Elektrotechnik für Maschinenbau und Mechatronik

von: Georg Flegel, Karl Birnstiel, Wolfgang Nerreter

Carl Hanser Fachbuchverlag, 2016

ISBN: 9783446447738

Sprache: Deutsch

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Elektrotechnik für Maschinenbau und Mechatronik

	Inhaltsverzeichnis	7
	1 Grundbegriffe	12
	1.1 Elektrische Ladung	12
	1.1.1 Mit Bernstein fing alles an	12
	1.1.2 Ausgleich und Trennung von Ladungen	12
	1.1.3 Leiter und Nichtleiter	13
	1.1.4 Elektrische Spannung	14
	1.2 Elektrischer Strom	15
	1.2.1 Stromstärke	15
	1.2.2 Stromkreis	16
	1.2.3 Richtungssinn und Bezugssinn	16
	1.3 Leistung und Energie	17
	1.3.1 Erzeuger und Verbraucher	17
	1.3.2 Der Begriff Eintor	18
	1.3.3 Wirkungsgrad	19
	1.3.4 Elektrowärme	20
	1.4 Elektrischer Widerstand	20
	1.4.1 Der Begriff Widerstand	20
	1.4.2 Das Ohmsche Gesetz	21
	1.4.3 Linearer Leiter	21
	1.4.4 Widerstand von Isolierstoffen	22
	1.4.5 Nichtlinearer Widerstand	22
	1.4.6 Temperaturabhängigkeit	23
	1.4.7 Supraleitung	24
	1.5 Quellen	24
	1.5.1 Leerlauf und Kurzschluss	24
	1.5.2 Ideale Quellen	25
	1.5.3 Lineare Quellen	25
	2 Gleichstrom-Schaltungen	27
	2.1 Bestimmung des Arbeitspunktes	27
	2.2 Knotensatz	27
	2.2.1 Der Begriff Knoten	27
	2.2.2 Knotengleichung	28
	2.2.3 Parallelschaltung von Widerständen	29
	2.3 Maschensatz	30
	2.3.1 Maschengleichung	30
	2.3.2 Potenzial	31
	2.3.3 Reihenschaltung von Widerständen	32
	2.4 Ersatzschaltungen	33
	2.4.1 Ersatzwiderstand	33
	2.4.2 Ersatzquelle	33
	2.5 Überlagerungssatz	35
	2.6 Knotenpotenzialverfahren	36
	3 Zeitabhängige Größen	38
	3.1 Periodische Größen	38
	3.1.1 Periodendauer und Frequenz	38
	3.1.2 Gleichwert und Gleichrichtwert	38
	3.1.3 Wirkleistung und Effektivwert	39
	3.2 Sinusgrößen	40
	3.2.1 Kreisfrequenz und Phasenwinkel	40
	3.2.2 Kenngrößen	41
	3.2.3 Zeigerdarstellung	41
	3.2.4 Komplexe Symbole	42
	4 Elektrisches Feld	43
	4.1 Feldlinien und Äquipotenzialflächen	43
	4.2 Kondensatoren	44
	4.3 Flussdichte und Feldstärke	44
	4.4 Energie des geladenen Kondensators	46
	4.5 Kondensator an Sinusspannung	46
	4.6 Polarisationsverluste	47
	4.7 Schaltvorgang in einer Schaltung mit einem Kondensator	48
	5 Magnetisches Feld	49
	5.1 Feldlinien von Magneten	49
	5.2 Magnetische Flussdichte	50
	5.3 Durchflutungsgesetz	51
	5.4 Spulen	52
	5.5 Materie im Magnetfeld	53
	5.6 Magnetische Werkstoffe	55
	5.7 Magnetische Kreise	57
	5.8 Induktion	59
	5.8.1 Induktionsgesetz	59
	5.8.2 Induktion bei Drehbewegung	61
	5.8.3 Induktion bei ruhender Spule	61
	5.9 Energie des magnetischen Feldes	63
	5.9.1 Energie einer Spule	63
	5.9.2 Ein- und Ausschalten einer Spule	64
	5.10 Verluste im magnetischen Feld	65
	5.10.1 Wirbelstromverluste	65
