Drehstromgeneratoren 052 H 09.05.03 25.04.03 Erste Gruppe an

Drehstromgeneratoren
052
H
09.05.03
25.04.03
Erste Gruppe an Generatorprüfstand.
Drehstromgenerator DSG
Einleitung:
Drehstromgeneratoren haben in Kraftfahrzeugen die Gleichstromgeneratoren weitestgehend
abgelöst. Sie erzeugen zunächst Wechselstrom. Die Autoelektrik benötigt jedoch Gleichstrom
zum nachladen der Batterie und zum betreiben der elektronischen Baugruppen und Geräte.
Mit der Verfügbarkeit kleiner, leistungsfähiger und kostengünstigeren Siliziumdioden
konnte dieses schon lang bekannte Maschinenprinzip Einzug in die Kraftfahrzeugtechnik
halten und der erforderliche Gleichstrom bereitgestellt werden. Drehstromgeneratoren haben
gegenüber Gleichstromgeneratoren folgenden Vorteil:
-Leistungsabgabe schon bei geringen Drehzahlen
-frühzeitiger Ladebeginn
-verschleißarm
-lange Lebensdauer
- kleines Leistungsgewicht (bis 50% geringer)
- Ladestrom wird feststehenden Klemmen entnommen
- kleiner Erregerstrom
Anforderungen:
Der Drehstromgenerator soll bei allen im Fahrbetrieb Vorkommenden Betriebsbedingungen
genügend Strom an das Bordnetz liefern und damit sicherstellen, dass die Batterie als
Energiespeicher immer ausreichend geladen ist. Ziel der Auslegung ist eine ausgeglichene
Ladebilanz , d.h. der Generator soll entsprechend seiner Kennlinie und seiner Verteilung der
Drehzahlhäufigkeit im praktischen Betrieb mindestens soviel Energie erzeugen, wie alle
Verbraucher zusammen im Gleichen Zeitraum verbrauchen.
Wesentliche Anforderungen sind:
- Versorgung aller angeschlossenen Verbraucher
- zusätzliche Leistungsreserven zum schnellen Auf- bzw. Nachladen der Batterie,
selbst bei eingeschalteten Dauerverbrauchern
- Konstanthalten der Generatorspannung über den Gesamten Drehzahlbereich des
Fahrzeugmotors unabhängig von Lastzustand des Generators
- robuster Aufbau, äußere Belastung wie Schwingungen hohe Umgebumgstemperaturen, Temperaturwechsel, Verschmutzungen, Feuchtigkeit usw.
- geringes Gewicht , einbaugünstige Abmessungen
- hohe Lebensdauer
- geringes Geräusch
-günstiger Wirkungsgrad
Einflussgrößen auf einen DSG
Drehzahl:
Die Ausnutzung eines Generators (d.h. die je kg Masse der aktiven Teile erzeugbare
Leistung) nimmt mit steigender Drehzahl zu. Aus dieser Sicht ist ein möglichst hohes
Übersetzungsverhältnis zwischen Kurbelwelle und Generator anzustreben. Allerdings stehen
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dem, entstehende Fliehkräfte, Generator und Lüftergeräusche abnehmender Wirkungskrad
bei hohen Drehzahlen, geringere Lebensdauer (Lager, Schleifringe, Kohlebürsten) und die
erhöhte Beanspruchung der Riementriebes entgegen. Deshalb liegen im Pkw Bereich die
Übersetzungsverhältnisse zwischen 1:2 und 1:3, im NKW Bereich bis zu 1:5.
Temperatur :
Entstehende Verluste führen zu einer Erhöhung der Temperatur der Komponenten. Durch die
mit steigender Drehzahl zunehmenden Lüfterleistungen bei nicht mehr weiter ansteigendem
Strom ergeben sich mehr oder weniger ausgeprägte Temperaturmaxima im GeneratorDrehzahlbereich bis ca. 4000 1/min. Je nach Anbau am Motor erzeugen Motorkomponenten
(Abgasanlage oder Abgasturbolader) zusätzlich durch Strahlung hohe Temperaturen am
Generator, typischerweise bei hohen Drehzahlen und Motorlasten(Heißfahrt). Die Kühlluft
wird meist aus dem Motorrum angesaugt. Im Zuge von Motorverkapslungen, die immer
häufiger zur Geräuschminderung vorgesehen werden ist eine Frischluftzufuhr eine
Möglichkeit zur Senkung der Temperatur und damit auch Erhöhung des Wirkungsgrades.
