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​ = 4 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​3 ΩAR4​6 ΩB

Bestimme den Ersatzwiderstand Req, den die Quelle V1 sieht.

V1 = 30 VR1 = 4 ΩR2 = 3 ΩR3 = 6 ΩR4 = 6 Ω
Req = Ω
2.Reihen- und ParallelschaltungSchwer
R1​ = 15 ΩIR1​R3​ = 8 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAR4​2 ΩBR6​4 Ω

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

V1 = 9 VR1 = 15 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 ΩR4 = 2 ΩR5 = 5 ΩR6 = 4 Ω
IR1 = A
3.KnotenpotenzialverfahrenMittel
R1​4 Ω−+V1​24 VR2​2 Ω+−V2​12 VI2​R3​5 Ω+−V3​15 VA

Zwischen Knoten A und Masse liegen drei Zweige, wie dargestellt. Bestimme mit dem Knotenpotenzialverfahren den Strom I2 im Zweig 2, der in Pfeilrichtung nach oben in den Knoten A fließt.

V1 = 24 VR1 = 4 ΩV2 = 12 VR2 = 2 ΩV3 = 15 VR3 = 5 Ω
I2 = A
4.KnotenpotenzialverfahrenSchwer
R1​ = 3 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 10 ΩIR4​+−V1​15 VR3​6 ΩAR5​2 ΩBIs​0,5 A+−V2​9 V

Bestimme mit dem Knotenpotenzialverfahren den Strom IR4 durch R4 in Pfeilrichtung.

V1 = 15 VIs = 0,5 AV2 = 9 VR1 = 3 ΩR2 = 30 ΩR3 = 6 ΩR4 = 10 ΩR5 = 2 Ω
IR4 = A
5.Thévenin und NortonMittel
R1​ = 12 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAab

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

V1 = 6 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 20 Ω
Rth = Ω
6.Thévenin und NortonSchwer
R1​ = 6 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​15 VR2​15 ΩAIs​1 ABab

Bestimme die Thévenin-Spannung Vth an den Klemmen a–b.

V1 = 15 VIs = 1 AR1 = 6 ΩR2 = 15 ΩR3 = 25 Ω
Vth = V
7.RC- und RL-AusgleichsvorgängeMittel
+−Vs​6 Vt = 0R = 10 ΩL47 mHi(t)

Die Spule führt keinen Strom, bevor der Schalter bei t = 0 schließt. Bestimme die in der Spule gespeicherte Energie W bei t = 5 ms in mJ.

Vs = 6 VR = 10 ΩL = 47 mHt = 5 ms
W = mJ
8.RC- und RL-AusgleichsvorgängeSchwer
+−Vs​20 Vöffnet bei t = 0R1​ = 2,2 kΩR2​ = 10 kΩi2​C47 µF+−vC​

Der Schalter ist seit Langem geschlossen, die Schaltung ist also im eingeschwungenen Zustand. Bei t = 0 öffnet der Schalter. Bestimme den Strom i2 durch R2 bei t = 200 ms.

Vs = 20 VR1 = 2,2 kΩR2 = 10 kΩC = 47 µFt = 200 ms
i2 = mA
9.Wechselstrom: Impedanz und ZeigerMittel
12 V60 HzR = 20 ΩL = 50 mHI

Ein Widerstand und eine Spule liegen parallel an einer Versorgung mit 12 V (Effektivwert) und 60 Hz. Bestimme den Effektivwert des Stroms I.

V = 12 V (rms)f = 60 HzR = 20 ΩL = 50 mH
I = A
10.Wechselstrom: Impedanz und ZeigerSchwer
1 Vf0​R = 10 ΩL = 20 mHC = 0,22 µF

Ein RLC-Reihenschwingkreis wird von einer Quelle mit 1 V (Effektivwert) gespeist, deren Frequenz auf die Resonanzfrequenz der Schaltung eingestellt ist. Bestimme die Effektivspannung VL an der Spule.

V = 1 V (rms)R = 10 ΩL = 20 mHC = 0,22 µF
VL = V
11.Wechselstromleistung und LeistungsfaktorMittel
240 V17 kW, 0,7218 kW, 0,8I = ?

An einer einphasigen Versorgung mit 240 V liegen zwei Lasten parallel: eine Last mit 7 kW bei einem Leistungsfaktor von 0,7 induktiv und eine Last mit 18 kW bei einem Leistungsfaktor von 0,8 induktiv. Bestimme den Gesamtstrom I, der aus der Versorgung fließt.

