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​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩIR2​AR4​5 ΩB

Bestimme den Strom IR2 durch R2.

V1 = 9 VR1 = 3 ΩR2 = 12 ΩR3 = 15 ΩR4 = 5 Ω
IR2 = A
2.Reihen- und ParallelschaltungSchwer
R1​ = 6 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​10 ΩIR2​AR4​20 ΩBR6​8 Ω

Bestimme den Strom IR2 durch R2.

V1 = 15 VR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 8 ΩR4 = 20 ΩR5 = 4 ΩR6 = 8 Ω
IR2 = A
3.KnotenpotenzialverfahrenMittel
R1​ = 12 ΩIR1​R3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAR4​20 ΩBIs​5 A

Bestimme mit dem Knotenpotenzialverfahren den Strom IR1 durch R1 in Pfeilrichtung.

V1 = 10 VIs = 5 AR1 = 12 ΩR2 = 4 ΩR3 = 3 ΩR4 = 20 Ω
IR1 = A
4.KnotenpotenzialverfahrenSchwer
R1​ = 3 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAR4​4 ΩIR4​B0,25·VA​

Die Raute ist eine spannungsgesteuerte Stromquelle, die einen Strom von 0,25·VA (in A, mit VA in V) nach oben in den Knoten B schiebt. Bestimme mit dem Knotenpotenzialverfahren den Strom IR4 durch R4 in Pfeilrichtung.

V1 = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 ΩR4 = 4 Ωg = 0,25 A/V
IR4 = A
5.Thévenin und NortonMittel
R1​ = 4 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩAab

Bestimme den Norton-Strom IN: den Strom, der von a nach b fließt, wenn die Klemmen kurzgeschlossen sind.

V1 = 9 VR1 = 4 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 Ω
IN = A
6.Thévenin und NortonSchwer
R1​ = 15 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAIs​0,5 ABab

Bestimme den Norton-Strom IN: den Strom, der von a nach b fließt, wenn die Klemmen kurzgeschlossen sind.

V1 = 30 VIs = 0,5 AR1 = 15 ΩR2 = 4 ΩR3 = 3 Ω
IN = A
7.RC- und RL-AusgleichsvorgängeMittel
+−Vs​10 Vt = 0R = 15 ΩL47 mHi(t)

Die Spule führt keinen Strom, bevor der Schalter bei t = 0 schließt. Bestimme den Strom i bei t = 5 ms.

Vs = 10 VR = 15 ΩL = 47 mHt = 5 ms
i = A
8.RC- und RL-AusgleichsvorgängeSchwer
+−Vs​12 Vt = 0R = 10 kΩC22 µF+−vC​vC​(0) = 24 V

Kurz bevor der Schalter bei t = 0 schließt, liegt am Kondensator eine Spannung von 24 V mit der eingezeichneten Polarität. Wie lange dauert es, bis vC den Wert 20,4 V erreicht? Bestimme t.

Vs = 12 VR = 10 kΩC = 22 µFvC(0) = 24 V
t = ms
9.Wechselstrom: Impedanz und ZeigerMittel
Vf0​ = 2000 HzRL = ?C = 0,1 µF

Ein RLC-Reihenschwingkreis mit C = 0,1 µF soll bei 2000 Hz in Resonanz sein. Bestimme die nötige Induktivität L.

f0 = 2000 HzC = 0,1 µF
L = mH
10.Wechselstrom: Impedanz und ZeigerSchwer
VfR = 5 ΩL = 100 mHC = 2,2 µF

Ein RLC-Reihenschwingkreis hat R = 5 Ω, L = 100 mH und C = 2,2 µF. Bestimme seine Bandbreite B (die Breite des Bands zwischen den Halbleistungsfrequenzen) in Hz.

R = 5 ΩL = 100 mHC = 2,2 µF
B = Hz
11.Wechselstromleistung und LeistungsfaktorMittel
230 V12 kW, 0,6526 kW, 0,7I

An einer einphasigen Versorgung mit 230 V liegen zwei Lasten parallel: eine Last mit 2 kW bei einem Leistungsfaktor von 0,65 induktiv und eine Last mit 6 kW bei einem Leistungsfaktor von 0,7 induktiv. Bestimme den Gesamtleistungsfaktor cos φ, den die Versorgung sieht.

