Elektrotechnik für Ingenieure: Lernpaket

Formelsammlungen, die wichtigsten Lösungsschritte zu jedem Thema und 16 Übungsaufgaben, mit vollständigen Lösungen am Ende.

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1Formeln und Methoden

Reihen- und Parallelschaltung

Widerstände in Reihe
Req = R1 + R2 + …
Widerstände parallel
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Zwei parallel
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Ohmsches Gesetz
V = I·R
Leistung
P = V·I = I²R = V²/R

Methode

  1. Beginne an dem Ende des Netzwerks, das am weitesten von den Klemmen entfernt ist.
  2. Fasse Widerstände in Reihe durch Addieren zusammen und parallele Widerstände mit 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. Zeichne die Schaltung nach jedem Schritt neu.
  4. Wiederhole das, bis zwischen den Klemmen ein einziger Widerstand übrig ist.

Knotenpotenzialverfahren

Kirchhoffsche Knotenregel
ΣIin = ΣIout
Zweigstrom
I = (Va − Vb)/R
Bezugsknoten
Vground = 0

Methode

  1. Wähle einen Bezugsknoten (Masse) und benenne die übrigen Knotenspannungen.
  2. Stelle an jedem unbekannten Knoten die Knotenregel auf: Die über alle Zweige abfließenden Ströme sind gleich den zufließenden.
  3. Drücke jeden Zweigstrom als (Va − Vb)/R aus.
  4. Löse das Gleichungssystem und bestimme dann jeden benötigten Strom.

Thévenin und Norton

Thévenin-Spannung
Vth = Vopen circuit
Thévenin-Widerstand
Rth: alle Quellen abgeschaltet, von a–b aus gesehen
Norton-Strom
IN = Vth/Rth
Laststrom
IL = Vth/(Rth + RL)
Maximale Leistungsübertragung
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Methode

  1. Entferne die Last und markiere die beiden Klemmen a und b.
  2. Bestimme die Leerlaufspannung zwischen a und b: Das ist Vth.
  3. Schalte alle unabhängigen Quellen ab und bestimme den Widerstand, den man von a–b aus sieht: Das ist Rth.
  4. Schließe die Last wieder an die Ersatzschaltung an: Vth in Reihe mit Rth.
  5. Für die Norton-Ersatzschaltung umrechnen: IN = Vth/Rth, mit RN = Rth parallel.

RC- und RL-Ausgleichsvorgänge

Zeitkonstante
τ = RC | τ = L/R
Antwort
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Kondensator bei Gleichstrom
Leerlauf; vC kann nicht springen
Spule bei Gleichstrom
Kurzschluss; iL kann nicht springen
Eingeschwungen
t ≈ 5τ

Methode

  1. Bestimme den Anfangswert unmittelbar nach dem Schalten: Kondensatorspannung und Spulenstrom können nicht springen.
  2. Bestimme den Endwert lange nach dem Schalten: Ein Kondensator wirkt wie ein Leerlauf, eine Spule wie ein Kurzschluss.
  3. Bestimme die Zeitkonstante: τ = RC oder τ = L/R, mit dem Widerstand, den der Kondensator bzw. die Spule sieht.
  4. Verwende x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

Wechselstrom: Impedanz und Zeiger

Impedanzen
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Kreisfrequenz
ω = 2πf
Betrag und Winkel
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Ohmsches Gesetz mit Zeigern
V = I·Z

Methode

  1. Rechne die Frequenz um: ω = 2πf.
  2. Bestimme jeden Blindwiderstand: XL = ωL und XC = 1/(ωC).
  3. Addiere Impedanzen wie Widerstände, mit Z = R + jX.
  4. Bestimme den Betrag |Z| = √(R² + X²) und den Winkel φ = atan(X/R) und wende dann das ohmsche Gesetz mit Zeigern an.

