Elektrische Energietechnik: Grundlagen, Energieversorgung, Antriebe und Leistungselektronik

490 Pages·2013·10.426 MB·German

by  Richard Marenbach, Dieter Nelles, Christian Tuttas (auth.)

Richard Marenbach
Dieter Nelles
Christian Tuttas
Elektrische
Energietechnik
Grundlagen, Energieversorgung, Antriebe
und Leistungselektronik
Elektrische Energietechnik
Richard Marenbach · Dieter Nelles
Christian Tuttas
Elektrische Energietechnik
Grundlagen, Energieversorgung, Antriebe
und Leistungselektronik
Mit 272 Abbildungen und 8 Tabellen
Richard Marenbach Christian Tuttas
Erlangen, Deutschland FB Elektro- u. Informationstechnik
Technische Universität Kaiserslautern
Dieter Nelles Kaiserslautern, Deutschland
Kronberg, Deutschland
ISBN 978-3-8348-1740-2 ISBN 978-3-8348-2190-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-8348-2190-4
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Vorwort zur 2. Auflage
Die Entwicklung auf dem Gebiet der elektrischen Energietechnik ist nicht so stürmisch
wie in der Informationstechnik. Trotzdem haben sich in den letzten 15 Jahren einige
Neuerungen ergeben. Dies gilt insbesondere für die Energieerzeugung und Übertragung,
die stark von der „Energiewende“ betroffen sind. Auch hat sich die Struktur der
Energieversorgungsunternehmen sehr stark geändert. Im Bereich der Anwendung wur-
den die Abschnitte Elektromobilität und Beleuchtung überarbeitet. Selbstverständlich
wurden die genannten Preise und Kosten aktualisiert.
Voraussetzung für das Verständnis des vorliegenden Buches sind die Kenntnisse der
Grundlagen der Elektrotechnik. Zur Vorbereitung und als begleitende Literatur werden
[1–3] empfohlen. Etwas anspruchsvoller ist [4]. Die Gegenstände dieses Buches wer-
den in ähnlicher Weise bei [5] und [6] behandelt. Ein breites Teilgebiet der elektrischen
Energietechnik ist die Energieversorgung, die in den Kap. 1, 4, 5, 6, 7 und 8 behandelt
wird. Hierzu kann als weiterführende Literatur [7, 8] dienen. Als Nachschlagewerk für
Begrifflichkeiten sei auf [9] verwiesen.
Die Autoren begrüßen es ausdrücklich, dass sich unter den Studierenden immer mehr
Frauen für das Fachgebiet der elektrischen Energietechnik interessieren und auch den
Beruf der Elektroingenieurin ergreifen wollen. Trotzdem wurden aus Gründen der bes-
seren Lesbarkeit die männlichen Bezeichnungen – wie z. B. der Ingenieur – beibehalten.
Stattdessen sprechen wir von der Mathematikerin und der Planerin. Die Lesenden soll-
ten aber wissen, dass die Autoren dabei stets beide Genera gleichermaßen ansprechen.
Die Autoren interessieren sich sehr für die Meinung der Lesenden. Deshalb freuen
sich die Autoren über Lob und Kritik, denn nur so kann dieses Werk – bei einer even-
tuellen nächsten Auflage – weiter entwickelt werden. Wer auch immer sich mit seiner
Meinung an die Autoren wenden möge, möge eine Email an die Adresse elektrische.energ
[email protected] senden. Wir antworten garantiert.
Die zweite Auflage dieses Buches wäre ohne Unterstützung nicht möglich gewesen.
Die Autoren danken Herrn Markus Drescher für das Konvertieren der alten Dateien
aus der ersten Auflage in die neue Druckvorlage. Des Weiteren wurden von ihm alle
V
VI Vorwort zur 2. Auflage
Bilder überarbeitet bzw. neue hinzu gefügt. Der Dank gilt auch der Firma OMICRON
electronics Deutschland GmbH, die die Autoren mit materiellen und immateriellen
Ressourcen unterstützt hat. Schließlich möchten wir uns für die aktive Zusammenarbeit
mit dem Springer-Vieweg Verlag bedanken, insbesondere bei Frau Andrea Broßler, Frau
Walburga Himmel und Herrn Reinhard Dapper.
