Elektrotechnik für Gebäudetechnik und Maschinenbau

453 Pages·2019·9.182 MB·German

by  Andreas Böker, Hartmuth Paerschke, Ekkehard Boggasch

Andreas Böker
Hartmuth Paerschke
Ekkehard Boggasch
Elektrotechnik
für Gebäudetechnik
und Maschinenbau
2. Auflage
Elektrotechnik für Gebäudetechnik und
Maschinenbau
Lizenz zum Wissen.
Sichern Sie sich umfassendes Technikwissen mit Sofortzugriff auf
tausende Fachbücher und Fachzeitschriften aus den Bereichen:
Automobiltechnik, Maschinenbau, Energie + Umwelt, E-Technik,
Informatik + IT und Bauwesen.
Exklusiv für Leser von Springer-Fachbüchern: Testen Sie Springer
für Professionals 30 Tage unverbindlich. Nutzen Sie dazu im
Bestellverlauf Ihren persönlichen Aktionscode C0005406 auf
www.springerprofessional.de/buchaktion/
RM G2.ri ucAnheudaflelaalgn gTeernze,n sKnoinowswtsrukkiationg, Koemponnentteen, ScystehmePPnRAiXkIS KHV 6A.aT AnZrsiu-feHlaaegrewmfatnnfe Bargaehs s Hr| Uzlraiechn Sueidfgferbtt (Heursgc.c) hhn i k FB GS3A.eyrT usrAanZtnueddfm llaHahegge,ee iMßnri,ne Fgcwah |ha rtMdroyeenntiiankm ,rE Pirkesk,ro Ksypo |hem kSpttioevanefaennnn tGenie,ds (Hbrsg.u) PRcAXhISE FFFLG/W/C0MT////aeEÜwPWOl ElcIBaeahsNIwVRRLEk3ltCuTrG taswMÄEtzSeEHdErarR.UEeGeüOroAViTtNu nSotdITaPEERMUeR g CZuW TNRAlSeeuäboHtGIuainronnMErWtztSneNlsthod KiIwAm2ntm EmogH0eiRPsocn.ea1RSetdUkriii2Ne väelN ueEEur|TG nHs1 cg1iMKOnh4U o.dN pJTFeaGtrih mIrvFgoiaVennEr gteE O LPEATIUICMTOHIMTEOBRBAEILUNTE C HNISCHE ZEITSCHRIFITSSN 0001-2785 10810
f LhEEN0üwNLioEtrEcwTUh 1ehKWiwAuiTi.RnnUAmR TtRTPOFeI-ZFIerGgMooeSbrEnEnmirA eluCeBiSriannHutPEree- mAFE.Z2 dNSÜK0efetaITLl1eSlhELe2uCrU n efzH|Nü re7EgGru. e JgLrvaEäohtNnregK aUnNgG elektroniC GGRR/U/P0GRRiSB//nn//wH MUUREUOellwGI eeiNHMwIDDtWASSES2W4eiiTeBS-ttwSSNSEii E TrllUeeAR.M--aaKZ mYMsVsL NuOkggIPIeeUUUeMEtATaeeiGOlloTWsNNNiMZprrppnB nmsTnnEiDDDoraaginiNiEon ogrrl eT NtAAAlttn A 2RhnWiiiiSSSvnRZkke0o eeCCCInee1cA.llHHHI dh2ffvLEiieEEEb lEloD|tt V V V e nee7dlEEENrr a3eRRROnnAs.r TTTttJ etIEEEaotNhIIIGemLLLrngUUUo aTNNNEtnoGGGgrR eRnI EEBMMEOISTOSRITOENCHENNISCHE ZEITSCHRIFTISSN 0024-8525 10814
www.ATZonline.de AUTOMOBILTECHNISCHE ZEITSCHRIFT HVVVVR G6M .irc uAThneeeeuZaadfrlldaarrrr ggnveeabbbbnn, d BKarrrrosmbseeeehpuouynnnnnseennctttnnn ee|nnn ,,Fh uurSSeyydB/H/Ed//s//SES M leGImNp AtrWnTaSSbaEFTeTceRrKeV crOmIAFtMEF rWhMHiEcNeaNIgäkTneAZ,sfRnD eesPlItmerAeEisa nn( rRnNHs DprmZseS gkE. t)ULi vENeonKDT tMRIoASSCSrHNEARH MMSSSYYYYEESSSSNNTTTTT EMEISSN 1862-1791 70934
