Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
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Professor Dr.-Ing. Michael Felleisen ist für die Mess-, Steuer- und Regelungstechnik an der Fakultät für Technik der Hochschule Pforzheim berufen. Nach seiner Ausbildung zum Mess- und Regelmechaniker bei der BASF studierte er Elektrotechnik mit der Vertiefung Regelungstechnik bei Prof. Dr. Dr. Otto Föllinger an der Universität (TH) Karlsruhe. Anschließend arbeitete er als Automatisierungsingenieur bei Siemens und SAP. Er promovierte am Lehrstuhl für Prozessleittechnik der RWTH Aachen bei Prof. Dr. Martin Polke, bevor er 1999 den Ruf an die Hochschule Pforzheim annahm.
Michael Felleisens Aufgabenschwerpunkte in der Lehre sind die Elektrotechnik (mit den Teilgebieten Gleichstromtechnik und Wechselstromtechnik), die Regelungstechnik, die Modellbildung sowie die Prozessleit- und Automatisierungstechnik. Für die Elektro-, Regelungs- und Automatisierungstechnik leitet er Lehr- und Projektlabore. Seine Forschungsaufgaben liegen in der Entwicklung formaler Prozessbeschreibungen und in der Modellbildung dynamischer Systeme. 2005 wurde ihm der Landeslehrpreis verliehen. Von 2007 bis 2011 war er der erste hauptamtliche Prorektor der Hochschule Pforzheim, von 2011 bis 2014 Prodekan und Bereichsleiter der Informationstechnik. In beiden Ämtern verantwortete er den Ausbau neuer Studiengänge. Von 2001 bis 2014 war er im Beirat der Fachzeitschrift »Automatisierungstechnische Praxis (atp)« und seit 2003 im Förderkreis und dem Redaktionsbeirat des »P&A-Kompendiums«. Im Wiley-Verlag veröffentlichte er im Dezember 2015 das Buch »Elektrotechnik für Dummies«. Im Januar 2019 kam das »Übungsbuch Elektrotechnik für Dummies« hinzu. Als Ergänzung zu diesen beiden Büchern liegt nun die »Wechselstromtechnik für Dummies« vor.
Mehr Informationen finden Sie unter www.hs-pforzheim.de.
Danksagung
Ein Buch zu schreiben bedeutet, Zeit, Geduld und Ausdauer aufzubringen. Darüber hinaus gehört ein Team dazu, das den Autor unterstützt. Zu diesem Team gehört an erster Stelle meine Frau Anja, der ich meinen herzlichen Dank ausspreche. Ohne ihr Verständnis und ihre Unterstützung wäre es mir kaum möglich, solche Projekte zu verwirklichen. Weiterhin gilt mein Dank meiner Lektorin, Diplom-Biologin Vanessa Schöner, die die zündende Idee für diese Bücher hatte und mich davon überzeugte, ein weiteres …für Dummies-Buch zu schreiben. Marcel Ferner danke ich dafür, dass unser Team frei von Sorgen an diesem Buch arbeiten konnte. Besonderer Dank gebührt meinem Lektor Diplom-Physiker Tobias Schwaibold, mit dem ich nun das dritte …für Dummies-Buch gestalte und der es stets versteht, meine Gedanken in die richtige Richtung zu lenken. Auch meinem Fachlektor Prof. Dr. Frank Thuselt gilt mein großer Dank. Er ergänzt unser Team mit seinem vielfältigen Hintergrundwissen und hat alle meine theoretischen Behauptungen wie auch die Rechenbeispiele sorgfältig auf deren Richtigkeit geprüft. Des Weiteren möchte ich meinem »mathematischen Gewissen« in Form meines Kollegen Diplom-Physiker Frank Schmidt danken, der mir immer dann wertvoll zur Seite steht, wenn etwas Rost im Getriebe meiner mathematischen Denkweisen steckt. Zu guter Letzt gilt es meinem Kollegen Prof. Dr.-Ing. Peter Heidrich, einem ausgewiesenen Experten für die Antriebstechnik, dafür zu danken, dass er meine Zweifel an der (auch mir noch nicht so vertrauten) Drehstromtechnik beseitigen konnte.
