Dr. Michael Dzieia, Heinrich Hübscher, Dieter Jagla, Jürgen Klaue, Michael Krehbiel, Roland Stolzenburg, Ludwig Wenzl, Harald Wickert Herausgeber: Heinrich Hübscher

Elektrotechnik Gesamtband n n n

Energie- und Gebäudetechnik Betriebstechnik Automatisierungstechnik

3. Auflage

Bestellnummer 231042

Die in diesem Produkt gemachten Angaben zu Unternehmen (Namen, Internet- und E-Mail-Adressen, Handelsregistereintragungen, Bankverbindungen, Steuer-, Telefon- und Faxnummern und alle weiteren Angaben) sind i. d. R. fiktiv, d. h., sie stehen in keinem Zusammenhang mit einem real existierenden Unternehmen in der dargestellten oder einer ähnlichen Form. Dies gilt auch für alle Kunden, Lieferanten und sonstigen Geschäftspartner der Unternehmen wie z. B. Kreditinstitute, Versicherungsunternehmen und andere Dienstleistungsunternehmen. Ausschließlich zum Zwecke der Authentizität werden die Namen real existierender Unternehmen und z. B. im Fall von Kreditinstituten auch deren IBANs und BICs verwendet. Die in diesem Werk aufgeführten Internetadressen sind auf dem Stand zum Zeitpunkt der Drucklegung. Die ständige Aktualität der Adressen kann vonseiten des Verlages nicht gewährleistet werden. Darüber hinaus übernimmt der Verlag keine Verantwortung für die Inhalte dieser Seiten.

Druck: westermann druck GmbH, Braunschweig

[email protected] www.westermann-berufsbildung.de Bildungshaus Schulbuchverlage Westermann Schroedel Diesterweg Schöningh Winklers GmbH, Postfach 33 20, 38023 Braunschweig ISBN 978-3-14-231042-8 © Copyright 2015: Bildungshaus Schulbuchverlage Westermann Schroedel Diesterweg Schöningh Winklers GmbH, Braunschweig Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages. Hinweis zu § 52a UrhG: Weder das Werk noch seine Teile dürfen ohne eine solche Einwilligung eingescannt und in ein Netzwerk eingestellt werden. Dies gilt auch für Intranets von Schulen und sonstigen Bildungseinrichtungen.

3 Hinweise zum Buch Das fachsystematisch aufgebaute Buch der Elektrotechnik ist in einem handlungsorientierten und an Lernsituationen ausgerichteten Unterricht der Berufsschule in allen Ausbildungsjahren der Fachrichtungen Energie- und Gebäudetechnik, Betriebstechnik sowie Automatisierungstechnik einsetzbar. Da im Buch die wesentlichen Inhalte der Elektrotechnik übersichtlich und lernwirksam aufbereitet worden sind, kann das Buch auch in Berufsfachschulen, Fachschulen, Fachoberschulen und Fachgymnasien benutzt werden. Lernfelder Auf der Grundlage der Rahmenlehrpläne sind im Inhaltsverzeichnis (S. 4 bis 7) die Lerninhalte der Hauptkapitel den Lernfeldern zugeordnet worden (Ziffern). Je nach Lernsituation im Unterricht werden sich ggf. andere Zuordnungen ergeben. Lernfelder Energie- und Gebäudetechnik

7 11 9 11.2 11.2.1 11.2.2 11.2.3

Lernfelder Betriebstechnik

Merksätze Am Ende von Lernsequenzen befinden sich Merksätze. Sie enthalten in kurzer Form die wesentlichen Lerninhalte und dienen der Festigung des Lehrstoffs.

n

Aufgaben Am Ende von bestimmten Lernsequenzen befinden sich Aufgaben. Sie sollen helfen, den Lehrstoff zu vertiefen und zu wiederholen.

AUFGABEN

Messfehler [measuring error] Messungen sind stets mit Fehlern behaftet. Die Genauigkeit, mit der ein Messgerät misst, wird als

– Abbildung

Fachbegriffe Deutsch/Englisch Wichtige Fachbegriffe sind im Text durch Fettdruck hervorgehoben worden. Englische Fachbegriffe befinden sich dahinter in eckigen Klammern. Sie sind auch im Sachwortverzeichnis aufgeführt.

– Text

Veranschaulichungen – Durch Kapitelverweise (s. Kap….) werden Zusammenhänge hergestellt (Vorwärts- und Rückwärtsverweis). – Modellvorstellungen werden klar herausgearbeitet. – Flussdiagramme verdeutlichen Zusammenhänge und Abhängigkeiten. – Der Bezug zu beruflichen Praxis wird durch Installationshinweise, zahlreiche Beispiele und entsprechende Abbildungen hergestellt. Wirkungsketten Wirkungsketten stellen Abhängigkeiten heraus (Ursache und Wirkung, Wenn-Dann-Beziehung).

Lernfelder Automatisierungstechnik

Mit dem elektrischen Leitwert G kennzeichnet man die elektrische Leitfähigkeit bzw. Leitwert.

