Wechselstromtechnik

Zusammenfassung

Wir diskutieren zunächst kurz die Parameter (Frequenz und Spannung) des technischen Wechselstroms, dann die Erzeugung des dreiphasigen Drehstroms mit dem Synchrongenerator. Im dritten Abschnitt wird der Asynchronmotor beschrieben, der dank des magnetischen Drehfelds ohne Kommutator auskommt, sowie die Funktionsweise der Elektromotoren kleiner Leistung, die mit einem Drehfeld arbeiten und direkt an die Steckdose angeschlossen werden können. Im vierten Abschnitt geht es um den Transformator, und im fünften um die Umwandlung von Gleich- in Wechselstrom und umgekehrt. Dabei wird der Thyristor beschrieben, eine schaltbare Halbleiterdiode, die beispielsweise bei der Handbohrmaschine und in der Beleuchtungstechnik beim Dimmer Anwendung findet. Zuletzt gehen wir noch auf den IGBT ein, der als elektronischer Schalter für hohe Leistungen verwendet wird.

Aufgaben

18.1 Induktive und kapazitive Belastung eines Transformatorausgangs.

Die Sekundärseite eines idealen Transformators werde durch eine Induktivität L oder eine Kapazität C belastet. Beweisen Sie mit Hilfe von (15.23) und (15.24) die Relation (18.18) für komplexe Wechselstromwiderstände. Zur Vereinfachung muss man hier einen linearen Zusammenhang zwischen H und B voraussetzen.

18.2 Größe von Motoren.

Der Käfigläufer eines Asynchronmotors habe die Längendimension l (Radius und axiale Länge). Wie hängt die Motorleistung bei gleichem Verhältnis $n/n_{N}$ und bei gleicher Eisensorte von l und von der Maximaltourenzahl n _N ab, wenn immer die gleiche in Abb. 18.11a gezeigte Kennlinienform vorliegt? (Erinnern Sie sich an Abschn. 16.4). Welchen Sinn macht es, einen Elektromotor bei vorgegebener Leistung für eine höhere Drehzahl n _N auszulegen als für die Anwendung erforderlich ist und die Drehzahl anschließend mit einem Getriebe zu reduzieren?

18.3 Phasenanschnittsteuerung.

Die Verbraucherspannung $U_{R_{\text{L}}}$ in den Abb. 18.20d und e werde immer zur Zeit $\tau=4$ ms nach einem Nulldurchgang der Netzspannung eingeschaltet. Welchen Effektivwert besitzt der Strom durch einen Ohmschen Verbraucher mit dem Widerstand $R_{\text{L}}=500\,\Upomega$? Welchen Effektivwert erhält man höchstens, wenn τ variiert wird? Warum lieben Elektrizitätswerke die Phasenanschnittsteuerung nicht?

18.4 Zu den Schaltverlusten eines IGBT.

An einem IGBT hoher Leistung liege im gesperrten Zustand eine Spannung U ₀ an. Im leitenden Zustand fließt ein Strom I und die Emitter-Kollektor-Spannung $U_{\text{C}}$ ist sehr klein, es sei z. B. $U_{\text{C}}/U_{0}=1/500$. Für den Übergang vom ausgeschalteten in den eingeschalteten Zustand und zurück benötigt der IGBT jeweils eine gewisse Gesamtzeit t _S (z. B. $t_{S}=10^{-8}$ s). Wie groß ist die Verlustleistung im eingeschaltetem Zustand und welchen Größen ist der Joulesche Energieverlust in einem einzigen Schaltprozesses proportional? Die Verlustleistung im IGBT muss durch Kühlung abgeführt werden, sie hat eine konstruktiv bedingte Obergrenze. Warum muss die Wiederholfrequenz für das Ein- und Ausschalten in der Praxis auf einen oberen Wert begrenzt werden, der um drei Größenordnungen unter $1/t_{S}$ liegt (also z. B. $n<10^{5}$ Hz)?

18.5 Schleifringläufer.

Die Drehmoment-Kennlinien der Asynchronmotoren in Abb. 18.11b entstehen durch ein komplexes Zusammenspiel des Statorstroms mit den Strömen im Läufer bei der Erzeugung des Magnetfelds. Leicht zu verstehen ist ein praktisch irrelevanter Grenzfall: Welchen Zusammenhang zwischen dem Drehmoment $M_{\text{D}}$ und der Tourenzahl n erwartet man nach Abb. 18.10c, wenn der Ohmsche Widerstand im Läuferstromkreis sehr groß ist?