Kaiserslautern und Erlangen, Juli 2013 Richard Marenbach
Dieter Nelles
Christian Tuttas
Literatur
1. Frohne, H., Löcherer, K.-H., Müller, H., Harriehausen, T, Schwarzenau, D.: Möller Grundlagen
der Elektrotechnik, 22. Aufl. Vieweg Teubner-Verlag (2011)
+
2. Nelles, D.: Grundlagen der Elektrotechnik zum Selbststudium Bände 1–4. VDE-Verlag (2002,
2003)
3. Linse, H., Fischer, R.: Elektrotechnik für Maschinenbauer, 13. Aufl. Teubner Vieweg-Verlag
+
(2009)
4. Küpfmüller, K., Mathis, W., Reibinger, A.: Theoretisch Elektrotechnik, 18. Aufl. Springer
(2008)
5. Schufft, W.: Taschenbuch der Elektrischen Energietechnik. Carl-Hauser-Verlag (2007)
6. Schwab, A.J.: Elektroenergiesysteme. Springer (2009)
7. Heuck, K., Dettmann, K.H., Schulz, D.: Elektrische Energieversorgung, 8. Aufl. Teubner Vieweg-
+
Verlag (2010)
8. Flosdorff, R., Hilgart, G.: Elektrische Energieverteilung, 9. Aufl. Teubner-Verlag (2005)
9. Schäfer, H.: Lexikon der Energietechnik. VDI-Verlag (1994)
Vorwort zur 1. Auflage
Die elektrische Energietechnik ist ein sehr breites Wissensgebiet, das sich mit der
Erzeugung, Übertragung und Anwendung der Elektroenergie befasst. Die einzel-
nen Teilaspekte werden eingehend in der Literatur behandelt. Das vorliegende Buch
bringt eine zusammenhängende Darstellung der energietechnischen Grundlagen
und geht auf die wichtigsten Betriebsmittel, ihren konstruktiven Aufbau, aber vor
allem ihr Klemmenverhalten ein. Dabei soll dem Leser – sei er Anlagenplaner oder
Automatisierungstechniker – das Verständnis für das Zusammenwirken der verschiede-
nen Komponenten nahegebracht werden.
Das Buch eignet sich im Grundstudium der Elektrotechnik als Einführung in die
Energietechnik. Im Hauptstudium der Energie- und Automatisierungstechnik stellt es
die Verbindung zwischen den Teilgebieten her. Daneben sind Studierende mit anderen
Schwerpunkten angesprochen, die sich über die grundlegenden Zusammenhänge der
elektrischen Energietechnik informieren wollen.
Es werden lediglich elektrotechnische Grundkenntnisse vorausgesetzt. Theoretisch
anspruchsvollere Passagen sind so gestaltet, dass der übrige Inhalt auch ohne deren
Verständnis zu erarbeiten ist. Die einzelnen, in sich verständlichen Kapitel erlauben es
insbesondere Ingenieuren der Praxis, die sie interessierenden Sachverhalte gezielt nach-
zulesen, ohne das Buch von Anfang an durchzuarbeiten.
Wenn die Thematik eines so breiten Gebietes wie der elektrischen Energietechnik
behandelt werden soll, stellt sich die Frage der Gliederung. Man kann den Weg der
Energie von der Kohle bis zum Staubsauger gehen, nach den klassischen Fachgebieten
gliedern oder nach Betriebsmitteln ordnen. Im vorliegenden Buch wurde ein
Zwischenweg beschritten. Die Autoren waren bemüht, die Dinge, die vom Verständnis
miteinander verknüpft sind, zusammenzufassen. Dadurch werden die Lehrgebiete
teilweise gemischt, sodass aus Seitenumfang und Kapitelüberschriften nicht auf die
Bedeutung und Wertigkeit der Teilgebiete geschlossen werden kann.
VII
VIII Vorwort zur 1. Auflage
Es ist selbstverständlich, dass die verwendeten Begriffe entsprechend der Norm
gewählt wurden. Dies gilt auch für Formel- und Schaltzeichen. Probleme ergeben
sich bei den drei Leitern des Drehstromsystems. Die Normbezeichnungen L1, L2, L3
werden nicht einheitlich beibehalten. Insbesondere bei Indizes haben die veralteten
Bezeichnungen RST Vorteile. Deshalb wird in diesem Punkt die Einfachheit über die
Normtreue gestellt. Auch bei der Bezeichnung der symmetrischen Komponenten gibt es
eine kleine Abweichung von der Norm.
In der elektrischen Energietechnik werden physikalische Größen beispielsweise in
Volt und bezogene Größen in Prozent oder p.u. verwendet. Außerdem ist zwischen
konstanten und zeitlich variablen Größen zu unterscheiden. In dem Buch sind kon-
stante Größen mit großen und Zeitfunktionen mit kleinen Buchstaben bezeichnet.
Physikalische Größen und p.u.-Größen tragen dementsprechend große oder kleine
Buchstaben, ihre unterschiedliche Bedeutung geht aus dem Kontext hervor. Lediglich an
den Stellen, an denen zwischen beiden zu unterscheiden ist, sind die bezogenen Größen
durch kleine Buchstaben gekennzeichnet.
