18. Versorgung mit elektrischer Energie

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1 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

2 Herleitung des Übersetzungsverhältnisses
Aus der zweiten Kirchhoffschen Regel folgt für den Primärkreis: die durch die Selbstinduktion bewirkte Spannung. U1 + UL1 = 0 UL1 = – U1 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. In einer Windung der Primärspule wird eine Spannung von induziert. Versorgung mit elektr. Energie

3 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: II: Daraus folgt für die Spannungsübersetzung: Versorgung mit elektr. Energie

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2. Belasteter Trafo Führe Schülerversuch 3 durch! 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

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Stromübersetzung ? Ansatz: Leistung im Primärkreis = Leistung im Sekundärkreis Es gilt annähernd: und daher: Die Ströme werden verkehrt proportional zur Windungszahl transformiert. Versorgung mit elektr. Energie

6 Anwendungen des Transformators:
Versuch: Lange Leitung Die beiden Widerstände simulieren den Leitungswiderstand Ergebnis: Die Lampe leuchtet nicht. Der Hochspannungstrafo Ergebnis: Die Lampe leuchtet. Versorgung mit elektr. Energie

7 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

8 Versorgung mit elektr. Energie
Schweißtrafo Der Nagel glüht und schmilzt dann durch. Versorgung mit elektr. Energie

9 18.2 Dreiphasenwechselstrom (Drehstrom)
Überlegung: Verluste durch Spannungsabfall an beiden Leitungen. Könnte man eine Leitung einsparen? Versorgung mit elektr. Energie

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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

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Drehstrom Drehstrom Drehstrom Versorgung mit elektr. Energie

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Phasen Versorgung mit elektr. Energie

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Phasen Versorgung mit elektr. Energie

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Sternschaltung Versorgung mit elektr. Energie

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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

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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

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Dreiecksschaltung Versorgung mit elektr. Energie

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U Potential am Phasenleiter 1 U Potential am Phasenleiter 2 U Potential am Phasenleiter 3 Die Potentialdifferenz zwischen Phasenleiter 1 und Phasenleiter 2 beträgt : ( = 400 V) Zwischen 2 Phasen des Drehstroms herrscht eine Spannung von 400 V. Versorgung mit elektr. Energie

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Sternschaltung Dreiecksschaltung 230V 400V Versorgung mit elektr. Energie

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Bei Verwendung von 400 V ( -fache Spannung) ergibt sich am selben Verbraucher wegen P = U²/R die 3 - fache Leistung. Vorteile des Dreiphasenwechselstromes: 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

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18.3 Drehstrommotoren Synchronmotor Versuch: Prinzip des Synchronmotors: 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

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Statt des rotierenden Hufeisenmagneten verwenden wir ein magnetisches Drehfeld, das mit Drehstrom gespeist wird. Entstehen des magnetischen Drehfelds. Das resultierende Magnetfeld rotiert.  Magnetisches Drehfeld. Versorgung mit elektr. Energie

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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: ns ... Drehzahl Synchronmotor f ... Frequenz des Drehstroms p ... Anzahl der Polpaare Versorgung mit elektr. Energie

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Der Asynchronmotor Versuch: Ergebnis: Der Alu-Ring dreht sich mit einem gewissen Schlupf mit. 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. Versorgung mit elektr. Energie

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Technische Ausführung: Käfiganker. (vgl. B. S Abb. 90.4) Vorteile: robust. Keine leitende Verbindung zu rotierenden Teilen. Schlupf: n ... Drehzahl des Motors (Läufers) ns ... Drehzahl des Drehfeldes Versorgung mit elektr. Energie

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18.4 Stromversorgung. Ermittle aus dem Buch und verschiedenen Unterlagen: 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. Belastungsdiagramm 4. Welche Kraftwerkstypen werden wofür eingesetzt? 5. Versorgung Österreichs mit Strom, Art der Strombeschaffung (Kraftwerkstyp, Import, Export,...) Versorgung mit elektr. Energie

28 Vom Kraftwerk zum Verbraucher
Ende Versorgung mit elektr. Energie