Grundlagen der Elektrotechnik - Martin-Luther
Werbung
Grundlagen der Elektrotechnik Gesetze, Elemente, Systeme Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Popp Lehrstuhl für Elektrotechnik Fachbereich Ingenieurwissenschaften Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg Grundlagen der Elektrotechnik 0 Einführung 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Organisatorische Hinweise Gliederung des Lehrgebiets Literaturempfehlungen Entwicklung der Elektrotechnik Bedeutung der Elektrotechnik in Gegenwart und Zukunft 1. Elektrostatik 1.1 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4 1.1.5 1.1.6 1.1.7 1.1.8 1.1.9 1.1.10 1.2 1.2.1 1.2.1.1 1.2.1.2 1.2.1.3 1.2.1.4 1.2.2 1.2.3 1.2.3.1 1.2.3.2 1.2.3.3 1.2.3.3 1.2.3.4 1.2.3.5 1.2.4 1.2.5 1.2.6 1.2.7 Elektrostatik des Vakuums Elektrische Ladungen Coulombsches Gesetz Einführung des elektrischen Feldes E Feld einer Punktladung Überlagerungsgesetz für elektrische Felder Feldlinien Beispiel für elektrische Feldstärken Energie des elektrostatischen Feldes Elektrisches Potential Spannung Elektrostatik des stofferfüllten Raums Nichtleiter im elektrostatischen Feld Dielektrizitätskonstante r Verschiebungsdichte (Elektrische Erregung) D Erregungsfluß Flußregel Leiter im elektrostatischen Feld Kondensatoren und Kapazitäten Plattenkondensatoren und Äquipotentialflächen Parallel- und Reihenschaltungen Wirkung des Dielektrikums bei vorgegebenem Q bzw. U Kräfte auf Kondensatorplatten Energieinhalt des Kondensators Quer- und längsgeschichtete Kondensatoren Grenzflächengesetze für E und D Kräfte auf Grenzflächen Zusatzaufgaben 1 und 2: Druck-, Energie- und Grenzflächenprobleme Elektrostatik: Zusammenfassende Definition und Folgerungen 2. Stationäres Strömungsfeld 2.1 2.2 2.3 2.4 Stationäres Strömungsfeld: Zusammenfassende Definition und Folgerungen Erscheinungsformen: Überblick Bewegung einzelner Ladungen im freien Raum Kenngrößen strömender Ladungen: Ladungsdichte, Strömungsgeschwindigkeit, Stromdichte, Strom als Fluß der Stromdichte Strömungsfelder in leitenden Festkörpern Grundaussage des Ohmschen Gesetzes: J = Leitfähigkeiten verschiedener Stoffe Ohmsches Gesetz als Strom-Spannungsbeziehung an einem zylindrischen metallischen Leiter Ohmsches Gesetz in verallgemeinerter Form Widerstand und Leitwert Beispiele für Strömungsfeldanalysen Ausgedehnte Drahtleitung Metallischer Hohlzylinder 2.5 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.5.4 2.5.5 2.5.5.1 2.5.5.2 2.5.5.3 2.5.6 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 Halbkugelerder Geschwindigkeit von Ladungen in Leitern Strömungsfelder in Flüssigkeiten Herleitung des Kirchhoffschen Knotengesetzes Herleitung des Kirchhoffschen Maschengesetzes Leistungs- und Energieumsatz im Strömungsfeld Energiequellen für stationäre Strömungsfelder Zusatzaufgabe 3: Strömungsfeld und Leistungsprobleme: Beispiel eines Energieübertragungssystems 3 Gleichstromnetze 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 Aufgabenstellungen Ideale und reale Ersatzspannungsquellen Anzuwendende Gesetze Serien- und Parallelschaltungen Spannungsquellen-Arbeitspunkt Spannungsquellen-Arbeitspunkt-Optimierung Äquivalente Ersatzspannungs- und Stromquellen Beispiele Superpositionsgesetz Satz von der Ersatzspannungsquelle Methode für symmetrische Netze Netzumwandlungsverfahren (Stern-Dreieck- Transformation u. ähnliche Verfahren Universelles Verfahren zur Netzanalyse. Maschenstromanalyse mit vollständigem Baum Übersicht über die Netzanalyseverfahren 4 Magnetostatik 4.1 4.2 4.3 4.4 „Rein“ magnetische Effekte Zusammenhang zwischen magnetischen und elektrischen Effekten Äquivalenz von