Diese Seite drucken

Elektrotechnik

Eine kurze Einführung in die Elektrotechnik

Die Energieversorgung wird heute hauptsächlich durch Strom gewährleistet, obwohl auch Gas, Öl und vereinzelt Fernwärme zur Beheizung eingesetzt werden. Da Energie wichtig ist, um Maschinen anzutreiben, ausreichende Beleuchtung und Klimatisierung sicherzustellen und die Lagereinrichtungen zu unterhalten, sind ein paar Gedanken zu diesem Thema angebracht. Mancher mag jetzt denken, Strom kommt bei mir aus der Steckdose, wozu also drüber nachdenken. Aber der Strom ist mit allen seinen Vorzügen auch Gefahrenquelle.

Strom wird erzeugt in Kraftwerken durch Umsetzung anderer Energiequellen (Öl, Kohle, Gas, Atom) in Wärme oder direkt aus Bewegung (Wind, Wasser) über Generatoren, ähnlich dem Fahrraddynamo, welche die erzeugte Spannung ins öffentliche Netz einspeisen.

Um diesen Vorgang zu verstehen, müssen die physikalischen Größen zunächst erläutert werden. Hierzu bedienen wir uns eines Wasserkreislaufes mit Wasserspeicher, Rohr, Sperrhahn und Ventil Eine Pumpe befördert Wasser in den Behälter, der Druck des Wassers im Behälter wächst mit der Höhe und Menge des Wassers. (Spannung). Wird der Absperrhahn (Schalter) geöffnet, fließt das Wasser (Strom) durch das Rohr (Leiter) zur Erde (Massepotential, Minuspol). Ist in diesem Rohr ein Ventil, so kann man die Menge des Wassers, welches fließt, regeln (Regelwiderstand - Poti) oder begrenzen (Widerstand); hierbei wächst der Druck am Ventil beim Zudrehen immer weiter an (Spannung)bis das Ventil geschlossen ist. Die Durchflussmenge sinkt entsprechen. Leitet man das Wasser über ein Schaufelrad, so nutzt man seine Kraft, es entsteht eine Leistung. Je schneller das Wasser abfließt, umso schneller muss Wasser nachgepumpt werden, damit der Wasserdruck nicht sinkt. Fließt das Wasser wegen eines Lecks rasend schnell ab (innerhalb weniger Millisekunden) so sinkt der Wasserdruck auf Null und die Menge des Wassers steigt theoretisch unendlich an (Kurzschluss).

Dieses Modell ist nur anschaulich im Prinzip zu verstehen, physikalisch verhält sich Strom etwas anders...

Strom, Spannung, Widerstand

Physikalisch betrachtet ist Elektrizität eine Entstehung unterschiedlicher Potentiale, die sich in einer Spannung zeigt.

Diese Spannung zwischen Polen entsteht durch ein Ladungsträgerdefizit (Elektronenmangel) auf der einen, eine Überschuss (freie Valenzelektronen, die nicht im Atomgitter eingebunden sind) auf der anderen.

Wenn nun durch Legung einer Verbindung (z.B. ein Kupferkabel) eine Potentialausgleich erzwungen wird, fließen schlagartig alle Elektronen in den Leiter hinein, diese einfließenden Elektronen stoßen die Elektronen im Gitter von ihrem Platz, die wiederum die nächsten anstoßen, und so weiter...die entstehende Kettenreaktion ist wie ein Dominoeffekt und pflanzt sich bis zum Pol mit Ladungsträgerdefizit fort, mit annähernder Lichtgeschwindigkeit. Es fließt Strom.

In einem solchen Fall bricht die Spannung abrupt zusammen, während der Strom (Die Menge der bewegten Ladungsträger pro Zeit) theoretisch unendlich groß wird. Der Nutzen ist hier gleich null, man spricht von einem Kurzschluss.

Das Gefährliche an diesem ist die Erwärmung der Leitungen durch die Elektronenreibung im Metall. Im extremsten Fall fängt der Leiter durch die Hitze zu schmelzen an und entzündet die Isolation. Der Kabelbrand kann dann auf das Gebäude übergreifen.

