Fachwissen Betriebs- und Antriebstechnik

Bibliothek des technischen Wissens 

Fachwissen Betriebsund 

Antriebstechnik 

Fachwissen der Elektroniker/in für Betriebstechnik 

sowie für Maschinen- und Antriebstechnik 

6. Auflage erweiterte und überarbeitete Auflage 

VERLAG EUROPA-LEHRMITTEL · Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG 

Düsselberger Straße 23 · 42781 Haan-Gruiten 

Europa-Nr.: 50015

Autoren von Fachwissen Betriebs- und Antriebstechnik 

Hartmut Fritsche Dipl.-Ing. Massen 

Gregor D. Häberle Dr.-Ing. Tettnang 

Heinz O. Häberle Dipl.-Gewerbelehrer, VDE Kressbronn 

Armin Schonard staatl. geprüfter Techniker, Göppingen 

Technischer Betriebswirt 

Siegfried Schmitt staatl. geprüfter Techniker, Bad Bergzabern 

Techn. Oberlehrer 

Herbert Tapken Dipl.-Ing. Oldenburg, Wardenburg 

Bildbearbeitung: 

Zeichenbüro des Verlags Europa-Lehrmittel, 73760 Ostfildern 

Das Buch wurde auf der Grundlage der aktuellen Rechtschreibung erstellt. Wenn die Rechtschreibregeln mehrere 

Formen zulassen, wurde die von der Duden-Redaktion empfohlene Form angewendet. 

Diesem Buch wurden die neuesten Ausgaben der DIN-Blätter und der VDE-Bestimmungen 

zugrunde gelegt. Verbindlich sind jedoch nur die DIN-Blätter und VDE-Bestimmungen selbst. 

Die DIN-Blätter können von der Beuth-Verlag GmbH, Burggrafenstraße 6, 10787 Berlin, 

und Kamekestraße 2-8, 50672 Köln, bezogen werden. Die VDE-Bestimmungen sind bei der 

VDE-Verlag GmbH, Bismarckstraße 33, 10625 Berlin, erhältlich. 

6. Auflage 2011 

Druck 5 4 3 2 1 

Alle Drucke derselben Auflage sind parallel einsetzbar, da sie bis auf die Korrektur von Druckfehlern untereinander 

unverändert sind. 

ISBN 978-3-8085-5006-9 

Umschlaggestaltung: braun werbeagentur, 42477 Radevormwald und Grafik & Sound, 50679 Köln 

Alle Rechte vorbehalten. Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der 

gesetzlich geregelten Fälle muss vom Verlag schriftlich genehmigt werden. 

© 2011 by Verlag Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG, 42781 Haan-Gruiten 

http: //www.europa-lehrmittel.de 

Satz: Meis satz&more, 59469 Ense 

Druck: M. P. Media-Print Informationstechnologie GmbH, 33100 Paderborn

Vorwort Preface 3 

Vorwort zur 6. Auflage 

Angesichts der zu erwartenden Bedeutungszunahme der Elektrotechnik, man denke an Elektromobile und 

Netz-Herausforderungen wegen erneuerbarer Energien, wurde das Buch vor allem in Richtung der für die 

Energieübertragung relevanten technischen Systeme erweitert. Die Hauptabschnitte enthalten jetzt: 

1 Grundlagen (Grundgrößen, Schaltungen von Zweipolen, Bezugspfeile), 

2 Elektrisches Feld (Feldgrößen, Kapazität, kapazitive Blindleistung), 

3 Magnetisches Feld (Feldgrößen, induktiver Blindwiderstand, Grundlagen des Transformators), 

4 Versorgung mit elektrischer Energie (Wärmekraftwerke, regenerative Stromerzeugung, Stromtransport, 

Spannungsebenen, Umspannwerke), 

5 Verhalten von Transformatoren (idealer Transformator, realer Transformator, Wirkungsgrad), 

6 Transformatoren im Netz (Anschlusskennzeichnung, Kleintransformatoren, Messwandler, Einphasentransformatoren, 

Drehstromtransformatoren, Transformatoren für mehr als drei Phasen), 

7 Drehende elektrische Maschinen (Betriebsarten, Bauformen, Schutzarten, Grundgleichungen), 

8 Maschinen mit bewegtem Magnetfeld (Synchrongenerator, Synchronmotor, Gleichstrommotoren 

mit Magnetläufer, Asynchronmaschinen, Linearantriebe, Wechselstromwicklungen), 

9 Stromwendermaschinen (Gleichstrommaschinen, Einphasen-Reihenschlussmotor, Repulsionsmotor, 

Kleinstmotoren mit Kommutierung, Getriebe für Kleinstmotoren), 

10 Umformer (Motorgenerator, asynchrone Frequenzumformer, sonstige Umformer), 

11 Antriebstechnik (Auswahl von Elektromotoren, Steuerung und Regelung, GRAFCET, Kleinsteuerungen, 

Speicherprogrammierbare Steuerungen, Komponenten für Motorsteuerung, Motorschutz, 

Stromrichter), 

12 Übertragungsnetze (Niederspannungsnetze, Niederspannungs-Freileitungen, Mittelspannungsnetz, 

110-kV-Netz, Höchstspannungsnetze, HGÜ, Beeinflussung der Netze, Oberschwingungen, Kompensation 

der Oberschwingungen, Regelung der Netzspannung), 

13 Maßnahmen für die Betriebssicherheit (Arbeiten in elektrischen Anlagen, Schutzmaßnahmen, Elektromagnetische 

Verträglichkeit EMV, SSV-Systeme, Umweltbelastungen) 

14 Planung von elektrischenAnlagen (Projektmanagement, Projektieren einer Gebäudeinstallation, Projektieren 

einer Maschinenausrüstung), 

15 Internet (Internet-Kommunikation, Gefahren durch das Internet), 

16 Vertiefende Bereiche (Theorie der Asynchronmaschine, weitere Drehstromwicklungen) 

Neu aufgenommen wurden Wellenkraftwerke, Gleichzeitigkeitsfaktor, Strombelastbarkeit von Installationsleitungen, 

Bemessungsstromregel, Linearantriebe mit drehendem Motor, Piezo-Motoren, Kleinstmotoren 

mit Kommutierung, GRAFCET, Kleinsteuerungen, SPS-Grundlagen, Bussysteme für SPS, Hybridantriebe, 

Niederspannungs-Freileitungen, Bemessen der Leitungen beim Hausanschluss, Bau von Hochspannungsanlagen, 

Elektrische Ausrüstung von Maschinen. 

Überarbeitet und erweitert wurden Windkraftwerke, regenerative thermische Stromerzeugung, Spannungsfall 

an Leitungen, Schutz gegen elektrischen Schlag. Bei der Überarbeitung erfolgte eine Anpassung 

an geänderte Normen, z. B. Leitungsabzweige mit Richtungsangabe. Allgemein ist zu beachten, 

dass Normen oft verschiedene Formen zulassen, z. B. in EN 61082 Stromverzweigungen mit oder ohne 

Punkt oder nach EN 60617-6 Wicklungen von drehenden elektrischen Maschinen mit wechselnder 

Lockenzahl und nach EN 60034-8 mit immer drei Locken. Beide Formen kommen in der beruflichen 

Praxis vor. Deshalb wurden beide Formen auch im Buch angewendet. 

Ergänzt wurde das Buch durch eine dazugehörige CD/DVD mit Bildern. Dadurch wird beim gemeinsamen 

Lernen in der Lerngruppe die Kommunikation und die Visualisierung bei der Präsentation erleichtert, 

insbesondere auch bei Vorträgen durch Lernende. 

In der 6. Auflage richtet sich das Buch an alle, die sich mit den Lernfeldern der Elektroniker aus den Fachrichtungen 

Betriebstechnik sowie Maschinen- und Antriebstechnik auseinander zu setzen haben, nämlich 

Auszubildende der Berufe Elektroniker für Maschinen- und Antriebstechnik, Elektroniker für Betriebstechnik, 

Schüler von Berufsfachschulen und Berufskollegs entsprechender Schwerpunkte, Studierende 

von Fachschulen (Technikerschulen und Meisterschulen) sowie von Berufsakademien und Hochschulen. 

Autoren und Verlag danken für die wertvollen Benutzerhinweise und sind weiterhin für konstruktive Verbesserungsvorschläge 

dankbar. Diese können auch gerichtet sein an lektorat@europa-lehrmittel.de. 