	5.10.2 Hystereseverluste	66
	5.10.3 Eisenverluste	67
	5.11 Kräfte im Magnetfeld	67
	5.11.1 Zugkraft eines Magneten	67
	5.11.2 Elektromagnete	67
	5.11.3 Lorentz-Kraft und Hall-Effekt	69
	6 Wechselstrom-Schaltungen	70
	6.1 Grundeintore	70
	6.2 Widerstand und Leitwert	71
	6.3 Leistung und Arbeit	72
	6.3.1 Wirk- und Blindleistung	72
	6.3.2 Leistungsschwingung	73
	6.3.3 Leistungsfaktor	74
	6.3.4 Wirk- und Blindarbeit	74
	6.3.5 Leistungsberechnung	75
	6.4 Verbindung von Grundeintoren	76
	6.4.1 Reihenschaltung	76
	6.4.2 Reihenresonanz	77
	6.4.3 Parallelschaltung	78
	6.4.4 Parallelresonanz	78
	6.5 Wechselstromnetze	79
	6.5.1 Knoten- und Maschensatz	79
	6.5.2 Ersatzwiderstand	80
	6.5.3 Resonanz	80
	6.5.4 Ortskurve	80
	6.6 Drehstrom	81
	6.6.1 Ströme und Spannungen	81
	6.6.2 Symmetrische Belastung	83
	6.6.3 Unsymmetrische Belastung	86
	7 Bauelemente	87
	7.1 Widerstände	87
	7.1.1 Konstante Widerstände	87
	7.1.2 Einstellbare Widerstände	87
	7.1.3 Temperaturabhängige Widerstände	88
	7.1.4 Spannungsabhängige Widerstände	89
	7.2 Kondensatoren	89
	7.2.1 Wickelkondensator	89
	7.2.2 Spannungsabhängigkeit	90
	7.3 Thermoelektrische Bauelemente	91
	7.4 Dioden	92
	7.4.1 Eigenschaften einer Halbleiterdiode	92
	7.4.2 Das Halbleiter-Grundmaterial Silizium	93
	7.4.3 Dotierung	94
	7.4.4 pn-Übergang	94
	7.4.5 pn-Diode	95
	7.4.6 Schottky-Diode	95
	7.4.7 Z-Diode	96
	7.4.8 Solarzelle	96
	7.4.9 Lumineszenzdiode	97
	7.5 Transistoren	99
	7.5.1 Feldeffekttransistor	99
	7.5.2 Bipolartransistor	101
	8 Rechnergestu?tzte Simulation	102
	8.1 Netzwerkanalyse	102
	8.2 Start mit Schematics	102
	8.3 Gleichanalyse	103
	8.4 Variation von Bauelement-Werten	103
	8.5 Transientanalyse	104
	8.6 Sinusanalyse	105
	8.7 Großsignalanalyse	105
	9 Analoge Schaltungen	106
	9.1 Stabilisierungsschaltungen	106
	9.2 Transistorschaltungen	107
	9.3 Operationsverstärker	108
	9.4 Ru?ckkopplungs-Schaltungen	110
	9.4.1 Der Begriff Ru?ckkopplung	110
	9.4.2 Der invertierende Verstärker	110
	9.4.3 Der nicht invertierende Verstärker	111
	9.4.4 Summierer	112
	9.4.5 Integrierer	112
	9.5 Filter	113
	9.5.1 Grenzfrequenz	113
	9.5.2 Tiefpass	113
	9.5.3 Hochpass	114
	9.5.4 Bandpass	115
	10 Digitale Schaltungen	116
	10.1 Gatter	116
	10.1.1 Vorteile der Digitaltechnik	116
	10.1.2 Binärziffer	116
	10.1.3 Der Begriff Redundanz	116
	10.1.4 Logische Verknu?pfungen	116
	10.1.5 CMOS-Inverter	117
	10.1.6 Realisierung der Grundgatter	118
	10.1.7 Schaltalgebra	118
	10.1.8 Entwurf logischer Schaltungen	120
	10.2 Schaltwerke	121
	10.2.1 Der Begriff Schaltwerk	121
	10.2.2 RS-Flipflops	121
	10.2.3 Master-Slave-Flipflops	123
	10.2.4 JK-Flipflops	123
	10.3 Kippschaltungen	124
