Europa-FachbuchrEihEfür elektrotechnische berufe
31. überarbeitete und erweiterte Auflage
bearbeitet von Lehrern an beruflichen Schulen und von ingenieuren(siehe rückseite)
Lektorat: Klaus Tkotz, Kronach
VErLag Europa-LEhrmiTTEL · Nourney, Vollmer gmbh & co. KgDüsselberger Straße 23 · 42781 haan-gruiten
Europa-Nr.: 30138
Fachkunde Elektrotechnik
Autoren der Fachkunde Elektrotechnik:Bumiller, Horst FreudenstadtBurgmaier, Monika DurbachEichler, Walter KaiserslauternFeustel, Bernd Kirchheim-TeckKäppel, Thomas MünchbergKlee, Werner MehlingenManderla, Jürgen BerlinReichmann, Olaf AltlandsbergSchwarz, Jürgen TettnangTkotz, Klaus KronachWinter, Ulrich Kaiserslautern
Lektorat und Leitung des Arbeitskreises: Klaus Tkotz
Bildentwürfe: Die Autoren
Fotos: Autoren und Firmen (Firmenverzeichnis Seite 667)
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31. Auflage 2018Druck 5 4 3 2
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ISBN 978-3-8085-3479-3
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© 2018 by Verlag Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG, 42781 Haan-Gruitenhttp://www.europa-lehrmittel.de
Satz: Satz+Layout Werkstatt Kluth GmbH, 50374 ErftstadtUmschlag: braunwerbeagentur, 42477 RadevormwaldUmschlagfotos: Steckdose: © emmi – Fotolia.com; Weltkugel: © erdquadrat – Fotolia.com; Figur: Klaus Tkotz;
Kleinsteuergerät LOGO!: Siemens AGUmschlagidee: Klaus TkotzDruck: mediaprint solutions GmbH, 33100 Paderborn
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Beruf und Betrieb 617
Praxistipps (Auswahl)• Effektivwertmessung nicht sinusförmiger Größen . . . . . 179• Messen mit dem Oszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184• Installation, Inbetriebnahme eines Frequenzumrichters 271• Auslegung, Dimensionierung einer Fotovoltaikanlage. . 283• Farbkennzeichnung von Leitern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309• Verlegen von Leitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312• Beispiel einer Leitungsberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326• Prüfung elektrischer Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376• Multimediaverkabelung, vernetztes Haus . . . . . . . . 428, 442• Anschluss eines Elektromotors, Auswahl. . . . . . . . . 491, 492• Auswahl eines PC-Mainboard . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529• Herstellen einer WLAN-Verbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . 542• Existenzgründung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642
Elektrotechnik
Inhaltsverzeichnis (Kurzform) 1 arbeitssicherheit und gesundheitsschutz . . . . . . . . . 15 2 grundbegriffe der Elektrotechnik . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3 grundschaltungen der Elektrotechnik . . . . . . . . . . . . 49 4 Elektrisches Feld. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 5 magnetisches Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 6 Schaltungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 7 Wechselstromtechnik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 8 messtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 9 Elektronik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19310 Elektrische anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27511 Schutzmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34212 gebäudetechnische anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38013 Elektrische maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45914 informationstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52115 automatisierungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54516 Werkstoffe, Fertigung, umwelt, Energieeinsparung 596
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Kapitelnummer und Symbole
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AllgemeinesVorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4Inhaltsverzeichnis (ausführlich). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 –10Lernfeldhinweise und Projektbearbeitung . . . . . . . . . . 11–14Sachwortverzeichnis Deutsch – Englisch ab Seite 668
Infoseiten• Schaltzeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 646• Elektrotechnische u. allg. Symbole, Prüfzeichen . . . . . . . 652• Widerstände und Kondensatoren (Kennzeichnung) . . . . 654• Überstrom-Schutzeinrichtungen (Auslösekennlinien) . . 655• Leitungen u. Kabel (Verlegearten, mindestquerschnitte) 656• Leitungen (Strombelastbarkeit, umrechnungsfaktoren) 657• Drehstrommotoren (Betriebsdaten) . . . . . . . . . . . . . . . . . 658• Dioden, Transistoren, Thyristor, Triac (Kennlinien) . . 659• Wichtige Abkürzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 662• Fachbegriffe Englisch – Deutsch . . . . . . . . . . . . . . . . . 664
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Liebe Leserin, lieber Leser,die Fachkunde Elektrotechnik dient der Aus- und Weiterbildung im Berufsfeld Elektrotechnik. Dieses Fachbuch wendet sich an alle, die in diesem Berufsfeld tätig sind.
Aufbau der Fachkunde Elektrotechnik
Das Buch ist fachsystematisch aufgebaut und fördert Ihr eigenständiges Lernen.
Sie finden Erklärungen und einheitliche Darstellungen wich- tiger Gesetze und Formeln der Elektrotechnik.
Wiederholungsseiten festigen und vertiefen Ihr erworbenes Wissen. Zum Bearbeiten der Wiederholungsaufgaben hilft Ihnen ein zusätzliches Lösungsbuch. Ergebnisse der Rechen-aufgaben finden Sie auf Seite 644.
Praxistippseiten unterstützen Ihre berufliche Tätigkeit. Ein Infoteil am Buchende unterstützt Ihre kompetenzorientierte und praxisnahe Ausbildung.
Digital+ beinhaltet einen Freischaltcode für das virtuelle Me-dienregal EUROPATHEK mit Bildern, Tabellen und Infoseiten sowie nützlichen Programmen und Bedienungsanleitungen. Diese Inhalte finden Sie zusätzlich auf der beiliegenden DVD. Sie erkennen dies an den Zeichen .
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Für die Vertiefung und Vervollständigung Ihres Fachwissens gibt es weitere Hilfen durch ergänzende Fachliteratur.
Die Fachkunde Elektrotechnik auf einen Blick
Was können wir für Sie noch besser machen? Schreiben Sie uns unter: [email protected]
Das Autorenteam und der Verlag Europa-Lehrmittel wünschen Ihnen mit diesem Buch interessante Anregungen und eine wertvolle Hilfe für Ihre Ausbildung und berufliche Tätigkeit. Winter 2017/2018
Vo
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Fachqualifikationen vermitteln
Lernprozesse aktivieren
Hilfe bei der Projektbearbeitung geben
Buch-DVD
Animations-DVD
Fort- und Weiterbildung fördern
Gruppenarbeit unterstützen
Teamarbeit fördern
Berufsschulen
Energie- und Gebäudetechnik
Gebäude- undInfrastruktursysteme
Maschinen- und Antriebstechnik
Geräte und SystemeMaschinen- und Antriebstechnik
Automatisierungstechnik
Automatisierungstechnik
Systemelektroniker/-in
Elektroniker/-in für:
Elektroniker/-in für:
(Industrie)
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Auszubildende,Schüler/-in,Studierende
Fachschulen
Betriebe
FachoberschulenBerufsoberschulen
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Technische GymnasienZielgruppen
Das Buch soll
Ausbildungs- richtungen
Messtechnik
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Raumarten
Verlegen von Leitungen
Schutzmaßnahmen
Gefahrenmeldeanlagen
ALL-IP
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Praxistipps, z.B. zuNeu bzw. überarbeitet z.B.
Industrieelektriker/-in
Mechatroniker/-inElektroanlagenmonteur/-in
BetriebstechnikGeräte und Systeme
SchutzmaßnahmenInformationstechnikGebäudetechnikMesstechnikSchaltungstechnikMotoren
AVQ
Praktiker/-inim Beruf Hochschulen
i Was gibt’s Neues?
Neue Seiten, z. B.: – Wechselstromleistung – Praktisches Messen – Normen der Elektrotechnik – Leitungsverlegung – Gefahrenmeldeanlagen – ALL-IP Animationen zu ausgewählten Themen,
z. B. Spannungsteiler (Seite 55), die käuf-lich auf einer CD und als App er worben
werden können. Die Kenn- zeichnung erfolgt auf der entsprechenden Seite im Buch mit einem Code und dem „SimElektro“-Symbol:
i Ergänzende Fachliteratur
Arbeitsblätter Fachkunde Elektrotechnik Fachkunde Elektrotechnik Aufgaben und Lösungen
Arbeitsbuch Elektrotechnik Lernfeld 1–4 und 5–13
Rechenbuch Elektrotechnik Formeln für Elektrotechniker Praxis Elektrotechnik Tabellenbuch Elektrotechnik Technische Kommunikation Elektrotechnik
Prüfungsvorbereitung Aktuell Elektroniker für Energie- und Gebäude-technik
S1
WWW www.europa-lehrmittel.de/simelektro
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inhaltsverzeichnis
1 Arbeitssicherheit und Gesundheitsschutz 15
1.1 Sicherheit und Gesundheitsschutz am Arbeitsplatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2 Produktsicherheitsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.3 Gefahrstoffverordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.4 Sicherheitszeichen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.5 Erste Hilfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Praxistipp: Gefährdungsbeurteilung . . . . . . . . . . 19Wiederholen – anwenden – Vertiefen: arbeitsschutz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2 Grundbegriffe der Elektrotechnik . . . . . . . . 21
2.1 Umgang mit physikalischen Größen . . . . . . . . 21 masse und Kraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 mechanische arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 mechanische Leistung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.2 Arten von Stromkreisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Elektrischer gleichstromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Schaltzeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.3 Elektrische Ladung (Elektrizitätsmenge) . . . . . 26 aufbau der atome (bohrsches atommodell). . . 272.4 Elektrische Spannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.4.1 Spannungserzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.4.2 Spannung am Verbraucher. . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.4.3 potenzial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.4.4 arten der Spannungserzeugung . . . . . . . . . . . . . 292.4.5 messen elektrischer Spannung . . . . . . . . . . . . . . 302.5 Elektrischer Strom. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.5.1 Elektrischer Strom in metallen . . . . . . . . . . . . . . . 322.5.2 messen elektrischer Stromstärke . . . . . . . . . . . . . . 322.5.3 Wirkungen des elektrischen Stromes . . . . . . . . . 332.5.4 Stromarten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.5.5 Stromdichte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.6 Elektrischer Widerstand und Leitwert. . . . . . . . 362.7 Ohmsches Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372.8 Leiterwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382.9 Temperaturabhängigkeit des Widerstandes . . 392.10 Bauarten von Widerständen . . . . . . . . . . . . . . . 402.11 Elektrische Energie und Arbeit . . . . . . . . . . . . . 422.11.1 gewinnung elektrischer Energie . . . . . . . . . . . . . 422.11.2 Elektrische arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432.12 Elektrische Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442.13 Wirkungsgrad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462.14 Elektrowärme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Wiederholen – anwenden – Vertiefen: grundbegriffe der Elektrotechnik. . . . . . . . . . . . . 48
3 Grundschaltungen der Elektrotechnik. . . . 49
3.1 Reihenschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.1.1 gesetze der reihenschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . 493.1.2 Vorwiderstände. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.1.3 Spannungsfall an Leitungen. . . . . . . . . . . . . . . . . 523.2 Parallelschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.3 Gemischte Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.3.1 Spannungsteiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.3.2 brückenschaltung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573.3.2.1 abgeglichene brückenschaltung . . . . . . . . . . . . . 573.3.2.2 Nicht abgeglichene brückenschaltung . . . . . . . . 583.3.3 Widerstandsbestimmung durch Strom-. . . . . . . 59 und Spannungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593.4 Spannungsquelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603.4.1 belastungsfälle einer Spannungsquelle . . . . . . . 603.4.2 Ersatzschaltbild einer Spannungsquelle. . . . . . . 613.4.3 anpassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613.4.4 Schaltungen von Spannungsquellen . . . . . . . . . 633.5 Galvanische Elemente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643.5.1 umwandlung chemischer Energie in elektrische
Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.5.2 primärelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653.5.3 Sekundärelemente (akkumulatoren). . . . . . . . . . 67