Frühjahr 2011 Die Verfasser

4 Inhaltsverzeichnis Contents 

1 Grundlagen 

1.1 Stromstärke, Widerstand, Spannung . . . . . . 11 

1.2 Schaltungen von Zweipolen . . . . . . . . . . . . . 14 

1.3 Leistung, Arbeit, Energie . . . . . . . . . . . . . . . . 16 

1.4 Bezugspfeile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 

2 Elektrisches Feld 

2.1 Elektrische Ladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 

2.2 Elektrische Feldstärke . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 

2.3 Elektrische Flussdichte . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 

2.4 Kapazität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 

2.5 Kapazitiver Blindwiderstand . . . . . . . . . . . . 24 

2.5.1 Ladung und Stromstärke . . . . . . . . . . . . . . . 24 

2.5.2 Kondensatorstrom bei Sinusspannung . . . 25 

2.5.3 Kapazitive Blindleistung . . . . . . . . . . . . . . . . 26 

2.5.4 Kapazitiver Blindwiderstand . . . . . . . . . . . . 26 

2.6 Elektrisches Feld als Energiespeicher . . . . . 27 

3 Magnetisches Feld 

3.1 Arten magnetischer Stoffe . . . . . . . . . . . . . 28 

3.2 Elektrische Durchflutung . . . . . . . . . . . . . . . 29 

3.3 Magnetische Feldstärke . . . . . . . . . . . . . . . . 30 

3.4 Magnetische Flussdichte . . . . . . . . . . . . . . . 30 

3.5 Magnetischer Fluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 

3.6 Magnetischer Verkettungsfluss . . . . . . . . . 32 

3.7 Lorentzkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 

3.8 Induktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 

3.9 Induktiver Blindwiderstand . . . . . . . . . . . . . 38 

3.10 Magnetisches Feld als Energiespeicher . . . 42 

3.11 Grundlagen des Transformators . . . . . . . . . 43 

4 Versorgung mit elektrischer Energie 

4.1 Ströme in öffentlichen Netzen . . . . . . . . . . 46 

4.1.1 Stromarten für die Stromversorgung . . . . . 46 

4.1.2 Erzeugen von Drehstrom . . . . . . . . . . . . . . . 46 

4.1.3 Spannungen beim Drehstromnetz . . . . . . . 47 

4.1.4 Schaltungen bei Drehstrom . . . . . . . . . . . . . 48 

4.1.5 Leistungen bei Drehstrom . . . . . . . . . . . . . . 49 

4.2 Grundlagen der Stromversorgung . . . . . . . 50 

4.3 Wärmekraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 

4.3.1 Verbrennungskraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . 51 

4.3.2 Kernkraftwerke (Atomkraftwerke) . . . . . . . . 53 

4.4 Regenerative Stromerzeugung . . . . . . . . . . 55 

4.4.1 Wasserkraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 

4.4.2 Regenerative thermische Stromerzeugung 56 

4.4.3 Windkraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 

4.4.4 PV-Stromerzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 

4.4.5 Stromerzeugung mit Brennstoffzellen . . . . 65 

4.4.6 Ausgleich schwankender Stromerzeugung 68 

4.5 Stromtransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 

4.5.1 Zweck der Spannungstransformation . . . . 69 

4.5.2 Spannungebenen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 

4.5.3 Umspannwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 

4.5.4 Leitungen und Kabel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 

Inhaltsverzeichnis 

4.5.5 Bemessungsstromstärke von Lasten . . . . . 75 

4.5.6 Spannungsfall an Leitungen . . . . . . . . . . . . 77 

4.5.7 Leistungsverlust in Leitungen . . . . . . . . . . . 79 

4.5.8 Strombelastbarkeit von Installationsleitungen 

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 

4.5.9 Überstromschutz von Leitungen . . . . . . . . . 83 

5 Verhalten von Transformatoren 

5.1 Idealer Transformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 

5.2 Realer Transformator im Leerlauf . . . . . . . . 87 

5.3 Realer Transformator unter Last . . . . . . . . . 89 

5.4 Ersatzschaltungen von Transformatoren . . 91 

5.5 Zeigerdiagramm des belasteten 

Transformators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 

5.6 Kurzschlussstrom und Einschaltstrom . . . 94 

5.7 Wirkungsgrad und Arbeitsgrad von 

Transformatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 

5.8 Besondere Transformatoren . . . . . . . . . . . . 97 

5.8.1 Spartransformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 

5.8.2 Übertrager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 

5.8.3 Elektronischer Transformator . . . . . . . . . . . 100 

6 Bauarten von Transformatoren . . 

6.1 Anschlusskennzeichnung . . . . . . . . . . . . . . 101 

6.2 Kleintransformatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 

6.3 Lichtbogen-Schweißtransformatoren . . . . 107 

6.4 Messwandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 

6.5 Einphasentransformatoren für Drehstrom 115 

6.5.1 V-Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 

6.5.2 Transformatorengruppe . . . . . . . . . . . . . . . . 115 

6.6 Drehstromtransformatoren . . . . . . . . . . . . . 117 

6.6.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 

6.6.2 Eisenkern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 

6.6.3 Wicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 

6.6.4 Ölkessel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 

6.7 Schaltungen von Drehstromtransformatoren 

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 

6.7.1 Schaltungen der Wicklungsstränge . . . . . . 121 

6.7.2 Schaltgruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 

6.7.3 Parallelschalten von Transformatoren . . . . 124 

6.7.4 Drehtransformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 

6.7.5 Transformatoren für mehr als drei Phasen . 127 

7 Drehende elektrische Maschinen 

7.1 Einteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 

7.2 Isolierstoffklassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 

7.3 Betriebsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 

7.3.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 

7.3.2 Dauerbetrieb S1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 

7.3.3 Kurzzeitbetrieb S2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 

7.3.4 Aussetzbetriebsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 

7.3.5 Ununterbrochene periodische Betriebsarten 

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 

7.4 Bauformen von elektrische Maschinen . . . 135

Inhaltsverzeichnis Contents 5 

7.5 Leistungsschild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 

7.6 Wartung und Prüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 

7.6.1 Elektrische Prüfungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 

7.6.2 Mechanische Prüfungen . . . . . . . . . . . . . . . 142 

7.7 Schutzarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 

7.8 Grundgleichungen der drehenden 

elektrischen Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . 148 

7.9 Anschlussbezeichnung von drehenden 

elektrischen Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . 149 

8 Drehfeldmaschinen 

8.1 Erzeugung eines Drehfeldes . . . . . . . . . . . . 154 

8.2 Drehstrommaschinen mit Magnetläufern . 157 

8.2.1 Synchrongenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 

8.2.2 Synchronmotoren für Drehstrom . . . . . . . . 162 

8.3 Einphasenwechselstrom-Maschinen mit 

Magnetläufern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 

8.3.1 Einphasengeneratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 

8.3.2 Synchronmotoren für Einphasenwechselstrom 

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 

8.4 Gleichstrommotoren mit Magnetläufern . . 166 

8.4.1 Arten der Schrittmotoren . . . . . . . . . . . . . . . 166 

8.4.2 Steuerschaltungen der Schrittmotoren . . . 171 

8.4.3 Betriebsverhalten der Schrittmotoren . . . . 171 

8.4.4 Elektronikmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 

8.5 Maschinen mit Kurzschlussläufern . . . . . . . 174 

8.5.1 Aufbau des Kurzschlussläufers . . . . . . . . . . 174 

8.5.2 Wirkungsweise des Asynchrongenerators . 175 

8.5.3 Wirkungsweise des Kurzschlussläufermotors 

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 

8.5.4 Kurzschlussläufermotoren für Einphasenwechselstrom 

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 

8.6 Schleifringläufermaschinen . . . . . . . . . . . . . 181 

8.7 Sonstige Motoren mit bewegtem 

Magnetfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 

8.7.1 Wirbelstromläufermotoren . . . . . . . . . . . . . 184 

8.7.2 Reluktanzmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 

8.7.3 Polumschaltbare Motoren . . . . . . . . . . . . . . 185 

8.7.4 Spannungsumschaltbare Motoren . . . . . . . 187 

8.8 Linearantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 

8.8.1 Linearantrieb mit drehendem Motor . . . . . 187 

8.8.2 Wechselstrom-Linearmotoren . . . . . . . . . . . 188 

8.8.3 Linearschrittmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 

8.8.4 Schwingankermotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 

8.8.5 Piezomotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 

8.8.6 Gleichstrom-Linearmotoren . . . . . . . . . . . . 193 

8.9 Wechselstromwicklungen . . . . . . . . . . . . . . 194 

8.9.1 Drehstromwicklungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 

8.9.2 Einphasenwicklungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 

8.9.3 Umwickeln von Wechselstromwicklungen 

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 

8.10 Fehler bei Drehfeldmaschinen . . . . . . . . . . . 201 

9 Stromwendermaschinen 

9.1 Aufbau von Gleichstrommaschinen . . . . . . 203 

9.2 Wirkungsweise von Gleichstrommaschinen 

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 

9.2.1 Kurvenform der induzierten Spannung . . . 206 

9.2.2 Wirkungsweise bei der Spannungserzeugung 

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 

9.2.3 Fremderregte Gleichstrommaschine . . . . . 207 

9.2.4 Weitere Gleichstrommaschinen . . . . . . . . . 208 

9.3 Ankerquerfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 

9.3.1 Entstehung des Ankerquerfeldes . . . . . . . . 210 

9.3.2 Wendepole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 

9.3.3 Kompensationswicklung . . . . . . . . . . . . . . . 211 

9.3.4 Querfeldgeneratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 

9.3.5 Ankerquerfeld beim Motor . . . . . . . . . . . . . 213 

9.4 Gleichstrommaschine als Motor . . . . . . . . . 214 

9.4.1 Wirkung des Ankers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 

9.4.2 Kraftmoment und Anzugsstrom . . . . . . . . . 215 

9.4.3 Einstellen der Umdrehungsfrequenz . . . . . 216 

9.5 Schaltungen von Gleichstrommotoren . . . 216 

9.5.1 Fremderregter Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 

9.5.2 Reihenschlussmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 

9.6 Stromwendermotoren für Wechselstrom . 219 

9.6.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 

9.6.2 Einphasen-Reihenschlussmotor . . . . . . . . . 220 

9.6.3 Repulsionsmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 

9.6.4 Linearmotor mit Stromwender . . . . . . . . . . 222 

9.6.5 Stromwendermotor für Drehstrom . . . . . . . 222 

9.7 Fehler bei Stromwendermaschinen . . . . . . 223 

9.8 Wicklungen von Stromwendermotoren . . 225 

9.8.1 Ständerwicklungen von Gleichstrommaschinen 

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 

9.8.2 Ankerwicklung von Stromwendermaschinen 

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 

9.9 Kleinstmotoren mit Kommutierung . . . . . . 229 

9.9.1 Mechanische Kommutierung . . . . . . . . . . . 229 

9.9.2 Elektronische Kommutierung . . . . . . . . . . . 230 

9.9.3 Getriebe für Kleinstmotoren . . . . . . . . . . . . 231 

10 Umformer 

10.1 Motorgenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 

10.2 Asynchrone Frequenzumformer . . . . . . . . . 232 

10.3 Sonstige Umformer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 

11 Antriebstechnik 

11.1 Steuern und Regeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 

11.1.1 Steuern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 

11.1.2 Regeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 

11.1.3 Schaltende Regeleinrichtungen . . . . . . . . . 236 

11.1.4 Stetige Regeleinrichtungen . . . . . . . . . . . . . 236 

11.1.5 Kennzeichnung der Regelstrecke . . . . . . . . 237 

11.1.6 Steuern und Regeln mit dem PC . . . . . . . . . 238 

11.1.7 Regeln mit Digitalregler . . . . . . . . . . . . . . . . 239 

11.1.8 GRAFCET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 

11.2 Kleinsteuerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 

11.2.1 Elemente von LOGO! . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 

11.2.2 Bearbeiten eines LOGO!-Projektes . . . . . . . 246 

11.2.3 Erweiterter Ausbau einer LOGO! . . . . . . . . 246 

11.3 Speicherprogrammierbare Steuerungen . . 248 

11.3.1 SPS-Grundllagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 

11.3.2 Funktionen einer SPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 

11.3.3 Ablaufsteuerungen mit SPS . . . . . . . . . . . . 251 

11.3.4 Bussysteme für SPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 

11.4 Komponenten für Steuerungen . . . . . . . . . 253 

11.4.1 Nockenchalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 

11.4.2 Schütze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 

11.4.3 Hilfsstromkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 

11.4.4 Halbleiterbauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . 262

6 Inhaltsverzeichnis Contents 

11.4.5 Halbleiterbaugruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 

11.5 Anlassen von Drehfeldmotoren . . . . . . . . . 272 

11.5.1 Allgemeine Bestimmungen . . . . . . . . . . . . . 272 

11.5.2 Anlassschaltungen für Drehstrom- 

Kurzschlussläufermotoren . . . . . . . . . . . . . . 272 

11.5.3 Einfache Schützschaltungen . . . . . . . . . . . . 274 

11.5.4 Polumschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 

11.5.5 Stern-Dreieck-Schützschaltungen . . . . . . . . 279 

11.5.6 Anlassschaltungen für Schleifringläufermotoren 

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 

11.5.7 Elektronische Motorstarter . . . . . . . . . . . . . 281 

11.6 Anlasserberechnung beim Schleifringläufermotor 

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 

11.7 Bremsen von Drehstrommotoren . . . . . . . . 286 

11.7.1 Mechanisches Bremsen mit elektrischer 

Steuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 

11.7.2 Elektrisches Bremsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 

11.7.3 Verlustwärme beim Anlauf und Bremsen . 290 

11.8 Steuerung von Stromwendermotoren . . . 291 

11.9 Motorschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 

11.10 Stromrichter zur Drehzahlsteuerung . . . . . 297 

11.10.1 Drehzahlsteuerung beim Universalmotor . 297 

11.10.2 Drehzahlsteuerung beim fremderregten 

Gleichstrommotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 

11.10.3 Drehzahlsteuerung mit Gleichstromsteller 

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 

11.10.4 Umrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 

11.10.5 Stromzwischenkreis-Umrichter . . . . . . . . . . 303 

11.10.6 Umrichter mit Pulsamplitudenmodulation 303 

11.10.7 Umrichter mit Pulsweitenmodulation . . . . . 305 

11.10.8 Direktumrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 

11.10.9 Untersynchrone Stromrichterkaskade . . . . 307 

11.10.10 Doppelt speisender Asynchrongenerator . 307 

11.11 Servomotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 

11.11.1 Anforderungen an Servomotoren . . . . . . . . 309 

11.11.2 Drehstrommotoren als Servomotoren . . . . 310 

11.11.3 Gleichstrommotoren als Servomotoren . . . 314 

11.12 Hybridantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316 

11.13 Antriebssysteme betreiben . . . . . . . . . . . . 319 

11.13.1 Auftragsakquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 

11.13.2 Auftragsplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 

11.13.3 Auftragsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . 320 

11.13.4 Auftragskontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 

12 Übertragungsnetze 

12.1 Netzformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 

12.2 Niederspannungsnetze . . . . . . . . . . . . . . . . 325 

12.2.1 Netzaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 

12.2.2 Niederspanungs-Freileitungen . . . . . . . . . . 327 

12.2.3 Tragmaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 

12.2.4 Endmaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 

12.2.5 Abspannmaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 

12.2.6 Abgespannte Maste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 

12.2.7 Winkelmaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 

12.2.8 Winkeltragmaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 

12.2.9 Sondermaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 

12.3 Hausanschluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 

12.3.1 Ausführung des Hausabschlusses . . . . . . . 333 

12.3.2 Bemessen der Leitungen bis zu den 

Stromkreisverteilern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 

12.4 Mittelspannungsnetze . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 

12.4.1 Bemessungsspannung und Aufgaben . . . . 337 

12.4.2 Netzaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 

12.4.3 Elektrische Wirkung auf die Umgebung . . . 338 

12.5 Hochspannungsnetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 

12.5.1 Bemessungsspannung und Aufgaben . . . . 339 

12.5.2 Netzaufbau beim 110-kV-Netz . . . . . . . . . . . 339 

12.5.3 Netzaufbau der Höchtsspannungsnetze . . 341 

12.5.4 Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung 

HGÜ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342 

12.6 Erdungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344 

12.7 Beeinflussung der Netze . . . . . . . . . . . . . . . 346 

12.7.1 Blindleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 

12.7.2 Oberschwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349 

12.7.3 Stromqualität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352 

12.7.4 Kompensation von Oberschwingungen . . . 353 

12.7.5 Regelung der Netzspanung . . . . . . . . . . . . . 354 

12.8 Bau von Hochspannungsanlagen . . . . . . . . 356 

12.8.1 Isolatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 

12.8.2 Armaturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359 

13 Maßnahmen für die 

Betriebssicherheit 

13.1 Sicherheit beim Arbeiten in elektrischen 

Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362 

13.2 Systemformen im Niederspannungsnetz . 366 

13.3 Schutzmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368 

13.3.1 Berührungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368 

13.3.2 Stromgefährdung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368 

13.3.3 Basisschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 

13.3.4 Maßnahmen für zugleich Basisschutz und 

Fehlerschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 

13.3.5 Fehlerschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370 

13.3.6 Zusätzlicher Schutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375 

13.3.7 Schutz in elektrotechnisch überwachten 

Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376 

13.3.8 Schutzleiter und Schutzpotenzial- 

Ausgleichsleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 

13.4 Prüfungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378 

13.4.1 Schutzklassen der Betriebsmittel . . . . . . . . 378 

13.4.2 Betätigungselemente in der Nähe 

berührungsgefährlicher Teile . . . . . . . . . . . . 378 

13.4.3 Prüfungen der Elektroinstallation . . . . . . . . 379 

13.4.4 Durchführung der Prüfungen . . . . . . . . . . . 384 

13.5 Elektromagnetische Verträglichkeit EMV . 386 

13.6 SSV-Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393 

13.7 Elektrische Ausrüstung von Maschinen . . . 398 

13.7.1 Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398 

13.7.2 Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398 

13.7.3 Allgemeine Anforderungen . . . . . . . . . . . . . 398 

13.7.4 Netzanschlüsse, Trenneinrichtung und 

Schalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399 

13.7.5 Schutz gegen elektrischen Schlag . . . . . . . . 400 

13.7.6 Schutz der Ausrüstung . . . . . . . . . . . . . . . . . 400 

13.7.7 Potenzialausgleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402 

13.7.8 Steuerstromkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402 

13.7.9 Bedienerschnittstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . 403 

13.7.10 Anordnung der Schaltgeräte . . . . . . . . . . . . 404 

13.7.11 Leiter, Leitungen, Kabel . . . . . . . . . . . . . . . . 404 

13.7.12 Verdrahtungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404 

13.7.13 Sonstige Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . 405 

13.8 Umweltbelastungen der Elektrotechnik . . 406

Inhaltsverzeichnis Contents 7 

14 Planung von elektrischen 

Anlagen 

14.1 Projektmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408 

14.2 Lastenheft, Pflichtenheft . . . . . . . . . . . . . . . 409 

14.3 Projektende . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409 

14.4 Projektieren einer Gebäudeinstallation . . . 410 

14.4.1 Planungsgrundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410 

14.4.2 Leitungsführung in Wohngebäuden . . . . . . 412 

14.4.3 Kommunikationsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . 413 

14.5 Projektieren einer Maschinenausrüstung 

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414 

14.5.1 Auswahl eines Elektromotors . . . . . . . . . . . 414 

14.5.2 Stromversorgung, Schutzeinrichtungen . . 416 

14.5.3 Steuerleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417 

14.5.4 Schaltungsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418 

14.5.5 Weg zur sicheren Maschine . . . . . . . . . . . . . 419 

15 Internet 

15.1 Internet-Kommunikation . . . . . . . . . . . . . . . 421 

15.2 Gefahren durch das Internet . . . . . . . . . . . . 422 

15.3 Firewall-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423 

16 Vertiefende Bereiche 

16.1 Theorie der Asynchronmaschine . . . . . . . . 424 

16.1.1 Oberschwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424 

16.1.2 Ersatzschaltung der Asynchronmaschine . 426 

16.1.3 Ortskurve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428 

16.1.4 Leerlaufversuch und Kurzschlussversuch . 429 

16.1.5 Auswertung der Ortskurve . . . . . . . . . . . . . . 430 

16.1.6 Rechengang beim Kreisdiagramm . . . . . . . 432 

16.1.7 Verfeinertes Kreisdiagramm . . . . . . . . . . . . 434 

16.2 Weitere Dreistromwicklungen . . . . . . . . . . 437 

16.2.1 Einschichtwicklungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437 

16.2.2 Zweischichtwicklungen . . . . . . . . . . . . . . . . 438 

16.2.3 Polumschaltbare Wicklungen . . . . . . . . . . . 440 

17 Anhang 

17.1 Größen und Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . 444 

17.2 Wichtige Normen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446 

17.3 Teile des VDE-Vorschriftenwerkes . . . . . . . 448 

17.4 Teile von VDE 0100 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449 

17.5 Kurzformen von Fachbegriffen . . . . . . . . . . 451 

Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453 

17.6 Sachwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454 

17.7 Firmen und Dienststellen . . . . . . . . . . . . . . . 464 

Bildquellenverzeichnis 

Die meisten Bilder entstammen aus dem Arbeitsumfeld der Autoren. Ergänzend hierzu haben die nachfolgend 

aufgeführten Unternehmen und Institutionen die bildliche Ausgestaltung unterstützt. Dabei sind für 

diese alle Rechte vorbehalten. Kein Teil darf ohne vorherige schriftliche Genehmigung weitergegeben, in 

einem Datensystem gespeichert oder in irgendeiner Form, weder elektronisch noch mechanisch, durch 

Fotokopie, Aufnahme noch durch andere Art übertragen werden. 