Um diese Gefahr zu vermeiden, werden sogenannte Sicherungen im Stromleitungsnetz eingebaut.

Der Kontrollierte Abfluss ist also über einen Widerstand zu ermöglichen. Hierbei wird der Strom begrenzt (physikalisch eine Eindämmung der Menge der fließenden Ladungsträger). Im täglichen Leben ist jedes Elektrogerät ein solcher Widerstand; man spricht auch von Verbrauchern, da durch das Produkt von Strom und Spannung eine Leistung entsteht. (Es wird ja schließlich eine Arbeit verrichtet, die wiederum eine Leistung über eine Zeit ist)

Diese Verbraucher sind also die Begrenzung der Strommenge im elektrischen Stromnetz.

Die einzelnen physikalischen Größen und Begriffe kurz erklärt

physikalisch [F.Z.]

gemessen in (Einheit)

Erklärung

 

 

 

Spannung [U]

Volt (V)

entspricht dem Ladungsunterschied zwischen zwei elektrischen Polen; vergleichbar mit dem Wasserdruck am Ventil

 

Strom [I]

Ampere (A)

entspricht der Menge der Ladungsträger die an einem Punkt im Leitungsnetz von Pol zu Pol fließen; vergleichbar mit Liter

 

Widerstand [ R ]

Ohm (W)

ist ein elektrischer Leiter mit schlechterer Leitfähigkeit, sozusagen ein Engpass, aber auch ein Verbraucher (z.B. Heizspule, Herdplatte), vergleich­bar mit verschiedenen Rohrquerschnitten im Wasser­lauf - je enger das Rohr umso kleiner der Wasserdurchfluss und so stärker der Druck... je höher der Widerstand, umso kleiner der Strom, umso höher die Spannung, was zum Ohmschen Gesetz führt:

U = R x I (I = U / R, R = U / I).

 

Leistung [ P]

Watt (W)

Strom (Ampere) mal Spannung (Volt), anders gesagt: die Kraft einer Menge Wasser, die bei einem bestimmten Druck durch ein Rohr fließt

 

Gleichstrom (Gleichspannung)


Volt (V) DC

Beispiel Batterie: Die Menge der elektrischen Ladungsträger (Elektronen) bleiben an den beiden Polen in etwa gleich, d.h. die Polarität ist immer gleich. Der Strom fliesst immer nur in eine Richtung!(siehe Wassermodell)

 

Wechselstrom (Wechselspannung)


Volt (V) AC

Beispiel Generator, Steckdose: Die Polarität (Menge der Ladungsträger) wechselt stetig zwischen den Polen hin und her, sozusagen eine Schaukelbewegung, der Strom ändert seine Flussrichtung entsprechend immer hin und zurück. Die Spannung erzeugt man hierbei in Bezug zurErde, man benutzt also die Erde als einen Pol (auch Masse, Massepotential genannt)

"Drehstrom", "Starkstrom"

 

Vereinfacht zu erklären: Im Prinzip sind an einem Generator drei Leitungen angeschlossen, die um einem bestimmten Zeitabstand zueinander versetzt die Polarität wechseln, also Wechselspannung anliegen haben. Den Zeitversatz bezeichnet man als Phasenverschiebungswinkel, die drei Leitungen als Phasen (L1, L2, L3). Durch diese Verschiebung (120° - drittel Kreis) erhöht sich die Spannung der einzelnen Leitungen zueinander um den Faktor Ö3, also den üblichen 230 V  gegen Erde (hier im Mittelpunkt als Neutralleiter) der einzelnen Phasen steht eine Spannung von 400 V zwischen den Phasen gegenüber. Mit diesem "Trick " kann man bei gleicher Stromstärke mehr Leistung an Maschinen abgreifen. (Drehstrommotoren, Elektroantriebe, Elektroschweißgeräte...)

elektrischer Leiter

 

Leiten Kupferrohre Wasser, so leitet Kupfer Strom. Leiter sind demnach alle Materialien, die einen kleinen elektrischen Widerstand haben, also: Kupfer, Eisen Aluminium, Gold, Silber, Messing, Salzlösungen, Silizium... Chemisch gesehen alle Metalle und Stoffe, die eine Gitterstruktur haben.