Äußere Einflüsse:
Je nach Anbaubedingungen und Schüttel-Charakteristik des Motors können Schwingbeschleunigungen von 500...800m/s² auftreten. Hierdurch werden die Befestigungsteile und
alle Komponenten des Generators mit sehr hohen Kräften beansprucht, was durch geeignete
Maßnahmen beherrscht werden muss. Kritische Resonanzen sind zu vermeiden.
Weitere Einflüsse sind Spritzwasser, Schmutz, z.T. Öl- oder Kraftstoffnebel, Streusalze.
Diese können neben Korrosion auch Kriechströme an Spannungsführenden Teilen bilden und
damit die Funktionsfähigkeit beeinträchtigen ( Einsatz von Minus gesteuerten Reglern).
Aufbau und Arbeitsweise
Drehstromgeneratoren
für
Kraftfahrzeuge
sind
für
Ladespannungen von 14V (oder 28
V bei Nutzfahrzeugen) ausgelegt,
damit 12V oder 24V Batterien
ausreichend geladen werden.
Da
die
Aufladung
des
Energiespeichers
Gleichstrom
erfordert, muss ein Gleichrichter
den dreiphasigen Wechselstrom
gleichrichten. Diese Anordnung
verhindert
außerdem
eine
Entladung
der
Batterie
bei
stehendem
Fahrzeug.
Ein
zusätzliches Relais, wie bei
Gleichstrom Generatoren, entfällt.
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Die Stromkennlinie ist gekrümmt. Erst
oberhalb der "0-Ampere-Drehzahl“ gibt
der Generator Strom ab. Bei höheren
Drehzahlen steigt die Kennlinie durch
die Wirkung des vom Laststrom
erzeugten Gegenmagnetfeldes nicht
weiter an. Es kommt zu einer Sättigung.
Dadurch kann bei Überlastung kein größerer Generatorstrom mehr fließen, und der Generator
ist somit gegen thermische Schäden bei elektrischer Überlastung geschützt.
Drehstromgeneratoren sind selbsterregte 12- oder 16polige Synchrongeneratoren. In den
Nuten des Ständers ist die Drehstromwicklung und im Läufer die Erregerwicklung
untergebracht. Die Erregerwicklung wird von Gleichstrom durchflossen, der über Schleifringe
und Schleifkontakte auf den rotierenden Läufer übertragen wird. Der in der Drehstromwicklung erzeugte Strom verzweigt sich: Der größere Teil fließt über die Plusdioden der
Hauptgleichrichterbrücke in das Bordnetz und von da über die Minusdioden wieder zurück.
Ein
Teilstrom
fließt
als
Erregerstrom über
die
drei
Erregerdioden zur
Klemme D+ sowie
durch Regler und
Schleifringe zur
rotierenden
Feldwicklung und
von da wieder
über
die
drei
Minusdioden des
Hauptgleichrichter
s zurück.
Der Anschluss D+ hat mehrere Funktionen: Zum einen erfolgt vom Anschluss B+ der Batterie
über die Generatorkontrolllampe und die Klemme D+ die Vorerregung des Generators. Zum
anderen liegt die Klemme D+ nach Erregung des Generators auf einem Spannungsniveau
ähnlich B+; über ein Relais können bestimmte Verbrauchergruppen mit Spannung versorgt
werden.
Zur Vorerregung muss die Generatorkontrolllampe eine bestimmte Leistung haben, um so
eine sichere Erregung des Generators nach Start des Verbrennungsmotors zu gewährleisten
(bei Lampenleistungen von 1,2 W und niedriger bei 12 V muss ein Widerstand parallel
geschaltet werden). Die sich bei der erstmaligen Erregung nach dem Startvorgang aufgrund
des Vorerregerstroms einstellende "Angehdrehzahl" liegt deutlich über der"0-AmpereDrehzahl" und hängt stark von der Leistung des Vorerregerkreises ab.
