Grundlagen Elektrotechnik

GRUNDLAGEN


Elektrischer Strom I

...Ladungen pro Zeiteinheit durch einen Querschnitt.



In einem metallischem Leiten ( 1,5mm²; Cu; 6A )beträgt die mittlere Elektronen - geschwindigkeit ungefähr 0,5mm in der Sekunde.
Einheit 1 Ampere A als Strom durch 2 parallele Leiter in 1mm Abstand auf 1m Länge bewirkt eine Kraft von 2 10 ^{- 7}Newton.
Bewegte Ladungen ( Strom ) ergeben immer ein Magnetfeld. Zwei Magnetfelder ( Magnete ) bewirken eine Kraft.

Elektrische Spannung U

...ist die Energie, die pro Elementarladung in einer Stromquelle zu Verfügung steht, bzw. Arbeit pro bewegter Elementarladung in einem Verbraucher ( Spannungsabfall ).














Wird eine negative Elementarladung von der positiven zur negativen Platte verschoben, so wird eine Arbeit entlang des Weges verrichtet.
Diese Arbeit steckt in Form von Energie im Elektron auf der negativen Platte.
Wird das e mit Hilfe eines Drahtes zur positiven Platte rückgeführt, so wird Arbeit frei.
Praktisch werden e durch bewegen eines Leiters im Magnetfeld derart verschoben, dass an einem Ende +, und am anderen - Pol entsteht ( Dynamo, Generator ).
Einheit 1 Volt V ist jene Spannung die bei einem Strom von 1 Ampere eine Leistung von
1 Watt bewirkt.

Elektrische Leistung




Einheit 1 Watt W.
Elektrische Arbeit





Elektrischer Widerstand

...eines Leiters


Der Widerstand Hängt nicht nur von der Länge und Dem Querschnitt ab, sondern auch vom Material und der Temperatur.




Werte für γ : Wert für α :

α_CU = 4,3 · 10 ^{- 3}/ °C
α_FE = 6,6 · 10 ^{- 3}/ °C

α_AL = 4,7 · 10 ^{- 3}/ °C

α_W = 4,8 · 10 ^{- 3}/ °C

α_Constantan = 3 · 10 ^{- 5}/ °C

( bei Const. bis ca. 100°C )



Beispiele

1.) Kabel l = 30m, ∅ 1,5mm²Cu, hat an einem Ende einen Isolationsfehler, wodurch ein Kurzschluß zustande kommt. Gesucht A wenn U = 220 V.


→ kommen real nicht zustande.

Zulässige Ströme für Drahtquerschnitte:
Cu: 1,5mm²10 A ( 12A )
2,5mm²16A
4mm²20A





2.) Glühlampe 100W bei 2500°C Drahttemperatur und 220 V Einschaltstrom im kalten Zustand ( 20°C ).















SPANNUNGSABFALL ENTLANG EINER (LANGEN) LEITUNG


Bei hohem Strom durch eine Leitung tritt ein meßbarer Spannungsabfall auf. Dies bedeutet für den angeschlossenen Verbraucher, dass er dann nicht mehr an Nennspannung liegt, und damit auch nicht mehr Nennleistung erbringt.
Die Elektro - Versorgungsunternehmen ( EVU ) stellen Nennspannung mit + 5 - 10 % - 10%
bereit.










Zur Ermittlung der wahren Leistung des Gerätes muss der Widerstand des Gerätes bestimmt werden, da dieser von der Spannung unabhängig ist.













ELEKTRISCHE LEISTUNG - ARBEIT - WIRKUNGSGRAD







Beispiel Gleichstrommotor ( 3 kW; U=440 V), n=1550 min ^{- 1},
η=72% .
Gesucht: Drehmoment, Strom

Üblicherweise werden Motoren über 1 kW durch die abgegebene Leistung definiert ( Wellen -
leistung - mechanische Leistung).





Im Einfachsten Fall wird elektrische Energie in Wärme umgesetzt.

Beispiel Boiler: P=3 kW von 22¹⁰bis 5³⁰eingeschaltet
η=0,97, 350 Liter, Ausgangstemperatur 15°C
Gesucht: Endtemperatur


spez. Wärme:







HALBLEITER

...sind Stoffe deren spezifischer Widerstand zwischen denen von Metallen bzw. Isolierstoffen liegt.
Grundwerkstoff Silizium bzw. Germanium ( 4 - wertig ) - hohe Reinheit nötig, d.h. ein Fremdatom auf 10¹⁰Siliziumatome.
Diese 4 - wertigen Siliziumatome ergeben im Kristall ähnlich feste Bindungen wie der Kohlenstoff im Diamant ( 8er Elektronenschale abgesättigt - Edelgaszustand ).
Bei tiefen Temperaturen keine frei beweglichen Elektronen. Durch Wärmezufuhr aufweitung des Kristalls, wodurch e ^- frei werden die im elektrischen Feld wandern können.
Weiters Störstellenleitfähigkeit durch Fremdatome - diese ist Temperaturabhängig.

Künstliche Verunreinigungen

N - Leiter

5. wertige Fremdatome z.B: Phosphor ergeben jeweils ein Überschüssiges e ^- , das nicht an das Kristallgitter gebunden ist (nur schwach an den Atomkern) und sich daher leicht im el. Feld bewegt.