Isolator

 

 

Genaues Gegenteil vom Leiter: Holz, Porzellan, Pertinax®, Glas, Papier, Kunststoffe, Gummi, Kohlenstoffverbindungen, etc. ...

Wärmeleiter

 

dienen in der Elektrotechnik zur Abführung der Verlustleistung an Widerständen und Verbrauchern, die als Wärme entsteht und zur Zerstörung des Bauteils führen kann, wenn die Hitze zu groß wird. Metalle wie Alu, Silber und Kupfer sind gute Wärmeleiter, Stoffe wie Wasser, Luft, Holz, Papier, Keramik, Harze und organische Stoffe sind schlechte Wärmeleiter. Ein guter Wärmeleiter ist ein schlechter Speicher, umgekehrt sind schlechte Wärmeleiter gute Speicher (Kochwasser, Sand am Sonnenstrand...)

Sicherung

 

 

Ein Gerät zum Schutz von elektrischen Anlagen gegen Überlastung, Kurzschluss... Funktionsweise: Messung des Stroms und Abschaltung bei zu hohem Strom, thermische Auslösung (Bimetall) durch Messung der Hitze an einem Widerstand oder Schmelzen.

Spannungen in elektrischen Anlagen

Elektrische Energie zum Antrieb von Betriebseinrichtungen (Maschinen, Transport-, Hebe- und Förderzeuge, Beleuchtung, Heizung, Kommunikationseinrichtungen, Informationstechnik) ist fast überall vorzufinden. Aber die Höhe der Spannungen in diesen Einrichtungen sind sehr unterschiedlich und hängen vom Einsatzzweck und der benötigten Leistung ab. Gemeinsam ist allen in Betrieben zu findenden Elektroversorgungseinrichtungen, dass sie unter den Begriff Niederspannung fallen. Obwohl dieser Begriff so zu verstehen ist, hat das nichts mit einer niedrigen Spannung zu tun, da hier der Bereich bis 1000 V gemeint ist.

Man unterscheidet grundsätzlich:

Kleinspannung: bis max 50V – vorgeschrieben bei Spielzeug, aber auch als Kesselbeleuchtung und in Explosionsgefährdeten Bereichen - üblich sind 1,5V, 3V und 4,5V (bei Batteriebetriebenen Geräten), 5V (z.B. USB-Geräte), 6V (Kameras, Handy), 9V (Musik), 12V (Modelleisebahn), 24V (Steuerungen),  42V (Kommunikationseinrichtungen), 48V (industrielle Steuerungen)

Niederspannung: bis 1000 V – Spannungsbereich zur Versorgung elektrischer Verbraucher im Heim- und Anlagenbereich – in 99% aller Fälle als Wechselspannung.

Hochspannung: ab 1000V – Einsatzbereich in der Versorgung von Hochleistungspumpen, Elektrostatischer Filter und bei Versorgungsunternehmen (Stromtransport)

Spannungswandlung

Um aus einer Versorgungsspannung (z.B. 230V) eine Steuerspannung (z.B. 24 V) zu machen, muss diese Spannung (meistens) heruntergeregelt werden.

Hierzu gibt es diverse Möglichkeiten:

Transformator – kurz, Trafo – regelt eine Wechselspannung auf der Primärseite (Eingang) im Verhältnis der Windungszahlen in eine andere Wechselspannung auf der sekundäres Seite (Ausgang)

Mit zusätzlichem Gleichrichter (Brückengleichrichter, Diode) wird dann daraus eine Gleichspannung erzeugt

Schaltnetzteil – elektronisch geregelte Spannungswandlung – sehr stabil und verhältnismäßig klein in der Baugröße

Vorwiderstand, Spannungsteiler – passive, von der Belastung und Eingangsspannung abhängige, unstabile, aber sehr billige Möglichkeit.

