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​ = 12 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩIR2​AR4​20 ΩB

Bestimme den Strom IR2 durch R2.

V1 = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 2 ΩR3 = 15 ΩR4 = 20 Ω
IR2 = A
2.Reihen- und ParallelschaltungSchwer
R1​ = 12 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​20 ΩAR4​15 ΩBR6​5 Ω

Bestimme den Ersatzwiderstand Req, den die Quelle V1 sieht.

V1 = 15 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 ΩR4 = 15 ΩR5 = 10 ΩR6 = 5 Ω
Req = Ω
3.KnotenpotenzialverfahrenMittel
R1​20 Ω+−V1​6 VI1​R2​12 Ω+−V2​12 VR3​4 ΩA

Zwischen Knoten A und Masse liegen drei Zweige, wie dargestellt. Bestimme mit dem Knotenpotenzialverfahren den Strom I1 im Zweig 1, der in Pfeilrichtung nach oben in den Knoten A fließt.

V1 = 6 VR1 = 20 ΩV2 = 12 VR2 = 12 ΩR3 = 4 Ω
I1 = A
4.KnotenpotenzialverfahrenSchwer
R1​ = 4 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​15 VR3​25 ΩAR5​20 ΩBIs​2,5 A+−V2​9 V

Bestimme mit dem Knotenpotenzialverfahren das Knotenpotenzial VB (gegen Masse gemessen).

V1 = 15 VIs = 2,5 AV2 = 9 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 25 ΩR4 = 10 ΩR5 = 20 Ω
VB = V
5.Thévenin und NortonMittel
R1​ = 8 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩAab

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

V1 = 9 VR1 = 8 ΩR2 = 5 ΩR3 = 8 Ω
Rth = Ω
6.Thévenin und NortonSchwer
R1​ = 30 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAIs​1,5 ABab

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

V1 = 10 VIs = 1,5 AR1 = 30 ΩR2 = 12 ΩR3 = 30 Ω
Vth = V
7.RC- und RL-AusgleichsvorgängeMittel
R = 15 Ωt = 0L47 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. Wie lange dauert es, bis der Strom auf 0,4 A gefallen ist? Bestimme t.

i(0) = 2 AR = 15 ΩL = 47 mH
t = ms
8.RC- und RL-AusgleichsvorgängeSchwer
+−Vs​20 Vt = 0R = 4,7 kΩC220 µF+−vC​vC​(0) = 12 V

Kurz bevor der Schalter bei t = 0 schließt, liegt am Kondensator eine Spannung von 12 V mit der eingezeichneten Polarität. Wie lange dauert es, bis vC den Wert 14,4 V erreicht? Bestimme t.

Vs = 20 VR = 4,7 kΩC = 220 µFvC(0) = 12 V
t = ms
9.Wechselstrom: Impedanz und ZeigerMittel
10 V60 HzR = 80 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF

Eine RLC-Reihenschaltung liegt an einer Versorgung mit 10 V (Effektivwert) und 60 Hz. Bestimme den Phasenwinkel φ der Impedanz in Grad (positiv, wenn der Strom der Spannung nacheilt).

V = 10 V (rms)f = 60 HzR = 80 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF
φ = °
10.Wechselstrom: Impedanz und ZeigerSchwer
VfR = 10 ΩL = 5 mHC = 0,1 µF

Ein RLC-Reihenschwingkreis hat R = 10 Ω, L = 5 mH und C = 0,1 µF. Bestimme seine Bandbreite B (die Breite des Bands zwischen den Halbleistungsfrequenzen) in Hz.

R = 10 ΩL = 5 mHC = 0,1 µF
B = Hz
11.Wechselstromleistung und LeistungsfaktorMittel
230 V18 kW, 0,6230 kW, 0,8I = ?

An einer einphasigen Versorgung mit 230 V liegen zwei Lasten parallel: eine Last mit 8 kW bei einem Leistungsfaktor von 0,6 induktiv und eine Last mit 30 kW bei einem Leistungsfaktor von 0,8 induktiv. Bestimme den Gesamtstrom I, der aus der Versorgung fließt.

V = 230 VP1 = 8 kW, pf1 = 0,6 induktivP2 = 30 kW, pf2 = 0,8 induktiv
I = A
12.Wechselstromleistung und LeistungsfaktorSchwer
240 V50 HzLast2 kW, 0,6C47 µFI = ?

