Formelsammlung Elektrische Energietechnik www.ei-studium.de Teil I Elektrische Energietechnik Inhaltsverzeichnis I Elektrische Energietechnik Erstelldatum: 12. Februar 2015 1 1 1 Wechselstromsystem 1.1 Effektivwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Phasenverschiebungswinkel . . . . . . . . . 1.3 Elektrische Leistung . . . . . . . . . . . . . 1.4 Drehstromsystem . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.1 Symmetrisches Drehstromsystem . . 1.4.2 Drehoperatoren . . . . . . . . . . . . 1.4.3 Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.4 Sternschaltung . . . . . . . . . . . . 1.4.5 Dreieckschaltung . . . . . . . . . . . 1.4.6 Kopplung der Leiter untereinander und zur Erde . . . . . . . . . . . . . 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 Elektrische Maschinen 2.1 Transformator . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Einphasiges ESB eines Transformators 2.1.2 Leerlauf . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3 Dauerkurzschluss . . . . . . . . . . . 2.1.4 Belastung mit Bemessungsstrom . . 2.1.5 Drehstromtransformator . . . . . . . 2.2 Gleichstrommaschine (GMA) . . . . . . . . 2.2.1 Grundgleichungen für den stationären Betrieb . . . . . . . . . . . . 2.2.2 GMA mit Fremderregung/Nebenschluss . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3 Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . 2.3 Synchronmaschine (SMA) . . . . . . . . . . 2.4 Asynchronmaschine (AMA) . . . . . . . . . 3 3 3 3 3 3 3 3 3 Übertragung elektrischer Energie 3.1 Vereinfachte Leitungsbetrachtung . . . . . . 3.2 Leitung als Vierpol . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Übertragung der natürlichen Leistung . . . 3.3.1 Übertragung der natürlichen Leistung P2 = Pnat . . . . . . . . . . . . 3.3.2 Übertragung von P2 < Pnat . . . . . 3.3.3 Übertragung von P2 > Pnat . . . . . 5 5 6 6 4 Hochspannungstechnik 4.1 Gasdurchschlag . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Homogenes oder schwach inhomogenes Feld . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2 Stark inhomogenes Feld . . . . . . . 4.2 Lichtbogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Kennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1 Ayrton-Gleichung . . . . . . . . . . 