Diagnose Ladesystem eines selbsterregten Generators

Diagnose Ladesystem eines selbsterregten Generators
Zum Einstieg in die Diagnose soll kurz der Aufbau und die Funktion der selbsterregten Generatoren und der
dazugehörigen Regler und Gleichrichter wiederholt werden.
Der Bedarf an elektrischer Energie hat bei modernen Krafträdern stark zugenommen. In den 60er Jahren betrug
die durchschnittliche Leistung eines Gleichstromgenerators 150 W bis 180 W.
Mit der Ablösung des Gleichstromgenerators durch den Drehstromgenerator waren nur bei kleiner Bauweise und
geringem Gewicht Generatoren herstellbar, die einen elektrischen Leistungsbedarf zwischen 400 W und 1600 W
abdecken konnten.
Mit zunehmendem Einzug der Elektronik in die Kraftfahrzeugtechnik wurden viele Steuerungs- und
Regelungsaufgaben nicht mehr mechanisch, sondern durch elektrische Aggregate ausgeführt, z. B. elektrisch
angetriebener Lüfter, elektrisch betätigte Einspritzventile, Lambdasondenheizung,.
Ein weiterer Bedarf an elektrischer Energie wurde durch den Einzug der Komfort- und Sicherheitselektronik
hervorgerufen, z. B. ABS-Systeme, Kommunikationssysteme usw.
Die neue Generation von Drehstromgeneratoren für Motorräder kann Leistungen von etwa 800 W abgeben, dies
entspricht bei 14 V-Generatoren einem Strom von etwa 60 A. Um die bei diesen Strömen im Generator
entstehende Verlustwärme abführen zu können, müssen die Generatoren entsprechend gekühlt werden.
Die Erzeugung der elektrischen Energie im Kraft-Fahrzeug erfordert zusätzlichen Kraftstoff. Gibt ein Generator
eine Stunde lang eine Leistung von 400 W ab, so verbraucht er zur Erzeugung dieser Energie etwa 0,2 ltr.
Ottokraftstoff.
Aufgaben:
Während des Betriebes des Kraftfahrzeuges die elektrischen Verbraucher mit Energie zu versorgen und die
Starterbatterie zu laden.
Eigenschaften
- Hohe Leistung bei kleiner Bauweise und geringem Gewicht (kleines Leistungsgewicht und geringe
Massenträgheit)
- Leistungsabgabe schon bei Motorleerlauf möglich, dadurch frühzeitiger Ladebeginn der Starterbatterie
- verschleißarm, dadurch geringer Wartungsaufwand und lange Lebensdauer
- mechanisch und elektrisch robuste Ausführung
- hohe Drehzahlfestigkeit.
Wirkungsweise
Die Spannungserzeugung im Drehstromgenerator beruht auf dem elektrodynamischen Prinzip, d. h. wenn sich in
einer Leiterschleife ein Magnetfeld verändert (die Leiterschleife „schneidet" die magnetischen Feldlinien), wird in
ihr eine elektrische Spannung induziert. (Zur Spannungsinduktion siehe auch Bike und Business 07/2004,
Ausbildungsteil).
Aufgrund der räumlichen Anordnung der drei Wicklungsstränge im Ständer entstehen bei Drehung eines
Magnetfeldes mit einem Nordpol und einem Südpol drei Wechselspannungen bzw. Wechselströme, die jeweils
120° zueinander Phasen verschoben sind d. h. es entsteht Drehstrom.
© 2004 Manfred Kaemmerer Zweirad Know How
Bauliche Ausführungen:
Generatoren werden beim Motorrad in 3 grundsätzlichen Ausführungen verbaut.
Wechselstromgeneratoren
Hier ist eine Ladespule feststehend verbaut, Permanentmagnete rotieren im Polrad. Die Magnetfeldlinien
schneiden die Spule und erzeugen dabei eine Wechselspannung.
Baulich unterscheidet sich der Wechselstromgenerator mit Ausnahme der Spulenzahl nicht vom selbsterregten
Drehstromgenerator.
Drehstromgenerator selbsterregt
Hier sind drei Ladespulen im Versatz von 120 Grad verbaut. Permanentmagnete sind im Polrad (innen- oder
außenliegend) verbaut.