03März 2012 | 114. Jahrgang
E FFFLGaeEOlEehsIRRktCrsMÄtzHarUeOoTtuStaPEegCu TleubHtInonMrWestdIwAm EgHiRsceReUkrNälNuEuGnHs cgiMnhU odNpeGtri mvoienr te www.jot1-1o b|e rf2l0a1e2che.de
/W/CMT////Ü lcBIaaNVLEluTG taESeEdrRGeürViN nodIERU WNASeGuaiEttnNhotmmoonatiii veer
Jetzt
PWEERRSKPSETKOTFIFVEE O LPETIICMHITEBRAEUN ISSN 0001-2785 10810 NHPHWPvSKoueacooeirtnhlhrvutht itmeeeFkeesnrae c ZbiPfsQlehöauserrnuaralsüudfdacafrffelhteelmtyrliqiniseitc ceueeäfrhh önlatttienhul kriumt dnoeLängeeidattd ncr din kktueieerrnnncccrrraaahhnn llagenOimp tLiamcakliee rEpnreorzgeisesbilanz 3te0s Ttaegne!
Springer für Professionals.
Digitale Fachbibliothek. Themen-Scout. Knowledge-Manager.
Zugriff auf tausende von Fachbüchern und Fachzeitschriften
S elektion, Komprimierung und Verknüpfung relevanter Themen
durch Fachredaktionen
Tools zur persönlichen Wissensorganisation und Vernetzung

www.entschieden-intelligenter.de
Springer für Professionals
(cid:2) (cid:2)
Andreas Böker Hartmuth Paerschke
Ekkehard Boggasch
Elektrotechnik für
Gebäudetechnik und
Maschinenbau
2., überarbeitete und erweiterte Auflage 2019
AndreasBöker EkkehardBoggasch
FBEGU FakultätVersorgungstechnik
FachhochschuleMünster OstfaliaHSfürangewandteWissenschaft
Steinfurt,Deutschland Wolfenbüttel,Deutschland
HartmuthPaerschke
Fakultät05–Energie-undGebäudetechnik
HochschuleMünchen
München,Deutschland
ISBN978-3-658-20970-4 ISBN978-3-658-20971-1(eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-658-20971-1
DieDeutscheNationalbibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbibliografie;detaillier-
tebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar.
SpringerVieweg
©SpringerFachmedienWiesbadenGmbH,einTeilvonSpringerNature2017,2019
DasWerkeinschließlichallerseinerTeileisturheberrechtlichgeschützt.JedeVerwertung,dienichtausdrücklich
vomUrheberrechtsgesetzzugelassenist,bedarfdervorherigenZustimmungdesVerlags.Dasgiltinsbesondere
fürVervielfältigungen,Bearbeitungen,Übersetzungen,MikroverfilmungenunddieEinspeicherungundVerar-
beitunginelektronischenSystemen.
DieWiedergabevonallgemeinbeschreibendenBezeichnungen,Marken,Unternehmensnamenetc.indiesem
Werkbedeutetnicht,dassdiesefreidurchjedermannbenutztwerdendürfen.DieBerechtigungzurBenutzung
unterliegt,auchohne gesondertenHinweishierzu,denRegelndesMarkenrechts.DieRechtedesjeweiligen
Zeicheninhaberssindzubeachten.