Die Anschriften weiterer Firmen, die mit Bildern dieses Buch unterstützt haben, sind im Verzeichnis 

„Firmen und Dienststellen“ am Buchende aufgeführt. 

Die Autoren danken dafür allen Beteiligten sehr herzlich. 

Adaptaflex GmbH 64546 Mörfelden-Walldorf www.adaptaflex.com 399-1 

Danfoss GmbH 76073 Offenbach www.danfoss.com 299-3 

Dehn + Söhne GmbH 92306 Neumarkt www.dehn.de 365-3 

Dr. F. Faulhaber GmbH 71101 Schönaich www.faulhaber.com 192-2, 192-4 

Driescher KG 41844 Wegberg www.driescher-wegberg.de 72-1, 72-3 

Eaton Industries 53115 Bonn www.moeller.net 256-2 

EnBW AG 76131 Karlsruhe www.enbw.com 70-1, 70-2, 70-3 

Gossen Metrawatt GmbH 90449 Nürnberg www.gossenmetrawatt.com 114-1, 381-2 

Gustav Hensel GmbH 57368 Lennestadt www.hensel-electric.de 410-2 

Häberle, Verena 88069 Tettnang – 71-3 

Hager Tehalit GmbH 66440 Blieskastel www.hager.de 333-1 

Hauff-Technik GmbH 89542 Herbrechtingen www.hauff-technik.de 334-1, 334-2 

maxon motor ag 6072 Sachsel/OW Schweiz www.maxonmotor.com 229-2, 229-3, 

230-1, 231-1, 

231-2, 231-3 

Siemens AG 80333 München www.siemens.com 51-2, 158-1, 

240-1, 244-1, 

343-1 

ZF-Friedrichshafen 88046 Friedrichshafen www.zf.com 174-3, 317-4

46 4.1 Ströme in öffentlichen Netzen Currents in Public Grids 

4 Versorgung mit 

elektrischer Energie 

4.1 Ströme in öffentlichen 

Netzen 

4.1.1 Stromarten für die Stromversorgung 

Die Verbrauchsanlagen werden von den VNB (Verteilungsnetzbetreiber) 

je nach Alter der Stromversorgung, 

Lage und Bedarf mit unterschiedlichen 

Stromarten versorgt (Tabelle 1). 

Meist erfolgt die Versorgung über Drehstromnetze 

(Dreiphasennetze). Freileitungen sind dann Dreileiternetze 

für Hochspannung (Bild 1) und Vierleiternetze 

für Niederspannung (Bild 2). Die Versorgung 

einer Anlage über Einphasennetze kommt fast nur 

beim Fahrdrahtnetz für Schienenfahrzeuge vor. 

Hier gelangt der Strom über den Fahrdraht zur Lokomotive 

und von dort zurück über Erde bzw. 

Schiene zur Stromquelle. 

Die Versorgung der Verbraucheranlagen erfolgt 

meist über ein Drehstromnetz. 

Die eigentümliche Frequenz der Bahnnetze von 

16 2/3 Hz = 50/3 Hz wurde bei Beginn der Elektrifizierung 

der Bahn gewählt, weil bei den damaligen 

Motoren die Stromwendung von 50 Hz nicht beherrscht 

wurde. Das ist durch die Stromrichtertechnik 

überholt worden, sodass Neuanlagen oft 

mit Einphasenstrom von 50 Hz arbeiten. 

Die Frequenz von 60 Hz ist vor allem in den Netzen 

von Nordamerika verbreitet. Sie kam dadurch zustande, 

dass die Elektrifizierung dort später als in 

Europa stattfand. Bei 60 Hz sind die Transformatoren 

und Motoren etwas kleiner als bei 50 Hz. 

4.1.2 Erzeugung von Drehstrom 

Beim Drehstromgenerator (Bild 1, folgende Seite) 

wird ein Läufer, genannt auch Polrad, von einer 

Kraftmaschine, z. B. einer Turbine, angetrieben. 

Der Läufer besteht im Prinzip aus drei Magneten, 

und zwar Permanentmagneten (Dauermagneten) 

oder Elektromagneten mit je einem Nordpol und 

einem Südpol. Infolge der Läuferdrehung ändert 

sich in jeder Spule der Ständerwicklung dauernd 

der magnetische Fluss. Nach dem Induktionsgesetz 

entsteht also in jeder Spule dauernd eine 

Wechselspannung. Sind die drei Spulen räumlich 

um 120° gegeneinander versetzt, so haben auch 

die drei Wechselspannungen Phasenverschiebungen 

von je 120°. 

Tabelle 1: Stromarten in Versorgungsnetzen 

Frequenz typische Anwendung, 

in Hz Spannungen Vorkommen 

Einphasennetze 

50 230 V, 15 kV in Europa 

Kleinstabnehmer, 

selten Bahnnetz 

60 100 V bis in Amerika 

15 kV Kleinabnehmer, Bahnnetz 

16 2/3 15 kV Bahnnetz in D, A und CH 

Drehstromnetze 

50 400 V, 10 kV, übliche Netze in 

20 kV, 110 kV Europa für NS, MS 

bis 380 kV und HS 

60 180 V bis übliche Netze für NS, 

660 V, 110 kV MS und HS in 

bis 500 kV Amerika 

16 2/3 110 kV Verteilungsnetz für die 

Bahn in D, A und CH 

Gleichstromnetze 

0 220 V, 440 V, Traktion von 

15 kV Schienenfahrzeugen, 

in F auch Bahnnetz 

A Österreich, CH Schweiz, D Deutschland, 

F Frankreich. 

HS Hochspannung, MS Mittelspannung, 

NS Niederspannung. 

Traktion Fortbewegen (Ziehen) von Schienenfahrzeugen, 

z. B. durch eine Lokomotive (von tractus = gezogen). 

Dreileiternetz für 10 kV 

Vierleiternetz für 400 V 

1 

2

4.1 Ströme in öffentlichen Netzen Currents in Public Grids 47 

Die drei Wechselspannungen kann man einem 

Verbraucher mit drei Wicklungssträngen zuführen, 

z. B. einer gleichartig gebauten zweiten Maschine 

(Bild 2). Dazu wären im Grunde sechs Leiter erforderlich, 

nämlich für jeden Strang zwei. Man kann 

aber die Stränge so miteinander verbinden, dass 

die Rückleitung aller drei Stränge gemeinsam erfolgt. 

Dann sind nur vier Leiter erforderlich. Infolgedessen 

sind die drei Wechselspannungen anei - 

nander „gekettet“. Zwischen zwei Leitern eines 

derartigen Vierleitersystems besteht eine Spannung. 

In der gemeinsamen Rückleitung, dem Neutralleiter, 

ist die Stromstärke wegen der Phasenverschiebung 

zwischen den Sinusströmen in den 

Außenleitern höchstens so groß wie in einem 

Außenleiter. Bei symmetrischer Last bleibt der 

Neutralleiter sogar stromlos. 

Dreiphasenwechselspannung besteht aus drei 

miteinander verketteten Einphasenspannungen, 

zwischen denen Phasenverschiebungen 

von 120° bestehen. 

Schließen wir an ein derartiges Dreiphasennetz als 

Motor eine Maschine an, die wie ein Drehstromgenerator 

gebaut ist (Bild 2), so fließen in den drei 

Ständersträngen drei Wechselströme, und zwar 

sowohl im Generator als auch im Motor. Nach der 

Lenz’schen Regel (siehe Abschnitt 3.8) ist die Richtung 

des Stromes so, dass die Ursache gehemmt 

wird. Die Ursache ist aber beim Generator das magnetische 

Drehfeld des Läufers. Infolgedessen 

muss der Strom im Generator so fließen, dass 

vom Ständerstrom ebenfalls ein Drehfeld hervorgerufen 

wird, welches dieselbe Drehrichtung wie 

das Läuferdrehfeld hat. Da nun derselbe Strom wie 

im Generator auch im Motor fließt, entsteht dort 

ebenfalls ein magnetisches Drehfeld. Sind am Motor 

die Außenleiter wie am Generator angeschlossen, 

so haben beide Drehfelder dieselbe Drehrichtung. 

Vertauschen von zwei Außenleitern am 

Motor führt zur Änderung der Drehrichtung des 

Motor-Drehfeldes. 

Fließt Dreiphasenwechselstrom durch drei gegeneinander 

räumlich versetzte Wicklungsstränge, 

so wird dort ein magnetisches Drehfeld 

erzeugt. 

Wegen der Fähigkeit, ein magnetisches Drehfeld 

zu erzeugen, wird der Dreiphasenwechselstrom 

meist Drehstrom genannt. Das Drehfeld bildet sich 

jedoch nur, wenn Spulen geeignet angeordnet 

sind. 

Aufbau (Prinzip) 

U1 

U2 

S 

W2 

W1 

N 

V2 V1 

Drehstromgenerator 

U1 

120} 

Außenleiter L1 

Neutralleiter (Mittelleiter) N 

Schaltzeichen 

U1 

W1 V1 

W1 

G 

V1 W1 

M 

V1 

Außenleiter 

L2 

G: Generator 

Außenleiter L3 

M: Motor 

2 

Vierleitersystem 

L3 

U31 

U3N 

U1 

N 

L1 

U1N 

U12 

U2N 

W1 V1 

U23 

Dreieckspannung 

Sternspannung 

L2 

Spannungen am Drehstromnetz 

U31 

U3N 

U23 

U1 

U1N 

U2N 

4.1.3 Spannungen beim Drehstromnetz 

Bei Niederspannung besteht ein Drehstromnetz 

(Bild 2) aus drei Außenleitern und dem Neutral - 

leiter. 

Der Neutralleiter ist geerdet, sodass er in einer ungestörten 

Anlage keine oder fast keine Spannung 

gegen Erde führt. Das Zeigerdiagramm der Spannungen 

bildet wegen der Phasenverschiebung von 

120° einen Stern (Bild 3). Dadurch ist die Spannung 

zwischen den Außenleitern (Dreieckspannung) 

jeweils das 123-Fache der Spannung zwischen 

Außenleiter und Neutralleiter (Sternspannung). 

30} 

U12 

1 

3

48 4.1 Ströme in öffentlichen Netzen Currents in Public Grids 

Beim Vierleiternetz können drei Dreieckspannungen 

und drei Sternspannungen entnommen 

werden. Die Dreieckspannung ist das 123-Fache 

der Sternspannung. 

U = 1,73 · U Y 

U Spannung (Dreieckspannung) 

U Y Sternspannung 

U = 123 · U Y 

Spricht man bei Dreiphasenwechselspannung nur 

von Spannung, so ist die Dreieckspannung gemeint. 

Am üblichen Vierleiternetz ist die Spannung 

400 V. Aus einem derartigen Netz können je nach 

Anschluss 400 V oder 230 V entnommen werden. 

4.1.4 Schaltungen bei Drehstrom 

Die drei Stränge eines Drehstromverbrauchers lassen 

sich so schalten, dass ihre Enden miteinander 

verbunden sind oder jeweils der Anfang eines 

Stranges mit dem Ende des vorhergehenden 

Stranges (Bild 1). Nach der Form der symmetrisch 

gezeichneten Schaltung sprechen wir von Sternschaltung 

(Y) oder von Dreieckschaltung (). 

In der Sternschaltung liegt am Strang die 

Sternspannung des Netzes, in der Dreieckschaltung 

liegt die Dreieckspannung am Strang. 

Da die Stränge für eine bestimmte Spannung bemessen 

sind, ist die Schaltung nicht beliebig vorzunehmen. 

Sind die Stränge für 230 V geeignet, so 

muss der Verbraucher am 400-V-Netz in Stern geschaltet 

werden, z. B. bei einem Elektroherd. Sollen 

die Stränge 400 V erhalten, so muss die Schaltung 

im Dreieck vorgenommen werden. 