Stromkreisen und natürlichen Magneten Kraft auf stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld, Definition der magnetischen Induktion B Vektorprodukte Drehmoment auf Leiterschleife und Spule Lorentzkraft Magnetische Induktion eines Leiters Magnetische Feldstärke H Durchflutungsgesetz Beispiele zur Anwendung des Durchflutungsgesetzes Magnetischer Fluß durch eine Fläche bei geschlossenen Hüllflächen Magnetische Energiedichte, magnetische Energie Verhalten von B und H an Grenzflächen Magnetische Kräfte auf Grenzflächen, Beispiel Hubmagnet Magnetisches Verhalten materieller Körper, Führung des magnetischen Flusses in Körpern mit hoher Permeabilität, Folgerung für B Berechnung magnetischer Kreise, Fall 1 (Realität): nicht konstant Berechnung magnetischer Kreise, Fall 2: Annahme, dass konstant Übersicht über magnetische Kraftwirkungen Strukturierung des Gebiets Magnetostatische Felder 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19 4.20 5 Elektro- und Magnetodynamik 5.1 5.2 5.3 5.3.1 5.3.2 Effekte magnetostatischer sowie magneto- und elektrodynamischer Felder Faradays fundamentaler Experimente zum Induktionsgesetz Faradays Induktionsgesetz: Kompakte Formulierung Anwendung auf unterbrochene oder geschlossene Stromkreise 1 5.3.3 5.3.4 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 Ruhe-Induktion Bewegungs-Induktion Beispiel für Ruheinduktion Beispiele für Bewegungsinduktion Bewegter Leiter auf Schienen im Magnetfeld Wechselspannungsgenerator Gleichspannungsgenerator Flußverkettung einer Spule mit n Windungen Selbstinduktivität (Eigeninduktivität) Strom-Spannungsbeziehung an einer Spule: symbolische Darstellung Transformater Zusammenstellung der Strom-Spannungsbeziehungen an ohmschen Widerständen, Kondensatoren und Spulen für zeitlich abhängige Spannung und Ströme 6 Wechselstromnetze 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.6.1 6.6.2 6.6.3 6.6.4 6.6.5 6.6.6 6.7 6.8 6.9 6.10 6.10.1 6.10.2 6.10.3 Aufgabenstellung Anzuwendende Gesetze Exkurs: Grundgesetze der komplexen Rechnung Kenngrößen von Wechselspannungen- und – Strömen im Rellen und Komplexen Zweipolbeziehungen im Komplexen Gesetze zur Netzanalyse im Komplexen Maschen- und Knotengleichungen im Komplexen Spannungs- und Stromteilergesetze Superpopsitionsgesetz Satz der Ersatzspannungsquelle Impedanz-Admittanz-Umwandlung Wechselstrom-Brückenschaltungen Methodik zur Analyse von Wechselspannungsnetzen mit komplexer Rechnung Anwendungen: Wechselstrom-Brückenschaltungen,... Leistungs- und Energieprobleme Dreiphasensysteme Grundlagen Symmetrische Dreiphasensysteme (Drehstromsysteme) Leistung in Drehstromsystemen 7 Ausgleichsvorgänge in geschalteten Netzen 7.1 7.2 Allgemeingültige Gesetze Elemente: Spannungs- und Stromquellen, Schalter, ohmsche Widerstände, Spulen und Kondensatoren Schaltgesetze der Elemente Zweipolgesetze der Elemente Differentialgleichungen und deren Lösungen für Spannungen bzw. Ströme in einem Netz Netze mit einer Gleichspannungsquelle, einem ohmschen Widerstand und einem Kondensator Verallgemeinerung des Rechenprinzips Netze mit Gleichspannungsquellen, ohmschen Widerstand und einer Spule Ausblick Hinweise zu Netzen mit Wechselspannungsquelle, ohmschen Widerstand und einer Spule oder einem Kondensator Hinweise zu Netzen mit Gleich- oder Wechselspannungsquellen, ohmschen Widerständen,ie Spule und einem Kondensator 7.3 7.4 7.5 7.5.1 7.5.2 7.5.2.1 7.6 7.6.1 7.6.2 8 Elektrische Maschinen 8.1 8.2 8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4 8.2.5 Klassifizierung: Ruhende und rotierende elektrische Maschinen Ruhende elektrische Maschine: Einphasentransformator Einfürhung Idealer