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​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​15 ΩIR2​AR4​8 ΩB

Bestimme den Strom IR2 durch R2.

V1 = 9 VR1 = 8 ΩR2 = 15 ΩR3 = 10 ΩR4 = 8 Ω
IR2 = A
2.Reihen- und ParallelschaltungSchwer
R1​ = 12 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩIR2​AR4​4 ΩBR6​4 Ω

Bestimme den Strom IR2 durch R2.

V1 = 6 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 25 ΩR4 = 4 ΩR5 = 2 ΩR6 = 4 Ω
IR2 = A
3.KnotenpotenzialverfahrenMittel
R1​ = 4 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAR4​20 ΩBIs​1 A

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

V1 = 15 VIs = 1 AR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 6 ΩR4 = 20 Ω
VA = V
4.KnotenpotenzialverfahrenSchwer
R1​ = 5 ΩR2​ = 30 ΩIR2​R4​ = 25 Ω+−V1​10 VR3​5 ΩAR5​2 ΩBIs​6 A+−V2​9 V

Bestimme mit dem Knotenpotenzialverfahren den Strom IR2 durch R2 in Pfeilrichtung.

V1 = 10 VIs = 6 AV2 = 9 VR1 = 5 ΩR2 = 30 ΩR3 = 5 ΩR4 = 25 ΩR5 = 2 Ω
IR2 = A
5.Thévenin und NortonMittel
R1​ = 4 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​12 ΩAab

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

V1 = 6 VR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 10 Ω
Vth = V
6.Thévenin und NortonSchwer
R1​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAIs​1 ABab

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

V1 = 15 VIs = 1 AR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 20 Ω
IN = A
7.RC- und RL-AusgleichsvorgängeMittel
+−Vs​10 Vt = 0R = 20 ΩL68 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 = 10 VR = 20 ΩL = 68 mHt = 5 ms
W = mJ
8.RC- und RL-AusgleichsvorgängeSchwer
+−Vs​9 Vt = 0R = 4,7 kΩC?+−vC​

Ein Zeitglied beginnt bei t = 0, einen ungeladenen Kondensator über einen Widerstand aus einer 9-V-Versorgung zu laden. Es soll auslösen, wenn die Kondensatorspannung 8,1 V erreicht, genau 500 ms nach dem Start. Bestimme mit R = 4,7 kΩ die nötige Kapazität C.

Vs = 9 VVth = 8,1 VT = 500 msR = 4,7 kΩ
C = µF
9.Wechselstrom: Impedanz und ZeigerMittel
50 V1000 HzR = 50 ΩL = 150 mHC = 10 µF

Eine RLC-Reihenschaltung liegt an einer Versorgung mit 50 V (Effektivwert) und 1000 Hz. Bestimme den Phasenwinkel φ der Impedanz in Grad (positiv, wenn der Strom der Spannung nacheilt).

V = 50 V (rms)f = 1000 HzR = 50 ΩL = 150 mHC = 10 µF
φ = °
10.Wechselstrom: Impedanz und ZeigerSchwer
24 V500 HzR1​ = 20 ΩR2​ = 100 ΩC = 2,2 µF

Ein Widerstand R1 liegt in Reihe mit einer Parallelschaltung aus R2 und einem Kondensator C an einer Versorgung mit 24 V (Effektivwert) und 500 Hz. Bestimme den Betrag der Impedanz |Z|.

V = 24 V (rms)f = 500 HzR1 = 20 ΩR2 = 100 ΩC = 2,2 µF
|Z| = Ω
11.Wechselstromleistung und LeistungsfaktorMittel
P = 38 kWQ = ?Sφ

Ein Einphasenmotor nimmt 38 kW bei einem Leistungsfaktor von 0,75 induktiv aus einer 230-V-Versorgung auf. Bestimme die Blindleistung Q, die er aufnimmt.

P = 38 kWpf = 0,75V = 230 V
Q = kvar
12.Wechselstromleistung und LeistungsfaktorSchwer
P = 35 kWQ1​S1​φ1​QC​

Eine einphasige Last nimmt 35 kW bei einem Leistungsfaktor von 0,75 induktiv aus einer Versorgung mit 240 V und 50 Hz auf. Ein parallel geschalteter Kondensator hebt den Leistungsfaktor auf 0,92. Bestimme die Blindleistung QC, die der Kondensator liefern muss.