	10.3.1 Komparatoren	124
	10.3.2 Monostabile Kippschaltungen	125
	10.3.3 Digitale Oszillatoren	126
	10.4 Frequenzteiler und Zähler	127
	10.4.1 Frequenzteiler	127
	10.4.2 Zähler	128
	10.5 Rechenoperationen mit Dualzahlen	129
	10.5.1 Addition	129
	10.5.2 Subtraktion	130
	10.6 Verarbeitung von Bitmustern	130
	10.6.1 D-Flipflop	130
	10.6.2 Register	130
	10.6.3 Datenu?bertragung	131
	10.6.4 Speicher	132
	10.6.5 Codierschaltungen	133
	10.7 Integrierte Schaltungen	134
	10.7.1 Logikfamilien	134
	10.7.2 TTL-Technik	135
	10.7.3 Aufbau integrierter Schaltungen	135
	10.7.4 CMOS-Technik	136
	10.7.5 Programmierbare Logik-Bauelemente	136
	11 Elektrochemie	138
	11.1 Elektrischer Strom in Flu?ssigkeiten	138
	11.1.1 Chemische Wirkung des Stromes	138
	11.1.2 Dissoziation	138
	11.2 Faradaysche Gesetze	139
	11.3 Elektrochemische Spannungsreihe	140
	11.4 Batterien	141
	11.5 Akkumulatoren	143
	11.5.1 Bleiakkumulator	143
	11.5.2 Nickel-Cadmium-Akkumulator	144
	11.5.3 Nickel-Metallhydrid-Akkumulator	144
	11.5.4 Lithium-Ionen-Akkumulator	145
	11.6 Brennstoffzellen	145
	11.7 Elektrolytische Korrosion	146
	12 Elektrische Maschinen	147
	12.1 Transformator	147
	12.1.1 Idealisierter Transformator	147
	12.1.2 Realer Transformator	148
	12.1.3 Leerlauf und Kurzschluss	149
	12.1.4 Spannungsänderung	151
	12.1.5 Wirkungsgrad	152
	12.1.6 Drehstrom-Transformatoren	153
	12.1.7 Parallelbetrieb	154
	12.1.8 Mechanischer Aufbau	155
	12.1.9 Sonderbauarten	157
	12.2 Rotierende elektrische Maschinen	161
	12.2.1 Aufbau und Erregung	161
	12.2.2 Drehfelddrehzahl	162
	12.2.3 Leistung	163
	12.2.4 Drehmoment und Drehzahl	163
	12.3 Gleichstrommaschine	164
	12.3.1 Aufbau und Funktionsweise	164
	12.3.2 Energiefluss und Leistungsbilanz	167
	12.3.3 Ankerru?ckwirkung	168
	12.3.4 Verbesserung der Kommutierung	169
	12.3.5 Kompensationswicklung	170
	12.3.6 Wicklungsarten	170
	12.3.7 Gleichstrommotoren	170
	12.3.8 Einschalten und Anlassen	173
	12.3.9 Drehrichtungswechsel	174
	12.3.10 Bremsbetrieb	174
	12.4 Drehstrom-Asynchronmaschine	175
	12.4.1 Prinzipielle Funktionsweise	175
	12.4.2 Ersatzschaltung	175
	12.4.3 Energiefluss und Leistungsbilanz	176
	12.4.4 Drehmoment	177
	12.4.5 Stromortskurven	178
	12.4.6 Kennlinien	180
	12.4.7 Leerlauf- und Kurzschluss	181
	12.4.8 Käfigläufer-Motor	184
	12.4.9 Schleifringläufer-Motor	188
	12.4.10 Weitere Betriebsarten	190
	12.5 Einphasen-Asynchronmotor	192
	12.6 Synchronmaschine	194
	12.6.1 Aufbau und Anwendungsgebiete	194
	12.6.2 Vollpolgenerator im Inselbetrieb	196
	12.6.3 Vollpolmaschine im Netzbetrieb	198
	12.6.4 Schenkelpolmaschine	200
	12.6.5 Pendelungen der Synchronmaschine	201
	12.6.6 Synchronisierung	202
	12.7 Linearmotoren	202