Strangspannung 

bei Schaltung : 

UStr = U 

UStr = UY 2 3 

UStr = U/123 

UStr Strangspannung 

U Netzspannung 

UY Sternspannung 

Beispiel 1: 

Ein Drehstrommotor trägt die Angabe auf dem Leistungsschild 

400 V. Er ist am 400-V-Netz anzuschließen. 

a) Welche Schaltung ist anzuwenden? b) Wie groß ist die 

Strangspannung? 

Lösung: 

a) Dreieckschaltung 

b) UStr = U = 400 V 

Strangspanung 

bei Schaltung Y: 

1 

W1 

W1 

U1 

U2 

W2 V2 

W2 

L1 

U1 

L3 L2 

V2 V1 

U2 

Schaltungen bei Drehstrom. Oben: Sternschaltung, 

unten: Dreieckschaltung 

V1 

oder 

L3 L2 

L1 

oder 

Auch bei den Strömen sind je nach Schaltungen 

die Strangströme verschieden. Bei der Sternschaltung 

sind die in der Zuleitung fließenden Leiterströme 

so groß wie die Strangströme (Bild 1). Dagegen 

tritt in der Dreieckschaltung eine Stromverzweigung 

auf. Hier ist der Strangstrom aus dem 

Leiterstrom durch Teilen mit 123 zu berechnen. 

Wenn bei einem Dreiphasennetz vom Strom die 

Rede ist, so ist damit der Leiterstrom gemeint. 

Strangstrom 

bei Schaltung : 

I 

IStr = –––– 

123 

I Str = I/1,73 

I Str Strangstrom 

I Stromstärke (Leiterstrom) 

L1 

L1 

U1 

U2 

U1 

U2 

L2 

L2 

V1 

V2 

V1 

V2 

I Str = I 

L3 

L3 

W1 

W2 

W1 

W2 

Strangstrom 

bei Schaltung Y: 

Beispiel 2: 

Ein Motor ist in Dreieck geschaltet und nimmt eine Stromstärke 

von 17,3 A auf. Wie groß ist der Strangstrom? 

Lösung: 

IStr = I/123 = 17,3 A/123 = 10 A 

4 5 

Bei Drehstrommotoren sind die Anschlüsse am 

Klemmenbrett so angeordnet, dass je nach Lage 

der auswechselbaren Brücken die Sternschaltung 

oder die Dreieckschaltung vorliegt (Bild 1, folgende 

Seite). 

1

4.1 Ströme in öffentlichen Netzen Currents in Public Grids 49 

4.1.5 Leistungen bei Drehstrom 

Für die Leistungen in den einzelnen Strängen gelten 

die Gesetzmäßigkeiten des Einphasenwechselstromes, 

weil in jedem Strang Einphasenwechselstrom 

fließt. Dabei ist aber zu beachten, dass je 

nach Schaltung die Dreieckspannung oder die 

Sternspannung am Strang liegt. Die Gesamtleis - 

tung eines Drehstromverbrauchers ist gleich der 

Summe aller Strangleistungen. 

Man berechnet aber die Leistungen mithilfe des in 

der Zuleitung fließenden Stromes (Leiterstrom) 

und der Netzspannung (Dreieckspannung). Dann 

gelten unabhängig von der Schaltung dieselben 

Berechnungsformeln. 

P = S · cosj 

Q = S · sinj 

Bei symmetrischer Last: 

Scheinleistung 

S = 123 U · I 

Wirkleistung 

P = 123 U · I · cosj 

Blindleistung 

Q = 123 U · I · sinj 

S Scheinleistung 

P Wirkleistung 

Q Blindleistung 

U Spannung (Dreieckspannung) 

I Stromstärke (Leiterstrom) 

cos j Leistungsfaktor 

sin j Blindfaktor 

Beispiel 1: 

Am 400-V-Netz ist ein Drehstrommotor angeschlossen, 

der 10 A aufnimmt, cos j = 0,8. Wie groß sind a) Scheinleistung, 

b) Wirkleistung? 

Lösung: 

a) S = 123 · U · I = 123 · 400 V · 10 A = 6930 VA 

b) P = 123 · U · I · cos j = 6930 VA · 0,8 = 5544 W 

Ändert man bei einem Verbraucher die Schaltung, 

z. B. von Stern in Dreieck, so liegt an den Strängen 

eine um den Faktor 123 = 1,73 geänderte Spannung. 

Wegen P = U 2/R ändert sich dann die Leistung um 

den Faktor 123 · 123 = 3. Im gleichen Umfang ändert 

sich der Strom, weil ja die Netzspannung gleich 

bleibt. Das wird u. U. vom Verbraucher nicht ausgehalten. 

Bei Verbrauchern mit konstantem Widerstand, z. B. 

bei Heizgeräten, sind Leistung und Stromstärke bei 

gleicher Netzspannung in der Dreieckschaltung 

dreimal so groß wie in der Sternschaltung, in der 

Sternschaltung also nur ein Drittel wie in der Dreieckschaltung. 

Bei Motoren dagegen erzwingt die 

mechanische Belastung die erforderliche Motoren- 

1 

2 

3 

Brücken 

W2 U2 V2 

U1 V1 W1 

L1 

W2 

L2 

Anordnung der Brücken am Klemmenbrett. 

Links: Sternschaltung, rechts: Dreieckschaltung 

U2 V2 

U1 V1 W1 

L3 

leistung, sodass bei einem für die Dreieckschaltung 

vorgesehenen Motor in der Sternschaltung 

der Strom im Wicklungsstrang auf den Leiterstrom 

der Dreieckschaltung und damit auf das 123-Fache 

wie in der Dreieckschaltung ansteigt. 

Beispiel 2: 

Ein Drehstrommotor mit der Angabe 400 V 15 A wird 

am 400-V-Netz versehentlich in Y-Schaltung betrieben 

und mit seiner Bemessungsleistung belastet. 

a) Wie groß wäre in Schaltung der Strangstrom? 

b) Wie groß ist in der Schaltung Y der Strangstrom? 

Lösung: 

a) IStr = I//123 = 15 A/123 = 8,67 A 

b) IStrY = IStr · 123 = 8,67 A · 123 = 15 A 

Bei Drehstrommotoren muss in jedem Fall die 

vorgesehene Schaltung angewendet werden, 

da sonst die Stromaufnahme unzulässig hoch 

werden kann. 

Wiederholung und Vertiefung: 

1. Warum besteht bei Drehstrom zwischen den Wechselströmen 

eine Phasenverschiebung von 120°? 

2. Wie nennt man beim Drehstrom die Magnetfelder in 

einem Generator und in einem Motor? 

3. Welche Ströme fließen in einem einzelnen Außenleiter? 

4. Welche Aussage kann man über die Stromstärke im 

Neutralleiter machen, wenn in den Außenleitern Sinusströme 

fließen? 

5. Wie groß ist die Strangspannung in einem Drehstromnetz 

400 V a) bei Sternschaltung, b) bei Dreieckschaltung? 

6. Bei welcher Schaltung liegt am Strang eines 

Drehstrommotors die größere Spannung eines 

Dreiphasennetzes mit der Bemessungsspannung 

400 V/230 V? 

7. Welche Folge tritt ein, wenn am 400-V-Netz ein für die 

Dreieckschaltung bemessener Motor von 6 kW versehentlich 

bei einer mechanischen Dauerlast von 4 kW 

in Sternschaltung betrieben wird? 

1

4.4 Regenerative Stromerzeugung Renewable Power Generation 55 

4.4 Regenerative Strom - 

erzeugung 

Man spricht von regenerativer (erneuerbarer) 

Stromerzeugung, wenn der Energieträger sich 

durch Naturkräfte ständig erneuert. Den größten 

Anteil dabei haben im öffentlichen Versorgungsnetz 

der EU (Europäische Union) mit etwa 94 % der 

regenerativen Stromerzeugung die seit langem bewährten 

Wasserkraftwerke. 

In Deutschland übersteigt die Leistung der Windkraftwerke 

die Leistung der Wasserkraftwerke um 

etwa ein Zehntel. 

4.4.1 Wasserkraftwerke 

Bei den Wasserkraftwerken wird die mechanische 

Energie des Wassers in einer Turbine in Bewegungsenergie 

zum Antrieb eines Generators umgesetzt. 

Laufkraftwerke 

Laufkraftwerke benötigen dauernd fließendes 

Wasser, z. B. eines Flusses (Bild 1). Meist haben 

Laufkraftwerke eine nach dem Erfinder benannte 

Kaplanturbine mit senkrechter Welle oder mit waagerechter 

Welle. Kaplanturbinen mit waagerechter 

Welle ermöglichen den unauffälligen Einbau der 

Anlage in das Gewässer. Der Höhenunterschied 

(die Fallhöhe) kann bis etwa 30 m betragen. 

Laufkraftwerke können die Grundlast in einem 

Netz übernehmen, solange genügend Wasser 

zur Verfügung steht. 

Speicherkraftwerke und Pumpspeicherkraftwerke 

Bei Speicherkraftwerken und Pumpspeicherkraftwerken 

sind durch eine Staumauer gebildete Stauseen 

als oberes Becken vorhanden, das von einem 

unteren Becken einen großen Höhenunterschied 

von z. B. 300 m hat (Bild 2). 

Als Turbinen werden bei Fallhöhen bis 700 m die 

nach dem Erfinder benannten Francisturbinen mit 

waagerechter Welle und bei sehr großen Fallhöhen 

die Peltonturbinen mit senkrechter Welle 

verwendet. Die Turbinen sind direkt mit dem Generator 

gekuppelt. Bei den Pumpspeicherkraftwerken 

ist zusätzlich am Generator eine Pumpe angekuppelt. 

Die Turbinen und Generatoren von Speicherkraftwerken 

und Pumpspeicherkraftwerken können innerhalb 

von etwa 1 min mit voller Leistung ans 

Netz geschaltet werden. Sie können nach Fortfall 

des Bedarfs unverzüglich abgeschaltet werden. 

Einlaufrechen Generator Kaplanturbine 

Laufkraftwerk mit Kaplanturbine 

1 Turbine 

2 Motor-Generator 

3 Speicherpumpe 

4 Schieber 

1 

unteres 

Becken 

Druckschacht 

Pumpspeicherkraftwerk im Pumpbetrieb 

4 

2 3 

oberes Becken 

elektrische 

Energie 

Speicherkraftwerke und Pumpspeicherkraftwerke 

werden für die Spitzenlastdeckung verwendet. 

Bei den Pumpspeicherkraftwerken wird bei Stromüberschuss, 

z. B. aus Atomkraftwerken, das Wasser 

vom unteren Becken in das obere Becken gepumpt. 

Das ist möglich, da der Generator als Motor 

arbeiten kann. Im Pumpbetrieb läuft die Turbine 

leer mit. 

Leider ist der Wirkungsgrad der Speicherung nicht 

sehr hoch, da die Energie mehrfach umgesetzt 

wird. Bei hohen Einzelwirkungsgraden von 0,9 für 

Motor, Pumpe, Turbine und Generator beträgt der 

Gesamtwirkungsgrad ohne Berücksichtigung der 

Reibungsverluste der Wasserführung nur 

n = 0,9 · 0,9 · 0,9 · 0,9 = 0,66 (= 66 %). 

1 

2

56 4.4 Regenerative Stromerzeugung Renewable Power Generation 

Pumpspeicherkraftwerke bieten bisher die einzige 

Möglichkeit, große elektrische Energien 

wirtschaftlich zu speichern. 

Gezeitenkraftwerke 

Gezeitenkraftwerke entnehmen der Rotationsenergie 

der Erde die Energie für den Turbinenantrieb. 

Sie sind an Stellen mit einem großen Unterschied 

der Meereshöhe zwischen Ebbe und Flut in Betrieb. 

Wellenkraftwerke 

Wellenkraftwerke nutzen die vom Wetter hervorgerufene 

Wellenenergie der Meere. Der World 

Energy Council (Welt-Energie-Rat) schätzt das Potenzial 

für die Wellenkraftwerke auf etwa 1 Terawatt, 

also auf 1000 Kraftwerke zu jeweils 1000 MW. 

Die Energie ist aber nur aufwendig zu erfassen und 

der Strom ist nur begrenzt planbar. 

Gezeitenkraftwerke und Wellenkraftwerke können 

nur zeitweise Strom liefern. 

Bei der Wave-Dragon-Technik (Wellen-Drachen- 

Technik) wird durch zwei V-förmig angeordnete 

Barrieren die Welle auf eine Rampe geleitet. Von 

dort aus fließt das Wasser über eine Turbine ins 

Meer zurück. Die gesamte Anlage kann schwimmend 

vor der Küste betrieben werden. 

Bei der OWC-Technik (OWC von Oscillating Water 

Column = schwingende Wassersäule) rollt die 

Welle in eine große, gegen die Atmosphäre geschlossene 

Betonkammer. Die in der Kammer befindliche 

Luft wird dadurch nacheinander zusammengepresst 

und entspannt. Über eine Luftturbine 

wird ein Generator angetrieben. 

Beim Wave Energy Converter werden als Segmente 

Bojen von z. B. 3 m Durchmesser verwendet, 

die zu Dritt einer Riesenschlange ähneln 

(Bild 1). Die miteinander mit Gelenken verbundenen 

Segmente liegen auf der Wasseroberfläche 

quer zu den Wellenkämmen. Nahe der Gelenke 

zwischen den Segmenten liegen hydraulische Motoren, 

welche die Wellenbewegung in eine Strömung 

der Hydraulikflüssigkeit umsetzen. Die Flüssigkeit 

treibt einen Generator. www.eon.com 

Für den Umweltschutz sind Wasserkraftwerke vorteilhaft, 

weil sie keine Emissionen hervorrufen. 

Wenn das Wasser gespeichert werden kann, z. B. 

bei den Speicherkraftwerken, dann können sie 

Strom erzeugen, wenn dafür Bedarf besteht. Ihre 

Stromerzeugung ist meist planbar. 