P = 35 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,92V = 240 Vf = 50 Hz
QC = kvar
13.DrehstromleistungMittel
ABCVL​ = 690 VIL​ = 25 Acos φ = 0,88induktiv

Eine symmetrische Drehstromlast nimmt aus einem Netz mit einer Leiterspannung von 690 V einen Leiterstrom von 25 A auf. Der Leistungsfaktor ist 0,88 induktiv. Bestimme die gesamte Wirkleistung P, die die Last aufnimmt, in kW.

VL = 690 VIL = 25 Acos φ = 0,88
P = kW
14.DrehstromleistungSchwer
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​

Eine symmetrische Drehstromlast nimmt 300 kW bei einem Leistungsfaktor von 0,75 induktiv aus einem Netz mit 415 V (Leiterspannung) und 60 Hz auf. Eine parallel zur Last geschaltete Drehstrom-Kondensatorbatterie soll den Gesamtleistungsfaktor auf 0,95 induktiv anheben. Die Wirkleistung bleibt gleich. Die Kondensatoren sind im Dreieck geschaltet. Bestimme die Kapazität Cph jedes Kondensators in µF.

P = 300 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.TransformatorenMittel
2 Ω101

An die Sekundärwicklung eines idealen Transformators mit dem Übersetzungsverhältnis N₁:N₂ = 10:1 ist ein Widerstand von 2 Ω angeschlossen. Bestimme den Widerstand R1′, den man in die Primärwicklung hinein sieht.

N1:N2 = 10:1RL = 2 Ω
R1′ = Ω
16.TransformatorenSchwer
pf 0,950 kVA, 75% Last

Ein einphasiger Transformator mit 50 kVA hat Eisenverluste von 200 W und Kupferverluste von 600 W bei Nennlast. Er liefert 75 % seiner Nennscheinleistung bei einem Leistungsfaktor von 0,9 induktiv. Bestimme die Gesamtverluste Ploss in Watt bei dieser Last.

S = 50 kVAPcore = 200 WPcu,fl = 600 Wx = 0,75pf = 0,9
Ploss = W

3Lösungen

1.Reihen- und Parallelschaltung

Antwort: IR2 = 0,3034 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​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​15 ΩAR4​8 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 = 10 + 8 = 18 Ω
R2 ∥ 18 = 15·18/(15+18) = 8,182 Ω
Req = R1 + 8,182 = 8 + 8,182 = 16,18 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 = 9/16,18 = 0,5562 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 − 0,5562·8 = 4,551 V
IR2 = VA/R2 = 4,551/15 = 0,3034 A

Antwort

IR2 = 0,3034 A
2.Reihen- und Parallelschaltung

Antwort: IR2 = 0,1472 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​ = 25 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAR4​4 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 = 2 + 4 = 6 Ω
R4 ∥ 6 = 2,4 Ω
R3 + 2,4 = 27,4 Ω
R2 ∥ 27,4 = 11,56 Ω
Req = R1 + 11,56 = 12 + 11,56 = 23,56 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 = 6/23,56 = 0,2547 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 = 6 − 0,2547·12 = 2,944 V
IR2 = VA/R2 = 2,944/20 = 0,1472 A

Antwort

IR2 = 0,1472 A
3.Knotenpotenzialverfahren

Antwort: VA = 5,536 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 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAR4​20 ΩBIs​1 A

Knoten festlegen

Masse ist der untere Leiter. Bekannte Knotenpotenziale ergeben sich direkt aus den Quellen (V1 = 15 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/4 + (VA − 15)/4 + (VA − VB)/6 = 0
0,6667·VA − 0,1667·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/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/20 + (VB − VA)/6 = (−1)
−0,1667·VA + 0,2167·VB = −1

Lösen

Δ = (0,6667)(0,2167) − (−0,1667)(−0,1667) = 0,1167
VA = Δ1/Δ = 0,6458/0,1167 = 5,536 V
VB = Δ2/Δ = −0,04167/0,1167 = −0,3571 V

Antwort

VA = 5,536 V
4.Knotenpotenzialverfahren

Antwort: IR2 = −0,1973 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​ = 5 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​10 VR3​5 ΩAR5​2 ΩBIs​6 A+−V2​9 V

Knoten festlegen

Masse ist der untere Leiter. Bekannte Knotenpotenziale ergeben sich direkt aus den Quellen (V1 = 10 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/5 + (VA − 10)/5 + (VA − VB)/30 = 0
0,4333·VA − 0,03333·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/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/2 + (VB − VA)/30 + (VB − 9)/25 = 6
−0,03333·VA + 0,5733·VB = 6,36

Lösen

Δ = (0,4333)(0,5733) − (−0,03333)(−0,03333) = 0,2473
VA = Δ1/Δ = 1,359/0,2473 = 5,493 V
VB = Δ2/Δ = 2,823/0,2473 = 11,41 V