P - Leiter

Durch zufügen eines 3. wertigen A. entsteht ein e ^- Loch im Kristallgitter. Im el. Feld springt nun ein Nachbar e ^- in das Loch wodurch ein sog. Löcherbewegung entsteht (wesentlich langsamere Bewegung).

Veränderbare Halbleiterwiderstände (S.165 - 168)

a.) Thermistor: stark Temperaturabhängig
b.) Varistor: Ãœberspannungsschutz (ab bestimmter Spannung leitend.)
c.) Photowiderstand: lichtabhängiger Widerstand

Halbleiterdioden (S. 169 - 173)

P und N - Leiter sind neutral; werden sie aneinandergefügt so diffundieren e ^- an der Grenze vom N - zum P - Leiter (einige Atomgitterabstände) somit ist das Gleichgewicht gestört, und an der Grenze tritt aufgrund der Ladungsverschiebung ein Potenzial auf, wodurch keine weiteren e ^- diffundieren können (Gleichnamige Lad.stoßen sich ab).
Wird nun eine Spannungsquelle derart angelegt, dass der minus - Pol am N - und der
plus - Pol am P - Leiter anliegt, so sorgt der + Pol e ^- der P - Leiter ab, und der - pumpt e ^- in den N - Leiter ... Strom fließt... Durchlußrichtung.
Bei um gekehrter Polung verbreitet sich die Sperrschicht,es fließt praktisch kein Strom (von Verunreinigungen abgesehen, für die diese Polarität gerade richtig ist - Minoritätsstrom
in nA)

Es gibt Halbleiterdioden bis 4000 V Sperrspannung und 2000V A Durchlassstrom. Darüberhinaus Serien - oder Parallelschaltung von Dioden.

Gleichrichter höherer Leistung benötigen entsprechende Kühlkörper, um die Verlustwärme der Dioden abzuführen.





Dioden - Kennlinie siehe B.S 169.







Beispiele:
Gleichrichtung von Wechselstrom - Halbwellengleichrichtung








z.B.:
aus Kennlinie

d.h.: Serienschaltung
U_LAST = 219,5V U_DIOD = 0,5V
R_LAST = 100Ω U_DIOD = 0,25V
In Durchlassrichtung ist daher die gesamte Spannung an der Last und fast nichts an der Diode.

In Sperrichtung:


d.h.: U_DIOD ≈ 219,... U_LAST ≈ 0V


Vollwellengleichrichtung (Brückenschalltung) B.S 192

Beide Halbwellen kommen an die Last. Da die Mitlere Spannung nun doppelt so groß ist (gegenüber Halbwellengleichrichtung) verhält sich die Leistung in den beiden Schaltungen an einer Last entsprechend 1:4.



Z - Dioden











Diese Dioden nutzen den scharf einsetzenden und steil ansteigenden Sperrstrom im Durchbruchbereich aus.
Ein Widerstand sorgt dafür, dass zulässigen Stromstärke und damit Temperatur nicht überschritten wird. Je höher der spez. Widerstand der Halbleiter, desto größer ist die Durchbruchspannung der Diode.
Der Zener - Effekt bewirkt unter 5 V einen langsameren Ãœbergang von Sperr - zum Durch -
bruchstrom. Ãœber 7 V verursacht der Avalanche - Effekt den Durchbruch der Dioden, weil der Zener - Effekt nicht wirken kann.
Werden zur Spannungsbegrenzung eingesezt.



Fotodiode - Leuchtdiode


Fotodiode

Besteht meist aus Silicium, seltener aus anderen Halbleitern. Ohne Beleuchtung fließt nur ein sehr geringerDunkelstrom. Fällt Licht auf die Diode, erzeugt der innere Fotoeffekt zusätzliche Ladungsträger im P + N Gebiet. Strom wächst Linear zur Beleuchtung.

Werden zur Lichtmessung, für Optokoppler, Lichtschranken und mit Lichtwellenleitern zur Heulligkeitssteuerung eingesetzt.

Leuchtdioden

Sind Halbleiterdioden die Licht abstrahlen, wenn ein Strom fließt. Sie kehren den "inneren Fottoeffekt" (Fotodiode) um. Die Dotierung bestimmt die Farbe. Werden als Signal, Anzeige und Überwachunslämpchen eingesetzt. Auch zur Nachrichtenübertragung mit Lichtwellen - leitern.



DER TRANSISTOR BS 174

PNP oder NPN - Schicht.
Die mittlere Schicht ist sehr dünn (einige µ). Unterschiedliche Dotierung der einzelnen Schichten.

Wirkungsweise: Der Eingang wird immer in Durchlassrichtung gepolt, der Ausgang in
Sperrichtung. Est die Basis - Emitter - Strecke in Durchlass gpolt, so wird die 1.Grenzschicht von e ^- überflutet.
Einige e ^- werden dabei auch zur 2. Grenzschicht (Basis sehr dünn).
Damit wird die Sperrschicht dort abgetrennt und e ^- können zum Kollektor, an dem der Pol liegt, wandern. Da die Kollektorschicht schwach dotiert ist. am Ausgang fließt daher ein Strom, der Aufgrund der höheren Spannung am Ausgangs wesentlich größer sein kann
(und auch ist) als der Eingangsstrom.



Stromverstärkung:

> 1 z.B.: 50

Spannungsverstärkung:
z.B.:


Leistungsverstärkung:



Mit Hilfe einer relativ kleinen Leistung kann man so eine Große beeinflussen (steuern).


Transistorkennlinie: BS 175

Sofern die Leistung von Netz (Batterie) zu Verfügung steht, kann eine Verstärkung stattfinden.