Wechselstromleistung und Leistungsfaktor

Wirkleistung
P = V·I·cos φ
Blindleistung
Q = V·I·sin φ
Scheinleistung
S = V·I = √(P² + Q²)
Leistungsfaktor
pf = cos φ = P/S
Kompensationskondensator
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

Drehstromleistung

Sternschaltung (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
Dreieckschaltung (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Gesamte Wirkleistung
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Schein- und Blindleistung
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Kompensationskondensatoren
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Spannung an jedem Kondensator
Δ: VL Y: VL/√3
Aufgenommene Motorleistung
Pin = Pout/η

Transformatoren

Übersetzungsverhältnis
a = N1/N2 = V1/V2
Stromverhältnis
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
Nennstrom
I = S/V
Umgerechnete Impedanz
Z1′ = a²·ZL
Kupferverluste bei Teillast
Pcu = x²·Pcu,fl
Wirkungsgrad
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
Maximaler Wirkungsgrad
x = √(Pcore/Pcu,fl)

2Übungsaufgaben

1.Reihen- und ParallelschaltungMittel
R1​ = 10 ΩIR1​R3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩAR4​3 ΩB

Bestimme den Strom IR1, den die Quelle abgibt und der durch R1 fließt.

V1 = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 12 ΩR4 = 3 Ω
IR1 = A
2.Reihen- und ParallelschaltungSchwer
R1​ = 15 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩIR2​AR4​6 ΩBR6​20 Ω

Bestimme den Strom IR2 durch R2.

V1 = 15 VR1 = 15 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 ΩR4 = 6 ΩR5 = 20 ΩR6 = 20 Ω
IR2 = A
3.KnotenpotenzialverfahrenMittel
R1​ = 20 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAR4​10 ΩBIs​1 A

Bestimme mit dem Knotenpotenzialverfahren das Knotenpotenzial VB (gegen Masse gemessen).

V1 = 24 VIs = 1 AR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩR3 = 15 ΩR4 = 10 Ω
VB = V
4.KnotenpotenzialverfahrenSchwer
R1​ = 10 Ω−+Vs​ = 10 V+−V1​30 VR2​12 ΩAR3​10 ΩBIs​6 A

Die Spannungsquelle Vₛ zwischen A und B hat ihren Pluspol bei B, sie bewirkt also VB − VA = Vₛ. Bestimme mit dem Knotenpotenzialverfahren und einem Superknoten das Knotenpotenzial VB (gegen Masse gemessen).

V1 = 30 VIs = 6 AVs = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 12 ΩR3 = 10 Ω
VB = V
5.Thévenin und NortonMittel
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​8 ΩAab

Bestimme den Thévenin-Widerstand Rth an den Klemmen a–b.

V1 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 4 Ω
Rth = Ω
6.Thévenin und NortonSchwer
R1​ = 3 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​20 ΩAIs​1 ABRL​10 ΩIL​

An a–b wird eine Last RL = 10 Ω angeschlossen. Bestimme mit einem Thévenin-Ersatzschaltbild die an die Last abgegebene Leistung PL.

V1 = 15 VIs = 1 AR1 = 3 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 ΩRL = 10 Ω
PL = W
7.RC- und RL-AusgleichsvorgängeMittel
R = 20 Ωt = 0L22 mHi(t)

Die Spule führt einen konstanten Strom von 1 A. Bei t = 0 schließt der Schalter den Kreis über R, und die Quelle wird abgetrennt, der Spulenstrom klingt also über R ab. Bestimme die Spannung vR an R bei t = 1 ms.

i(0) = 1 AR = 20 ΩL = 22 mHt = 1 ms
vR = V
8.RC- und RL-AusgleichsvorgängeSchwer
+−Vs​12 Vt = 0R = 1 kΩC22 µF+−vC​vC​(0) = 8 V

Kurz bevor der Schalter bei t = 0 schließt, liegt am Kondensator eine Spannung von 8 V mit der eingezeichneten Polarität. Wie lange dauert es, bis vC den Wert 9,6 V erreicht? Bestimme t.

Vs = 12 VR = 1 kΩC = 22 µFvC(0) = 8 V
t = ms
9.Wechselstrom: Impedanz und ZeigerMittel
50 V100 HzR = 40 ΩL = 200 mHC = 4,7 µFI

Eine RLC-Reihenschaltung liegt an einer Versorgung mit 50 V (Effektivwert) und 100 Hz. Bestimme den Leistungsfaktor cos φ der Schaltung.