Text und Abbildungen – Durch blaue Kreise mit Zahlen wird der Zusammenhang zwischen dem Text und der dazugehörige Abbildung hergestellt (Verknüpfung zwischen Text und Abbildung). – Die Texte sind in der Regel so verfasst, dass übersichtliche Lernsequenzen entstehen, in vielen Fällen auf einer Doppelseite. – Eine klare Gliederung (Gliederungspunkte, Spiegelstriche) und Zwischenüberschriften erleichtern die Orientierung. – Die Kapitelangaben in der Kolumnenzeile sind für die Orientierung im Buch förderlich.

Größen und Einheiten Im Kapitel 1 „Grundlagen der Elektrotechnik“ werden neue Größen und ihre Einheiten in besonderer Weise herausgestellt.

561 561 564 565

1. Ermitteln Sie aus dem Diagramm der Abb. 2 die Leistung bei R = 200 Ω und den Widerstand bei P = 1 kW.

Einschübe Zur Auflockerung des Textes und als Zusammenfassung begrenzter Lerninhalte sind besonders hervorgehobene Einschübe eingefügt worden.

Hervorhebungen von Formeln Formeln sind in roter Schrift gesetzt und treten deutlich aus dem umgebenden Text hervor.

Bussysteme Übersicht Bussysteme Multi Point Interface ASI-Bus

u in V

2

300 230 200

– Text

Maximalwert (Amplitude [amplitude]) û 2 Energien (regenerative Energie [renewable energy]) – Sachwortverzeichnis Regenerative Energie / renewable energy 263

Δu: Prozentualer Spannungsfall UN: Bemessungsspannung

ΔU Δu = U · 100 % N Elektrische Leistung

Formelzeichen

Einheit

P

W (Watt)

ΔU berechnen

qn,vorl

nein

ΔU < ΔUzul ja qn

ϑ ↓ ⇒ RPTC↑ ⇒ U ↓

8

4

Inhalt / Content

1 1 1 1 1.1 1 1 1 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 1.2.5 1.2.6 1.2.7 1.2.8 1.2.9 1.2.10 1.2.11 1.2.12 1.2.13 1.2.14 1.2.15 1.2.16 1.2.17 1.2.18 1 1 1 1.3 1.3.1 1.3.1.1 1.3.1.2 1.3.1.3 1.3.1.4 1.3.1.5 1.3.1.6 1.3.2 1.3.2.1 1.3.2.2 1.3.2.3 1.3.2.4 1.3.2.5 1.3.2.6 1 1 1 1.4 1.4.1 1.4.2 1.4.3 8 8 8 1.5 1.5.1 1.5.2 1.5.3 1.5.4 1.5.4.1 1.5.4.2 1.5.5 2 2 2 1.6 1.6.1 1.6.2 1.6.3 1.6.4 6 6 6 1.7 1.7.1 1.7.2

1.7.3 6 6 6 1.8

Grundlagen der Elektrotechnik Elektrizität in Natur und Technik Größen der Elektrotechnik Grundgrößen Elektrischer Strom Elektrische Ladung Elektrische Stromstärke Stromleitung in Metallen, Flüssigkeiten und Gasen Elektrische Spannung Wechselspannung Messen von Spannung und Stromstärke Anzeige bei Messgeräten Elektrischer Widerstand Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstärke Zusammenhang zwischen Widerstand und Stromstärke Elektrische Leistung Leistung und Widerstand Elektrische Arbeit und Energie Elektrische Energie und Wärme Leiterwiderstand Widerstand und Temperatur Schaltungen Schaltungen mit Widerständen Parallelschaltung Reihenschaltung Gruppenschaltungen Brückenschaltung Vorwiderstand, Spannungsteiler Spannungsfall auf Leitungen Schaltungen mit Spannungsquellen Innenwiderstand Ideale Spannungs- und Stromquellen Anpassung Reihenschaltung Parallelschaltung Elektrochemische Spannungsquellen Elektrisches Feld Elektrische Feldeigenschaften Kondensatoren Schaltungen mit Kondensatoren Magnetisches Feld Magnetische Feldeigenschaften Stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld Kräfte im Magnetfeld Spannung durch Magnetfelder Induktion der Bewegung Induktion der Ruhe Spulen Wechselspannung Wechselspannungserzeugung Darstellung und Kenngrößen Effektivwerte Nichtsinusförmige Wechselspannungen Spulen im Wechselstromkreis Widerstand der Spule Reihenschaltung aus R und XL

Lernfelder Energie- und Gebäudetechnik

9 10 10 11 12 13 14 16 17 18 19 22 24 26 28 29 31 33 34 35 36 36 36 37 39 41 42 43 44 44 45 46 46 47 48 50 50 51 54 55 55 56 58 60 60 61 64 66 66 67 70 71 74 74 75

Parallelschaltung aus R und XL Kondensatoren im Wechselstromkreis 1.8.1 Widerstand des Kondensators 1.8.2 Reihenschaltung aus R und XC 1.8.3 Parallelschaltung aus R und XC Spulen, Kondensatoren und 6 6 6 1.9 Wirkwiderstände im Wechselstromkreis 1.9.1 Reihenschaltung aus R, XC und XL 1.9.2 Parallelschaltung aus R, XC und XL Drei-Phasen-Wechselspannung 2 2 2 1.10 1.10.1 Spannungserzeugung 1.10.2 Belastetes Drehstromnetz 1.10.2.1 Sternschaltung 1.10.2.2 Dreieckschaltung 1.10.2.3 Unsymmetrische Belastung