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Bei heutigen verwendeten
Reglern mit IC (integrierten
Schaltkreis) entfallen die
Erregerdioden, die Erregung wird
bei dieser Bauart über den Regler
gesteuert.
Schaltplan mit IC Regler
Spannungsreglung
Der Regler muss die Generatorspannung bei allen Drehzahlen und Belastungsfällen nahezu
konstant auf der erforderlichen Höhe halten, damit die Verbraucher keinen
Spannungsschwankungen ausgesetzt werden.
Die Höhe der im Generator induzierten Spannung ist von der Drehzahl und der Stärke des
Magnetfeldes bzw. dem Erregerstrom IE abhängig. Da wegen der unterschiedlichen
Fahrbedingungen sich die Generatordrehzahl laufend ändert, kann die Spannungsregelung nur
über ein Verändern des Erregerfeldes bzw. des Erregerstromes IE erfolgen,
Der Regler ist so abgestimmt, dass er in 12-V-Anlagen die Generatorspannung auf annähernd
14V, in 24-V-Anlagen auf annähernden 28V einregelt. Die Generatorspannung liegt dabei
knapp unterhalb der Gasungsspannung der Starterbatterie; damit wird ein ausreichendes
Laden gewährleistet und ein Schädigen durch Überladung verhindert.
Die Höhe des erforderlichen Erregerstromes ist von der augenblicklichen Belastung und der
Generatordrehzahl abhängig.
Der Regler verändert durch dauerndes Ein- und Ausschalten die Erregerstromstärke IE, was
ein Verstärken bzw. Schwächen des Erregerfeldes zur Folge hat. Aufgrund des induktiven
Widerstandes der Erregerwicklung ist der Erregerstrom zeitabhängig, somit kann über die Ein
und Ausschaltzeit eine Spannungsreglung erfolgen.
Bei dem im Versuch verwendeten IC Regler(Minus gesteuert), wird der Transistor von IC
angesteuert. Bei geringer Bordspannung liegt an der Basis ein positives Potential an, damit
schaltet der Transistor auf Durchgang und es fließt ein Strom IE von B+ durch die
Erregerwicklung über den Transistor zu Masse. Bei überhöhter Spannung wird der
Transistor gesperrt, es entsteht ein Potenzialunterschied an der Diode der einen geringen
Freilaufstrom verursacht bis die Nennspannung wieder erreicht ist.
Die B6 Schaltung
Die B6 Schaltung ist eine der heutig meist verwendeten Schaltungsart zur Gleichrichtung von
Drehstrom. Vorteilhaft an dieser Schaltung ist die geringe Welligkeit, einen Formfaktor von
1 und eine Wirkungsgrad von ca. 95%. Es sind jeweils 2 Wicklungen und 2 Dioden Strom
führend und der Sternpunkt ist belastungsfrei.
5
1
D1
D4
D3
D2
D5
D6
Die Dioden D1…D2 sind Plus Dioden und lassen die positiven teile der Wechselspannung.
An Punkt 1 kommt es zu einer Diodenübergabe, D1 zu D2 bzw. L1 zu L2. Hervorgerufen
durch den Potentialunterschied zwischen L1 und L2. L1 ist positiver als L2, dadurch entsteht
eine sehr geringe Welligkeit.
Versuchsdurchführung:
Ziel: Bei Diesem Praktikumsversuch soll durch Anwendung moderner Prüftechnik die
Wirkungsweise und das Verhalten von Drehstromgeneratoren untersucht werden. Mit
Aufnahme wesentlicher Kennlinien und Oszillographenbilder
Für die Versuche 1-5 wurde ein Drehstromgenerator DSG KCB14V 60-90A verwendet.
Dieser wurde auf den neuen Generatorprüfstand der HTW- Dresden angeflanscht und die
Versuchsabläufe durchfahren.
Versuch 1.
Leerlaufversuch Drehstromgenerator(Synchronmaschine)
DSG wurde mit einer konst. Drehzahl 1000 U gefahren und mit einer externen Stromquelle
fremd erregt. Dabei wurde der Erregerstrom von 0-5A geregelt und die Bordnetzspannung
aufgezeichnet.
