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2013 | Buch

Elektrische Energietechnik

Grundlagen, Energieversorgung, Antriebe und Leistungselektronik

verfasst von: Richard Marenbach, Dieter Nelles, Christian Tuttas

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

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Über dieses Buch

Die elektrische Energietechnik ist eines der großen Teilgebiete der Elektrotechnik. Sie ist eine eigene Studienrichtung an den Hochschulen und wird von drei bis fünf Lehrstühlen vertreten. Das Buch behandelt das gesamte Lehrgebiet aus einem Guss und eignet sich so als Begleiter für das Studium aber auch zur Auffrischung des Wissens der in der Praxis Tätigen. Die hohe gesellschaftliche Relevanz der Energietechnik führt in der Öffentlichkeit zu emotional geladenen Diskussionen. Es seien nur einige Schlagworte genannt: Kernkraftwerke, CO2-Ausstoß und CO2-Bilanz. Das Buch erläutert die relevanten Zusammenhänge zu diesen Gebieten in allgemein verständlicher Form ohne ideologische Festlegungen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
Kapitel 1. Grundbegriffe der Energietechnik
Zusammenfassung
Die elektrische Energietechnik befasst sich mit der Wandlung und dem Transport von Energie. So wird beispielsweise im Kraftwerk die Bindungsenthalpie der Kohle in elektrische Energie umgewandelt. Diesen Prozess nennt man nicht ganz korrekt Energieerzeugung. Beim Verbraucher entsteht aus der elektrischen Energie Wärme oder mechanische Arbeit. Um einen einfachen Einstieg in die Materie zu finden, befasst sich das Kapitel zunächst mit den Grundbegriffen wie z. B. Energie, Leistung und Arbeit. Dann werden die für die elektrische Energietechnik wichtigen Drehstromsysteme erläutert. Es wird gezeigt, wie ein Drehfeld entsteht und was ein symmetrischer Betrieb ist. Wichtig für das Lösen von mathematischen Problemen in den Grundeinheiten Ω, V oder A ist auch das Rechnen mit bezogenen Größen wie z. B. im per-unit-System. Diese Rechenmethode wird im weiteren Verlauf ausführlich erklärt. Der abschließende Teil des Kapitels ist der Nutzung von mathematischen Transformationen gewidmet. Hier spielen die symmetrischen Komponenten für die Netzberechnung sowie die Park-Komponenten für die Berechnung elektrischer Maschinen eine große Rolle.
Richard Marenbach, Dieter Nelles, Christian Tuttas
Kapitel 2. Elektrische Maschinen
Abstract
Die Klasse der Betriebsmittel, die zu den elektrischen Maschinen gezählt werden, ist von den jeweiligen Autoren abhängig. In diesem Buch sollen unter dem Begriff „elektrische Maschinen“ diejenigen Betriebsmittel verstanden werden, die Energie mittels eines Magnetfeldes wandeln. Man kann unterscheiden zwischen ruhenden Maschinen, rotierenden Maschinen und translatorischen Maschinen. Als wichtigste ruhende elektrische Maschine wird der Transformator behandelt. Ausgehend vom Zweiwicklungstransformator wird der Drehstromtransformator sowie einige Sonderbauformen und die Besonderheiten von Strom- und Spannungswandlern erläutert. Ausführlich wird im Folgenden auf die rotierenden elektrischen Maschinen eingegangen. Nach den Grundprinzipien wird zunächst der Aufbau und die Funktionsweise der Gleichstrommaschine erklärt. Die für die Wandlung von mechanischer in elektrische Energie wichtige Synchronmaschine wird im Detail behandelt. Dabei wird das Verhalten eines Generators im Betriebszustand “stationärer Betrieb” und “Kurzschluss” besonders ausführlich erläutert. Die Asynchronmaschine taucht in der elektrischen Energietechnik meist als Motor auf obwohl sie auch im Generatorbetrieb arbeiten kann. Deshalb wird neben dem stationären Modell auch auf das Betriebsverhalten der Asynchronmaschine und deren Regelung eingegangen. Die Erläuterung von Sondermaschinen wie z. B. der Linearmotor oder der Schrittmotor schließen das Kapitel ab.