Gelenk 1 

Welle 

1 

2 

2 

Welle 

Zeitpunkt 1 

3 

Zeitpunkt 2 

3 

Prinzip des Wave Energy Converters 

2500 m bis 4500 m 

200 }C bis 300 }C 

4.4.2 Regenerative thermische Stromerzeugung 

Geothermische Kraftwerke verwenden den Wärmevorrat 

des Erdinneren zur Dampferzeugung 

(Bild 2). Der Dampf treibt über eine Dampfturbine 

den Generator. Diese Kraftwerke können vor allem 

dort gebaut werden, wo die Erdkruste dünn ist, 

z. B. in der Nähe von Vulkanen. In den deutschsprachigen 

Ländern sind keine in Betrieb, jedoch 

wird für einige Standorte die Errichtung untersucht. 

Geothermische Kraftwerke haben gegenüber 

den meisten regenerativen Energien den Vorteil, 

dass die Energiequelle ständig zur Verfügung 

steht, sodass die Stromerzeugung planbar 

ist. 

4 

4 

Kraftwerk 

Prinzip des geothermischen Kraftwerks 

5 

5 

Durch Einpressen von 

Wasser erzeugte Spalten 

1 

2


Biomasse-Kraftwerke nutzen die gespeicherte 

Energie der Biomasse durch Verbrennen in Wärmekraftwerken. 

Das Potenzial dazu ist in Form von 

Restholz, Stroh, Gülle und sonstigen Bioabfällen 

ziemlich groß (Bild 1). Beim Verbrennen der Biomasse 

entsteht nur so viel Kohlenstoffdioxid, wie 

von Pflanzen vorher aus der Atmosphäre aufgenommen 

wurde. Bei vollständiger Erfassung könnten 

durch Biomasse etwa 9 % der Stromerzeugung 

gedeckt werden. 

Holz-befeuerte Kraftwerke gehören zu den regenerativen 

Stromerzeugern mit dauernder Strom-Lieferfähigkeit. 

Man verwendet Holzschnitzel oder 

Holz-Pellets. Damit kann sonst wertloses Abfallholz, 

z. B. aus der Waldpflege, nutzbringend verwertet 

werden. 

Biogas-Kraftwerke gehören ebenso zu den regenerativen 

thermischen Kraftwerken mit ständiger 

Strom-Verfügbarkeit. Sie arbeiten wie mit Erdgas 

beschickte GUD-Kraftwerke (GUD von Gas und 

Dampf), nämlich Verbrennung in Gasturbinen, deren 

Abgas zur Dampferzeugung verwendet wird. 

Das brennbare Biogas, hauptsächlich Methan CH 4 , 

entsteht in Faultürmen, die mit Biomasse, z. B. 

Gülle oder landwirtschaftlichen Abfälle, beschickt 

werden. 

Stromerzeugung in Biomasse-Kraftwerke hat 

den Vorteil, dass der Energieträger gespeichert 

werden kann, sodass die Stromerzeugung jederzeit 

möglich ist. 

Solarthermische Kraftwerke arbeiten mit der von 

der Sonne herrührenden Strahlungswärme. Beim 

Solarturmkraftwerk ist ein Absorber mit einer 

Brennerkammer mit Dampfkessel auf einem Turm 

angeordnet (Bild 2). Hunderte von Spiegeln sind 

auf einer großen Fläche aufgestellt und werden 

fortlaufend so eingestellt, dass die Sonnenstrahlung 

auf den Absorber gerichtet ist. Die sehr hohe 

Erwärmung erzeugt wie in einem Verbrennungskraftwerk 

Wasserdampf, der über eine Turbine den 

Generator treibt. 

Beim Parabolrinnen-Kraftwerk sind Parabolrinnen- 

Kollektoren (Rinnen mit Parabel-Profil) von bis 

150 m Länge auf einer großen Fläche angeordnet 

(Bild 3). Diese Rinnen bündeln die Sonnenstrahlen. 

In der Brennlinie der Kollektoren verläuft ein Rohr 

als Absorber mit einem Wärmeträger. Wenn als 

Wärmeträger Wasser verwendet wird, dient das 

Absorberrohr als Dampfkessel. Meist wird aber ein 

Thermoöl (wärmebeständiges Öl verwendet, sodass 

Temperaturen von bis 300 °C möglich sind. 

Das heiße Öl gibt dann in einem Wärmetauscher 

die Wärmeenergie an den Dampfkessel ab, sodass 

ein hoher Druck möglich ist. 

13,1 

9,8 

11,1 22,3 

11,0 

4,4 

2,1 

5,0 

13,9 

11,7 

17,1 

13,8 

17,8 

3,1 

2,6 

6,8 

6,0 13,6 

8,7 

Angaben in PJ 

1 PJ = 278 Mio kWh 

7,6 

2,0 

5,4 

6,8 

3,0 

6,0 

5,9 

4,0 

2,3 

6,8 

3,8 

3,4 

1,9 

32,0 

6,7 

6,4 

4,1 

15,1 

17,0 

14,0 

Potenzial an Biomasse in Deutschland 

1,6 

13,5 

6,4 

3,9 

4,3 

3,4 

5,1 

4,3 

2,2 

Restholz 

Stroh 

Biogas 

Sonstiges 

Sonnenstrahlen Solarturm 

mit Absorber 

Solarturmkraftwerk 

Parabel 

Absorber- 

Rohr 

Parabolrinnen-Kraftwerk 

Parabelrinne 

(Reflektor) 

von der Dampfturbine 

1 

2 

zur 

Dampfturbine 

3


Solarthermische Kraftwerke erfordern eine 

große Grundfläche zum Aufbau der die Sonnenstrahlung 

gezielt reflektierenden Spiegel. 

Solarthermische Kraftwerke sind vor allem in sonnenreichen 

Gegenden möglich, wenn dort große 

Flächen zur Verfügung stehen, z. B. in Nevada 

(USA), Marokko, Ägypten. Die Aufstellung solarthermischer 

Kraftwerke in der Sahara könnte theoretisch 

einen großen Teil des europäischen Strombedarfs 

decken. Zum Transport über die große Entfernung 

müsste wegen der Übertragungsverluste 

mit HGÜ (Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung, 

Abschnitt 12.5.4) gearbeitet werden. 

Wiederholung und Vertiefung 

1. Welche Turbinenart wird meist in Laufkraftwerken 

verwendet? 

2. Welche Last wird von Laufkraftwerken übernommen? 

3. Zu welchen Kraftwerken sind Staumauern erforderlich? 

4. Auf welche Weise kann elektrische Energie im Umfang 

von Megawattstunden wirtschaftlich gespeichert 

werden? 

5. Nennen Sie drei regenerative Verfahren, die mit 

Dampfturbinen arbeiten. 

6. Wie ist ein Parabolrinnen-Kraftwerk aufgebaut? 

7. Welches Gas ist im Biogas enthalten? 

4.4.3 Windkraftwerke 

Leistungsdichte 

Die Leistungsdichte gibt die Fähigkeit eines Energieträgers 

an, wie viel Leistung je m2 der maßgebenden 

Fläche, z. B. des Strömungsquerschnittes, 

theoretisch erzielt werden kann (Tabelle 1). 

Beispiel 1: 

Ein Windkraftwerk erfasst eine Strömungsfläche von A = 

75 m2 und hat einen Wirkungsgrad von 45 %. Wie groß ist 

bei Wind mit der Geschwindigkeit v = 6 m/s 

a) die theoretisch mögliche Leistung, b) die reale Leistung? 

Lösung: 

Nach Tabelle 1 ist P’ = 130 W/m t 2 

a) Pt = P’ · A = 130 W/m t 2 · 75 m2 = 9750 W 

b) P = Pt · n = 9750 W · 0,45 = 4388 W 

Bei Strömungsmaschinen, z. B. Wasserturbinen 

oder Windturbinen von Windkraftwerken, kann die 

theoretisch erzielbare Leistung auch mithilfe der 

Dichte des Strömungsmediums berechnet werden. 

Energieträger P’ t in W/m2 Tabelle 1: Leistungsdichten P t’ 

Wasser bei v = 6 m/s 108 000 

Wind bei v = 6 m/s 130 

Sonne in Deutschland 120 

v Windgeschwindigkeit 

A Fläche, Querschnitt 

P t theoretisch mögliche 

Leistung 

P’ t theoretische 

Leistungsdichte 

P reale Leistung 

n Wirkungsgrad 

� Dichte des Mediums 

v Geschwindigkeit der Strömung 

Beispiel 2: 

Ein Windkraftwerk erfasst eine Strömungsfläche von A = 

75 m2 . Wie groß ist bei einer Windgeschwindigkeit von 

v = 6 m/s die theoretisch mögliche Leistung bei einer 

Luftdichte von 1,2 kg/m3 ? 

Lösung: P t = 0,5 · � · v 3 · A 

= 0,5 · 1,2 kg/m 3 · (6 m/s) 3 · 75 m 2 

= 9720 W 

P t = P’ t · A 

P = P t · n 

Der kleine Unterschied bei den Ergebnissen der 

Beispiele ist durch die Rundung der Zahlenwerte 

hervorgerufen. 

Die theoretisch mögliche Leistung wächst linear 

mit der Dichte des Mediums und in der 3. Potenz 

mit der Strömungsgeschwindigkeit. Damit wird erkennbar, 

dass Windkraftanlagen vor allem in Gegenden 

mit hoher und oft gleich bleibender Windgeschwindigkeit 

sinnreich sind (Bild 1, folgende 

Seite). 

Windenergiekonverter 

Windenergiekonverter (Windenergieumsetzer, 

Windkraftkonverter) bestehen aus einem Turm mit 

oben angebautem Windrotor nebst Gondel mit 

Generator und oft mit Bremse (Bild 2, folgende 

Seite). Ein Stromrichter zur Anpassung an das 50- 

Hz-Netz ist entweder in der Gondel oder am Fuß 

des Turmes in der Schaltanlage mit Transformator 

für den Netzanschluss. 

Windenergiekonverter werden mit Nennleistungen 

bis 6 MW hergestellt. Die elektrische Leistung 

von z. B. 6 MW wird nur dann erreicht, wenn der 

Wind mit seiner Nenngeschwindigkeit weht. Die 

Nabenhöhe derartig großer Windenergiekonverter 

kann etwa 160 m betragen. 

1 

2 

Pt = 0,5 · � · v3 · A 

3


Windenergiekonverter haben Nennleistungen 

bis 6 MW und Nabenhöhen bis 160 m. 

Windrotoren gibt es in verschiedenen Bauformen 

(Bild 1, folgende Seite). Der nach dem Hersteller in 

Heidelberg benannte H-Rotor und der nach dem 

Erfinder benannte Darrieus-Rotor arbeiten bei jeder 

Windrichtung. Dagegen muss bei den Zweiflüglern 

und Dreiflüglern dafür gesorgt sein, dass 

der Wind möglichst senkrecht auf die Rotorblätter 

trifft. Deshalb ist die Gondel mit dem Rotor am 

Turm drehbar angeordnet. 

Meist verwendet man Windrotoren mit drei Rotorblättern. 

Bei Dreiflüglern unterscheidet man Leeläufer und 

Luvläufer (Bild 2, folgende Seite). Beim Leeläufer 

dreht sich der Rotor auf der vom Wind abgewandten 

Seite des Turmes. Das hat den Vorteil, dass die 

Rotorblätter von selbst die Lage quer zum Wind 

einnehmen. Der Windschatten des Turmes setzt 

aber den Wirkungsgrad herab. Beim Luvläufer 

dreht sich der Rotor nicht von selbst auf der Seite 

des Turmes, die dem Wind zugewandt ist. Deshalb 

muss die Gondel mit dem Rotor durch eine Windrichtungsnachführung 

in die günstigste Position 

gebracht werden. 

Die Drehzahl von Windrotoren ist je nach Baugröße 

und Windstärke sehr verschieden. Kleine 

Windrotoren mit Nennleistung von 1 kW haben 

eine Nenndrehzahl von 500 /min, große mit 3 MW 

etwa 18/min. Zur Einspeisung in das VNB-Netz mit 

50 Hz muss zwischen Rotorwelle und Generator 

entweder ein Getriebe vorhanden sein oder der 

Generator muss sehr viele Pole haben. 

Windenergiekonverter enthalten in der Gondel 

entweder einen Getriebe-Generator oder einen 

Generator mit sehr vielen Polen. 

Die Windgeschwindigkeiten reichen von 0 m/s bis 

über 100 m/s. Zur Erzielung einer möglichst 

großen Leistung muss die Drehzahl des Rotors an 

die Windgeschwindigkeit angepasst werden, also 

geregelt werden. 

Bei der Stall-Regelung (von engl. Stall = das Abwürgen) 

reißt bei großer Windgeschwindigkeit die 

Windströmung an den Rotorblättern ab, sodass 

der Wirkungsgrad sinkt und die Drehzahl ziemlich 

konstant bleibt. 

Köln 

Frankfurt 

Saarbrücken 

Stuttgart 

Kiel 

Rostock 

Hamburg 

Bremen 

Berlin 

Hannover 

Kassel 

Nürnberg 

München 

Magdeburg 

Leipzig 

Gebiete mit nutzbarer Windenergie 

Sensoren für 

Wind 

Generator 

Gondel 

Windrichtungsnachführung 

Netzanschluss 

Fundament 

Aufstieg 

Turm 

Getriebe 

Bremse 

Aufbau eines Windenergiekonverters 

Dresden 

Jahresmittel der 

Windgeschwindigkeit 

> 5 m/s 

4 m/s - 5 m/s 

< 4 m/s 

Blattverstellung 

für Pitching- 

Regelung 

Rotornabe 

Rotorblatt 

Bei der aktiven Stallregelung werden die Rotorblätter 

ein wenig gedreht, sodass der Abrisspunkt 

der Strömung einstellbar ist. 

1 

2


Bei der Pitch-Regelung (von Pitch = Neigung) werden 

die Rotorblätter je nach Wind so weit gedreht, 

dass die Leistung möglichst groß ist (Bild 3). Die 

Drehzahl ändert sich dabei je nach Wind. Neue Anlagen 

arbeiten meist mit der Pitch-Regelung. 

Bei den Stall-Regelungen ist die Regelgröße die 

Drehzahl, bei der Pitch-Regelung aber die Leistung. 

Es sei ausdrücklich vermerkt, dass die Regelung 

des Rotors die Regelung des Generators nicht ersetzt. 