Je nach Eingangsstrom fließt ein mehr oder weniger großer Ausgangsstrom. Dieser verursacht ein Spannungsgefäll am Wiederstand zwischen den Binären Werten 0 + 1. Die restliche Spannung liegt am Transistor an. Die Spannungsaufteilung lässt sich wie folgt ermitteln. In das Kennlinienfeld wird die Versorgungsspannung eingetragen, von der maximalen Spannung weg, danach der Arbeitswiderstand. Die Schnittpunkte zwischen Widerstandsgerade und Kennlinienfeld ergeben damit die möglichen Spannungs - (Strom - ) Werte am Ausgang in Abhängigkeit des Eingangsstroms (Spannung).

z.B.: 20 mA am Eingang ergeben 4,5 V am Ausgang
bei 2 A - Serienschaltung

Arbeitsgerade: flache Gerade - hoher Widerstand

Das Transistorkennlinienfeld ist somit ein Kennlinienfeld des Ausgangwiderstandes in Abhängigkeit des Eingangsstromes.
Bei der Dimensionierung darf die maximale Verlustleistung des Transistors nicht überschritten werden - >Kühlrippen.
Es gibt verschiedene Schaltungen, wobei der gemeinsame Bezugspunkt zwischen Ein - Ausgang die Schaltung benennt. Die gezeichnete Schaltung heißt somit E - Schaltung (BS 207). Soll eine sinusformige Wechselspannung verstärkt werden, so muss ein Vorstrom (Spannung) [Gleichstrom] an die Basis gelegt werden, wodurch ein sogenannter Arbeitspunkt eingestellt wird.










Die Einstellung erfolgt mittels Spannungsteiler in Form von 2 Widerständen.
Üblicherweise werden zusätzlich noch Kondensatoren verwendet, da diese wohl Wechselspannung nicht aber Gleichspannung übertragen.Wäre kein Vorstrom vorhanden, würde die negative Halbwelle abgeschnitten werden! Mit einen positiven Strom macht der Transistor auf, ist der Basisstrom 0 ist der Transistor zu. Mehr als zu geht nicht. (Daher negative Halbwelle wirkungslos).













Zwischen Eingangs & Ausgangssprannung des Verstärkers liegt eine Phasenverschiebung von 180 ° vor. Je größer die Eingangsspannung (Strom) desto größer ist der Ausgangsstrom, damit auch der Spannungsabfall am Widerstand, der Rest bleibt für den Transistor über. Ein schlecht eingestellter Arbeitspunkt (Vorstrom) ergibt eine Verzerrung der Kurvenform.
z.B.: zu geringer Strom





Ein Kondensator kann nur eine Wechselspannung übertragen. Die Kondensatoren am Ein/Ausgang dienen zur galvanischen Trennung (kein Gleichstrom übertragen).


Feldeffekttransistor









Aufbau siehe Skizze.
Prinzipiell wird ein leitender Kanal durch Anlegen einer Eingangsspannung eingeschnürt. d. h. der Widerstand am Ausgang vergrößert, dadurch wirdaber auch der Strom am Ausgang kleiner. Der Eingang entspricht einer Diode in Sperrichtung und führt fast keinen Strom (≈ 1nA).
Die mit e ^- besetzten Löcher des P - Leiters (Gate) "klemmen" den e ^- - Fluß von Source zu Drais. Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab.
Es wirkt eine Einschnürung des Kanals und entspricht einer Spannungssteuerung! Der geringe Gate - Strom lässt sich durch eine Isolierschicht voll unterdrücken. Dies ergibt dann den MOS - FET .


Metalloxid - Feldeffekttransistor (MOS - FET) BS 177

praktisch werden mehrere Halbleiter aus einem Grundmaterial einschließlich Widerstände, Kondensatoren und Leiter erzeugt, wodurch sich ein sog. IC ergibt.
Ein spezieller Typ ist der sog.Operationsverstärker.


Operationsverstärker BS 210 - 214

Dienen zur Verstärkung von Gleichspannung bzw. Wechselspannung bis zu hohen Frequenzen
(10⁵Hz). Spezielle Verstärker die vor allem in der Maß - /Regeltechnik eingesetzt werden. Er besitzt 2 Eingänge die zueinander eine Phasendrehung von 180° haben und einen Ausgang. Die Leerlaufverstärkung beträgt ca 10⁵(nur Spannungsverstärkung) und nimmt erst bei hohen Frequenzen (50 kHz) ab.
























Eingesetzt in der Meß - und Regeltechnik. Die Versorgungsspannung von 2 x 15 V wird meist nicht dargestellt. Weiters 2 Anschlüsse für die Temperaturkompensation. Durch eine Beschaltung dieses Verstärkers werden spezielle Eigenschaften vorgegeben.


Allgemein z.B.:







1. Inventierter Verstärker









Für Knoten gilt:

I₀ ~ 0








Die Verstärkung hängt nur von der Größe der beschalteten Widerstände ab.



Bsp.:









2. Addierverstärker













Ausgang darf nicht übersteuert werden.




3. Subtrahierverstärker (Soll - Ist - Wertvergleicher für Regler)














Wird 1 Eingang mit einer negativen Spannung beglegt, wird aus Addierer ein Subtrahierer.





