Elektrische Grundlagen einer Drehstromlichtmaschine

Elektrische Grundlagen einer Drehstromlichtmaschine
Im nachfolgenden werden die elektrischen Grundlagen einer Drehstromlichtmaschine erläutert mit
dem Ziel eine defekte Drehstromlichtmaschine prüfen und reparieren zu können.
Es wird versucht die Physik möglichst anschaulich und einfach zu erklären.
Die wesentliche physikalische Grundlage der Drehstromlichtmaschine ist die elektromechnische
Induktion. Diese sagt aus, wenn ein Leiter durch ein Magnetfeld bewegt wird (im Bild VEKTOR F) ,
entsteht im Leiter eine Spannung (+ - ), die einen Strom zur Folge hat. Der Strom ist in der
Drehstromlichtmaschine dann der Ladestrom.
Magnetfeld (Feldlinien), Leiter und Bewegungsrichtung sind jeweils
senkrecht zueinander.
Ob der Magnet für die Magnetfelderzeugung ein Permanentmagnet
oder ein Elektromagnet (Spule um einen Kern) ist, ist im Prinzip
unerheblich.
Bei einem Fahrraddynamo ist der Magnet ein Permanantmagnet.
Um die Zusammenhänge zu verstehen muss man nun weitere Eigenschaften der Induktion wissen.
1. Die induzierte Spannung ist proportional steigend mit der Geschwindigkeit, mit der der Leiter
durch das Magnetfeld bewegt wird .
2. Die induzierte Spannung ist proportional zur Feldstärke des Magneten.
Nun wieder zu unserem Fahrraddynamo mit dem Permanentmagneten.
Der Permanentmagnet ist mit dem Reibrad verbunden und
bewegt sich bei Bewegung an der Spule vorbei und induziert in
der Spule eine Spannung/Strom.
Die Richtung der Spannung (wo ist + und minus) ist abhängig
davon, ob sich der Magnet auf die Spule zubewegt oder von ihr
wegbewegt. Es entsteht also eine Wechselspannung.
Da die Spannung abhängig von der Geschwindigkeit ist, steigt
diese bei höherer Geschwindigkeit des Fahrrades. Jeder hat dies
vielleicht schon festgestellt wenn er mit dem Fahrrad Nachts
den Berg hinunterfährt. Wenn es „dumm kommt“, steigt die
Spannung so an, dass die Birne durchbrennt.
Dies ist auch der Grund, warum die Drehstromlichtmaschine keine Permanentmagnete hat, sondern
das Feld mit einem Elektromagneten erzeugt. Die Feldstärke eines Elektromagneten lässt sich über
den Strom steuern. Dies macht der Regler der Lichtmaschine, der den Strom durch die Feldwicklung
so steuert, dass die Ausgangsspannung 14,4 Volt nicht übersteigt, und dies möglichst auch schon bei
Leerlaufdrehzahl.
Das nachfolgende Bild zeigt einen ausgebauten Läufer (Elektromagnet der Feldwicklung) einer
Drehstromlichtmaschine. Die Pole sind so ausgebildet, dass mit einer Wicklung jeweils 6 Nord (linke
Klauenköpfe) und Südpole (rechte Klauenköpfe) entstehen. Dies erhöht die Geschwindigkeit, mit der
sich die Spulen der Generatorwicklungen an den Polen vorbeibewegen. Es wird also früher Strom
erzeugt.
Rechts im Bild die beiden Schleifringe. Sie sind plan und
nicht eingelaufen. Dies ist auch bei unserer
Lichtmaschinenrevision zu prüfen. Bei Lucas
Lichtmaschinen sind die Schleifringe jedoch tangential
und nicht wie hier radial angeordnet. Die beiden Lager
links und rechts auf der Welle sind entfernt. Diese
werden auch bei unserer Revision erneuert.