Einführung
Willkommen im Reich der Wechselstromtechnik! Ich freue mich sehr, dass Sie dieses Buch in Ihren Händen halten, und ich hoffe, dass Sie neugierig auf dessen Inhalt sind – egal ob Sie bald eine schier unüberwindliche Klausur zu diesem Thema zu bestehen haben oder ob Sie schon immer wissen wollten, wie Wechselstrom eigentlich funktioniert. Wechselstrom ist ein ganz besonderer Strom, den Sie täglich nutzen, sobald Sie einen elektrischen Verbraucher wie einen Handmixer in die Steckdose stecken.
Lassen Sie uns gemeinsam in die Tiefen dieses faszinierenden Teilbereichs der Elektrotechnik abtauchen, wo geniale Ideen von genialen Erfindern darauf warten, von Ihnen entdeckt zu werden. Sie werden sich auf die Spuren von Michael Faraday begeben und dessen bahnbrechendes Induktionsgesetz in allen Details erforschen. Sie werden den großartigen Nikola Tesla kennenlernen, dessen atemberaubende Ideen die Welt nachhaltig verändern sollten. Und Sie werden hautnah miterleben, wie sich die beiden Strompioniere Georg Westinghouse und Thomas Alva Edison bis aufs Blut bekämpften, um ihre jeweilige Vorstellung des bestmöglichen Stromübertragungsnetzes durchzusetzen. Das allererste Drehstromübertragungsnetz wurde im Jahr 1891 fast »um die Ecke« von Ihnen gebaut, nämlich von Lauffen am Neckar nach Frankfurt am Main … Doch halt, jetzt verliere ich mich schon begeistert in historischen Details! Lassen Sie uns erst einmal das Tor zum Reich der Wechselstromtechnik aufstoßen und behutsam eintreten!
Über dieses Buch
Dieses Buch ist formal ganz ähnlich aufgebaut wie die beiden ebenfalls von mir geschriebenen Bücher Elektrotechnik für Dummies und Übungsbuch Elektrotechnik für Dummies. Nun jedoch werden Sie die drei wichtigsten Bauteile der Elektrotechnik – den elektrischen Widerstand, die magnetische Spule und den Kondensator – von einer völlig neuen Seite kennen- und berechnen lernen – nämlich wenn sie an Wechselstrom angeschlossen sind!
Auch in diesem Buch habe ich alle elektrotechnischen Gesetze mit Erklärungen zu den historischen Experimenten gewürzt und mit einer Prise Übungsaufgaben verfeinert, um Ihnen die theoretischen Zusammenhänge in der praktischen Anwendung nahezubringen. Auch Skizzen wie Schaltpläne, Kurvenverläufe oder Konstruktionszeichnungen sind unerlässlich, um die physikalischen Zusammenhänge elektrotechnischer Fragestellungen zu verstehen. Und da die Mathematik die Fachsprache des Ingenieurs ist, um seine Ideen darzustellen, darf natürlich auch dieses Themengebiet nicht fehlen. Aber keine Sorge: Wir Ingenieure brauchen nur wenige grundlegende Bereiche der Mathematik, um unsere tollen Konstruktionen zu beschreiben. Was, das glauben Sie mir nicht? Ich werde es Ihnen beweisen, wenn Sie in diesem Buch weiterlesen!
Konventionen in diesem Buch
Dieses Buch beinhaltet einige wenige Konventionen zur Schreibweise:
Vektoren, also physikalische Größen, die einen Betrag und eine Richtung haben, werden mit einem Pfeil über der Größe versehen, wie beispielsweise die elektrische Feldstärke .
Physikalische und technische Größen sind kursiv geschrieben, Einheiten bleiben hingegen steil stehen. Bei der Größe m handelt es sich also um die physikalische Größe der »Masse«, während ein nicht kursiv geschriebenes m für die Einheit »Meter« steht. Auch neue beziehungsweise zentrale Begriffe sind kursiv geschrieben.
Was Sie nicht lesen müssen
Alle Teile dieses Buchs sind so formuliert, dass Sie diese nicht hintereinander lesen müssen, sondern frei hin- und herspringen können. Die Lösungen der gestellten Aufgaben sind vermutlich nur für diejenigen Leser relevant, die sich gerade auf eine Prüfung im Fach Wechselstromtechnik vorbereiten. Für die Prüfungsvorbereitung sind alle in den Kapiteln aufgeführten Aufgaben wichtig. Die detaillierten Lösungswege finden Sie im Anhang. Versuchen Sie bitte stets, die Aufgaben zunächst mithilfe der Theorie des zugehörigen Kapitels eigenständig zu lösen, ohne den Lösungsweg im Anhang anzuschauen! Die dargestellten Lösungen kommen erst ins Spiel, wenn Sie das bei der Aufgabenstellung angegebene Ergebnis nicht herausbekommen oder Ihren eigenen Lösungsweg kontrollieren wollen. Beachten Sie bitte, dass die Übungsaufgaben so angeordnet sind, dass sie schrittweise von einfachen zu komplexeren Anforderungen führen.