Eine einphasige Last nimmt aus einer Versorgung mit 240 V und 50 Hz 2 kW bei einem Leistungsfaktor von 0,6 induktiv auf. Parallel zur Last wird ein Kondensator mit 47 µF geschaltet. Bestimme den neuen Leiterstrom I.

P = 2 kWpf1 = 0,6V = 240 Vf = 50 HzC = 47 µF
I = A
13.DrehstromleistungMittel
ABCVL​ = 208 VIL​ = 30 Acos φ = 0,7induktiv

Eine symmetrische Drehstromlast nimmt aus einem Netz mit einer Leiterspannung von 208 V einen Leiterstrom von 30 A auf. Der Leistungsfaktor ist 0,7 induktiv. Bestimme die gesamte Wirkleistung P, die die Last aufnimmt, in kW.

VL = 208 VIL = 30 Acos φ = 0,7
P = kW
14.DrehstromleistungSchwer
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​

Eine symmetrische Drehstromlast nimmt 150 kW bei einem Leistungsfaktor von 0,75 induktiv aus einem Netz mit 480 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 Dreieck geschaltet. Bestimme die Kapazität Cph jedes Kondensators in µF.

P = 150 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,9VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.TransformatorenMittel
4 Ω51

An die Sekundärwicklung eines idealen Transformators mit dem Übersetzungsverhältnis N₁:N₂ = 5:1 ist ein Widerstand von 4 Ω angeschlossen. Bestimme den Widerstand R1′, den man in die Primärwicklung hinein sieht.

N1:N2 = 5:1RL = 4 Ω
R1′ = Ω
16.TransformatorenSchwer
pf 0,8525 kVA, 50% Last

Ein einphasiger Transformator mit 25 kVA hat Eisenverluste von 150 W und Kupferverluste von 375 W bei Nennlast. Er liefert 50 % seiner Nennscheinleistung bei einem Leistungsfaktor von 0,85 induktiv. Bestimme die Gesamtverluste Ploss in Watt bei dieser Last.

S = 25 kVAPcore = 150 WPcu,fl = 375 Wx = 0,5pf = 0,85
Ploss = W

3Lösungen

1.Reihen- und Parallelschaltung

Antwort: IR2 = 0,6128 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​ = 12 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAR4​20 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 + 20 = 35 Ω
R2 ∥ 35 = 2·35/(2+35) = 1,892 Ω
Req = R1 + 1,892 = 12 + 1,892 = 13,89 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 = 9/13,89 = 0,6479 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 − 0,6479·12 = 1,226 V
IR2 = VA/R2 = 1,226/2 = 0,6128 A

Antwort

IR2 = 0,6128 A
2.Reihen- und Parallelschaltung

Antwort: Req = 18,89 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​ = 12 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​20 ΩAR4​15 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 = 10 + 5 = 15 Ω
R4 ∥ 15 = 7,5 Ω
R3 + 7,5 = 10,5 Ω
R2 ∥ 10,5 = 6,885 Ω
Req = R1 + 6,885 = 12 + 6,885 = 18,89 Ω

Antwort

Req = 18,89 Ω
3.Knotenpotenzialverfahren

Antwort: I1 = 0,1304 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 − 6)/20 + (VA − 12)/12 + VA/4 = 0

Nach VA auflösen

VA = (6/20 + 12/12 + 0/4) / (1/20 + 1/12 + 1/4) = 1,3/0,3833 = 3,391 V

Zweigstrom

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

I1 = (6 − VA)/R1 = (6 − 3,391)/20 = 0,1304 A

Antwort

I1 = 0,1304 A

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

4.Knotenpotenzialverfahren

Antwort: VB = 18,37 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.

R1​ = 4 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​15 VR3​25 ΩAR5​20 ΩBIs​2,5 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/25 + (VA − 15)/4 + (VA − VB)/5 = 0
0,49·VA − 0,2·VB = 3,75

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/20 + (VB − VA)/5 + (VB − 9)/10 = 2,5
−0,2·VA + 0,35·VB = 3,4

Lösen

Δ = (0,49)(0,35) − (−0,2)(−0,2) = 0,1315
VA = Δ1/Δ = 1,993/0,1315 = 15,15 V
VB = Δ2/Δ = 2,416/0,1315 = 18,37 V

Antwort

VB = 18,37 V
5.Thévenin und Norton

Antwort: Rth = 11,08 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​ = 8 ΩR3​ = 8 ΩKURZSCHLUSSR2​5 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 = 8·5/(8+5) = 3,077 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,077 + 8 = 11,08 Ω
6.Thévenin und Norton

