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

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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 ?

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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.

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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.

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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 "

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Schweißtrafo

~230V

600W / 5W

Trafo

Nagel

Der Nagel glüht und schmilzt dann durch.

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18.2 Dreiphasenwechselstrom (Drehstrom)Überlegung:

~ Verbraucher

RLeitung

RLeitung

Verluste durch Spannungsabfall an beiden Leitungen.

Könnte man eine Leitung einsparen?

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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

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.

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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.

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DreiecksschaltungDreiecksschaltung

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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.

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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.

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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.

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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: p

60fns

ns ... Drehzahl Synchronmotorf ... Frequenz des Drehstromsp ... Anzahl der Polpaare

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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:

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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:

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EndeEnde

Vom Kraftwerk Vom Kraftwerk zum Verbraucherzum Verbraucher