V = 230 VP1 = 2 kW, pf1 = 0,65 induktivP2 = 6 kW, pf2 = 0,7 induktiv
cos φ =
12.Wechselstromleistung und LeistungsfaktorSchwer
10 V1000 HzRs​ = 10 ΩXs​ = j6 ΩZL​ = ?

Eine Quelle mit 10 V (Effektivwert) und 1000 Hz hat eine Innenimpedanz Zs = 10 + j6 Ω. Die Lastimpedanz ZL kann frei gewählt werden. Die Last für maximale Leistung besteht aus einem Widerstand in Reihe mit einem Kondensator. Bestimme die Kapazität C.

Vs = 10 V (rms)f = 1000 HzZs = 10 + j6 Ω
C = µF
13.DrehstromleistungMittel
ABCVL​ = 415 VZ = 12 + j9 Ωpro Strang

Eine symmetrische Last in Dreieckschaltung mit einer Impedanz von 12 + j9 Ω pro Strang ist an ein symmetrisches Drehstromnetz mit einer Leiterspannung von 415 V angeschlossen. Bestimme die gesamte Wirkleistung P, die die Last aufnimmt, in kW.

VL = 415 VZ = 12 + j9 Ω pro Strang
P = kW
14.DrehstromleistungSchwer
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​

Eine symmetrische Drehstromlast nimmt 80 kW bei einem Leistungsfaktor von 0,65 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. Die Kondensatoren sind im Stern geschaltet. Bestimme die Kapazität Cph jedes Kondensators in µF.

P = 80 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,9VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.TransformatorenMittel
10 Ω21

An die Sekundärwicklung eines idealen Transformators mit dem Übersetzungsverhältnis N₁:N₂ = 2:1 ist ein Widerstand von 10 Ω angeschlossen. Bestimme den Widerstand R1′, den man in die Primärwicklung hinein sieht.

N1:N2 = 2:1RL = 10 Ω
R1′ = Ω
16.TransformatorenSchwer
pf 0,8150 kVA, η = 96,5%

Ein einphasiger Transformator mit 150 kVA hat Eisenverluste von 750 W. Bei Nennlast und einem Leistungsfaktor von 0,8 induktiv beträgt sein Wirkungsgrad 96,5 %. Bestimme die Kupferverluste Pcu,fl bei Volllast in Watt.

S = 150 kVAPcore = 750 Wpf = 0,8η = 96,5%
Pcu,fl = W

3Lösungen

1.Reihen- und Parallelschaltung

Antwort: IR2 = 0,5357 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​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAR4​5 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 = 15 + 5 = 20 Ω
R2 ∥ 20 = 12·20/(12+20) = 7,5 Ω
Req = R1 + 7,5 = 3 + 7,5 = 10,5 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 = 9/10,5 = 0,8571 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 = 9 − 0,8571·3 = 6,429 V
IR2 = VA/R2 = 6,429/12 = 0,5357 A

Antwort

IR2 = 0,5357 A
2.Reihen- und Parallelschaltung

Antwort: IR2 = 0,7549 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​ = 6 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​10 ΩAR4​20 ΩBR6​8 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 = 4 + 8 = 12 Ω
R4 ∥ 12 = 7,5 Ω
R3 + 7,5 = 15,5 Ω
R2 ∥ 15,5 = 6,078 Ω
Req = R1 + 6,078 = 6 + 6,078 = 12,08 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 = 15/12,08 = 1,242 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 − 1,242·6 = 7,549 V
IR2 = VA/R2 = 7,549/10 = 0,7549 A

Antwort

IR2 = 0,7549 A
3.Knotenpotenzialverfahren

Antwort: IR1 = −0,3125 A

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​ = 12 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAR4​20 ΩBIs​5 A