Über die beiden Schleifringe wird der Erregerstrom auf
die Feldwicklung übertragen. Mit dem Ohmmeter kann man die Feldwicklung prüfen. Eine
Oldtimerdrehstromlichtmaschine, die etwa 300Watt leistet (34A) hat einen Erregerstrom von etwa
0,5 Ampere Der Ohmwert der Feldwicklung ist daher etwa 24 Ohm (U/I = R ; 12/0,5 = 24)
Die beiden Pole des Messgerätes werden dazu an die beiden Schleifringe gehalten. Der Messbereich
des Gerätes ist dazu auf 200 Ohm zu stellen. Zeigt das Gerät keinen Ohmwert an, ist die Wicklung
durchgebrannt (Kabelbruch). Werte kleiner 10 Ohm sind auch nicht plausibel. Hier könnten die
Windungen der Wicklung untereinander Schuss haben. Hier besteht die Gefahr dass der Regler
überlastet wird da ein zu hoher Feldstrom fließt.
Links die Drehstrom Generatorwicklung.
Drehstrom ist ein Strom in 3 Leitern ( Phasen) ,
hier mit U,V,W gekennzeichnet, bei dem der
Verlauf der Wechselspannung jeweils um 120
Grad versetzt ist.
Man sieht dass die 3 Wicklungen jeweils
wieder um den drittnächsten Pol gewickelt
sind. Insgesamt gibt es jeweils 6 U, V und W
Pole. Diese sind fest im Gehäuse. An diesen
bewegen sich die 6 Feldpole des Läufers
vorbei. So wird ein Drehstrom mit einer
Frequenz die 6 mal so groß wie die Drehzahl
des Läufers ist erzeugt.
Rechts unten an der hinteren Platte sieht man die 3 Anschlüsse der 3 Wicklungen an die
Diodenplatte. Im Schaltplan unten habe ich diese Anschlüsse rot umkreist. Diese Anschlüsse müssen
für die Prüfung des Ohmwertes nicht unbedingt nicht unbedingt ausgelötet werden. Wenn der Regler
abgebaut ist und keine weiteren Anschlüsse angeschlossen sind kann an diesen Punkten der
Ohmwert der 3 Wicklungen U,V und W gemessen werden. Wie im Schaltplan ersichtlich sind die 3
Wicklungen in Sternschaltung angeschlossen, ein Ende aller Wicklungen sind also miteinander
verbunden. Von einem Anschlusspunkt an die Diodenplatte zur anderen sind also immer 2
Wicklungen hintereinandergeschaltet. Der Ohmwert muss dabei so zwischen 0,5 und 1,5 Ohm liegen.
Wichtig ist es, dass alle 3 Werte annähernd gleich sind. Kann kein Wert gemessen werden, so ist eine
Wicklung durchgebrannt oder der Draht gebrochen. Im Besten Fall ist dieser beim Anschluss an die
Diodenplatte gebrochen. Hier kann man ihn reparieren. Der Austausch einer defekten
Drehstromwicklung lohnt sich nicht. Hier sollte man in eine neue LIMA (oder gebrauchte,
funktionierende ) investieren. Die Diodenplatte und den Regler sollte man ausbauen und als
Ersatzteil verwenden (Prüfung siehe unten)
Ausser den Spulen im Schaltplan, die mit schwarzen Rechtecken dargestellt sind, gibt es als
wesentliche Elemente noch die Halbleiter Dioden. Diese werden hier als Gleichrichterdioden
verwendet, die den Wechselstrom der 3 Phasen U,V und W in Gleichstrom richten.
Eine Halbleiterdiode ist ein elektrisches Ventil, die den Strom in eine Richtung (Pfeilrichtung des
Symbols) durchlässt und in die andere Richtung sperrt.
In den 3 Wicklungen U,V und W werden 3
Wechselspannungen induziert die jeweils um 120
Gad versetzt sind (siehe linkes Bild) und zwischen der
negativen und positiven Amplitude wechseln. Die
positive Amplitude ist im eingeschwungenen
Zustand des Reglers die Abregelspannung von 14,4 Volt.
