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2024 | Buch

Grundlagen der Elektrotechnik Kapitel lesen Erstes Kapitel lesen

Elektrotechnik und Elektronik in Maschinenbau und Mechatronik

Für Studierende und für die Praxis

herausgegeben von: Ekbert Hering, Rolf Martin, Joachim Kempkes, Jürgen Gutekunst

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Anlagen und Maschinen werden immer komplexer, auch weil in ihnen immer mehr Elektronik verbaut ist. Die Grundlagen und die Anwendungen der Elektrotechnik, der Elektronik und der Kommunikationstechnik spielen daher für den Maschinenbau eine immer wichtigere Rolle. Dieser Entwicklung trägt das Buch Rechnung. Es stellt die Grundlagen dieser Fachgebiete sowie der Halbleiter- und Leistungselektronik ausführlich dar. Zudem behandelt es elektrische Maschinen und Anlagen, Energieversorgung und die Datenkommunikation mit Feldbussen. Jeder Abschnitt ist in gleicher Weise gegliedert: Eine strukturierte Übersicht zeigt die Zusammenhänge auf, Beispiele verdeutlichen die Rechnungen und die Gedankengänge, Diagramme und Fotos veranschaulichen die Anwendungen. Zusammen mit den Übungsaufgaben und Lösungen ergibt sich ein didaktischer Aufbau, der es Lesern erleichtert, sich in die Elektrotechnik und die Elektronik einzuarbeiten.

Für die 4. Auflage wurden die Inhalte aktualisiert und ergänzt. Unter anderem wurde eine Einführung in elektrische Fahrzeugantriebe eingefügt und das Kapitel zur Energieversorgung um Abschnitte zur Energieübertragung in Stromnetzen erweitert.