DerVerlag,dieAutorenunddieHerausgebergehendavonaus,dassdieAngabenundInformationenindiesem
WerkzumZeitpunktderVeröffentlichungvollständigundkorrektsind.WederderVerlagnochdieAutorenoder
dieHerausgeberübernehmen,ausdrücklichoderimplizit,GewährfürdenInhaltdesWerkes,etwaigeFehler
oderÄußerungen.DerVerlagbleibtimHinblickaufgeografischeZuordnungenundGebietsbezeichnungenin
veröffentlichtenKartenundInstitutionsadressenneutral.
GedrucktaufsäurefreiemundchlorfreigebleichtemPapier
SpringerViewegisteinImprintdereingetragenenGesellschaftSpringerFachmedienWiesbadenGmbHundist
einTeilvonSpringerNature.
DieAnschriftderGesellschaftist:Abraham-Lincoln-Str.46,65189Wiesbaden,Germany
Vorwort zur 2. Auflage
Die Energiewende hin zu nachhaltiger Energieerzeugung und -verwendung treibt viel-
fältigetechnischeundwirtschaftlicheEntwicklungenan.InVerteilungsnetzensindviele
kleinereunddezentraleErzeugungsanlagenzurNutzungregenerativerEnergienintegriert.
IhreZahlwirdnochzunehmen.GleichzeitigwerdenvielfältigeTechnologienentwickelt,
umin größeremUmfangelektrischeEnergiezuspeichern.Verteilungsnetzbetreiberprü-
fen, ob die Anwendung von intelligenter Steuerungs- und Leittechnik eine Alternative
zumkonventionellenNetzausbauseinkann.DieseEntwicklungenhabenauchEinflussauf
dieGebäudetechnik.GebäudewerdeninZukunftalselektrischeErzeugeroderSpeicher
auftreten und Systemdienstleistungen für Verteilungsnetzbetreiber anbieten. Intelligente
Stromzähler sind inzwischen per Gesetz vorgeschrieben.Automation unddigitale Kom-
munikation in Gebäuden schaffen die Voraussetzungen für Entwicklungen, für die die
Begriffesmartgridundsmarthomegeprägtwurden.
Der in diesem Umfeld tätige Ingenieur wird zunehmend Gewerke-übergreifend tätig
werden und entsprechende Systemlösungen anbieten. Vor diesem Hintergrund soll das
vorliegende Buch einen Einstieg in die Grundlagen und die vielfältigen elektrotechni-
schen Themenstellungenbieten,diefürIngenieureinderGebäude-undEnergietechnik,
in derVersorgungstechnik,im Maschinenbauundin derUmwelttechnik von besonderer
Bedeutungsind.EsistausdenlangjährigenLehr-ErfahrungenderAutorenandenHoch-
schulenMünster,MünchenundWolfenbüttelentstanden.DieAutorensindMitgliederim
Arbeitskreis der Professoren für Gebäudeautomationund Energiesysteme. Die Kollegen
imArbeitskreishabendurchzahlreicheDiskussionenundAnregungenzumvorliegenden
Buchbeigetragen.
Das erste Kapitel führt,ohnebesondereVorkenntnisse vorauszusetzen, in die Grund-
lagen der Elektrotechnik ein. Ausgehend von der Darstellung des elektrischen Feldes
werden die Gesetzmäßigkeiten im Gleichstromkreis dargelegt.Es folgtdas magnetische
Feld und das Induktionsgesetz mit seinen Anwendungen. Das Verhalten von Werkstof-
fen in elektrischen und magnetischen Feldern wird in einer vereinfachten Darstellung
erläutert, die im Anhang mit den Maxwellgleichungen begründet wird. Es folgen die
für die Anwendungen so wichtigen Themen der Wechselstrom- und Drehstromtechnik.
FürdieBerechnungenvonStrömen,SpannungenundLeistungenwirdmitZeigerbildern
undkomplexenZahlen gearbeitet.Dabeiwird auch aufvonder Sinusformabweichende
V
VI Vorwortzur2.Auflage
Stromverläufe eingegangen, die durch den verbreiteten Einsatz von leistungselektroni-
schenSchaltungenverstärktauftreten.