4.5 Löschung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 8 Wechselstromsystem 1.1 Effektivwert Ueff v Z u1 u u2 (τ )dτ =U =t T T û U = √ für sinusförmige Größen 2 1.2 Phasenverschiebungswinkel 2 ϕ = ϕui = ϕu − ϕi 1.3 Elektrische Leistung Komplexe Leistung S = U · I∗ = Komplexe Wechselleistung 1 û · î 2 S̃ = U · I = 4 4 4 4 5 1 ∗ û · î = P + jQ 2 Momentanwert der Wechselleistung p̃(t) = Re{S̃ · ej2ωt } Leistungsfaktor λ= |P | = | cos(ϕ)| S Wirkfaktor 6 7 7 cos(ϕ) = Blindfaktor sin(ϕ) = 1.4 8 8 8 8 8 8 9 PW S Q S Drehstromsystem 1.4.1 Symmetrisches Drehstromsystem U1 = U2 = U3 U12 = U21 = U23 = U32 = U31 = U13 √ U12 = 3 · U1 U1 + U2 + U3 = 0 U 12 + U 23 + U 31 = 0 1.4.2 Drehoperatoren a = ej 2π 3 U 2 = a2 · U 1 U3 = a · U1 1 + a + a2 = 0 Keine Garantie auf Vollständigkeit und Richtigkeit! 1 Formelsammlung Elektrische Energietechnik 1.4.3 www.ei-studium.de Erstelldatum: 12. Februar 2015 Im Leistung Komplexe Leistung S = U 1 · I ∗1 + U 2 · I ∗2 + U 3 · I ∗3 U31 S = 3U 1 · I ∗1 falls symmetrisch U3 U1 Komplexe Wechselleistung 120° U23 S̃ = U 1 · I 1 + U 2 · I 2 + U 3 · I 3 Re U2 S̃ = 0 1.4.4 U12 Sternschaltung L3 L2 U3 U2 L1 U1 N I1 I3 I2 U U1 Z V U2 Z Im W U3 Z I1 I31 I12 120° Re I3 1.4.5 I23 Dreieckschaltung L3 L2 L1 N I2 U3 U2 U1 I1 I3 I2 U V W I23 I12 U12 U23 Z 1.4.6 Kopplung der Leiter untereinander und zur Erde Z Die Kopplung kann wie folgt beschrieben werden: Z U31 I31 U1 A U 2 = B U3 B B A B B I1 B I 2 A I3 I 1 = I 12 − I 31 I 2 = I 23 − I 12 I 3 = I 31 − I 23 Für ein symmetrisches System gilt außerdem: I = |I 1 | = |I 2 | = |I 3 | I∆ = |I 12 | = |I 23 | = |I 31 | √ I = 3 · I∆ U∆ = |U 12 | = |U 23 | = |U 31 | Keine Garantie auf Vollständigkeit und Richtigkeit! A: Eigenimpedanz längs des Leiters B: Koppelimpedanz zwischen den Leitern Für den symmetrischen Fall vereinfacht sich dies zu: U1 I1 U 2 = (A − B) I 2 | {z } U3 I3 Z b 2 Formelsammlung Elektrische Energietechnik 2 www.ei-studium.de Elektrische Maschinen 2.1 2.1.4 Erstelldatum: 12. Februar 2015 Belastung mit Bemessungsstrom Transformator 2.1.1 I1 x x jXσ2 jXσ1 R1 Iw0 R2 x I2 x x U1 U2 x 1 ü = w w2 Ur1T Un1 ü = Ur2T ≈ U n2 R1 R2x = ü2 · R2 Xσ1 x Xσ2 = ü2 · Xσ2 RF e Xh U1 U x2 = ü · U 2 I2 ü SrT Ur1T U2 jXh Rfe Übersetzung Übersetzung (bessere Definition) Ohmscher Widerstand der OS-Wicklung Ohmscher Widerstand der US-Wicklung auf OS-Seite bezogen Streureaktanz der OS-Wicklung Streureaktanz der US-Wicklung auf OS-Seite bezogen Eisenwiderstand Hauptreaktanz Spannung auf der OS-Seite Spannung auf der US-Seite auf OS-Seite bezogen Strom auf der OS-Seite Strom auf der US-Seite auf OS-Seite bezogen Bemessungsleistung Außenleiter-Bemessungsspannung SrT = Zk = 2.1.2 jXk Rk I2 Ih U1 I1 I x2 = I1 Einphasiges ESB eines Transformators √ Rk = R1 + R2x x Xk = Xσ1 + Xσ2 2.1.5 Drehstromtransformator Die Ersatzschaltbilder entsprechen den √ oben genannten, jedoch müssen die Spannungen durch 3 geteilt werden. 