Richard Marenbach, Dieter Nelles, Christian Tuttas
Kapitel 3. Leistungselektronik
Zusammenfassung
Die Leistungselektronik (früher Stromrichtertechnik genannt) befasst sich mit dem Bau von elektronischen Stellgliedern. Diese sind zwischen elektrischer Energiequelle und Verbraucher angeordnet und gestatten eine verlustarme Umformung und Steuerung der elektrischen Energie. Dadurch wird in vielen Fällen eine effektive Energieanwendung erst möglich. Zunächst werden die Grundlagen der Stromrichter behandelt, wobei erst die Grundfunktionen und dann die verschiedenen Arten von Leistungshalbleitern wie Dioden, Thyristoren und Transistoren erläutert werden. Anschließend wird ausführlich auf die verschiedenen Anwendungen der Stromrichter eingegangen. Hier wird deren Wirkungsweise beim Einsatz von Dioden (z. B. Sechspuls-Diodenbrücke mit RL-Last), von Thyristoren (z. B. Direktumrichter), von Thyristorschaltungen mit Löscheinrichtung (z. B. Gleichstromsteller) und Schaltungen mit abschaltbaren Halbleitern (z. B. U-Pulsumrichter) erklärt. Ein abschließender Teil befasst sich mit dem Steuerteil und Zusatzeinrichtungen wie z. B. dem Zündgerät sowie der Ansteuerung der Halbleiterventile.
Richard Marenbach, Dieter Nelles, Christian Tuttas
Kapitel 4. Leitungen
Zusammenfassung
Der Transport elektrischer Energie erfolgt über Leitungen oder Kabel. Bei Leitungen unterscheidet man zwischen Freileitungen, die i. Allg. aus nicht isolierten Leitern aufgebaut sind, und isolierten Leitungen, die z. B. in der Hausinstallation auf, in oder unter Putz verlegt werden. Kabel liegen dagegen im Erdreich oder in Kabelschächten. Um den Aufbau von Leitungen zu verstehen, wird die Leitung zunächst durch ihre einzelnen Modellelemente Widerstand, Induktivität und Kapazität beschrieben. Auch deren Kopplungen werden aufgezeigt, sodass ein Ersatzschaltbild aufgestellt werden kann. Im weiteren Verlauf wird auf den Bau und die Besonderheiten von Fernleitungen und Kabeln eingegangen. Das Verständnis dieser Sachverhalte ist von Bedeutung, wenn man sich mit dem großflächigen Netzausbau in Deutschland – bedingt durch die Energiewende – auseinander setzen will. Abschließend wird das Thema Beeinflussung erläutert, wobei die verschiedenen Beeinflussungen von Leitungen untereinander (ohmsch, induktiv, kapazitiv), als auch die Auswirkung von Feldern und Strömen auf den Menschen behandelt wird.
Richard Marenbach, Dieter Nelles, Christian Tuttas
Kapitel 5. Schaltanlagen
Zusammenfassung
Die Leitungen des Energieversorgungsnetzes müssen in geeigneter Weise miteinander verbunden werden. Dabei wäre es am einfachsten, sie an ihren Enden fest zu verknüpfen, wie es in den Abzweigdosen der Hausinstallation der Fall ist. Dies würde jedoch bei einem Kurzschluss zum Ausfall des gesamten Netzes führen. Außerdem ist es aus Gründen der Zuverlässigkeit nicht sinnvoll, alle in einem Ort zusammenlaufenden Leitungen auch miteinander zu verbinden. Es besteht deshalb die Aufgabe, Leitungen getrennt zu schalten und teilweise separate Knoten zu bilden. Hierzu verwendet man Schaltanlagen, die die freizügige Verbindung von Leitungen einer Spannungsebene gestatten. Eine Schaltanlage gliedert sich in einen primärtechnischen und einen sekundärtechnischen Teil. Zur Primärtechnik einer Schaltanlage gehören alle Bereiche und Betriebsmittel wie z. B. Schalter oder Sammelschienen, die auf hohem Spannungspotenzial liegen bzw. von großen Strömen durchflossen werden können. Deren Aufbau wird ausführlich beschrieben. Damit eine Schaltanlage überwachbar und steuerbar ist, müssen die hohen Spannungen und Ströme so umgewandelt werden, dass sie messtechnisch zu verarbeiten sind. Das geschieht durch Stromwandler und Spannungswandler. Die Messtechnik ist auf der Sekundärseite dieser Wandler angeschlossen, weshalb dieser Anlagenbereich sekundärtechnischer Bereich genannt wird. Die Aufgaben der Sekundärtechnik wie z. B. Melden, Steuern, Messen und Zählen werden erklärt.