Törichte Annahmen über den Leser
Beim Schreiben dieses Buchs bin ich von folgenden Annahmen über Sie, den Leser dieses Buchs, ausgegangen:
Sie interessieren sich für Zusammenhänge und Erklärungen rund um das Phänomen der Wechselstromtechnik.
Sie wollen etwas Neues lernen oder bekanntes Wissen festigen.
Sie können mit den Gesetzen und Vorgehensweisen der Mathematik für die gymnasiale Oberstufe umgehen.
Wie dieses Buch aufgebaut ist
Dieses Buch besteht aus sechs Teilen, die jeweils mehrere Kapitel beinhalten. Die Kapitel fasse ich in der Folge kurz für Sie zusammen, damit Sie entscheiden können, welche Inhalte für Sie von Interesse sind.
Teil I: Besonderheiten der Wechselstromtechnik
Der Teil I mit seinen vier Kapiteln ist den Grundlagen gewidmet:
In Kapitel 1 sind die wesentlichen mathematischen Grundlagen zusammengefasst, die Sie zum Lösen der Aufgaben für die Wechselstromtechnik brauchen. Insbesondere lernen Sie hier die Grundregeln zum Rechnen mit komplexen Zahlen kennen.
In Kapitel 2 verstehen Sie die Entstehung von Wechselgrößen und freunden sich mit sinusförmigen Wechselgrößen an.
In Kapitel 3 stelle ich Ihnen Kennwerte sinusförmiger Wechselgrößen wie die Amplitude, die Phasenverschiebung, den Mittel- und den Effektivwert vor.
In Kapitel 4 zeige ich Ihnen, wie Sie Wechselgrößen sehr einfach grafisch darstellen und dann berechnen können.
Teil II: Widerstand, Spule und Kondensator an Wechselgrößen
Im Teil II stehen in vier Kapiteln der Ohm'sche Widerstand, die Spule und der Kondensator im Fokus unserer gemeinsamen Betrachtung.
In Kapitel 5 werden Sie den Widerstand nun auch komplex kennenlernen.
In Kapitel 6 widmen wir uns dem Ohm'schen Widerstand und dessen besonderem Verhalten im Wechselstromkreis.
In Kapitel 7 steht das Verhalten der Spule im Vordergrund. Lassen Sie sich überraschen, wie diese mit Wechselstrom wirkt!
In Kapitel 8 betrachten Sie den Kondensator als kapazitiven Blindwiderstand an Wechselstrom.
Teil III: Gemischte Schaltungen an Wechselgrößen
Im Teil III wenden Sie das zuvor Gelernte für alle drei Bauteile und deren Zusammenschaltung an Wechselgrößen an. Lassen Sie sich überraschen, was dabei Kurioses herauskommt.
In Kapitel 9 schauen Sie sich die drei Bauteile in Reihenschaltung an.
In Kapitel 10 erleben Sie das Verhalten der drei Bauteile in Parallelschaltung.
In Kapitel 11 lernen Sie, wie man durch Ersatzzweipole von einer Reihen- zu einer Parallelschaltung und wieder zurückgelangt.
In Kapitel 12 stehen die Leistungen im Wechselstromkreis im Vordergrund. Auch hier werden Sie überrascht sein, was der Kondensator und die Spule in dieser Hinsicht zu bieten haben!
Teil IV: Frequenzgang, Ortskurve und Filterschaltungen
Bei der Betrachtung frequenzabhängiger Wechselfelder sind die beiden grafischen Darstellungsformen des Frequenzgangs und der Ortskurve von zentraler Bedeutung. Anhand verschiedener Filterschaltungen werden Sie deren Genialität selbst zu schätzen lernen!
In Kapitel 13 lernen Sie die Grundlagen der Frequenzgangdarstellung kennen.