Das Werk eignet sich als Lehrbuch für Studierende der Ingenieurwissenschaften, insbesondere des Maschinenbaus, richtet sich aber auch an angehende Wirtschaftsingenieure und Mechatroniker. Für Ingenieure im Beruf ist der Band ein umfassendes und fundiertes Nachschlagewerk – auch wenn es um neue Herausforderungen in den Bereichen Industrie 4.0 und elektrische Antriebstechnogien geht.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Grundlagen der Elektrotechnik
Zusammenfassung
Ausgehend von der Existenz elektrischer Ladungen werden die Grundbegriffe elektrischer Strom und Spannung definiert sowie ihre Verknüpfung durch das Ohm’sche Gesetz. Im Anschluss werden die Kirchhoff’schen Regeln und deren Anwendung bei der Netzwerkanalyse behandelt. Kompliziertere Netzwerke und deren Behandlung mit der Methode der Ersatzspannungsquelle bzw. Ersatzstromquelle sowie dem Helmholtz’schen Überlagerungssatz schließen sich an. Die Besprechung der elektrischen und magnetischen Felder führt auf die Bauelemente Kondensator und Spule mit ihren jeweiligen Kenngrößen Kapazität und Induktivität. Bei den Magnetfeldern wird der magnetische Kreis behandelt und insbesondere die elektromagnetische Induktion. Wechselstromkreise werden mittels komplexer Zeiger durchgerechnet. Dazu gehört die Besprechung von Schwingkreisen und Ortskurven einfacher Schaltungen. Der Transformator schließt den Abschnitt über Wechselströme ab. Das Kapitel wird abgerundet durch Beschreibung des Dreiphasen-Wechselstroms mit der Stern- und Dreieckschaltung der Verbraucher sowie den Methoden der Leistungsmessung.
Rolf Martin
2. Halbleitertechnik
Zusammenfassung
Ausgehend von den Leitungsmechanismen in Halbleitern werden die Eigenschaften von Dioden und Transistoren besprochen. Anwendungsfelder der wichtigsten Diodentypen werden in Übersichten dargestellt und anschließend detailliert behandelt. Bei den Transistorschaltungen werden sowohl bipolare als auch Feldeffekttransistoren vorgestellt. Dazu gehören deren wichtigste Kenngrößen und Grundschaltungen. Schließlich werden die in der Leistungselektronik eingesetzten Thyristoren und Triacs besprochen. Der vermehrten Bedeutung der optischen Datenübertragung wird Rechnung getragen durch die Behandlung opto-elektronischer Bauelemente. Dazu gehören die optischen und elektrischen Eigenschaften von Fotodioden, LEDs und Halbleiterlasern. Die analogen und digitalen integrierten Schaltungen runden das Kapitel der Halbleitertechnik ab. Besonderes Augenmerk wird gelegt auf den Operationsverstärker sowie die AD- und DA-Wandler.
Julian Endres, Rolf Martin, Jürgen Gutekunst
3. Leistungselektronik
Zusammenfassung
Die Leistungselektronik hat durch die Entwicklungen der Elektromobilität in den vergangenen Jahren stark an Bedeutung gewonnen. Große Ströme und Spannung effizient zu steuern ist die Voraussetzung für einen hohen Wirkungsgrad. Dadurch werden Energieverluste vermieden und die Abwärme verringert. Darüber hinaus begegnet uns die Leistungselektronik in unserem täglichen Leben in vielfältiger Ausprägung, beispielsweise in
  • den Antrieben,
  • bei Spannungsumrichter,
  • Netzgeräten und Stromversorgungen.
Die nachfolgenden Abschnitte zergliedern sich in zwei Hauptbereiche, in
  • die Bauelementen der Leistungselektronik und
  • die Anwendungen in der Leistungselektronik.
Dabei wird der praxisorientierte Bezug im Vordergrund stehen. Insbesondere wird dabei auch Bezug auf die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) genommen.
Jürgen Gutekunst
4. Elektrische Maschinen
Zusammenfassung
Antreiben bedeutet die Bewegung von Massen. Zur Einleitung oder Aufrechterhaltung einer Bewegung ist mechanische Energie erforderlich. Die erforderliche Energie kann über elektromechanische Energiewandler (Elektrische Maschinen) aus dem elektrischen Versorgungsnetz bezogen werden. Gegenüber anderen Lösungen (Verbrennungsmotor, hydraulische oder pneumatische Aktoren) ergeben sich folgende Vorteile:
  • elektrische Energie ist flächendeckend und jederzeit verfügbar, eine Bevorratung ist nicht erforderlich (außer bei mobilen Anwendungen);
  • hoher Wirkungsgrad und günstige Primärenergieausbeute;
  • emissionsfreier und geräuscharmer Betrieb;
  • Energierückspeisung bei Bremsvorgängen möglich;
  • elektrische Energieflüsse können schnell und verlustarm gesteuert werden;
  • elektromechanische Energiewandler sind in einem weiten Leistungsbereich (einige mW bis GW) verfügbar und wirtschaftlich ausführbar;
  • elektrische Maschinen können praktisch wartungsfrei ausgeführt werden;
  • sehr gleichförmige Kraft- und Drehmomentverläufe.
Elektrische Maschinen können elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln (Motorbetrieb). Die Umkehrung ist prinzipiell bei jeder elektrischen Maschine ebenfalls möglich. Generatoren wandeln beispielsweise in Kraftwerken mechanische Energie in elektrische Energie um. Die mechanische Energie wiederum steht entweder direkt in dieser Form zur Verfügung (beispielsweise bei Windkraft- oder Wasserkraftwerken) oder wird ihrerseits über Turbinen aus thermischer Energie bereitgestellt. In diesem Kapitel werden die grundsätzlichen Wirkungsprinzipien und die Grundausführungen (rotierender) elektrischer Maschinen, nämlich die Gleichstrom-, Synchron- und Asynchronmaschine erläutert.
Joachim Kempkes
5. Antriebstechnik
Zusammenfassung