3 · Ur1T · Ir Uk U2 = uk · r1T Ir SrT 2.2 Gleichstrommaschine (GMA) Leerlauf Im Leerlauf (I x2 = 0) können der Widerstand R1 und die Streureaktanz Xσ1 vernachlässigt werden. Für den Leerlaufstrom ergibt sich dann: q U 2 + I2 I10 = Im0 mit I m0 = I h = 1 w0 jXh IA RV U RV U RA RA U 2.1.3 Dauerkurzschluss I1 Rk jXk Ui uk = Ur : uk : RE UE IE U1 Uk : UkT : Φ Uk UkT = Ur Ur1T Kurzschlussspannung (= U1 bei Bemessungsstrom) Kurzschlussspannung (Außenleiterspannung bei Bemessungsstrom) Bemessungsspannung (Leiter-Erde-Spannung) Relative Kurzschlussspannung Keine Garantie auf Vollständigkeit und Richtigkeit! U Ui IA IE RA RV Φ Klemmenspannung Im Anker induzierte Spannung Ankerstrom Erregerstrom Widerstand des Ankerkreises Vorwiderstand Wirksamer magn. Fluss bei el. Erregung 3 Formelsammlung Elektrische Energietechnik 2.2.1 www.ei-studium.de Grundgleichungen für den stationären Betrieb K1 , K2 M n n0 v r Ω Erstelldatum: 12. Februar 2015 3 ) Bestimme alle RA0 bis RAz∗ : Maschinenkonstanten Drehmoment Drehzahl Leerlaufdrehzahl Geschwindigkeit Radius Winkelgeschwindigkeit Mmax Imax RA0 RA1 RAz∗ −1 = = = = ... = Mmin Imin RA1 RA2 RAz∗ λ∗ = R = RA + RV U = Ui + R · IA = Ui + (RA + RV )IA Ui = K1 · Φ · n 4 ) Bestimme die in Reihe geschalteten Vorwiderstände: M =F ·r M = K2 · Φ · IA K1 = 2πK2 1 v n= = T 2πr R U − ·M n= K · Φ K1 · K2 · Φ2 | 1{z } RA = RAz∗ RV 1 = RAz∗ −1 − RAz∗ ... RV n0 z∗ = RA0 − RA1 U U ·n U ·n n0 = = = K1 · Φ Ui U − R · IA v Ω = 2πn = r Pmech = M · Ω = F · v = Ui · IA = Pel,A Pel = U · IA 2 PR = Pel − Pmech = IA ·R 2.2.2 a m 2.2.3 Wirkungsgrad GMA mit Fremderregung/Nebenschluss Beschleunigung Masse Mmin = M + Mamin = M + Fmin · r = mr(g + amin ) M · Imax Mmax = IA 1 n1 − n2 M M2 n0 = M1 1 − M2 RA0 = RV,max + RA = Ui Pmech = Pel U Pel U ηG = = Pmech Ui ηM = Motorbetrieb Generatorbetrieb U Imax Mmax Ian,max λ= = Mmin Ian Berechnung der Stufenanzahl z und der Vorwiderstände RV i : 2.3 1 ) Berechne z ∗ : ln RA0 RA Synchronmaschine (SMA) z ∗ = dze = ln(λ) jXd I ∗ 2 ) Berechne λ : Up λ∗ = exp ln RA0 RA z∗ U= Ur 3 Keine Garantie auf Vollständigkeit und Richtigkeit! 4 Formelsammlung Elektrische Energietechnik www.ei-studium.de U Ur I Up Xd Sr P PV S PV E cos(ϕ) xd Zr n p ϑM ω Ω Klemmenspannung Bemessungsspannung (Außenleiterspannung) Strangstrom Polradspannung Synchrone Reaktanz Bemessungsscheinleistung (an Klemmen) Wirkleistung Verlustleistung Leistungsbedarf für die Erregung Leistungsfaktor Bezogene synchrone Reaktanz Bemessungsimpedanz Synchrone Drehzahl Anzahl der Polpaare Maschinenwinkel Winkelgeschwindigkeit der Spannung Mechanische