Schaltungstechnikmit Transistoren ......................................................................... 3.2 3.2.1 Wirkungsweise des npn-Transistors..................................................................... 3.2.2 Untersuchung der Verstärkerwirkung eines npn-Transistors ............................... 3.2.3 Grundschaltung eines npn-Transistors ................................................................. 3.2.4 Verstärkerschaltungenmit Transistor .................................................................. 3.2.5 Transistor als Schalter.......................................................................................... 3.2.6 Digitale Transistorschaltungen............................................................................. 3.2.7 RS-Kippglieder (Flipflops) in RTL-Technik ....................................................... Leistungselektronikmit Thyristoren und TRIAC .................................................... 3.3 3.3.1 Vierschichtdiode.................................................................................................. 3.3.2 Thyristor .............................................................................................................. 3.3.3 Dynamisches Verhalten von Thyristoren ............................................................. 3.3.4 Löschverfahren .................................................................................................... 3.3.5 Schutzschaltungen................................................................................................ 3.3.6 Leistungssteuerung............................................................................................... 3.3.7 Phasenanschnittsteuerung ..................................................................................... 3.3.8 Leistungselektronikmit TRIAC ........................................................................... 3.3.9 Phasenanschnitt mit DIAC und TRIAC ............................................................... 3.3.10 Thyristor als steuerbarer Gleichrichter................................................................. 156 157 160 161 164 166 168 169 171 174 176 177 181 182 184 188 194 198 200 202 210 213 217 225 230 237 238 239 241 248 250 252 253 259 268 272 275 X 4 Inhaltsverzeichnis ELEKTROMOTORENIN DER ANTRIEBSTECHNIK................................................ 283 Berechnungen zur Mechanik und Elektrotechnik .................................................... 283 4.1 4.1.1 Mechanische Arbeit und Energie ......................................................................... 283 4.1.2 Mechanische Leistung.......................................................................................... 285 4.1.3 Mechanische Leistung bei Drehbewegung ........................................................... 285 4.1.4 Wirkungsgrad....................................................................................................... 286 4.1.5 Hydraulik und Pneumatik..................................................................................... 288 4.1.6 Drehmoment und Hebel ....................................................................................... 290 4.2 Gleichstromantriebe................................................................................................. 291 4.2.1 Gleichstromgeneratoren....................................................................................... 293 4.2.2 Gleichstrommotoren............................................................................................. 297 4.2.3 Drehzahlsteuerungbei Gleichstrommotoren ........................................................ 299 4.2.4 Ein- und Mehrquadrantenbetrieb ......................................................................... 300 4.3 Drehstrommotor....................................................................................................... 303 4.3.1 Wirkungsweise des Asynchronmotors ................................................................. 304 4.3.2 Schlupf, Moment und Drehzahl ........................................................................... 307 4.3.3 Ansteuerung eines Drehstrommotors ................................................................... 310 4.3.4 Wirkungsgrad und Verlust ................................................................................... 316 4.3.5 Magnetfeld ........................................................................................................... 318 4.3.6 Sterndreieckschalter............................................................................................. 318 4.3.7 Drehrichtung bei Drehstrommotor ....................................................................... 321 4.3.8 Drehzahl bei Drehstrommotoren .......................................................................... 321 4.3.9 Drehzahländemngen ............................................................................................ 323 4.3.10 Schlupfsteuerung.................................................................................................. 326 4.3.11 Verlustfreie Steuerung durch Frequenzänderung................................................. 327 4.3.12 Motordaten........................................................................................................... 329 4.3.13 Belastungscharakteristik....................................................................................... 333 4.3.14 Reluktanzmotor.................................................................................................... 335 Praxis der Antriebstechnik....................................................................................... 337 4.4 4.4.1 Drehstromantriebemit einer oder mehreren festen Drehzahlen ........................... 338 4.4.2 Dimensionierung aus Lastmoment, Schwungmasse und Schalthäufigkeit ...........341 4.4.3 Sanftanlauf und Sanftumschaltung....................................................................... 343 4.4.4 Mechanische Verstellgetriebe .............................................................................. 344 347 4.4.5 Auswahl für ein Untersetzungsgetriebe................................................................ 4.5 Wechselstrommotoren............................................................................................. 350 4.5.1 Einphasenkommutatormotor oder Universalmotor .............................................. 350 4.5.2 Drehstrommotor als Einphasenmotor................................................................... 351 SACHWORTVERZEICHNIS................................................................................................. 354