Knoten festlegen

Masse ist der untere Leiter. Bekannte Knotenpotenziale ergeben sich direkt aus den Quellen (V1 = 10 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/4 + (VA − 10)/12 + (VA − VB)/3 = 0
0,6667·VA − 0,3333·VB = 0,8333

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/20 + (VB − VA)/3 = 5
−0,3333·VA + 0,3833·VB = 5

Lösen

Δ = (0,6667)(0,3833) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,1444
VA = Δ1/Δ = 1,986/0,1444 = 13,75 V
VB = Δ2/Δ = 3,611/0,1444 = 25 V

Antwort

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (10 − 13,75)/12 = −0,3125 A
4.Knotenpotenzialverfahren

Antwort: IR4 = 2,174 A

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.

Knotenregel am Knoten A

Die über die Widerstände von A abfließenden Ströme sind gleich dem Strom, den Quellen in A hineinschieben.

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0,7167·VA − 0,3333·VB = 3,333

Knotenregel am Knoten B

Die gesteuerte Quelle schiebt g·VA in den Knoten B. Behandle sie wie eine unabhängige Quelle und bringe dann den Term mit VA auf die linke Seite.

(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0,25·VA
−0,5833·VA + 0,5833·VB = 0

Lösen

Δ = (0,7167)(0,5833) − (−0,3333)(−0,5833) = 0,2236
VA = Δ1/Δ = 1,944/0,2236 = 8,696 V
VB = Δ2/Δ = 1,944/0,2236 = 8,696 V

Strom durch R₄

IR4 = VB/R4 = 8,696/4 = 2,174 A

Antwort

IR4 = 2,174 A
5.Thévenin und Norton

Antwort: IN = 1,184 A

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​ = 3 ΩKURZSCHLUSSR2​20 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 = 4·20/(4+20) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 3 = 6,333 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩAab+−Vth​

Vth bestimmen, die Leerlaufspannung

Bei offenen Klemmen a–b fließt kein Strom durch R₃, also fällt daran keine Spannung ab und V_b = V_A. R₁ und R₂ bilden einen Spannungsteiler.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 9·20/(4+20) = 7,5 V
IN​1,184 ARth​6,333 Ωab

Norton-Ersatzschaltbild

Eine Norton-Quelle ist dieselbe Schaltung, gesehen als Stromquelle parallel zu R_th. Ihr Strom ist der Kurzschlussstrom an a–b.

IN = Vth/Rth = 7,5/6,333 = 1,184 A
6.Thévenin und Norton

Antwort: IN = 1,526 A

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​ = 15 ΩR3​ = 3 ΩKURZSCHLUSSR2​4 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 = 15·4/(15+4) = 3,158 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,158 + 3 = 6,158 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAIs​0,5 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) = 6,316 + 0,5·3,158 = 7,895 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 7,895 + 0,5·3 = 9,395 V
IN​1,526 ARth​6,158 Ωab

Norton-Ersatzschaltbild

Eine Norton-Quelle ist dieselbe Schaltung, gesehen als Stromquelle parallel zu R_th. Ihr Strom ist der Kurzschlussstrom an a–b.

IN = Vth/Rth = 9,395/6,158 = 1,526 A
7.RC- und RL-Ausgleichsvorgänge

Antwort: i = 0,5315 A

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 und Endstrom

Lange nach dem Schließen des Schalters wirkt die Spule wie ein Kurzschluss, daher bestimmt R allein den Endstrom.

τ = L/R = 47 mH / 15 Ω = 3,133 ms
i(∞) = Vs/R = 10/15 = 0,6667 A

Strom zum gegebenen Zeitpunkt

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,6667·(1 − e−5/3,133) = 0,5315 A

Antwort

i = 0,5315 A
8.RC- und RL-Ausgleichsvorgänge

Antwort: t = 78,47 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) = 24 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 10 kΩ · 22 µF = 220 ms
vC(t) = 12 + (24 − 12)·e−t/τ

Nach der Zeit auflösen

20,4 = 12 + (12)·e−t/τ → e−t/τ = (20,4 − 12)/(24 − 12) = 0,7
t = τ·ln((24 − 12)/(20,4 − 12)) = 220·ln(1,429) = 78,47 ms

Antwort

t = 78,47 ms
9.Wechselstrom: Impedanz und Zeiger

Antwort: L = 63,33 mH

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|.