	12.7.1 Asynchron-Linearmotor	203
	12.7.2 Synchron-Linearmotor	203
	12.8 Kleinmotoren	205
	12.8.1 Universalmotor	205
	12.8.2 Permanentmagnet-Motor	206
	12.8.3 Elektronikmotor	207
	12.8.4 Spaltpolmotor	208
	12.8.5 Wechselstrom-Synchronmotor	208
	12.8.6 Schrittmotor	209
	12.9 Erwärmung und Ku?hlung	211
	12.9.1 Übertemperatur	211
	12.9.2 Motorschutz	213
	12.10 Motorparameter	214
	12.10.1 Bauform	214
	12.10.2 Schutzart	214
	12.10.3 Explosionsschutz	215
	12.10.4 Leistungsschild	215
	13 Elektrische Antriebe	216
	13.1 Stationärer Betrieb	216
	13.2 Betriebsarten	217
	13.3 Trägheitsmoment	219
	13.4 Dynamischer Betrieb	220
	13.5 Anlauf	220
	13.6 Statische Stabilität	222
	13.7 Direktantriebe	222
	14 Elektrische Messtechnik	224
	14.1 Grundbegriffe des Messens	224
	14.2 Elektromechanische Messgeräte	226
	14.2.1 Drehspulmessgerät	226
	14.2.2 Dreheisenmessgerät	227
	14.2.3 Elektrodynamisches Messgerät	228
	14.2.4 Induktionsmesswerk	228
	14.3 Oszilloskop	229
	14.3.1 Elektronenstrahlröhre	229
	14.3.2 Der x-y-Betrieb	230
	14.3.3 Zeitablenkung	230
	14.3.4 Mehrkanal-Funktion	231
	14.3.5 Ankopplung des Eingangs	231
	14.3.6 Abschwächer	231
	14.3.7 Tastteiler	232
	14.4 Digitale Messgeräte	233
	14.4.1 Genauigkeit und Auflösung	233
	14.4.2 Analog-Digital-Wandler	233
	14.4.3 Digital-Multimeter	236
	14.4.4 Digitale Speicher-Oszilloskope	237
	14.4.5 Digital-Analog-Wandler	238
	14.4.6 Elektrizitätszähler	238
	14.4.7 IEC-Bus	239
	14.5 Messbru?cken	241
	14.6 Sensoren	242
	14.6.1 Längensensoren	242
	14.6.2 Winkelsensoren	243
	14.6.3 Kraftsensoren	244
	14.6.4 Temperatursensoren	245
	14.7 Messung von Spannung und Strom	245
	14.7.1 Widerstand des Messwerks	245
	14.7.2 Messung der Ersatzgrößen	246
	14.7.3 Strommesszange	246
	14.7.4 Nicht sinusförmige Spannungen	246
	14.8 Leistungs- und Energiemessung	248
	14.8.1 Leistungsmessung im Gleichstromnetz	248
	14.8.2 Leistungsmessung im Wechselstromnetz	248
	14.8.3 Leistungsmessung im Drehstromnetz	249
	14.8.4 Energiemessung im Drehstromnetz	250
	14.9 Messung von C und L	251
	14.10 Zeitmessung	252
	14.10.1 Tageszeit	252
	14.10.2 Zeitintervall	252
	14.11 Elektromagnetische Verträglichkeit	253
	14.11.1 Der Begriff EMV	253
	14.11.2 Normung und Gesetze	253
	14.11.3 Pru?fung und Nachweis	253
	15 Steuer- und Regelungstechnik	254
	15.1 Die Begriffe Steuern und Regeln	254
	15.2 Entwicklung der Steuerungstechnik	255
	15.2.1 Relaissteuerungen	255
	15.2.2 Speicherprogrammierbare Steuerungen	255
	15.2.3 Steuerungen mit Prozessrechnern	255
	15.3 Komponenten von Steuerungen	256
	15.3.1 Mikrocontroller	256
	15.3.2 Sensoren	256
	15.3.3 Aktoren	257
	15.3.4 Feldbussysteme	257
	15.3.5 Programme	258