Antwort

IR2 = (VA − VB)/R2 = (5,493 − 11,41)/30 = −0,1973 A
5.Thévenin und Norton

Antwort: Vth = 4,5 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​ = 4 ΩR3​ = 10 ΩKURZSCHLUSSR2​12 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 = 4·12/(4+12) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 10 = 13 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​12 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) = 6·12/(4+12) = 4,5 V
6.Thévenin und Norton

Antwort: IN = 1,341 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​ = 4 ΩR3​ = 20 ΩKURZSCHLUSSR2​4 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 = 4·4/(4+4) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 20 = 22 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​4 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) = 7,5 + 1·2 = 9,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 9,5 + 1·20 = 29,5 V
IN​1,341 ARth​22 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 = 29,5/22 = 1,341 A
7.RC- und RL-Ausgleichsvorgänge

Antwort: W = 5,042 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 = 68 mH / 20 Ω = 3,4 ms
i(∞) = Vs/R = 10/20 = 0,5 A

Strom zum gegebenen Zeitpunkt

i(t) = 0,5·(1 − e−5/3,4) = 0,3851 A

Gespeicherte Energie

W = ½·L·i² = ½·68·0,3851² = 5,042 mJ

Antwort

W = 5,042 mJ
8.RC- und RL-Ausgleichsvorgänge

Antwort: C = 46,2 µF

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.

Erforderliche Zeitkonstante

8,1 = 9·(1 − e−500/τ) → τ = 500/ln(9/(9 − 8,1))
τ = 500/2,303 = 217,1 ms

Kapazität

kΩ mal µF ergibt Millisekunden.

C = τ/R = 217,1/4,7 = 46,2 µF

Antwort

C = 46,2 µF
9.Wechselstrom: Impedanz und Zeiger

Antwort: φ = 86,91 °

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·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0,15 = 942,5 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·10·10⁻⁶) = 15,92 Ω

Impedanz

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(50² + (926,6)²) = 927,9 Ω

Phasenwinkel

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(926,6/50) = 86,91°

Antwort

φ = 86,91°
10.Wechselstrom: Impedanz und Zeiger

Antwort: |Z| = 99,37 Ω

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

XC = 1/(2π·500·2,2·10⁻⁶) = 144,7 Ω

Parallelschaltung

Erweitere Zähler und Nenner mit dem konjugiert Komplexen, um Zp in Real- und Imaginärteil zu zerlegen.

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 67,67 − j46,77 Ω

Gesamtimpedanz

Z = 20 + 67,67 − j46,77 = 87,67 − j46,77 Ω
|Z| = √(87,67² + 46,77²) = 99,37 Ω

Antwort

|Z| = 99,37 Ω
11.Wechselstromleistung und Leistungsfaktor

Antwort: Q = 33,51 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.

Winkel

φ = arccos(0,75) = 41,41°, tan φ = 0,8819

Blindleistung

Q = P·tan φ = 38·0,8819 = 33,51 kvar

Antwort

Q = 33,51 kvar
12.Wechselstromleistung und Leistungsfaktor

Antwort: QC = 15,96 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 = 35·tan(41,41°) = 30,87 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 35·tan(23,07°) = 14,91 kvar
QC = Q1 − Q2 = 15,96 kvar

Antwort

QC = 15,96 kvar
13.Drehstromleistung

Antwort: P = 26,29 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 = √3·690·25 = 29,88 kVA

Wirkleistung

P = S·cos φ = 29,88·0,88 = 26,29 kW

Antwort

P = 26,29 kW
14.Drehstromleistung

Antwort: Cph = 852,1 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 = 300·tan(acos 0,75) = 300·0,8819 = 264,6 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,95) = 300·0,3287 = 98,61 kvar

Blindleistung der Kondensatoren

QC = Q1 − Q2 = 166 kvar

Kapazität pro Strang

In einer Dreieckbatterie ist jeder Kondensator zwischen zwei Außenleiter geschaltet.

V = 415 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 55323/(377·415²) = 852,1 µF

Antwort

Cph = 852,1 µF
15.Transformatoren

Antwort: R1′ = 200 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 = 10²·2 = 200 Ω

Antwort

R1′ = 200 Ω
16.Transformatoren

Antwort: Ploss = 537,5 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 = 0,5625·600 = 337,5 W

Gesamtverluste

Die Eisenverluste sind bei jeder Last gleich.

Ploss = 200 + 337,5 = 537,5 W

Antwort

Ploss = 537,5 W

Der Wirkungsgrad bei dieser Last ist η = 98,43%.

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