In Kapitel 14 stehen sowohl der Frequenzgang als auch die Ortskurve im Zentrum unseres Interesses. Wie stellt man sie dar und wie kann man damit Berechnungen durchführen?
In Kapitel 15 lernen Sie die besondere Dynamik elektrischer RLC-Filterschaltungen an Wechselstrom kennen. Freuen Sie sich auf Tief- und Hochpassschaltungen sowie die Schaltung zum Bandpass!
In Kapitel 16 tauchen Sie in die Welt der Resonanz und die Besonderheiten der Spannungs- und Stromresonanz ein. In diesem Zuge lernen Sie auch die berühmte Thomson'sche Schwingungsformel kennen.
Teil V: Drehstrom als Dreiphasen-Wechselstrom
Im Teil V dieses Buchs erfahren Sie alles über das (dem Wechselstrom nah verwandte) Drehstromsystem und berechnen dessen wesentliche Kenngrößen.
In Kapitel 17 stehen die Erzeugung und die Darstellung des Dreiphasen-Wechselstroms im Vordergrund.
In Kapitel 18 gehen wir auf die Stern- und die Dreieckschaltung eines Generators ein.
In Kapitel 19 schauen wir uns die verbrauchsseitige Sternschaltung mit und ohne Neutralleiter sowie die verbrauchsseitige Dreieckschaltung an.
In Kapitel 20 kommen die Leistungen im Drehstromnetz zum Zuge.
Teil VI: Der Top-Ten-Teil
Der Top-Ten-Teil besteht aus vier Kapiteln, in denen Sie weiterführende Informationen erhalten.
In Kapitel 21 sind wesentliche Informationen zur Lebensgeschichte und dem Wirken der im Buch genannten Erfinder der Wechselstromtechnik zusammengefasst.
In Kapitel 22 stelle ich Ihnen die zehn wichtigsten Einheiten vor, die Sie beim Lösen der Übungsaufgaben brauchen.
In Kapitel 23 werden Sie in zehn Dekaden die wichtigsten Errungenschaften zur Entwicklung der Wechselstromtechnik im 19. Jahrhundert kennenlernen.
In Kapitel 24 benenne ich für Sie zehn ausgesuchte Bücher zur Wechselstromtechnik, die in jedem Regal stehen sollten.
Symbole, die in diesem Buch verwendet werden
Wie bei den Dummies üblich, gibt es auch in diesem Buch eine Reihe von Symbolen, die bestimmte Inhalte hervorheben sollen.
Das Tipp-Symbol kennzeichnet Textstellen, die zur Lösung der Aufgaben hilfreich sind, weil sie Ansätze aufzeigen oder eine Aufgabenstellung aus einem anderen Blickwinkel darstellen.
Das Erinnerung-Symbol weist Sie auf Definitionen, Sätze oder wichtige Gegebenheiten hin, die Sie zum Bestehen einer Prüfung benötigen. Diese Inhalte sollten Sie in jedem Falle verinnerlichen!
Das Technik-Symbol kennzeichnet Textteile, die Sie nicht unbedingt lesen müssen, wenn Sie sich nur auf die wesentlichen Sachverhalte konzentrieren wollen. Wenn Sie jedoch Zeit haben oder die Wechselstromtechnik in ihren Grundzügen verstehen müssen, stellen diese Abschnitte wichtige Hintergrundinformationen für Sie bereit.
Das Warnung-Symbol zeigt Ihnen Textteile an, bei denen Sie sich in Acht nehmen sollten. Hier könnte beim Rechnen etwas schiefgehen!
Wie es weitergeht
So, jetzt können Sie endlich loslegen und das Reich der Wechselstromtechnik betreten. Arbeiten Sie entweder alle Kapitel hintereinander durch oder suchen Sie sich diejenigen Kapitel aus, die Sie am meisten interessieren. Im Hinblick auf eine Prüfungsvorbereitung prägen Sie sich bitte die wichtigsten Zusammenhänge ein und üben anhand aller angebotenen Aufgaben. Denken Sie bitte auch daran, dass Ihnen in der Klausur nur eine begrenzte Zeit zur Lösungsbearbeitung zugestanden wird! Üben, üben, üben ist das Motto – auch der grundlegenden Mathematik.
Als Ihr persönlicher Expeditionsleiter auf Ihrer Reise durch die spannende Welt der Wechselstromtechnik wünsche ich Ihnen viel Spaß und noch mehr Erfolg!