2 1 1 1 2.1 1 1 1 2.2 2 2 2 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2 2 2 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.2.1 2.4.2.2 2.4.2.3

82 82 83 84

86 86 88 90 90 92 92 93 94

Elektrische Installationen

Gefahren durch elektrischen Strom Arbeitsschutz und Sicherheit Hausverteilung Hausanschlussraum Zähler Stromkreisverteiler Schaltpläne Leitungsverlegung Leitungsarten Überstrom-Schutzorgane Leitungs-Schutzsicherung Leitungsschutz-Schalter Bemessung und Anordnung von Überstrom-Schutzorganen 2.4.3 Auswahl von Leitungen 2.4.3.1 Einflüsse 2.4.3.2 Ermittlung des Leiterquerschnitts 2.4.3.3 Korrektur der Strombelastbarkeit Kalkulation und Angebot 2 2 2 2.5 Installationsdurchführung 2 2 2 2.6 2.6.1 Installationsformen 2.6.2 Installationsarten 2.6.3 Installationszonen 2.6.4 Elektroinstallation in der Küche 2.6.5 Elektroinstallation im Bad Schutzmaßnahmen 5 5 5 2.7 2.7.1 Fehlerstromkreis 2.7.2 Spannungsbereiche, Schutzklassen und Schutzarten 2.7.3 Schutzmaßnahmen – Überblick 2.7.4 Basisschutz und Fehlerschutz 2.7.5 Basisschutz 2.7.6 Fehlerschutz 2.7.6.1 Doppelte oder verstärkte Isolierung 2.7.6.2 Schutztrennung 2.7.6.3 Nicht leitende Umgebung 2.7.6.4 Erdfreier örtlicher Schutzpotenzialausgleich 2.7.6.5 Abschaltung im TN-System 2.7.6.6 Abschaltung im TT-System 2.7.6.7 Abschaltung im IT-System 2.7.6.8 Übersicht: Verteilungssysteme 2.7.7 Schutzpotenzialausgleich und Erdung

Lernfelder Betriebstechnik

80

95 97 99 99 103 106 110 113 113 115 115 117 119 120 120 122 124 127 129 129 130 132 133 134 136 136 137 139 140 142 144 144 145 146 146 147 150 151 152 153

Lernfelder Automatisierungstechnik

5

Inhalt / Content

2.7.8 2.7.9 2.7.9.1 2.7.9.2 2.7.9.3 2.7.10 2.7.10.1

Anlagenschutz Schutz vor Ausgleichsströmen Problemdarstellung Netzumrüstung Differenzstromüberwachung Schutz vor Oberschwingungen Belastungsfälle in Energieverteilsystemen 2.7.10.2 Messen von Oberschwingungen 2.7.10.3 Netzfilter Besondere Räume, Bereiche 5 5 5 2.8 und Anlagen Prüfen und Messen 5 5 5 2.9 2.9.1 Übersicht 2.9.2 Erstprüfung 2.9.3 Besichtigung 2.9.4 Niederohmmessung 2.9.5 Isolationswiderstand 2.9.6 Erdungswiderstand 2.9.7 Schleifenimpedanz 2.9.8 Netzinnenwiderstand 2.9.9 Fehlerstrom-Schutzeinrichtung 2.9.10 Drehrichtung 2.9.11 Funktionsprüfung 2.9.12 Prüfplan 2.9.13 Dokumentation 2.9.14 Wiederkehrende Prüfung Nutzereinweisung 5 5 5 2.10 Schritte einer Elektroinstallation 5 5 5 2.11 Rechnung 5 5 5 2.12

3 3 3 3 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.1.5 3 3 3 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 3.2.6 3.2.7 3 3 3 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3 3 3 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.4.5 3 3 3 3.5 3 3 3 3.6 3.6.1 3.6.2 3.6.3 3 3 3 3.7

154 156 156 157 159 160 160 161 164 166 170 170 170 171 171 173 174 175 176 177 178 178 179 180 182 185 187 188

Steuerungstechnik Steuerungsprinzip Steuern Steuerungsarten GRAFCET Signale Bedienelemente Sensoren Übersicht Temperatursensoren Druck- und Kraftsensoren Durchflusssensoren Füllstandssensoren Positionssensoren Näherungssensoren Aktoren Übersicht Aktoren mit elektrischer Hilfsenergie Thermische Aktoren Aktoren für Strömungen Digitaltechnik Logische Grundschaltungen Schaltnetze Speicherschaltungen Monostabile Kippstufen Zähler Steuerrelais Relais und Schütze Relais Schütze Anwendungen Pneumatik

Lernfelder Energie- und Gebäudetechnik

189 189 191 192 193 194 195 195 196 197 198 199 200 200 203 203 204 205 206 207 207 209 211 213 214 215 219 219 221 222 224

4 4 4 4 4.1 4 4 4 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.2.1 4.2.2.2 4.2.2.3 4.2.2.4 4.2.2.5 4.2.2.6 4.2.3 4.2.3.1 4.2.3.2 4.2.3.3 4.2.4 4.2.4.1 4.2.4.2 4.2.4.3 4.2.5 4.2.5.1 4.2.5.2 4 4 4 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 4.3.6 4.3.7 4 4 4 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4