V = 240 VP1 = 7 kW, pf1 = 0,7 induktivP2 = 18 kW, pf2 = 0,8 induktiv
I = A
12.Wechselstromleistung und LeistungsfaktorSchwer
P = 50 kWQ1​S1​φ1​QC​

Eine einphasige Last nimmt 50 kW bei einem Leistungsfaktor von 0,65 induktiv aus einer Versorgung mit 400 V und 50 Hz auf. Ein parallel geschalteter Kondensator hebt den Leistungsfaktor auf 0,95. Bestimme die Blindleistung QC, die der Kondensator liefern muss.

P = 50 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,95V = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar
13.DrehstromleistungMittel
ABCVL​ = 400 VNZ = 20 + j15 Ωpro Strang

Eine symmetrische Last in Sternschaltung mit einer Impedanz von 20 + j15 Ω pro Strang ist an ein symmetrisches Drehstromnetz mit einer Leiterspannung von 400 V angeschlossen. Bestimme die gesamte Wirkleistung P, die die Last aufnimmt, in kW.

VL = 400 VZ = 20 + j15 Ω pro Strang
P = kW
14.DrehstromleistungSchwer
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Eine symmetrische Drehstromlast nimmt 50 kW bei einem Leistungsfaktor von 0,8 induktiv aus einem Netz mit 690 V (Leiterspannung) und 60 Hz auf. Eine parallel zur Last geschaltete Drehstrom-Kondensatorbatterie soll den Gesamtleistungsfaktor auf 0,92 induktiv anheben. Die Wirkleistung bleibt gleich. Bestimme die gesamte Blindleistung QC, die die Kondensatorbatterie liefern muss, in kvar.

P = 50 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,92VL = 690 Vf = 60 Hz
QC = kvar
15.TransformatorenMittel
7200 V240 VIHV​ = ?ILV​100 kVA

Ein einphasiger Transformator mit 100 kVA und 7200/240 V wird bei Nennlast betrieben. Betrachte ihn als ideal. Bestimme den Strom IHV in der Oberspannungswicklung.

S = 100 kVAV1 = 7200 VV2 = 240 V
IHV = A
16.TransformatorenSchwer
100 kVA

Ein einphasiger Transformator mit 100 kVA hat Eisenverluste von 800 W und Kupferverluste von 1200 W bei Nennlast. Bei welcher Last Sη,max, in kVA, ist sein Wirkungsgrad am höchsten?

S = 100 kVAPcore = 800 WPcu,fl = 1200 W
Sη,max = kVA

3Lösungen

1.Reihen- und Parallelschaltung

Antwort: Req = 6,4 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​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​3 ΩAR4​6 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 = 6 + 6 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 3·12/(3+12) = 2,4 Ω
Req = R1 + 2,4 = 4 + 2,4 = 6,4 Ω

Antwort

Req = 6,4 Ω
2.Reihen- und Parallelschaltung

Antwort: IR1 = 0,4424 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​ = 8 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAR4​2 ΩBR6​4 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 + 4 = 9 Ω
R4 ∥ 9 = 1,636 Ω
R3 + 1,636 = 9,636 Ω
R2 ∥ 9,636 = 5,345 Ω
Req = R1 + 5,345 = 15 + 5,345 = 20,34 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 = 9/20,34 = 0,4424 A

Antwort

IR1 = 0,4424 A
3.Knotenpotenzialverfahren

Antwort: I2 = 4,421 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

Nimm die untere Leitung als Masse. Jeder Zweig führt (VA − Vk)/Rk von A weg, wobei Vk die Spannung seiner Quelle ist (null bei einem reinen Widerstand). Die von A abfließenden Ströme ergeben zusammen null.

(VA − (−24))/4 + (VA − 12)/2 + (VA − 15)/5 = 0

Nach VA auflösen

VA = ((−24)/4 + 12/2 + 15/5) / (1/4 + 1/2 + 1/5) = 3/0,95 = 3,158 V

Zweigstrom

Der Pfeil zeigt durch den Zweig nach oben, in den Knoten A hinein.

I2 = (12 − VA)/R2 = (12 − 3,158)/2 = 4,421 A

Antwort

I2 = 4,421 A

Ein negatives Ergebnis bedeutet, dass der tatsächliche Strom entgegen dem Pfeil fließt.

