Elektrotechnik für Gebäudetechnik und Maschinenbau

397 Pages·2017·21.776 MB·German

by  Andreas Böker, Hartmuth Paerschke, Ekkehard Boggasch

Andreas Böker
Hartmuth Paerschke
Ekkehard Boggasch
Elektrotechnik
für Gebäudetechnik
und Maschinenbau
€
Elektrotechnik fur Gebäudetechnik und
Maschinenbau

€ (cid:129)
Andreas Boker Hartmuth Paerschke
Ekkehard Boggasch
€
Elektrotechnik fur
Gebäudetechnik und
Maschinenbau
AndreasB€oker HartmuthPaerschke
FachhochschuleM€unster HochschuleM€unchen
Steinfurt,Deutschland M€unchen,Deutschland
EkkehardBoggasch
OstfaliaHSf€urangewandteWissenschaft
Wolfenb€uttel,Deutschland
ISBN978-3-658-14188-2 ISBN978-3-658-14189-9(eBook)
DOI10.1007/978-3-658-14189-9
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#SpringerFachmedienWiesbadenGmbH2017
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Vorwort
Die elektrische Energieversorgung befindet sich mitten in einem umfangreichen Ver-
änderungsprozess, der nicht mehr umkehrbar ist. Die Energiewende treibt eine Reihe von
technischenundwirtschaftlichenEntwicklungenvoran.InVerteilungsnetzensindvieleklei-
nereunddezentraleErzeugungsanlagenansNetzgegangen.IhreZahlwirdsteigen.Gleich-
zeitig wird nach M€oglichkeiten gesucht, die elektrische Energie zu speichern. EineL€osung
scheint die Anwendung von intelligenter Steuerungs- und Leittechnik als Alternative zum
konventionellenNetzausbauzusein.DasThemaSmartGridwarundistinallerMunde.Diese
EntwicklungenhabenauchEinflussaufdieGebäudetechnik.Gebäudek€onnenalselektrische
Erzeuger oder Speicher dienen. Sie k€onnen sich aktiv einen Beitrag zuSystemdiensten der
Verteilungsnetzbetreiberliefern.AuchhiergibtesAnsätzef€urintelligenteL€osungen,dieoft
unterdenBegriffenSmartMeteringundSmartHomezusammengefasstwerden.
VordiesemHintergrundsolldasvorliegendeBucheinenEinstiegindieGrundlagenund
die vielfältigen elektrotechnischen Themenstellungen bieten, die f€ur Ingenieure in der
Gebäude- und Energietechnik, in der Versorgungstechnik, im Maschinenbau und in der
UmwelttechnikvonbesondererBedeutungsind.
EsistausdenlangjährigenLehrerfahrungenderAutorenandenHochschulenM€unster,
M€unchen und Wolfenb€uttel entstanden. Die Autoren sind Mitglieder im Arbeitskreis der
Professoren f€ur Gebäudeautomation und Energiesysteme. Die Kollegen im Arbeitskreis
habendurchzahlreicheDiskussionenundAnregungenzumvorliegendenBuchbeigetragen.
DasersteKapitelf€uhrt,ohnebesondereVorkenntnissevorauszusetzen,indieGrundla-
genderElektrotechnikein.AusgehendvonderDarstellungdeselektrischenFeldeswerden
die Gesetzmäßigkeiten im Gleichstromkreis dargelegt. Eine vereinfachte Darstellung des
elektromagnetischenFeldserleichtertdenEinstiegunddasVerständnis.
Im Kapitel „Verteilung elektrischer Energie“ schließt sich die Darstellung der Wechsel-
strom- und Drehstromtechnik an. F€ur die Berechnungen von Str€omen, Spannungen und
Leistungenwirdmit Zeigerbildernund komplexen Zahlen gearbeitet. Dabei wirdauchauf
von der Sinusform abweichende Stromverläufe eingegangen, wie sie durch leistungs-
elektronische Schaltungen in zunehmenden Maße auftreten k€onnen. Abschließend werden
dieverschiedenenNiederspannungsnetzsystemeerläutert.
V
VI Vorwort
Im Kapitel zur „Halbleitertechnik“ werden auf der Basis des Bändermodells die Vor-
gänge am pn-Übergang anschaulich dargestellt und der Aufbau und die Funktion der
verschiedenen Typen von Dioden und Transistoren er€ortert. Als Anwendungen werden
die leistungselektronischen Grundschaltungen zur Wandlung von Elektroenergie und die
SignalwandlungmitOperationsverstärkernerläutert.