Transformator Realer Transformator Betriebszustände Sonderformen und Anwendungen 8.3 8.3.1 8.3.1.1 8.3.1.2 8.3.1.3 8.3.1.3.1 8.3.1.3.1.1 8.3.1.3.1.2 8.3.1.3.1.3 8.3.1.4 8.3.1.4.1 8.3.1.4.2 8.3.1.4.3 8.3.1.5 8.3.2 8.3.2.1 8.3.2.2 8.3.2.3 8.3.2.3.1 8.3.2.3.2 8.3.2.3.3 8.3.2.3.4 8.3.2.3.5 8.3.2.4 8.3.2.5 8.3.2.6 8.3.3 8.3.3.1 8.3.3.2 8.3.3.3 8.3.3.4 8.3.4 Rotierende elektrische Maschinen Gleichstrommaschine Aufbau der Gleichstrommaschine Wirkungsweise Gleichstrommotor Betriebsverhalten Fremderregter Gleichstromnebenschlußmotor Gleichstromreihenschlußmotor Anwendungen des Gleichstrommotors Gleichstromgenerator Fremderregter Gleichstromgenerator Selbsterregter Gleichstromgenerator Anwendungen von Gleichstromgeneratoren Der Leistungsfluß in der Gleichstrommaschine Asynchron-Maschine Aufbau der Asynchronmaschine Wirkungsweise Betriebsverhalten Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie Anlauf (Anlassen) Normalbetrieb Drehzahlstellung Bremsen Energieumsatz Besondere Ausführungsformen Anwendungen Synchronmaschine Aufbau Wirkungsweise Anwendungen Schaltzeichen und Anschlußbezeichnung Leistungsschildangaben und Maschinenauswahl 9 Informationstechnische Grundfunktionen in technologischen Prozessen 9.1 9.2 9.3 Definition des Begriffs „Information“ Allgemeine Grundlagen Signalarten 10 Sensorik und Mess-Schaltungen 10.1 10.2 10.3 Grundlagen Passive Sensor-Elemente un Mess-Schaltungen Aktive Sensor-Elemente und Mess-Schaltungen 11 Signalanalyse und Filterschaltungen 11.1 11.1.1 11.1.2 11.1.3 11.1.4 11.2 11.2.1 11.2.2 11.3 11.3.1 11.3.2 Frequenzcharakteristik von Signalen Elementare Signalfunktionen Periodische Folge von Impulsen Einzel-Impuls Bandbreite von Signalen Frequenzcharakteristik Signalübertragungs-Systemen Grenzfrequenz und Bandbreite von Signaübertragungs-Systemen Tief-und Hochpassverhalten, Bandsperren-und Bandfilterverhalten Filterberechnung RL-und RC-Schaltungen als Tiefpass- und Hochpass-Filter-Schaltungen RLC-Schaltungen (Reihen-und Parallel-Schwingkreise) als Bandfilter- und Bandsperren-Schaltungen 12 Verstärkung und Schaltung von Signalen 12.1 12.2.4 12.2.4.1 12.2.4.2 Entwicklung der Mikroelektronik, integrierten Schaltungen, Mikroprozessoren. Zentrale Rolle des Transistors Verstärkung von Signalen Wesen der Verstärkung Optimale Verstärkung Operationsverstärker (OPV) als Verstärker: Aufbau eines OPVs Symbolik für OPV-Darstellung Allgemeine Gesetze des OPVs Gesetze des idealen OPVs Gesetze des Realen OPVs Prinzip von Gegen-und Mitkopplung Berechnung des Verstärkungsverhaltens gegengekoppelter OPVs: Nichtinvertierende und invertierende OPVs für unterschiedliche Anwenduingen Operationsverstärker (OPV) als Schalter Der OPV ohne Gegenkopplung Der OPV als Komparator (Diskriminator) 13 Analog-Digital-Umsetzer, Digital-Analog-Umsetzer, Multiplexer 13.1.1.1 13.1.1.2 13.1.1.3 Analog-Digtal-Umsetzer Digital-Analog-Umsetzer Multiplexersysteme 14 Digitale Signalverarbeitung 14.1 14.1.1 14.1.2 14.1.3 14.1.4 14.1.5 14.2 14.2.1 14.2.2 Kombinatorische Schaltungstechnik Elementare kombinatorische Schaltungen Valenz-und Antivalenz-Schaltungen Digitale Komparatorschaltungen Code-Umsetzer-Schaltungen Digitale-Multiplexer-Schaltungen Sequentielle Schaltungstechnik Prinzipielles Verhalten Verhalten einer Zähler-Schaltung 15 Aktorik 16 Alternativen zur Verarbeitung der Signale 16.1 16.2 Festverdrahtete Steuerung Speicherprogrammierbarer Steuerung (SPS) mittels eines Rechners 17 Ausblick: Kommunikationssysteme zur Vernetzung zahlreicher Sensoren, Aktoren und Rechner in technologischen Prozessen 12.2 12.2.1 12.2.2 12.2.3 12.2.3.1 12.2.3.2 12.2.3.3 12.2.3.4 12.2.3.5 12.2.3.6 12.2.3.7
