Table Of ContentHi Ie Schneider / GroBmann / Lensch
ach unde
Energietechnik
Von Oberstudienrat Wilhelm Hille, Goslar
Studiendirektor Otto Schneider, G6ttingen
Studiendirektor Klaus GroBmann, Eutin
Oberstudienrat Knud Lensch, Eutin
3., neubearbeitete und erweiterte Auflage
mit 620 teils mehrfarbigen Bildern, 72 Tabellen,
58 Versuchen, 97 Beispielen und 534 Ubungsaufgaben
B. G. Teubner Stuttgart 1991
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Elektro-Facbkunde. - Stuttgart: Teubner.
2. Energietechnik : mit 72 Tabellen, 58 Versuchen, 97
Beispielen und 534 Ubungsaufgaben / Hille ... Von Wilhelm
Hille ... - 3., neubearb. und erw. Aufl. - 1991
ISBN-13: 978-3-519-26806-2 e-ISBN-13: 978-3-322-87209-8
DOl: 10.1007/978-3-322-87209-8
Das Werk einschlieBlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschiitzt. Jede Verwer
tung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fiillen bedarf deshalb der vorherigen
schriftlichen Einwilligung des Verlages.
© B. G. Teubner Stuttgart 1991
Gesamtherstellung: Passavia Druckerei GmbH Passau
Umschlaggestaltung: Peter Pfitz, Stuttgart
Liebe Schuler,
der 2. Teil dieser Fachkunde schlieBt an den Grundlagenband I mit dern Stoff fUr die Fachstu
fen der energietechnischen Berufe nach den Lehrpliinen der berufsbildenden Schulen an. Er
beriicksichtigt die Neuordnung der elektrotechnischen Industrie- und Handwerksberufe von
1987/88.
Auch in diesern Buch geht es nicht urn reines "Einpauken", sondem urn das Verstehen elektri
scher Vorgiinge. Deshalb legen wir besonderen Wert auf Versuche, aus denen Sie Erkenntnisse
unrnittelbar gewinnen. Die sich daraus ergebenden Gesetze und Formeln werden als "Riist
zeug" in Merkkiisten zusammengefaBt. In technischen Berufen ist es wichtig, Zeichnungen
lesen zu konnen. Sie stellen Vorgiinge oft deutlicher dar als lange Beschreibungen. Deshalb
finden Sie hier viele Informationsbilder, zu deren Verstiindnis Farben beitragen. Damit Sie das
erworbene Wissen priifen und festigen konnen, haben wir Ubungsaufgaben aus der Praxis
angefiigt.
Der Inhalt wurde in der 3. Auflage nach neuen Gesichtspunkten geordnet. Neu sind die Abschnitte
lO (Digitale Schaltungstechnik), 11 (Automatisierungstechnik) und 14 (Antennen- und Blitz
schutzanlagen). Der jiingste Stand der Technik und Normung wurde beriicksichtigt. Fehler haben
wir beseitigt. Soweit es uns sinnvoll erschien, haben wir Klarstellungen vorgenommen.
Anregungen und Hinweise von Lehrem und Schiilem fiir die Weiterentwicklung un serer Fach
kunde nehmen wir gem entgegen.
