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​ = 20 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​4 ΩIR2​AR4​6 ΩB

Bestimme den Strom IR2 durch R2.

V1 = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 4 ΩR3 = 5 ΩR4 = 6 Ω
IR2 = A
2.Reihen- und ParallelschaltungSchwer
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​36 VR2​12 ΩIR2​AR4​2 ΩBR6​5 Ω

Bestimme den Strom IR2 durch R2.

V1 = 36 VR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 4 ΩR4 = 2 ΩR5 = 2 ΩR6 = 5 Ω
IR2 = A
3.KnotenpotenzialverfahrenMittel
−+Vs​ = 6 VIs​4 AAR1​10 ΩR2​8 ΩB

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).

Is = 4 AVs = 6 VR1 = 10 ΩR2 = 8 Ω
VB = V
4.KnotenpotenzialverfahrenSchwer
R1​ = 4 ΩIR1​R2​ = 10 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​9 VR3​6 ΩAR5​30 ΩBIs​0,5 A+−V2​24 V

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

V1 = 9 VIs = 0,5 AV2 = 24 VR1 = 4 ΩR2 = 10 ΩR3 = 6 ΩR4 = 8 ΩR5 = 30 Ω
IR1 = A
5.Thévenin und NortonMittel
R1​ = 15 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩARL​12 ΩIL​B

An a–b wird eine Last RL = 12 Ω angeschlossen. Ersetze den Rest der Schaltung durch ihr Thévenin-Ersatzschaltbild und bestimme den Laststrom IL.

V1 = 30 VR1 = 15 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 ΩRL = 12 Ω
IL = A
6.Thévenin und NortonSchwer
R1​ = 25 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAIs​2 ABab

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

V1 = 15 VIs = 2 AR1 = 25 ΩR2 = 3 ΩR3 = 20 Ω
IN = A
7.RC- und RL-AusgleichsvorgängeMittel
+−Vs​12 Vt = 0R1​ = 4,7 kΩR2​ = 1 kΩC100 µF+−vC​

Die Quelle Vₛ lädt den Kondensator über R₁, und R₂ liegt parallel zu C. Der Kondensator ist ungeladen, wenn der Schalter bei t = 0 schließt. Bestimme die Zeitkonstante τ der Schaltung nach dem Schließen des Schalters.

Vs = 12 VR1 = 4,7 kΩR2 = 1 kΩC = 100 µF
τ = ms
8.RC- und RL-AusgleichsvorgängeSchwer
+−Vs​12 Vt = 0R = 2,2 kΩC10 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 15,6 V erreicht? Bestimme t.

Vs = 12 VR = 2,2 kΩC = 10 µFvC(0) = 24 V
t = ms
9.Wechselstrom: Impedanz und ZeigerMittel
24 V200 HzR = 60 ΩL = 150 mHI

Ein Widerstand und eine Spule liegen parallel an einer Versorgung mit 24 V (Effektivwert) und 200 Hz. Bestimme den Phasenwinkel φ der Impedanz in Grad (positiv, wenn der Strom der Spannung nacheilt).

V = 24 V (rms)f = 200 HzR = 60 ΩL = 150 mH
φ = °
10.Wechselstrom: Impedanz und ZeigerSchwer
120 V60 HzR = 80 ΩL = 100 mHC = 100 µFI

Eine RLC-Reihenschaltung liegt an einer Versorgung mit 120 V (Effektivwert) und 60 Hz. Bestimme den Effektivwert des Stroms I.

V = 120 V (rms)f = 60 HzR = 80 ΩL = 100 mHC = 100 µF
I = A
11.Wechselstromleistung und LeistungsfaktorMittel
P = 19 kWQSφ

Ein Einphasenmotor nimmt 19 kW bei einem Leistungsfaktor von 0,7 induktiv aus einer 240-V-Versorgung auf. Bestimme den Leiterstrom I.

P = 19 kWpf = 0,7V = 240 V
I = A
12.Wechselstromleistung und LeistungsfaktorSchwer
P1​ = 49 kWQ1​S1​φ

Ein einphasiger Transformator mit 150 kVA versorgt eine Last mit 49 kW bei einem Leistungsfaktor von 0,8 induktiv. Wie viel zusätzliche Wirkleistung ΔP kann als ohmsche Last (Leistungsfaktor 1) hinzukommen, bevor der Transformator seine kVA-Nennleistung erreicht?

