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Über dieses Buch

Anlagen und Maschinen werden immer komplexer, auch weil in ihnen immer mehr Elektronik verbaut ist. Die Grundlagen und die Anwendungen der Elektrotechnik, der Elektronik und der Kommunikationstechnik spielen daher für den Maschinenbau eine immer wichtigere Rolle. Dieser Entwicklung trägt das Buch Rechnung. Es stellt die Grundlagen dieser Fachgebiete sowie der Halbleiter- und Leistungselektronik ausführlich dar. Zudem behandelt es elektrische Maschinen und Anlagen, Energieversorgung und die Datenkommunikation mit Feldbussen. Jeder Abschnitt ist in gleicher Weise gegliedert: Eine strukturierte Übersicht zeigt die Zusammenhänge auf, Beispiele verdeutlichen die Rechnungen und die Gedankengänge, Diagramme und Fotos veranschaulichen die Anwendungen. Zusammen mit den Übungsaufgaben und Lösungen ergibt sich ein didaktischer Aufbau, der es Lesern erleichtert, sich in die Elektrotechnik und die Elektronik einzuarbeiten.

Für die 4. Auflage wurden die Inhalte aktualisiert und ergänzt. Unter anderem wurde eine Einführung in elektrische Fahrzeugantriebe eingefügt und das Kapitel zur Energieversorgung um Abschnitte zur Energieübertragung in Stromnetzen erweitert.

Das Werk eignet sich als Lehrbuch für Studierende der Ingenieurwissenschaften, insbesondere des Maschinenbaus, richtet sich aber auch an angehende Wirtschaftsingenieure und Mechatroniker. Für Ingenieure im Beruf ist der Band ein umfassendes und fundiertes Nachschlagewerk – auch wenn es um neue Herausforderungen in den Bereichen Industrie 4.0 und elektrische Antriebstechnogien geht.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

A. Grundlagen der Elektrotechnik

Ausgehend von der Existenz elektrischer Ladungen werden die Grundbegriffe elektrischer Strom und Spannung definiert sowie ihre Verknüpfung durch das Ohm’sche Gesetz. Im Anschluss werden die Kirchhoff’schen Regeln und deren Anwendung bei der Netzwerkanalyse behandelt. Kompliziertere Netzwerke und deren Behandlung mit der Methode der Ersatzspannungsquelle bzw. Ersatzstromquelle sowie dem Helmholtz’schen Überlagerungssatz schließen sich an. Die Besprechung der elektrischen und magnetischen Felder führt auf die Bauelemente Kondensator und Spule mit ihren jeweiligen Kenngrößen Kapazität und Induktivität. Bei den Magnetfeldern wird der magnetische Kreis behandelt und insbesondere die elektromagnetische Induktion. Wechselstromkreise werden mittels komplexer Zeiger durchgerechnet. Dazu gehört die Besprechung von Schwingkreisen und Ortskurven einfacher Schaltungen. Der Transformator schließt den Abschnitt über Wechselströme ab. Das Kapitel wird abgerundet durch Beschreibung des Dreiphasen-Wechselstroms mit der Stern- und Dreieckschaltung der Verbraucher sowie den Methoden der Leistungsmessung.
Ekbert Hering, Rolf Martin, Jürgen Gutekunst, Joachim Kempkes

B. Halbleitertechnik

Ausgehend von den Leitungsmechanismen in Halbleitern werden die Eigenschaften von Dioden und Transistoren besprochen. Anwendungsfelder der wichtigsten Diodentypen werden in Übersichten dargestellt und anschließend detailliert behandelt. Bei den Transistorschaltungen werden sowohl bipolare als auch Feldeffekttransistoren vorgestellt. Dazu gehören deren wichtigste Kenngrößen und Grundschaltungen. Schließlich werden die in der Leistungselektronik eingesetzten Thyristoren und Triacs besprochen. Der vermehrten Bedeutung der optischen Datenübertragung wird Rechnung getragen durch die Behandlung opto-elektronischer Bauelemente. Dazu gehören die optischen und elektrischen Eigenschaften von Fotodioden, LEDs und Halbleiterlasern. Die analogen und digitalen integrierten Schaltungen runden das Kapitel der Halbleitertechnik ab. Besonderes Augenmerk wird gelegt auf den Operationsverstärker sowie die AD- und DA-Wandler.
Ekbert Hering, Rolf Martin, Jürgen Gutekunst, Joachim Kempkes

C. Leistungselektronik

Die Leistungselektronik hat durch die Entwicklungen in der Mikroelektronik immer mehr an Bedeutung gewonnen. Ihre Schwerpunkte finden sich in folgenden Bereichen: Antriebe, Steller, Netzgeräte und Stromversorgungen. Behandelt werden die Bauelemente der Leistungselektronik und deren Anwendungen sowie deren elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Dabei steht der Praxisbezug im Vordergrund.
Ekbert Hering, Rolf Martin, Jürgen Gutekunst, Joachim Kempkes