Antwort: Vth = 60,71 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​ = 30 ΩR3​ = 30 ΩKURZSCHLUSSR2​12 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 = 30·12/(30+12) = 8,571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,571 + 30 = 38,57 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​10 VR2​12 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) = 2,857 + 1,5·8,571 = 15,71 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 15,71 + 1,5·30 = 60,71 V
7.RC- und RL-Ausgleichsvorgänge

Antwort: t = 5,043 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

τ = L/R = 47 mH / 15 Ω = 3,133 ms

Nach der Zeit auflösen

0,4 = 2·e−t/τ → t = τ·ln(2/0,4)
t = 3,133·ln(5) = 5,043 ms

Antwort

t = 5,043 ms
8.RC- und RL-Ausgleichsvorgänge

Antwort: t = 368,8 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) = 12 V, vC(∞) = Vs = 20 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 220 µF = 1034 ms
vC(t) = 20 + (12 − 20)·e−t/τ

Nach der Zeit auflösen

14,4 = 20 + (−8)·e−t/τ → e−t/τ = (14,4 − 20)/(12 − 20) = 0,7
t = τ·ln((12 − 20)/(14,4 − 20)) = 1034·ln(1,429) = 368,8 ms

Antwort

t = 368,8 ms
9.Wechselstrom: Impedanz und Zeiger

Antwort: φ = −81,66 °

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|.

Blindwiderstände

ω = 2πf = 2π·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,05 = 18,85 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·4,7·10⁻⁶) = 564,4 Ω

Impedanz

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (−545,5)²) = 551,4 Ω

Phasenwinkel

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−545,5/80) = −81,66°

Antwort

φ = −81,66°
10.Wechselstrom: Impedanz und Zeiger

Antwort: B = 318,3 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|.

Resonanzfrequenz

f0 = 1/(2π·√(0,005·0,1·10⁻⁶)) = 7118 Hz

Güte

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

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/10)·√(0,005/(0,1·10⁻⁶)) = 22,36

Bandbreite

B = f0/Q = 7118/22,36 = 318,3 Hz

Antwort

B = 318,3 Hz
11.Wechselstromleistung und Leistungsfaktor

Antwort: I = 219,3 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 = 8·tan(arccos 0,6) = 10,67 kvar
Q2 = 30·tan(arccos 0,8) = 22,5 kvar

Summen

P = 8 + 30 = 38 kW
Q = 10,67 + 22,5 = 33,17 kvar
S = √(38² + 33,17²) = 50,44 kVA

Gesamtstrom

I = S/V = 50438/230 = 219,3 A

Antwort

I = 219,3 A
12.Wechselstromleistung und Leistungsfaktor

Antwort: I = 11,26 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 vorher und nachher

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

Q1 = 2·tan(arccos 0,6) = 2,667 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·50·47·10⁻⁶ = 850,5 var = 0,8505 kvar
Q2 = 2,667 − 0,8505 = 1,816 kvar

Neue Scheinleistung

S2 = √(2² + 1,816²) = 2,702 kVA

Neuer Leiterstrom

I = S2/V = 2702/240 = 11,26 A

Antwort

I = 11,26 A
13.Drehstromleistung

Antwort: P = 7,566 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.

Scheinleistung

S = √3·VL·IL = √3·208·30 = 10,81 kVA

Wirkleistung

P = S·cos φ = 10,81·0,7 = 7,566 kW

Antwort

P = 7,566 kW
14.Drehstromleistung

Antwort: Cph = 228,9 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 = 150·tan(acos 0,75) = 150·0,8819 = 132,3 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,9) = 150·0,4843 = 72,65 kvar

Blindleistung der Kondensatoren

QC = Q1 − Q2 = 59,64 kvar

Kapazität pro Strang

In einer Dreieckbatterie ist jeder Kondensator zwischen zwei Außenleiter geschaltet.

V = 480 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 19880/(377·480²) = 228,9 µF

Antwort

Cph = 228,9 µF
15.Transformatoren

Antwort: R1′ = 100 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 = 5²·4 = 100 Ω

Antwort

R1′ = 100 Ω
16.Transformatoren

Antwort: Ploss = 243,8 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.

Kupferverluste bei dieser Last

Pcu = x²·Pcu,fl = 0,25·375 = 93,75 W

Gesamtverluste

Die Eisenverluste sind bei jeder Last gleich.

Ploss = 150 + 93,75 = 243,8 W

Antwort

Ploss = 243,8 W

Der Wirkungsgrad bei dieser Last ist η = 97,76%.

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