V = 50 V (rms)f = 100 HzR = 40 ΩL = 200 mHC = 4,7 µF
cos φ =
10.Wechselstrom: Impedanz und ZeigerSchwer
12 Vf0​R = 20 ΩL = 10 mHC = 0,47 µF

Ein RLC-Reihenschwingkreis wird von einer Quelle mit 12 V (Effektivwert) gespeist, deren Frequenz auf die Resonanzfrequenz der Schaltung eingestellt ist. Bestimme die Effektivspannung VL an der Spule.

V = 12 V (rms)R = 20 ΩL = 10 mHC = 0,47 µF
VL = V
11.Wechselstromleistung und LeistungsfaktorMittel
P = 35 kWQ = ?Sφ

Ein Einphasenmotor nimmt 35 kW bei einem Leistungsfaktor von 0,6 induktiv aus einer 400-V-Versorgung auf. Bestimme die Blindleistung Q, die er aufnimmt.

P = 35 kWpf = 0,6V = 400 V
Q = kvar
12.Wechselstromleistung und LeistungsfaktorSchwer
400 V50 HzLast26 kW, 0,6C330 µFI = ?

Eine einphasige Last nimmt aus einer Versorgung mit 400 V und 50 Hz 26 kW bei einem Leistungsfaktor von 0,6 induktiv auf. Parallel zur Last wird ein Kondensator mit 330 µF geschaltet. Bestimme den neuen Leiterstrom I.

P = 26 kWpf1 = 0,6V = 400 Vf = 50 HzC = 330 µF
I = A
13.DrehstromleistungMittel
ABCVL​ = 208 VNZ = 16 + j12 Ωpro Strang

Eine symmetrische Last in Sternschaltung mit einer Impedanz von 16 + j12 Ω pro Strang ist an ein symmetrisches Drehstromnetz mit einer Leiterspannung von 208 V angeschlossen. Bestimme die gesamte Wirkleistung P, die die Last aufnimmt, in kW.

VL = 208 VZ = 16 + j12 Ω pro Strang
P = kW
14.DrehstromleistungSchwer
P = 60 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Eine symmetrische Drehstromlast nimmt 60 kW bei einem Leistungsfaktor von 0,7 induktiv aus einem Netz mit 400 V (Leiterspannung) und 60 Hz auf. Eine parallel zur Last geschaltete Drehstrom-Kondensatorbatterie soll den Gesamtleistungsfaktor auf 0,9 induktiv anheben. Die Wirkleistung bleibt gleich. Bestimme die gesamte Blindleistung QC, die die Kondensatorbatterie liefern muss, in kvar.

P = 60 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,9VL = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
15.TransformatorenMittel
10 ΩN1​N2​40 Ω

Ein Verstärker mit einem Ausgangswiderstand von 40 Ω speist über einen idealen Transformator einen Lautsprecher mit 10 Ω. Für maximale Leistungsübertragung muss der Lautsprecher vom Verstärker aus wie 40 Ω erscheinen. Bestimme das Übersetzungsverhältnis a = N₁/N₂.

Rs = 40 ΩRL = 10 Ω
a =
16.TransformatorenSchwer
pf 0,95500 kVA, 75% Last

Ein einphasiger Transformator mit 500 kVA hat Eisenverluste von 1500 W und Kupferverluste von 3750 W bei Nennlast. Er liefert 75 % seiner Nennscheinleistung bei einem Leistungsfaktor von 0,95 induktiv. Bestimme die Gesamtverluste Ploss in Watt bei dieser Last.

S = 500 kVAPcore = 1500 WPcu,fl = 3750 Wx = 0,75pf = 0,95
Ploss = W

3Lösungen

1.Reihen- und Parallelschaltung

Antwort: IR1 = 0,6857 A

Reihen- und Parallelschaltung: In Reihe fließt durch jeden Widerstand derselbe Strom, und R = R₁ + R₂ + …. Parallel liegt an jedem Widerstand dieselbe Spannung, und 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Eine Kettenschaltung wird Paar für Paar vereinfacht, bis ein einziger Ersatzwiderstand übrig bleibt.

