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Versorgung mit elektr. Energie
18. Versorgung mit elektrischer Energie
18.1 Der Transformator
Führe den Schülerversuch zum Transformator durch!
1. Unbelasteter Transformator:
Spannungsverhältnis: U1 : U2 = N1 : N2
Versorgung mit elektr. Energie
Herleitung des Übersetzungsverhältnisses
Aus der zweiten Kirchhoffschen Regel folgt für den Primärkreis:
U1 + UL1 = 0 UL1 = – U1 die durch die Selbstinduktion bewirkte Spannung.
Wegen der hohen Induktivität fließt im Primärkreis nur ein sehr geringer um /2 verschobener Wechselstrom (Blindstrom).
Wenn sich an II kein Verbraucher befindet, ist I2 = 0.
~10V
800W / 1600W
TrafoI II
U1 UL1 U2
In einer Windung der Primärspule wird eine Spannung von induziert. 1
1
N
U
Versorgung mit elektr. Energie
Da der magnetische Fluss fast ausschließlich durch den Eisenkern geht, treten keine Verluste auf. Daher wird in einer Windung von II die
Spannung induziert und daher in der ganzen Spule II:1
1
N
U
21
12 N
NU
U II:
Daraus folgt für die Spannungsübersetzung:
üN
N
U
U
1
2
1
2
Versorgung mit elektr. Energie
2. Belasteter Trafo
Führe Schülerversuch 3 durch!
~12V
1600W / 800W
TrafoI II
U1 UL1
A
1 2
Erkenntnis: Beim belasteten Trafo steigt die Stromstärke auch im Primärkreis. Je heller die Lämpchen in II leuchten, desto höher die Stromstärke in I.
Stromübersetzung ?
Versorgung mit elektr. Energie
Stromübersetzung ?
Ansatz:
Leistung im Primärkreis = Leistung im Sekundärkreis
2eff2eff21eff1eff1 cosIUcosIU
Es gilt annähernd:und daher:
21
I
I
U
U
N
Nü1
2
2
1
2
1
Die Ströme werden verkehrt proportional zur Windungszahl transformiert.
Versorgung mit elektr. Energie
Anwendungen des Transformators:
Versuch: Lange Leitung
Die beiden Widerstände simulieren den Leitungswiderstand
Ergebnis:
Der Hochspannungstrafo
~230V
10k
Lange Leitung
~230V
10k
Lange Leitung500W / 10000W 10000W / 500W
Trafo Trafo
Ergebnis:
Die Lampe leuchtet nicht.
Die Lampe leuchtet.
Versorgung mit elektr. Energie
Berechne jeweils die Stromstärke, wenn die Leistung gleichbleibt!
Spannung U Stromstärke I Leistung P=U.I
Kraftwerk 10 kV 1000 A
Hochspan-nungstrafo
200 kV "
Umspannwerk 20 kV "
Ortstrafo 230 V "
Spannung U Stromstärke I Leistung P=U.I
Kraftwerk 10 kV 1000 A 10 MW
Hochspan-nungstrafo
200 kV 50 A "
Umspannwerk 20 kV 500 A "
Ortstrafo 230 V 43478 A "
Versorgung mit elektr. Energie
Schweißtrafo
~230V
600W / 5W
Trafo
Nagel
Der Nagel glüht und schmilzt dann durch.
Versorgung mit elektr. Energie
18.2 Dreiphasenwechselstrom (Drehstrom)Überlegung:
~ Verbraucher
RLeitung
RLeitung
Verluste durch Spannungsabfall an beiden Leitungen.
Könnte man eine Leitung einsparen?
Versorgung mit elektr. Energie
Drehstromgenerator:
3 Statorwicklungen sind gegeneinander jeweils um 120° (= 2/3) versetzt.
L1, L2, L3 ... Phasenleiter
N ... Neutralleiter (Nullleiter)er wird meist geerdet.
In allen 3 Wicklungen wird eine Wechselspannung induziert.
Simulation
Versorgung mit elektr. Energie
Versorgung mit elektr. Energie
Phasen
Versorgung mit elektr. Energie
)tsin(Uu
)tsin(Uu
100f2tsinUu
34
033
32
022
011
Phasen
Versorgung mit elektr. Energie
SternschaltungSternschaltung
Versorgung mit elektr. Energie
Addiert man die 3 Spannungen (Simulation mit Excel), so sieht man:
U1 + U2 + U3 = 0
Werden nun die 3 Phasen gleichmäßig belastet (gleiche Verbraucher), so haben wir in allen 3 Phasen gleiche Phasenwinkel zwischen Spannung und Stromstärke.
und daher: Summe der Stromstärken: I1 + I2 + I3 = 0
Das heißt aber, dass die Stromstärke im Neutralleiter 0 ist. Daher kann die Rückleitung dünn gehalten werden. Bei den großen Überland-leitungen lässt man sie überhaupt weg.