5 5 5 11 5

5 5 5 5

5 5 5 5

5.1 5.2 5.3 5.4 5.4.1 5.4.2 5 5 5 5.5 5.5.1 5.5.2 5.5.3 11 10 5 5.6 5.6.1 5.6.2 5.6.3 11 10 9 5.7 5.7.1 5.7.2 5.7.3 11 10 8 5.8 5.8.1 5.8.2

Lernfelder Betriebstechnik

Informationstechnik Nachricht, Information und Kommunikation Computertechnik Aufbau und Arbeitsweise eines PCs Hardware Hauptplatine Interne Speicher Festplatten Optische Speicher Akustikeinheit Grafikkarte Schnittstellen Serielle und parallele Schnittstellen Interne PC-Schnittstellen Externe PC-Schnittstellen Software Übersicht Betriebssysteme Anwendungssoftware Peripheriegeräte Eingabegeräte Ausgabegeräte Netzwerke Arten Netzwerkkomponenten Netzwerkprotokolle Ethernet Netzwerk-Hardware Strukturierte Verkabelung Verkabelung von Kommunikationsanlagen Internet Aufbau und Dienste Adressen (IP-Adressen) Informationsbeschaffung im Internet Internetnutzung

227 228 228 230 230 231 232 234 235 236 237 237 238 240 242 242 243 245 246 246 250 253 253 254 255 256 257 259 260 261 261 262 264 265

Elektroenergieversorgung Kraftwerke Brennstoffzellen Kraft-Wärme-Kopplung Energieverteilung Verbundnetz Niederspannungsnetz Transformatoren Einphasentransformator Sondertransformatoren Drehstromtransformatoren Photovoltaik Solarmodule Komponenten einer PV-Anlage Installation einer PV-Anlage Unterbrechungsfreie Stromversorgung Einsatz und Klassifizierung USV-Auswahl USV-Management Kompensationsanlagen Kompensationsarten Kompensation bei sinusförmiger Belastung

267 269 270 272 272 273 276 276 279 280 282 282 284 286 289 289 291 292 293 293 294

Lernfelder Automatisierungstechnik

6

Inhalt / Content

5.8.3

5.8.5 5.9 5.9.1 5.9.2 5.9.3 5.9.4 5.9.5 5.9.6 5.10 5.11 5.12

Kompensation bei nichtsinusförmiger Belastung Kompensation und Rundsteuersignale Aktive Filter Schaltanlagen Aufbau Schaltgeräte Antriebe von Leistungsschaltern Zähleranschluss Schalthandlungen Schutzsysteme Fehlersuche Instandhaltung Funktionserhalt

6

Elektronik

5.8.4

5 10 10

6 6 10 6 6 10 6 6 10

6 6 8 6.1 6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.1.4 6.1.5 6 6 8 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 6 6 8 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.2.1 6.3.2.2 6.3.3 6.3.4 6.3.5 6 6 8 6.4 6.4.1 6.4.2 6.4.3 6.4.4 6 6 8 6.5

7 7 7 7 7.1 7 7 7 7.2 7 7 7 7.3 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.3.4 7.3.5 7.3.6 7.3.7 7.3.8 7 7 7 7.4 7.4.1 7.4.2 7.4.3

297 300 301 302 302 304 307 308 310 312 318 324 327

Halbleiterwiderstände Halbleiter Spannungsabhängige Widerstände Temperaturabhängige Widerstände Lichtabhängige Widerstände Magnetabhängige Widerstände Dioden Funktion und Aufbau Leuchtdioden Gleichrichterschaltungen Spannungsstabilisierung Elektronische Schalter Prinzip Transistor als Schalter Bipolare Transistoren Feldeffekttransistoren Thyristoren Triac Elektronische Relais Verstärker Verstärkungsprinzip Verstärker mit bipolaren Transistoren Verstärker mit Feldeffekttransistoren Operationsverstärker Netzteile

329 329 329 330 332 332 333 333 335 336 338 339 339 340 340 342 343 345 347 348 348 349 351 352 355

Speicherprogrammierbare Steuerungen

Schranke abwärts Zählen der Parkplätze Programmsimulation Installation und Inbetriebnahme Dokumentation und Rechnung

8

Antriebstechnik

8 8 8 8.1 8.1.1 8.1.2 8.1.3 8.1.3.1 8.1.3.2 8.1.3.3 8.1.4 8.1.5 8.1.6 8.1.7 8 8 8 8.2 8.2.1 8.2.2 8.2.2.1 8.2.2.2 8.2.2.3 8.2.2.4 8.2.2.5 8.2.2.6 8.2.3 8.2.4 8.2.5 8 8 8 8.3 8.3.1 8.3.2 8.3.2.1 8.3.2.2 8.3.2.3 8.3.2.4 8.3.3 8 8 8 8.4 8.4.1 8.4.2 8.4.3 8.4.4

9

Aufbau und Funktion einer SPS Auswahl einer SPS Programmieren einer SPS Zyklischer Programmablauf Programmdarstellungen Operanden Operationen Merker Timer Zähler Programmbausteine und -strukturen Programmierbeispiel Schrankenanlage Programmstruktur und Projekt anlegen Hardwarekonfiguration Schranke aufwärts

