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​ = 5 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAR4​5 ΩB

Bestimme den Ersatzwiderstand Req, den die Quelle V1 sieht.

V1 = 6 VR1 = 5 ΩR2 = 20 ΩR3 = 12 ΩR4 = 5 Ω
Req = Ω
2.Reihen- und ParallelschaltungSchwer
R1​ = 4 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAR4​3 ΩBR6​10 Ω

Bestimme den Ersatzwiderstand Req, den die Quelle V1 sieht.

V1 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 ΩR4 = 3 ΩR5 = 5 ΩR6 = 10 Ω
Req = Ω
3.KnotenpotenzialverfahrenMittel
R1​ = 10 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​24 VR2​6 ΩAR4​2 ΩBIs​3 A

Bestimme mit dem Knotenpotenzialverfahren die von der Stromquelle Is abgegebene Leistung PIs.

V1 = 24 VIs = 3 AR1 = 10 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 ΩR4 = 2 Ω
PIs = W
4.KnotenpotenzialverfahrenSchwer
R1​ = 15 ΩIR1​R2​ = 4 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​9 VR3​8 ΩAR5​2 ΩBIs​5 A+−V2​24 V

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

V1 = 9 VIs = 5 AV2 = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 4 ΩR3 = 8 ΩR4 = 6 ΩR5 = 2 Ω
IR1 = A
5.Thévenin und NortonMittel
R1​ = 6 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAab

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

V1 = 30 VR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 Ω
IN = A
6.Thévenin und NortonSchwer
R1​ = 8 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​24 VR2​30 ΩAIs​1,5 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 = 24 VIs = 1,5 AR1 = 8 ΩR2 = 30 ΩR3 = 25 ΩRL = 5 Ω
PL = W
7.RC- und RL-AusgleichsvorgängeMittel
R = 20 Ωt = 0L22 mHi(t)

Die Spule führt einen konstanten Strom von 2 A. Bei t = 0 schließt der Schalter den Kreis über R, und die Quelle wird abgetrennt, der Spulenstrom klingt also über R ab. Bestimme den Strom i bei t = 1 ms.

i(0) = 2 AR = 20 ΩL = 22 mHt = 1 ms
i = A
8.RC- und RL-AusgleichsvorgängeSchwer
+−Vs​20 Vöffnet bei t = 0R1​ = 6,8 kΩR2​ = 3,3 kΩC100 µF+−vC​

Der Schalter ist seit Langem geschlossen, die Schaltung ist also im eingeschwungenen Zustand. Bei t = 0 öffnet der Schalter. Bestimme die Kondensatorspannung vC bei t = 750 ms.

Vs = 20 VR1 = 6,8 kΩR2 = 3,3 kΩC = 100 µFt = 750 ms
vC = V
9.Wechselstrom: Impedanz und ZeigerMittel
24 V200 HzR = 60 ΩL = 200 mHI

Ein Widerstand und eine Spule liegen parallel an einer Versorgung mit 24 V (Effektivwert) und 200 Hz. Bestimme den Effektivwert des Stroms I.

V = 24 V (rms)f = 200 HzR = 60 ΩL = 200 mH
I = A
10.Wechselstrom: Impedanz und ZeigerSchwer
24 V200 HzR = 100 ΩL = 100 mHC = 1 µF

Eine RLC-Reihenschaltung liegt an einer Versorgung mit 24 V (Effektivwert) und 200 Hz. Bestimme die Resonanzfrequenz f0 der Schaltung.

V = 24 V (rms)f = 200 HzR = 100 ΩL = 100 mHC = 1 µF
f0 = Hz
11.Wechselstromleistung und LeistungsfaktorMittel
240 V124 kW, 0,729 kW, 0,95I

An einer einphasigen Versorgung mit 240 V liegen zwei Lasten parallel: eine Last mit 24 kW bei einem Leistungsfaktor von 0,7 induktiv und eine Last mit 9 kW bei einem Leistungsfaktor von 0,95 induktiv. Bestimme den Gesamtleistungsfaktor cos φ, den die Versorgung sieht.

V = 240 VP1 = 24 kW, pf1 = 0,7 induktivP2 = 9 kW, pf2 = 0,95 induktiv
cos φ =
12.Wechselstromleistung und LeistungsfaktorSchwer
240 V60 HzLast5 kW, 0,65C68 µFI

Eine einphasige Last nimmt aus einer Versorgung mit 240 V und 60 Hz 5 kW bei einem Leistungsfaktor von 0,65 induktiv auf. Parallel zur Last wird ein Kondensator mit 68 µF geschaltet. Bestimme den neuen Leistungsfaktor cos φ, den die Versorgung sieht.