Die beiden Autoren haben sich die Bearbeitung der Abschnitte aufgeteilt. Die
Kap. 2.8.4, 3 und 9 stammen aus der Feder von C. Tuttas, der übrige Text wurde von
D. Nelles erarbeitet.
Das Buch wäre ohne die Hilfe der Mitarbeiter des Lehrstuhls nicht möglich gewe-
sen. Die Autoren danken den wissenschaftlichen Assistenten R. Christmann, R. Dilger,
R. Huwer, H. Jelonnek und G. Schneider für die Durchsicht des Manuskripts und für
wertvolle Anregungen. Des Weiteren sei den Herren Fehrenz, Hoffmann und Protzner
für das Zeichnen der Bilder sowie den Herren Burkhard, Christmann, Fehrenz und
Jelonnek für die Ausgestaltung der Druckvorlage gedankt. Unser Dank gilt auch
Frau Klein, die das Manuskript erstellt hat. Schließlich möchten wir die vertrauens-
volle Zusammenarbeit mit dem Teubner Verlag hervorheben, insbesondere mit Herrn
Dr. Schlembach und Frau Rodeit.
Kaiserslautern, Dezember 1997 Dieter Nelles
Christian Tuttas
Inhaltsverzeichnis
1 Grundbegriffe der Energietechnik ...................................... 1
1.1 Grundeinheiten .................................................. 1
1.2 Drehstromsysteme ................................................ 5
1.2.1 Drehfeld .................................................. 5
1.2.2 Symmetrischer Betrieb ...................................... 9
1.2.3 Stern- und Dreieckschaltung ................................. 10
1.3 Bezogene Größen ................................................. 13
1.3.1 Grundsysteme ............................................. 13
1.3.2 per-unit-System ............................................ 15
1.3.3 %/MVA-System ........................................... 17
1.4 Transformationen ................................................ 18
1.4.1 Diagonaltransformation .................................... 18
1.4.2 Transformationsmatrix ..................................... 19
1.4.3 Symmetrische Komponenten ................................ 20
1.4.4 Diagonalkomponenten ..................................... 27
1.4.5 Park-Komponenten ........................................ 29
1.4.6 Raumzeiger ............................................... 32
Literatur .............................................................. 33
2 Elektrische Maschinen ................................................. 35
2.1 Transformatoren ................................................. 35
2.1.1 Aufbau eines Zweiwicklungstransformators ................... 36
2.1.2 Drehstromtransformator .................................... 43
2.1.3 Dreiwicklungstransformatoren ............................... 49
2.1.4 Stufenstellung ............................................. 50
2.1.5 Sonderbauformen .......................................... 52
2.1.6 Schutz von Transformatoren ................................ 53
2.2 Drosselspulen .................................................... 55
2.3 Kondensatoren und Filter .......................................... 57
IX
X Inhaltsverzeichnis
2.4 Messwandler ..................................................... 59
2.4.1 Spannungswandler ......................................... 59
2.4.2 Stromwandler ............................................. 61
2.5 Grundprinzipien der rotierenden elektrischen Maschinen .............. 63
2.6 Gleichstrommaschine ............................................. 65
2.6.1 Aufbau der Gleichstrommaschine ............................ 65
2.6.2 Modell der Gleichstrommaschine ............................ 69
2.6.3 Kennlinien der Gleichstrommaschine ......................... 73
2.6.4 Sonderbauformen der Gleichstrommaschine ................... 75
2.6.5 Gleichstromantriebe ........................................ 77
2.7 Synchronmaschinen .............................................. 80
2.7.1 Aufbau der Synchronmaschine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
2.7.2 Modell der Synchronmaschine ............................... 85
2.7.3 Synchronmaschine im stationären Bereich. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
2.7.4 Die Synchronmaschine im Kurzschluss ....................... 92
2.8 Asynchronmaschine .............................................. 99
2.8.1 Stationäres Modell der Asynchronmaschine ................... 100
2.8.2 Betriebsverhalten der Asynchronmaschine .................... 102
2.8.3 Wechselstrommaschine ..................................... 105
2.8.4 Feldorientierte Regelung .................................... 106
2.9 Sondermaschinen ................................................. 111
2.9.1 Linearmotor ............................................... 111
2.9.2 Reluktanzmotor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
2.9.3 Schrittmotoren ............................................ 113
2.9.4 Elektronikmaschine ........................................ 114
Literatur .............................................................. 115
3 Leistungselektronik ................................................... 117
3.1 Grundlagen der Stromrichter ....................................... 118
3.1.1 Grundfunktionen von Stromrichterschaltungen ................ 118
3.1.2 Leistungshalbleiter ......................................... 119
3.1.3 Eigenschaften von Stromrichterschaltungen ................... 122
3.2 Stromrichter ..................................................... 123
3.2.1 Stromrichter mit Dioden .................................... 123
3.2.2 Stromrichter mit Thyristoren ................................ 128
3.2.3 Thyristorschaltungen mit Löscheinrichtung ................... 141
3.2.4 Schaltungen mit abschaltbaren Halbleitern .................... 143
3.3 Steuerteil und Zusatzeinrichtungen ................................. 152
3.3.1 Zündgerät ................................................. 152
3.3.2 Ansteuerung der Halbleiterventile ............................ 155
3.3.3 Schutz .................................................... 155
3.3.4 Kühlung .................................................. 156
Literatur .............................................................. 159