Merkmale der selbsterregten Drehstromlichtmaschine:
4 oder 6 Permanentmagnete im Rotor (Drehzahlfest, keine Verschleißteile).
3 Spulen in Stern- oder Dreieckschaltung (Dreieckschaltung hat bei niedrigen Drehzahlen die höhere
Stromabgabe.)
Keine Masseverbindung von den Lichtmaschinenspulen zur Fahrzeugmasse.
Thyristorregler mit externer (= geschaltetes Plus, Klemme 15, an Regler/Gleichrichter) oder interner
Spannungsinformation.
3-Phasen-Vollweg-Diodengleichrichter mit 6 Dioden.
Ladestrom wird immer in vollem Umfang erzeugt.
Drehstromgenerator fremderregt als Klauenpolläufer
Die Ladespulen sind im Stator feststehend montiert. Das Magnetfeld wird durch eine rotierende Feldwicklung
erzeugt. Der Erregerstrom wird über Bürsten und Schleifkontakte auf die rotierende Erregerwicklung übertragen.
Drehstromgenerator fremderregt als Leitstückläufer.
Auch hier sind die Ladespulen im Stator feststehend verbaut. Die Erregerwicklung ist ebenfalls feststehend
verbaut. Im Luftspalt zwischen Erregerwicklung und Stator rotiert der Leitstückläufer der den magnetischen Fluss
beeinflusst und dadurch die Spannungsinduktion ermöglicht.
Merkmale der fremderregten Drehstromgeneratoren
Keine Permanentmagnete
Elektromagnet durch eine Feldwicklung (Rotorwicklung)
3 Spulen in Stern- oder Dreieckschaltung (Dreieckschaltung hat bei niedrigen Drehzahlen die höhere
Stromabgabe.)
Keine Masseverbindung von den Lichtmaschinenspulen zur Fahrzeugmasse.
Transistorregler mit externer (= geschaltetes Plus, Klemme 15, an Regler/Gleichrichter) Spannungsinformation.
© 2004 Manfred Kaemmerer Zweirad Know How
3-Phasen-Vollweg-Diodengleichrichter mit 6 Dioden.
Minusleitung der Feldwicklung geht über den Transistorregler auf Fahrzeugmasse.
Ladestromregelung effektiver, Strom wird nur im benötigten Umfang erzeugt.
Schaltungsarten:
Die drei Ladespulen können entweder als Stern- oder Dreieckschaltung angeordnet werden.
Bei der Sternschaltung wird bei niedrigen Drehzahlen eine größere Ladespannung, bei der Dreieckschaltung ein
größerer Ladestrom erzeugt.
Eine Sonderschaltung ist die Sternschaltung mit Mittenabgriff. Hier wird über den Mittelpunkt zusätzlicher
Ladestrom zur Verfügung gestellt.
Da die erzeugte Spannung des Generators eine Wechselspannung ist, die Batterie und viele andere Verbraucher
z.B. alle elektronischen Schaltungen auf eine Gleichspannung angewiesen sind, muss die Spannung
gleichgerichtet werden.
Gleichrichterschaltung Wechselstromgenerator
Die Gleichrichterdioden werden hier in Form der Graetzschen – Brückenschaltung angeordnet.
Es handelt sich hierbei um eine so genannte Einphasen-Vollweggleichrichtung, da der positive und der negative
Anteil der Wechselspannung genutzt wird.
Gleichrichterschaltung selbsterregter Drehstromgenerator
Vom Plus der Spule gelangt der Ladestrom über eine Plusdiode zu Batterieplus und von Batterieminus über die
Masseverbindung des Regler/Gleichrichters und zwei Minusdioden zurück zur Spule. Die Dioden lassen den
Strom nur in einer Richtung passieren.
Wechselt die Polarität der erzeugten Wechselspannung fließt der Ladestrom über 2 Plusdioden zur Batterie und
eine Minusdiode zurück zum anderen Ende der Spule.
An den roten Stichleitungen zu den SCR (= Thyristor) und zur Steuereinheit steht die Spannung an. Liegt die
Ladespannung am Eingang der Steuereinheit unterhalb der Reglerabschaltspannung, bleiben die Thyristoren
abgeschaltet, der Ladestrom fließt.
Da bei dieser Schaltung alle drei Phasen der Wechselspannung genutzt werden wird sie auch als DreiphasenVollweggleichrichtung bezeichnet.