Strom in elektrischen Anlagen

Strom ist der Teil an Elektrik, der gefährlich ist – Warum? Erst wenn Strom fließen kann, haben wir eine elektrische Leistung (in Abhängigkeit vom Verbraucher). Je weniger Widerstand ein Verbraucher hat, umso höher ist der fließende Strom.

Also: wer 230 V anfasst, und dabei feuchte Hände hat und gleichzeitig gut geerdet, der hat weniger Überlebenschancen als jemand, der 1000 V berührt, aber Gummisohlen an den Schuhen hat und auf einer Holzplatte steht. (siehe auch FI-Kennlinie)

 Nebenstehende Tabelle dient der Errechnung der Stromstärken in elektrischen Systeme in Abhängigkeit der Leistung der angeschlossenen Geräte. Man muss nur wissen, welche Spannung (Betriebsspannung Ub) gegeben ist und die Leistung (P) vom Typenschild ablesen. Setzt man für U die Spannung ein, für P die Leistung und für cos φ den angegebenen Wirkungsgrad, so ergibt sich die Stromstärke I .

Beispiel: ein Förderbandmotor hat angegebene 1,2 kW bei 230V AC und einem Wirkungsgrad cos φ von 0,89, so ergibt sich für den Strom I bei Anschluss an eine normale Steckdose:
1,2 * 1000 [W] / 230 [V] * 0,89 = 5,86 [A]

Scheinleistung und Blindleistung sind für uns in diesem Fall nicht von Interesse, da die Scheinleistung ein mehr oder minder rein mathematische Größe aus der Elektrotechnik ist, die Blindleistung seitens des Elektrizitätswerkes und der Motorenhersteller durch eine sogenannte Blindleistungkompensation mit Hilfe von kapazitiven (Kondensator) oder induktiven (Spule) Widerständen aufgefangen wird.

Strombelastbarkeit von Leiterquerschnitten

Wichtig zu wissen, welchen Querschnitt ein Kabel oder Leitung haben muss, um den errechneten Strom der angehängten Maschinen zu verkraften. Kabel sind elektrisch isolierte Kupferstränge, durch die Strom (und Signale) übertragen werden. Es gibt diese in diversenAusführungen für Verlegung in der Erde, Verlegung in Trassen und Kanälen, in der Wand, oder zur flexiblen Nutzung als z.B. Verlängerungskabel. Fest installierte Leitungen gehören zur Haustechnik, die in Maschinen verlegten Steuerleitungen gehören zur Antriegbstechnik. Hochflexible Leitungen (sog. Schleppketten-, Festoon- oder Roboterleitungen) werden in Kränen, Robotern oder Maschinenteilen zur bewegten Versorgung eingesetzt.

Querschnitt

einadrige Leitungen einzeln oder im Rohr

isolierte, mehradrige Leitungen, aufputz, unterputz oder frei verlegt

frei verlegte einadrige Leitungen

0,75

-

12 (6)

15 (10)

1,0

11 (6)

15 (10)

19 (10)

1,5

15 (10)

18 (10)

24 (20)

2,5

20 (16)

18 (20)

32 (25)

4

25 (20)

34 (25)

42 (35)

6

33 (25)

44 (35)

54 (50)

10

45 (35)

61 (50)

73 (63)

16

61 (50)

82 (63)

98 (80)

Alle Angaben gelten für Kupferleitung (Cu) in A(mpere), Angaben in Klammern sind die maximal zulässigen (Leitungs-) schutzorgane , sprich Sicherungen.

Nach DIN 57 100 Teil 523 oder VDE 0100 Teil 523/6.81 (Strombelastbarkeit)
Nach DIN 57 100 Teil 430 oder VDE 0100 Teil 430/6.81 bei 30 °C (Schutzorgane)

 


vorherige Seite: Periodensystem
Nächste Seite: Logistikmeister