Elektrotechnik für Maschinenbauer

Im ersten Abschnitt des Buches werden die allgemeinen Grundlagen der Elektrotechnik behandelt, auf deren Erkenntnisse alle speziellen Fachgebiete wie z. B. die Messtechnik, Elektronik oder Antriebstechnik aufbauen. Sie stehen damit zwingend am Beginn jeder Ausbildung in elektrotechnischen Fächern. Die Grundlagen der Elektrotechnik sind eine für Ingenieurwissenschaften geeignete Darstellung der klassischen Elektrizitätslehre der Physik, die sich aus den Erkenntnissen vor allem im 18. und 19. Jahrhundert gebildet hat. An diesem Werk haben eine Vielzahl von Wissenschaftlern ihren Anteil, denen wir in der Bezeichnung fast aller Einheiten der elektrotechnischen Grundgrößen begegnen. Beispielhaft seien hier nur die Physiker Andre-Marie Ampère (1775–1836), Georg Simon Ohm (1789–1854) und schließlich Alessandro Volta (1745–1827) genannt, deren Namen in den Einheiten des wichtigsten Grundgesetzes – des Ohmschen Gesetzes – miteinander verbunden sind.

Zur Elektronik, dem jüngsten Teilgebiet der Elektrotechnik, zählt man die Vorgänge und Bauelemente, welche die Bewegung elektrischer Ladungsträger in Halbleitern und Gasen technisch ausnutzen, außerdem die mit Halbleiterbauelementen und den klassischen Bauteilen Widerständen, Kondensatoren und Spulen gebildeten Schaltungen. Durch die großen Fortschritte in der Halbleitertechnologie, die heute vom preiswerten Einzelbaustein z. B. einer Diode bis zur hochintegrierten Schaltung in einem Gehäuse eine fast unüberschaubare Vielzahl von Bauteilen bereitstellt, hat die Elektronik alle Bereiche der Elektrotechnik erfasst. Der Schwerpunkt der Anwendung liegt jedoch in der Informations- und Unterhaltungselektronik, der elektrischen Messtechnik, der Regelungstechnik und der Leistungselektronik. Ein weiter expandierendes Teilgebiet ist ferner immer noch die elektronische Datenverarbeitung EDV mit der Mikroprozessortechnik.

Die nachstehenden Abschnitte sollen eine Einführung in das Gebiet der Elektronik geben und damit auch dem Ingenieur nichtelektrotechnischer Fachbereiche das erforderliche Grundlagenwissen vermitteln. Dazu werden zunächst die wichtigsten elektronischen Bauelemente mit ihrer Wirkungsweise und ihren typischen Daten vorgestellt und danach einfache Baugruppen, die häufig Bausteine umfangreicher Schaltungen sind, behandelt.

Neben den elementaren Aufgaben der Bestimmung elektrischer Größen wie Stromstärke oder Spannung wird die elektrische Messtechnik zur Kontrolle und Steuerung fast aller Produktionsabläufe eingesetzt. Ihre Verfahren zeichnen sich durch eine hohe Empfindlichkeit, Genauigkeit und Betriebssicherheit aus, ihre Messwerte können leicht verstärkt und auch in großer Entfernung angezeigt und verarbeitet werden. Alle physikalischen Größen lassen sich zudem mit geeigneten Aufnehmern in elektrische Signale umwandeln und damit in eine EDV-gestützte Prozesssteuerung einbringen.

Die Energieumwandlung in umlaufenden (rotierenden) elektrischen Maschinen, sowohl in Generatoren wie in Motoren, beruht auf den im Abschn. 1.​2.​3 beschriebenen Wechselwirkungen zwischen der Erzeugung von Kräften bzw. Drehmomenten und von elektrischen Spannungen in Magnetfeldern. Deshalb haben Generatoren und Motoren den gleichen Aufbau. Der Elektromotor ist das Kernstück des elektrischen Antriebs, der in seinen verschiedenen Ausführungen in fast jeder industriellen Produktion, im Gewerbe und Haushalt zum Einsatz kommt. Der Generator hat eine entsprechende Bedeutung für die Erzeugung elektrischer Energie in Kraftwerken.

Die Gliederung der einzelnen Maschinentypen erfolgt in der Regel zunächst nach der Stromart in Gleichstrom-, Wechselstrom- und Drehstrommaschinen. Innerhalb dieser Aufteilung unterscheidet man dann, z. B. mit Synchron- und Asynchronmaschinen, nach der Wirkungsweise und dem Konstruktionsprinzip.

Transformatoren sind ruhende elektrische Energiewandler. Auf der Grundlage des Induktionsgesetzes werden damit Wechselspannungen nach Betrag und Phasenlage geändert (umgespannt). Man unterscheidet hier Wechselstrom- und Drehstromtransformatoren.

Die elektrische Antriebstechnik ist heute in Haushalt, Gewerbe und vor allem in den vielen Bereichen industrieller Produktion präsent. Besonders hier steigt ihre Bedeutung mit dem fortschreitenden Grad der Automation einer Fertigung. Kernstück des elektrischen Industrieantriebs ist der Elektromotor als Energiewandler zwischen dem elektrischen Netz und der Arbeitsmaschine, die mechanische Energie benötigt. Daneben gehören zur Funktion der Anlage Schaltgeräte, Schutzeinrichtungen und eine Steuerungstechnik.

In diesem Abschnitt des Buches werden für die Projektierung eines Industrieantriebs wichtige Voraussetzungen behandelt. Es sind zunächst die Normvorschriften elektrischer Maschinen, dann Planungsunterlagen für die Bemessung des Antriebs und schließlich Grundlagen der Schalt- und Steuerungstechnik.

In Europa und in allen übrigen entwickelten Gebieten dieser Erde ist eine flächendeckende Versorgung mit elektrischer Energie selbstverständlich. Der „Stromverbrauch“ eine völlig falsche Bezeichnung für die Nutzung elektrischer Energie – wird geradezu als Gradmesser für den Wohlstand eines Landes angesehen. Nachstehender Abschnitt soll eine Einführung in die Technik der elektrischen Energieversorgung geben und das in einem Umfang, der fast zur ingenieurwissenschaftlichen Allgemeinbildung gehört. Für ein tieferes Eindringen in dieses Fachgebiet muss wieder auf das Schrifttum verwiesen werden. Den Abschluss bilden mit den in VDE 0100, Teil 410 festgelegten „Schutzmaßnahmen gegen elektrischen Schlag“ für Hersteller und Errichter elektrischer Betriebsmittel und Anlagen sehr wichtige Bestimmungen.