Spannungs- und Stromregelung
Um ein schädliches Überladen der Batterie zu verhindern, aber auch um zu hohe Spannungen an elektrischen
und elektronischen Bauteilen zu verhindern muss die Ladespannung geregelt werden.
Bei selbsterregten Ladesystemen geschieht dies üblicherweise durch Thyristorregler.
In der Steuereinheit des Reglers befindet sich u.a. eine Zenerdiode die bei Überschreiten der
Reglerabschaltspannung elektrisch leitend wird.
Die Zenerdiode legt dadurch einen Spannungsimpuls an das Gate des SCR, der Thyristor wird gezündet und
dabei elektrisch leitend.
Neben dem ursprünglichen Ladestromkreis baut sich parallel ein zweiter Stromkreis auf und zwar vom Plus der
Spule über den SCR zurück zum Minus der Spule.
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Ladestromregelung:
In dieser Parallelschaltung (=Stromteiler) verteilt sich nun der Ladestrom entsprechend der Widerstände (Batterie
= hoher Widerstand, SCR = niedriger Widerstand). Die Masse des Ladestromes fließt über den SCR, nur noch
ein kleiner Teil des Ladestromes fließt über die Batterie.
Die Batterie wird bei vollem Ladezustand nur noch mit einem sehr kleinen Ladestrom geladen.
Ladespannungsregelung:
Neben dem Ladestrom muss aber auch die Ladespannung geregelt werden, da ansonsten z.B. Glühbirnen und
elektronische Bauteile zerstört werden. Hier wird die Tatsache genutzt, dass der induktive Widerstand der Spule
in Reihe mit dem Widerstand des Ladestromkreises geschaltet.
In dieser Reihenschaltung (= Spannungsteiler) teilt ist bei nicht voller Batterie (Ladestrom fließt) der induktive
Widerstand der Spule mit dem Widerstand der Batterie in Reihe geschaltet.
Bei leerer Batterie (= niedriger Innenwiderstand der Batterie) fließt daher nur eine kleinere Ladespannung, dafür
aber ein großer Ladestrom. Mit zunehmendem Ladezustand der Batterie steigt der Innenwiderstand an (Volle
Batterie = hoher Innenwiderstand der Batterie) und entsprechend nimmt die Ladespannung zu, der Ladestrom ab.
Wird die Reglerabschaltspannung überschritten und der Stromkreis über den SCR gezündet, so wird hier ein
zweiter Stromkreis mit sehr kleinem Widerstand parallel geschaltet.
Der Gesamtwiderstand einer Parallelschaltung ist immer kleiner als der kleinste Einzelwiderstand (in diesem Fall
der Stromkreis über den SCR).
Da jetzt der Gesamtwiderstand der Schaltung Batteriestromkreis + SCR-Stromkreis sehr klein geworden ist, wird
durch den induktiven Widerstand der Spule ein größerer Spannungsabfall verursacht und damit die
Ladespannung deutlich reduziert.
Der SCR bleibt solange eingeschaltet, bis die Wechselspannung der Lichtmaschine kleiner ca. 0,7 Volt wird.
Dies ist bei jedem Nulldurchgang der Spannung (Wechsel zwischen positiver und negativer Halbwelle) der Fall.
Der Thyristorregler muss daher jede einzelne Halbwelle neu regeln.
© 2004 Manfred Kaemmerer Zweirad Know How
Diagnose des Ladesystems:
Die Excel-Datei wurde unter Excel2003 erstellt und ist gegen unbeabsichtigte Veränderungen geschützt.
In die gelben Felder können Sie Ihre individuellen Fahrzeug-, Kunden- und technische Daten eintragen.
Die Datei lässt sich auch in Ihrer EDV nach Ihren Kriterien speichern. Es wird weiterhin empfohlen dem Kunden
einen Ausdruck des Messprotokolls zusammen mit der Rechnung auszuhändigen.
Die in der Tabelle eingetragenen Kabelfarben entsprechen den von Honda verwendeten Kabelfarben, bei
Fahrzeugen anderer Hersteller muss hier entsprechend angepasst werden.