Elektrische Maschinen werden in der elektrischen Antriebstechnik genutzt, um elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Hierbei reicht es jedoch nicht aus, die elektrische Maschine allein zu betrachten, sondern sie muss als Komponente eines teilweise recht komplexen Systems betrachtet werden. Es muss dabei nicht nur die Wechselwirkung mit der Anwendung, sondern auch die Einsatzumgebung berücksichtigt werden. Dieses wir hier nach grundsätzlichen Betrachtungen in Anwendungen (z. B. Servoantrieb, Windkraftgenerator und Fahrzeugantrieb) vertieft erläutert.
Joachim Kempkes
6. Elektrische Energieversorgung
Zusammenfassung
In den industriell entwickelten Ländern der Erde ist eine flächendeckende Versorgung mit elektrischer Energie vorhanden. Die elektrische Energie ist aber kein natürlich vorkommender Energieträger und muss deshalb aus anderen Energieträgern (der so genannten Primärenergie) „erzeugt“ werden.
Es gilt selbstverständlich auch bei diesen Prozessen der Energieerhaltungssatz, sodass vorhandene Energie ausschließlich in andere Energieformen umgewandelt werden kann. Besonders aber in der elektrischen Energieversorgung bezeichnet man den Teil der Energiewandlung bzw. den Vorgang zur Bereitstellung elektrischer Energie in Kraftwerken nicht ganz präzise als Energieerzeugung.
Im Unterschied zu anderen Energieträgern kann elektrische Energie mit einem vertretbarem Aufwand nur sehr begrenzt sinnvoll gespeichert werden. Damit hängt der Betrieb bzw. die Einsatzplanung/-steuerung (und die technische Ausführung) der Kraftwerke stark vom aktuellen Bedarf im Versorgungsnetz ab.
Weitere Aufgaben in der elektrischen Energieversorgung sind die Übertragung und die Verteilung der elektrischen Energie. Hierzu zählt der Aufbau und Unterhalt des Versorgungsnetzes, in dem mehrere Kraftwerke elektrische Leistung einspeisen und Verbraucher gleichzeitig diese Leistung wieder entnehmen. Dabei muss das Versorgungsnetz eine äußerst verlässliche Verfügbarkeit der elektrischen Energie gewährleisten. Die zuverlässige Übertragung und Verteilung elektrischer Energie verursacht mittlerweile höhere Kosten als die eigentliche Energieerzeugung, woraus die wirtschaftliche Bedeutung dieses Themenfelds ersichtlich wird.
Ein Spezialthema in diesem Zusammenhang ist das Bordnetz in einer mobilen Anwendung. Flugzeuge, Schiffe, Kraftfahrzeuge und teilweise auch Schienenfahrzeuge können nicht mit einem Versorgungsnetz verbunden werden und brauchen deshalb eine eigene autarke elektrische Energieversorgung.
Besonders Kraftfahrzeuge weisen einen von Modellreihe zu Modellreihe stetig steigenden elektrischen Energieverbrauch auf, da immer mehr Funktionen im Fahrzeug mit elektrischen Geräten gelöst werden. Als Beispiele können die elektrische Lenkung, die elektrisch angetriebene Wasserpumpe und der elektrisch angetriebene Kompressor für die Klimaanlage aufgeführt werden. Die für diese Geräte notwendige mechanische Antriebsleistung wurde und wird mechanisch direkt von der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors abgenommen. Elektrisch angetriebene Geräte können jedoch bedarfsgerecht zugeschaltet werden, sodass der Gesamtenergieverbrauch des Fahrzeugs (= Kraftstoffverbrauch) durch diese Maßnahmen gemindert werden kann.
Besonders bei der Verteilung elektrischer Energie müssen vorgegebene Schutzmaßnahmen eingehalten werden, da wie bei jedem Transport von Energie auch hier das vorhandene Gefährdungspotenzial soweit als möglich reduziert werden muss.
Joachim Kempkes
7. Sensoren und Aktoren
Zusammenfassung
Ein Sensor wandelt eine physikalische Größe(z. B. eine Kraft) mit Hilfe eines physikalischen Effektes (z. B. des piezoelektrischen Effektes) in ein elektrisches Signal um (z. B. eine Spannung). Dieses Signal wird anschließend elektronisch weiterverarbeitet, um die gewünschten Funktionen auszuführen (z. B. Bewegen eines Werkzeugs). Ein Sensorelement erfüllt dabei folgende drei Funktionen: Aufnehmer, Wandler und Verstärker. Das Kapitel zeigt die wichtigsten Sensortypen und ihre Anwendungen, eingeteilt nach den physikalischen Messgrößen und den zugrunde liegenden physikalischen Effekten.
Ekbert Hering
8. Feldbusse
Zusammenfassung
Die Datenkommunikation im Maschinen- und Anlagenbau hat immens an Bedeutung gewonnen. Insbesondere die Aufgaben im Bereich der Diagnose (z. B. Produktionszustände, Produktionseffizienz) und der Wartung (z. B. präventive Wartungsmaßnahmen). Dies geschieht im gesamten Lebenszyklus der Maschinen und Anlagen. Diese Aufgaben werden in drei Kommunikationsebenen vorgenommen: im Fabriknetz, im Zellennetz und durch Feldbusse. Es werden die verschiedenen Bussysteme und deren Einsatzgebiete ausführlich vorgestellt.
Jürgen Gutekunst
9. Elektrische Messtechnik
Zusammenfassung
Die elektrische Messtechnik ist im Maschinenbau von grundsätzlicher Bedeutung. Elektrische und magnetische Größen im Gleich- und Wechselstromkreis werden in der elektrischen Messtechnik erfasst, angezeigt, weiterverarbeitet und gespeichert. Mit geeigneten Aufnehmern und Messumformern gelingt es, praktisch jede physikalische Größe elektrisch darzustellen. Die elektrischen Messgrößen sind entweder zeitlich kontant oder veränderlich und werden analog oder digital angezeigt. Das Kapitel stellt die Grundlagen der Messtechnik dar und zeigt die wichtigsten Anwendungsfelder auf.
Ekbert Hering
Backmatter
Metadaten
Titel
Elektrotechnik und Elektronik in Maschinenbau und Mechatronik
herausgegeben von
Ekbert Hering
Rolf Martin
Joachim Kempkes
Jürgen Gutekunst
Copyright-Jahr
2024
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-67538-0
Print ISBN
978-3-662-67537-3
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-67538-0

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    Bildnachweise