Wiederholen – anwenden – Vertiefen: grundschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4 Elektrisches Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.1 Eigenschaften des elektrischen Feldes . . . . . . . . 714.2 Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724.2.1 Elektrische Feldstärke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724.2.2 Elektrische influenz und polarisation. . . . . . . . . . 724.2.3 Elektrische Felder in der Praxis. . . . . . . . . . . . . . . 734.3 Kondensator im Gleichstromkreis. . . . . . . . . . . 744.3.1 Verhalten eines Kondensators . . . . . . . . . . . . . . . 744.3.2 Kapazität eines Kondensators. . . . . . . . . . . . . . . . 744.3.3 Laden und Entladen von . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 764.3.4 Energie des geladenen Kondensators. . . . . . . . . 774.4 Schaltungen von Kondensatoren . . . . . . . . . . . 784.4.1 parallelschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 784.4.2 reihenschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 784.5 Kenngrößen und Bauarten von . . . . . . . . . . . . . 79 Kondensatoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 794.5.1 Kenngrößen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 794.5.2 bauarten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Wiederholen – anwenden – Vertiefen: Elektrisches Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5 Magnetisches Feld. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.1 Eigenschaften der Magnete und Darstellungs-hilfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.2 Elektromagnetismus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 845.2.1 Stromdurchflossener Leiter und magnetfeld. . . 845.2.2 Stromdurchflossene Spule und magnetfeld . . . 855.3 Magnetische Größen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 865.3.1 magnetischer Fluss F . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 865.3.2 Elektrische Durchflutung . . . . . . . . . . . . . . . . . 865.3.3 magnetische Feldstärke H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 875.3.4 magnetische Flussdichte B . . . . . . . . . . . . . . . . . . 875.4 Eisen im Magnetfeld einer Spule. . . . . . . . . . . . 885.5 Strom und Magnetfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 915.5.1 Stromdurchflossener Leiter im magnetfeld . . . . 915.5.2 Stromdurchflossene Spule . . . . . . . . . . . . . . . 93 im magnetfeld. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 935.5.3 Stromdurchflossene parallele Leiter . . . . . . . . . . 935.6 Spannungserzeugung durch Induktion . . . . . . 945.6.1 generatorprinzip (induktion der bewegung) . . . 945.6.2 Lenzsche regel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 955.6.3 Transformatorprinzip (induktion der ruhe) . . . . 965.6.4 Selbstinduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 985.6.5 Wirbelströme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Wiederholen – anwenden – Vertiefen: magnetisches Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6 Schaltungstechnik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.1 Schaltungsunterlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101Praxistipp: Installation einer Wechsel- schaltung mit Steckdose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.2 Installationsschaltungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . 1046.2.1 Lampenschaltungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1046.2.2 Schaltungen mit melde- . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 leuchten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1066.2.3 Stromstoßschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1076.2.4 infrarot-bewegungsmelder. . . . . . . . . . . . . . . . . 1076.2.5 Treppenlicht-Zeitschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . 1086.2.6 hausrufanlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1086.2.7 haussprechanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1096.3 Elektromagnetische Schalter. . . . . . . . . . . . . . 1116.3.1 relais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1126.3.2 Schütze. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1146.3.3 Schützschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1156.3.3.1 anwendungen von Schützschaltungen . . . . . . 116
6
7.10 Kompensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1637.10.1 Kompensationsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1647.10.2 bemessung von Kompensations-
kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1657.10.3 Tonfrequenzsperrkreise. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1657.10.4 Kompensation bei nichtsinusförmigen
Strömen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166Wiederholen – anwenden – Vertiefen: Wechselstromtechnik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
8 Messtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
8.1 Elektrische Messgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1688.1.1 grundbegriffe der messtechnik . . . . . . . . . . . . . 1688.1.2 anzeigearten von messgeräten . . . . . . . . . . . . . 1698.1.3 analoge messgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1698.1.3.1 messfehler von analogen messgeräten . . . . . . 1708.1.3.2 Elektrische messwerke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1718.1.4 Digitale messgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1728.1.5 Elektrizitätszähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1748.1.5.1 induktionszähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1748.1.5.2 Elektronische Elektrizitätszähler . . . . . . . . . . . . . 1758.2 Praktisches Messen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1768.2.1 messen von Leistungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1768.2.2 messen von Widerständen . . . . . . . . . . . . . . . . . 1768.2.3 messen mit Strommesszangen . . . . . . . . . . . . . 1778.2.4 messkategorien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
Praxistipp: Praktisches Messen mit dem Digitalmultimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178Praxistipp: Effektivwertmessung nicht sinusförmiger größen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
8.3 Oszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1808.3.1 analoges oszilloskop. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1808.3.1.1 aufbau eines analog-oszilloskops . . . . . . . . . . 1808.3.1.2 Zweikanal-oszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1828.3.1.3 messen mit dem oszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . 1828.3.2 Digitalspeicher-oszilloskop (DSo) . . . . . . . . . . . . . 183
Praxistipp: Messen mit dem Oszilloskop . . . . . 1848.4 Messen nichtelektrischer Größen mit
Sensoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1858.4.1 aktive und passive Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . 1858.4.2 anwendungen von Sensoren. . . . . . . . . . . . . . . 1868.4.2.1 Sensoren zur Weg- und Winkelmessung . . . . . 1868.4.2.2 Sensoren zur messung von Dehnung, Kraft,
Druck und Drehmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1888.4.2.3 Sensoren zur messung von Temperaturen . . . 1898.4.3 Näherungsschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1908.4.3.1 optische Näherungsschalter. . . . . . . . . . . . . . . . 1908.4.3.2 induktive Näherungsschalter . . . . . . . . . . . . . . . 1908.4.3.3 Kapazitive Näherungsschalter . . . . . . . . . . . . . . 1918.4.3.4 ausführung von Näherungsschaltern. . . . . . . . 191
Wiederholen – anwenden – Vertiefen: messtechnik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
9 Elektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
9.1 Halbleiterwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1939.2 Halbleiterwiderstände. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1959.2.1 Spannungsabhängige Widerstände
(Varistoren) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1959.2.2 heißleiter (NTc-Widerstände). . . . . . . . . . . . . . . 1969.2.3 Kaltleiter (pTc-Widerstände). . . . . . . . . . . . . . . . 1979.2.4 Feldplatten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1999.3 Hallgeneratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1999.4 Halbleiterdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2009.4.1 Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2009.4.2 Leistungsdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2009.4.3 Z-Dioden (begrenzerdioden). . . . . . . . . . . . . . . . 2019.4.4 halbleiterkennzeichnung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2029.4.5 Kühlung von halbleiterbauelementen . . . . . . . 2039.5 Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2049.5.1 bipolare Transistoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2049.5.1.1 Transistoren in der Praxis . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2069.5.1.2 Einstellung des arbeitspunktes . . . . . . . . . . . . . . 2079.5.1.3 Stabilisierung des arbeitspunktes . . . . . . . . . . . 2089.5.1.4 Transistor als Schalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
inhaltsverzeichnisIn
hal
tsve
rzei
chn
is 6.4 Klemmenplan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1216.5 Elektrische Ausrüstung von Maschinen . . . . 122
Praxistipp: Anforderungen an Steuerstromkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124Wiederholen – anwenden – Vertiefen: Schaltungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7 Wechselstromtechnik. . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.1 Kenngrößen der Wechselstromtechnik . . . . . 1267.1.1 periode und Scheitelwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1267.1.2 Frequenz und periodendauer . . . . . . . . . . . . . . . 1267.1.3 Frequenz und Wellenlänge . . . . . . . . . . . . . . . . . 1277.2 Sinusförmige Wechselgrößen . . . . . . . . . . . . . 1287.2.1 Zeigerdarstellung von Sinusgrößen . . . . . . . . . 1287.2.2 Kreisfrequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1297.2.3 Erzeugung von Sinusspannungen. . . . . . . . . . . 1297.2.4 Scheitelwert und Effektivwert bei
sinusförmigen Wechselgrößen . . . . . . . . . . . . . 1307.2.5 Zeitlicher Verlauf von Wechselgrößen . . . . . . . 1317.2.6 Nichtsinusförmige Spannungen und Ströme . 1327.2.7 phasenverschiebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1337.2.8 Wirkwiderstand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1337.2.9 Scheinwiderstand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1337.3 Spule im Wechselstromkreis . . . . . . . . . . . . . . 1347.3.1 induktiver blindwiderstand. . . . . . . . . . . . . . . . . 1347.3.2 reihenschaltung aus Wirkwiderstand und
induktivem blindwiderstand. . . . . . . . . . . . . . . . 1357.3.3 Spannungsdreieck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1367.3.4 Widerstandsdreieck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1377.3.5 Verlustwinkel, Verlustfaktor und gütefaktor. . . 137 einer Spule. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1377.3.6 parallelschaltung aus Wirkwiderstand und
induktivem blindwiderstand. . . . . . . . . . . . . . . . 1387.3.7 Stromdreieck und Leitwertdreieck. . . . . . . . . . . 1387.4 Leistungen im Wechselstromkreis . . . . . . . . . 1397.4.1 Wirkleistung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1397.4.2 blindleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1397.4.3 Scheinleistung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1407.4.4 Zusammenhang zwischen der . . . . . . . . . . . . . . 141 Wirk-, blind- und Scheinleistung . . . . . . . . . . . . 1417.4.5 Leistungsfaktor, Wirkfaktor und blindfaktor. . . 1427.4.6 Verlustleistung bei realen Spulen . . . . . . . . . . . 1427.5 Kondensator im Wechselstromkreis. . . . . . . . 1437.5.1 Kapazitiver blindwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . 1437.5.2 reihenschaltung aus Wirkwiderstand und. . . . 144 kapazitivem blindwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . 1447.5.3 parallelschaltung aus Wirkwiderstand und
kapazitivem blindwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . 1457.5.4 Verlustwinkel und gütefaktor eines
Kondensators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1467.6 Schaltung aus Spule, Kondensator und
Wirkwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1477.6.1 reihenschaltung aus Wirkwiderstand,
induktivem und kapazitivem blindwiderstand 1477.6.2 parallelschaltung aus Wirkwiderstand,
induktivem und kapazitivem blindwiderstand 1487.7 Schwingkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1497.7.1 resonanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1507.7.2 reihenschwingkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1507.7.3 parallelschwingkreis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1517.8 Siebschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1537.8.1 rL-Tiefpass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1537.8.2 rL-hochpass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1537.8.3 rc-Tiefpass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1547.8.4 rc-hochpass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1547.9 Dreiphasenwechselstrom (Drehstrom) . . . . . 1557.9.1 Entstehung der Dreiphasenwechselspannung 1557.9.2 Verkettung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1557.9.3 Sternschaltung (Zeichen: Y) . . . . . . . . . . . . . . . . 1577.9.4 Dreieckschaltung (Zeichen: g) . . . . . . . . . . . . . . 1597.9.5 Leiterfehler in Drehstromsystemen. . . . . . . . . . 1607.9.6 Leistung in Drehstromsystemen . . . . . . . . . . . . 1617.9.7 Leistungsmessung in Drehstromsystemen . . . 162
7
9.5.1.5 Kippschaltungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2119.5.1.6 Verstärkerschaltungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2139.5.2 Feldeffekttransistoren (FET) . . . . . . . . . . . . . . . . 2159.6 Optoelektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2189.6.1 optoelektronische Sender. . . . . . . . . . . . . . . . . . 2189.6.2 optoelektronische Empfänger (Detektoren). . . 2209.6.3 Flüssigkristallanzeigen (LcD1). . . . . . . . . . . . . . . 2229.6.4 optokoppler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2229.7 Operationsverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2239.7.1 grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2239.7.2 analoge Schaltungen mit operations-
