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Kompendium für Lernende und Lehrende

Elementare Grundlagen der Elektrotechnik

Die Elektrotechnik gehört in der Gebäudetechnik sicherlich mit zu den anspruchvollsten Gewerken. Zwar ist der Gesamtanteil der reinen Elektroinstallation bezogen auf die gesamten Errichtungskosten mit statistisch nur 3-5% relativ gering, aber: Die Statistik berücksichtigt in den 3-5% nur die anzunehmenden Kostenanteile einer Standard Elektroinstallation, ganz ohne jeglichen Komfort, Informations- und Sicherheitstechnik. Zudem berücksichtigt die Statistik nicht, welche Anlagen und Gebäudefunktionen ohne Elektrotechnische Einrichtungen in der heute erwarteten und notwendigen Art und Weise gar nicht machbar oder denkbar wären. Intelligente Systeme sind nur denkbar und machbar durch Elektrotechnik. Steuerungs- und Regelungstechnik, SmartGrid und SmartHome – diese Systeme leben von Elektrotechnik.

In der modernen technischen Gebäudetechnik geht man heute davon aus, dass mind. 20% des Planungsvolumens rein für den Planungsanteil der vollständigen Elektrotechnik verbraucht werden. Deutlich wird damit, dass die Anforderungen gerade an theoretischem Grundlagenwissen erheblich sind. Hinzu kommt, dass Strom ein hohes Gefahrenpotential aufweist – Fehler in der Anwendung aber im harmlosen Fall mit einer nicht funktionierenden Leuchte enden, im schlimmsten Fall mit Brand oder dem Tod von Mensch und Tier.

Dementsprechend gilt es zunächst ein paar Grundbegriffe zu klären um ein Verständnis dafür zu erlangen wie die Zusammenhänge sind und warum bestimmte Dinge auf definierte Art umgesetzt werden müssen.

Grundbegriffe Strom und Spannung, Spannungs- oder Stromquellen

Sowohl im nachfolgenden Text als auch im täglichen Sprachgebrauch werden die Begriffe Gleichstrom oder Wechselstrom aber auch Gleichspannung und Wechselspannung oft synonym, also gleichwertig, verwendet – insbesondere der technische Laie ist geneigt die Begriffe als „das Gleiche“ zu sehen und zu bezeichnen.
Hier gilt es in der Denkweise zu unterscheiden ob tatsächlich nur das „Ding“ des zur Verfügung stehenden Elements in Form der Quelle, also des Lieferanten der Energie, charakterisiert werden soll oder ob ein physikalisch- oder chemischer Prozess beschrieben wird.

Essentiell ist es die Begriffe zu unterscheiden in dem Moment wo die Größe gemessen und geprüft werden soll. An dieser Stelle muss gewarnt werden einen Strom „an der Steckdose“ messen zu wollen. Gute Messgeräte wechseln in den Fehlerzustand, andere müssen nach dem ersten Versuch direkt ersetzt werden und zeigen vielleicht noch die Ergebnisse übermässiger Wärmeentwicklung als Wirkung des elektrischen Stroms.

Man spricht bei der Beschreibung dessen was „in der Steckdose“ ist von Wechselstrom oder auch Wechselspannung – oder eine Batterie ist „Gleichstrom“ oder „Gleichspannung“ – das betrifft aber rein den Charakter der Quelle.

Will man im Detail eine Messgröße definieren, dann muss man die Begriffe zwingend korrekt verwenden.

  • „X“-Strom ist dabei der Elektronenfluss in seiner Einheit Ampere

[A = Strom]

- Strom ist das, was durch den Verbraucher fliesst
- Strom ist der gerichtete und geordnete Fluss von Elektronen
- Strom definiert die Menge an elektrischer Ladung die in einer bestimmten Zeiteinheit von einem Pol zum anderen Pol transportiert wird

  • „X“-Spannung ist dabei der Druckunterschied zwischen den Polen in seiner Einheit Volt

[V = Spannung]

- Spannung ist das, was am Verbraucher anliegt
- Spannung ist Auslöser des Stroms
- Spannung ist ein Potentialunterschied zwischen exakt 2 Punkten * Eine Batterie oder Generatoren sind Stromquellen

  • Stromquellen „pumpen“ Elektronen in den Kreislauf und werden zeitweise als Elektronenpumpen bezeichnet

Grundbegiffe der Leistung in elektrischer Energie

Ein weiterer Begriff, nämlich der Begriff der eigentlichen Energie die im elektrischen Strom steckt, wird ebenso oftmals synonym verwendet.