Bei der älteren Stall-Regelung haben der Rotor und 

der Generator ziemlich starre Drehzahlen. Deshalb 

verwendet man als Generator den Asynchrongenerator. 

Dieser wird direkt mit dem 50-Hz-Netz verbunden. 

Bei dieser Regelung liegt zwischen Rotorwelle 

und Generator ein Getriebe zur Erhöhung 

der Generatordrehzahl. Außerdem ist eine mechanische 

Bremse zum Abbremsen bei zu hoher 

Windgeschwindigkeit erforderlich. 

Bei der Pitch-Regelung haben Rotor und Generator 

je nach Wind variable Drehzahlen. Entweder ist ein 

Getriebe vorhanden oder der Generator hat eine 

sehr hohe Polzahl. Das Bremsen kann durch entsprechende 

Einstellung der Rotorblätter bewirkt 

werden. 

Moderne Windenergiekonverter haben die Pitch- 

Regelung und arbeiten bei einer Nenn-Windgeschwindigkeit 

von 9 m/s ab der Einschaltgeschwindigkeit 

von etwa 3 m/s bis zur Abschaltschwelle 

von z. B. 60 m/s. Bei anderen Windgeschwindigkeiten 

bleiben sie abgeschaltet. 

Generatoren für Windenergiekonverter mit Pitch- 

Regelung können wegen der wechselnden Windgeschwindigkeit 

nicht direkt an das 50-Hz-Netz angeschlossen 

werden, weil sich mit wechselnder 

Drehzahl bei üblichen Generatoren Spannung und 

Frequenz stark ändern. 

Generatoren mit Pitch-Regelung arbeiten immer 

mit einem Umrichter. 

Bei kleinen Anlagen kann ein permanenterregter 

(durch Dauermagnet erregter) Synchrongenerator 

mit Zwischenkreis-Umrichter verwendet werden 

(Bild 1, folgende Seite). Durch die Permanenterregung 

ist der Wirkungsgrad groß. Jedoch wird die 

gesamte elektrische Leistung über den Umrichter 

geführt, der dann groß und teuer ist. 

Zwei- und Dreiflügler 

Formen von Windrotoren 

Wind 

Leeläufer und Luvläufer 

Rotorleistung PR/Pn 

1,2 

1,0 

0,8 

0,6 

Rotorblatt 

Generator 

H-Rotor 

Darrieus-Rotor 

Windgeschw. v W 

12 m/s 

0,4 

0,2 

6 

7 

8 

10 

9 

0 

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 

Rotordrehzahl nR/nn 

Abhängigkeit der Rotorleistung vom Wind 

3 

Bei Anlagen über 100 kW nimmt man Asynchrongeneratoren 

als untersynchrone Stromrichterkaskade 

oder meist als doppelt speisende Drehstrom- 

Asynchrongeneratoren DSA. Dabei handelt es sich 

um rotierende Generatoren in der Form eines 

Schleifringläufers, die mit einem Umrichter in der 

Weise arbeiten, dass über den Umrichter nur etwa 

30 % der Leistung geführt werden (Abschnitte 

11.10.9 und 11.10.10). 

11 

1 

2

4.5 Stromtransport Power Transport 69 

4.5 Stromtransport 

4.5.1 Zweck der Spannungstransformation 

Die Erzeugung elektrischer Energie erfolgt in 

Kraftwerken. Die in den Generatoren entstehende 

Spannung beträgt meist 6 kV bis 30 kV. Diese 

Spannung ist zu niedrig, um den erzeugten Strom 

über größere Strecken möglichst verlustfrei 

transportieren zu können. Das liegt daran, dass 

Leitungen einen elektrischen Widerstand besitzen. 

Um die Verlustleistung P v möglichst klein zu 

halten, müssen entweder der elektrische Widerstand 

oder die Stromstärke verringert werden 

(Abschnitt 4.5.6). Um den elektrischen Widerstand 

der Leitung zu verringern, verwendet man 

Werkstoffe mit kleinem spezifischem Widerstand 

oder der Leitungsquerschnitt wird erhöht. Aus 

wirtschaftlichen Gründen sind diese Maßnahmen 

jedoch nicht sinnvoll. Durch die Erhöhung der 

Spannung auf ein Vielfaches des ursprünglichen 

Wertes, z. B. auf eine Spannung von 380 kV, wird 

jedoch die Stromstärke ebenfalls verringert (Bild 

1). Dadurch wird die Verlustleistung deutlich kleiner. 

Faustregel: Strom kann mit einer Bemessungsspannung 

von 380 kV ohne Zwischenstationen 

über eine Entfernung von etwa 380 Kilometern 

transportiert werden. 

Da die Übertragungsspannung von 380 kV für den 

Endverbraucher viel zu hoch ist, muss die Spannung 

schrittweise auf die Niederspannung von 

400 V/230 V herunter transformiert werden (Bild 2). 

4.5.2 Spannungsebenen 

In modernen Stromnetzen unterscheidet man vier 

Spannungsebenen: Höchstspannungsnetz, Hochspannungsnetz, 

Mittelspannungsnetz und Niederspannungsnetz. 

Das Höchstspannungsnetz dient zum Transport 

des in Kraftwerken erzeugten Stromes über große 

Entfernungen. Die Spannung in diesem Netz beträgt 

220 kV bzw. 380 kV. Über dieses Netz sind die 

Länder der EU untereinander verbunden (Europäisches 

Verbundnetz). Für HGÜ (Hochspannungs- 

Gleichstrom-Übertragung) werden auch Spannungen 

von 500 kV bzw. 750 kV verwendet. 

Über das Hochspannungsnetz werden größere 

Gebiete, z. B. das Stadtgebiet von Stuttgart, und 

auch die Großindustrie versorgt, z. B. die Firma 

BSW (Badische Stahlwerke). Die Spannung beträgt 

z. B. 110 kV. 

Stromstärke Ü 

6 

kA 

5 

4 

3 

2 

1 

0 

0 

10 

20 

30 40 50 60 

Spannung U 

70 

Stromstärken bei Drehstrom für 10 MVA 

Höchstspannung 

Æ 380 kV 

Höchstspannung 

220 kV 

Hochspannung 

110 kV 

Freileitungsnetz 

Mittelspannung 

Freileitung 

oder Kabel 

10 MVA 

UN 

1 kV 

6 kV 

10 kV 

60 kV 

110 kV 

Niederspannung 

Kabelnetz 

3 AC 

Ü 

5774 A 

962 A 

577 A 

96 A 

53 A 

0,4 kV 

Spannungsebenen der Stromversorgung 

80 

90 

kV 110 

Braunkohlekraftwerke 

und Kernkraftwerke 

Steinkohlekraftwerke 

und Wasserkraftwerke 

Industriekraftwerke 

10 kV bis 30 kV 

Der Energiebedarf erfolgt entweder aus Kraftwerken, 

die nicht in das Höchstspannungsnetz einspeisen, 

oder über Umspannwerke aus dem 380kV-Netz 

bzw. 220-kV-Netz. 

1 

2

70 4.5 Stromtransport Power Transport 

Mittelspannungsnetze haben eine Spannung von 

10 kV bis 30 kV. Sie werden meist über Umspannwerke 

aus dem 110-kV-Netz gespeist. Diese 

Umspannwerke befinden sich innerhalb der 

Stadtgebiete und sind meist als Innenraumschaltanlage 

oder aber als Freiluftschaltanlage ausgeführt. 

Durch die relativ kleine Spannung von z. B. 

10.000 V können auch Industriebetriebe über kundeneigene 

Stationen direkt versorgt werden. Über 

Ortsnetzstationen wird die elektrische Energie in 

Stadt teilen oder Ortschaften auf Niederspannung 

(400 V/230 V) transformiert und in das Niederspannungsnetz 

eingespeist. 

Die vierte Ebene ist das Niederspannungsnetz mit 

400 V/230 V. Über dieses Netz werden Gebäude 

oder Haushalte mit Strom versorgt. Das zugehörige 

Verteilungsnetz kann im Erdreich als Kabelnetz 

aber auch im Freien als Freileitungsnetz aufgebaut 

sein. 


1. Warum muss zum Transport von elektrischer Energie 

über längere Strecken die Spannung heraufgesetzt 

werden? 

2. Welche anderen Möglichkeiten gibt es, um a) die Verlustleistung 

auf Leitungen gering zu halten und 

b) warum werden sie beim Stromtransport nicht angewendet? 

3. Auf welche Entfernung kann man Strom mit einer 380kV-Leitung 

ohne Zwischenstationen transportieren? 

4. Nennen Sie die vier Spannungsebenen mit ihrer Netzbezeichnung 

und geben Sie die jeweilige Netzspannung 

an. 

4.5.3 Umspannwerke 

Umspannwerke nennt man auch die Knotenpunkte 

der Energieverteilung. Sie wandeln durch Transformatoren 

die elektrische Energie auf die für die 

Übertragung notwendigen Spannungsebenen um. 

Zusätzlich erfolgt von Umspannwerken aus die 

Verteilung auf weitere Streckenabschnitte durch 

Schalter. 

Umspannanlagen 

Umspannanlagen sind für Hochspannung und 

Höchstspannung vorgesehen und meist als Freiluftanlagen 

ausgeführt (Bild 1). 

Die einzelnen Betriebsmittel wie Trennschalter und 

Leistungsschalter der Umspannanlagen sind an 

Schaltgerüsten befestigt. 

Stromwandler und Spannungswandler sowie 

Umspanner werden auf Sockeln befestigt. 

Die Leiterseile der Hochspannungsleitungen werden 

an einem Gerüst abgespannt (Bild 2). Die 

Verbindungsleitungen zwischen zwei Abspanngerüsten 

bezeichnet man als Überspannungen. 

Transformator 

Freiluftanlage 110 kV 

Isolatoren 

Trennschalter 

Gerüst zum Abspannen der Leiterseile 

Sammelschienensystem 

Metallrohr (Leiter) 

Leiterseile 

Isolator 

Trennschalter 

Meist verlaufen unterhalb der Überspannungen 

Sammelschienensysteme (Bild 3). Die einzelnen 

Leitungen können über Sammelschienen miteinander 

verbunden werden. Anstelle von Leiterseilen 

werden in Umspannwerken meist Metallrohre 

als Leiter verwendet. 

1 

2 

3


Mithilfe von Trennschaltern (Trennern) oder von 

Leistungsschaltern kann man die Leitung von Umspannwerken 

trennen. 

Trennschalter dürfen nur ohne Last geschaltet 

werden. 

Das Schalten erfolgt meist von der Steuerwarte 

aus. Die Trenner können aber auch von Hand 

betätigt werden. 

In dicht besiedelten Gebieten werden Umspannwerke 

meist als Innenraumanlage ausgeführt und 

vor allem im Mittelspannungsnetz (MS-Netz) bis 

30 kV eingesetzt. Auf engstem Raum sind dort 

Schaltfelder (Zellen) für ankommende und abgehende 

Kabel, Stromwandler und Spannungswandler, 

Trennschalter und Lasttrennschalter sowie die 

Zuleitungen und Ableitungen für den Transformator 

untergebracht. Da diese Stationen sehr kompakt 

gebaut sind, nennt man sie auch Kompakt- 

Umspannstation (Bild 1). 

Im Freileitungsnetz werden Innenraumanlagen als 

Turmstation ausgeführt (Bild 2). Unterhalb von Öltransformatoren 

müssen sich Öl-Auffangwannen 

befinden. Für einzeln stehende Gehöfte oder kleine 

Häusergruppen erfolgt die Versorgung auch 

über Maststationen mit Transformatoren von z. B. 

10 kV/400 V und 100 kVA (Bild 3). 

Größere Innenraumanlagen werden meist als gekapselte 

gasisolierte Schaltanlagen ausgeführt 

(Bild 4). Dabei wird als Gasisolierung Schwefelhexafluorid 

SF 6 verwendet. Durch das vollständige 

Kapseln der Kontakte wird das Bedienen ungefährlich, 

eine Berührung durch das Bedienpersonal ist 

somit nicht möglich. 

Schalter in Hochspannungsanlagen 

Man unterscheidet in Hochspannungsanlagen 

zwischen Trennschalter, Lasttrennschalter und 

Leistungsschalter. Die Auswahl der Schalter und 

Anlage erfolgt nach ihrer Bemessungsspannung 

(Nennspannung) und ihrer erforderlichen Schutzart. 

Schalter für Hochspannung können mit Federspeicherantrieb 

oder elektromotorischem Antrieb 

ausgestattet sein. 

Trennschalter haben die Aufgabe, Anlagenteile, 

z. B. bei Revisionsarbeiten, sichtbar abzutrennen, 

um Arbeiten im spannungslosen Zustand gefahrlos 

durchführen zu können (Bild 1, folgende Seite). 

Dabei sind die fünf Sicherheitsregeln (Seite 364) zu 

beachten. Das Bedienpersonal kann sich wegen 

der sichtbaren Trennstelle ständig vom Spannungszustand 

überzeugen. 

Mittelspannungsanlage 

(Schaltzellen) 

Kompakt-Umspannstation 

10-kV-Netz 

400-V- 

Netz 

Turmstation 

W 

400-V-Netz 

Maststation 

Gasisolierte SF 6 -Schaltanlage 

Z 

Niederspannungsverteilung 

mit Wandler W und Zählern Z 

Z 

10-kV-Netz 

400 kVA 

Transformator 

1 

Überspannungsableiter 

Trennschalter 

2 

3 

4


In Schaltanlagen werden Trennschalter immer auf 

der einspeisenden Seite eingebaut. Werden Anlagen 

doppelseitig eingespeist, sind auf beiden Seiten 

Trennschalter erforderlich (Bild 2). 

Trennschalter dürfen elektrische Stromkreise 

nur leistungslos oder nur bei einem vernachlässigbar 

kleinen Strom schalten und wenn zwischen 

den Schalteranschlüssen keine Spannungsunterschiede 

bestehen. 

Es werden im Hochspannungsbereich je nach 

Spannungsebene unterschiedliche Bauformen von 

Trennschaltern verwendet. 