verstärkern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2259.7.3 Digitale Schaltungen mit operations-
verstärkern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2279.8 Digitaltechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2299.8.1 Signalarten der Digital- und . . . . . . . . . . . . . . . . 229 Steuerungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2299.8.2 grundverknüpfungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2299.8.2.1 uND-Verknüpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2299.8.2.2 oDEr-Verknüpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2309.8.2.3 NichT-Verknüpfung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2309.8.3 grundverknüpfungen mit ausgangs- oder
Eingangsnegation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2319.8.3.1 Verknüpfungen mit ausgangsnegation . . . . . . 2319.8.3.2 Verknüpfungen mit Eingangsnegation . . . . . . . 2319.8.3.3 Eingangsbeschaltung logischer
Verknüpfungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2329.8.3.4 anwendung der grundverknüpfungen. . . . . . . 2329.8.4 Schaltkreisfamilien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2339.8.4.1 TTL-Schaltkreisfamilie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2339.8.4.2 cmoS-Schaltkreisfamilie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2339.8.5 Schaltalgebra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2349.8.6 antivalenz-Verknüpfung und Äquivalenz-
Verknüpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2359.8.7 Kippglieder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2369.8.7.1 Zustandsgesteuerte und taktgesteuerte
Kippglieder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2369.8.7.2 Zweiflankengesteuertes JK-Kippglied. . . . . . . . 2379.8.7.3 Schaltungen mit Kippgliedern . . . . . . . . . . . . . . 2389.8.8 analog-Digital-umsetzer (aD-umsetzer) . . . . . 2399.8.9 Digital-analog-umsetzer (Da-umsetzer) . . . . . 2419.9 Leistungselektronik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2429.9.1 bauelemente der Leistungselektronik . . . . . . . . 2429.9.1.1 Thyristor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2429.9.1.2 gTo-Thyristor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2459.9.1.3 Triac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2459.9.1.4 Diac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2469.9.1.5 igbT (insulated gate bipolar Transistor) . . . . . 2479.9.2 begriffe der Leistungselektronik. . . . . . . . . . . . . 2489.9.3 gleichrichterschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2499.9.3.1 ungesteuerte gleichrichterschaltungen . . . . . . 2499.9.3.2 gesteuerte gleichrichterschaltungen . . . . . . . . 2549.9.4 Wechselrichterbetrieb von netzgeführten
Stromrichtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2579.9.5 Wechselstrom-umrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2589.9.5.1 Wechselwegschaltung W1c . . . . . . . . . . . . . . . . 2589.9.5.2 Vielperiodensteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2599.9.6 gleichstrom-umrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2609.9.6.1 gleichstromsteller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2609.9.6.2 Durchflusswandler und Sperrwandler . . . . . . . 2619.9.6.3 ansteuerungsarten für gleichstromsteller . . . . 2619.9.7 Selbstgeführte Wechselrichter . . . . . . . . . . . . . . 2629.9.8 unterbrechungsfreie Stromversorgungs-
systeme (uSV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2639.9.9 Stromrichter-antriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2649.9.9.1 betriebsarten elektrischer antriebe . . . . . . . . . . 2649.9.9.2 gleichstrommotor am Thyristor-Stromrichter 2659.9.9.3 gleichstrommotor an Sechspuls-brücken -
schaltung b6c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2669.9.9.4 gleichstrommotor im Vierquadranten-betrieb 266 (4-Q-betrieb) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2669.9.9.5 Drehzahlsteuerung mit Transistor-
gleichstromsteiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2679.9.9.6 Frequenzumrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2689.9.9.7 Drehstrom-asynchronmotor am
Frequenzumrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
inhaltsverzeichnis
Inh
alts
verz
eich
nis9.9.9.8 auswahl eines Drehstromantriebes mit
Frequenzumrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270Praxistipp: Frequenzumrichter, Installation u. inbetriebnahme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
9.9.10 Netzgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2729.9.10.1 geregelte Netzgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2729.9.10.2 Spannungsregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2739.9.10.3 Schaltnetzgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
Wiederholen – anwenden – Vertiefen: Elektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
10 Elektrische Anlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
10.1 Energieerzeugung und Energieübertragung 27510.1.1 Kraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27510.1.1.1 Wärmekraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27610.1.1.2 umweltschutz in Wärmekraftwerken . . . . . . . . 27710.1.1.3 blockheizkraftwerke (bhKW). . . . . . . . . . . . . . . . 27810.1.1.4 Wasserkraftwerke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27910.1.1.5 Erneuerbare Energien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
Praxistipp: Auslegung und Dimensionierung einer Fotovoltaikanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
10.1.2 Energiemanagement in intelligenten Netzen (Smart grid). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
10.1.2.1 Smart grid in gebäuden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28610.1.2.2 Energiespeichersysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28610.1.3 umspannwerke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28710.1.3.1 Spannungsebenen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28710.1.3.2 umspannanlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28710.1.3.3 hochspannungsschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28810.1.4 Übertragungs- und Verteilnetze . . . . . . . . . . . . . 29010.1.4.1 höchstspannungsnetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29010.1.4.2 Netzformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29110.1.5 Niederspannungsanlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . 29210.1.5.1 Netzaufbau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29210.1.5.2 hausanschluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29310.1.5.3 Erdungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29510.1.5.4 Schutzpotenzialausgleich über die haupt-
erdungsschiene. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29610.1.5.5 hauptstromversorgungssysteme . . . . . . . . . . . 297
Praxistipp: Zählerschrank mit Stromkreis- und multimediaverteiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299Praxistipp: Ausstattung elektr. Anlagen in Wohngebäuden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
10.1.6 Elektromagnetische Verträglichkeit und TN-System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
10.2 Isolierte Leitungen, Kabel und Freileitungen 30610.2.1 isolierte Leitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
Praxistipp: Farbkennzeichnung von Leitern . . . 30910.2.2 Kabel für mittelspannungs- und Nieder-
spannungsanlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31010.2.3 Freileitungen für hoch- und mittelspannungs-
anlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31010.2.4 Datenleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
Praxistipp: Verlegen von Leitungen . . . . . . . . . 31210.3 Schutz elektrischer Leitungen und
Verbraucher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31410.4 Schutzschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31710.4.1 Thermischer auslöser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31710.4.2 Elektromagnetischer auslöser . . . . . . . . . . . . . . 31710.4.3 Leitungsschutzschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31810.4.4 Selektiver hauptleitungsschutzschalter . . . . . . 31810.4.5 brandschutzschalter (aFDD) . . . . . . . . . . . . . . . . 31910.4.6 Leistungsschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32010.4.7 motorschutzeinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 32010.5 Bemessung von fest verlegten Kabeln und
Leitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32310.5.1 Spannungsfall an Leitungen. . . . . . . . . . . . . . . . 32410.5.2 Anordnung von Überstrom-Schutz-
einrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325Praxistipp: Beispiel einer Leitungsberechnung 326Praxistipp: Leiterquerschnittsermittlung bei oberschwingungsströmen. . . . . . . . . . . . . . 327
8 InhaltsverzeichnisIn
hal
tsve
rzei
chn
is 10.6 Räume und Anlagen besonderer Art . . . . . . . 32910.6.1 Elektroinstallation in Räumen mit Badewanne
oder Dusche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32910.6.2 Sauna-Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33110.6.3 Baustellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33110.6.4 Landwirtschaftliche und gartenbauliche
Betriebsstätten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33210.6.5 Feuergefährdete Betriebsstätten. . . . . . . . . . . . . . . 33310.6.6 Explosionsgefährdete Bereiche . . . . . . . . . . . . . 33510.6.7 Medizinisch genutzte Bereiche. . . . . . . . . . . . . . 33610.6.8 Stromversorgungen für Elektro-Fahrzeuge . . . 33710.6.8.1 Ladestationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33710.6.8.2 Ladebetriebsarten und Ladesteck-
einrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33810.6.8.3 Installationsvorschriften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33810.6.9 Übersicht der Räume und Anlagen
besonderer Art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33910.7 Brandbekämpfung in elektrischen Anlagen . 34010.7.1 Verhalten beim Brand in elektrischen Anlagen 34010.7.2 Löschmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
Wiederholen – Anwenden – Vertiefen: Elektrische Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
11 Schutzmaßnahmen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
11.1 Gefahren im Umgang mit dem elektrischen Strom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
11.1.1 Wirkungen des elektrischen Stroms im menschlichen Körper. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
11.1.2 Direktes und indirektes Berühren. . . . . . . . . . . . 34411.1.3 Fachbegriffe Schutzmaßnahmen
(nach DIN VDE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34411.2 Sicherheitsbestimmungen für Nieder
spannungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34511.2.1 Schutzklassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34511.2.2 IP-Schutzarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34611.2.3 Maßnahmen bei Arbeiten an elektrischen
Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34711.2.4 Qualifikationen für Arbeiten in der
Elektrotechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34811.2.5 Fehlerarten in elektrischen Anlagen . . . . . . . . . 34911.2.6 Spannungen im Fehlerfall. . . . . . . . . . . . . . . . . . 34911.3 Netzsysteme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35011.4 Schutz gegen elektrischen Schlag . . . . . . . . . 35111.5 Automatische Abschaltung der Strom
versorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35211.5.1 Anforderungen an den Basisschutz
(Schutz gegen direktes Berühren) . . . . . . . . . . . 35211.5.2 Anforderungen an den Fehlerschutz
(Schutz bei indirektem Berühren). . . . . . . . . . . . 35311.5.3 Schutz im TN-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35411.5.4 Schutz im TT-System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35511.5.5 Schutz im IT-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35611.6 Doppelte oder verstärkte Isolierung . . . . . . . . 35711.7 Schutztrennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35711.8 Schutz durch Kleinspannung mittels SELV
oder PELV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35811.9 FehlerstromSchutzeinrichtungen . . . . . . . . . 35911.9.1 Aufbau und Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35911.9.2 Anwendungen von RCDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36011.9.3 Kennwerte von RCDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36111.9.4 Auswahl und Einsatz von RCDs . . . . . . . . . . . . . 36111.9.5 RCD als Brandschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36311.10 DifferenzstromÜberwachungseinrichtung . . 36311.11 Schutzvorkehrungen für Anlagen, die nur
durch Elektrofachkräfte betrieben und überwacht werden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
11.12 Prüfen der Schutzmaßnahmen . . . . . . . . . . . . 36511.12.1 Erstprüfungen von ortsfesten elektrischen
Anlagen und Betriebsmitteln nach DIN VDE 0100-600. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
11.12.2 Prüfen der Schutzleiter und Schutzpotenzial-ausgleichsleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
11.12.3 Messen der Isolationswiderstände in elektrischen Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
11.12.4 Prüfen der Schutzmaßnahmen SELV, PELV und Schutztrennung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
11.12.5 Isolationswiderstandsmessung von isolierenden Fußböden und Wänden . . . . . . . . 369