R1​ = 10 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩAR4​3 ΩB

Widerstände vom fernen Ende her zusammenfassen

Beginne am Ende, das am weitesten von der Quelle entfernt ist, und arbeite dich zu ihr zurück. Widerstände mit demselben Strom liegen in Reihe; Widerstände zwischen denselben zwei Knoten liegen parallel.

R3 + R4 = 12 + 3 = 15 Ω
R2 ∥ 15 = 15·15/(15+15) = 7,5 Ω
Req = R1 + 7,5 = 10 + 7,5 = 17,5 Ω

Strom aus der Quelle

Die Quelle sieht nur Req, also liefert das ohmsche Gesetz den Strom, den sie abgibt. Dieser Strom fließt durch R₁.

IR1 = V1/Req = 12/17,5 = 0,6857 A

Antwort

IR1 = 0,6857 A
2.Reihen- und Parallelschaltung

Antwort: IR2 = 0,5894 A

Reihen- und Parallelschaltung: In Reihe fließt durch jeden Widerstand derselbe Strom, und R = R₁ + R₂ + …. Parallel liegt an jedem Widerstand dieselbe Spannung, und 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Eine Kettenschaltung wird Paar für Paar vereinfacht, bis ein einziger Ersatzwiderstand übrig bleibt.

R1​ = 15 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAR4​6 ΩBR6​20 Ω

Widerstände vom fernen Ende her zusammenfassen

Beginne am Ende, das am weitesten von der Quelle entfernt ist, und arbeite dich zu ihr zurück. Widerstände mit demselben Strom liegen in Reihe; Widerstände zwischen denselben zwei Knoten liegen parallel.

R5 + R6 = 20 + 20 = 40 Ω
R4 ∥ 40 = 5,217 Ω
R3 + 5,217 = 20,22 Ω
R2 ∥ 20,22 = 4,627 Ω
Req = R1 + 4,627 = 15 + 4,627 = 19,63 Ω

Strom aus der Quelle

Die Quelle sieht nur Req, also liefert das ohmsche Gesetz den Strom, den sie abgibt. Dieser Strom fließt durch R₁.

IR1 = V1/Req = 15/19,63 = 0,7643 A

Strom durch R₂

Ziehe den Spannungsabfall an R₁ ab, um die Spannung an Knoten A zu erhalten, die an R₂ anliegt.

VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 0,7643·15 = 3,536 V
IR2 = VA/R2 = 3,536/6 = 0,5894 A

Antwort

IR2 = 0,5894 A
3.Knotenpotenzialverfahren

Antwort: VB = 10,57 V

Knotenpotenzialverfahren: Wähle einen Bezugsknoten, benenne die unbekannten Knotenpotenziale, stelle an jedem unbekannten Knoten die Kirchhoffsche Knotenregel mit dem ohmschen Gesetz (I = ΔV/R) auf und löse das entstehende Gleichungssystem.

R1​ = 20 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAR4​10 ΩBIs​1 A

Knoten festlegen

Masse ist der untere Leiter. Bekannte Knotenpotenziale ergeben sich direkt aus den Quellen (V1 = 24 V). Unbekannt: VA, VB.

KCL am Knoten A

Die Ströme, die A über die Widerstände verlassen, sind gleich dem Strom, den die Quellen in A einspeisen.

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/20 + (VA − 24)/20 + (VA − VB)/15 = 0
0,1667·VA − 0,06667·VB = 1,2

KCL am Knoten B

Die Ströme, die B über die Widerstände verlassen, sind gleich dem Strom, den die Quellen in B einspeisen.

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/10 + (VB − VA)/15 = 1
−0,06667·VA + 0,1667·VB = 1

Lösen

Δ = (0,1667)(0,1667) − (−0,06667)(−0,06667) = 0,02333
VA = Δ1/Δ = 0,2667/0,02333 = 11,43 V
VB = Δ2/Δ = 0,2467/0,02333 = 10,57 V

Antwort

VB = 10,57 V
4.Knotenpotenzialverfahren

Antwort: VB = 38,24 V

Knotenpotenzialverfahren: Wähle einen Bezugsknoten, benenne die unbekannten Knotenpotenziale, stelle an jedem unbekannten Knoten die Kirchhoffsche Knotenregel mit dem ohmschen Gesetz (I = ΔV/R) auf und löse das entstehende Gleichungssystem.