4.Knotenpotenzialverfahren

Antwort: IR4 = −0,6287 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​ = 3 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​15 VR3​6 ΩAR5​2 ΩBIs​0,5 A+−V2​9 V

Knoten festlegen

Masse ist der untere Leiter. Bekannte Knotenpotenziale ergeben sich direkt aus den Quellen (V1 = 15 V, V2 = 9 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/6 + (VA − 15)/3 + (VA − VB)/30 = 0
0,5333·VA − 0,03333·VB = 5

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)/30 + (VB − 9)/10 = 0,5
−0,03333·VA + 0,6333·VB = 1,4

Lösen

Δ = (0,5333)(0,6333) − (−0,03333)(−0,03333) = 0,3367
VA = Δ1/Δ = 3,213/0,3367 = 9,545 V
VB = Δ2/Δ = 0,9133/0,3367 = 2,713 V

Antwort

IR4 = (VB − V2)/R4 = (2,713 − 9)/10 = −0,6287 A
5.Thévenin und Norton

Antwort: Rth = 27,5 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​ = 12 ΩR3​ = 20 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 = 12·20/(12+20) = 7,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,5 + 20 = 27,5 Ω
6.Thévenin und Norton

Antwort: Vth = 40 V

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​ = 25 ΩKURZSCHLUSSR2​15 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 = 6·15/(6+15) = 4,286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,286 + 25 = 29,29 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​15 VR2​15 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) = 10,71 + 1·4,286 = 15 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 15 + 1·25 = 40 V
7.RC- und RL-Ausgleichsvorgänge

Antwort: W = 3,628 mJ

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 / 10 Ω = 4,7 ms
i(∞) = Vs/R = 6/10 = 0,6 A

Strom zum gegebenen Zeitpunkt

i(t) = 0,6·(1 − e−5/4,7) = 0,3929 A

Gespeicherte Energie

W = ½·L·i² = ½·47·0,3929² = 3,628 mJ

Antwort

W = 3,628 mJ
8.RC- und RL-Ausgleichsvorgänge

Antwort: i2 = 1,071 mA

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) = 20·10/(2,2 + 10) = 16,39 V

Zeitkonstante nach dem Öffnen des Schalters

τ = R2·C = 10·47 = 470 ms

Entladung

vC(t) = 16,39·e−200/470 = 10,71 V
i2 = vC/R2 = 10,71/10 = 1,071 mA

Antwort

i2 = 1,071 mA
9.Wechselstrom: Impedanz und Zeiger

Antwort: I = 0,8748 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·60·0,05 = 18,85 Ω

Zweigströme

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

IR = V/R = 12/20 = 0,6 A
IX = V/XL = 12/18,85 = 0,6366 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) = √(0,6² + 0,6366²) = 0,8748 A

Antwort

I = 0,8748 A
10.Wechselstrom: Impedanz und Zeiger

Antwort: VL = 30,15 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/√(0,02·0,22·10⁻⁶) = 15076 rad/s
I = V/R = 1/10 = 0,1 A

Spannung an der Spule

XL = ω₀L = 15076·0,02 = 301,5 Ω
VL = I·XL = 0,1·301,5 = 30,15 V

Antwort

VL = 30,15 V

Das ist das Q = 30,15-Fache der Versorgungsspannung.

11.Wechselstromleistung und Leistungsfaktor

Antwort: I = 135,1 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 jeder Last

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

Q1 = 7·tan(arccos 0,7) = 7,141 kvar
Q2 = 18·tan(arccos 0,8) = 13,5 kvar

Summen

P = 7 + 18 = 25 kW
Q = 7,141 + 13,5 = 20,64 kvar
S = √(25² + 20,64²) = 32,42 kVA

Gesamtstrom

I = S/V = 32420/240 = 135,1 A

Antwort

I = 135,1 A
12.Wechselstromleistung und Leistungsfaktor

Antwort: QC = 42,02 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.

Blindleistung vorher und nachher

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

Q1 = P·tan φ1 = 50·tan(49,46°) = 58,46 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 50·tan(18,19°) = 16,43 kvar
QC = Q1 − Q2 = 42,02 kvar

Antwort

QC = 42,02 kvar
13.Drehstromleistung

Antwort: P = 5,12 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 = 400/√3 = 230,9 V

Strangstrom

|Z| = √(20² + 15²) = 25 Ω
Iph = 230,9/25 = 9,238 A

Gesamte Wirkleistung

Nur der ohmsche Anteil jeder Impedanz nimmt Wirkleistung auf.

P = 3·Iph²·R = 3·9,238²·20 = 5,12 kW

Antwort

P = 5,12 kW

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

14.Drehstromleistung

Antwort: QC = 16,2 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 = 50·tan(acos 0,8) = 50·0,75 = 37,5 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,92) = 50·0,426 = 21,3 kvar

Blindleistung der Kondensatoren

QC = Q1 − Q2 = 16,2 kvar

Antwort

QC = 16,2 kvar
15.Transformatoren

Antwort: IHV = 13,89 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.

IHV = S/V = 100000/7200 = 13,89 A

Antwort

IHV = 13,89 A
16.Transformatoren

Antwort: Sη,max = 81,65 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

x²·1200 = 800 → x = √(800/1200) = 0,8165

Last bei maximalem Wirkungsgrad

Sη,max = x·S = 0,8165·100 = 81,65 kVA

Antwort

Sη,max = 81,65 kVA

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