Richard Marenbach, Dieter Nelles, Christian Tuttas
Kapitel 6. Hochspannungstechnik
Zusammenfassung
In der Natur treten hohe Spannungen zwischen den Wolken und der Erde auf. Reicht die Isolationsfähigkeit der Luft nicht mehr aus, entstehen Durchschläge, die in Form von Blitzen allgemein bekannt sind. In der Technik werden hohe Spannungen zur Übertragung von elektrischer Energie eingesetzt, um den Strom und damit die Übertragungsverluste gering zu halten. Deshalb beschäftigt sich dieses Kapitel zunächst mit der Erzeugung hoher Spannungen. Anschließend wird auf das Thema der Hochspannungsmesstechnik und dann der Hochspannungsprüftechnik eingegangen. Der Bereich der Hochspannungsfestigkeit wird getrennt für die Gruppe der gasförmigen, flüssigen und festen Isolierstoffe betrachtet, wobei besonders auf den Effekt des Lichtbogens eingegangen wird. Im weiteren Verlauf werden die numerischen Methoden zur Berechnung elektrischer Felder erläutert, wobei das Ersatzladungsverfahren, das Finite-Elemente-Verfahren sowie das Finite-Differenzen-Verfahren erklärt werden. Ein Abschnitt zur Isolationskoordination und zum Blitzschutz schließt das Kapitel ab.
Richard Marenbach, Dieter Nelles, Christian Tuttas
Kapitel 7. Energieerzeugung
Zusammenfassung
Der Begriff „Energieerzeugung“ ist üblich, aber streng genommen falsch, denn es ist nicht möglich, Energie zu erzeugen, sondern nur sie zu wandeln. Unter der elektrischen Energieerzeugung werden all jene Vorgänge verstanden, die eine nichtelektrische Energie in elektrische umformen. Will man sich einen Überblick über Möglichkeiten der Energieerzeugung schaffen ist es sinnvoll, sich zunächst mit den Energievorräten, dem Energiebedarf und den damit verbundenen Reichweiten zu befassen. Darüber hinaus ist es wichtig zu verstehen, wie die Elektrizitätswirtschaft funktioniert. Es wird erklärt, wie Energieversorgungsunternehmen arbeiten, was ein Verbundnetz ist und wie sich Strompreise bilden. Anschließend werden verschiedene Arten von Kraftwerken behandelt. Beginnend mit den Wasserkraftwerken beschäftigt sich ein großer Teil des Kapitels mit fossilen Kraftwerken und deren Funktionsweise (Verbrennungsprozess, Kesselanlage, Dampfprozess, Dampfturbinen, KWK und Gasturbinen). Auch wenn in Deutschland (Stand 2013) ein Beschluss zum Ausstieg aus der Kernenergie vorliegt, ist es sinnvoll die verschiedenen Arten von Kraftwerken und deren Betriebsweise zu kennen. Deshalb werden der Leichtwasserreaktor, der Hochtemperaturreaktor, der Schwerwasserreaktor, der Schnelle Brüter und der Fusionsreaktor erklärt. Auch die Themen Reaktorsicherheit und Kernkraftdiskussion werden mit Blick auf die Vorfälle in Fukushima betrachtet. Im weiteren Verlauf wird auf die verschiedenen Arten der regenerativen Energieerzeugung eingegangen: Möglichkeiten der Energiegewinnung aus Wasserkraft, Windkraft, Solarstrahlung, Biomasse und Geothermie werden vorgestellt. Ebenso wird auf die Wasserstofftechnologie erklärt. Auch wenn in Zukunft der Energiemix weitaus vielfältiger als bisher sein wird, muss das Netz dennoch stabil bleiben. Deshalb wird auf die wichtige Funktion der Netzregelung eingegangen. Abschließend wird das Thema der rationellen Energieanwendung und der Technikfolgenabschätzung behandelt. Hierbei wird besonderer Augenmerk auf die CO2-Problematik, das Kyoto-Protokoll, den Emissionsrechtehandel und die Auswirkung auf Arbeitsplätze gelegt.
