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​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​8 ΩIR2​AR4​15 ΩB

Bestimme den Strom IR2 durch R2.

V1 = 9 VR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 12 ΩR4 = 15 Ω
IR2 = A
2.Reihen- und ParallelschaltungSchwer
R1​ = 25 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩIR2​AR4​10 ΩBR6​5 Ω

Bestimme den Strom IR2 durch R2.

V1 = 30 VR1 = 25 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 ΩR4 = 10 ΩR5 = 15 ΩR6 = 5 Ω
IR2 = A
3.KnotenpotenzialverfahrenMittel
R1​ = 12 ΩR3​ = 8 ΩIR3​+−V1​24 VR2​5 ΩAR4​8 ΩBIs​1 A

Bestimme mit dem Knotenpotenzialverfahren den Strom IR3 durch R3 in Pfeilrichtung.

V1 = 24 VIs = 1 AR1 = 12 ΩR2 = 5 ΩR3 = 8 ΩR4 = 8 Ω
IR3 = A
4.KnotenpotenzialverfahrenSchwer
R1​ = 4 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAR4​8 ΩBIs​?

Die Stromquelle wird so eingestellt, dass das Knotenpotenzial an A VA = 8,5 V beträgt. Bestimme mit dem Knotenpotenzialverfahren den Quellenstrom Is (Richtung wie dargestellt).

V1 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 20 ΩR3 = 25 ΩR4 = 8 ΩVA = 8,5 V
Is = A
5.Thévenin und NortonMittel
R1​ = 4 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩAab

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

V1 = 6 VR1 = 4 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 Ω
Rth = Ω
6.Thévenin und NortonSchwer
R1​ = 15 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​36 VR2​6 ΩAIs​0,5 ABRL​5 ΩIL​

An a–b wird eine Last RL = 5 Ω angeschlossen. Bestimme mit einem Thévenin-Ersatzschaltbild die an die Last abgegebene Leistung PL.

V1 = 36 VIs = 0,5 AR1 = 15 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 ΩRL = 5 Ω
PL = W
7.RC- und RL-AusgleichsvorgängeMittel
+−Vs​20 Vt = 0R = 47 ΩL47 mHi(t)

Die Spule führt keinen Strom, bevor der Schalter bei t = 0 schließt. Wie lange nach dem Schließen des Schalters erreicht der Strom 50 % seines Endwerts? Bestimme t.

Vs = 20 VR = 47 ΩL = 47 mH
t = ms
8.RC- und RL-AusgleichsvorgängeSchwer
+−Vs​9 Vt = 0R = 3,3 kΩC220 µF+−vC​vC​(0) = 3 V

Kurz bevor der Schalter bei t = 0 schließt, liegt am Kondensator eine Spannung von 3 V mit der eingezeichneten Polarität. Wie lange dauert es, bis vC den Wert 7,8 V erreicht? Bestimme t.

Vs = 9 VR = 3,3 kΩC = 220 µFvC(0) = 3 V
t = ms
9.Wechselstrom: Impedanz und ZeigerMittel
12 V50 HzR = 100 ΩL = 20 mHC = 100 µFI

Eine RLC-Reihenschaltung liegt an einer Versorgung mit 12 V (Effektivwert) und 50 Hz. Bestimme den Leistungsfaktor cos φ der Schaltung.

V = 12 V (rms)f = 50 HzR = 100 ΩL = 20 mHC = 100 µF
cos φ =
10.Wechselstrom: Impedanz und ZeigerSchwer
24 Vf0​R = 2 ΩL = 5 mHC = 2,2 µF

Ein RLC-Reihenschwingkreis wird von einer Quelle mit 24 V (Effektivwert) gespeist, deren Frequenz auf die Resonanzfrequenz der Schaltung eingestellt ist. Bestimme die Effektivspannung VL an der Spule.

V = 24 V (rms)R = 2 ΩL = 5 mHC = 2,2 µF
VL = V
11.Wechselstromleistung und LeistungsfaktorMittel
P = 17 kWQSφ

Ein Einphasenmotor nimmt 17 kW bei einem Leistungsfaktor von 0,75 induktiv aus einer 240-V-Versorgung auf. Bestimme den Leiterstrom I.

P = 17 kWpf = 0,75V = 240 V
I = A
12.Wechselstromleistung und LeistungsfaktorSchwer
240 V50 HzLast13 kW, 0,7C330 µFI

Eine einphasige Last nimmt aus einer Versorgung mit 240 V und 50 Hz 13 kW bei einem Leistungsfaktor von 0,7 induktiv auf. Parallel zur Last wird ein Kondensator mit 330 µF geschaltet. Bestimme den neuen Leistungsfaktor cos φ, den die Versorgung sieht.