Resonanzbedingung

Bei Resonanz heben sich induktiver und kapazitiver Blindwiderstand auf: ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·2000 = 12566 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(12566²·0,1·10⁻⁶) = 63,33 mH

Antwort

L = 63,33 mH
10.Wechselstrom: Impedanz und Zeiger

Antwort: B = 7,958 Hz

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|.

Resonanzfrequenz

f0 = 1/(2π·√(0,1·2,2·10⁻⁶)) = 339,3 Hz

Güte

Die Güte vergleicht den Blindwiderstand bei Resonanz mit dem Widerstand: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/5)·√(0,1/(2,2·10⁻⁶)) = 42,64

Bandbreite

B = f0/Q = 339,3/42,64 = 7,958 Hz

Antwort

B = 7,958 Hz
11.Wechselstromleistung und Leistungsfaktor

Antwort: cos φ = 0,6871

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 jeder Last

Eine induktive Last nimmt Blindleistung auf (Q > 0); eine kapazitive Last gibt sie ab (Q < 0).

Q1 = 2·tan(arccos 0,65) = 2,338 kvar
Q2 = 6·tan(arccos 0,7) = 6,121 kvar

Summen

P = 2 + 6 = 8 kW
Q = 2,338 + 6,121 = 8,459 kvar
S = √(8² + 8,459²) = 11,64 kVA

Gesamtleistungsfaktor

cos φ = P/S = 8/11,64 = 0,6871 induktiv

Antwort

cos φ = 0,6871
12.Wechselstromleistung und Leistungsfaktor

Antwort: C = 26,53 µF

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.

Konjugiert komplexe Anpassung

Der Blindwiderstand der Last hebt den Blindwiderstand der Quelle auf, und der Lastwiderstand ist gleich dem Quellenwiderstand.

ZL = Zs* = 10 − j6 Ω

Kapazität

XC = 6 Ω → C = 1/(2π·1000·6) = 26,53 µF

Antwort

C = 26,53 µF
13.Drehstromleistung

Antwort: P = 27,56 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 = VL = 415 V

Strangstrom

|Z| = √(12² + 9²) = 15 Ω
Iph = 415/15 = 27,67 A

Gesamte Wirkleistung

Nur der ohmsche Anteil jeder Impedanz nimmt Wirkleistung auf.

P = 3·Iph²·R = 3·27,67²·12 = 27,56 kW

Antwort

P = 27,56 kW

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

14.Drehstromleistung

Antwort: Cph = 908,3 µF

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 = 80·tan(acos 0,65) = 80·1,169 = 93,53 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,9) = 80·0,4843 = 38,75 kvar

Blindleistung der Kondensatoren

QC = Q1 − Q2 = 54,78 kvar

Kapazität pro Strang

In einer Sternbatterie ist jeder Kondensator zwischen einen Außenleiter und den Sternpunkt geschaltet.

V = 400/√3 = 230,9 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 18262/(377·230,9²) = 908,3 µF

Antwort

Cph = 908,3 µF
15.Transformatoren

Antwort: R1′ = 40 Ω

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.

Umgerechneter Widerstand

Die Spannung steigt um den Faktor a und der Strom sinkt um a, also steigt das Verhältnis V/I um a².

R1′ = a²·RL = 2²·10 = 40 Ω

Antwort

R1′ = 40 Ω
16.Transformatoren

Antwort: Pcu,fl = 3602 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.

Abgabe- und Aufnahmeleistung

Pout = 150·0,8 = 120 kW
Pin = 120000/0,965 = 124352 W

Gesamt- und Kupferverluste

Ploss = 124352 − 120000 = 4352 W
Pcu,fl = 4352 − 750 = 3602 W

Antwort

Pcu,fl = 3602 W

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