Für jede Wicklung gibt es nun ein Diodenpaar, das die jeweilige
Wechselspannung gleichrichtet. Eine Diode steuert den Stromfluss Richtung
Plus Pol der Batterie (im Bild mit 1 markiert) und die andere Richtung Minus Pol
der Batterie(im Bild mit 2 markiert). Strom kann nur fließen wenn die Spannung
der Wicklung größer ist als die Spannung der Batterie. Bei angenommener
Batteriespannung von 12,4 Volt also im oberen Bogen jeder Kurve (u,v,w) von
12,4 Volt bis 14,4 Volt und zurück. Bei nur einer Wicklung wäre dies ein sehr
pulsierender Strom, der nur über einen Phasenwinkel von ca. 45 Grad fließt und
die restlichen 315 Grad nicht fließt. Da die 3 Phasen aber jeweils um 120 Grad
versetzt sind verringert sich die Welligkeit erheblich.
Man kann sich dies folgendermaßen vorstellen. Wenn man mit einer Luftpumpe
einen Reifen aufpumpt. Muss auch erst der Druck in der Luftpumpe den Druck
im Reifen übersteigen, bis Luft aus der Luftpumpe in den Reifen gelangt.
Entsprechend der Diode1 ist hier das Ventil im Schlauch das steuernde
Element. Das Ventil in der Luftpumpe entspricht der Diode 2. Beim
Zurückziehen der Luftpumpe kann so neue Luft in den Kolben gelangen.
Wenn der Schlauch 3 Ventile (entsprechend den 3 Wicklungen und
Diodenpaaren) hätte könnten 3 Personen den Schlauch viel gleichmäßiger und schneller aufpumpen.
Die 6 Hauptdioden werden mit dem Ohmmessgerät gemessen. Messbereich auf 1000 Ohm stellen.
Der Messstrom bei Ohmmessung fließt von dem roten Kabel zum schwarzen. Wird hier ein Ohmwert
kleiner 1000 Ohm gemessen so gibt es Durchgang (üblicher Wert ca.600 Ohm). Die drei Dioden
Richtung plus Klemme müssen Durchgang haben (von den 3 Wicklungsanschlüssen nach B+ Klemme
messen) . In Gegenrichtung müssen sie sperren (Ohmwert > 1000 KOhm).
Die Dioden Richtung Masse (oben 2) müssen nach Masse sperren, in Gegenrichtung Durchgang.
Die 3 Erregerdioden müsssen Richtung Regleranschluss (rot) Durchgang haben und rückwärts
sperren. Der Strom durch diese Dioden dient dem Regler zum regeln des Feldstromes. Fließt hier
noch kein Strom, so nimmt der Regler den Feldstrom von der Batterie durch die Ladekontrolleuchte.
Diese leuchtet, sobald die Spannung aus den Wicklungen aber ca. 10 Volt überschreitet, geht die
Ladekontrolleuchte aus.
Funktion des Reglers
Aufgabe des Reglers ist es die Ausgangsspannung der Lichtmaschine auf 14,4 Volt zu begrenzen. Die
erreicht er durch die Regelung des Feldstroms. Die Feldstärke der Feldspule ist proportional zum
Strom im Quadrat. Der Strom wird durch einen Leistungstransistor gesteuert. Dieser muss dazu einen
Teil des Stroms in Wäme umwandeln. Der Regler kann entweder auf der Plus Seite der Feldwicklung
sitzen, wie oben im Schaltplan, oder auf der Minusseite. Die Regler unterscheiden sich dann jedoch.
Einzelschritte bei der Überholung der Lichtmaschine.
1. Spannungs- und Strommessung auf dem Prüfstand
2. Auseinanderbau der Lichtmaschine
3. Prüfung Kollektor (eingelaufen)
Abnutzung Kohlen (Ersetzen)
4. Ohmmessung Feldwicklung
5. Ohmmessung Drehstromwicklungen
6. Durchgangsmessung Hauptdioden
7. Durchgangsmessung Erregerdioden
8. Ersetzen Kugellager
9. Optische Überholung (streichen , fetten)
10. Zusammenbau
11. Spannungs uns Strommessung auf dem Prüfstand.