Im Höchstspannungsbereich werden Scherentrennschalter 

oder Greifertrennschalter eingesetzt. 

Beim Schaltvorgang kommt es bei diesen Schaltern 

häufig zu Funkenüberschlägen. Die Ursache 

dieser Überschläge liegt in der Kapazität der Anlage. 

Mit einem Lasttrennschalter kann man Umspanner 

sowie Kabelleitungen und Freileitungen unter Last 

vom Netz trennen (Bild 3). Diese Schalter finden oft 

in Mittelspannungsnetzen (10 kV bis 30 kV) Anwendung. 

Sie schalten Ströme von etwa 40 kA bis 

63 kA. Lasttrennschalter werden auch zum Öffnen 

und Schließen von Ringleitungen verwendet und 

sind mit einem Federspeicherantrieb ausgestattet. 

Mithilfe einer Fernschaltung kann eine mechanische 

Auslösung erfolgen. 

Mit Leistungsschaltern können Ströme (z. B. 80 kA 

bis 160 kA) geschaltet werden. Sie können Anlagenteile 

auch bei Kurzschluss schalten. Dabei löst 

ein Schutzrelais selbsttätig aus. Sowohl die Auslösezeit 

als auch der Auslösestrom werden am 

Schutzrelais eingestellt. 


1. Für welche zwei Spannungsebenen werden Umspannungsanlagen 

vorgesehen? 

2. Worauf ist beim Schalten von Trennschaltern bezüglich 

der Last zu achten? 

3. Welche fünf elektrischen Betriebsmittel sind in Kompakt-Umspannstationen 

untergebracht? 

4. In welcher Form wird die Schaltanlage einer Innenraumanlage 

meist ausgeführt? 

5. In Hochspannungsanlagen unterscheidet man drei 

Schalterarten. Nennen Sie diese. 

6. Welche Aufgabe haben Trennschalter? 

7. Nennen Sie mindestens zwei Bauformen von Trennschaltern 

im Hochspannungsbereich. 

8. Nennen Sie einen Vorteil eines Lasttrennschalters 

gebenüber einem Trennschalters. 

1 3 5 

2 

Trennschalter 

4 

Einspeisung A 

110 kV/20 kV 

110 kV/20 kV 

Einspeisung B 

Anlage 

Doppelseitige Einspeisung einer Anlage 

2 

6 

20 kV/400 kV 

1 3 5 

4 6 

Trennstelle 

Ortsnetz 

Lasttrennschalter (www.driescher-wegberg.de) 

Antrieb 

Schaltmesser 

1 

2 

Löschkammer 

3


4.5.4 Leitungen und Kabel 

Für den Stromtransport werden elektrische Leiter 

verwendet, deren stromleitender Teil ganz oder im 

Wesentlichen aus Kupfer oder aus Aluminium besteht. 

Begriffe in der Energieverteilung 

Leiter ist der stromleitende Teil einer Leitung mit 

der unmittelbaren Isolierung. Eine vieradrige Leitung 

enthält z. B. vier Leiter. 

Eine Leitung enthält einen oder mehrere Leiter. 

Freileitungen sind Systeme aus elektrischen Leitern 

oder Leitungen, Isolatoren und deren Haltevorrichtungen, 

z. B. Freileitungsmasten (Abschnitt 

12.2.1). 

Leitungen sind Systeme aus einem oder mehreren 

elektrischen Leitern mit umgebenden Isolierstoffen. 

Im Gegensatz zu Kabeln sind Leitungen 

nicht zur direkten Verlegung im Erdboden geeignet. 

Die Bemessungsspannung der üblichen Leitungen, 

z. B. für die Elektroinstallation, beträgt 

höchstens 1 kV. Das gilt nicht für spezielle 

Leuchtröhrenleitungen. 

Kabel sind im Prinzip wie Leitungen auf gebaut, jedoch 

ist die Isolierung erheblich aufwendiger, sodass 

die Verlegung auch im Erdboden erfolgen 

kann. Deshalb spricht man auch von Erd kabeln. 

Die Bemessungsspannung der üblichen Kabel beträgt 

je nach Bauart bis 60 kV, bei speziellen Hochspannungskabeln 

sogar bis 500 kV. 

Leitungen für die Energieverteilung 

Es gibt viele verschiedene Leitungsarten. Als 

elektrischer Leiter wird fast ohne Ausnahme Kupfer 

verwendet. Bei vor 1950 verlegten Leitungen 

kommen auch Leiter aus Aluminium vor. Von den 

Leitungen für feste Verlegung sind besonders 

wichtig die Mantelleitungen und die Aderleitungen 

(Bild 1). Die Mantelleitungen gibt es mehradrig 

oder einadrig. Sie werden verlegt auf Putz, 

über Putz, im Putz und unter Putz. Aderleitungen 

werden als Verdrahtungsleitungen in Schaltschränken 

verwendet und sonst in Isolierrohren 

oder Leitungskanälen. 

Leider sind für die Leitungsbezeichnungen zwei 

verschiedene Systeme üblich. Die jüngere Bezeichnung 

gilt für europaweit harmonisierte (also 

vereinheitlichte) Leitungen und beginnt mit H 

(von harmonisiert, Bild 2). Die daran anschließende 

Zahl gibt verschlüsselt die Bemessungsspannung 

an. Danach folgen weitere Buchstaben 

für den Isolierstoff und die Leiterart (Tabelle 1). 

Mantel 

PVC 

Mantelleitung NYM 

Aderumhüllung 

Aderleitung H 07 V-U 1,5 BK 

PVC, z. B. schwarz 

Mantelleitung und Aderleitung 

H 07 V - U 1,5 BK 

Bedeutung von H07-U 

V PVC 

U eindrähtig 

R mehrdrähtig 

F feindrähtig 

G mit Schutzleiter 

X ohne Schutzleiter 

Cu - Leiter 

Isolierung PVC, grün - gelb, 

schwarz, blau, braun 

Cu 

schwarz (BLACK) 

1,5 mm 2 

eindrähtig 

PVC - Isolierung 

Bemessungsspannung 700 V 

harmonisierte Leitung 

2 

Tabelle 1: Buchstaben nach H bei Leitungen 

für feste Verlegung (Auswahl) 

Buchstabe Bedeutung 

N Y M - J 4 2,5 

Bedeutung von NYM-J 4 x 2,5 


2,5 mm 

4 Adern 

2 

mit PE 

Mantelleitung 

Kunststoff (PVC) 

Normen 

Tabelle 2: Buchstaben nach N bei Leitungen 

für feste Verlegung (Auswahl) 

Y Aderisolierung PVC 

M Mantelleitung 

-J Schutzleiter vorhanden 

-O ohne Schutzleiter 

+ 

Die ältere Bezeichnung gilt für nicht harmonisierte 

Leitungen, gilt also nicht europaweit. Sie beginnt 

mit N (von Norm) und die folgenden Buchstaben 

geben den Isolierstoff und die Art der Leitung an 

(Bild 3, Tabelle 2). 

1 

3


Kabel für die Energieverteilung 

Niederspannungskabel haben Bemessungsspannungen 

bis 1 kV. Sie haben meist Aluminiumleiter 

und bei Querschnitten bis 10 mm2 Kupferleiter. 

Die Leiter können rund oder sektorförmig sein 

(Bild 1) und aus Einzeldraht oder aus mehreren 

Drähten bestehen. Beim dreiadrigen Kabel dient 

ein konzentrischer, außen liegender Leiter als 

PEN-Leiter und als mechanischer Schutz, z. B. bei 

Verlegung im Erdboden (Bild 2). Oft werden vieradrige 

Kabel verwendet (Bild 3). Die Leiterisolierung 

besteht aus Polyvinylchlorid PVC oder aus 

vernetztem Polyethylen VPE, der Mantel aus PVC 

oder aus PE. Die Bezeichnung der Kabel beginnt 

mit N (von Norm). Die folgenden Buchstaben 

haben aber eine andere Bedeutung als bei den 

Leitungen (Tabelle 1). 

Tabelle 1: Buchstaben nach N bei Kabeln 


A Aluminiumleiter 

Y Isolierung PVC 

C konzentrischer Cu-Leiter 

W wellenförmiger Cu-Leiter 

S Schirm aus Kupfer 

2X Isolierung VPE 

2Y Isolierung PE 

-J grün-gelber Schutzleiter 

Für die Kabelbezeichnung sind die Kennbuchstaben 

von innen nach außen anzugeben. 

Für das Niederspannungsnetz 400/230 V werden 

meist Vierleiterkabel (Kabel mit vier Leitern) 

verwendet. 

Mittelspannungskabel haben Bemessungsspannungen 

bis 36 kV. Es gibt Dreileiterkabel und Einleiterkabel. 

Als Aderisolierung wird meist VPE 

verwendet (Bild 4). Anders als bei den Niederspannungskabeln 

sind Leitschichten vorhanden, 

die für eine gleichmäßige elektrische Feldstärke 

an den Leitern sorgen. Dadurch wird verhindert, 

dass eine Gasentladung an den Kanten der Leiterdrähte 

erfolgt, die zur Zerstörung der Isolation 

führen würde. Über der äußeren Leitschicht liegt 

ein Kupferschirm und darüber eine Trennschicht. 

Der darauf folgende Mantel besteht aus PVC oder 

VPE. 

Für Neuanlagen werden nur Kabel mit VPE-Isolierung 

bzw. PVC-Isolierung verwendet. In bestehenden 

Anlagen sind auch ältere Massekabel mit Papierisolierung 

und Bleimantel vorhanden. 

Leitertypen 

Mantel, 

PVC 

Kabel NA2XCWY 0,6/1 kV 

Mantel, 

PE 

konzentrische Cu-Leiter, 

wellenförmig Aluminium 

Wendel aus 

Cu-Band 

Kabel NA2X2Y-J 0,6/1 kV 


Cu-Wendel 


VPE, 

grün-gelb, 

braun, 

schwarz, 

blau 

PE-Mantel Trenn- äußere 

schicht Leitschicht VPE 

Cu-Schirm 

Hochspannungskabel haben je nach Bauart Bemessungsspannungen 

bis 500 kV. Sie sind immer 

Einleiterkabel. Kabel NA2X2Y 10 kV bis 30 kV 

1 

VPE, 

braun, 

schwarz, 

blau 

Aluminium 

Aluminium- 

Leiter 

2 

3 

innere 

Leitschicht 

4

5.5 Zeigerdiagramm des belasteten Transformators Vector Diagram of Transformers under Load 93 

5.5 Zeigerdiagramm des 

belasteten Transformators 

Das vollständige Zeigerbild des allgemeinen, realen 

Transformators (Tabelle 1, vorhergehende 

Seite) ist so kompliziert, dass es fast nicht angewendet 

werden kann. Bei einem belastetem Transformator 

der Energietechnik spielt der Magnetisierungsstrom 

nur eine untergeordnete Rolle. Deshalb 

lässt man die Querinduktivität weg und fasst 

die verbleibenden Wirkwiderstände und die durch 

die Streuung verursachten Blindwiderstände zusammen 

(Bild 1). Wird der Transformator auf der 

Ausgangsseite mit I2 belastet, so stellt sich auf der 

Eingangsseite ein Strom I1 ein. Je nach Art des 

Belas tungsstromes sieht das Zeigerdiagramm verschieden 

aus (Bild 3). Bei Belastung mit demselben 

Strom, z. B. dem Bemessungsstrom, ist aber das 

Dreieck aus den Zeigern Uw , Us und U gleich. Man 

nennt es das Kapp’sche Dreieck. 

Mithilfe des Kapp‘schen Dreiecks lässt sich die bei 

Belastung auftretende Spannungsänderung eines 

Transformators berechnen. Zur rechnerischen Erfassung 

zeichnen wir das Kapp‘sche Dreieck vergrößert 

heraus (Bild 2). Wir können erkennen, dass 

der Spannungsunterschied bei Belastung nach folgender 

Formel berechnet werden kann. 

DU = U w · cos j 2 + U s · sin j 2 

DU Spannungsunterschied bei Belastung 

U w Spannungsfall am Wirkwiderstand 

U s Spannungsfall am Blindwiderstand 

j 2 induktiver Phasenverschiebungswinkel der Last 

Beispiel 1: 

Bei einem Transformator beträgt cos j2 = 0,5. Der Spannungsfall 

am Wirkwiderstand beträgt 10 V, am Blindwiderstand 

20 V. Wie groß ist die Spannungsänderung bei 

Belastung? 

Lösung: 

cos j2 = 0,5 π sin j2 = 0,866 

DU fi Uw · cos j2 + Us · sin j2 = 10 V · 0,5 + 20 V · 0,866 

= 22,3 V 

Last 

U1 

UÛ 

U 

Uw 

U'2 

¡'2 

#U 

ƒ2 = 0 

U 2 = U 20 – DU 3 

Zeigerdiagramm des Transformators für verschiedene Belastungsfälle mit Kapp’schem Dreieck 

1 

Last 

U'2 

U UÛ 

U1 

Uw 

ƒ2 ¡' 2 

Vereinfachte Ersatzschaltung eines Transformators 

für die Energietechnik 

#U 

¡1 

U1 

R 

XL 

Uw UÛ U'2 

U1 

U 

ƒ2 

UÛ 

U'2 

Berechnung des Spannungsunterschiedes bei 

Belastung mithilfe des Kapp’schen Dreiecks 

UÛ 

Fehler 

ƒ2 

¡'2 

Uw 

U1 

Uw 

U 

ƒ2 

U'2 

Last 

#U 

U2 

UÛ • sin ƒ2 

Uw • cos ƒ2 

¡2 

Last 

Z 

Bei Wirklast und bei induktiver Last führt die Spannungsänderung 

DU zur Verkleinerung der Ausgangsspannung 

U 2 , bei kapazitiver Last aber zur 

Vergrößerung gegenüber der Ausgangs-Leerlaufspannung 

U 20 (Bild 3). 

U2 = U20 8DU 

2 

Beispiel 2: 

Bei einem Transformator ist bei kapazitiver Last infolge 

Überkompensation cos j2 = 0,5. Der Spannungsfall am 

Wirkwiderstand ist 10 V, am Blindwiderstand 20 V. Die im 

Leerlauf gemessene Ausgangsspannung ist U20 = 230 V. 