11.12.6 Prüfen der Schutzmaßnahme: Automatische Abschaltung der Stromversorgung im TN-, TT- und IT-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
11.12.6.1 Prüfen im TN-System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37011.12.6.2 Prüfen im TT-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37111.12.6.3 Messen des Erdungswiderstandes . . . . . . . . . . 37111.12.6.4 Prüfen im IT-System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37211.12.6.5 Prüfen der Fehlerstrom-Schutzeinrichtung
(RCD). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37211.12.6.6 Prüfen der Drehfeldrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . 37211.12.7 Wiederkehrende Prüfungen von elektrischen
Anlagen und ortsfesten Betriebsmitteln nach DIN VDE 0105 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
11.12.8 E-Check als Gütesiegel für die Elektroanlage. . 374Praxistipp: Prüfung elektrischer Anlagen . . . . . 375
11.13 Schutz gegen elektrostatische Aufladung . . . 378Wiederholen – Anwenden – Vertiefen: Schutzmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
12 Gebäudetechnische Anlagen. . . . . . . . . . . 380
12.1 Beleuchtungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38012.1.1 Farbspektrum und Farbwiedergabe . . . . . . . . . 38112.1.2 Lichttechnische Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38212.1.3 Kriterien für eine gute Beleuchtung. . . . . . . . . . 38412.1.4 Energieeffizienzanforderungen . . . . . . . . . . . . . 38512.1.5 Lampenübersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38612.1.6 Halogenlampen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38712.1.7 Leuchtstofflampen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38912.1.8 Vorschaltgeräte für Leuchtstofflampen . . . . . . 39012.1.9 Induktionslampen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39112.1.10 Natriumdampf-Niederdrucklampen . . . . . . . . . 39112.1.11 LED-Lampen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
Praxistipp: Ersatz einer Halogen-Beleuchtung durch LED-Beleuchtung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392Praxistipp: Beispiel zur Ermittlung der Lampenzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
12.1.12 Lichtberechnungssoftware . . . . . . . . . . . . . . . . . 39412.1.13 Lichtstärkeverteilung von Leuchten. . . . . . . . . . 39412.1.14 Lichtmanagementsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . 39512.2 Elektrogeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39612.2.1 Allgemeines über Elektrogeräte. . . . . . . . . . . . . 39612.2.2 Elektrische Warmwasserbereiter . . . . . . . . . . . . 39712.2.3 Elektrische Raumheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39912.2.4 Elektrische Geräte zur Nahrungsvorratshaltung
und -zubereitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40312.2.5 Elektrische Geräte zur Wäschepflege und
Geschirrreinigung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40712.2.5.1 Waschmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40712.2.5.2 Wäschetrockner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40812.2.5.3 Geschirrspülmaschine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40912.2.6 Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)
elektrischer Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41012.2.7 Prüfen von Elektrogeräten nach Instandsetzung
und Änderung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41212.2.8 Wiederholungsprüfungen an elektrischen
Geräten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41412.3 Antennen und Verteilanlagen. . . . . . . . . . . . . 41512.3.1 Wirkungsweise der Antennen . . . . . . . . . . . . . . 41512.3.2 Empfangsantennen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41612.3.3 Verstärkungsmaß, Dämpfungsmaß und Pegel 41812.3.4 Aufbau von Antennenanlagen . . . . . . . . . . . . . . 41912.3.5 Satelliten-Fernsehempfangsanlagen. . . . . . . . . 420
Praxistipp: Baugruppen zum digitalen Sat-Empfang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
12.3.6 DVB-T2 HD-Fernsehempfangsanlagen . . . . . . . 42412.3.7 Breitband-Kommunikationsanlagen . . . . . . . . . 42412.3.8 Berechnung einer Empfangsantennenanlage 42512.3.9 Errichten von Empfangsantennenanlagen. . . . 426
Praxistipp: Multimediaverkabelung im Wohnbereich. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428
12.4 AllIPTechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42912.4.1 Grundsätzliches zu All-IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
9inhaltsverzeichnis
Inh
alts
verz
eich
nis12.4.2 anschlusstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
12.4.3 Voip-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431Praxistipp: Auswahl und Anschluss eines DSL-routers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
12.4.4 iSDN am all-ip-anschluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43312.5 Gebäudeautomation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43412.5.1 gebäudeleittechnik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43412.5.2 gebäudesystemtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
Praxistipp: KNX-Projekt programmieren . . . . . 439Praxistipp: Umrüsten einer Jalousiesteuerung auf KNX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441Praxistipp: Das vernetzte Haus . . . . . . . . . . . . . 442
12.5.3 gebäudeautomation mit Visualisierung. . . . . . 44412.6 Gefahrenmeldeanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44512.6.1 allgemeine Festlegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44512.6.2 brandmeldeanlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44612.6.3 Einbruchmeldeanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44812.6.4 Überfallmeldeanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450
Praxistipp: Beispiel einer Einbruchmelde- anlage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451Praxistipp: Installation von Rauchmeldern. . . . 452
12.7 Blitzschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45312.7.1 Entstehung der gewitterzelle . . . . . . . . . . . . . . . 45312.7.2 Wirkungen des blitzstromes . . . . . . . . . . . . . . . . 45312.7.3 blitzschutzsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45312.7.3.1 Äußerer blitzschutz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45412.7.3.2 innerer blitzschutz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45512.7.3.3 Trennungsabstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456
Wiederholen – anwenden – Vertiefen: gebäudetechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
13 Elektrische Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . 459
13.1 Transformatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46013.1.1 Einphasentransformatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . 46013.1.1.1 aufbau und Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . . . . . 46013.1.1.2 Leerlaufspannung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46013.1.1.3 Übersetzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46113.1.1.4 betriebsverhalten im Leerlauf. . . . . . . . . . . . . . . 46213.1.1.5 betriebsverhalten bei belastung . . . . . . . . . . . . 46213.1.1.6 betriebsverhalten bei Kurzschluss. . . . . . . . . . . 46313.1.1.7 Kurzschlussstrom und Einschaltstrom . . . . . . . 46413.1.1.8 Wirkungsgrad von Transformatoren. . . . . . . . . 46513.1.2 Kleintransformatoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46613.1.2.1 aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46613.1.2.2 arten von Kleintransformatoren . . . . . . . . . . . . 46713.1.2.3 prüfspannungen bei Kleintransformatoren . . . 46813.1.3 Sondertransformatoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46913.1.3.1 Spartransformatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46913.1.3.2 Streufeldtransformatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47013.1.4 messwandler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47013.1.4.1 Spannungswandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47013.1.4.2 Stromwandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47113.1.5 Drehstromtransformatoren. . . . . . . . . . . . . . . . . 47213.1.5.1 aufbau und prinzip. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47213.1.5.2 Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47313.1.5.3 unsymmetrische belastung . . . . . . . . . . . . . . . . 47513.1.5.4 gebräuchliche Schaltgruppen . . . . . . . . . . . . . . 47613.1.6 parallelschalten von Transformatoren . . . . . . . 47713.2 Rotierende elektrische Maschinen . . . . . . . . . 47813.2.1 grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47813.2.1.1 Leistung und Drehmoment. . . . . . . . . . . . . . . . . 47813.2.1.2 aufbau umlaufender maschinen . . . . . . . . . . . 47913.2.1.3 Leistungsschild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47913.2.1.4 Drehsinn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47913.2.1.5 betriebsarten elektrischer maschinen . . . . . . . 48013.2.1.6 Kühlung elektrischer maschinen . . . . . . . . . . . . 48113.2.1.7 bauformen und baugrößen von drehenden
elektrischen maschinen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48213.2.1.8 Elektrische isolierung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48213.2.2 Drehstromasynchronmotoren . . . . . . . . . . . . . . 48313.2.2.1 Entstehung des Drehfeldes. . . . . . . . . . . . . . . . . 48313.2.2.2 Kurzschlussläufermotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48413.2.2.3 anlassen von Kurzschlussläufermotoren . . . . . 48713.2.2.4 Schleifringläufermotor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489
13.2.2.5 polumschaltbare motoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . 490Praxistipp: Anschließen eines Drehstrom- motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491Formelübersicht zum Drehstrom- asynchronmotor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492Praxistipp: Auswahl eines Elektromotors . . . . 493
13.2.2.6 bremsbetrieb von Drehstromasynchron motoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495
13.2.2.7 Drehstrommotor an Wechselspannung (Steinmetzschaltung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496
13.2.2.8 Wechselstrom-asynchronmotor. . . . . . . . . . . . . . . . . 49713.2.3 Drehstromlinearmotoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49813.2.4 Synchronmotor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49913.2.5 Sondermotoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50013.2.5.1 Spaltpolmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50013.2.5.2 reluktanzmotor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50113.2.5.3 Schrittmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50113.2.6 Synchrongenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50413.2.7 Stromwendermotoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50613.2.7.1 aufbau von gleichstrommotoren . . . . . . . . . . . 50613.2.7.2 Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50713.2.7.3 ankerquerfeld und ankerrückwirkung . . . . . . . 50813.2.7.4 anschlussbezeichnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50913.2.7.5 arten von gleichstrommotoren . . . . . . . . . . . . . 51013.2.7.6 anlassen von gleichstrommotoren. . . . . . . . . . 51213.2.7.7 Drehzahlsteuerung von gleichstrommotoren. . 51313.2.7.8 universalmotor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51413.2.8 Servomotoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51513.2.8.1 gleichstromservomotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51613.2.8.2 Drehstromservomotor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51613.2.9 Wartung und prüfung elektrischer maschinen 519
Wiederholen – anwenden – Vertiefen: Elektrische maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 520
14 Informationstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521
14.1 Bereiche der Informationstechnik . . . . . . . . . . 52114.2 Computer, Programme und Peripherie . . . . . 52214.2.1 bestandteile und Funktionsweise eines
computers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52214.2.2 hardware, Software und Firmware . . . . . . . . . . 52314.2.3 computersystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52314.3 Mikrocomputer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52414.4 Personal Computer (PC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52514.4.1 Komponenten eines pc. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52514.4.2 mikroprozessor (cpu) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52614.4.3 halbleiterspeicher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52714.4.4 buskommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52814.4.5 Eingabe- und ausgabe-Einheit. . . . . . . . . . . . . . 528
Praxistipp: Auswahl eines PC-Mainboard. . . . . 52914.5 Geräte für Eingabe, Ausgabe und
Speicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53014.5.1 geräte zur Eingabe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53014.5.2 geräte zur ausgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53014.5.2.1 Drucker. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53014.5.2.2 Farbmonitore. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53114.5.3 periphere geräte zur Datenspeicherung . . . . . 532
Praxistipp: Servicearbeiten am PC. . . . . . . . . . . 53314.6 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53414.6.1 Systemprogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53414.6.2 anwendungsprogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53514.6.3 Softwareentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53614.7 Vernetzung von Computern . . . . . . . . . . . . . . 53714.7.1 Dienste in computernetzwerken . . . . . . . . . . . . 53714.7.2 Netzwerktopologien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53714.7.3 bestandteile eines lokalen Netzwerkes (LaN) in
Sterntopologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53814.7.4 Netzwerkprotokoll. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53914.7.5 globales Netzwerk internet. . . . . . . . . . . . . . . . . 540
Praxistipp: Verbinden von zwei PCs über ein Netzwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 541Praxistipp: Herstellen einer WLAN-Verbindung zu einem Netzwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542
14.8 Datensicherheit, Datenschutz und Urheberrechte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543
10 inhaltsverzeichnisIn
hal
tsve
rzei
chn
is 14.9 Schädliche Programme (Malware) . . . . . . . . . 543Wiederholen – anwenden – Vertiefen: informationstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544
15 Automatisierungstechnik. . . . . . . . . . . . . . 545
15.1 Steuerungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54515.1.1 Steuern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54515.1.1.1 Fachbegriffe der Steuerungstechnik . . . . . . . . . 54515.1.1.2 Steuerungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54615.2 Kleinsteuergeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54815.3 Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) 55015.3.1 aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55015.3.2 programmiersprachen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55115.3.3 arbeitsweise einer SpS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55115.3.4 bausteinstruktur in STEp 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . 55315.3.5 programmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55415.3.5.1 grundverknüpfungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55415.3.5.2 Öffner und Schließer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55515.3.5.3 Speicherfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55715.3.5.4 Zeitfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55915.3.5.5 Zähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56015.3.5.6 Vergleicher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56215.3.6 ablaufsteuerungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56315.3.6.1 arten von ablaufsteuerungen . . . . . . . . . . . . . . 56315.3.6.2 betriebsarten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56315.3.6.3 ablaufkette (Struktur). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56415.3.6.4 Verzweigte ablaufketten (ablaufauswahl) . . . . 56515.3.6.5 programmierung einer ablaufkette mit SpS . . 56615.3.7 bibliotheksfähige bausteine . . . . . . . . . . . . . . . . 567
Praxistipp: S7-Projekt erstellen . . . . . . . . . . . . . 57015.3.8 maschinensicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57215.3.8.1 Sicherheitskategorien (performance Level) . . . 57215.3.8.2 Sicherheitsbezogene Teile . . . . . . . . . . . . . . . . . 57215.3.8.3 handlungen im Notfall
(NoT-haLT, NoT-auS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57315.3.9 bussysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57415.3.9.1 Feldbusse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57415.4 Prozessvisualisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57815.5 Regelungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58015.5.1 aufgaben und begriffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58015.5.2 regelstrecken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58115.5.2.1 Statisches Verhalten von regelstrecken. . . . . . 58115.5.2.2 Dynamisches Verhalten von regelstrecken . . . 58215.5.3 regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58515.5.3.1 unstetige regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58515.5.3.2 Stetige regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58715.5.4 regelkreis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59115.5.4.1 Schwingungsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59115.5.4.2 reglerauswahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59115.5.4.3 reglereinstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59215.5.5 universalregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593
Praxistipp: Entwurf einer Regelung . . . . . . . . . . 594Wiederholen – anwenden – Vertiefen: automatisierungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595
16 Werkstoffe, Fertigungsverfahren, Umweltschutz und Energieeinsparung 596
16.1 Werkstoffe der Elektrotechnik . . . . . . . . . . . . . 59616.1.1 Leiter- und Kontaktwerkstoffe. . . . . . . . . . . . . . . 59716.1.1.1 Leiterwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59716.1.1.2 Kontaktwerkstoffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59816.1.2 isolierstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59916.1.2.1 Elektrische Eigenschaften von isolierstoffen . . 59916.1.2.2 anorganische und organische isolierstoffe . . . 60016.1.2.3 Flüssige und gasförmige isolierstoffe . . . . . . . . 60116.2 Fertigungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60216.2.1 Verbindungen (Fügen). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60216.2.1.1 Lösbare Verbindungen in der Elektrotechnik . . 60216.2.1.2 unlösbare Verbindungen in der
Elektrotechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60216.2.2 gedruckte Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60516.2.3 SmD-Technik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60716.3 Umweltschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 608
16.3.1 umweltschutzverordnungen im bereich der Elektrotechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 608
16.3.2 umweltschutz im betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60916.3.3 Wiederverwertung und Entsorgung von
abfallstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61016.4 Energieeinsparung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61216.4.1 rationeller umgang mit Energie . . . . . . . . . . . . 61216.4.2 Stand-by-betrieb. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61416.4.3 Tipps zum Energiesparen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 615
Wiederholen – anwenden – Vertiefen: Werkstoffe, Fertigung, umwelt . . . . . . . . . . . . . 616
17 Beruf und Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 617
17.1 Berufliche Handlungskompetenz . . . . . . . . . . 617Praxistipp: Benehmen und Stil im Beruf – business-Etikette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 618
17.1.1 Teamarbeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62017.1.2 arbeitsmethoden und Zeitplanung . . . . . . . . . . 62117.1.3 Kommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62217.1.4 Kreativitätstechniken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62317.1.5 informationsbeschaffung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62417.2 Präsentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62517.2.1 aufgaben einer präsentation und
Vorbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62517.2.2 Visualisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62617.2.3 Vortragen einer präsentation . . . . . . . . . . . . . . . 62717.3 Projektmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62817.3.1 aufgaben von projekten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62817.3.2 projektphasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62917.4 Kundenauftrag und Kundenservice. . . . . . . . . 63017.4.1 Kundenerwartungen und umgang mit dem
Kunden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63017.4.2 phasen eines Kundenauftrags . . . . . . . . . . . . . . 63117.4.3 Kundenservice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63317.5 Kalkulation und Angebot . . . . . . . . . . . . . . . . . 63417.5.1 Kalkulation im industriebetrieb . . . . . . . . . . . . . 63517.5.2 Kalkulation von Dienstleistungen. . . . . . . . . . . . 63617.5.3 Kalkulation im handwerksbetrieb . . . . . . . . . . . 63717.5.4 rechnungsstellung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63817.6 Qualitätsmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63917.6.1 Ziele des Qualitätsmanagements. . . . . . . . . . . . 63917.6.2 Normenreihe DiN EN iSo 9000 ff. . . . . . . . . . . . 63917.6.3 TQm-methode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64017.6.4 Qualitätswerkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 641
Praxistipp: Existenzgründung. . . . . . . . . . . . . . . 642Wiederholen – anwenden – Vertiefen: beruf und betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643Ergebnisse der rechenaufgaben . . . . . . . . . . . . 644
Infoteil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645
arten von DiN-Normen in der Elektrotechnik . . . . . . . . . . . 645Schaltzeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 646Wichtige elektrotechnische Symbole. . . . . . . . . . . . . . . . . . 652Wichtige prüfzeichen, Symbole und Logos . . . . . . . . . . . . 653Kennzeichnung von Widerständen und Kondensatoren . 654Auslösekennlinien von Überstrom-Schutzeinrichtungen 655Verlegearten von Kabeln und isolierten Leitungen, mindestquerschnitte elektrischer Leiter. . . . . . . . . . . . . . . . 656Strombelastbarkeit, umrechnungsfaktoren von Kabeln und isolierten Leitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 657betriebsdaten von Drehstrom-Kurzschlussläufermotoren 658Dioden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 659NpN-Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 660Thyristor, Triac. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 661Wichtige abkürzungen von ac bis iSDN. . . . . . . . . . . . . . . 662Wichtige Abkürzungen von KNX bis ZVEI. . . . . . . . . . . . . . 663Fachbegriffe Englisch – Deutsch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 664Firmenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 667Sachworte Deutsch – Englisch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 668
Vordere Innenumschlagseite:Wichtige Formelzeichen, größen und EinheitenHintere Innenumschlagseite:arbeitssicherheit und unfallverhütung
23
Elektrischer Gleichstromkreis (Seite 24)
Betriebsmittel-anschluss
Positiver Pol
Negativer Pol
Leiter-benennung
Positiver Leiter
Negativer Leiter
Ausschalter
AbzweigdoseDrehstrommotor
Schutzkontaktsteckdose
Schutzkontaktstecker
Kenn-zeichnung
Kenn-zeichnung
L+
L–
+
–
Schaltplan
Einphasen-Wechselstromkreis (Seite 126)
Leiter-benennung
Kenn-zeichnung Schaltplan
Außenleiter
Neutralleiter
Schutzleiter
L*
N
PE
Dreiphasen-Wechselstromkreis (Seite 155)
Leiter-benennung
Kenn-zeichnung
Außenleiter 1
Außenleiter 2
Außenleiter 3
Neutralleiter
Schutzleiter
Neutralleiter mitSchutzfunktion
L1
L2
L3
N
PE
PEN
Schaltplan
PE
N
L
L1
L2
L3
N
PEPEN
400 V
400 V 400 V
230 V
0 V
M3_ 3
+ –
ML+L–
+
–
Überstrom-Schutzeinrichtungen(Sicherungen)
RCD
F1
E2
X1
Q1
X2
E1
Leuchte mit LampeAnstelle der schwarzen Ader bei 5-adrigen Leitungen kann bei dreiadrigen Leitungen die blaue Ader verwendet werden.
• Gleichstromkreise,• Einphasen-Wechselstromkreise
(vereinfacht Wechselstromkreise genannt),• Dreiphasen-Wechselstromkreise
(auch Drehstromkreise genannt).
2.2 Arten von StromkreisenIn der Elektrotechnik muss die elektrische Energie sicher und wirtschaftlich bis zum Verbraucher geliefert werden. Dazu benötigt man verschiedene Stromkreise. Man unterscheidet in der Praxis:
& Gleichrichtung: Seite 249
& • Motoren: Seite 478 • Schaltzeichen: Seite 646
& • Installationsschaltungen: Seite 104 • Farbkennzeichnung von Leitern: Seite 306 • Leitungsverlegung: Seite 312
* Die Zahl nach „L“, z.B. L1, L2, L3, wird nur in Stromkreisen mit mehr als einem Außenleiter angegeben.
Stromkreise
141Zusammenhang zwischen der Wirk-, Blind- und Scheinleistung
7.4.4 Zusammenhang zwischen der Wirk-, Blind- und Scheinleistung
Befindet sich im Wechselstromkreis z. B. ein Motor oder eine Spule (Bild 1), die als Reihenschaltung ei-ner Induktivität und eines Wirkwiderstands aufge-fasst werden kann, sind drei Leistungen vorhanden.• Wirkleistung P: Tritt im Wirkwiderstand R z. B. als
Wärme auf.• Blindleistung QL: Wird zum Auf- und Abbau des
magnetischen Feldes benötigt.• Scheinleistung S: Ergibt sich aus dem Produkt
von Spannung und Strom oder aus der geometri-schen Addition von Wirk- und Blindleistung. Es gilt: S = U · I und S 2 = P 2 + QL
2
Der Zusammenhang der Leistungen kann in einem rechtwinkligen Dreieck dargestellt werden (Bild 2 und Bild 4). Für eine Reihenschaltung aus Wirkwi-derstand und induktivem Blindwiderstand (Bild 1) ist das Leistungsdreieck (Bild 2) ähnlich dem Span-nungs- und Widerstandsdreieck, da in den Formeln für die Leistungen jeweils derselbe Strom auftritt.Bei der Reihenschaltung gilt:S = U · I und P = Uw · I sowie QL = UbL · I
Bei einer Parallelschaltung aus Wirkwiderstand und induktivem Blindwiderstand (Bild 3) ist das Leis tungsdreieck (Bild 4) ähnlich dem Strom- und Leitwertdreieck, da in den Leistungsformeln je-weils dieselbe Spannung auftritt.Bei der Parallelschaltung gilt:S = U · I und P = U · I w sowie QL = U · I bL
Der Winkel φ zwischen P und S (Bild 2 und Bild 4) ist gleich dem Phasenverschiebungswinkel φ. Die Sei-ten des Leistungsdreiecks lassen sich mithilfe der trigonometrischen Funktionen oder mit dem Satz des Pythagoras berechnen.
Beispiel:Ermitteln Sie aus dem nebenstehenden Leistungs-schild eines Wechselstrommotorsa) die zugeführte
Wirkleistung P1*,
b) die Scheinlei-stung S,
c) die Blindleis-tung QL,
d) den Wirkungs-grad η.