Sommer 1991 Die Verfasser
Inhaltsverzeichnis
, Seite
Spule und Konden- 1.1 Spule II
sator im Gleichstrom- 1.1.1 Magnetfeld einer Spule II
kreis 1.1.2 Selbstinduktionswirkung einer Spule 13
1.1.3 Induktivitiit und Selbstinduktionsspannung 14
1.1.4 Schaltung von Induktivitiiten 15
1.2 Kondensator 16
1.2.1 Kapazitiit 16
1.2.2 Ladung und Feldstiirke 17
1.2.3 Lade- und Entladevorgang 18
1.2.4 Schaltung von Kondensatoren 21
Ubungsaufgaben zu Abschnitt 1 22
2 Wechselstrom- 2.1 Grundlagen 23
schaltungen 2.1.1 KenngroBen von Wechselspannung und
Wechselstrorn 23
2.1.2 Wechselstrornwiderstiinde 24
2.1.3 Addition von WechselgroBen 26
2.2 Spule irn Wechselstrornkreis 28
2.3 Wechselstrornleistung 33
2.3.1 Wechselstrornleistung in einern Wirkwiderstand 33
2.3.2 Wechse1strornleistung in einer Spule 33
2.3.3 Wechse1strornleistung bei kapazitiver Be1astung 38
2.3.4 Messen der Wechselstrornleistung und -arbeit 39
Ubungsaufgaben zu Abschnitt 2.1 bis 2.3 44
2.4 Zusarnrnengesetzter Wechse1strornkreis 44
2.4.1 Reihenschaltung von Wirkwiderstand und Spule 45
2.4.2 Reihenschaltung von Wirkwiderstand und
Kondensator 46
2.4.3 Parallelschaltung von Wirkwiderstand und
Kondensator 47
2.4.4 Reihenschaltung von Spule und Kondensator 49
2.4.5 Parallelschaltung von Spule und Kondensator 52
2.5 Kornpensation des induktiven Blindstrorns 55
2.6 RC-Glied an Rechteckspannung 57
2.6.1 Integrierglied 57
2.6.2 Differenzierglied 58
Ubungsaufgaben zu Abschnitt 2.4 bis 2.6 59
3 Drehstrom 3.1 Entstehung des Drehstroms 60
3.1.1 Erzeugung von drei urn 1200 phasen-
verschobenen Wechselstrornen 60
3.1.2 Sternschaltung 61
3.1.3 Dreieckschaltung 64
3.2 Leistung des Drehstrorns 66
4
Seite
3 Drehstrom. 3.3 Messen der Drehstromleistung und -arbeit 67
Fortsetzung 3.3.1 Leistungsmessung bei Drehstrom 67
3.3.2 Arbeitsmessung bei Drehstrom 69
Ubungsaufgaben zu Abschnitt 3 70
4 Tra nsformatoren 4.1 Einphasentransformator 71
4.1.1 Aufbau und Wirkungsweise 71
4.1.2 Transformator im Leerlauf 72
4.1.3 Transformator bei Belastung 73
4.1.4 Wirkung und Leistung 75
4.1.5 Transformator im KurzschluB 76
4.2 Kleintransformator 79
4.2.1 Aufbau 79
4.2.2 Kennzeichnung 80
4.3 Sonderbauformen 81
4.3.1 Spartransformator 81
4.3.2 Streufeldtransformator 83
4.3.3 MeBwandler 84
4.4 Drehstromtransformator 87
4.4.1 Aufbau 88
4.4.2 Schaltung 90
4.5 Parallelschaltung von Transformatoren 93
4.6 Bedeutung der Transformatoren
fur die Energieversorgung 95
Ubungsaufgaben zu Abschnitt 4 97
5 o rehfeld masch i nen 5.1 Einphasen- und Drehstromgenerator 98
5.1.1 Einphasengenerator 98
5.1.2 Drehstromgenerator 100
5.2 Drehfeld 102
5.2.1 Entstehung des Drehfelds 102
5.2.2 Wirkung des Drehfelds beim Synchronmotor 105
5.2.3 Wirkung des Drehfelds beim Asynchronmotor 105
5.2.4 Drehfelderzeugung bei Einphasen-Wechselstrom
durch eine Hilfsphase 107
Ubungsaufgaben zu Abschnitt 5.1 und 5.2 108
5.3 Synchronmotor 108
5.3.1 Aufbau und Wirkungsweise 109