ImzweitenKapitel„NiederspannungsnetzeimGebäude“wirdeinÜberblicküberdie
Struktur der elektrischen Energieversorgunggegeben.Es werden dieSchutzmaßnahmen
gegenelektrischenSchlagbeschrieben.DazuwerdendieverschiedenenNiederspannungs-
Schaltgeräte und der Aufbau und die Funktion von TN-, TT- und IT-Netzsystemen
erläutert.DerAbschnittüberdieAuslegungderLeitungenschließtdasKapitelab.Dabei
wirdaufdenSchutzbeiÜberlastundKurzschlüssenvertiefteingegangen.
Im Kapitelzur „Halbleitertechnik“werden aufder Basis desBändermodellsdieVor-
gänge am pn-Übergang anschaulich dargestellt und der Aufbau und die Funktion der
verschiedenen Typen von Dioden und Transistoren erörtert. Als Anwendungen werden
dieleistungselektronischenGrundschaltungenzurWandlungvonElektroenergieunddie
SignalwandlungmitOperationsverstärkernerläutert.
DasKapitel„EnergiewandlerundelektrischeSpeicher“beschreibtzunächstdenAuf-
bau, die Funktion und den Einsatz von Transformatoren, Synchron- und Asynchronma-
schinen.ImAbschnittPhotovoltaikwerdendiephysikalischenVorgängeunddaselektri-
scheVerhaltenvon Solarzellen,sowie dieverschiedenenphotovoltaischenSystemlösun-
gen, insbesonderedieunterschiedlichen Wechselrichtertypen hinsichtlich ihrer Funktion
undihrerWirkungsgradeausführlicherläutert.DasKapitelschließtabmiteinersystemati-
schenDarstellungderverschiedenenTechnologienzurSpeicherungelektrischerEnergie.
DabeiwirdauchaufdieTechnikenzurUnterbrechungsfreienStromversorgungeingegan-
gen.
Im Kapitel „Messtechnik“ werden die grundlegenden Begriffe der Messtechnik, wie
zufällige und systematische Messabweichungen, Gerätefehlergrenzen sowie die Verfah-
renzurErmittlungdesvollständigenMessergebnissesunterAngabederMessunsicherheit
verdeutlicht.DiewichtigstenelektrischenanalogenunddigitalenMessgerätewerdenbe-
schriebenunddieMessungelektrischerGrößenunddieelektrischeMessungausgewähl-
ter,insbesonderefürdieGebäudetechnikwichtigernicht-elektrischerGrößenerläutert.
Im abschließenden Kapitel „ElektromagnetischeVerträglichkeit und Überspannungs-
schutz“ werden die Mechanismen unerwünschter elektromagnetischer Störbeeinflussun-
gen dargelegt. Darauf aufbauend werden mit Bezug auf die Gebäudetechnik die Maß-
nahmenzuihrerUnterbindung,wieErdung,Schirmung,PotentialtrennungundSchutzbe-
schaltungenanschaulicherläutert.
DasBuchrichtetsichinsbesondereanStudierendederGebäude-undEnergietechnik,
der Versorgungstechnik,des Maschinenbaus, sowie verwandter Gebiete, für die elektro-
technische Themen in der Berufspraxis immer größere Wichtigkeit erlangen. Um die
Anschaulichkeit zu gewährleisten, wurde auf mathematisch vertiefende Darstellungen,
wiesiespeziellfürStudierendederElektrotechnikerforderlichsind,weitgehendverzich-
tet.