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Erregerstromkennlinie
14
Bordnetzspannung Uq [V]
12
10
8
6
4
2
0
0
0,9
1,46 1,92 2,35 2,81 3,42 3,97 4,51
5
Erregerstrom Ierr [A]
Es ist zu erkennen, dass durch Erhöhung des Erregerstromes sich die Bordnetzspannung
ebenfalls erhöht bis bei ca. 3A eine Sättigung eintritt, die durch entstehende Gegeninduktion
hervorgerufen wird.
Die Bordnetzspannung ergibt sich aus Uq  C *  * n wobei die Drehzahl n und die
Generatorkonstante C konstant sind und  (Ierr) . D.h. die Bordspannung ist abhängig vom
Erregerstrom.
Versuch 2
Belastungskennlinie
Es wurde der DSG mit konst. Drehzahl n= 1100U und Selbsterregung gefahren. Über einer
elektronischen Last Ilast 0-40A belastet. Und die Generatorspannung aufgezeichnet.
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Belastungskennlinie
Generatorspannung [V]
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0
10
20
30
40
Lsatstrom ILast [A]
Bei zunehmender Belastung des DSG fällt die Generatorspannung. Bei ca. 38 A (nur für
diesen Betriebszustand) kippt die Maschine gegen Null. Die Generatorspannung ist so klein
das sie nicht mehr für die selbst Erregung ausreicht, es kommt zum Ausfall des Erregerfeldes
und damit kann keine Spannung mehr in den Ständerwicklungen erzeugt werden. Überlastung
keine Ladung der Batterie, im Fahrzeugeinsatz mehr möglich.
Auch hier gilt die Formel Uq  C *  * n und die Bedingungen n=C=konst.
N
→   A * Ierr *
Bei der Selbsterregung ergibt sich der Erregerstrom
l
Ierr = Ileiter - Ilast wenn der Laststrom größer wird, sinkt Ierr bis es zu klein wird und das feld
zusammenbricht.
3.Versuch:
Strom-Drehzahlabhängigkeit
In diesen Versuch wurden die Verläufe von Laststrom und elektr. Leistung mit Erhöhung der
Drehzahl von 1000 – 5000 U/min und einer Bordnetzspannung von 12,11 V aufgenommen.
8
Strom-Drehzahlkennlinie
Laststrom I Last [A]
100
80
60
40
20
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
Drehzahl
Elekt . Leistung-Drehzahlkennlinie
1200
Elektr. Leistung
1000
800
600
400
200
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
Drehzahl
Der Laststrom steigt mit der Drehzahl an. Der eulersche Kurvenverlauf ist durch die bei
Erhöhung der Drehzahl verringerten Aufladzeit zu erklären.
Analog verhält sich die elektr. Leistung da P= U*I und U= konst.
4.Versuch:
Prüfung der geregelten Spannung
Es wurde der Generator fremderregt und dann auf eine minimale Drehzahl von 860 1/min
gebracht um so die Bordnetzspannung bei Drehzahlerhöhung aufzunehmen. Der Laststrom
wurde dabei konstant gehalten. I= 5,18A
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Bordnetzspannung
Regelspannung
16
15
14
13
12
11
10
9
8
860
1360
1860
2360
2860
3360
Drehzahl
Zu sehen ist eine Linearer anstieg der Kurve bis auf Reglerspannung 14V die allerdings eine
Schalthysteresespitze von ca. 1V aufweist, Nach erfolgten schalten verläuft die Spannung
über den gesamten Drehzahlbereich annähernd Konstant. Ursache ist der Regler, der ein
Konstanthalten der Bordnetzspannung auf 14V erzielen soll.
Diagnose von Drehstromgeneratoren mit dem Oszilloskop.
5.Versuch:
Es wurde die Ausgangspannung, Erregerspannung und des Drehstromgenerators
aufgenommen. Es wurden drei Betriebsfälle simuliert.