5.3.2 Reluktanzmotor 110
5.3.3 Synchrone Kleinstmotoren 111
Ubungsaufgaben zu Abschnitt 5.3 III
5.4 Drehstrom-Asynchronmotor III
5.4.1 Aufbau III
5.4.2 Anzugsstrom und Drehmomente 114
5.4.3 KurzschluBlaufermotor 115
5.4.4 Schleifringlaufermotor 119
5.4.5 Andere AnlaBverfahren 122
5
Seite
5 Drehfeldmaschi nen, 5.4.6 Drehzahlsteuerung 123
Fortsetzung 5.4.7 Betriebsverhalten 127
5.4.8 Asynchroner Linearrnotor 128
Obungsaufgaben zu Abschnitt 5.4 129
5.5 Einphasen-Asynchronmotor 130
5.5.1 Drehstrommotor als Einphasenmotor 130
5.5.2 Einstriingiger Motor - Anwurfmotor 131
5.5.3 Einphasenmotor mit Hilfswicklung 131
5.5.4 Spaltpolmotor 133
5.6 Blindstromkompensation bei Drehstrommotoren 134
5.7 Bremsen von Drehstrommotoren 136
Obungsaufgaben zu Abschnitt 5.5 bis 5.7 138
6 G leichstrommaschinen 6.1 Gleichstromgenerator 139
6.1.1 Erzeugen einer Gleichspannung 139
6.1.2 Aufbau der Gleichstrommaschinen 140
6.1.3 Ankerriickwirkung und Stromwendung 145
6.1.4 Schaltung und Betriebsverhalten
der Gleichstromgeneratoren 148
Obungsaufgaben zu Abschnitt 6.1 150
6.2 Gleichstrommotor 151
6.2.1 Wirkungsweise 151
6.2.2 NebenschluBmotor 154
6.2.3 ReihenschluBmotor 156
6.2.4 DoppelschluBmotor 158
6.2.5 Gleichstrommotor als Bremse 159
Obungsaufgaben zu Abschnitt 6.2 159
7 Sondermaschinen 7.1 Servomotor 160
7.1.1 G leichstrom-Langliiuferrnotor 160
7.1.2 Gleichstrom-Scheibenliiuferrnotor 161
7.1.3 Burstenloser Gleichstrom-Servomotor
(Elektronikmotor) 161
7.1.4 Drehstrom-Servomotor 163
7.2 Schrittmotor 164
Obungsaufgaben zu Abschnitt 7.1 und 7.2 166
7.3 Stromwenderrnotoren fur Wechselstrom
und Drehstrom 167
7.3.1 Universalmotor und Einphasen-Reihen-
schluBmotor 167
7.3.2 Repulsionsmotor 170
7.3.3 Drehstrom-Stromwenderrnotor 172
7.4 Umforrner 174
7.4.1 Asynchroner Frequenzumforrner 174
7.4.2 Leonardumforrner 175
Obungsaufgaben zu Abschnitt 7.3 und 7.4 176
6
Seite
8 Antriebstechnik 8.l Mechanische Obertragung der Motorleistung 177
8.1.1 Riementrieb 177
8.1.2 Zahnrad- und Schneckentrieb 178
8.1.3 Mechanische Leistung bei der Drehbewegung 180
8.2 Motorauswahl 182
8.2.1 Drehsinn 183
8.2.2 Leistung, Drehzahl und Drehmoment 183
8.2.3 Betriebsarten 184
8.2.4 Verluste und Kiihlung, zulassige Betriebs-
temperatur 186
8.2.5 Bauformen und Schutzarten 188
8.3 Schalt- und Schutzgerate fiir Motoren 190
8.3.1 Einfache Motorschalter und Anlasser 190
8.3.2 Motorschutzschalter und Leistungsschalter 191
8.3.3 Schiitze, Befehlsschalter und Wachter 193
8.3.4 Motorschutz durch Temperaturfiihler 197
Ubungsaufgaben zu Abschnitt 8 198
9 Leistungselektronik 9.1 Gleichrichterschaltungen fiir Wechse1-
und Drehstrom 199
9.1.1 Gleichrichtung von Wechse1strom 199
9.l.2 Gleichrichtung von Drehstrom 201
9.1.3 Siebschaltungen 203
Ubungsaufgaben zu Abschnitt 9.l 207
9.2 Bipolare Transistoren 208
9.2.1 Steuerung des Kollektorstroms 209
9.2.2 Transistor als Verstarker 210