4. Differenzieren (D - Regler)




















5. Integrierer (BS 213)









DER THYRISTOR BS 184














Je nach angelegter Polarität der Spannung im Lastkreis ist einmal die 1. und 3. Grenzschicht in Durchlassrichtung gepolt (2. gesperrt). ...... Durchlassrichtung - im andaren Fall ist die 2. Grenzschicht offen (1. + 3. gesperrt) ...Sperrbereich.
Im 1. Fall kann durch eine sehr hohe Spannung der Thyristor leitend gemacht werden (unüblich) wobei immer der Strom durch einen Lastwiderstand begrenzt wird (Serienschaltung).
Ist die Angelegte Spannung kleiner, so wird ein Zündstrom am Gate benötigt, der die 2. Grenzschicht öffnet und damit den Thyristor leitend macht. Je kleiner die angelegte spannung desto größer der nötige Zündstrom.
Der Strom im Lastkreist bleibt solange aufrecht bis die Spannung (Strom) der Versorgung 0 wird (zB Wechselstrom). Im gezündeten Zustand entspricht die Kennlinie jener einer Diode
d. h. kleiner Widerstand, geringer Spannungsabfall
Bei allen Halbleitern muss die Verlustleistung I²R in Form von Wärme durch entsprechende Kühlkörper abgeführt werden. Praktische Ausführung eines Thyristors bis 4000 V Sperrspannung und 2000 A Strom.
Da der Thyristor im Gleichstromkreis nicht ohne weiters gesperrt werden kann gibt es dafür auch spezielle Thyristoren, genannt GTO - (Gate - turned - off) - Thyristor.


Doppelbasistransistor





Spezieller Transistor zur Zündung eines Thyristors. Bei Zunahme der Spannung am Eingang wird der Ausgang plötzlich leitend gleichzeitig sinkt die benötigte Eingangsspannung, obwohl der Strom wächst, damit der Ausgang leitend bleibt.



HALBGESTEUERTE THYRISTORBRÃœCKE

... zur Erzeugung eines gepulsten Gleichspannung mit einstellbaren Spannungsmittelwert (Phasenanschnittsteuerung)













Mit Hilfe eines Trafos wird die Wechselspannung für die Elektronik des Steurteils reduziert, dadurch ergibt sich auch eine Potenzialtrennung. Anschließend wird diese Spannung gleichgerichtet und mit Hilfe eines Widerstandes und einer Zener - Diode zu einer
Trapezspannung reduziert, d. h. einer gepulsten Gleichspannung mit periodischen Nullwerten. Diese dienen als Synchronisationspunkte gegenüber dem Leistungsteil. Diese Spannung wird über einen einstellbaren Widerstand einem Kondensator zugeführt der entsprechend den Produkt
mehr oder weniger schnell auflädt.









Erreicht die Ladespannung des Kondensators die Schwellspannung des Doppelbasistransistors, so wird dieser am Ausgang leitend und bildet einen Zündimpuls. Der Kondensator entlädt sich sehr rach und sperrt den Doppelbasistransistor. Die Spannung nimmt dabei sehr rasch ab und der Dbtr. sperrt ab ..........Impultbreite.
Bei kleinem Zündwinkel werden während einer Sinus - Halbwelle mehrere Impulse erzeugt. Der erste Impuls zündet den Thyristor, die anderen bleiben wirkungslos.
Aufgrund der Trapezspannung lässt sich der Zündwinkel nur zwischen etwa 15° und 150° einstellen. Die Thyr. werden zyklisch gezündet, da der Zündimpuls beiden Thyr. gleichzeitig zugeführt wird, ergibt sich durch die Polung des Thy. (einer gesperrt, einer in Durchlass), welcher schaltet (leitend ist). Durch den Phasenanschnitt der Spannung ergibt sich ein nichtsinusförmiger Strom im Netz.







Dies bedeutet entsprechend der Fourier - Analyse eine Belastung des Netzes mit Oberwellen.







Weiters tritt auch ein Blindstrom auf, trotz Gleichrichtung sofern die Last am Gleichrichter induktive Anteile hat z.B. Motor

Anwendungen der Thyr.brückeals Stellglied bei geregelten Antrieben (GSM - Gleichstrommaschine)
z.B.: Bahn, Werkzeugmaschinen, Walzwerke, Roboter,.....
immer dann wenn Motor mit veränderlicher Drehzahl verwendet wird.


WECHSELSTROMSTELLER - TRIAC










antiparallele Thy bis 2 kW
große Leistung (ab 2 kW) zB Elektrowerkzeuge







Ein Triac kann mit Wechselstrom oder mit Gleichstrom in beide Richtungen gezündet werden (Zündung mit Diac)























Diac wird zur Erzeugung von Spannungsimpulsen zum Zünden von Thy. bei Wechselspannungsbetrieb angewendet. Zu diesem Zweck schaltet man sie vor das Gate.



Wechselstromsteller BS 197


















Der Kondensator wird mit einer Phasenverschiebung von der Netzspannung aufgeladen. Ein Überschreiten der Schaltspannung des Diac führt zur Ansteuerung des Triac. Dieser schaltet durch, sodass bis zum Nulldurchgang der Netzspannung ein Strom durch die Glühlampe fließt. Der Triac bleibt nun gesperrt, bis der Kondensator sich zur neg. Schaltspannung des Diac aufgeladen hat. Danach wiederholt sich der Vorgang für den negativen Bereich.


