Energieversorgung

Schnelle Übersicht (Themen im Aufbau):

  • Bereitstellung/Erzeugung elektrischer Energie
  • Verteilung, Netze, Netzsysteme
  • Stromversorgungsanlagen
  • Leistungselektronik

Bereitstellung und Übertragung elektrischer Energie

Was ist der erste Schritt? Klar - die Energieerzeugung.
Das Prinzip ist hier immer gleich:
Eine primäre Energieform - regenerative Energien wie Wasser, Wind, Sonne, ... oder auch fossile Energien, Kernenergie (in Deutschland ab 2022 abgeschaltet) - wird in elektrische Energie umgewandelt. Ganz grundsätzlich ist das auf der Seite Grundlagen Elektrotechnik im Video "Spannung und Strom" erklärt. 
Hier wird das Prinzip am Beispiel einer Dampfturbine in einem thermischen Kraftwerk dargestellt.

Dort wird ebenfalls Energie erzeugt:
Ein beeindruckender und informativer Film der EnBw über den Ausbau des Laufwasserkraftwerkes Iffezheim am Rhein, dem größten seiner Art in Deutschland.


Photovoltaik im großen Maßstab

Für die deutschen Energieversorger ist das Thema Kernenergie abgeschlossen und Vergangenheit. Hier ein Bericht zur Inbetriebnahme des größten deutschen Solarparks durch die EnBw.


Das folgende Video zeigt nicht nur das Prinzip der generatorischen Erzeugung, sondern gibt auch einen Einblick in die Abhängigkeit der Netzfrequenz von der Last - und was bei Überlastung passieren kann: Blackout.


Damit die Energie auch bei uns ankommt, ist ein aufwändiges Übertragungsnetz auf verschiedenen Spannungsebenen notwendig. In den meisten Fällen handelt es sich dabei um Freileitungen. Ein wichtiger Netzbetreiber auf der Höchst- (380kV) und Hochspannungsebene (220kV) ist 50Hertz, von den auch das folgende Video stammt.


Aber warum macht man das überhaupt mit so hohen Spannungen?
Die Antwort findet sich hier:

Aufgaben/Fragen:

  1. Nenne die Spannungsebenen im Energieversorgungsnetz.
  2. Erkläre, welche beiden Möglichkeiten es prinzipiell gib, um hohe Leistungen zu übertragen.
  3. Von den beiden Möglichkeiten wird nur eine gewählt ;-). Erkläre, warum das so ist.
  4. Erste Animation: Arbeite dich "klickweise" durch die Beispiele.
    Beschreibe den Rechenweg (in Worten und mit den passenden Formeln), mit dem die Verluste im ersten "Beispiel ohne Hochspannungsleitung" berechnet werden.
    Erkläre, was letztlich dafür verantwortlich ist, dass bei steigendem Strom die Leitungsverluste "überproportional ansteigen".
  5. Verfolge die zweite Animation und "baue" Schritt für Schritt das einfache Modell einer Energieübertragung auf. Notiere die dort erwähnten Komponenten.
  6. Ein Rechenbeispiel zu Aufgabe 3:
    Es soll eine Leistung von 10MW übertragen werden.
    Berechne die Stromstärke (Achtung - Drehstrom!)
    - bei 380kV
    - bei 400V

Stromversorgungsanlagen

Stromrichter
Gleichrichter, Wechselrichter ... was machen sie und wo werden sie eingesetzt?
Eine kurze Übersicht.

Stromrichter.pdf
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Diode und Gleichrichterschaltungen


Das zentrale Bauteil der Stromrichter ist die Diode.
Der kurzen Einführung zu dieser wichtigen Komponente folgt eine Übersicht der Gleichrichtertypen (1-3-phasig).

Zur Bearbeitung einer Aufgabe wird das Datenblatt der 1N40xx-Dioden benötigt.
Kleine Übung in technischem Englisch ;-).

 

gleichrichterschaltungen-21.pdf
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datenblatt_1N40XX.pdf
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Einweg- und Brückengleichrichter
Zwei Videos zum Einweg-Gleichrichter und zum Brückengleichrichter zeigen die Unterschiede der Schaltungen auf. Ebenso wird die Funktion eines Glättungskondensators demonstriert.


Fragen zu den Videos
- schriftlich beantworten:

  1. Erkläre, warum der Einweg-Gleichrichter "Einweg-Gleichrichter" heißt ;-).
  2. Nenne einen Nachteil des Einweg-Gleichrichters.
  3. An einer Stelle des ersten Videos klappt die gelbe Spannungskurve um. Erkläre, was die Ursache ist (Was wurde geändert?).
  4. Erkläre, von welcher Größe (der angelegten Spannung) die Blinkfrequenz der Diode bei Einweg-Gleichrichtung abhängt. Nenne ein Beispiel.
  5. Erkläre die Maßnahme zur Glättung der Ausgangsspannung.
  6. Zeichne die Schaltung des Brückengleichrichters auf.
  7. Erkläre, warum bei der Demo dazu immer zwei Dioden gleichzeitig leuchten und weshalb die "Lastdiode" mit der doppelten Frequenz der Brückendioden-Paare blinkt.
  8. Nenne den Vorteil des Brückengleichrichters gegenüber dem Einweg-Gleichrichter.
  9. Erkläre begründet, auf welche Spannung sich im unbelasteten Fall der Glättungskondensator auflädt.
  10. Wiederholung 1:
    Notiere die Formeln zur Berechnung der Kapazität
    - bei Parallelschaltung
    - bei Reihenschaltung
  11. Wiederholung 2:
    Berechne die Zeitkonstante eines RC-Gliedes für R=1kΩund C=1µF.


Netzteile - wozu dienen sie?
Netzteile dienen der Versorgung elektrischer Betriebsmittel und passen z.B. die Spannungshöhe und Stromart des speisenden Netzes an die Spannungshöhe und Stromart des Betriebsmittels an.
Die wesentlichen Komponenten eines typischen Netzteils zur DC-Versorgung aus dem Wechselstromnetz sind:

  • Transformator
  • Gleichrichter
  • Siebung/Glättung
  • Spannungsstabilisierung

Unterschieden werden kann zwischen Linerarnetzteilen und Schaltnetzteilen.
Bei Linearnetzteilen ist der Trafo direkt mit dem speisenden Netz verbunden und stellt die Spannungsanpassung auf der Ebene der Netzfrequenz her. Lineare Netzteile sind "groß und schwer", aber aus EMV-Sicht "sauber" - sie erzeugen keine Störfrequenzen.

Schaltnetzteile arbeiten nach Gleichrichtung getaktet mit Schaltwandlerstufen und Trafos auf der "Taktfrequenz-Seite". Diese Frequenz ist um ein vielfaches höher als die des speisenden Netzes. Die Trafos sind dadurch kleiner und haben weitgehend nur die Aufgabe der Potentialtrennung. Schaltnetzteile sind klein und leicht, aber in Billigausführung aus EMV-Sicht dann "dreckig", da sie mit ihren Schaltimpulsen ohne Gegenmaßnahmen Störungen bis in den HF-Bereich erzeugen.
Zunächst wird das gute alte lineare Netzteil betrachtet.

netzteile-21.pdf
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Kompakte Erklärung des Unterschiedes zwischen "normalen" und Z-Dioden.