Das Buch vermittelt die Grundlagen für das Verständnis der Elektrotechnik in Anla-
gen und Gebäuden und dient als Hilfestellung, um in der Praxis selbständig sinnvolle,
sichereundenergieeffizienteelektrotechnischeLösungenzurealisieren.Eswirdauchbei
Vorwortzur2.Auflage VII
Ingenieuren und Praktikern in der Elektro-Industrie, bei Netzbetreibern, Energieversor-
gungsunternehmen, sowie bei Planern und Betreibern von Gebäuden Interesse finden,
wenn sie gezielt Informationen zu einzelnen Themenstellungen suchen oder sich in be-
grenzterZeitweiterbildenmöchten.
Steinfurt,Münchenund AndreasBöker
Wolfenbüttel HartmuthPaerschke
1.August2018 EkkehardBoggasch
Inhaltsverzeichnis
1 GrundlagenderElektrotechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
AndreasBöker
1.1 ElektrischesFeld. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 CoulombkraftundelektrischeFeldgrößen . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.2 ElektrischeSpannungundStromstärke. . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.3 Kondensator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2 Gleichstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.1 OhmschesGesetzundelektrischeLeistung . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.2 ElektrischeWiderstände. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.2.3 AktiveZweipole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.2.4 Schaltungen mitohmschen WiderständenundKirchhoffsche
Regeln. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.2.5 BerechnungvonlinearenGleichstromnetzwerken . . . . . . . . . . 38
1.3 MagnetischesFeld. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
1.3.1 Grundgesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.3.2 MaterieimMagnetfeldundmagnetischerKreis . . . . . . . . . . . 53
1.3.3 ElektromagnetischeInduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
1.4 Wechselstrom. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
1.4.1 Wechselspannung–KenngrößenundZeigerdarstellung . . . . . . 70
1.4.2 Wechselstromverbraucher–komplexeZweipole . . . . . . . . . . . 74
1.4.3 ElektrischeLeistung,WirkungsgradundKompensation . . . . . . 83
1.4.4 Oberschwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
1.5 Drehstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
1.5.1 LeitungenundVerbraucher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
1.5.2 SymmetrischerBetriebundelektrischeLeistung . . . . . . . . . . . 106
Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
IX
X Inhaltsverzeichnis
2 NiederspannungsnetzeimGebäude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
AndreasBökerundHartmuthPaerschke
2.1 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
2.2 SchutzgegenelektrischenSchlag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
2.2.1 FehlerinelektrischenAnlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
2.2.2 Schutzmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
2.3 Niederspannungs-Schaltgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
2.3.1 Überstrom-Schutzeinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
2.3.2 Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
2.4 ErdungenundNetzsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
2.4.1 Erdverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
2.4.2 TN-Netze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
2.4.3 TT-Netze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
2.4.4 IT-Netze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
2.5 ElektrischeLeitungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
2.5.1 Leitungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
2.5.2 Leitungsmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
2.5.3 ThermischesVerhaltenvonLeitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
2.5.4 KurzschlussströmeinelektrischenStromkreisen . . . . . . . . . . . 170
2.5.5 StrombelastbarkeitvonelektrischenLeitungen . . . . . . . . . . . . 176
2.5.6 SchutzvonelektrischenLeitungenundAnlageninFehlerfällen . 177
Tabellenanhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
3 Halbleitertechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
HartmuthPaerschke
3.1 Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
3.1.1 EigenhalbleiterundEigenleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
3.1.2 DotierteHalbleiterundStörstellenleitung . . . . . . . . . . . . . . . 192
3.1.3 pn-Übergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
3.2 Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
3.2.1 Diodenkennlinie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
3.2.2 BauartenundEinsatzfälle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
3.3 Transistoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
3.3.1 Bipolartransistor,Aufbau,WirkungsweiseundBauformen . . . . 207
3.3.2 KennlinienfelddesBipolartransistors. . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
3.3.3 AnwendungdesTransistorsalskontaktloserSchalter . . . . . . . . 210
3.3.4 AnwendungalsAnalogverstärkerinEmitterschaltung . . . . . . . 211
3.3.5 Feldeffekttransistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
3.3.6 BipolartransistormitisolierterGate-Elektrode,IGBT. . . . . . . . 215
3.3.7 Phototransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217