Einen Superknoten bilden

Die Spannungsquelle zwischen A und B führt einen unbekannten Strom, daher kann die Knotenregel nicht getrennt an A oder B aufgestellt werden. Fasse A, B und die Quelle zu einem Superknoten zusammen: Der hineinfließende Strom ist gleich dem herausfließenden.

VB = VA + 10
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

Lösen

(VA − 30)/10 + VA/12 + (VA + 10)/10 = 6
VA·(1/10 + 1/12 + 1/10) = 6 + 30/10 − 10/10 = 8
VA = 8/0,2833 = 28,24 V
VB = 38,24 V

Antwort

VB = 38,24 V
5.Thévenin und Norton

Antwort: Rth = 6,667 Ω

Satz von Thévenin: Jedes lineare Zweipolnetzwerk verhält sich wie eine einzige Spannungsquelle Vth in Reihe mit einem Widerstand Rth. Der Satz von Norton beschreibt dasselbe Netzwerk als Stromquelle IN = Vth/Rth parallel zu Rth.

R1​ = 4 ΩR3​ = 4 ΩKURZSCHLUSSR2​8 ΩAabRth​

Rth bei abgeschalteten Quellen bestimmen

Ersetze Spannungsquellen durch Kurzschlüsse und Stromquellen durch Leerläufe und blicke dann von a–b in die Schaltung.

R1 ∥ R2 = 4·8/(4+8) = 2,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,667 + 4 = 6,667 Ω
6.Thévenin und Norton

Antwort: PL = 14,28 W

Satz von Thévenin: Jedes lineare Zweipolnetzwerk verhält sich wie eine einzige Spannungsquelle Vth in Reihe mit einem Widerstand Rth. Der Satz von Norton beschreibt dasselbe Netzwerk als Stromquelle IN = Vth/Rth parallel zu Rth.

R1​ = 3 ΩR3​ = 3 ΩKURZSCHLUSSR2​20 ΩAOFFENBabRth​

Rth bei abgeschalteten Quellen bestimmen

Ersetze Spannungsquellen durch Kurzschlüsse und Stromquellen durch Leerläufe und blicke dann von a–b in die Schaltung.

R1 ∥ R2 = 3·20/(3+20) = 2,609 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,609 + 3 = 5,609 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​20 ΩAIs​1 ABab+−Vth​

Vth bestimmen, die Leerlaufspannung

Bei offenen Klemmen a–b fließt Iₛ nur über R₃ in Knoten A. Bestimme V_A durch Überlagerung von V₁ und Iₛ und addiere dann den Spannungsabfall an R₃.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 13,04 + 1·2,609 = 15,65 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 15,65 + 1·3 = 18,65 V
Rth​ = 5,609 Ω+−Vth​18,65 VRL​10 ΩIL​

Die Last an das Thévenin-Ersatzschaltbild anschließen

Thévenin-Quelle und R_th in Reihe verhalten sich an a–b genau wie die ursprüngliche Schaltung, daher sieht die Last einen einfachen Reihenkreis.

IL = Vth/(Rth + RL) = 18,65/(5,609 + 10) = 1,195 A
PL = IL²·RL = 1,195²·10 = 14,28 W
7.RC- und RL-Ausgleichsvorgänge

Antwort: vR = 8,058 V

Ausgleichsvorgänge erster Ordnung: In einer Schaltung mit einem Kondensator oder einer Spule läuft jede Spannung und jeder Strom exponentiell vom Anfangswert zum Endwert: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, mit τ = RC oder τ = L/R. Nach etwa 5τ ist die Schaltung eingeschwungen.

Zeitkonstante

τ = L/R = 22 mH / 20 Ω = 1,1 ms

Abklingen des Stroms

i(t) = 1·e−1/1,1 = 0,4029 A
vR = R·i = 20·0,4029 = 8,058 V

Antwort

vR = 8,058 V
8.RC- und RL-Ausgleichsvorgänge

Antwort: t = 11,24 ms

Ausgleichsvorgänge erster Ordnung: In einer Schaltung mit einem Kondensator oder einer Spule läuft jede Spannung und jeder Strom exponentiell vom Anfangswert zum Endwert: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, mit τ = RC oder τ = L/R. Nach etwa 5τ ist die Schaltung eingeschwungen.