DasKapitel„ElektrischeEnergiewandlerundSpeicher“beschreibtzunächstdenAufbau,
dieFunktionunddenEinsatzvonTransformatoren,Synchron-undAsynchronmaschinen.
Im Abschnitt Photovoltaik werden die physikalischen Vorgänge und das elektrische Ver-
haltenvonSolarzellen,sowiedieverschiedenenphotovoltaischenSysteml€osungen,insbe-
sonderedieverschiedenenWechselrichtertypenausf€uhrlicherläutert.DasKapitelschließt
abmiteinersystematischenDarstellungderverschiedenenTechnologienzurSpeicherung
elektrischer Energie. Dabei wird auch auf Verfahren zur Unterbrechungsfreien Stromver-
sorgungeingegangen.
Im Kapitel „Elektrische Messtechnik“ werden die grundlegenden Begriffe der Mess-
technik, wie zufällige und systematische Messabweichungen, Gerätefehlergrenzen sowie
die Verfahren zur Ermittlung des vollständigen Messergebnisses unter Angabe der Mess-
unsicherheitverdeutlicht.DiewichtigstenelektrischenanalogenunddigitalenMessgeräte
werden beschrieben und die Messung elektrischer Gr€oßen und die elektrische Messung
ausgewählter, insbesondere f€ur die Gebäudetechnik wichtiger nichtelektrischer Gr€oßen
erläutert.
ImabschließendenKapitel„ElektromagnetischeVerträglichkeitundÜberspannungsschutz“
werdendieMechanismenunerw€unschterelektromagnetischerSt€orbeeinflussungendargelegt.
Darauf aufbauend werden die Maßnahmen zu ihrer Unterbindung, wie Erdung, Schirmung,
Potenzialtrennung und Schutzbeschaltungen mit Bezug auf die Gebäudetechnik anschaulich
erläutert.
Das Buch richtet sich insbesondere an Studierende der Gebäude- und Energietechnik,
der Versorgungstechnik, des Maschinenbaus sowie verwandter Gebiete, f€ur die elektro-
technische Themen in der Berufspraxis immer gr€oßere Wichtigkeit erlangen. Um die
Anschaulichkeit zu gewährleisten, wurde auf mathematisch vertiefende Darstellungen,
wiez.B.speziellf€urStudierendederElektrotechnikerforderlich,weitgehendverzichtet.
DasBuchvermitteltdieGrundlagenf€urdasVerständnisderElektrotechnikinAnlagen
undGebäudenunddientalsHilfestellungf€urdieselbstständigeL€osungpraktischerFragen.
EswirdauchbeiIngenieurenundPraktikerninderElektroindustrie,beiNetzbetreibern,
Energieversorgungsunternehmen, sowie bei Planern und Betreibern von Gebäuden Inter-
esse finden, wenn sie gezielt Informationen zu einzelnen Themenstellungen suchen und
sichinbegrenzterZeitweiterbildenm€ochten.
Steinfurt,M€unchen,Wolfenb€uttel AndreasB€oker
imApril2016 HartmuthPaerschke
EkkehardBoggasch
Inhaltsverzeichnis
1 GrundlagenderElektrotechnik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
AndreasB€oker
1.1 ElektrischesFeld. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 CoulombkraftundelektrischeFeldgr€oßen. . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.2 ElektrischeSpannung,StromstärkeundohmschesGesetz. . . . . . 8
1.1.3 Kondensator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2 Gleichstrom. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.2.1 ElektrischeEnergieundLeistung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.2.2 ElektrischeWiderstände. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.2.3 AktiveZweipole. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.2.4 SchaltungenmitohmschenWiderständenundKirchhoff’sche
Regeln. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.2.5 BerechnungvonlinearenGleichstrom-Netzwerken. . . . . . . . . . . 38
1.3 MagnetischesFeld. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
1.3.1 MagnetischeFeldgr€oßen,Lorentzkraftund
Durchflutungsgesetz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.3.2 MaterieimMagnetfeldundmagnetischerKreis. . . . . . . . . . . . . . 54
1.3.3 ElektromagnetischeInduktion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2 VerteilungelektrischerEnergie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
AndreasB€oker
2.1 Wechselstrom. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.1.1 Kenngr€oßenundZeigerdarstellung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.1.2 Wechselstromverbraucher–komplexeZweipole. . . . . . . . . . . . . 81
2.1.3 ElektrischeLeistung,Wirkungsgradund
Blindleistungskompensation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
2.1.4 Oberschwingungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
2.2 Dreiphasen-Wechselstrom. . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .. . 105
2.2.1 LeitungenundVerbraucher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
2.2.2 SymmetrischerBetriebundelektrischeLeistung. . . . . . . . . . . . . 110
VII
VIII Inhaltsverzeichnis
2.3 NetzsystemeimGebäude. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
2.3.1 ErdungenundErdverbindungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
2.3.2 TN-Netze. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
2.3.3 TT-Netze. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
2.3.4 IT-Netze. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
3 Halbleitertechnik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
HartmuthPaerschke
3.1 Halbleiter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
3.1.1 EigenhalbleiterundEigenleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
3.1.2 DotierteHalbleiterundSt€orstellenleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
3.1.3 pn-Übergang. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. 130