Versorgung mit elektr. Energie
Bemerkung: Bei Hausinstallationen ist es wichtig, alle drei Phasen möglichst gleichmäßig zu belasten.
Bei Geräten mit großer Leistungsaufnahme werden alle drei Phasen verwendet. (z. B. E-Herd, Boiler, ....)
In Österreich und im Großteil der EU-Länder haben wir zwischen Phase und Nullleiter eine Spannung von Ueff = 230 V.
Versorgung mit elektr. Energie
DreiecksschaltungDreiecksschaltung
Versorgung mit elektr. Energie
U1
U2
U3 -U2U1-U2
U1 .... Potential am Phasenleiter 1U2 .... Potential am Phasenleiter 2U3 .... Potential am Phasenleiter 3
Die Potentialdifferenz zwischen Phasenleiter 1 und Phasenleiter 2 beträgt :
3UUUU eff,1212,1 ( = 400 V)
Zwischen 2 Phasen des Drehstroms herrscht eine Spannung von 400 V.
Versorgung mit elektr. Energie
Sternschaltung Dreiecksschaltung
230V
230V
230V
400V
400V
400V
Versorgung mit elektr. Energie
Bei Verwendung von 400 V ( 3
ergibt sich am selben Verbraucher wegen P = U²/R die 3 - fache Leistung.
-fache Spannung)
Vorteile des Dreiphasenwechselstromes:
1. Einsparung der Rückleitung über das Hochspannungsnetz (nicht im Ortsnetz)
2. Es stehen zwei verschiedene Spannungen, eine mit viel höherer Leistung zur Verfügung.
3. Der Drehstrom eignet sich für den Betrieb einfacher Elektromotoren.
Versorgung mit elektr. Energie
18.3 Drehstrommotoren
18.3.1 Synchronmotor
N
SS
N
Prinzip des Synchronmotors:
Versuch:
Ergebnis: Die Magnetnadel dreht sich synchron mit.
Statt des rotierenden Hufeisenmagneten verwenden wir ein magnetisches Drehfeld, das mit Drehstrom gespeist wird.
Versorgung mit elektr. Energie
Versorgung mit elektr. Energie
Statt des rotierenden Hufeisenmagneten verwenden wir ein magnetisches Drehfeld, das mit Drehstrom gespeist wird.
Das resultierende Magnetfeld rotiert. Magnetisches Drehfeld.
Entstehen des magnetischen Drehfelds.
Versorgung mit elektr. Energie
Der Synchronmotor ist ein Motor mit konstanter Drehzahl.Der Rotor muss über Schleifringe mit Gleichstrom gespeist werden. Um auf die richtige Drehzahl zu kommen, muss er angeworfen werden. (mit Anlaufmotor oder entsprechender Schaltung). Bei Überlastung gerät er außer Tritt.
Seine Drehzahl errechnet sich aus: p
60fns
ns ... Drehzahl Synchronmotorf ... Frequenz des Drehstromsp ... Anzahl der Polpaare
Versorgung mit elektr. Energie
18.3.2 Der Asynchronmotor
S
N
Al-Ring
Ergebnis: Der Alu-Ring dreht sich mit einem gewissen Schlupf mit.
Versuch:
Verwendung eines magnetischen Drehfeldes:Im Alu-Ring entstehen Wirbelströme, die nach der Lenzschen Regel so gerichtet sind, dass sich der Ring mitdreht. Die Wirbelströme bleiben nur solange bestehen, als ein Schlupf zwischen Drehfeld und Ring existiert. (=kleiner Drehzahlunterschied)
Bei Belastung des Motors geht seine Drehzahl zurück. Es entsteht ein stärkerer Induktionsstrom. Dieser bewirkt ein stärkeres Drehmoment Die Drehzahl steigt wieder.
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Käfiganker. (vgl. B. S. 90. Abb. 90.4)• Vorteile: robust. Keine leitende Verbindung zu
rotierenden Teilen.
• Schlupf:
n ... Drehzahl des Motors (Läufers)
ns ... Drehzahl des Drehfeldes
s
s
n
nns
Technische Ausführung:
Versorgung mit elektr. Energie
18.4 Stromversorgung.
1. Wie erfolgt der Stromtransport vom Kraftwerk zum Verbraucher? (verschiedene Spannungsebenen)
2. Welches ist die vordringliche Aufgabe eines EVUs. Wie wird diese Aufgabe bewältigt.
3. Belastungsdiagramm4. Welche Kraftwerkstypen werden wofür eingesetzt?5. Versorgung Österreichs mit Strom, Art der
Strombeschaffung (Kraftwerkstyp, Import, Export,...)
Ermittle aus dem Buch und verschiedenen Unterlagen:
Versorgung mit elektr. Energie
EndeEnde
Vom Kraftwerk Vom Kraftwerk zum Verbraucherzum Verbraucher
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