Elektrotechnik für Gebäudetechnik und Maschinenbau

Das erste Kapitel führt, ohne besondere Vorkenntnisse vorauszusetzen, in die Grundlagen der Elektrotechnik ein. Ausgehend von der Darstellung des elektrischen Feldes werden die Gesetzmäßigkeiten im Gleichstromkreis dargelegt. Es folgt das magnetische Feld und das Induktionsgesetz mit seinen Anwendungen. Beim elektrischen Feld wird auf die Verwendung der dielektrischen Verschiebung D und beim magnetischen Feld auf die magnetische Feldstärke H komplett verzichtet. Die Materialkonstanten εr und µr werden über die elektrische Polarisation und die Magnetisierung eingeführt. Diese vereinfachte Darstellung wird im Anhang mit den Maxwellgleichungen begründet. Es folgen die für die Anwendungen so wichtigen Themen der Wechselstrom- und Drehstromtechnik. Für die Berechnungen von Strömen und Spannungen wird mit Zeigerbildern und komplexen Größen gearbeitet. Es werden die Wirk-, Blind- und Scheinleistung sowie der Einfluss der Blindleistungskompensation auf den Wirkungsgrad erklärt. Auch wird auf von der Sinusform abweichende Stromverläufe eingegangen, die durch den verbreiteten Einsatz von leistungselektronischen Schaltungen verstärkt auftreten.

Das wesentliche Regelwerk zu den Niederspannungsverteilungen im Gebäude ist die DIN VDE 0100. Auf dieser Grundlage werden die Maßnahmen zum Schutz gegen elektrischen Schlag behandelt. Dazu wird zuerst ein Überblick über die möglichen Fehler gegeben. Fehlerstrom und Berührungsspannungen beim Körperschluss werden erklärt. Es schließen sich die Maßnahmen für den Basis- und Fehlerschutz sowie Schutzkleinspannungen, Schutzarten und Schutzklassen an. Bei den Niederspannungs-Schaltgeräten werden Überstrom-Schutzeinrichtungen wie NH-Sicherung oder LS-Schalter sowie Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen genauer beleuchtet. Erdungen und Netzsysteme werden nach Art der Erdverbindungen unterteilt. Es sind im Wesentlichen drei Varianten etabliert das sind TN-, das TT- und das IT-Systeme. Die TN-Systeme unterteilen sich TN-C-, TN-C-S- und TN-S-Netze unterteilt. Die Dimensionierung von elektrischen Leitungen wird ausgehend von allgemeinen Anforderungen dargestellt. Die zu wählenden Leitungsquerschnitte sind abhängig vom Betriebsstrom, von der Art der Verlegung und den Umgebungsbedingungen. Die Auswahl der Leitungen muss immer gemeinsam mit der Bemessung der zugehörigen Überstrom-Schutzeinrichtungen erfolgen, die den Schutz vor unzulässiger Erwärmung bei andauernder Überlast und insbesondere bei Kurzschlüssen durch hinreichend schnelles Abschalten gewährleisten müssen. Darüber hinaus sind unzulässige Berührungsspannungen bei Körperschlüssen schnell genug zu unterbrechen, sowie Spannungsfälle und Leitungsverluste zu begrenzen.

Halbleiter sind Festkörper, deren Leitfähigkeit zwischen der von Isolatoren und metallischen Leitern liegt. Halbleiterbauelemente, wie Gleichrichterdioden, Leuchtdioden, Transistoren, integrierte Schaltkreise, Laserdioden und Photovoltaikzellen finden die vielfältigsten Anwendungen in der Nachrichtentechnik, der Leistungselektronik, der Informationstechnik, der Photovoltaik und in der Beleuchtungs- und Sensortechnik. Im Kapitel zur „Halbleitertechnik“ werden auf der Basis des Bändermodells die Vorgänge am pn-Übergang anschaulich dargestellt und der Aufbau und die Funktion der verschiedenen Typen von Dioden und Transistoren erörtert. Als Anwendungen werden die leistungselektronischen Grundschaltungen zur Wandlung von Elektroenergie und die Signalwandlung mit Operationsverstärkern erläutert.

Wesentliche Bereiche der Elektrotechnik beschäftigen sich mit der Wandlung und Speicherung von Energie. Transformatoren transformieren Wechselspannungen, Generatoren wandeln mechanische Antriebsenergie in elektrische Energie und Motoren elektrische in mechanische Energie. Photovoltaikanlagen wandeln Sonnenenergie direkt in elektrische Energie. Zuerst werden Bauformen von Transformatoren und ihr Betriebsverhalten erläutert. Danach geht es um den Aufbau, die Wirkungsweise und das Betriebsverhalten von Drehstrom-Asynchron- und Drehstrom-Synchronmaschinen. Aufbauend auf der Darstellung der Vorgänge in der Solarzelle werden Solarmodule, Solargeneratoren und die photovoltaische Systemtechnik behandelt. Insbesondere werden die unterschiedlichen Wechselrichtertypen hinsichtlich ihrer Funktion und ihrer Wirkungsgrade ausführlich erläutert. Abschließend werden Prinzipien der elektrischen Energiespeicherung dargelegt und ein Überblick über die verschiedenen Technologien zur Speicherung elektrischer Energie gegeben. Dabei wird auch auf die Techniken zur Unterbrechungsfreien Stromversorgung eingegangen. Die Wandlung elektrischer Energie mit leistungselektronischen Schaltungen wird in Abschn. 3.4 in Zusammenhang mit der Halbleitertechnik beschrieben.

Unter Messen versteht man das quantitative Erfassen einer Größe, der sogenannten Messgröße mit Hilfe einer Messeinrichtung. Dabei wird die zu messende Größe als Vielfaches einer festgelegten Maßeinheit ermittelt. Im Kapitel „Messtechnik“ werden die grundlegenden Begriffe der Messtechnik, wie zufällige und systematische Messabweichungen und Gerätefehlergrenzen erklärt. Das Verfahren zur Ermittlung eines vollständigen Messergebnisses unter Angabe der Messunsicherheit wird am Beispiel veranschaulicht. Die wichtigsten elektrischen analogen und digitalen Messgeräte werden hinsichtlich ihrer Wirkungsweise und Anwendung beschrieben. Die Messung elektrischer Größen und die elektrische Messung ausgewählter, insbesondere für die Gebäudetechnik wichtiger nicht-elektrischer Größen wird erläutert.

Elektromagnetische Vorgänge können neben erwünschten Effekten in vielfältiger Weise auch unerwünschte, störende oder gefährliche Effekte bewirken: Elektrische Anlagen und Geräte der Gebäudetechnik können durch ihre elektromagnetische Umgebung in ihrer Funktion gestört oder gar zerstört werden. Entstehende Gebäude- und Anlagenschäden können zu teuren Betriebsausfällen führen, Blitze und Überspannungen können Leben gefährden. Die Fähigkeit eines Gerätes oder einer Anlage „in seiner Umgebung zufriedenstellend zu arbeiten, ohne untragbare Störungen in die Umwelt oder andere Geräte hinein zu tragen“ (Definition der International Electrotechnical Commission IEC), nennt man Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). In der Praxis wichtige Störquellen und die Kopplungsmechanismen, die zum Auftreten von elektromagnetischen Störungen und insbesondere auch zu Überspannungen führen können, werden beschrieben. Darauf aufbauend werden mit Bezug auf die Gebäudetechnik die EMV-Maßnahmen zu ihrer Unterbindung, wie Erdung, Schirmung, Potentialtrennung und Schutzbeschaltungen anschaulich erläutert.