Auch hier muss man unterscheiden ob es pauschal bei der elektrischen Energie nur um den Charakter als solches geht, dann darf man sicherlich pauschal von „Energie“ sprechen oder ob man die Messgrösse als Vergleichsgrösse oder Einheit benötigt.

Wirkleistung

Will man bewusst die Grösse, die Stärke und vollbrachte Leistung (Arbeit) zum Ausdruck bringen wird der Begriff der Energie mit entsprechenden Einheiten versehen und konkretisiert.

Die gewöhnliche und bekannte Einheit ist dabei „Watt“.

  • Wirkleistung in W

[W = Watt]

Der Leistungsbegriff Watt und die Einheit W bezieht sich immer auf die reale Wirkleistung in der Elektrotechnik. Wirkleistung ist dabei immer die Leistung die als Wärmewert oder vollbrachte, reale Arbeitsleistung angesehen werden kann.

Selten findet man bei der Angabe von elektrischer Energie auch die Angabe in Joule – was die Grundeinheit jeglicher Energie, den Wärme-/Brenn- und Leistungswert definiert. Die Verwendung von Joule oder Watt als Leistungsangabe soll einen Vergleich mit Verbrennungsprozessen ermöglichen. So kann man sagen, dass 1 Joule elektrische Energie dem Wert an Verbrennungsenergie entspricht, der auch durch die Verbrennung von Brennstoffen (Gas, Kohle, Holz…) entstehen würde.

Die in Vergleichsbezug zu sehene Energie ist vergleichbar mit dem Brennwert eines Brennstoffes, da bei elektrischer Energie (eigentlich) keine Umwandlungsverluste mehr auftreten (müssten).

1 W = 1 [Joule pro Sekunde, J/s]

Diese Festlegung erleichtert es zum Beispiel Einrichtungen zu beschreiben, die als Wärmequelle dienen sollen. Oft findet man im Zusammenhang mit der Leistung in Watt auch die Umschreibung von sogenannter Ohmscher Leistung. Dieses kann daraus abgeleitet werden, dass man ein klares Verhältniss zwischen dem Ohmschen Widerstand und der Leistung hat.

1 W = 1 V A (1 Watt = 1 V(olt) bei 1 A(mpere))

1 Ω = 1V/1A = 1W/1A²

Besondere Wirkleistung bei Glühlampen und Leuchtmitteln

Bis vor wenigen jahren wurde bei Leuchtmitteln deren „nützliche“ Leistung auch in Watt angegeben. Bei Glühlampen klassischer Art könnte man diesen Begriff noch als gut und richtig gelten lassen, da diese Leuchtmittel 95% der eingesetzten Energie als Wärme an die Umgebung abgegeben haben. Zudem war es so, dass die erzeugte Wärme Grundlage der erzeugten Lichtenergie war.

Bei modernen Leuchtmitteln wird erheblich weniger Energie in Wärme umgewandelt. Ein Leuchtmittel mit 2W oder 3W „Verbrauch“ setzt wahrhaftig nur 2-3 W der eingesetzten Energie in Wärme um, die interessante Leistungsangabe ist heute der Lumen [lm] Wert – man kann sagen der Lichtleistungswert. Um das Ersatzleuchtmittel auszuwählen, kann man als grobe Richtung den alten Leistungswert in Watt mit dem Faktor 10 multiplizieren und erhält die Lichtleistung in Lumen moderner Leuchtmittel.

Hatte die Glühlampe früher 80W muss heute ein Leuchtmittel mit etwa 800 Lumen gewählt werden, um mindestens den gleichen Lichtertrag mit den heutigen Leuchtmitteln zu erreichen. Ein 800 Lumen Leuchtmittel hat ca. 0,5-1W Wirkleistung.