	15.4 Steuerung elektrischer Maschinen	259
	15.4.1 Ein- und Ausschalten	259
	15.4.2 Rechts- und Linkslauf	259
	15.4.3 Drehzahlstellung	260
	15.5 Regelungstechnik	261
	15.5.1 Regelkreis	261
	15.5.2 Eigenschaften von Regelstrecken	261
	15.5.3 Regler	264
	15.5.4 Simulation des Regelkreises	264
	15.5.5 Simulation mit PSpice student version	267
	15.5.6 Stabilität von Regelkreisen	269
	15.5.7 Auswahl des Reglers	269
	16 Leistungselektronik	270
	16.1 Entwicklung der Leistungselektronik	270
	16.2 Aufgaben der Leistungselektronik	270
	16.3 Leistungshalbleiter	271
	16.3.1 Diode	272
	16.3.2 Thyristor	272
	16.3.3 MOSFET	273
	16.3.4 IGBT	274
	16.4 Ungesteuerte Gleichrichter	275
	16.4.1 Schaltungsarten	275
	16.4.2 Glättung	277
	16.5 Netzgefu?hrte Stromrichter	278
	16.5.1 Phasenanschnittsteuerung	278
	16.5.2 Bru?ckenschaltung B6C	278
	16.5.3 Mittelpunktschaltung M3C	281
	16.5.4 Wechselstrom-Bru?ckenschaltungen	281
	16.6 Selbstgefu?hrte Stromrichter	283
	16.6.1 Gleichstromsteller	283
	16.6.2 Vier-Quadranten-Steller	284
	16.7 Frequenzumrichter	287
	16.7.1 Drehfelderzeugung mit PAM	287
	16.7.2 Spannungs-Frequenz-Betrieb	289
	16.7.3 Puls-Weiten-Modulation	290
	16.7.4 Ein-Quadrant- und Vier-Quadranten-Betrieb	292
	16.8 Wechsel- und Drehstromsteller	294
	16.9 EMV von Stromrichtern	295
	17 Informationsu?bertragung	297
	17.1 Grundbegriffe	297
	17.2 Leitungen und Kabel	299
	17.2.1 RS 232 und MODEM	300
	17.2.2 RS 422	302
	17.3 Lichtwellenleiter	304
	17.4 Funkkanäle	308
	17.5 LAN, Ethernet	313
	17.6 TCP/IP, OSI-Modell	315
	17.7 Feldbusse	317
	17.8 USB	318
	18 Energieu?bertragung	320
	18.1 Energieumwandlung	320
	18.1.1 Primärenergie	320
	18.1.2 Speichertechnik	320
	18.1.3 Wirkungsgrad	321
	18.1.4 Kraftwerke in Deutschland	321
	18.1.5 Kraftwerke in Österreich	321
	18.1.6 Kraftwerke in der Schweiz	322
	18.1.7 Tagesbelastungskurven	322
	18.2 Betriebsmittel und -verfahren	322
	18.2.1 Spannungsebenen	322
	18.2.2 Leistungsregelung	323
	18.2.3 Intelligentes Stromnetz	323
	18.2.4 Verbesserung des Leistungsfaktors	323
	18.2.5 Freileitungen	326
	18.2.6 Kabel	327
	18.2.7 HGÜ	327
	18.3 Überstromschutz	328
	18.4 Erder und Erdung	329
	18.5 Schutzmaßnahmen	330
	18.5.1 Gefahren durch den elektrischen Strom	330
	18.5.2 Schutzkleinspannung	331
	18.5.3 Körperschluss	331
	18.5.4 Fehlerstrom-Schutzeinrichtung	332
	18.5.5 Schutzmaßnahmen in Netzen	333
	18.5.6 Schutzisolierung	334
	18.5.7 Schutztrennung	334
	18.6 USV	335
	Verwendete Formelzeichen	336
	Einheiten	337
	Komplexe Rechnung	339
	Literatur	340
	Wichtige Konstanten	343
	Namenverzeichnis	343
	Sachwortverzeichnis	344
	Und zum Schluss: Bloß nicht . . .	353

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