D. Elektrische Maschinen

Antreiben bedeutet die Bewegung von Massen. Zur Einleitung oder Aufrechterhaltung einer Bewegung ist mechanische Energie erforderlich. Die erforderliche Energie kann über elektromechanische Energiewandler (Elektrische Maschinen) aus dem elektrischen Versorgungsnetz bezogen werden. Gegenüber anderen Lösungen (Verbrennungsmotor, hydraulische oder pneumatische Aktoren) ergeben sich mehrere Vorteile: Elektrische Maschinen können elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln (Motorbetrieb). Die Umkehrung ist prinzipiell bei jeder elektrischen Maschine ebenfalls möglich. Generatoren wandeln beispielsweise in Kraftwerken mechanische Energie in elektrische Energie um. Die mechanische Energie wiederum steht entweder direkt in dieser Form zur Verfügung (beispielsweise bei Windkraft- oder Wasserkraftwerken) oder wird ihrerseits über Turbinen aus thermischer Energie bereitgestellt.
Ekbert Hering, Rolf Martin, Jürgen Gutekunst, Joachim Kempkes

E. Antriebstechnik

Prinzipiell können elektrische Antriebe entweder über einen Schalter ohne weitere Möglichkeit zur Drehzahlverstellung oder über ein leistungselektronisches Stellglied als drehzahlveränderlicher Antrieb. In ersten Fall stellt sich nämlich in Abhängigkeit von den Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien des Antriebs und der Arbeitsmaschine ein Arbeitspunkt ein, wohingegen im zweiten Fall die Antriebskennlinie verändert werden kann. Dazu muss das leistungselektronische Stellglied mit einer Steuerung oder Regelung ausgestattet sein, so dass entweder das Drehmoment oder die Drehzahl des Antriebs geregelt bzw. gesteuert werden kann. Prinzipiell wäre damit dann jeder Punkt auf der Kennlinie der Arbeitsmaschine einstellbar, wohingegen ohne ein Leistungsstellglied nur ein stabiler Betriebspunkt möglich wäre.
Ekbert Hering, Rolf Martin, Jürgen Gutekunst, Joachim Kempkes

F. Elektrische Energieversorgung

In den industriell entwickelten Ländern der Erde ist eine flächendeckende Versorgung mit elektrischer Energie vorhanden. Die elektrische Energie ist aber kein natürlich vorkommender Energieträger und muss deshalb aus anderen Energieträgern (der so genannten Primärenergie) „erzeugt“ werden. Es gilt selbstverständlich auch bei diesen Prozessen der Energieerhaltungssatz, so dass vorhandene Energie ausschließlich in andere Energieformen umgewandelt werden kann, wenngleich besonders aber in der elektrischen Energieversorgung die Energiewandlung bzw. die Bereitstellung elektrischer Energie nicht ganz präzise als Energieerzeugung bezeichnet wird. Der Betrieb bzw. die Einsatzplanung/-steuerung (und die technische Ausführung) der Kraftwerke hängt sehr stark vom aktuellen Bedarf im Versorgungsnetz ab. Weitere Aufgaben in der elektrischen Energieversorgung sind die Übertragung und die Verteilung der elektrischen Energie.
Ekbert Hering, Rolf Martin, Jürgen Gutekunst, Joachim Kempkes

G. Sensoren und Aktoren

Ein Sensor wandelt eine physikalische Größe(z. B. eine Kraft) mit Hilfe eines physikalischen Effektes (z. B. des piezoelektrischen Effektes) in ein elektrisches Signal um (z. B. eine Spannung). Dieses Signal wird anschließend elektronisch weiterverarbeitet, um die gewünschten Funktionen auszuführen (z. B. Bewegen eines Werkzeugs). Ein Sensorelement erfüllt dabei folgende drei Funktionen: Aufnehmer, Wandler und Verstärker. Das Kapitel zeigt die wichtigsten Sensortypen und ihre Anwendungen, eingeteilt nach den physikalischen Messgrößen und den zugrunde liegenden physikalischen Effekten.
Ekbert Hering, Rolf Martin, Jürgen Gutekunst, Joachim Kempkes

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H. Feldbusse

Die Datenkommunikation im Maschinen- und Anlagenbau hat immens an Bedeutung gewonnen. Insbesondere die Aufgaben im Bereich der Diagnose (z. B. Produktionszustände, Produktionseffizienz) und der Wartung (z. B. präventive Wartungsmaßnahmen). Dies geschieht im gesamten Lebenszyklus der Maschinen und Anlagen. Diese Aufgaben werden in drei Kommunikationsebenen vorgenommen: im Fabriknetz, im Zellennetz und durch Feldbusse. Es werden die verschiedenen Bussysteme und deren Einsatzgebiete ausführlich vorgestellt.
Ekbert Hering, Rolf Martin, Jürgen Gutekunst, Joachim Kempkes

I. Elektrische Messtechnik

Die elektrische Messtechnik ist im Maschinenbau von grundsätzlicher Bedeutung. Elektrische und magnetische Größen im Gleich- und Wechselstromkreis werden in der elektrischen Messtechnik erfasst, angezeigt, weiterverarbeitet und gespeichert. Mit geeigneten Aufnehmern und Messumformern gelingt es, praktisch jede physikalische Größe elektrisch darzustellen. Die elektrischen Messgrößen sind entweder zeitlich kontant oder veränderlich und werden analog oder digital angezeigt. Das Kapitel stellt die Grundlagen der Messtechnik dar und zeigt die wichtigsten Anwendungsfelder auf.
Ekbert Hering, Rolf Martin, Jürgen Gutekunst, Joachim Kempkes

Backmatter

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