Lösung:a) P1 = U · I · cos φ = 230 V · 2,2 A · 0,65 = 329 W
b) S = U · I = 230 V · 2,2 A = 506 VA
c) QL = √S2 – P12 = √(506 VA)2 – (329 W)2 = 384 var
d) η = P2
P1
= 250 W
329 W = 0,76 ⇒ 76 %
* Auf dem Leistungsschild eines Motors stehen Bemessungswerte. Die Angabe 0,25 kW ist die abgegebene mechanische Leistung P2 an der Welle. Die zugeführte elektrische Wirkleistung P1 kann be-rechnet werden.
HerstellerMade in Germany
2870 min-1
2,2 A230 VIP55
50 HzCA 27 ’F/450 V CB ’F/ V
EN 60034
cos ƒ 0,650,25 kW1 _ Mot.
Bild 1: Reihenschaltung aus Wirkwiderstand und induktivem Blindwiderstand
G_
¡
UbL
Uw
U
R
XL
P=Uw • ¡
QL=UbL • ¡
S=U • ¡
Bild 2: RL-Reihenschaltung (rechtwinklige Dreiecke)
UbL
ƒ
¡
U
Uw
XL
ƒ
¡
Z
R
QL
ƒ
¡
S
P
Spannungen Widerstände Leistungen
Bild 4: RL-Parallelschaltung (rechtwinklige Dreiecke)
Ströme Leitwerte Leistungen
¡bL
ƒ
¡
U ¡w
BL
ƒ
Y
UG
QL
ƒ
S
UP
Bild 3: Parallelschaltung aus Wirkwiderstand und induktivem Blindwiderstand
G_
¡
¡bL¡w
U R XL
S=U • ¡
P=U • ¡w
QL=U • ¡bL
Leistungen bei induktiver Last
QL
P
PS
S Scheinleistung [S] = VA = WP Wirkleistung [P] = WQL induktive Blindleistung [QL] = var = Wj Phasenverschiebungswinkelcos j Wirkfaktorsin j Blindfaktor
S2 = P2 + QL2 ⇒ S = P2 + QL
2 S = U · I
cos j = PS
⇒ P = S · cos j P = U · I · cos j
sin j = QL
S ⇒ QL = S · sin j QL = U · I · sin j
tan j = QL
P QL = P · tan j
133222
167Wechselstromtechnik
Wie
der
ho
len
– A
nwen
den
– V
erti
efen
*: W
ech
sels
tro
mte
chn
ik 1. Welche Merkmale hat der sinusförmige Wech-selstrom?
2. Mit einem Oszilloskop wird eine sinusförmige Wechselspannung dargestellt (Bild 1). Ermitteln Sie a) den Spitze-Tal-Wert, b) den Scheitelwert, c) den Effektivwert d) die Periodendauer und e) die Frequenz.
3. Mit einem Frequenzgenerator wird die Fre-quenz einer Sinusspannung von 50 Hz auf 200 Hz erhöht. Welche Auswirkungen hat diese Änderung auf a) die Periodendauer, b) die Kreisfrequenz und c) den Scheitelwert?
4. Berechnen Sie für die Sinusspannung mit dem Effektivwert 230 V, 50 Hz die Augenblickswerte a) im Gradmaß bei aG = 45° und b) im Bogen-maß bei aB = 0,8. c) Ermitteln Sie für die zwei angegebenen Winkel die beiden Zeitpunkte t1 und t2 in ms beginnend ab dem Nulldurchgang. Taschenrechnereinstellung beachten, siehe Seite 129.
5. Zwei Sinusspannungen mit den Scheitelwerten u$1 = 20 V und u$2 = 15 V sind um den Phasenver-schiebungswinkel j = 60° verschoben (Bild 2). Erklären Sie die Begriffe a) Phasenverschiebung und b) Voreilung bzw. Nacheilung einer Span-nung. c) Übertragen und vervollständigen Sie auf einem Zeichenpapier das Zeigerbild und das Linien diagramm bis 360° mit den Maßstäben: 5 V Ø 10 mm, 30° Ø 10 mm. Ermitteln Sie zeich-nerisch d) die Gesamtspannung u im Linien-diagramm durch Addition von u1 und u2 in Ab-ständen von 30° und e) im Zeigerbild durch geo-metrische Addition die Spannung u$. f) Berech-nen Sie den Effektivwert der Gesamtspannung.
6. Was versteht man unter dem Begriff „ideales Verhalten“ bei induktiven und kapazitiven Bau-elementen?
7. Berechnen Sie für die RL-Reihenschaltung (Bild 3) a) den induktiven Blindwiderstand XL, b) den Scheinwiderstand Z, c) den Strom I und d) den Wirkfaktor cos j.
8. Warum verlangt der Netzbetreiber eine Kom-pensation der induktiven Blindleistung?
9. Zwei Leuchtstofflampen (Bild 4) in Duoschaltung mit dem Gesamtwirkfaktor von cos j = 1 neh-men mit Vorschaltgerät je 69 W auf. In jedem Zweig fließt ein Strom von 0,67 A. Der kapazitive und der induktive Phasenverschiebungswinkel sind vom Betrag gleich groß.
Berechnen Sie im Zweig 1 a) die Schein- und Blindleistung, b) den Phasenverschiebungs-winkel j1 und im Zweig 2 c) die kapazitive Blind-leistung QC und d) die Kapazität C. e) Zeichnen Sie das Leis tungsdreieck für Zweig 2.
10. Ein symmetrischer Drehstromverbraucher mit Wirkwiderständen wird von Stern auf Dreieck umgeschaltet. Wie verändern sich a) Leiter-strom, b) Strangstrom, c) Strangspannung und d) Wirkleistung?
11. Die Heizwiderstände R1 = 20 Ω, R2 = 30 Ω und R3 = 40 Ω liegen in Sternschaltung an einem Vierleiter-Drehstromnetz 400 V. Ermitteln Sie a) die Strangspannungen, b) die Strangströme und c) zeichnerisch den Strom im Neutralleiter.
¡ R = 1 kØ L = 0,47 H
12 V 500 HzUw UbL
Bild 3: Reihenschaltung aus R und XL
L 50 Hz 230 VN
Zweig 1Vorschalt-gerät 1,
cosƒ induktiv.
Zweig 2Vorschalt-gerät 2,
cosƒ kapazitiv
C
Bild 4: Duoschaltung
1 div @ 1 ms1 div @ 5 V
Bild 1: Oszillogramm einer Sinusspannung
a) Zeigerbild b) Liniendiagramm
u
90 180 å
u1
u2
u1
ƒ=60
u2
Bild 2: Zeigerbild und Liniendiagramm phasen- verschobener Spannungen (unvollständig)
& Kompensation von Leuchtstofflampen: Seite 164
* Ergebnisse der Rechenaufgaben Seite 644
184
Pra
xist
ipp
: Mes
sen
mit
dem
Osz
illo
sko
p(N
ächster Praxistipp: S
eite 271
)
Messen mit dem Oszilloskop
Schaltungsaufbau Anzeige und Einstellungen Hinweise und Auswertung
R1 R2
G+ -
(Masse-anschluss)Input CH ¡
(EingangKanal I)
U
1 div
U
Einstellung Oszilloskop: 5 V/div**div: Abk. von divit(Teil), Rastereinheitdes Bildschirms
Nulllinie
1div
LastU
N
L
R1U1 G_ U2
C1
G_Last z.B.R= 1Ø
¡
DimmerN
L
u
T
Einstellung Oszilloskop:• Amplitude ¡: 2V/div• Time Base: 2ms/div
u1
u2
#x
xT
#x
xT
Messschaltungen Oszilloskop (Beispiele)
Messen einer Gleichspannung U
Messen von Wechselspannung û und Periodendauer T, bestimmen der Spannung U und Frequenz f
Bestimmen von Strömen
Bestimmen der Phasenverschiebung j
Bestimmen des Zündwinkels a an einer Phasenanschnittsteuerung
Beispiel:Gleichspannung U:
U = 5 V · 3 div = 15 V div
Gleichspannungen werden in der Einstellung DC gemessen.
Beispiel:
û = 2 V · 3 div = 6 V; div
T = 2 ms · 10 div = 20 ms; div
U = û = 6 V = 4,2 V 022 022
f = 1 = 1 = 50 Hz T 20 ms
Wechselspannungen werden in der Einstellung AC gemessen.
Beispiel:
j = Dx · 360° = 2 div · 360° = 90° xT 8 div
Beispiel:
a = Dx · 360° = 1 div · 360° = 51° xT 7 div
Auf dem Bildschirm misst man den Abstand Dx Ø j multipliziert mit 360° und teilt ihn durch die Länge xT.
Bei Messungen im Energiebereich ist das Messobjekt, z.B. ein Dimmer, über einen Trenntransformator anzuschließen.Die Bestimmung des Zündwinkels a erfolgt wie beim Messen der Phasenverschiebung.
Beispiel:
û = 50 mV · 3 div = 150 mV = 0,15 V div
U = û = 0,15 V = 0,1 V; 022 022 I = U = 0,1 V = 0,1 A
R 1 Ω
Man misst die Spannung û an einem bekannten Widerstand, z.B. 1 Ω, und berechnet den Strom I mithilfe des ohmschen Gesetzes.
EinstellungOszilloskop:50 mV/div
u
248 Begriffe der Leistungselektronik
geregeltSeite 272
DurchflusswandlerSeite 261
SperrwandlerSeite 261
GleichrichterSeite 249
GleichstromstellerSeite 260
FrequenzumrichterSeite 268
Haustechnik
VielperiodensteuerungSeite 259
Phasenanschnitt-steuerungSeiten 254, 258
Phasenanschnitt-steuerungSeiten 254, 258
Phasenabschnitt-steuerungSeite 258
SchaltnetzgeräteLineare NetzgeräteHeizungBeleuchtungWechselstromantriebeGleichstromantriebe
Leistungselektronik
StromversorgungenAntriebssteuerungen
ungeregeltSeite 201, 272
Bild 1: Einsatzgebiete der Leistungselektronik
Wechselstrom-Umrichter
Gleichrichter Wechselrichter
Gleichstrom-Umrichter
U2
Energiefluss
__
__
U1
f1 = 0 Hz f2 = 0 HzBeispiel:
Beispiel:
Beispiel: Beispiel:
U2U1
f1 f2
Kfz-Spannungs-wandler
U2U1
f1 f2 = 0 Hz
U2U1
f1 = 0 Hz f2
a)b)
c) d)
AC 230 V50 Hz
AC 230 V50 Hz
Netz-gerät
DC 200 V AC 230 V 50 Hz
AC 180 V 50 Hz
DC 12 V
Gleich-stromsteller
DC 12 VDC 24 VDimmer
Bild 3: Schaltzeichen für Stromrichter
9.9.2 Begriffe der LeistungselektronikElektrische Größen der Energietechnik, z. B. Spannung und Frequenz, können mit Stromrichtern elektro-nisch umgeformt werden (Bild 1 und Bild 2).
• Gleichrichter formen Wechselstrom in Gleich-strom um (Bild 3a).
• Wechselrichter formen Gleichstrom in Wech-selstrom oder in Drehstrom um (Bild 3b).
• Gleichstrom-Umrichter formen den Gleich-strom einer Spannung in Gleichstrom einer Spannung mit anderer Spannungshöhe oder Polarität um (Bild 3c).
• Wechselstrom-Umrichter formen den Wech-selstrom einer Spannung in Wechselstrom ei-ner Spannung mit anderer Spannungshöhe, Frequenz oder Phasenzahl um (Bild 3d).