Anfangswert, Endwert, Zeitkonstante

Die Kondensatorspannung kann nicht springen, daher startet sie bei ihrem gespeicherten Wert und strebt der Quellenspannung zu.

vC(0) = 8 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 1 kΩ · 22 µF = 22 ms
vC(t) = 12 + (8 − 12)·e−t/τ

Nach der Zeit auflösen

9,6 = 12 + (−4)·e−t/τ → e−t/τ = (9,6 − 12)/(8 − 12) = 0,6
t = τ·ln((8 − 12)/(9,6 − 12)) = 22·ln(1,667) = 11,24 ms

Antwort

t = 11,24 ms
9.Wechselstrom: Impedanz und Zeiger

Antwort: cos φ = 0,1846

Wechselstromkreise mit Zeigern: Widerstände, Spulen und Kondensatoren haben die Impedanzen R, jωL und 1/(jωC), mit ω = 2πf. In Reihe addieren sich Impedanzen wie Widerstände, aber als komplexe Zahlen. Effektivwerte von Strom und Spannung folgen dem ohmschen Gesetz mit |Z|.

Blindwiderstände

XL = 125,7 Ω, XC = 338,6 Ω

Impedanz

|Z| = √(40² + (−213)²) = 216,7 Ω

Leistungsfaktor

cos φ = R/|Z| = 40/216,7 = 0,1846
Die Schaltung ist kapazitiv, der Leistungsfaktor ist also kapazitiv (voreilend).

Antwort

cos φ = 0,1846
10.Wechselstrom: Impedanz und Zeiger

Antwort: VL = 87,52 V

Wechselstromkreise mit Zeigern: Widerstände, Spulen und Kondensatoren haben die Impedanzen R, jωL und 1/(jωC), mit ω = 2πf. In Reihe addieren sich Impedanzen wie Widerstände, aber als komplexe Zahlen. Effektivwerte von Strom und Spannung folgen dem ohmschen Gesetz mit |Z|.

Resonanz

Bei Resonanz heben sich die Blindwiderstände auf, die Impedanz ist also nur R.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,01·0,47·10⁻⁶) = 14586 rad/s
I = V/R = 12/20 = 0,6 A

Spannung an der Spule

XL = ω₀L = 14586·0,01 = 145,9 Ω
VL = I·XL = 0,6·145,9 = 87,52 V

Antwort

VL = 87,52 V

Das ist das Q = 7,293-Fache der Versorgungsspannung.

11.Wechselstromleistung und Leistungsfaktor

Antwort: Q = 46,67 kvar

Wechselstromleistung: Die Scheinleistung S = V·I (VA) teilt sich in die Wirkleistung P = S·cos φ (W), die nutzbare Arbeit leistet, und die Blindleistung Q = S·sin φ (var), die zwischen Quelle und Last hin und her pendelt. Der Leistungsfaktor ist cos φ. Ein paralleler Kondensator liefert Blindleistung vor Ort, sodass der Leiterstrom bei gleicher Wirkleistung sinkt.

Winkel

φ = arccos(0,6) = 53,13°, tan φ = 1,333

Blindleistung

Q = P·tan φ = 35·1,333 = 46,67 kvar

Antwort

Q = 46,67 kvar
12.Wechselstromleistung und Leistungsfaktor

Antwort: I = 79,17 A

Wechselstromleistung: Die Scheinleistung S = V·I (VA) teilt sich in die Wirkleistung P = S·cos φ (W), die nutzbare Arbeit leistet, und die Blindleistung Q = S·sin φ (var), die zwischen Quelle und Last hin und her pendelt. Der Leistungsfaktor ist cos φ. Ein paralleler Kondensator liefert Blindleistung vor Ort, sodass der Leiterstrom bei gleicher Wirkleistung sinkt.

Blindleistung vorher und nachher

Die Wirkleistung P ändert sich nicht; nur die aus dem Netz bezogene Blindleistung ändert sich.