Eine weitere wichtige Angabe ist der Kelvin Wert auf dem Leuchtmittel. Kelvin, eigentlich ein Wert zur Temperaturmessung, gibt hier die sogenannte Farbtemperatur an. Ein hoher Kelvin Wert deutet auf kalt wirkendes Licht hin (weiss bis hin zu blau), ein niedriger Kelvin Wert deutet auf warm wirkendes Licht (rötlich bis hin zu gelb) hin.

Schein- und Blindleistung

Neben der Ohmschen- oder Wirkleistung existieren noch 2 weitere Leistungswerte in der Elektrotechnik, nämlich die

  • Scheinleistung, die gemessen wird in [VA = Voltampere]
  • Blindleistung, die gemessen wird in [Var = Voltampere Reaktiv]

Schein- und Blindleistung treten dabei nur dort auf, wo sog. Induktive oder Kapazitive Verbraucher im Einsatz sind. „Nur“ ist dabei in der modernen Elektrotechnik allerdings trügerisch, denn der Anteil dieser Verbraucher hat in den letzten Jahren sprunghaft zugenommen.

Die Scheinleistung definiert die gesamte Leistungsaufnahme oder Leistungsabgabe eines elektrischen Erzeugers oder Verbrauchers und setzt sich zusammen aus der Wirkleistung und der Blindleistung. Der Wert der Scheinleistung ist entscheidend für die Auslegung der elektrischen Energienetze, Leitungen und der Schaltanlagen.


Blindleistung ist, wie der Name schon sagt „Blind“ und bewirkt nichts, ausser das sie stört. Blindleistung ist unerwünscht. Sie entsteht in Wechsel- und Drehstromnetzen und pendelt zwischen den Transformatoren, Generatoren – somit zwischen Erzeuger und Verbrauchern.

Blindleistung entsteht durch den Aufbau von magnetischen Feldern in Transformatoren oder Motoren. Bedingt durch die physikalische Eigenart einer Wicklung (Spule) sich elektrisch aufzuladen fliesst die geladene Energie immer zurück in das Netz, wenn es zu einer Umpolung der Spannung kommt. (Näheres im Bereich der Energieerzeugung)
Dieser Rückfluss von elektrischen Strom ist dem eigentlichen Wirkstrom quasi entgegengerichtet und erzeugt seinerseits abermals elektrische Felder, Leitererwärmung usw.

Einen Blindstrom (und damit Blindleistung) kann man reduzieren, indem man der Induktivität, aus der dieser Blindstrom stammt, eine Kapazität zuschaltet. Diese wird als Blindstromkompensation bezeichnet und reduziert den Blindstromanteil bis auf ein gewünschtes Mass.

Blindstrom und Blindleistung komplett zu unterbinden ist keine Lösung, denn ein gewisser Anteil wird immer benötigt. Der benötigte Anteil resultiert aus dem Grundsatz, dass ohne Blindstrom keine Magnetisierung eintritt – ohne Magnetisierung keine Bewegungsenergie am Motor. Auch klassische Transformatoren für Beleuchtung benötigen den Blindstrom um überhaupt arbeiten zu können. Bei Transformatoren konnte dieses durch Halbleitertechnik auf ein Mindestmass reduziert werden, doch können Halbleiter basierte Transformatoren nicht überall eingesetzt werden. Motoren ohne Wicklungen und Magnetisierung sind technisch (bis heute) gar nicht machbar.

Der Blindstrom ist derartig essentiell, obwohl er unerwünscht ist und Probleme bereitet, dass in regenerativen Energieerzeugern wie der Photovoltaik extra Blindstrom „erzeugt“ und geschaffen wird.

Das Thema Blindstrom ist ein sehr umfangreiches Thema und wird an dieser Stelle zunächst beendet. Im späteren Bereich bei der Leitungsdimensionierung bekommt die Blindleistung und der Blindstrom eine besondere Beachtung.

Siehe auch