DREHSTROM - 3 - PHASEN - WECHSELSTROM

Erzeugung: Generator Bild BS 146






Aufbau:

Stator besteht aus einem Gehäuse mit einem genuteten Blechpaket in dem 3 (6/9/12) räumlich versetzte Wicklungen [um 120° (60°/40°/30°)] sich befinden.

Rotor besteht aus einer Welle mit genutetem Blechpaket (Wirbelstrom, Hysteresisverluste) in dem sich eine gleichstromdurchflossene Wicklung befindet und ein Magnetfeld erzeugt wird.
Die Stromzuführung erfolgt über Bürsten und Schleifringe.
Der Rotor mit seinem drehenden Magnetfeld induziert in den 3 um 120° versetzten spulen jeweils eine spannung, die nun zeitlich um 120° versetzt sind. Daraus ergeben sich 3 gleich große Spannungshöchstwerte. Zur Übertragung der 3 Spannungen (Energie) wären nun 6 Leitungen notwendig. Fassen wir die 3 Rückleiter zu einem zusammen, so sind nur mehr 4 Leiter notwendig.
Liegt eine symmetrische Belastung der 3 Phasen vor, so nimmt der Rückleiter keinen Strom, dieser Leiter ist der Nulleiter (N - Leiter) - dann genügen auch 3 Leiter zur Energie - übertragung - > Hochspannungsfreileitungen.

Für den Verbraucher (Erzeuger) gibt es zwei Schaltungsmöglichkeiten

1. Sternschaltung












2. Dreiecksschaltung









Verkettung der Spannung (Strom)












Verkettung - > Spannung zw. 2 Außenleitern




Dasselbe gilt für alle anderen 0 Durchgänger wobei sich allgeimein ergibt:
Die Spannung zwischen 2 Außenleitern ist √3 größer als die Spannung zwischen einem Außenleiter und dem Nulleiter, bezogen auf den Effektivwert.

Die Spannung zwischen 2 Außenleitern wird kurz Leiterspannung genannt (verkettet). Die Spannung zwischen einem Außenleiter und Nulleiter heißt Strangspannung







Leistung bei 3 - Phasen - Wechselstrom

Sternschaltung






Dreieckschaltung






Nachdem an jedem Widerstand eine um √3 mal größere Spannung anliegt, fließt ein um √3 mal größerer Strom.
Die Leistung ist aber das Produkt aus Strom mal Spannung: daher
mal größere Leistung.



Das Versorgungsnetz wird durch die Sschaltung nicht beeinflußt! Netzspannung bleibt gleich! Daher muss über die Zuleitung ein 3 mal so großer Strom fließen.




Weiters gilt aber:






Da aber:





Darauf folgt die Leistung










Beispiel.: Netz: 3x380/ 220V ges.: _YP, _ΔP, alle I
3 Wid. je 20 Ω

Y:



Δ

_ΔP_WID muss mit _YP ident sein ( ungenau ).



HÃœ.: 1.) Drehstrommotor: P= 8 kW Δ bei 1430 min ^{- 1}, η= 82%
cos ϕ= 0,75 Netz: 3x380/ 220 V
gesucht: M, P_Y , P_Δ , alle I ( stimmt bei Motor nicht genau )

2.) _YP= 2 kW
U_VERKETTET= 220 V
gesucht: U_STR , R, alle I, _ΔP
DREHSTROMMOTOR

Aufbau Stator:
besteht aus einem Gehäuse in dem sich ein genutetes Blechpaket befindet.
In den Nuten befinden sich 3, 6, 9, 12, ... Wicklungen. Wicklung 120°, 60°, 40°, 30° versetzt. Diese sind in Δ oder Υ geschalten.

Wirkungsweise:
Magnetisches Drehfeld
Wird an den 3, 6, ... Wicklungen entsprechend ein 3 - Phasen - Wechselstrom angelegt, so erzeugt der sinusförmige Strom (Spannung) pro Wicklung ein sinusförmiges Magnetfeld pro Polschutz.
Die Summe der 3, 6, ... sin. - förmigen räumlich versetzten, und damit auch zeitlich versetzten Magn.felder ist ein drehendes Magnetfeld konstanten Betrages und Winkelgeschwindigkeit - > Umkehrung Generator. BS 154

Synchrone Drehzahl:
3 Wicklungen entsprechen 1 Polpaar

Hat der Wechselstrom 1 Periode durchlaufen, so
entspricht das bei 3 Wicklungen 1 Umdrehung.





Für n in






Für 2 Polpaare entspricht 1 Periode einer halben Umdrehung



p...Polpaarzahl


Da die Drehzahl von der Frequendz abhängt nennt man sie auch synchrone Drehzahl (mit dem Netz verbunden).
Soll die Drehrichtung des Feldes geändert werden, so müssen 2 Leiter vertauscht werden.




DREHSTROMSYNCHROMOTOR DSM

Aufbau Stotor:
Siehe vorher.

Aufbau Rotor:
Welle mit genutetem Blechpaket in dem sich eine Gleichstromdurchflossene Wicklung befindet, die ein, zwei oder mehr magn. Polpaare aufbaut (ident Stator).
oder:
Welle mit Alu - Hohlzylinder auf dem Parmanentmagnete aufgeklebt sind (NS - SN ausrichtung).

Wirkungsweise: Das Rotormagnetfeld wird vom Statormagnetfeld synchron mitgenommen. Bis zu einem max. Moment, wird dieses überschritten, läuft der Motor aus.