Winkelgeschwindigkeit √ Sr = 3 · Ur · Ir 3 · U · UP P = Sr · cos(ϕ) = 3 · U · Iw = · sin(ϑM ) Xd PT = P + PV S + PV E √ 3 · Xd · Ir Xd = xd = Zr Ur f n= p Ur U = √ = U p − jXd I 3 Re{U p } cos(ϑM ) = |U p | Ur U1 Ih Xσ Xh RL f0 n0 nr p s sr sk fSL Mr Man Mk Pr S η Erstelldatum: 12. Februar 2015 Bemessungsspannung (Außenleiterspannung) Ständerspannung Magnetisierungsstrom Streureaktanz Hauptreaktanz Läuferwiderstand Netzfrequenz Synchrone Drehzahl Drehzahl bei Nennbetrieb Polpaarzahl Schlupf Bemessungsschlupf Kippschlupf Frequenz der im Läufer induzierten Spannung Bemessungsmoment Anlaufmoment Kippmoment Bemessungsleistung (= Pab , falls Motor) Scheinleistung Wirkungsgrad In der Regel gilt: p ≈ f0 p n0 − n s= ; n0 RL sk = Xσ fSL = s · f0 n0 = ω =p·Ω Ib = Ir · sin(ϕ) ⇒ wirkt im Netz wie eine Kapazität Untererregter Synchrongenerator: I = Iw + jIb Falls Motorbetrieb und Xh = 0: ⇒ wirkt im Netz wie eine Induktivität Szu Asynchronmaschine (AMA) 3 jXσ2 jXh U1 √ RL = 3 · Ur Ir cos(ϕ) = Szu · cos(ϕ) s 2 RL 2 2 2 = 3 · Ir · Z; Z = Xσ + s Pzu = 3Ir2 · Phasenschieberbetrieb: Im Falle eines Phasenschieberbetriebs gilt: Iw = 0 I (Kloss’sche Gleichung) Mk = I = Iw − jIb jXσ1 n0 − nr n0 Mr · s2k + s2r 3p · U12 3p · U12 = = 2 2 · sk · sr 2ω · Xσ 8π · Lσ · f12 2MK · sk Man = 2 ; (n = 0 → s = 1) sk + 1 Pab η= = (1 − s) Pzu PVerl = Pzu − Pab Übererregter Synchrongenerator: I1 sr = Pr = 2π · nr · Mr 2MK · sk · s M= s2k + s2 Iw = Ir · cos(ϕ) 2.4 f0 nr RL s 3.1 Übertragung elektrischer Energie Vereinfachte Leitungsbetrachtung jωLb R Ih I U1 dU U2 Im Normalfall kann jXσ1 vernachlässigt werden. ⇒ Xσ2 = Xσ Keine Garantie auf Vollständigkeit und Richtigkeit! 5 Formelsammlung Elektrische Energietechnik www.ei-studium.de Vernachlässigung der Queradmittanzen bei hoher Belastung und kurzen Leitungen erlaubt (Freileitung: l < 200 km; Kabel: l < 100 km). Für Hoch- und Mittelspannungsleitungen wird i.d.R. der ohmsche Längwiderstand R vernachlässigt. 3.2 Erstelldatum: 12. Februar 2015 Leitung als Vierpol I1 U1 ωL0b 0 ωLb = ·l R=R ·l I2 Zl Yq 2 Yq 2 U2 dU = U 1 − U 2 = ∆U + jδU ∆U = Re{dU } δU = Im{dU } U 2 = |U 2 | · ejϕ ⇒ U 1 = |U 1 | · ej(ϕ+ϑ) δU tan(ϑ) = ∆U + |U 2 | δU sin(ϑ) = |U 1 | P1 = 3 · |U 1 | · |I| · cos(ϕU1 I ) = 3 · |U 1 | · Iw P2 = 3 · |U 2 | · |I| · cos(ϕU2 I ) = 3 · |U 2 | · Iw U 1, U 2 Zw β ϑ Sternspannungen Betriebswellenwiderstand Phasenkonstante Leitungswinkel Für lange Leitungen genügt die vereinfachte Leitungsbetrachtung nicht mehr, da der Wellencharakter der Leitung berücksichtigt werden muss. Leitungsgleichungen für verlustlose Leitung: Q1 = 3 · |U 1 | · |I| · sin(ϕU1 I ) = 3 · |U 1 | · Ib cos(βl) jZw sin(βl) U2 U1 = j · sin(βl) cos(βl) I1 I2 Z sw ωL0b Zw = ωCb0 q q β = ωL0b · ωCb0 = ω L0b · Cb0 Q2 = 3 · |U 2 | · |I| · sin(ϕU2 I ) = 3 · |U 2 | · Ib PLtg = P1 − P2 = 3|I|2 · R QLtg = Q1 − Q2 = 3|I|2 · ωLb U 2 wird in die reelle Achse gelegt (Konvention). ϑ=β·l Für ohmsch-induktive Verbraucher gilt: Z l = jZw · sin(βl) Yq cos(βl) − 1 cos(βl) − 1 = = 2 Zl jZw sin(βl) dU = (Iw − jIb )(R + jωLb ) dU = R · Iw + ωLb · Ib +j (ωLb · Iw − R · Ib ) {z } | | {z } ∆U δU Für ohmsch-kapazitive Verbraucher gilt: Speziell für kurze Leitungen (Freileitung: l ≤ 200 km bzw. Kabel: l ≤ 100 km) gilt: Z l = jωL0b l Yq jωCb0 l = 2 2 dU = (Iw + jIb )(R + jωLb ) dU = R · Iw − ωLb · Ib +j (ωLb · Iw + R · Ib ) {z } | | {z } ∆U δU Der Längsspannungsfall ∆U ist maßgebend für die Spannungshaltung längs der Leitung, während der Querspannungsfall δU vorwiegend den Leitungswinkel ϑ und damit die Stabilität bestimmt. Konstruktion des Zeigerdiagramms: Gegeben seien |U 1 |, |U 2 |, ϑ. 1 ) U 2 einzeichnen (reelle Achse) 2 ) U 1 einzeichnen 3 ) dU = U 1 − U 2 einzeichnen 4 ) ∆U und δU einzeichnen mit dU = ∆U + jδU 5 ) I einzeichnen mit |I| = |dU | ωLb und I ⊥ dU falls R = 0 6 ) Iw und Ib einzeichnen mit I = Iw + jIb Keine Garantie auf Vollständigkeit und Richtigkeit! 3.3 Übertragung der natürlichen Leistung Natürliche Leistung ist die Leistung, die über eine Leitung übertragen werden kann, wenn sie mit dem Betriebswellenwiderstand Zw abgeschlossen ist. 3.3.1 Übertragung der natürlichen Leistung P2 = Pnat U2 Zw U 1 = U 2 ejβl I2 = I 1 = I 2 · ejβl U1 U = 2 = Zw I1 I2 |U |2 U2 Pnat = 3 · 2 = r Zw Zw Es wird somit nur Wirkleistung übertragen. 6 Formelsammlung Elektrische Energietechnik 3.3.2 www.ei-studium.de Übertragung von P2 < Pnat 3.3.3 ⇒ L0b ↑ oder Cb0 ↓ P2 < Pnat ⇒ ZW ↑ Längskompensation: ⇒ βl ↑ ⇒ Stabilität ↓ Zl* Längskompensation: L0b ↓ Yq 2 Yq 2 U2 ⇒ βl ↓ jωCK Zl Yq 2 Querkompensation: Cb0 ↑ I2 Zl I1 jωLK U1 U2 ⇒ Stabilität ↑ Variante 1: Yq 2 Yq 2 I2 Yq 2 U1 I1 ⇒ Stabilität ↑ Zl* I1 jωLK Querkompensation: Cb0 ↓ ⇒ βl ↓ I2 Zl U1 ⇒ L0b ↓ oder Cb0 ↑ Ziel: |U 1 | = |U 2 |, |I 1 | = |I 2 | ↑ I1 Übertragung von P2 > Pnat P2 > Pnat ⇒ ZW ↓ Ziel: |U 1 | = |U 2 |, |I 1 | = |I 2 | L0b Erstelldatum: 12. Februar 2015 jωLK ⇒ Stabilität ↓ I2 Zl U2 U1 ( )* ⇒ βl ↑ Yq 2 Yq 2 jωCK jωCK U2 ( )* Yq 2 Yq 2 ( )* ( )* Yq 2 Vorgehensweise zum Berechnen von LK : Yq 2 1 ) Berechne ∗ Zw = Ur2 P Vorgehensweise zum Berechnen von CK : 2 ) Berechne ∗ (βl) = arcsin Zl ∗ jZw 1 ) Berechne ∗ Zw = 3 ) Berechne Yq 2 ∗ = cos ((βl)∗ ) − 1 Zl Ur2 P 2 ) Berechne 4 ) Berechne LK mit 1 = jωLK Yq 2 (βl)∗ = arcsin ∗ − Yq 2 Zl ∗ jZw 3 ) Berechne Variante 2: I1 I2* Zl I2 U1 Yq 2 Yq 2 jωLK Yq 2 ∗ = cos ((βl)∗ ) − 1 Zl U2 4 ) Berechne CK mit ( )* Yq 2 Keine Garantie auf Vollständigkeit und Richtigkeit! jωCK = Yq 2 ∗ − Yq 2 7 Formelsammlung Elektrische Energietechnik 4 www.ei-studium.de Hochspannungstechnik 4.1 4.4 Erstelldatum: 12. Februar 2015 Kennlinie Gasdurchschlag E0 Edh ES U∗ Ui η s Innere elektrische Festigkeit von Luft Durchschlaghöchstfeldstärke Spezifischer Spannungsbedarf einer Streamerentladung Spannungsbedarf der Streamerentladung TE-Einsetzspannung Homogenitätsgrad Elektrodenabstand kV (in Luft) cm kV ES = 4, 5 (pos. Gleichspannung in Luft) cm kV ES = 5 − 10 (neg. Gleichspannung in Luft) cm U ∗ = ES · s E0 = 25 Ui = Edh · s · η U Emittel = η= Emax Emax · s η=1 η<1 η << 1 4.1.1 n · UB > UNetz (Löschbedingung) • Instabiler AP: Homogenes Feld Schwach inhomogenes Feld Stark inhomogenes Feld - Auslenkung nach links: → erhöhter Spannungsbedarf (kann nicht aus Schaltung gedeckt werden) → Lichtbogen erlischt - Auslenkung nach rechts: → Strom wird größer → Lichtbogen läuft in den stabilen AP Homogenes oder schwach inhomogenes Feld U ∗ < Ui Ud = Ui = Edh · s · η • Stabiler AP: 4.1.2 Stark inhomogenes Feld - Auslenkung nach rechts: → Strom wird kleiner → Lichtbogen läuft in den stabilen AP zurück U ∗ > Ui Ud = U ∗ = ES · s 4.2 Lichtbogen 4.3 Versuchsaufbau 4.4.1 Ayrton-Gleichung l a, b, c, d n I Lichtbogenlänge Materialabhängige Konstanten Anzahl der Teillichtbögen n · UB > Umax R U0 UB I (Löschbedingung) c+d·l UB = a + b · l + = U0 − R · I I c UB − a − I ⇒l= b + dI p −(a + bl − U0 ) ± (a + bl − U0 )2 − 4R(c + dl) ⇒ I1,2 = 2R A R U0 = V UB Für Rmax , U0min und lmax muss die Diskriminante gleich Null gesetzt werden: ! (a + bl − U0 )2 − 4R(c + dl) = 0 UB R U0 Lichtbogenspannung Vorwiderstand Konstante Gleichspannung Keine Garantie auf Vollständigkeit und Richtigkeit! • Rmax : ⇒ Rmax = (a + bl − U0 )2 4(c + dl) 8 Formelsammlung Elektrische Energietechnik www.ei-studium.de Erstelldatum: 12. Februar 2015 • U0min : U02 +[−2(a + bl)] U0 +[a2 + (bl)2 + 2abl − 4R(C + dl)] = 0 | | {z } {z } B C ⇒ U0min1/2 = −B ± √ B 2 − 4C 2 • lmax : b2 l2 +(2ab − 2bU0 − 4Rd) l+(a2 − 2aU0 + U02 − 4Rc) = 0 |{z} {z } | {z } | A B ⇒ lmax1/2 = 4.5 n C −B ± √ B 2 − 4AC 2A Löschung Anzahl der Teillichtbögen n · UB > Umax (Löschbedingung) Bei einem Blechabstand von wenigen Millimetern gilt: UB ≈ 20V . Lizenz: CC BY-NC-SA 3.0 http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/de/ Keine Garantie auf Vollständigkeit und Richtigkeit! 9