Elektrische Energietechnik - Cheatsheet

Grundlegende Gesetze der Elektrotechnik: Ohmsches Gesetz, Kirchhoffsche Regeln

Definition:

Ohmsches Gesetz: Beziehung zw. Strom, Spannung und Widerstand. Kirchhoffsche Regeln: Knoten- und Maschenregel für Netzwerkanalyse

Details:

• Ohmsches Gesetz: \[ U = R \, \cdot \, I \]
• Widerstand (R), Spannung (U), Strom (I)
• Kirchhoffsche Knotenregel (KCL): Summe der Ströme in einem Knoten = 0 \[ \sum_{i=1}^{n} I_i = 0 \]
• Kirchhoffsche Maschenregel (KVL): Summe der Spannungen in einem geschlossenen Stromkreis = 0 \[ \sum_{i=1}^{n} U_i = 0 \]
• KCL und KVL für komplexe Netzwerke verwenden

Wechselstromtechnik: Sinusförmige Signale, Phasor-Analyse

Definition:

Sinusförmige Signale in der Wechselstromtechnik modellieren zeitlich periodische Spannungs- und Stromverläufe. Phasor-Analyse vereinfacht die Berechnung solcher Signale durch die Nutzung komplexer Zahlen.

Details:

• Mathematische Darstellung sinusförmiger Signale: \(v(t) = V_{max} \cdot \cos(\omega t + \phi)\)
• Phasor-Darstellung: \(\vec{V} = V_{max} \angle \phi \)
• Komplexwertige Darstellung für Berechnungen: \(\vec{V} = V_{rms} \cdot e^{j \phi} \) oder \(\vec{I} = I_{rms} \cdot e^{j \phi} \)
• Wichtig: Umrechnung zwischen Zeitdomäne und Phasordomäne
• Berechnungen mit Impedanzen: \(Z = R + jX \)
• Ohmsches Gesetz in Phasor-Form: \(\vec{V} = \vec{I} \cdot Z \)

Energieübertragung und -verteilung: Hochspannungsleitungen, Transformatoren

Definition:

Übertragung und Verteilung elektrischer Energie über große Entfernungen mithilfe von Hochspannungsleitungen und Transformatoren zur Spannungsanpassung

Details:

• Hochspannungsleitungen: Übertragung mit hoher Spannung zur Reduktion von Verlusten
• Transformatoren: Spannungsanpassung zwischen Übertragungs- und Verteilungsnetzen
• Formel für Verluste: \(P = I^2 \times R\)
• Reduktion der Stromstärke bei höherer Spannung: \(P = U \times I\)
• Primär- und Sekundärspule im Transformator für Spannungstransformation: \(\frac{U_1}{U_2} = \frac{N_1}{N_2}\)
• Verlustleistungsreduktion durch Hochspannungstransformatoren

Grundlagen der EMV: Störquellen und Störsenken

Definition:

Grundlagen der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV): Störquellen erzeugen elektromagnetische Störungen; Störsenken sind empfindliche Geräte/Funktionen.

Details:

• Störquellen: Elektronische Geräte, Blitzschlag, Funkgeräte, Schaltvorgänge.
• Störsenken: Radios, medizinische Geräte, Kommunikationssysteme.
• Wichtigen Höhepunkte: Art der Störung (leitungsgebunden, feldgebunden), Frequenzbereich, Übertragungsweg.
• Maßnahmen: Schirmung, Filter, räumliche Trennung.

Netzstrukturen: Radiale, Maschennetze und Hybridnetze

Definition:

Netzstrukturen (Radiale, Maschennetze, Hybridnetze) beschreiben die verschiedenen grundlegenden Typen von elektrischen Verteilnetzwerken in der Elektrischen Energietechnik.

Details:

• Radiale Netze: Einfacher Aufbau, jeder Verbraucher über eine einzige Zuleitung versorgt. Günstiger, aber geringere Versorgungssicherheit.
• Maschennetze: Hohe Versorgungssicherheit, da mehrere Verbindungen bestehen. Komplexer und teurer. Ausfallsicherheit durch alternative Versorgungswege.
• Hybridnetze: Kombination aus radialen und maschenförmigen Netzstrukturen. Vorteile beider Typen vereint, teurer als radiale, aber günstiger als reine Maschennetze.

Integration erneuerbarer Energien: Herausforderungen und Technologien

Definition:

Integration erneuerbarer Energien in bestehende Energienetze

Details:

• Netzstabilität: Fluktuation der Energieerzeugung durch Wind und Sonne
• Speicherung: Bedarf an effektiven Energiespeichern, z.B. Batterien, Pumpspeicher
• Technologien: Smart Grids, Power-to-X, Demand-Side-Management
• Regelung: Frequenz- und Spannungshaltung im Netz
• Investitionen: Infrastrukturmodernisierung und -ausbau
• Regulierung: Anpassung von Gesetzen und Vorschriften für erneuerbare Energien

Umrichtertechniken in der Leistungselektronik: DC-DC-, DC-AC-, AC-DC-, AC-AC-Umrichter

Definition:

Umrichtertechniken umwandeln elektrische Energieformen, z.B. zur Anpassung von Spannungs- und Frequenzwerten oder zur Erzeugung von elektrischer Energie in gewünschter Form.

Details:

• DC-DC-Umrichter: Wandeln Gleichspannung in eine andere Gleichspannung um. Einsatz: Spannungsregler, Akku-Ladegeräte.
• DC-AC-Umrichter: Wandeln Gleichspannung in Wechselspannung um. Einsatz: Wechselrichter in Photovoltaikanlagen.
• AC-DC-Umrichter: Wandeln Wechselspannung in Gleichspannung um. Einsatz: Netzadapter, Ladegeräte.
• AC-AC-Umrichter: Wandeln Wechselspannung mit einer Frequenz in Wechselspannung mit einer anderen Frequenz um. Einsatz: Frequenzumrichter.
• Formeln:

Lastfluss- und Kurzschlussanalyse von Energienetzen

Definition:

Lastflussanalyse: Berechnung des Energieflusses in einem Netz; Kurzschlussanalyse: Bestimmung der Ströme und Spannungen bei Kurzschlüssen

Details:

• Lastfluss: Bestimmung von Spannungen, Strömen und Verlusten unter Normalbedingungen
• Gleichungen: \(P_i - jQ_i = V_i \sum_{j} (Y_{ij}V_j)\) (Leistungsbilanz)
• Iterative Methoden: Newton-Raphson, Gauss-Seidel
• Kurzschlussanalyse: Identifizierung der maximalen Fehlerströme
• Fehlerarten: drei-, zwei-, und einphasiger Kurzschluss
• Totaler Kurzschlussstrom: \( I_k = \frac{U_N}{Z_{kk}} \)