Richard Marenbach, Dieter Nelles, Christian Tuttas
Kapitel 8. Energieversorgungsnetze
Zusammenfassung
Ein elektrisches Energieversorgungsnetz überträgt die elektrische Energie von den Kraftwerken zu den Verbrauchern. Es besteht aus Leitungen bzw. Kabeln zum Transport, Transformatoren zur Kopplung der Netze unterschiedlicher Spannungsebenen sowie Schaltanlagen zur Verknüpfung der Leitungen und Transformatoren. Nach der Vorstellung der verschiedenen Netzformen wird die Sternpunktbehandlung betrachtet. Jede Behandlungsweise hat ihre Vor- und Nachteile und bringt im Fehlerfall verschieden hohe Kurzschlussströme hervor. Durch die Netzberechnung ist man in der Lage das elektrische Netz im fehlerfreien Zustand (Lastfluss) und fehlerbehafteten Zustand (Kurzschluss) zu bewerten. Dabei wird auf verschiedene Verfahren wie z. B. Newton-Raphson oder der Kurzschlussstromberechnung nach DIN VDE 0102 eingegangen. Netzrückwirkungen, die von Verbrauchern ausgehen und andere Verbraucher beeinträchtigen, beeinflussen die Qualität der Spannung im Netz. Deshalb werden die unterschiedlichen Qualitätsmerkmale behandelt. Die Energieversorgungsnetze werden durch volatile regenerative Einspeisungen heute viel dynamischer betrieben als in der Vergangenheit. Aus diesem Grund wird gezeigt, wie man elektromagnetische Ausgleichsvorgänge mit der Trapezregel, dem impliziten oder expliziten Euler-Verfahren berechnen kann und was die Begriffe statische und transiente Stabilität bedeuten. Die Energiewende in Deutschland zwingt auch zu einem großflächigen Netzausbau. Es wird die grundsätzliche Vorgehensweise bei der Netzplanung, dem Netzausbau und der damit verbundenen Investitionskostenrechnung gezeigt. Im Abschnitt “Netzbetrieb” wird erläutert, wie die Netzleittechnik das Versorgungsnetz steuern und kontrollieren kann. Dazu braucht man Messwerte, die durch das Verfahren der State Estimation zu einem konsistenten Datensatz reduziert werden. Mit diesem Datensatz und der Kenntnis der Ersatznetze kann man dann nach dem n − 1-Verfahren die Netzsicherheitsrechnung durchführen. Der Netzschutz soll unzulässige Betriebszustände erkennen und anzeigen bzw. die fehlerbetroffenen Betriebsmittel abschalten. Nach der Art der Störung unterscheidet man Kurzschlussschutz, Überlastschutz, Erdschlussschutz, Über- und Unterspannungsschutz sowie Über- und Unterfrequenzschutz. Diese Schutzprinzipien werden abschließend behandelt.
Richard Marenbach, Dieter Nelles, Christian Tuttas
Kapitel 9. Energieanwendung
Zusammenfassung
Elektrische Energie ist einfach zu transportieren und verlustarm in andere Energieformen umzuwandeln. Sie eignet sich ferner zur Informationsübertragung und -verarbeitung. Im industriellen Bereich wird aus Elektroenergie vorwiegend mechanische Energie, Licht und Wärme erzeugt. Elektrochemische Prozesse – wie Elektrolyse und Galvanik – zählen dabei z. T. auch zu den Elektrowärmeverfahren. Die Anwendungsbereiche sind jedoch so vielfältig, dass hier zwangsläufig eine Auswahl getroffen werden muss. Zunächst wird im Abschnitt “Traktion” auf den Einsatz elektrischer Energie in Elektrolokomotiven, Straßenbahnen und Elektroautos sowie das Thema Elektromobilität eingegangen. Ein weiterer Teil beschäftigt sich mit der Beleuchtungstechnik. Nach der Erläuterung der Grundlagen wird auf die verschiedenen Funktionsweisen von Leuchtmitteln, wie z. B. der Glühlampe, der Leuchtstofflampe und der Natrium-Dampflampe eingegangen. Ebenso wird die Verwendung von Vorschaltgeräten erwähnt. Elektrisch erzeugte Wärme wird in der Industrie vielfach eingesetzt, z. B. zum Erhitzen, Schmelzen, Trocknen und Härten von Materialien sowie zur Grundstoffgewinnung (Aluminiumelektrolyse). Im Haushalt dient die Elektrowärme vorwiegend zum Kochen, zur Brauchwasserwärmung und zur Raumheizung. Der abschließende Teil des Kapitels widmet sich deshalb dem Thema der Widerstandserwärmung, der induktiven Erwärmung sowie der Lichtbogenerwärmung im großtechnischen Maßstab..
Richard Marenbach, Dieter Nelles, Christian Tuttas
Backmatter
Metadaten
Titel
Elektrische Energietechnik
verfasst von
Richard Marenbach
Dieter Nelles
Christian Tuttas
Copyright-Jahr
2013
Verlag
Springer Fachmedien Wiesbaden
Electronic ISBN
978-3-8348-2190-4
Print ISBN
978-3-8348-1740-2
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-8348-2190-4