Die Messwertabhängigen Beurteilungen des Istwerts wurden nach bestem Wissen und Gewissen erstellt. Sie
können eine eigene fachliche Wertung jedoch nicht ersetzen, da unter Umständen Fehler denkbar sind die in der
Datei nicht berücksichtigt werden konnten (wenn z.B. Gleichrichter und Lichtmaschine gleichzeitig defekt sein
sollten).
Erläuterungen zu den einzelnen Messungen:
Ruhespannung:
Die Ruhespannung wird zwischen Batterie Plus und Minus gemessen. Es ist darauf zu achten, dass direkt am
Batteriepol gemessen wird und nicht an verschraubten Kabeln. Diese Messung dient in erster Linie dazu,
festzustellen ob die Batterie für die weiteren Messungen noch ausreichend geladen ist. Normale Batterien
besitzen eine Ruhespannung von etwa 12,2 bis 12,6 V, wartungsfreie Batterien eine Ruhespannung von 12,8 –
13,2V. Bei unzureichender Ruhespannung ist die Batterie zu laden und ggfs. einem Belastungstest zu
unterziehen.
Ladespannung:
Die Messung der Ladespannung erfolgt in zwei Durchgängen, einmal mit und einmal ohne eingeschaltete
Verbraucher (Licht, Blinker usw.). Während der Messung sollte die Drehzahl von der Leerlaufdrehzahl beginnend
auf etwa 4000 – 5000 min-1 gesteigert werden. Bei modernen Ladesystemen wird bereits bei Leerlaufdrehzahl
eine Spannung zu messen sein die höher als die Ruhespannung liegt. Spätestens bei erhöhter Leerlaufdrehzahl
sollte die Ladespannung gegenüber der Ruhespannung höher liegen.
Die in der Tabelle eingetragenen Sollwerte sind als ungefähre Werte zu verstehen.
Ruhestrom
Die Messung des Ruhestromes soll einen unzulässig hohen Stromverbrauch bei ausgeschalteter Zündung
dokumentieren.
Eine unzureichend geladene Batterie kann auch bei funktionierendem Ladesystem und langen Standzeiten z.B.
durch ein Alarmanlage, Radio usw. entstehen.
Es ist daher wichtig, dass bei der Messung die Zündung ausgeschaltet wird. Zusätzliche „heimliche“ Verbraucher
sollten aber noch nicht vom Bordnetz getrennt werden, um den Stromverbrauch ermitteln zu können.
Vor Beginn der Messung ist die Funktion des Multimeters im Messbereich Milliampere (DC, Gleichstrom)
unbedingt zu prüfen.
Da nicht auszuschließen ist, dass die Sicherung für diesen Messbereich durchgebrannt ist, kann Ihnen das
Messgerät evtl. einen Verbrauch von 0,0 mA anzeigen, obwohl in Wirklichkeit ein Strom fließt.
Zur Prüfung des Messgerätes verbinden Sie bitte eine kleine Glühbirne (1,2 oder 1,7 Watt) mit Messgerät und
einer 12V Batterie. Der erwartete Strom beträgt bei einer 1,2 W Birne etwa 100 mA und bei einer 1,7W Birne etwa
140 mA.
Sollte der Ruhestrom höher liegen als vom Hersteller angegeben sollten Sie kontrollieren ob zusätzliche
Verbraucher montiert sind. Zur Eingrenzung des fehlerhaften Stromkreises empfiehlt es sich, die einzelnen
Sicherungen aus dem Sicherungskasten zu entfernen um die möglichen schadhaften Verbraucher zu lokalisieren.
Generatorprüfung:
Es gibt einen alten Merkspruch:
© 2004 Manfred Kaemmerer Zweirad Know How
„Wo kein Strom, da kein Ohm“
Wenn in einem Stromkreis kein Strom fließt machen sich vorhandene Widerstände nicht bemerkbar.
Viele Fahrzeughersteller geben Ihnen in den Werkstatthandbüchern an, dass die Leerlaufspannung des
Generators geprüft werden soll. (Messung der Generatorspannung bei laufendem Motor, ohne dass der
Generator mit dem Regler/Gleichrichter verbunden ist)
Bei dieser Messung fließen durch das Messgerät nur winzige Ströme, da die Messgeräte üblicherweise einen
Innenwiderstand von 10.000.000 Ohm besitzen. Etwaige Leitungsschäden (gebrochene Litzen, Schadhafte
Lötstellen) werden bei diesen kleinen Strömen nicht sichtbar werden.
