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Über dieses Buch

Das Buch fasst die wesentlichen elektrotechnischen Grundlagen für Ingenieurinnen und Ingenieure aus den technischen Studiengängen und aus dem Wirtschaftsingenieurwesen zusammen. Es vermittelt insbesondere die Kenntnisse, die für die Beherrschung von technischen Systemen in elektrischen Energienetzen erforderlich sind.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einführung

Wie auch die Physik leitet die Elektrotechnik aus Naturbeobachtungen Gesetzmäßigkeiten ab, die innerhalb der Systeme, für die sie aufgestellt werden, solange als gültig angesehen werden, wie die durch sie beschriebenen Zusammenhänge auch durch verfeinerte, weiterführende Experimente bestätigt werden. Dabei beschreibt das System eine Einheit, das für den betrachteten Zeit- und Beobachtungsraum rückwirkungsfrei ist.

Reiner Johannes Schütt

2. Gleichstromkreise

Werden elektrische Quellen und Verbraucher beliebig miteinander verbunden, sodass ein Strom fließt, so wird diese Zusammenschaltung Stromkreis genannt. Die Schaltung selbst wird auch als Netzwerk bezeichnet.

Wird das Netzwerk mit eingeprägten konstanten Quellengrößen (Gleichspannung oder Gleichstrom) gespeist und sind sämtliche Ausgleichsvorgänge, die beim Einschalten auftreten, abgeklungen, dann wird von einem Gleichstromkreis gesprochen. Netzwerke sind dann mit einfachen Zusammenhängen zu beschreiben, wenn Gleichstromkreise nur aus linearen Schaltelementen bestehen. Wenn nicht anders erwähnt beziehen sich daher die folgenden Ausführungen auf lineare Gleichstromkreise.

Reiner Johannes Schütt

3. Schaltelemente bei zeitlich veränderlichen Größen

Viele Lehrbücher versuchen, die Schaltelemente für Wechselstromkreise durch aufwendige Beschreibungen der elektrischen und magnetischen Felder herzuleiten. An dieser Stelle wird darauf verzichtet und auf die übersichtliche Einführung in (Koreis, et al., 1998) und auf die ausführliche Darstellung in (Phillipow, 2000) verwiesen. Hier reduziert sich die Beschreibung der Felder auf die für das Verständnis von induktiven und kapazitiven Schaltelementen notwendigen Eigenschaften. Ein gesondertes Kapitel zu Feldern fehlt daher, stattdessen werden in diesem Kapitel die Schaltelemente durch die Beschreibung von Schaltvorgängen eingeführt. Abbildung 3-1 zeigt ein solches Beispielnetzwerk, bei dem eine Last

R

L

über eine lange Zweidrahtleitung zum Zeitpunkt

t

=

t

0

an eine Gleichspannung gelegt wird.

Reiner Johannes Schütt

4. Wechselstromkreise

Zur Behandlung der grundsätzlichen Zusammenhänge zwischen Strom und Spannung in elektrischen Netzwerken ist die Beschränkung auf die Gleichstromkreise sinnvoll. Mit vergleichsweise geringem mathematischem Aufwand führt die Anwendung der Kirchhoffschen Regeln und des ohmschen Gesetzes in Kürze zur Bestimmung der Ströme und Spannungen in Netzwerken.

Durch die Berücksichtigung des Schaltvorgangs wird deutlich, dass sich ideale Gleichgrößen in Netzwerken nur nach unendlich großer Zeit einstellen. Aber auch unter Vernachlässigung der Schaltvorgänge lässt sich feststellen, dass Gleichgrößen nur in geringem Maße zur Erzeugung, Übertragung und Nutzung elektrischer Energie auftreten und zur Übertragung von Nachrichten gar nicht.

Sowohl in der Energietechnik als auch in der Nachrichtentechnik spielen zeitlich veränderliche Ströme und Spannungen eine wesentliche Rolle, wobei insbesondere in der Energietechnik die sinusförmig verlaufenden Größen eine überragende Bedeutung haben. Dabei sind die sinusförmigen Ströme und Spannungen der Sonderfall allgemeiner periodischer Zeitfunktionen. Periodische Zeitfunktionen sind dadurch gekennzeichnet, dass sich der Zustand der Größe nach einer Periodendauer

t

wiederholt.

Reiner Johannes Schütt

5. Drehstromkreise

Die größte Anzahl elektronischer Generatoren, die sogenannten Synchrongeneratoren, erzeugen im stationären Zustand aufgrund ihres Aufbaus und der Drehbewegung drei um 120° phasenverschobene, sinusförmige Spannungen mit gleicher Amplitude. Die eingeprägten Spannungen bilden ein Dreiphasensystem, das insbesondere in öffentlichen Netzen zur Leistungsübertragung und Versorgung eingesetzt wird, da hier bei einer minimalen Anzahl an Leitern und Leitungsquerschnitten die maximale Leistungsübertragung für sinusförmige Ströme und Spannungen möglich ist. Das Dreiphasensystem wird auch Drehstromsystem genannt, da es in den angeschlossenen Asynchron- und Synchronmotoren ein umlaufendes magnetisches Feld erzeugt, das zu einer Drehbewegung der Motorwelle führt.

Reiner Johannes Schütt

6. Übungsaufgaben

Reiner Johannes Schütt

7. Lösung Übungsaufgaben

Reiner Johannes Schütt

Backmatter

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