3.2 Dioden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
3.2.1 Diodenkennlinie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
3.2.2 BauartenundEinsatzfälle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
3.3 Transistoren. . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 144
3.3.1 Bipolartransistor,Aufbau,WirkungsweiseundBauformen. . . . . . 144
3.3.2 KennlinienfelddesBipolartransistors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
3.3.3 AnwendungdesTransistorsalskontaktloserSchalter. . . . . . . . . . 147
3.3.4 AnwendungalsAnalogverstärkerinEmitterschaltung. . . . . . . . . 148
3.3.5 Feldeffekttransistoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
3.3.6 BipolartransistormitisolierterGate-Elektrode,IGBT. . . . . . . . . . 153
3.3.7 Phototransistor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
3.4 LeistungselektronischeSchaltungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
3.4.1 LeistungselektronischeSchalter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
3.4.2 Gleichrichterschaltungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
3.4.3 Gleichspannungswandler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
3.4.4 Wechselrichter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
3.4.5 Netzteile. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 169
3.5 ElektrischeSignalverarbeitungmitOperationsverstärkern(OV). . . . . . . . 174
3.5.1 Umkehraddierer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
3.5.2 Subtrahierer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
3.5.3 AktiveFilter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
3.5.4 Trennverstärker. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
4 ElektrischeEnergiewandlerundSpeicher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
AndreasB€oker,HartmuthPaerschkeundEkkehardBoggasch
4.1 Drehstromtransformatoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
4.1.1 Aufbau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
4.1.2 Ersatzschaltbild. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
4.1.3 Leerlauf-undKurzschlussversuch. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
Inhaltsverzeichnis IX
4.2 Drehstromasynchronmaschine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
4.2.1 Aufbau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
4.2.2 WirkungsweiseundBetriebsverhalten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
4.2.3 Drehzahlstellung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
4.3 Drehstromsynchronmaschine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
4.3.1 Aufbau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
4.3.2 StationärerBetrieb. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
4.4 Photovoltaik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
4.4.1 DasStrahlungsangebotderSonne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
4.4.2 Solarzellen,Aufbau,Funktion,Wirkungsgrad. . . . . . . . . . . . . . . 219
4.4.3 BetriebskennlinienvonSolarzellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
4.4.4 MPP-Tracking. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
4.4.5 Solarmodule. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
4.4.6 Photovoltaiksysteme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
4.4.7 SolaranlagenmitGleichstromverbrauchern. . . . . . . . . . . . . . . . . 236
4.4.8 Solarwechselrichter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
4.4.9 NetzgekoppelteSolaranlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
4.5 Energiespeicher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
4.5.1 GrundlegendeBegriffeundDefinitionen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
4.5.2 EinteilungvonEnergiespeichern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
4.5.3 Anwendungsbeispiele. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
5 ElektrischeMesstechnik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
HartmuthPaerschke
5.1 GrundbegriffeundDefinitionenderMesstechnik. . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
5.1.1 SystematischeundzufälligeMessabweichungen. . . . . . . . . . . . . 291
5.1.2 Messgeräteabweichungen,Fehlergrenzenf€ur
Messgeräteabweichungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
5.1.3 VollständigesMessergebnis,Messunsicherheit. . . . . . . . . . . . . . 293
5.1.4 Fortpflanzungsgesetze. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
5.2 ElektromechanischeMesswerke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
5.2.1 Drehspulmesswerk. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
5.2.2 ElektrodynamischesMesswerk. . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. 299
5.2.3 Dreheisenmesswerk. . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . 302
5.2.4 ElektrizitätszählerzurMessungderelektrischenArbeit. . . . . . . . 303
5.3 ElektrischeMessgeräte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
5.3.1 Analogmultimeter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
5.3.2 Digitalmultimeter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
5.3.3 Messwandler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
5.3.4 Hall-ElementzurMessungdermagnetischenFlussdichteB. . . . . 312
5.3.5 Strommesszangen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313