P = 13 kWpf1 = 0,7V = 240 Vf = 50 HzC = 330 µF
cos φ =
13.DrehstromleistungMittel
ABCVL​ = 400 VIL​ = ?M30 kW, η = 95%cos φ = 0,9

Ein Drehstrom-Asynchronmotor gibt bei Volllast 30 kW mechanische Leistung ab. Bei dieser Last beträgt sein Wirkungsgrad 95 % und sein Leistungsfaktor 0,9 induktiv. Das Netz hat eine Leiterspannung von 400 V. Bestimme den Leiterstrom IL.

Pout = 30 kWη = 95%cos φ = 0,9VL = 400 V
IL = A
14.DrehstromleistungSchwer
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Eine symmetrische Drehstromlast nimmt 120 kW bei einem Leistungsfaktor von 0,7 induktiv aus einem Netz mit 690 V (Leiterspannung) und 50 Hz auf. Eine parallel zur Last geschaltete Drehstrom-Kondensatorbatterie soll den Gesamtleistungsfaktor auf 0,95 induktiv anheben. Die Wirkleistung bleibt gleich. Bestimme die gesamte Blindleistung QC, die die Kondensatorbatterie liefern muss, in kvar.

P = 120 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 50 Hz
QC = kvar
15.TransformatorenMittel
6600 V230 VIHV​ILV​ = ?100 kVA

Ein einphasiger Transformator mit 100 kVA und 6600/230 V wird bei Nennlast betrieben. Betrachte ihn als ideal. Bestimme den Strom ILV in der Unterspannungswicklung.

S = 100 kVAV1 = 6600 VV2 = 230 V
ILV = A
16.TransformatorenSchwer
150 kVA

Ein einphasiger Transformator mit 150 kVA hat Eisenverluste von 1200 W und Kupferverluste von 3600 W bei Nennlast. Bei welcher Last Sη,max, in kVA, ist sein Wirkungsgrad am höchsten?

S = 150 kVAPcore = 1200 WPcu,fl = 3600 W
Sη,max = kVA

3Lösungen

1.Reihen- und Parallelschaltung

Antwort: IR2 = 0,4899 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​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​8 ΩAR4​15 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 + 15 = 27 Ω
R2 ∥ 27 = 8·27/(8+27) = 6,171 Ω
Req = R1 + 6,171 = 8 + 6,171 = 14,17 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 = 9/14,17 = 0,6351 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 − 0,6351·8 = 3,919 V
IR2 = VA/R2 = 3,919/8 = 0,4899 A

Antwort

IR2 = 0,4899 A
2.Reihen- und Parallelschaltung

Antwort: IR2 = 0,8 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​ = 25 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAR4​10 ΩBR6​5 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 = 15 + 5 = 20 Ω
R4 ∥ 20 = 6,667 Ω
R3 + 6,667 = 16,67 Ω
R2 ∥ 16,67 = 3,846 Ω
Req = R1 + 3,846 = 25 + 3,846 = 28,85 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 = 30/28,85 = 1,04 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 = 30 − 1,04·25 = 4 V
IR2 = VA/R2 = 4/5 = 0,8 A

Antwort

IR2 = 0,8 A
3.Knotenpotenzialverfahren

Antwort: IR3 = 0,7711 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​ = 8 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩAR4​8 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/5 + (VA − 24)/12 + (VA − VB)/8 = 0
0,4083·VA − 0,125·VB = 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/8 + (VB − VA)/8 = (−1)
−0,125·VA + 0,25·VB = −1

Lösen

Δ = (0,4083)(0,25) − (−0,125)(−0,125) = 0,08646
VA = Δ1/Δ = 0,375/0,08646 = 4,337 V
VB = Δ2/Δ = −0,1583/0,08646 = −1,831 V

Antwort

IR3 = (VA − VB)/R3 = (4,337 − −1,831)/8 = 0,7711 A
4.Knotenpotenzialverfahren

Antwort: Is = 1,269 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

VA ist bekannt, daher liefert diese Gleichung VB.