9.2.3 Einstellen der Basisvorspannung bzw. des
Basisvorstroms 214
9.2.4 Stabilisieren des Arbeitspunkts 215
9.2.5 Transistorgrundschaltungen 216
9.2.6 Kopplung von Transistorstufen 217
9.2.7 Transistor als Schalter 220
9.2.8 Schwellwertschalter 221
Ubungsaufgaben zu Abschnitt 9.2 223
9.3 Fe1deffekttransistoren 224
9.3.1 Sperrschicht-Feldeffekttransistoren 224
9.3.2 Isolierschicht-Feldeffekttransistoren 227
9.3.3 Feldeffekttransistoren als Schalter 230
Ubungsaufgaben zu Abschnitt 9.3 232
9.4 Differenz- und Operationsverstarker 232
9.4.1 Differenzverstarker 232
9.4.2 Operationsverstarker 235
Ubungsaufgaben zu Abschnitt 9.4 242
9.5 Thyristoren und Triggerschalte1emente 242
9.5.1 Thyristoren 242
7
Seite
9 Leistu ngselektro n i k. 9.5.2 Mehrschichtdioden 246
Fortsetzung 9.5.3 U nijunction-Transistor 248
Ubungsaufgaben zu Abschnitt 9.5 249
9.6 Stromrichterschaltungen 250
9.6.1 Gesteuerte Gleichrichter 250
9.6.2 Wechse1stromsteller 260
9.6.3 Gleichstromsteller 263
9.6.4 Selbstgefiihrte Wechselrichter 266
9.6.5 Statische Frequenzumrichter 269
Ubungsaufgaben zu Abschnitt 9.6 272
10 Digitale Schaltungs- 10.1 Logische Verkniipfungsglieder 273
technik 10.2 Schaltkreisfamilien 276
Ubungsaufgaben zu Abschnitt 10.1 und 10.2 281
10.3 Begriffe der digitalen Informationsverarbeitung 282
10.4 Zahlensystem und ihre Strukturen 283
10.5 Codes 286
10.5.1 Biniirdezimale Codes (BCD-Codes) 286
10.5.2 Einschrittige Codes 287
10.5.3 Alphanumerische Codes 289
Ubungsaufgaben zu Abschnitt 10.3 bis 10.5 290
10.6 Schaltalgebra 291
10.6.1 Rege1n der Schaltalgebra 291
10.6.2 Disjunktive und konjunktive Normalform 294
10.6.3 Vereinfachen von Schaltfunktionen 297
10.6.4 Analyse von Schaltungen 300
10.6.5 Synthese von Schaltungen 301
Ubungsaufgaben zu Abschnitt 10.6 303
10.7 Kippglieder 303
10.7.1 Bistabiles Kippglied 303
10.7.2 Monostabiles Kippglied 309
10.7.3 Astabiles Kippglied 312
Ubungsaufgaben zu Abschnitt 10.7 313
10.8 Ziihler 313
10.8.1 Synchrone Ziihler 313
10.8.2 Asynchrone Ziihler 316
10.8.3 Ziihlerschaltungen als Frequenzteiler 317
10.9 Schieberegister 318
10.10 Rec4enschaltungen, Code-Umsetzer, Multiplexer 319
10.11 Signalumwandlung 323
10.11.1 Digital-Analog-Umsetzer 323
10.11.2 Analog-Digital-Umsetzer 324
Ubungsaufgaben zu Abschnitt 10.9 bis 10.12 326
8
Seite
11 Automatisierungs- Il.l Steuerungstechnik 327
technik 11.l.l BegritTe und Merkmale von Steuerungen 327
11.1.2 Sensoren und Aktoren (Stellglieder) 330
11.1.3 Verbindungsprogrammierte Steuerung
(VPS) mit Beispielen 331
11.1.4 Speicherprogrammierte Steuerung (SPS) 336
11.1.5 Beispiele fUr speicherprogrammierte
Steuerungen 342
11.1.6 Sicherheit speicherprogrammierter
Steuerungen 343
Ubungsaufgaben zu Abschnitt 11.1 345
11.2 Regelungstechnik 346
11.2.1 BegritTe und Merkmale der Regelung 346
11.2.2 Regelstrecken 348
11.2.3 Unstetige und stetige Regeleinrichtungen 349
11.2.4 MeBwertgeber, Vergleicher, Steller 351