Lernfelder Energie- und Gebäudetechnik

7.4.4 7.4.5 7.4.6 7.4.7 7.4.8

357 360 364 364 366 367 368 370 372 373 374 376 376 377 378

9 9

9.1 9.1.1 9.1.2 9.1.3 9.1.4 9.1.5 9.1.5 9.1.7 9 9 9 9.2 9.2.1 9.2.2 9.2.3 9.2.3.1 9.2.3.2 9.2.4 9.2.5 9.2.5.1

Lernfelder Betriebstechnik

Drehstrommotoren Drehfeld Leistung und Drehmoment Asynchronmotoren Übersicht Kurzschlussläufer-Motor Schleifringläufer-Motor Drehstrommotor an Wechselspannung Kondensatormotor Synchronmotoren Motorauswahl Steuerung von Drehstrommotoren Motorschutz Anlassverfahren Grundsätzliche Probleme Vorwiderstände Anlasstransformator Stern-Dreieck-Anlassen Sanftanlaufgeräte Frequenzumrichter Bremsbetrieb Drehrichtung Drehzahländerung Stromwendermaschinen Gleichstromgeneratoren Gleichstrommotoren Arbeitsweise Motorschaltungen Motorsteuerung Bremsbetrieb Universalmotor Sondermotoren Spaltpolmotor Linearmotor Servoantriebe Schrittmotor

382 384 385 386 388

389 389 391 391 391 392 395 397 398 399 401 405 405 409 409 409 409 410 412 415 419 420 421 423 423 426 426 428 430 433 434 435 435 436 438 440

Kommunikationstechnik Gebäudesystemtechnik EIB/KNX-System KNX-Technik KNX-Installation Programmierung Inbetriebnahme Programmierumgebung ETS 4 Gebäudevisualisierung Telekommunikationsanlagen Übersicht Analoge Telekommunikation Digitale Telekommunikation ISDN Installation DSL-Anschluss Videokonferenzsysteme Desktopsysteme

441 441 442 444 446 450 452 454 457 457 458 460 460 463 466 468 468

Lernfelder Automatisierungstechnik

7

Inhalt / Content

9 9

9 9

10

10 9

10 9

9.2.5.2 9.3 9.3.1 9.3.2 9.3.3 9.3.3.1 9.3.3.2 9.3.3.3 9.3.3.4 9.3.3.5 9.3.3.6 9.3.3.7 9.3.4 9.3.5 9.4 9.4.1 9.4.2 9.4.3 9.4.4 9.4.5 9.4.6

Gruppen-Videokonferenzsysteme Gefahrenmeldeanlagen Sicherheitstechnik Begriffe Objekte für Einbruchmeldeanlagen Melder zur Außenhautsicherung Melder zur Innenraumsicherung Überfallmelder Brandmelder Meldelinien Schalteinrichtungen Einbruchmeldezentrale Installation Videoüberwachung Empfangsverteilanlagen Möglichkeiten des Fernsehempfangs Terrestrische Anlagen DVB-T DVB-C DVB-S Installation einer SatellitenEmpfangsverteilanlageanlage

10

Haustechnik

10.1 10.1.1 10.1.2 10.1.3 10.1.4 10.1.5 10.1.6 10.1.7 10.1.8 10.2 10.2.1 10.2.2 10.2.3 10.2.3.1 10.2.3.2 10.2.3.3 10.2.3.4 10.2.3.5 10.2.3.6 10.2.3.7 10.2.4 10.2.4.1 10.2.4.2 10.2.5 10.3

Hausgeräte und -anlagen Elektroherde und Backöfen Mikrowellengeräte Kühl- und Gefriergeräte Geschirrspüler Waschmaschinen Warmwassergeräte Nachtspeicherheizung Prüfen und Messen Beleuchtungsanlagen Einflussgrößen Kennzeichnung von Leuchten Lampen Lampenarten Glühlampen Halogenlampen Leuchtstofflampen Hochdrucklampen LED-Lampen Entsorgung und Energieeffzienz Beleuchtungsbeeinflussung Steuerung Regelung Sicherheitsbeleuchtung Installation von Beleuchtungsanlagen Hallenbeleuchtung Bürobeleuchtung Prüfung und Wartung Überspannungsschutz Auswirkungen von Überspannungen Äußerer Blitzschutz Innerer Blitzschutz Prüfung und Wartung

10.3.1 10.3.2 10.3.3 10 9 9 10.4 10.4.1 10.4.2 10.4.3 10.4.4

11 7 11 11 11.1 11.1.1

470 472 472 473 475 475 476 477 478 480 484 485 486 488 491 491 493 497 498 499 501

503 503 506 507 508 509 510 514 516 518 518 520 521 521 521 522 524 527 528 531 532 532 534 536 539 539 544 546 547 547 548 551 554