Problematisch bei dieser Nulllastprüfung ist auch eine denkbare Einleitungen von Spannung (60 – 100V) über
einen Masseschluss in das Bordnetz.
Lassen Sie daher bitte den Generator am Regler/Gleichrichter montiert. Auch die Batterie bleibt wie gewohnt
angeschlossen.
Mit dem Multimeter wird jetzt die Wechselspannung gemessen. Da im Generator 3 Spulen verbaut sind, müssen
Sie diese Messung für alle drei Anschlussvarianten an den gelben oder weißen Kabeln wiederholen.
Bei funktionierendem Regler/Gleichrichter wird die gemessene Wechselspannung mit zunehmender Drehzahl
scheinbar immer niedriger. Der Grund für dieses Messergebnis liegt in der Reglercharakteristik.
Sobald die Reglerabschaltspannung erreicht wird, wirkt der induktive Widerstand der Generatorspulen, die
erzeugte Wechselspannung wird vom Regler auf einen Wert von etwa 3 – 5 Volt herabgeregelt. Ihr Messgerät
zeigt Ihnen nun den durchschnittlichen Spannungswert von Reglerabschaltspannung und 3-5 Volt an. (Siehe
auch das vorhergehende Kapitel Spannungs- und Stromregelung). Mit einem Oszilloskop lässt sich der
Spannungsverlauf hier besser beurteilen.
Spannungsverlustmessung
Die Spannungsverlustmessung dient dazu, evtl. vorhandene Schäden an den Kabelverbindungen zwischen
Regler/Gleichrichter und Batterie zu erkennen. Insbesondere Masseverbindungen können bei älteren Fahrzeugen
schadhaft sein. Auch hier bleibt das vollständige System angeschlossen.
Spannungsinformation
Bei den meisten Regler/Gleichrichtersystemen wird die Reglerabschaltspannung durch eine interne Schaltung
ermittelt. Bei wenigen Systemen wird durch eine externe Spannungsinformation (erkennbar durch Klemme 15,
geschaltetes Plus am Regler/Gleichrichter) der Regler über die aktuelle Ladespannung informiert. Bei fehlerhafter
Informationsspannung kann der Regler den richtigen Abschaltzeitpunkt nicht erkennen.
Diodenprüfung
Zur Diodenprüfung wird der Regler/Gleichrichter ausgebaut. Mit dem Multitester wird dann in der Messeinstellung
Diodentest die Durchlass- und Sperrwirkung der Dioden geprüft. Insgesamt sind 12 Messungen vorzunehmen.
Bitte beachten Sie, dass bei funktionierender Sperrwirkung in der Tabelle der Wert „unendlich“ in Buchstaben
eingegeben werden muss um die entsprechende Beuteilung des Istwertes zu erhalten.
Reglerprüfung
Für eine Prüfung der Thyristoren und der Reglerschaltung benötigen Sie eine externe Spannungsquelle. Am
besten eignet sich ein Gleichspannungstransformator der im Bereich 0 – 20 Volt einstellbar ist.
Um den Reglerteil nicht zu überlasten muss der Stromfluss begrenzt werden. In der Prüfschaltung ist daher eine
Glühbirne 1,2 oder 1,7 W zu verbauen. Damit wird der Stromfluss auf unschädliche 100 -150 mA begrenzt. Auch
bei versehentlich falschem Anschluss ist durch den geringen Strom eine Schädigung von Bauteilen nicht zu
erwarten.
Die Glühbirne informiert sie darüber hinaus optisch über die Funktion des Reglers.
Der Transformator wird langsam von 0 Volt hoch geregelt. Die Glühbirne muss bis zum Erreichen der
Reglerabschaltspannung aus bleiben. Sobald die Reglerabschaltspannung erreicht wird, brennt die Glühbirne.
Die Spannung des Transformators muss anschließend wieder vollständig auf 0 V herabgeregelt werden, da der
Thyristor bis zu einer Spannung von 0,7 Volt eingeschaltet bleibt (Glühbirne wird langsam dunkler).
Die Spannung können Sie direkt mit einem Multimeter zwischen Plusausgang Regler/Gleichrichter und
Masseverbindung Regler/Gleichrichter prüfen.
© 2004 Manfred Kaemmerer Zweirad Know How