P = 5 kWpf1 = 0,65V = 240 Vf = 60 HzC = 68 µF
cos φ =
13.DrehstromleistungMittel
ABCVL​ = 208 VNZ = 8 + j6 Ωpro Strang

Eine symmetrische Last in Sternschaltung mit einer Impedanz von 8 + j6 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 = 8 + j6 Ω pro Strang
P = kW
14.DrehstromleistungSchwer
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​

Eine symmetrische Drehstromlast nimmt 100 kW bei einem Leistungsfaktor von 0,7 induktiv aus einem Netz mit 400 V (Leiterspannung) und 50 Hz auf. Eine parallel zur Last geschaltete Drehstrom-Kondensatorbatterie soll den Gesamtleistungsfaktor auf 0,92 induktiv anheben. Die Wirkleistung bleibt gleich. Die Kondensatoren sind im Dreieck geschaltet. Bestimme die Kapazität Cph jedes Kondensators in µF.

P = 100 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,92VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.TransformatorenMittel
5 Ω121

An die Sekundärwicklung eines idealen Transformators mit dem Übersetzungsverhältnis N₁:N₂ = 12:1 ist ein Widerstand von 5 Ω angeschlossen. Bestimme den Widerstand R1′, den man in die Primärwicklung hinein sieht.

N1:N2 = 12:1RL = 5 Ω
R1′ = Ω
16.TransformatorenSchwer
150 kVA

Ein einphasiger Transformator mit 150 kVA hat Eisenverluste von 900 W und Kupferverluste von 2250 W bei Nennlast. Bei welcher Last Sη,max, in kVA, ist sein Wirkungsgrad am höchsten?

S = 150 kVAPcore = 900 WPcu,fl = 2250 W
Sη,max = kVA

3Lösungen

1.Reihen- und Parallelschaltung

Antwort: Req = 14,19 Ω

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​ = 5 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​20 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 = 12 + 5 = 17 Ω
R2 ∥ 17 = 20·17/(20+17) = 9,189 Ω
Req = R1 + 9,189 = 5 + 9,189 = 14,19 Ω

Antwort

Req = 14,19 Ω
2.Reihen- und Parallelschaltung

Antwort: Req = 7,548 Ω

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​ = 4 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAR4​3 ΩBR6​10 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 = 5 + 10 = 15 Ω
R4 ∥ 15 = 2,5 Ω
R3 + 2,5 = 5,5 Ω
R2 ∥ 5,5 = 3,548 Ω
Req = R1 + 3,548 = 4 + 3,548 = 7,548 Ω

Antwort

Req = 7,548 Ω
3.Knotenpotenzialverfahren

Antwort: PIs = 19,31 W

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.

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/6 + (VA − 24)/10 + (VA − VB)/8 = 0
0,3917·VA − 0,125·VB = 2,4

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/2 + (VB − VA)/8 = 3
−0,125·VA + 0,625·VB = 3

Lösen

Δ = (0,3917)(0,625) − (−0,125)(−0,125) = 0,2292
VA = Δ1/Δ = 1,875/0,2292 = 8,182 V
VB = Δ2/Δ = 1,475/0,2292 = 6,436 V

Von der Stromquelle abgegebene Leistung

Die Quelle schiebt Iₛ nach oben in den Knoten B, von Masse (0 V) auf VB. Eine Quelle, deren Strom an ihrem Pluspol austritt, gibt P = V·I ab.

PIs = VB·Is = 6,436·3 = 19,31 W

Antwort

PIs = 19,31 W
4.Knotenpotenzialverfahren

Antwort: IR1 = 0,5416 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​ = 15 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​9 VR3​8 ΩAR5​2 ΩBIs​5 A+−V2​24 V

Knoten festlegen

Masse ist der untere Leiter. Bekannte Knotenpotenziale ergeben sich direkt aus den Quellen (V1 = 9 V, V2 = 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/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/8 + (VA − 9)/15 + (VA − VB)/4 = 0
0,4417·VA − 0,25·VB = 0,6

KCL am Knoten B

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

VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/2 + (VB − VA)/4 + (VB − 24)/6 = (−5)
−0,25·VA + 0,9167·VB = −1

Lösen

Δ = (0,4417)(0,9167) − (−0,25)(−0,25) = 0,3424
VA = Δ1/Δ = 0,3/0,3424 = 0,8763 V
VB = Δ2/Δ = −0,2917/0,3424 = −0,8519 V

Antwort

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (9 − 0,8763)/15 = 0,5416 A
5.Thévenin und Norton

Antwort: IN = 3,261 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​ = 6 ΩR3​ = 2 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 = 6·10/(6+10) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 2 = 5,75 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​10 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) = 30·10/(6+10) = 18,75 V
IN​3,261 ARth​5,75 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 = 18,75/5,75 = 3,261 A
6.Thévenin und Norton