Automatisierungstechnik Regelungstechnik Steuern und Regeln

Lernfelder Energie- und Gebäudetechnik

11.1.2 11.1.3 11.1.4 11.1.5 11.1.6 11.1.7 11.1.8 11.1.9 7 11 9 11.2 11.2.1 11.2.2 11.2.3 11.2.4 11.2.5 11.2.6 7 11 11.3 11.3.1 11.3.2 11.3.3 11.3.4 11.3.5 7 7 11 11.4 11.4.1 11.4.2 11.4.3 11.4.4 11.4.5 11.4.6 10 11 11 11.5

12 * * * 12.1 12.1.1 12.1.2 12.1.3 12.1.4 12.1.5 12.1.6 12.1.7 * * * 12.2 12.2.1 12.2.2 12.2.3 * * * 12.3 12.3.1 12.3.2 12.3.3 12.3.4 12.3.5 * * * 12.4 12.4.1 12.4.2

Regelkreis Regelstrecken Regelkreisverhalten Grundschaltungen stetiger Regler Zusammengesetzte Regler Reglereinstellungen mit Tabellen Digitale PID-Regler Unstetige Regler Bussysteme Übersicht Bussysteme Multi Point Interface ASI-Bus PROFIBUS PROFINET Switching-Technologie Steuern in automatisierten Anlagen Bibliotheksfähige Funktionen (FC) Bibliotheksfähige Funktionsbausteine (FB) Ablaufsteuerung mit Schrittmerkern Ablaufsteuerung mit S7-GRAPH Standardisierte Ablaufsteuerung Sicherheit in Steuerungen Risikobewertung Performance Level Elektrische Ausrüstung von Maschinen Sicherheits-Lichtvorhänge und -Lichtgitter ASIsafe PROFIsafe EMV

Lernfelder Betriebstechnik

586 586 589 592 593 595 598 598 599 603 605 606 607 608

Betrieb und Umfeld Betriebliche Arbeit Arbeitsschutz Arbeitsorganisation Teamarbeit Kommunikation Konflikt Projekt Qualität und Qualitätssicherung Umgang mit Kunden Kundenberatung Auftragsbearbeitung Kostenkalkulation Darstellung von Ergebnissen Präsentation Visualisierung Berichte Lastenheft und Pflichtenheft Moderation Lernen und Weiterbildung Informationsaufbereitung Informationsbeschaffung

Sachwortverzeichnis deutsch/englisch Bildquellenverzeichnis

555 555

556 558 561 562 564 566 567 568 569 569 572 573 576 580 583

611 611 612 614 615 615 616 617 619 619 620 621 622 622 624 625 625 626 627 627 628 630 648

* Übergreifende Themen für unterschiedliche Lernfelder Lernfelder Automatisierungstechnik

99

2.3.1 Hausanschlussraum / Service entrance room

2.3

Hausverteilung

2.3.1

Hausanschlussraum

In Abb. 6 ist in einer Schnittdarstellung für ein Wohnhaus die elektrische Hausinstallation mit wichtigen Komponenten dargestellt. Die elektrische Energie gelangt über das Spannungsnetz des VNB (Verteilnetzbetreiber [distribution network operator], s. Kap. 1.10.1) in das Wohnhaus. Die Einspeisung kann über einen Freileitungsanschluss oder einen unterirdischen Kabelanschluss erfolgen. In neuen Wohngebieten ist in der Regel ein Kabelanschluss vorhanden. Im Hausanschlussraum [service entrance room] (Abb. 6 1) des Wohnhauses sind folgende Einrichtungen zur Verteilung der elektrischen Energie installiert: • Hausanschlusskasten (HAK) • Haupterdungsschiene • Hauptverteiler mit Arbeitszähler Anforderungen an den Hausanschlussraum In jedem Wohngebäude mit mehr als zwei Wohnungen ist ein gesonderter Hausanschlussraum (Abb. 4) erforderlich. In Ein- und Zweifamilienhäusern ist dieser zentrale Versorgungsraum zwar nicht vorgeschrieben, jedoch durchaus sinnvoll. In ihm sind alle zur Versorgung notwendigen Anschlussleitungen (elektrische Energie, Wasser, Gas, Telekommunikation, …) und deren Verteil-einrichtungen untergebracht. Bei der Planung und Auswahl des Hausanschlussraums sind nach DIN 18012 folgende Vorgaben einzuhalten: – Der Raum muss im Untergeschoss an einer Außenwand liegen.

1

6: Elektroinstallation in einem Wohnhaus – Der Raum muss leicht und jederzeit begehbar sein und darf nicht als Durchgang zu weiteren Räumen dienen. – Der Raum darf nicht für andere Zwecke genutzt werden.

Verbindungsleitung zum Stromkreisverteiler Durchgang ≥ 1200

Hauptleitung

Erdgleiche

500 800

Anschlusspunkt für Telekommunikationsleitung (APL) Platz für Zählerschrank Hausanschlusskasten (HAK) Höhe über Fußboden: – Oberkante ≤ 1,5 m – Unterkante ≥ 0,5 m

Haupterdungsschiene

nd

.2

00

0

Abwasserleitung

mind. 1800

mi

Hauseinführungsleitung

Raumhöhe ≥ 2000

Kabelschutzrohr Bodenablauf

5: Hausanschlussraum

Anschlussleitung für Gasversorgung mit Gaszähler

Maße in mm

Anschlussleitung für Trinkwasser mit Wasserzähler Erdungsleiter Fundamenterder

100

2.3.1 Hausanschlussraum / Service entrance room

Hausanschlusskasten (HAK)

Hauptleitung

Im Hausanschlussraum befindet sich der Hausanschlusskasten [service entrance box] (Abb. 1 u. 3 1). Der HAK gehört zur Anlage des VNB. Er ist der Übergabepunkt zur Anlage des Kunden. Damit keine elektrische Energie „ungezählt“ entnommen werden kann, ist der HAK verplombt.