Q1 = 26·tan(arccos 0,6) = 34,67 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·50·330·10⁻⁶ = 16588 var = 16,59 kvar
Q2 = 34,67 − 16,59 = 18,08 kvar

Neue Scheinleistung

S2 = √(26² + 18,08²) = 31,67 kVA

Neuer Leiterstrom

I = S2/V = 31668/400 = 79,17 A

Antwort

I = 79,17 A
13.Drehstromleistung

Antwort: P = 1,731 kW

Symmetrische Drehstromsysteme: In der Sternschaltung (Y) ist die Leiterspannung √3-mal so groß wie die Strangspannung, VL = √3·Vph, und der Leiterstrom ist gleich dem Strangstrom. In der Dreieckschaltung (Δ) ist die Leiterspannung gleich der Strangspannung, und der Leiterstrom ist √3-mal so groß wie der Strangstrom, IL = √3·Iph. Die Gesamtleistung ist das Dreifache der Leistung eines Strangs: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Strangspannung

Vph = 208/√3 = 120,1 V

Strangstrom

|Z| = √(16² + 12²) = 20 Ω
Iph = 120,1/20 = 6,004 A

Gesamte Wirkleistung

Nur der ohmsche Anteil jeder Impedanz nimmt Wirkleistung auf.

P = 3·Iph²·R = 3·6,004²·16 = 1,731 kW

Antwort

P = 1,731 kW

Kontrolle: cos φ = R/|Z| = 0,8, und √3·VL·IL·cos φ ergibt dieselbe Leistung.

14.Drehstromleistung

Antwort: QC = 32,15 kvar

Symmetrische Drehstromsysteme: In der Sternschaltung (Y) ist die Leiterspannung √3-mal so groß wie die Strangspannung, VL = √3·Vph, und der Leiterstrom ist gleich dem Strangstrom. In der Dreieckschaltung (Δ) ist die Leiterspannung gleich der Strangspannung, und der Leiterstrom ist √3-mal so groß wie der Strangstrom, IL = √3·Iph. Die Gesamtleistung ist das Dreifache der Leistung eines Strangs: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Blindleistungskompensation: Kondensatoren liefern Blindleistung vor Ort, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Jeder der drei Kondensatoren liefert QC/3 = V²·ω·C, wobei V die Spannung an diesem Kondensator ist: VL bei einer Dreieckbatterie, VL/√3 bei einer Sternbatterie.

Blindleistung vorher und nachher

Die Wirkleistung ändert sich nicht, daher legt jeder Leistungsfaktor die Blindleistung fest: Q = P·tan φ.

Q1 = 60·tan(acos 0,7) = 60·1,02 = 61,21 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,9) = 60·0,4843 = 29,06 kvar

Blindleistung der Kondensatoren

QC = Q1 − Q2 = 32,15 kvar

Antwort

QC = 32,15 kvar
15.Transformatoren

Antwort: a = 2

Idealer Transformator: Die Spannungen verhalten sich wie die Windungszahlen, die Ströme umgekehrt: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a und I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, also ist die aufgenommene gleich der abgegebenen Leistung, V₁·I₁ = V₂·I₂. Eine Lastimpedanz Z auf der Sekundärseite erscheint von der Primärseite aus als a²·Z.

Die umgerechnete Last anpassen

a²·10 = 40
a = √(40/10) = √4 = 2

Antwort

a = 2
16.Transformatoren

Antwort: Ploss = 3609 W

Transformatorverluste: Die Eisenverluste (Hysterese und Wirbelströme) hängen von der Spannung ab und sind bei jeder Last gleich. Die Kupferverluste in den Wicklungen wachsen mit dem Quadrat des Stroms; beim Anteil x der Nennlast betragen sie also x²·Pcu,fl. Wirkungsgrad η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), mit Pout = x·S·pf. Der Wirkungsgrad ist bei der Last am höchsten, bei der die Kupferverluste gleich den Eisenverlusten sind.

Kupferverluste bei dieser Last

Pcu = x²·Pcu,fl = 0,5625·3750 = 2109 W

Gesamtverluste

Die Eisenverluste sind bei jeder Last gleich.

Ploss = 1500 + 2109 = 3609 W

Antwort

Ploss = 3609 W

Der Wirkungsgrad bei dieser Last ist η = 99%.

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