Unter Belastung gibt es einen magn. Winkel zw. Stator - und Rotormagnetfeld ähnlich der Verdrehung einer Welle.

Anwendung:
Großmotoren über 1 MW und Servomotoren zB Roboter, CNC - Maschinen
Diese Motoren sind die dynamisch besten Elektromotoren, und werden üblicherweise wegen der Drehzahlbeeinflussung über Frequenzumformer angespeist (siehe später).
Der Synchromotor braucht bei einem SOH2 Netz zusätzlich eine in sich kurzgeschlossene Wicklung (siehe DAMK) damit er von 0 auf Nenndrehzahl hochlaufen kann, da das Statordrehfeld immer sofort da ist.




DREHSTROMASYNCHRONMOTOR DASM BS 282


Stator:
siehe Drehfeld

Rotor:
Welle mit genutetem Blechpaket in dem sich entweder eine einseitig offene Drehstromwicklung befindet, die über 3 Schleifringe nach außen geführt wird, und über 3 Widerstände zum Zweck der Stromreduzierung beim Anlauf kurzgeschlossen wird.







oder gegossene Alu - Stäbe in den Nuten deren Enden jeweils durch einen Kurzschlußring zusammengeschalten sind.

Wirkungsweise:
Im stillstehenden Läufer wird aufgrund des magn. Drehfeldes eine Spannung induziert, daher fließt in der kurzgeschlossenen Wicklung ein hoher Strom. Ein stromdurchflossener Leiter wird im Magnetfeld abgelenkt, wodurch der Rotor hochläuft.
Gleichzeitig nimmt dabei die induzierte Spannung ab.
Würde der Rotor genauso rasch sich drehen wie das Statormagnetfeld, so wäre die induzierte Spannung 0 folglich auch der Strom und das Moment. Daher Asynchronmotor.




I_NENN ≈ 2 I_LEER
I_ANLAUF ≈ 10 I_LEER






DAMK


zB: 3 kW cos ϕ = 0,75 n = 1460min ^{- 1}
3 x 380 V η = 0,78




Daher wird Motor mit Y Δ eingeschalten.


Daher Sicherung 16 A.

Wegen dem hohen Anlaufstrom werden Motoren über 3 kW mit ΥΔ Schaltung angefahren. Leider sinkt dabei auch das Anlaufmoment auf 1/3. dh Motor kann nicht mit voller Last hochfefahren werden, da dann ein zu geringes Moment zur Beschleunigung da ist.
Die Durchschnittliche lebensdauer des DMK beträgt etwa 20 Jahre, da praktisch kein mechan. Verschleiß (Lager!). Der Tod eines E - Motores ist durch die Alterung der Isolation gegeben. dh Erwärmung, Abkühlung bedeutet ein verspröden, wodruch es dann zur Funkenbildung, - zerstörung führt.
Genauso eine thermische Überlastung führt zur Verkohlung.

Anwendung:
Überall dort wo ein robuster Motor für nur 1 (2 - 3) Drehzahlen gebraucht wird.
zB WZM (Werkzeugmaschinen)
Förderanlagen
Aufzüge, Rolltreppen, Pumpen, Lüfter und in zunehmenden Maße bei der Bahn


Der Motor kann in hoher Schutzklasse ausgeführt werden. dh innerer Lüfterkreis ist geschlossen, außen erfolgt eine zusätzliche Belüftung durch Lüfterflügel und Kühlrippen.

Soll die Drehzahl veränderbar sein, so stehen 2 Möglichkeiten zur Verfügung.



Entweder Frequenz oder Polpaarzahl ändern.

Polpaarzahl siehe vorher BS 290 (Dahlander - Schaltung)


STATISCHER FREQUENZUMFORMER (FU)

Prinzip:
Aus dem 3 Phasenwechselstrom wird mit Hilfe einer Gleichrichterbrücke Gleichstrom erzeugt, und dieser dann mit Hilfe eines Wechselrichters in 3 Phasenwechselstrom variabler Frequenz und Spannung umgewandelt












→


Wie aus der Formel ersichtlich ist bei niedriger Frequenz (Anlauf) der induktive Widerstand


sehr gering und damit der Strom ralativ groß.
Daraus folgt, dass die Spannung bei niedriger Frequanz abgesenkt werden muss.
Bei Nenndrehzahl ensprechend Nennspannung ist die Grenze erreicht, dh eine weitere Spannungsanhebung nicht mehr möglich, wohl aber die Frequenz und damit die Drehzahl.








Durch die Absenkung der Frequenz kann der Motor praktisch mit Kippmoment hochfahren. Damit ist auch ein Hochfahren mit voller Belastung möglich.
Geht die Frequenz über der Netzfrequenz, so steigt zwar die Drehzahl, gleichzeitig sinkt aber das Moment, da der Strom aufgrund des induktiven Widerstandes absinkt. Mit einem FU (Frequenzumformer) steigen die Verluste des Motors um ca 5%. Weiters hat der Umformer Verluste von 2 - 3%.
Soll der Motor sehr oft reversiert werden, bzw. mit reduzierter Drehzahl laufen, so ist eine zusätzliche Fremdbelüftung nötig.