Wie groß ist die Lastspannung? 

Lösung: 

Nach Beispiel 1 ist DU fi 22,3 V 

U 2 = U 20 + DU = 230 V + 22,3 V = 252,3 V 

#U 

U 2 = U 20 + DU 4 

1 

2 

3

94 5.6 Kurzschlussstrom und Einschaltstrom Short-circuit Current and Turn-on Current 

Der Spannungsfall U w am Wirkwiderstand und der 

Spannungsfall U s am Streu-Blindwiderstand können 

aus der auf die Bemessungsspannung bezogenen 

Kurzschlussspannung berechnet werden, 

wenn aus dem Kurzschlussversuch der cos j k bekannt 

oder berechenbar ist. 

Beispiel 1: 

Ein Einphasentransformator mit u k = 15 %, cos j k = 0,4, 

U 20 = 400 V und S N = 5 kVA wird mit 4 kVA bei einem induktiven 

Leistungsfaktor von 0,6 belastet. Wie groß sind 

a) U w , b) U s , c) Spannungsunterschied bei Belastung, 

d) Ausgangsspannung bei Belastung? 

Lösung: 

cos jk = 0,4 π sin jk = 0,917 

a) Uw fi S/SN · uk · cos jk · U20 = 4/5 · 0,15 · 0,4 · 400 V 

= 19,2 V 

b) U s fi S/S N · u k · sin j k · U 20 = 4/5 · 0,15 · 0,917 · 400 V 

= 44 V 

c) cos j2 = 0,6 π sin j2 = 0,8 

DU fi Uw · cos j2 + Us · sin j2 = 19,2 V · 0,6 + 44 V · 0,8 

= 46,7 V 

d) U 2 fi U 20 – DU = 400 V – 46,7 V = 353,3 V 

5.6 Kurzschlussstrom und 

Einschaltstrom 

Kurzschlussstrom beim Transformator 

Entsteht auf der Ausgangsseite eines in Betrieb befindlichen 

Transformators eine fast widerstandslose 

Verbindung zwischen den Anschlüssen, so 

liegt ein Kurzschluss vor. Der Transformator liefert 

den Kurzschlussstrom. 

Der einige Perioden nach der Entstehung des Kurzschlusses 

fließende Strom heißt Dauerkurz - 

schluss strom I kd . Er ist bei Transformatoren mit 

kleiner Kurzschlussspannung groß und bei Transformatoren 

mit großer Kurzschlussspannung 

klein. Große Kurzschlussströme können zur Zerstörung 

von Schaltern, Verteilungen, Sammelschienen 

und anderen Betriebsmitteln führen. 

Kurzschlüsse an Transformatoren sind gefährlich, 

wenn die Kurzschlussspannung des Transformators 

klein ist. 

Beispiel 2: 

Auf der Unterspannungsseite eines Transformators 

400 V/50 V, 1,3 A/9 A, uk = 15 % entsteht ein Kurzschluss. 

Wie groß ist der Dauerkurzschlussstrom? 

Lösung: 

u k = 15 % π u k = 0,15 

I kd = I N /u k = 9 A/0,15 = 60 A 

Stromstärke 

Laststrom 

Stoßkurzschlussstrom is 

abklingender Gleichstromanteil 

Dauerkurzschlussstrom ¡kd 

Zeit 

Stromverlauf beim ausgangseitigen Transformator- 

Kurzschluss 

Spannungsfälle 

S 

Uw fi –––– · uk · cos jk · U20 SN S 

U s fi –––– · u k · sin j k · U 20 

S N 

U w Spannungsfall am Wirkwiderstand 

U s Spannungsfall am Streu-Blindwiderstand 

S Ausgangsleistung 

S N Bemessungsleistung des Transformators 

u k bezogene Kurzschlussspannung 

j k Phasenverschiebungswinkel beim Kurzschlussversuch 

U 20 Ausgangs-Leerlaufspannung 

I kd Dauerkurzschlussstrom 

I N Bemessungsstrom 

u k bezogene Kurzschlussspannung 

I N 

I kd = ––– 

u k 

Man unterscheidet den Dauerkurzschlussstrom 

und den Stoßkurzschlussstrom. Der sofort nach 

dem Entstehen des Kurzschlusses fließende Strom 

ist der Stoßkurzschlussstrom i s (Bild 1). Die Stärke 

des Stoßkurzschlussstromes hängt vom Dauerkurzschlussstrom 

ab und von dem Augenblickswert 

der Spannung im Zeitpunkt des Kurzschlusses. 

Besonders groß ist der Stoßkurzschlussstrom, 

wenn der Kurzschluss in dem Augenblick entsteht, 

in dem die Ausgangsspannung durch die Nulllinie 

geht. Dann haben Magnetisierungsstrom und 

mag netische Flussdichte ihre Höchstwerte. Nach 

der Lenz’schen Regel sucht der nun einsetzende 

Kurzschlussstrom die Abnahme der Flussdichte zu 

hemmen. Die kurzgeschlossene Ausgangswicklung 

sucht also den Magnetismus beizubehalten, 

der im Augenblick der Entstehung des Kurzschlusses 

vorhanden war. Dadurch überlagert sich 

1 

2 

1 

Dauerkurzschlussstrom 

3

5.6 Kurzschlussstrom und Einschaltstrom Short-circuit Current and Turn-on Current 95 

während mehrerer Perioden dem Dauerkurzschlussstrom 

ein abklingender Gleichstrom. Im 

ungünstigsten Fall könnte der Stoßkurzschlussstrom 

beim verlustlosen Transformator doppelt so 

groß sein wie der Scheitelwert des Dauerkurzschlussstromes, 

also i s = 2 · 12 · I kd . Wegen der 

Dämpfung rechnet man mit i s = 1,8 · 12 · I kd . 

is Stoßkurzschlussstrom 

Ikd Dauerkurzschlussstrom 

Stoßkurzschlussstrom 

i s = 1,8 · 12 · I kd 

Beispiel: 

Bei einem Transformator beträgt der aus der Kurzschlussspannung 

berechnete Dauerkurzschlussstrom 200 A. Wie 

groß kann der Stoßkurzschlussstrom im ungünstigsten 

Fall sein? 

Lösung: 

is = 1,8 · 12 · Ikd = 2,54 · Ikd = 2,54 · 200 A = 508 A 

Einschaltstrom beim Transformator 

Die Spannung des Transformators hat gegen den 

magnetischen Fluss G bzw. gegen den Magnetisierungsstrom 

i µ eine Phasenverschiebung von 90°. 

Wird ein spannungsloser Transformator im Augenblick 

des Höchstwertes der Netzspannung eingeschaltet, 

so müssen der magnetische Fluss im 

Transformatorkern und der Magnetisierungsstrom 

wegen der Phasenverschiebung gleich null sein. 

Das trifft bei diesem Transformator tatsächlich zu. 

Die Netzspannung ändert sich nun sinusförmig. 

Entsprechend ändert sich dann der magnetische 

Fluss von null an ebenfalls sinusförmig und der 

Transformator nimmt einen dem magnetischen 

Fluss entsprechenden Magnetisierungsstrom auf. 

In diesem Fall erfolgt die Einschaltung des Transformators 

nicht anders als die Einschaltung eines 

Widerstands. 

Der günstigste Zeitpunkt für die Einschaltung eines 

Transformators liegt vor, wenn die Netzspannung 

gerade ihren Höchstwert hat. 

Ganz anders erfolgt der Einschaltvorgang, wenn 

das Einschalten beim Augenblickswert null der 

Netzspannung erfolgt. Hier müsste der magnetische 

Fluss wegen der Phasenverschiebung seinen 

Höchstwert haben, besitzt aber im spannungslosen 

Transformator noch den Wert null. 

Ï, i’ 

i’ 

Verlauf des magnetischen Flusses G und des 

Magnetisierungsstromes i µ beim Einschalten 

Ï 

2Ï 

Ï 

i’1 

i’2 

i’ 

Ermittlung des Einschalt-Magnetisierungsstromes 

Ï 

Ï 

øt = ¢ 

Für den Augenblickswert der Netzspannung gilt 

u = N · dG/dt = u: · sin (wt) 

wenn man diese Differenzialgleichung nach G auflöst, 

so erhält man 

G = – u: · cos (wt)/(N · w) + C = – G: · cos (wt) + C 

Dabei ist C die Integrationskonstante. Aus der Einschaltbedingung 

mit G = 0 für t = 0 kann man 

die Integrationskonstante berechnen. Man erhält 

C = G. Dadurch erreicht eine Halbperiode nach 

dem Einschalten der magnetische Fluss einen 

Höchstwert: 

G = 2 · G: 

Das bedeutet, dass dem normalen magnetischen 

Wechselfluss, ein Gleichfluss von der Größe bis 

zum Scheitelwert des magnetischen Wechselflusses 

überlagert ist (Bild 1). 

Wird ein Transformator eingeschaltet, so kann 

der magnetische Fluss im Transformator doppelt 

so groß sein wie der Scheitelwert des mag - 

netischen Flusses. 

t 

t 

1 

2

96 5.7 Wirkungsgrad und Nutzungsgrad von Transformatoren Efficiency and Utilization Ratio of Transformers 

Dieser große magnetische Fluss wird eine halbe 

Periode nach dem Einschalten erreicht. Damit dieser 

große magnetische Fluss erreicht wird, muss 

der Magnetisierungsstrom entsprechend groß 

sein. Wegen der magnetischen Sättigung des Eisens 

ist aber der Magnetisierungsstrom weit 

größer als das Doppelte seines normalen Wertes 

(Bild 2, vorhergehende Seite). 

Noch ungünstiger werden die Verhältnisse, wenn 

der Eisenkern im Augenblick des Einschaltens einen 

magnetischen Remanenzfluss besitzt, der dieselbe 

Richtung wie der erforderliche magnetische 

Fluss hat. Dann wird der Magnetisierungsstrom 

außerordentlich groß, weil er sich jetzt fast ganz im 

Bereich der Sättigung einstellt. 

Der Stromstoß beim Einschalten eines Transformators 

kann bis zum 80-fachen Wert des normalen 

Magnetisierungsstroms betragen. 

Im ungünstigsten Fall kann demnach der Einschaltstromstoß 

über das Zehnfache des normalen 

Bemessungsstroms betragen. Deshalb müssen die 

Überstrom-Schutzeinrichtungen von Transformatoren 

diesen Einschaltstromstoß aushalten. 

5.7 Wirkungsgrad und 

Arbeitsgrad von 

Transformatoren 

Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis von abgegebener 

zur zugeführten Wirkleistung. Die aufgenommene 

Wirkleistung ist um die Eisenverlustleis - 

tung (Eisenverluste) und die Wicklungsverlustleis - 

tung (Wicklungsverluste) größer als die abgegebene 

Wirkleistung. 

Beispiel: 

Ein Transformator mit 250 kVA ist bei einem Leistungsfaktor 

0,7 voll belastet. Seine Eisenverlustleistung beträgt 2 

kW, seine Wicklungsverlustleistung 3 kW. Wie groß ist 

der Wirkungsgrad? 

Lösung: 

Pab = Sab · cos j = 250 kVA · 0,7 = 175 kW 

n = Pab /(Pab + VFe + VCu ) 

= 175 kW/(175 kW + 2 kW + 3 kW) = 0,97 

Im Eisenkern ist unabhängig von der Belastung der 

magnetische Fluss ungefähr gleich bleibend. Deswegen 

ist die Eisenverlustleistung dauernd gleich. 

In der Wicklung fließen je nach Belastung verschiedene 

Ströme. Die Wicklungsverlustleistung nimmt 

quadratisch mit der Belastung zu. Netztransformatoren 

sind meist so bemessen, dass der Wirkungsgrad 

am größten ist, wenn beide Verlustleistungen 

gleich groß sind (Bild 1). 

Wirkungsgrad 

1 

0,9 

0,8 

0,7 

0,6 

0,5 

cos ƒ = 0,2 

cos ƒ = 1 

0 

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 

Leistung/Bemessungsleistung 

Wirkungsgrad eines Transformators 

1 

n Wirkungsgrad 

P ab Leistungsabgabe 

V Fe Eisenverlustleistung 

V Cu Wicklungsverlustleistung 

P ab 

n = –––– 

P zu 

Wirkungsgrad 

Pab n = –––––––––––––– 

Pab + VFe + VCu Der Wirkungsgrad eines Transformators hängt 

von der Belastung ab. 

Die Verluste im Transformator hängen von der 

Stromaufnahme und damit von der Scheinleistung 

des angeschlossenen Verbrauchers ab. Dadurch ist 

der Wirkungsgrad auch vom cos j des Verbrauchers 

abhängig (Bild 1) und nicht nur von seiner 

Wirkleistung. 

Bei einem unbelasteten Transformator entstehen 

in der Ausgangswicklung keine Wicklungsverluste. 

Da er nur einen sehr schwachen Strom aufnimmt, 

entstehen auch in der Eingangswicklung fast keine 

Wicklungsverluste. Die vom Transformator im 

Leerlauf aufgenommene Leistung ist also die Verlustleistung 

des Eisenkerns. 

Eisenverluste werden im Leerlaufversuch gemessen. 

Beim Messen der Kurzschlussspannung fließen in 

der Wicklung (Eingangswicklung und Ausgangswicklung) 

die Bemessungsströme und rufen die 

Wicklungsverlustleistung hervor. Im Eisenkern ist 

beim Messen der Kurzschlussspannung der mag - 

netische Fluss sehr klein, da der Transformator an 

einer kleinen Spannung liegt und kurzgeschlossen 

ist. Im Eisenkern entsteht beim Kurzschlussversuch 

keine Eisenverlustleistung. Die vom Transformator 

im Kurzschlussversuch aufgenommene 

Leis tung ist also die Verlustleistung der Wicklung 

bei Bemessungslast. 

Die Wicklungsverlustleistung bei Bemessungslast 

wird im Kurzschlussversuch gemessen.

Fachwissen Betriebs- und Antriebstechnik

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