Smax = 150 kVAP1 = 49 kWpf1 = 0,8
ΔP = kW
13.DrehstromleistungMittel
ABCVL​ = 400 VNZ = 3 + j4 Ωpro Strang

Eine symmetrische Last in Sternschaltung mit einer Impedanz von 3 + j4 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 = 3 + j4 Ω pro Strang
P = kW
14.DrehstromleistungSchwer
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Eine symmetrische Drehstromlast nimmt 100 kW bei einem Leistungsfaktor von 0,65 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 = 100 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,92VL = 690 Vf = 60 Hz
QC = kvar
15.TransformatorenMittel
8 Ω21

An die Sekundärwicklung eines idealen Transformators mit dem Übersetzungsverhältnis N₁:N₂ = 2:1 ist ein Widerstand von 8 Ω angeschlossen. Bestimme den Widerstand R1′, den man in die Primärwicklung hinein sieht.

N1:N2 = 2:1RL = 8 Ω
R1′ = Ω
16.TransformatorenSchwer
50 kVA

Ein einphasiger Transformator mit 50 kVA hat Eisenverluste von 150 W und Kupferverluste von 225 W bei Nennlast. Bei welcher Last Sη,max, in kVA, ist sein Wirkungsgrad am höchsten?

S = 50 kVAPcore = 150 WPcu,fl = 225 W
Sη,max = kVA

3Lösungen

1.Reihen- und Parallelschaltung

Antwort: IR2 = 0,3837 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​ = 20 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​4 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 = 5 + 6 = 11 Ω
R2 ∥ 11 = 4·11/(4+11) = 2,933 Ω
Req = R1 + 2,933 = 20 + 2,933 = 22,93 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 = 12/22,93 = 0,5233 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 = 12 − 0,5233·20 = 1,535 V
IR2 = VA/R2 = 1,535/4 = 0,3837 A

Antwort

IR2 = 0,3837 A
2.Reihen- und Parallelschaltung

Antwort: IR2 = 1,461 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​ = 4 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​36 VR2​12 ΩAR4​2 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 = 2 + 5 = 7 Ω
R4 ∥ 7 = 1,556 Ω
R3 + 1,556 = 5,556 Ω
R2 ∥ 5,556 = 3,797 Ω
Req = R1 + 3,797 = 4 + 3,797 = 7,797 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 = 36/7,797 = 4,617 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 = 36 − 4,617·4 = 17,53 V
IR2 = VA/R2 = 17,53/12 = 1,461 A

Antwort

IR2 = 1,461 A
3.Knotenpotenzialverfahren

Antwort: VB = 20,44 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 + Vs = VA + 6
VA/R1 + VB/R2 = Is

Lösen

VA/10 + (VA + 6)/8 = 4
VA = (4 − 6/8)/(1/10 + 1/8) = 14,44 V
VB = 14,44 + 6 = 20,44 V

Antwort

VB = 20,44 V
4.Knotenpotenzialverfahren

Antwort: IR1 = 0,5669 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​ = 4 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​9 VR3​6 ΩAR5​30 ΩBIs​0,5 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/6 + (VA − 9)/4 + (VA − VB)/10 = 0
0,5167·VA − 0,1·VB = 2,25

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/30 + (VB − VA)/10 + (VB − 24)/8 = (−0,5)
−0,1·VA + 0,2583·VB = 2,5

Lösen

Δ = (0,5167)(0,2583) − (−0,1)(−0,1) = 0,1235
VA = Δ1/Δ = 0,8312/0,1235 = 6,732 V
VB = Δ2/Δ = 1,517/0,1235 = 12,28 V

Antwort

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (9 − 6,732)/4 = 0,5669 A
5.Thévenin und Norton

Antwort: IL = 0,3239 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​ = 15 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 = 15·8/(15+8) = 5,217 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,217 + 15 = 20,22 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​8 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) = 30·8/(15+8) = 10,43 V
Rth​ = 20,22 Ω+−Vth​10,43 VRL​12 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) = 10,43/(20,22 + 12) = 0,3239 A
6.Thévenin und Norton

Antwort: IN = 2,071 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​ = 25 ΩR3​ = 20 ΩKURZSCHLUSSR2​3 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 = 25·3/(25+3) = 2,679 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,679 + 20 = 22,68 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAIs​2 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) = 1,607 + 2·2,679 = 6,964 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 6,964 + 2·20 = 46,96 V
IN​2,071 ARth​22,68 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 = 46,96/22,68 = 2,071 A
7.RC- und RL-Ausgleichsvorgänge

Antwort: τ = 82,46 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.