FU mit Impulsbreitensteuerung und Transistorwechselrichter
( bis 20 kW )






























Wirkungsweise:
Die gleichgerichtete Spannung wird über einen Kondensator geglättet. BS 192
Die gleichgerichtete Spannung wird einem Wechselrichter zugeführt, bei dem jeweils ein Transistorpaar für eine Phase derart ein/ausgeschalten wird (Impulsbreite), das als Spannungsmittelwert zw. 2 Impulsen über 1 Periode annähernd ein sinusförmiger Stromverlauf entsteht.
Vor allem bei niedriger Drehzahl ist dies notwendig damit der Motor rundläuft, bei höherer Drehzahl reicht das Schwungmoment aus, bei einmaligem ein/ausschaltendes Transistorpaares einen sinusförmigen Strom zu erhalten. Nach dem Ausschalten würde der Strom unterbrochen werden, und damit eine hohe Spannung erzeugt werden, die die Transistoren zerstört. Die Freilaufdioden ermöglichen eine Aufrechterhaltung des Stroms.
Für die 3 Phasen wird weiters eine zyklische Schaltung von einem Transistorpaar auf das nächste benötigt.
Beim Bremsen wird ein Lastwiderstand mit Hilfe eines Transistors ein und ausgeschalten, und damit mech. Energie in Elektrischeund weiter in Wärme umgesetzt. Die Spannung des Motors muss dabei etwas höher sein als jene vom Netz. - Dies wird durch jeweiliges Ausschalten

erreicht.
Die Freilaufdioden dienen auch hier als Stromrückführung.
Anwendung:
Frequenz - Umformer (FU) &
Synchron - Servomotor bei CNC - Roboter
Asynchronmotor →Bahn
Pumpen



ELEKTROSCHUTZ BS 237


Schutz von Leitungen & Geräten gegen Kurzschluß und Überstrom.

Schmelzsicherungen:
Sicherungspatrone Porzellankörper in dem ein Draht gespannt ist der entsprechend
I²R = Wärme schmilzt. Umgehen von Quarzsand zum Zwecke der Funkenlöschung. Müssen als absoluter Schutz vor dem Zähler eingesetzt werden.
Sicherungen müssen in einem Leitungssystem selektiv eingesetzt werden, dh. es soll jene Sicherung zuerst ansprechen, die dem Kurzschluß am nächsten ist.
Bei jeder Reduktion des Leistungsquerschnittes sind Sicherungen vorzusehen.



Cu: 1,5 mm²10 ( 12 ) A
2,5 mm²16 A
4 mm²20 A
6 mm²25 A
10 mm²35 A

Sicherungsautomaten:
Bestehen aus einer Bimetallauslösung zum Schutz vor Überstromen (Überlastung) bzw einer elektromagn. Auslösung zum Schutz vor Kurzschluß. Diese spricht sehr schnell an, benötigt aber mind. 10fachen Nennstrom.





























Unter
keine Abschaltung möglich.

U - Sicherung schneller, braucht aber hohen Strom (Gerätesicherung)
L - Sicherung langsamer, braucht aber geringeren Strom (Leitungssicherung)

Zur Vewrringerung des Kontaktabbrandes beim öffnen (Lichtbogen) werden Metalllamellen in einem geringen Abstand neben den Kontakten eingeordnet (Wärmeentzug).



Schutz für Menschen und Tiere

Elektrounfall









Aus Sicherheitsgründen (Elektrostatische Aufladung, Blitzeinschlag) wird das Drehstromnetz im Sternpunkt geerdet.
Berührt eine Person eine unter Spannung stehende blanke Leitung bzw ein Gerät mit Metallgehäuse und schadhafter Isolation, so bildet sich über Körper und Erde ein Stromkreis.



Wirkung des Stroms auf den Menschen:

Unter der Annahme Strom fließt von einer Hand über die Brust zur anderen bzw von einer Hand über Brust - Becken - Fuß. hauptwiderstand ist immer Haut.

1 - 2 mA: prickelndes Gefühl, Reizschwelle
10 - 20 mA: bewirkt Muskelverkrampfung sodass ein umfaßter Teil nicht mehr losgelassen werden kann
50 mA: bewirken Herzkammerflimmern → aussetzen des Herzrythmus
1 A: Atemlähmung und Brandmarken
Bei el. Unfall wichtig:
ärztl. Kontrolle wichtigt, da oft Herrzstillstand als Spätfolge eintritt (3 - 5 Stunden)

Im ungünstigsten Fall wird für einen el. Unfall ein Gesamtkörperwiderstand zw. Stromein/austritt von 1 kΩ angenommen.



I = 50 mA als Grenze → U = 50 V als Spannungsgrenze

dh alle Geräte mit U> 50V benötigen entsprechende Schutzmaßnahmen, unter 50V sind sie nicht erforderlich


Schutzmaßnahmen:

Isolierung
Geräte erhalten Gehäuse aus Kunststoff
Stecker: 2 - poliger Flachstecker oder Schuko - Stecker ohne schutzkontakt
Trenntrafo zum Aufbau eines ungeerdeten Netzes mit Übersetzung 1:1 für einen einzelnen Verbraucher (Rasiersteckdose)
Schutzkleinspannung: Trenntrafo mit Untersetzung auf U<50 V
zB Kinderspielzeug, Steuerspannung in der Industrie (24 V~)
Schutzerdung BS 245 Bild 4, BS 251 Bild 2
Das Metallgehäuse eines Gerätes wird geerdet bzw das Gesamtnetzeines Verbrauchers,
zB Einfamilienhaus: Banderder im Fundament oder Erdspieß.
Dabei soll verhindert werden, dass eine Person die ein Gerät mit Masseschluß (defekt) berührt eine Spannung gegen Erde erhält die>50 V ist →dh Erdungswiderstand mögl. klein
Bei einem solchen Schluß (dh blanker stromführender Leiter) soll dann die Sicherung ansprechen und das Gerät vom Netz trennen.
Nullung
Nicht immer ist es möglich eine Erdung mit ausreichend geringem Widerstand zu erstellen. Bei der Nullung teilen wir selbige beim Verbraucher auf in einen Nullleiter (blau) und einen Schutzleiter (gelb - grün). Letzterer wird dem Verbraucher entweder in Form des Schuko - Steckers (Schutzkontakt) zugeführt, wobei der Schutzleiter immer mit dem Metallgehäuse eines Geräts verbunden ist. Oder bei fixen Anschluß direkt an das met. Gehäuse eines Verbrauchers. BS 250
Der Nullleiter darf dabei vor dem Zähler nicht abgesichert werden, weil sonst die Schutzfunktion im Falle einer ausgelösten Sicherung im Nullleiter unterbrochen wäre.

6. FI - Schutzschalter



































Wirkungsweise:
alle Leiter außer dem Schutzleiter werden durch einen sog. Summenstromwandler (Trafo) geführt. Die Summe der zufließenden Strome = Summe der abfließenden Strome
dh Magnetfelder heben sich gegenseitig auf.




... fließot nun ein Wechselstrom gegen Erde ab, so ist das Gleichgewicht gestört. Im Fe - Kern ergibt sich ein wechselndes Magnetfeld, das in der Hilfswicklung eine Spannung induziert. Diese Spannung treibt einen Strom durch Spule mit Fe - Kern (Relais) der die Mechanik auslöst, und die Verbraucher vom Netz kennt. Auslösefehlerstrom je nach Typ 100, 50, 30, mA innerhalb 1,5 perioden dh 30 ms

MESSTECHNIK BS 329, 332, 333, 334, 336


Strommessung:






Entweder analog →Zeiger, zB Drehspule Permanentmagnet in dem sich eine Spule verbunden mit einem Zeiger max. 90° dreht. Als Gegenkraft dient eine Feder.
Motorprinzip Feder





→ lineare Skala


Bsp.: Meßwerk 1 mA, 50 Ω für Endausschlag
- zu erweitern auf 1 A mittels Parallelwiderstand












Praktisch wird mit Hilfe eines Drehschalters der Meßbereich bei einem Vielfachinstrument eingeschalten dh entsprechende Widerstände geschalten, und damit der Meßbereich festgelegt. zB Abstufung 1:10 bei Digitalinstrumenten.
Daher beim Messen immer mit dem größten Meßbereich beginnen, und dann herunterschalten.










Digitales Messen:












































Dig. Meßgeräte setzen Meßgröße in dig. Wert um, der angezeigt wird.
Sie enthalten meist einen Meßverstärker und haben daher einen hohen Eingangswiderstand (mind. 10MΩ bei DC).Analog - Digital - Umsetzer verarbeiten nur Gleichspannung → Gleichrichten!, und haben nur einen Grundmeßbereich von dem aus höhere Spannungen geteilt und niedrigere verstärkt werden müssen.

Dual - Slope - Verfahren:

Meßgröße wird meist durch Dual - Slope - Verfahren in dig. Signal umgesetzt ( - Zweiflanken oder Zweirampenverfahren).
Es fließt eine Spannung U_X in den Integrator (für eine genau festgelegte Zeit) - dadurch lädt sich der Kondensator mehr oder weniger auf (je nach U_X). Dann wird eine zu U_xneg. Referenzspannung angelegt, der Kond. entlädt sich (während die Zeit gemessen wird) wenn der Kond. entladen ist, meldet dies der Nullvergleicher und die Zeitmessung stoppt.

Meßgenauigkeit (=Fehler) bezogen auf Meßwert

Digitales Meßgerät: zB: 0,5 %
dh.: 50,8 + - 0,25
wahrer Wert: 51,05
50,5
Analoges Meßgerät: zB: 1%
dh: 10 + - 1
→wahrer Wert 9 od. 11


Spannungsmessung

Voltmeter werden immer parallel geschalten

Meßbereichserweiterung:










Die Meßbereiche werden mittels Schalter vorgewählt. Am Beginn immer den größten Meßbereich einschalten.
Wechselstrom (Spannungsmessung) ... von dem Meßwerk ist ein Gleichrichter geschalten.
Emtsprechende Schaltstellung an einem Vielfachmeßgerät................... nur dann richtige Anzeige, wenn sinusförmige Kurvenform .................Effektivwert, sonst muss RMS vermerkt sein.






Leistungsmessung







Ein Wattmeter hat mindestens 4 Anschlüsse. 2 für den Strompfad und 2 für den Spannungspfad. Diese werden entsprechend einem Ampere - /Voltmeter angeschlossen.




OSZILLOSKOP

...dient zur Sichtbarmachung zeitl. abhängiger Spannungswerte, die eine periodische Funktion haben. Die heute höchste meßbare Frequenz sind 200 Mhz, die niedrigste ca. 1 Hz.
Für langsame bzw einmalige Signale werden Speicheroszilloskope verwendet, die in kürzesten Meßzeiten den Meßwert digitalisieren und speichern und alle Speicher werden danach periodisch abgefragt und damit ein Bild dargestellt.
Meßgröße immer Spannung!

























Gestartet wird der Vorlauf immer ab einer gewissen Mindestspannung (Triggerung).

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