11.2.5 Betriebsverhalten von Regelgliedern 353
11.2.6 Regelungsbeispiele 358
Ubungsaufgaben zu Abschnitt 11.2 362
12 Licht- und 12.1 Grundlagen 364
Beleuchtungstechnik. 12.1.1 Wesen und Verhalten des Lichtes 364
Elektrowarmegerate 12.1.2 GrundbegritTe und -groBen
der Beleuchtungstechnik 367
12.1.3 Eigenschaften iiblicher Lampen 369
12.2 Gliihlampen 370
Ubungsaufgaben zu Abschnitt 12.1 und 12.2 373
12.3 Gasentladungslampen 373
12.3.1 Vorgange beim Stromdurchgang durch Gase 374
12.3.2 Aufbau und Schaltung der Leuchtstoffiampen 377
12.3.3 Andere Gasentladungslampen 382
12.4 Bemessung von Beleuchtungsanlagen 385
12.4.1 Anfo rderungen 385
12.4.2 Leuchten 387
12.4.3 Beleuchtungsberechnung 388
Ubungsaufgaben zu Abschnitt 12.3 und 12.4 389
12.5 Elektrowarmegerate 390
12.5.1 Moglichkeiten der Warmeiibertragung 390
12.5.2 Steuerungs- und Regelungseinrichtungen
fUr Elektrowarmegerate 391
12.5.3 Haushaltswarmegerate 393
Ubungsaufgaben zu Abschnitt 12.5 400
13 Elektrische Anlagen 13.1 Bestimmungen fUr das Errichten von Stark-
stromanlagen bis 1000 V 401
13.1.1 Elektrische Betriebsmittel 402
13.1.2 Beschaffenheit und Verlegung von Leitungen 403
9
Seite
13 Elektrische Anlagen, 13.I.3 Bemessung und Absicherung von Leitungen 409
Fortsetzung 13.1.4 Sonderbestimmungen fUr Raume besonderer Art 417
Ubungsaufgaben zu Abschnitt 13.1 421
13.2 SchutzmaBnahmen in elektrischen Anlagen 421
13.2.1 Ursachen elektrischer Unfalle 421
13.2.2 Verhiitung elektrischer Unfalle 422
Ubungsaufgaben zu Abschnitt 13.2 und 13.2.2 426
13.2.3 Netzunabhangige SchutzmaBnahmen
gegen Gefahren bei indirektem Beriihren 426
Ubungsaufgaben zu Abschnitt 13.2.3 431
13.2.4 Netzabhangige SchutzmaBnahmen
gegen Gefahren bei indirektem Beriihren 432
Ubungsaufgaben zu Abschnitt 13.2.4 453
13.2.5 AusfUhrung und Priifung von Erdungsanlagen 453
13.2.6 Priifung des Isolationswiderstands von
Verbraucheranlagen und FuBb6den 457
Ubungsaufgaben zu Abschnitt 13.2.5 und 13.2.6 461
14 Antennen- und 14.1 Ausbreitung modulierter Tragerwellen 462
Blitzschutzanlagen 14.1.1 Sendeantennen 463
14.1.2 Empfangsantennen 466
14.2 Errichten von Antennenanlagen 473
Ubungsaufgaben zu Abschnitt 14.1 und 14.2 476
14.3 Blitzschutzanlagen 476
14.3.1 Gewitter und Blitz 476
14.3.2 AuBerer Blitzschutz 478
14.3.3 Innerer Blitzschutz 481
Ubungsaufgaben zu Abschnitt 14.3 483
Anhang Formelzeichen, Gr6Ben und Einheiten 484
Bildquellenverzeichnis 485
Sachwortverzeichnis 486
Hinwei auf DI - ormen in diesem Werk entsprechen dem Stand der Normung bei Ab cbluB des
Manu kript . MaBgebend sind die jeweils neucstcn Au gaben dcr Normbliittcr des DIN Deutsches
Inslilut riir ormung c.V. im Format A4. Die durch die Beuth-Verlag GmbH, Berlin und Kaln, zu
beziehen sind. - SinngemiiB gilt das gleiche riir aUe in diesem Buch angezogencn amtlichen Richtlinien,
Bestimmungen, Verordnungen usw.
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