Die Hauptleitung [main line] (Abb. 3) verbindet den Hausanschlusskasten mit der Zähleinrichtung. Sie soll die Energie mit geringen Verlusten zur Zähleinrichtung transportieren. Auch der Zählerkasten ist verplombt.

Im Hausanschlusskasten befinden sich die Sicherungen (Abb. 3 2). Die Bemessungsstromstärke der Sicherungen wird vom VNB festgelegt. In Neuanlagen werden Sicherungen vom Typ NH (NiederspannungsHochleistungssicherungen, s. Kap. 2.4.2.1) verwendet. Mit ihnen kann die nachfolgende Anlage auch unter Belastung freigeschaltet werden. Vom HAK führt die Hauptleitung über den dreipoligen selektiven Hauptleitungs-Schutzschalter 3 [circuit breaker] zum Hauptverteiler und zu den Messeinrichtungen (Zähler 4). Die Einspeisung der Energie erfolgt in der Regel über die Außenleiter L1, L2 und L3 und den PEN-Leiter des Drehstromnetzes (s. Kap. 1.10.1). Der PEN vereinigt die Funktionen des Schutzleiters [protective earth conductor] und des Neutralleiters. Es stehen zwei unterschiedliche Spannungen zur Verfügung (Abb. 2): • Leiterspannungen U12 = U23 = U31 = 400 V und • Strangspannungen U1N = U2N = U3N = 230 V

Welche Leitungsart [cable type] verwendet werden darf, hängt u. a. von dem benötigten Querschnitt und damit von der maximalen Strombelastung ab (Abb. 4).

4001 Zähler

kWh

4

3

S

2

HAK

1

3: Hauptleitung

Hauptleitung Leitungsart mehradrige Mantelleitung mehradrige Kabel einadrige Kabel Leitungen in Rohren

Querschnitt < 35 mm2 < 185 mm2 < 150 mm2 < 70 mm2

4: Hauptleitung

Hauptleitung

Mindestabsicherung der Hauptleitung

PEN-Leiter

NH-Sicherung

Warmwasserbereitung mit ohne

Einfamilienhaus 63 A 63 A

Zwei Wohnungen 80 A 63 A

Drei Wohnungen 100 A 63 A

5: Mindestabsicherung der Hauptleitung Hauptleitungen dürfen unter Putz, auf Putz oder in Schächten, Rohren und Kanälen verlegt werden. In Schächten dürfen sie nicht mit anderen Versorgungsleitungen geführt werden. Für die Anschlusswerte von Wohnhäusern gelten die Mindestwerte der Abb. 5.

Außenleiter Zuleitung vom VNB

Welcher Leiterquerschnitt zu verlegen ist, hängt von der Absicherung der Hauptleitung und von dem maximal zulässigen Spannungsfall auf der Leitung ab (0,5 %). Die Bestimmung des Querschnitts erfolgt durch Tabellen und/oder Berechnungen (s. Kap. 2.4.3.2).

1: Hausanschlusskasten HAK

Hausverteilung

L1 L2

U12

L3

U 23

U1N U 31

n

U 2N n

PEN

U 3N n

2: Spannungen am HAK

Der HAK ist der Übergabepunkt (Schnittstelle) zwischen dem VNB-Versorgungsnetz und der Hausverteilung. Der HAK wird vom zuständigen VNB installiert und verplombt. Die Hauptleitung ist die Verbindung zwischen HAK und Hauptverteiler bzw. Zähler.

101

2.3.1 Hausanschlussraum / Service entrance room

Schutzpotenzialausgleich Durch den Schutzpotenzialausgleich [protective equipotential bonding] (S. 99, Abb. 5) werden elektrisch leitende • Körper der Objekte (z. B. Gehäuse) und die • fremden und leitfähigen Teile (z. B. Wasser-, Gasund Heizungsrohre) elektrisch niederohmig miteinander verbunden und an einem zentralen Punkt geerdet. Erden [earthing] bedeutet, dass eine leitende Verbindung zum elektrisch gut leitenden Erdreich hergestellt wird. Mit dieser Maßnahme erreicht man, dass im Fehlerfall alle Metallteile das gleiche Potenzial besitzen. Gleiches Potenzial bedeutet, dass zwischen räumlich getrennten Körpern keine Spannung auftritt. Es fließt kein Strom. Die Verbindung erfolgt mit einem grün-gelben Leiter.