Schaltungen, die den Stromfluss zwischen Strom-quelle und Last steuern oder von einer Stromart in eine andere umformen, werden als Stromrichter bezeichnet. Man fasst diese Schaltungen unter dem Oberbegriff Leistungselektronik zusammen. Die Fachbegriffe sind nach DIN 41750 und DIN IEC 60971 genormt (Bild 1 und Bild 3).
i
LN
200V
12V
a) b) d)
12V
24V
c)
180V_
230V_
230V_
230V_
Bild 2: Leistungselektronische Anwendungen
Gleichrichter. Gleichspannung für elektronische Ge-räte und Gleichstrommotoren (Bild 2a) werden meist aus dem Wechselstromnetz erzeugt. Bei Gleichrich-tern fließt die elektrische Energie vom Wechsel-stromsystem zum Gleichstromsystem (Bild 3a).
Wechselrichter. Wechselrichter werden benötigt, um z. B. einen PC für Wechselspannung 230 V an einer Batterie mit 12 V zu betreiben (Bild 2b). Bei Wechsel-richtern fließt die elektrische Energie vom Gleich-stromsystem zum Wechselstromsystem (Bild 3b).
Gleichstrom-Umrichter. Soll z. B. ein Funkgerät mit einer Betriebsspannung von DC 12 V aus dem 24-V-Akkumulator eines Lkws versorgt werden (Bild 2c), ist ein Gleichstrom-Umrichter erforderlich. Wandelt ein Gleichstrom-Umrichter (Bild 3c) direkt von Gleich-strom nach Gleichstrom um, ohne ein Wechselstrom-system zu benutzen, spricht man auch von einem Gleichstromsteller (Seite 260).
Wechselstrom-Umrichter. Mit einem Frequenzum-richter wird z. B. die Umdrehungsfrequenz eines Dreh strommotors gesteuert. Die Helligkeit einer Lampe kann mit einem Dimmer stufenlos verändert werden (Bild 2d und Bild 3d). Dimmer sind Wechsel-strom-Umrichter mit Phasenanschnittsteuerung oder Phasenabschnittsteuerung.
281Fotovoltaikanlagen
Generatoranschlusskasten und Gleichstromhauptleitung entfallen, wenn anstelle des zentralen Wechselrichters die Stränge einzeln mit Strangwechselrichtern versehen werden.
i
In Anlagen für Direktbetrieb (Bild 1a) muss die Bemessungs spannung des Fotovoltaikgenerators (PVGenerators) der Bemessungsspannung des Verbrauchers entsprechen. Diese Anlagen eignen sich nur bei großzügig ausgelegten Solarmodulen.Anlagen mit Zwischenspeicherung in Akkumulatoren eignen sich z. B. zur Versorgung von Gebäuden ohne Netzanschluss. Sie erfordern einen Laderegler (Bild 1b), der die Ladung des Akkus beendet und bei entladenem Akku den Verbraucher vom Netz trennt.Fotovoltaikanlagen mit zentralem Wechselrichter (Bild 2) erzeugen Strom zum Eigenverbrauch und zur Netzeinspeisung. Sie bestehen aus:• Fotovoltaikgenerator (PV-Generator),• Generatoranschlusskasten,• Gleichstromhauptleitung,• Freischalteinrichtung und• Netz- und Anlagenschutz (NA-Schutz).
Fotovoltaikgeneratoren fassen Solarmodule zu Strängen zusammen, die im Generatoranschlusskasten angeschlossen werden. Strangdioden verhindern unerwünschte Rückströme. Bypass-Dio-den verhindern, z. B. bei Teilbeschattung, Leistungseinbußen und Schäden. Gleichstromhauptleitung. Ihr Leiterquerschnitt wird durch den Bemessungsstrom des Fotovoltaikgenerators und durch den zulässigen Spannungsfall von höchstens 1 % der Generatorspannung bestimmt. Der Kurzschlussstrom IK des Fotovoltaikgenerators ist nur geringfügig größer als sein Bemessungsstrom (Bild 3, Seite 280). Deshalb kann auf einen Schutz bei Überlast für die Gleichstromhauptleitung verzichtet werden, wenn die Dauerbelastbarkeit der Leitung für den 1,25fachen Wert des Kurzschlussstromes ausgelegt ist. Freischalteinrichtung. Ein DCLasttrennschalter (Bild 2) trennt die Gleichstromseite, z. B. bei Instandsetzungsarbeiten, vom Wechselrichter.
Auf der DCSeite muss an allen Zugangspunkten zu aktiven Teilen, z. B. am Generatoranschlusskasten, eine dauerhafte Kennzeichnung angebracht sein, die anzeigt, dass diese nach einer Trennung unter Spannung stehen können.
Der Netz- und Anlagenschutz (NA-Schutz) trennt bei unzulässigen Spannungs und Frequenzwerten die Fotovoltaikanlage vom Netz. Bei einer Scheinleistung größer als 30 kVA muss der NASchutz zentral als eigenständiges Betriebsmittel ausgeführt werden (Bild 3). Ein Kuppelschalter bewirkt die sichere Trennung vom Netz.
a) b)
UG
RL Ub
+
-
Laderegler
AkkuUG
RL
Ub
Solarzelle
Bild 1: Fotovoltaikanlagen für Inselbetrieba) für Direktbetrieb, b) mit Zwischenspeicherung
HAK
SH
SH
kWh
kWh3
RCD: Fehlerstrom- schutzeinrichtungLS: LeitungsschutzschalterSH: Selektiver Hauptleitungs- schutzschalterHAK: Hausanschlusskasten
· Schutz gegen elektr. Schlag· Kurzschluss- und Überlastschutz
Zähler für Bezugund Lieferungder Erzeuger-anlage
Zähler für denBezug derKundenanlage
Kuppelschalter,z.B. zwei in Reihegeschaltete Schütze
VerteilungWechsel-richter
Netz- und Anlagen-schutz (NA-Schutz)
RCD LS
Bild 3: Zentraler NA-Schutz einer Fotovoltaikanlage mit 3~ AC-Netzanschluss (Volleinspeisung)
- +
-- + +
- +
Fotovoltaik-generatorBypass-Dioden
Solar-modul
Strang 1
Strang 2
Strangdioden
Strangsicherungen
_
L- L- L+ L+
u,f
Trennsteg Strangleitungen
GeneratoranschlusskastenGleichstromhauptleitungDC-Lasttrennschalter
3
kWh
Spannungs- und Frequenzüberwachungmit integriertem NA-Schutz
Wechselrichter
Strom-kreis-verteiler
ZählerLieferung(Einspeisung)
Zähler Bezugund Lieferung
Selektiver Hauptleitungs-Schutzschalter
Hausanschlusskasten
RCDTyp B
3 4S
5
kWh
S
Bild 2: Aufbau der Fotovoltaikanlage
Jeder Strang muss einzeln an beiden Polen durch eine Schutzeinrichtung gegen Überstrom geschützt werden (Strangsicherungen, Bild 2).
349Fehlerarten, Berührungsspannung
3_50Hz 400 VL1L2L3
Kurz-schluss
Erd-schluss
Kurzschluss
Leiterschluss
Körperschluss
Bild 1: Fehlerarten
RB
L1
PE
3/N_50Hz 400/230 V
N
UB
UFRA
BruchdesPE
UB BerührungsspannungUF Fehlerspannung
RA AnlagenerderRB Betriebserder
Bild 2: Fehler-, Berührungsspannung
Abstand
USUS
UE
Spannungstrichter
20m10m
Erdober-flächen-potenzial
Fehler- stelle
US SchrittspannungUE Erderspannung
Bild 3: Potenzialverlauf nach Bruch einer Freileitung
11.2.5 Fehlerarten in elektrischen AnlagenIn elektrischen Anlagen können trotz sorgfältiger Installation und Ein-satz sicherer Betriebsmittel Isolationsschäden in Form von Körper-schluss, Kurzschluss, Leiterschluss oder Erdschluss entstehen (Bild 1).
Körperschluss ist eine leitende Verbindung zwischen dem Körper und aktiven Teilen elektrischer Betriebsmittel.
Kurzschluss ist eine leitende Verbindung zwischen betriebsmäßig gegeneinander unter Spannung stehenden leitfähigen Teilen. Im Fehlerstromkreis befindet sich kein Nutzwiderstand.
Leiterschluss ist eine leitende Verbindung zwischen Leitern, wenn im Fehlerstromkreis ein Nutzwiderstand oder ein Teil des Nutz-widerstandes liegt.
Erdschluss entsteht bei der Verbindung eines aktiven Leiters oder eines betriebsmäßig isolierten Neutralleiters mit der Erde oder mit geerdeten Teilen.
Bei einem vollkommenen Körper-, Kurz- oder Erdschluss ist der Widerstand im Fehlerstromkreis ≈ 0 Ω. Hat eine leitende Verbindung an der Fehlerstelle einen Widerstand, z. B. durch einen Lichtbogen, so entsteht ein unvollkommener Schluss. Unvollkommene Schlüsse sind meist gefährlicher, weil sie oft nicht sofort erkannt werden. Die durch Stromfluss entstehende unzulässige Erwärmung kann zu Bränden führen.
11.2.6 Spannungen im FehlerfallDurch eine schadhafte Isolierung kann der Körper eines Betriebsmit-tels Spannung gegen Erde annehmen, z. B. gegen geerdete Teile (Was-serleitung). Diese Spannung nennt man Fehlerspannung UF (Bild 2).
Die Berührungsspannung UB ist die Spannung, die ein Mensch durch Berührungen, z. B. von Hand zu Hand (Bild 2), überbrückt. Sie kann zwischen gleichzeitig berührbaren leitfähigen Teilen auf-treten.
Statt UB für Berührungsspannung wird auch UT (T von to touch (engl.) = berühren) verwendet.i
Die Grenze für die dauernd zulässige Berührungsspannung UL1 ist
international vereinbart (Tabelle). Bis zu dieser Grenze ist sie für Men-schen und Tiere meist nicht lebensbedrohlich.
Eine unterbrochene Freileitung kann einen Erdschluss verursachen (Bild 3). Um die Fehlerstelle bilden sich kreisförmige Potenziallinien. Das Potenzial nimmt mit zunehmender Entfernung ab.
Die Schrittspannung US ist die Spannung, die von einer Person mit der Schrittweite 1 m überbrückt werden kann (Bild 3). Sie ist in der Nähe der Fehlerstelle am größten.
1 UL, der Index L von limit (engl.) = Grenze, Grenzwert
Wiederholungsfragen
1 Was bedeutet die Schutzart IP 54 für elektrische Betriebsmittel?2 Nennen Sie die Sicherheitsregeln 1 bis 5 in der richtigen Reihenfolge.3 Beschreiben Sie a) Kurzschluss, b) Körperschluss und c) Leiterschluss.4 Erklären Sie die Begriffe Fehlerspannung und Berührungsspannung.5 Welche Werte gelten nach DIN VDE als vereinbarter Grenzwert der dauernd
zulässigen Berührungsspannung UL?
Tabelle: Grenzwerte UL für Berührungs-spannungen
• für Menschen AC 50 VDC 120 V
• Kinderspielzeuge• Kesselleuchten• Badewannen, Duschen• für medizinische Geräte,
die in den Körper des Menschen eingeführt werden
AC 25 VDC 60 VAC 12 VAC 6 V
431VoIP-Technik
ISDN-Telefon Analog-Telefon Fax
PC + VoIP-Software
S0-Bus
4
2 24
ISDN-Tk-Anlage
VoIP-Telefon
DSL-Anschluss für All-IP
DSL-Router
Bild 1: Aufbau einesVoIP-Netzwerkes mit Endgeräten
Bild 2: Wählprogramm am Beispiel des VoIP-Program-mes PhonerLite
Anschlussnetz IP
Aufzug-notruf
Haus-notruf
Telefone
MSAN
POTSKarte
Vermitt-lungs-stelle
SOS FEUER
1 2 34
5 67 8 9
* 0 #
Bild 3: MSAN-POTS-Anschlüsse
12.4.3 VoIP-TechnikVoIP bietet Echtzeitübertragung von Sprache über Netzwerke, die das Internet-Protokoll (IP) (Sei-te 540) benutzen.