Antwort: PL = 16,48 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​ = 8 ΩR3​ = 25 ΩKURZSCHLUSSR2​30 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 = 8·30/(8+30) = 6,316 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,316 + 25 = 31,32 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​24 VR2​30 ΩAIs​1,5 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) = 18,95 + 1,5·6,316 = 28,42 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 28,42 + 1,5·25 = 65,92 V
Rth​ = 31,32 Ω+−Vth​65,92 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) = 65,92/(31,32 + 5) = 1,815 A
PL = IL²·RL = 1,815²·5 = 16,48 W
7.RC- und RL-Ausgleichsvorgänge

Antwort: i = 0,8058 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

τ = L/R = 22 mH / 20 Ω = 1,1 ms

Abklingen des Stroms

i(t) = 2·e−1/1,1 = 0,8058 A

Antwort

i = 0,8058 A
8.RC- und RL-Ausgleichsvorgänge

Antwort: vC = 0,6733 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.

Anfangsspannung des Kondensators

Im eingeschwungenen Zustand ist der Kondensator ein Leerlauf, R₁ und R₂ bilden also einen Spannungsteiler. Die Kondensatorspannung kann beim Öffnen des Schalters nicht springen.

vC(0) = 20·3,3/(6,8 + 3,3) = 6,535 V

Zeitkonstante nach dem Öffnen des Schalters

τ = R2·C = 3,3·100 = 330 ms

Entladung

vC(t) = 6,535·e−750/330 = 0,6733 V

Antwort

vC = 0,6733 V
9.Wechselstrom: Impedanz und Zeiger

Antwort: I = 0,4112 A

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|.

Blindwiderstand

XL = ωL = 2π·200·0,2 = 251,3 Ω

Zweigströme

Beide Zweige liegen direkt an der Versorgung, jeder sieht also die volle Spannung V.

IR = V/R = 24/60 = 0,4 A
IX = V/XL = 24/251,3 = 0,09549 A

Gesamtstrom

Der Strom im Widerstand ist in Phase mit V, der Blindstrom um 90° verschoben, sie addieren sich also wie die Seiten eines rechtwinkligen Dreiecks.

I = √(IR² + IX²) = √(0,4² + 0,09549²) = 0,4112 A

Antwort

I = 0,4112 A
10.Wechselstrom: Impedanz und Zeiger

Antwort: f0 = 503,3 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|.

Resonanz

Bei Resonanz heben sich induktiver und kapazitiver Blindwiderstand auf: ωL = 1/(ωC). Die Frequenz der Versorgung spielt keine Rolle.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,1·1·10⁻⁶)) = 503,3 Hz

Antwort

f0 = 503,3 Hz
11.Wechselstromleistung und Leistungsfaktor

Antwort: cos φ = 0,7689

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 = 24·tan(arccos 0,7) = 24,48 kvar
Q2 = 9·tan(arccos 0,95) = 2,958 kvar

Summen

P = 24 + 9 = 33 kW
Q = 24,48 + 2,958 = 27,44 kvar
S = √(33² + 27,44²) = 42,92 kVA

Gesamtleistungsfaktor

cos φ = P/S = 33/42,92 = 0,7689 induktiv

Antwort

cos φ = 0,7689
12.Wechselstromleistung und Leistungsfaktor

Antwort: cos φ = 0,753

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 = 5·tan(arccos 0,65) = 5,846 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·60·68·10⁻⁶ = 1477 var = 1,477 kvar
Q2 = 5,846 − 1,477 = 4,369 kvar

Neue Scheinleistung

S2 = √(5² + 4,369²) = 6,64 kVA

Neuer Leistungsfaktor

cos φ = P/S2 = 5/6,64 = 0,753

Antwort

cos φ = 0,753
13.Drehstromleistung

Antwort: P = 3,461 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| = √(8² + 6²) = 10 Ω
Iph = 120,1/10 = 12,01 A

Gesamte Wirkleistung

Nur der ohmsche Anteil jeder Impedanz nimmt Wirkleistung auf.

P = 3·Iph²·R = 3·12,01²·8 = 3,461 kW

Antwort

P = 3,461 kW

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

14.Drehstromleistung

Antwort: Cph = 394 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 = 100·tan(acos 0,7) = 100·1,02 = 102 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,92) = 100·0,426 = 42,6 kvar

Blindleistung der Kondensatoren

QC = Q1 − Q2 = 59,42 kvar

Kapazität pro Strang

In einer Dreieckbatterie ist jeder Kondensator zwischen zwei Außenleiter geschaltet.

V = 400 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 19807/(314,2·400²) = 394 µF

Antwort

Cph = 394 µF
15.Transformatoren

Antwort: R1′ = 720 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 = 12²·5 = 720 Ω

Antwort

R1′ = 720 Ω
16.Transformatoren

Antwort: Sη,max = 94,87 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

x²·2250 = 900 → x = √(900/2250) = 0,6325

Last bei maximalem Wirkungsgrad

Sη,max = x·S = 0,6325·150 = 94,87 kVA

Antwort

Sη,max = 94,87 kVA

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