• Da die Rohrverbindung der Verbrauchszähler in Gas- und Wasserleitungen isolierend aufgebaut sein können, müssen die Rohre hinter dem jeweiligen Zähler geerdet werden. Der Fundamenterder [foundation earth] hat die Funktion, das Erdreich niederohmig mit der Haupterdungsschiene zu verbinden. Er darf nur von einer Elektrofachkraft oder unter deren Aufsicht verlegt werden. An die verwendeten Materialien und Objekte werden hinsichtlich des Korrosionsschutzes besondere Anforderungen gestellt. Eine Möglichkeit der Verlegung eines Banderders [earthing strip] in der Armierung des Fundaments ist in Abb. 7 dargestellt.

Haupterdungsschiene Der Schutzpotenzialausgleich wird an der Haupterdungsschiene (Abb. 6) [main earthing bar] vorgenommen. Über sie werden die einzelnen Objekte mit dem Erdreich verbunden. Bei der Planung der Installation ist folgendes zu beachten: • Der Schutzleiter wird der Haupterdungsschiene entweder vom HAK oder vom Hauptverteiler zugeführt. • Der zu verwendende Querschnitt richtet sich nach dem größten Schutzleiterquerschnitt der Anlage (mindestens 10 mm2). • Die Farbkennzeichnung ist grün-gelb. • Metallrohre dürfen nicht als Erder verwendet werden. • Sollen mehrere Rohre miteinander verbunden werden, darf der verbindende Leiter nur unterbrechungsfrei verlegt werden. Schutzleiter PE

PEN

TK-Anlage Antennenanlage Gasversorgung Heizungsanlage Wasserversorgung

7: Banderder in der Armierung des Betons AUFGABEN 1. Sie sollen eine Leitung vom HAK im Keller zum Hauptverteiler im 1. Obergeschoß eines Wohnhauses verlegen. Was müssen Sie bei der Verlegung der Leitung beachten? 2. Wie groß muss der Querschnitt einer 12 m langen Hauptleitung aus Kupfer sein, wenn die Bemessungsstromstärke der vorgeschalteten Sicherungen 63 A beträgt? 3. Mit welcher Stromstärke kann die Hauptleitung eines Gebäudes mit drei Wohnungen belastet werden, wenn die Warmwasserversorgung elektrisch betrieben wird? 4. Die Hauptleitung in einem Wohngebäude ist mit einer Bemessungsstromstärke von 50 A abgesichert. Der Leiterquerschnitt beträgt 10 mm2. Wie groß darf die Leitungslänge maximal sein?

n

n

Blitzschutzanlage Fundamenterder

≥ 300 mm n

n

6: Haupterdungsschiene

Der Schutzpotenzialausgleich verbindet alle leitenden Gehäuse der Objekte und alle Metallrohre miteinander. Der Schutzpotenzialausgleich verhindert, dass im Fehlerfall zwischen den Gehäusen elektrischer Objekte und anderen Metallteilen gefährliche Spannungen auftreten. Alle den Schutzpotenzialausgleich betreffenden elektrischen Verbindungen müssen besonders niederohmig sein. Die Elektrofachkraft ist verantwortlich für die fachgerechte Ausführung aller Arbeiten an den Objekten des Schutzpotenzialausgleichs.

102

2.3.1 Hausanschlussraum / Service entrance room

Wirkung des Schutzpotenzialausgleichs

• Fehlerstrom mit Schutzpotenzialausgleich

Die Wirkung des Schutzpotenzialausgleichs soll an einem Beispiel verdeutlicht werden. In Abb. 1 ist dazu ein Fehler an einem Heizkessel dargestellt. Zwei Fälle werden unterschieden.

Das Heizungsrohr ist über einen Leiter (Abb. 2a 2) niederohmig mit der Erde verbunden. Mensch und Haupterdungsschiene (Abb. 3b) bilden eine Parallelschaltung. Der Strom teilt sich auf.

• Fehlerstrom ohne Schutzpotenzialausgleich

Der aus der Skizze von Abb. 2a entwickelte Stromlaufplan ergibt eine Gruppenschaltung (Abb. 2b). Der Widerstand des Menschen kann vernachlässigt werden und es fließt ein Strom von 575 A (s. Berechnung, unten). Die Sicherung F1 löst aus und die Spannung besteht nicht mehr.

Durch den Fehler liegt L1 am Rohrleitungssystem 1, ohne dass eine leitende Verbindung zur Erde besteht. Dadurch liegt zwischen dem Heizungsrohr und der Erde eine Spannung von 230 V. Wird das Heizungsrohr jetzt von einer Person berührt, wird der Stromkreis geschlossen und es fließt ein Strom von L1 → Heizungsrohr → Mensch → N (Erde). Die Abb. 2 zeigt dazu den um die Sicherung erweiterten Stromlaufplan. Es handelt sich um eine Reihenschaltung aus den beiden Widerständen RH und RM.

L1

1

N

RM

F1 10 A

F1

I

RM

R H : Widerstand des Heizungsrohres

I Pa

R Pa

IM

RM

Stromstärke im Fehlerfall RH > 0,170 A).

Stromstärke im Fehlerfall Der elektrische Widerstand des Körpers bildet mit dem Heizungsrohr eine Reihenschaltung. Ges.: I

230 V 1,35 Ω + 0,3 Ω

R Pa

2 4 6 8

4

L1L2L3 PEN

1

RCD

10 11 12

6

F2. 0

F0. 7

9

0

F2. 1

SH E5 E-Werk

N PE RCD

5

2: Stromlaufplan