Thévenin-Ersatzschaltung aus Sicht des Kondensators

Schließe die Quelle kurz, um Rth zu bestimmen; entferne den Kondensator, um die Spannung zu bestimmen, auf die er sich einstellt.

Rth = R1 ∥ R2 = 4,7·1/(4,7 + 1) = 0,8246 kΩ
vC(∞) = 12·1/(4,7 + 1) = 2,105 V

Zeitkonstante

τ = Rth·C = 0,8246·100 = 82,46 ms

Antwort

τ = 82,46 ms
8.RC- und RL-Ausgleichsvorgänge

Antwort: t = 26,49 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 = 2,2 kΩ · 10 µF = 22 ms
vC(t) = 12 + (24 − 12)·e−t/τ

Nach der Zeit auflösen

15,6 = 12 + (12)·e−t/τ → e−t/τ = (15,6 − 12)/(24 − 12) = 0,3
t = τ·ln((24 − 12)/(15,6 − 12)) = 22·ln(3,333) = 26,49 ms

Antwort

t = 26,49 ms
9.Wechselstrom: Impedanz und Zeiger

Antwort: φ = 17,66 °

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·200·0,15 = 188,5 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 = 24/188,5 = 0,1273 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 + 0,1273²) = 0,4198 A

Phasenwinkel

Der Spulenstrom eilt V nach, der Gesamtstrom eilt also nach, und der Winkel ist positiv.

φ = arctan(IX/IR) = arctan(0,1273/0,4) = 17,66°

Antwort

φ = 17,66°
10.Wechselstrom: Impedanz und Zeiger

Antwort: I = 1,486 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|.

Blindwiderstände

ω = 2πf = 2π·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,1 = 37,7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·100·10⁻⁶) = 26,53 Ω

Impedanz

In Reihe addieren sich die Impedanzen als komplexe Zahlen: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (11,17)²) = 80,78 Ω

Strom

Durch jedes Element einer Reihenschaltung fließt derselbe Strom.

I = V/|Z| = 120/80,78 = 1,486 A

Antwort

I = 1,486 A
11.Wechselstromleistung und Leistungsfaktor

Antwort: I = 113,1 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.

Leiterstrom

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

I = P/(V·cos φ) = 19000/(240·0,7) = 113,1 A

Antwort

I = 113,1 A
12.Wechselstromleistung und Leistungsfaktor

Antwort: ΔP = 96,43 kW

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 der vorhandenen Last

Q1 = 49·tan(arccos 0,8) = 36,75 kvar

Größte gesamte Wirkleistung

Bei voller Nennleistung ist S = Smax, und Q bleibt durch die ohmsche Last unverändert.

P = √(Smax² − Q1²) = √(150² − 36,75²) = 145,4 kW

Zusätzliche Wirkleistung

ΔP = 145,4 − 49 = 96,43 kW

Antwort

ΔP = 96,43 kW
13.Drehstromleistung

Antwort: P = 19,2 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| = √(3² + 4²) = 5 Ω
Iph = 230,9/5 = 46,19 A

Gesamte Wirkleistung

Nur der ohmsche Anteil jeder Impedanz nimmt Wirkleistung auf.

P = 3·Iph²·R = 3·46,19²·3 = 19,2 kW

Antwort

P = 19,2 kW

Kontrolle: cos φ = R/|Z| = 0,6, und √3·VL·IL·cos φ ergibt dieselbe Leistung.

14.Drehstromleistung

Antwort: QC = 74,31 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 = 100·tan(acos 0,65) = 100·1,169 = 116,9 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,92) = 100·0,426 = 42,6 kvar

Blindleistung der Kondensatoren

QC = Q1 − Q2 = 74,31 kvar

Antwort

QC = 74,31 kvar
15.Transformatoren

Antwort: R1′ = 32 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 = 2²·8 = 32 Ω

Antwort

R1′ = 32 Ω
16.Transformatoren

Antwort: Sη,max = 40,82 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

x²·225 = 150 → x = √(150/225) = 0,8165

Last bei maximalem Wirkungsgrad

Sη,max = x·S = 0,8165·50 = 40,82 kVA

Antwort

Sη,max = 40,82 kVA

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