5.1
10
Zu sehen ist die Erregerspannung die bei erreichen der Regelspannung ausgeschalten und bei
Unterschreitung zugeschalten wird. Deutlich zuerkenne ist auch der für die Auf- und
Endladung typischer Stromerlauf einer Spule, in diesen Fall der Erregerwicklung.
5.2
Im vergleich zu 5.2 ist bei Erhöhung der Drehzahl eine deutlich kürzere Einschaltzeit der
Erregerspannung zu erkennen. Bordspannung ist schneller auf Normzustand.
5.3
11
Durch die angelegte Last Erhöht sich im Vergleich zu 5.2 die Einschaltzeit wieder,
D.h. die Einschalt bzw. Regelzeit ist von der Drehzahl und dem Lastrom abhängig.
Die folgenden Versuche wurden an einem DSG 8046(Motorrad) mit getrennten Generator,
Gleichrichter und Regler gefahren.
6. Versuch:
Untersuchung von Kenngrößen der B6-Schaltung
Aufgenommene Werte:
Ventilstrom Iv:
Ankerstrom Ia:
0,75 A
1,0 A
Strangspannung USTR:
9,90 V
Gleichspannungswert Uq: 11,5 V
IV 0,75

 0,75 ;
IA 1.0
Sollwerte: 0,82
Uq
11.5
* 3
* 3  2.01 ;
UStr
9,9
2,34
Gründe für die von den ideellen Werten abweichenden Versuchswerte, sind
Übergangswiderstände an den Steckverbindungen und Schleifkontakten sowie
Kabelwiderstände. Entstehende Ungenauigkeit des Messgerätes, hervorgerufen durch die
Welligkeit des Gleichstromes von 0.042, ist zu beachten.
7:Versuch
Fehleruntersuchung
Es wurden die Oszillographen von Gleichspannung, Eingangswechselspannung und
Gleichstrom für ohmsche Lasten aufgenommen. Dabei wurden zwei Fehler simuliert,
Diodenausfall und Diodenkurzschluss
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Solloszillogramm:
1.Diodenausfall
Wegfall einer Plusdiode. Es kommt zum Ausfalle zweier positiver Oberwellen der
Wechselspannung, da bei einer B6 Schaltung immer zwei Dioden im Einsatz sind. Ähnliches
ist beim Gleichstrom bzw. -spannung zu sehen. Durch die fehlenden Wellen entstehen
Lücken bei der Strom- und -spannungsversorgung.
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2. Diodenkurzschluss:
Bei einem Kurzschluss, ist die Diode ständig auf Durchgang geschaltet und bringt somit den
Strom und Spannungsverlauf völlig durch einander. Entstehende Spannungen und Ströme
nehmen den Weg des geringsten Widerstandes und fließt durch andere Spulen und Leitungen.
8. Versuch
Generator Prüfung Im Fahrzeug.
Es wurden Spannung, Strom, Leistung mit den Elkon S 304 Bordnetztester gemessen.
Versuchsfahrzeug war ein Opel Corsa mit einem nicht originalen DSG der einen maximale
Laststrom von 100 A hatte. Es wurde eine Messung mit Leerlaufdrehzahl und eine mit 2000
1/min vorgenommen. Dabei wurde das Bordnetz stufenweise mit Verbrauchen belastet.
Belastung
Motorelektrik
+Scheinwerfer
+Lüfter 4.St.
+Heckscheibenheiz.
+Bremslicht
+Lichthupe
Leerlauf
U [V]
14,4
13,9
13,7
13,5
13,5
13,3
I [A]
14
24
42
54
58
64
P [W]
170
310
600
720
760
810
n=2000
U [V]
14
13,8
13,6
13,5
13,5
13,3
I [A]
21
22
44
53
55
70
P [W]
270
290
570
690
810
920
Zu erkenne ist das die eingebaute Lichtmaschine vollständig den von den Verbrauchen
erforderliche Strom bereitstellen kann. Da aber eine original Lichtmaschine einen maximalen
Laststrom von ca. 50 A hat, hätte sich gezeigt dass es bei hoher Belastung zu einer
Endladung der Batterie gekommen wäre. Somit die Spannung auf unter 12 ,4 V gefallen
wäre.
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