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(8,5 − 10)/4 + 8,5/20 = (VB − 8,5)/25
0,05 = (VB − 8,5)/25 → VB = 9,75 V

Knotenregel am Knoten B

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

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (9,75 − 8,5)/25 + 9,75/8 = 1,269 A

Antwort

Is = 1,269 A
5.Thévenin und Norton

Antwort: Rth = 5,857 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​ = 3 ΩKURZSCHLUSSR2​10 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 = 4·10/(4+10) = 2,857 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,857 + 3 = 5,857 Ω
6.Thévenin und Norton

Antwort: PL = 7,079 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​ = 15 ΩR3​ = 2 ΩKURZSCHLUSSR2​6 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 = 15·6/(15+6) = 4,286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,286 + 2 = 6,286 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​36 VR2​6 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) = 10,29 + 0,5·4,286 = 12,43 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12,43 + 0,5·2 = 13,43 V
Rth​ = 6,286 Ω+−Vth​13,43 VRL​5 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) = 13,43/(6,286 + 5) = 1,19 A
PL = IL²·RL = 1,19²·5 = 7,079 W
7.RC- und RL-Ausgleichsvorgänge

Antwort: t = 0,6931 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.

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 / 47 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 20/47 = 0,4255 A

Nach der Zeit auflösen

0,5 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,5)
t = −1·ln(0,5) = 0,6931 ms

Antwort

t = 0,6931 ms
8.RC- und RL-Ausgleichsvorgänge

Antwort: t = 1168 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) = 3 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 220 µF = 726 ms
vC(t) = 9 + (3 − 9)·e−t/τ

Nach der Zeit auflösen

7,8 = 9 + (−6)·e−t/τ → e−t/τ = (7,8 − 9)/(3 − 9) = 0,2
t = τ·ln((3 − 9)/(7,8 − 9)) = 726·ln(5) = 1168 ms

Antwort

t = 1168 ms
9.Wechselstrom: Impedanz und Zeiger

Antwort: cos φ = 0,9689

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 = 6,283 Ω, XC = 31,83 Ω

Impedanz

|Z| = √(100² + (−25,55)²) = 103,2 Ω

Leistungsfaktor

cos φ = R/|Z| = 100/103,2 = 0,9689
Die Schaltung ist kapazitiv, der Leistungsfaktor ist also kapazitiv (voreilend).

Antwort

cos φ = 0,9689
10.Wechselstrom: Impedanz und Zeiger

Antwort: VL = 572,1 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/√(0,005·2,2·10⁻⁶) = 9535 rad/s
I = V/R = 24/2 = 12 A

Spannung an der Spule

XL = ω₀L = 9535·0,005 = 47,67 Ω
VL = I·XL = 12·47,67 = 572,1 V

Antwort

VL = 572,1 V

Das ist das Q = 23,84-Fache der Versorgungsspannung.

11.Wechselstromleistung und Leistungsfaktor

Antwort: I = 94,44 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.

Leiterstrom

Nur der Wirkanteil der Leistung verrichtet Arbeit, also teile durch den Leistungsfaktor.

I = P/(V·cos φ) = 17000/(240·0,75) = 94,44 A

Antwort

I = 94,44 A
12.Wechselstromleistung und Leistungsfaktor

Antwort: cos φ = 0,8722

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 = 13·tan(arccos 0,7) = 13,26 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·50·330·10⁻⁶ = 5972 var = 5,972 kvar
Q2 = 13,26 − 5,972 = 7,291 kvar

Neue Scheinleistung

S2 = √(13² + 7,291²) = 14,91 kVA

Neuer Leistungsfaktor

cos φ = P/S2 = 13/14,91 = 0,8722

Antwort

cos φ = 0,8722
13.Drehstromleistung

Antwort: IL = 50,64 A

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.

Elektrische Aufnahmeleistung

Pin = Pout/η = 30/0,95 = 31,58 kW

Leiterstrom

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 31579/(√3·400·0,9) = 50,64 A

Antwort

IL = 50,64 A
14.Drehstromleistung

Antwort: QC = 82,98 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 = 120·tan(acos 0,7) = 120·1,02 = 122,4 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,95) = 120·0,3287 = 39,44 kvar

Blindleistung der Kondensatoren

QC = Q1 − Q2 = 82,98 kvar

Antwort

QC = 82,98 kvar
15.Transformatoren

Antwort: ILV = 434,8 A

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.

Nennstrom

Beide Wicklungen führen dieselbe Scheinleistung.

ILV = S/V = 100000/230 = 434,8 A

Antwort

ILV = 434,8 A
16.Transformatoren

Antwort: Sη,max = 86,6 kVA

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 gleich Eisenverluste

x²·3600 = 1200 → x = √(1200/3600) = 0,5774

Last bei maximalem Wirkungsgrad

Sη,max = x·S = 0,5774·150 = 86,6 kVA

Antwort

Sη,max = 86,6 kVA

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