Für VoIP benötigt man einen Zugang zum Inter-net über einen Provider, z. B. T-Online, einen DSL-Router, ein VoIP-Endgerät und eine VoIP-Rufnummer.
VoIP mit DSL-Router. Voraussetzung für VoIP sind VoIP-Endgeräte, z. B. ein VoIP-Telefon oder ein PC mit VoIP-Software, Soundkarte, Lautsprecher, Mi-krofon oder Headset und eine Verbindung zum In-ternet (Bild 1).PC mit Headset und VoIP-Software. Dazu wird auf dem PC ein Wählprogramm (Dialer) (Bild 2) und ei-ne Gateway-Software installiert, die eine Verbin-dung zum SIP-Server des SIP-Providers herstellt. Dieser SIP-Provider, z. B. die Telekom, ist ein Ver-mittler, der ein Verzeichnis von VoIP-Adressen führt, um einen Teilnehmer im Internet zu finden. Eine SIP-Rufnummer gleicht einer Mischung aus Internetadresse und Telefonnummer, z. B. sip:[email protected]. Der SIP-Server stellt nun die Verbindung zur gewünschten SIP-Rufnummer her. Anschließend werden die Ge-sprächsdatenpakete zwischen den Teilnehmern ausgetauscht, d. h. zwischen den Gesprächspart-nern kann wie gewohnt telefoniert werden.
Der SIP-Provider lässt sich den Service des Ver-bindungsaufbaus bezahlen, das Telefonge-spräch ist kostenlos.
Sprachanschluss im IP-Netz. Für alle Nutzer, die ausschließlich ihren analogen Sprachanschluss (POTS) weiter benützen wollen, werden in der Ver-mittlungsstelle die Signale in analoge Signale um-gewandelt. In der Vermittlungsstelle werden die IP-Anschlüsse im MSAN mittels POTS-Karten in analoge Anschlüsse umgewandelt (Bild 3). Über solche Anschlüsse können auch bei Stromausfall Notrufanlagen, z. B. Aufzugs- oder Hausnotruf, wei-terbetrieben werden. Damit kann auf USV-Anlagen (Seite 263), wie bei neuen IP-Telefonanlagen, ver-zichtet werden.
Wichtige VoIP-Begriffe
• gateway (engl.) = Verbindungsglied zwischen Netz-werken
• headset (engl.) = Kopfhörersatz• MSAN, Abk. für: Multi Service Access Node (engl.) = Mehrfachdienst-Zugangsknoten• POTS, Abk. für: Plain Old Telephone System (engl.) = herkömmlicher analoger Telefondienst• Provider (engl.) = Versorger, Anbieter, bietet Kommu-
nikationsdienste an, z. B. mobilcom debitel• SIP, Abk. für: Session Initiation Protocol (engl.) =
Protokoll zum Aufbau einer Kommunikationssitzung• Telekommunikationsnetzbetreiber bietet Kommuni-
kationsdienste an und verfügt meist zusätzlich über ein eigenes Telekommunikationsnetz, z. B. Telekom
i
492 Drehstrom-Asynchronmotor
Form
elü
ber
sich
t zu
m D
reh
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mA
syn
chro
nm
oto
r
Beispiele: Für eine Werkzeugmaschine wurde ein Ersatzmotor mit dem Leistungsschild ausgewählt.
Beispiel 1: Berechnen Sie für den Bemessungsbetrieb des Motors die elektrischen Leistungen, die Verlustleis-tung, den Schlupf und das Bemessungsdrehmoment.
SN = 1223 · UN · IN = 1223 · 400 V · 8,5 A = 5,89 kVA
P1N = 1223 · UN · IN · cosjN = 1223 · 400 V · 8,5 A · 0,8 = 4,71 kW
QLN = SN2 – P1N
2 = (5,89 kVA)2 – (4,71 kW)2 = 3,53 kvarPVN = P1N – P2N = 4,71 kW – 4 kW = 0,71 kW
MN = P2N
2 · p · n = 4 kW2 · p · 1445 · 1/60 s
= 26,4 Nm
sN = nS – nN
nS · 100 % = (1500 – 1445) · 1/min
1500 · 1/min · 100 %
= 3,67 %
Beispiel 2: Nach Motoreinbau ergaben sich folgende Mess-werte P1 = 4,06 kW bei 1447 1/min, I = 7,42 A, U = 400 V und M2 = 23 Nm. Berechnen Sie folgende, weitere Betriebs-werte: Abgegebene Leistung, Wirkungsgrad, Verlustleis-tung, Schein- und Blindleistung sowie den Wirkfaktor.
P2 = 2 · p · n · M = 2 · p · 1447 · 1/60 s · 23 Nm = 3,49 kW
h = P2
P1 = 3,49 kW
4,06kW = 0,86 86 %
PV = P1 – P2 = 4,06 kW – 3,49 kW = 0,57 kWS = 1223 · U · I = 1223 · 400 V · 7,42 A = 5,14 kVAQL = S2 – P1
2 = (5,14 kVA)2 – (4,06 kW)2 = 3,15 kvar
cosf = P1
S = 4,06 kW
5,14 kVA = 0,79
133333 133333333333
133333 133333333333
HerstellerMade in Germany
kg IM
cos f 1/min
IP Th.Cl.
3~Mot.
50 Hz
30 56 155B3 112M
400 V D
4 kW
0,8
IE 2–85,1% IE 2–86,1%
IEC/EN 60034
1445
8,5 A 4,6 kW 8,51 A
60 Hz 460 V D
cos f 1/min0,81 1735
P2, M, n
Netz-an-schluss
Wirkleistung P1
Blindleistung QL
Schein-leistung S
Pv
HerstellerMade in Germany
kg IM
cos f 1/min
IP Th.Cl.
3~Mot.
50 Hz
30 56 155B3 112M
400 V D
4 kW
0,8
IE 2–85,1% IE 2–86,1%
IEC/EN 60034
1445
8,5 A 4,6 kW 8,51 A
60 Hz 460 V D
cos f 1/min0,81 1735
– Stromwärmeverluste in den Wicklungen
– Ummagnetisierungs- und Wirbel-stromverluste im Ständer- und Läuferblechpaket
– Reibung in den Lagern und am Ventilator
PV = P1 – P2
nicht nutzbare Verlustleistung PV
P2 = Ω · M = 2 · p · n · MP2 Leistung in W mit [n] = 1/s und [M] = Nm
P2kW = M · n 9549P2kW Leistung in kW mit [n] = 1/min und [M] = Nm
elektrische Leistungen:
P1 = 0223 · U · I · cos f QL = 0223 · U · I · sin f S = 0223 · U · I
Leistungsdreieck:
S = 022222222222 P12 + QL
2
Wirkfaktor:
cos f = P1 = l *
S* bei sinusförmigen Wechselgrößen
(Seite 142)
QL
P1
S
f
abgegebene mechanische Leistung:
Alle Bemessungsgrößen erhalten den Index „N“
h = P2
P1; h =
P2
P2 + PV
ns = f
p
s = nS – n · 100 %
nS
s = (1 – nnS
) · 100 %
n = nS – s · nS 100 %
n = nS (1 – s100 %
)
Schlupf s:
Läuferdrehzahl:
Drehfelddrehzahl nS:
Wirkungsgrad h:
656
a a60,3 •d
a a61 •d
a
a
a61 •d
Verlegearten von Kabeln und isolierten Leitungen, Mindestquerschnitte elektrischer Leiter
i DIN VDE 0298, Teil 4DIN VDE 0100, Teil 520
Tabelle 2: Mindestquerschnitte von elektrischen Leitern DIN VDE 0100, Teil 520
Kabel und Leitungen Stromkreisart LeiterWerkstoff Mindestquerschnitt in mm2
Bei fester Verlegung
Kabel, Mantelleitungen und Aderleitungen
Leistungs- und Beleuchtungsstromkreise
Cu Al
1,5 161
Melde- und Steuerstromkreise Cu 0,5
blanke Leiter
Leistungsstromkreise Cu Al
10 161
Melde- und Steuerstromkreise Cu 4Bewegliche Leitungen Cu 0,75
Schutzpotenzialausgleichsleitungen, Erdungsleitungen
Schutzpotenzialausgleich über die Haupterdungsschiene zusätzlicher Schutzpotenzialausgleich in Baderäumen: – geschützt verlegt
– ungeschützt verlegt
Cu Cu Cu
6 2,5 4
PEN-Leiter Cu 101 in Deutschland werden Kabel mit Aluminiumleiter ab einem Leiterquerschnitt von A = 25 mm2 hergestellt
Info
teil
Tabelle 1: Verlegearten von Kabeln und isolierten Leitungen DIN VDE 0298, Teil 4
Verlegeart Verlegebedingungen (wichtige Beispiele)
A1Verlegung in wärmegedämmten Wänden • Aderleitungen im Elektroinstallationsrohr, • Aderleitungen in Formleisten oder in Formteilen.
A2 • Mehradrige Kabel oder mehradrige Mantelleitungen im Elektroinstallationsrohr,• mehradrige Kabel oder mehradrige Mantelleitungen in einer wärmegedämmten Wand.
B1Verlegung in Elektroinstallationsrohren und ‑kanälen• Aderleitungen im Elektroinstallationsrohr auf oder in der Wand,• Aderleitungen, einadrige Kabel oder Mantelleitungen im Elektroinstallationskanal.
B2• Mehradrige Kabel oder Mantelleitungen im Elektroinstallationsrohr auf und in der Wand,• mehradrige Kabel oder Mantelleitungen im Elektroinstallationskanal,• mehradrige Kabel oder Mantelleitungen im Sockelleisten- oder im Unterflurkanal.
CVerlegung direkt auf oder in den Untergrund (Wand)• Ein- oder mehradrige Kabel oder Mantelleitungen auf oder in der Wand oder unter der Decke,• Stegleitungen im oder unter Putz.
DVerlegung im Erdboden• Mehradriges Kabel oder mehradrige ummantelte Installationsleitung im Elektroinstallations- rohr oder im Kabelschacht in der Erde.
EVerlegung frei in der Luft• Mehradrige Kabel oder mehradrige Mantelleitungen frei in der Luft verlegt mit einem Mindest abstand a ≥ 0,3 · d zur Wand (d = Leitungsdurchmesser),• Kabel oder Leitungen auf gelochten Kabelrinnen oder auf Kabelkonsolen.
F • Einadrige Kabel oder einadrige Mantelleitungen mit gegenseitiger Berührung verlegt und mit einem Mindestabstand a ≥ 1 · d zur Wand.
G• Einadrige Kabel oder einadrige Mantelleitungen mit einem gegenseitigen Abstand a ≥ 1 · d verlegt und einem Mindestabstand a ≥ 1 · d zur Wand,• blanke Leiter oder Aderleitungen auf Isolatoren.
Wird eine einzelne Leitung z. B. auf einer Länge von < 50 mm vollständig gedämmt, ist ein Reduktionsfaktor von 0,89 bezogen auf die Strombelast-barkeit der Verlegeart C anzuwenden. Weitere Reduktionsfaktoren sind in der DIN VDE 0100-520 Beiblatt 1 zu finden.
Verlegearten
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