Fachkunde:Kraftfahrzeugtechnik

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lschutzsyteme,Fahrerassistenzsysteme,Infotainmentsystem)

Inhalt

Wirkungsweise: Er versorgt während des Batriebes ds Kraftfahrzeuges die

elektrischen Verbraucher mit Energie und lädt die

Starterbatterie auf. In Kraftfahrzeugen finden fast ausschließlich Drehstromgeneratoren mit Klauenpolläufer in kompaktbauweise Anwendung.

Spannungsversorgung und Bordnetz2. Drehstromgenenerator

2.1 Aufbau

Ein Drehstromgener-ator besteht aus

•Ständer (Gehäuse) mit dreiphasiger Ständerwicklung als Induktionsspulen.•Diodenplatte mit 6 Listungsdioden und 3 Erregerdioden zur Gleichrichtung der Spannung•12 poligem rotierendem Klauenpolläufer mit Erregerwicklung zur Erzeugung des Magnetfeldes sowie Schleifringen und Kohlebürsten zur Stromzuführung•Lüfter zur Kühlung•Spannungsregler für konstante Betriebsspannung•Anschlüsse B+ / B- zur Spannungsabnahme•Riemenschreiben zum Antrieb des Generators mit dem 2-3 fachen Wert der Motordrehzahl

2.1 Aufbau

Die Spannungserzeugung im Drehstromgenerator beruht auf dm Prinzip der Induktion. Ändert sich in einer Leiterschleife (Spule oder Wicklung) ein Magnetfeld wird in der Leiterschleife eine elektrische Spannung erzeugt. Wird eine Spule von einem drehenden magnetischen Feld mit einem Nord- und Südpol durchlaufen entsteht eine sinusförmige Wechselspannung.

2.2 Wirkungsweise

Werden drei Spulen von diesem dreheden Magnetfeld durchlaufen entstehen drei sinusfärmige Wechselspannungen. Bei einer Anordnung von 120°zueinander sind die 3 Wechselspannungen um 120°phasenverschoben (Bild). Zu jederm Zeitpunkt werden 3 Phasenspannungen (UP) erzeugt. In Bild beim Drehwinkel 90°und 300°dargestellt.

2.2 Wirkungsweise

Eine Wechselspannung ist für das Laden der Batterie ungeeignet und auch das Kraftfahrzeug-Bordnetz benötigt Gleichspannung zur Versorgung der Verbraucher. Die gleichrichtung des Drehstromes erfolgt durch 6 Leistungsdioden, und 3 Phasen. Es wird dabei in jede Phase je eine Diode an der Plusseite (Plusdiode) und eine an der Minusseite (Minusdiode)

2.3 Gleichrichtung

•Tabelle zeigt die Entstehung der Hüllkurven bei den Drehwinkeln 90°und 300°des Magnetfeldes. Zur Vereinfachung wird eine Phasenspannung UP=1 V, ein Widerstand R=1Ω und ein Strom von 1 A angenommen. Beim Drehwinkel von 90°erzeugen die einzelnen Spulendie Spannung von UU=1V, UV=0.5V und UW=0.5V. Entsprechend fließen die Phasenströme IU=1A, IV=0.5A und IW=0.5A.

2.3 Gleichrichtung

•Sremschaltung.Bei ihr erfolgt entsprechend dem Ersatzschaltbild eine Addition der Phasenspannungen. UG =UU + UV =1V + 0.5V = 1.5V. UW wird nicht addiert, da sie parallel zu UV ist und der Stromfluss von der Diodeschaltung gesperrt wird. Es kommt zu einer Verstärkung der Generatorspannung (UG) gegenüber der Phasen-spannung (UP).

Bei 300°ist UG =UU + UW

= 0.86 V + 0.86 V = 1.72 V

2.3 Gleichrichtung

•Dreieckcshaltung.Bei ihr erfolgt entsprechend dem Ersatzschaltbild eine Addition der Ströme. IG =IU + IV =1 A + 0.5 A = 1.5V. IW wird nicht addiert, da er in Reihe mit IU zu liegt. ist und der Stromfluss von der Diodeschaltung gesperrt wird. Es kommt zu einer Verstärkung der Generatorstromes (IG) gegenüber dem Phasen-strom (IP).

Bei 300°ist IG =IU + IW

= 0.86 A + 0.86 A = 1.72 ADiese Schaltung wird bei Generatoren mit hohen Strömen eingesetzt.

2.3 Gleichrichtung

•Spannungserzeugung mit Klauenpolläufer Anstelle eines Magneten mit einem Nord- und einemSüdpol wird ein Klauenpolläufer mit 6 Nord- und 6 Südpolen verwerdet. Die räumliche Anordnung der Südpolen wird diesem angepasst. Es entstehen dadurch bei jeder Umdrehung des Läufers anstele von Halbwellen (2 Pole×3 Stränge), 36 Halbwellen (12 Pole ×3 Stränge) Die größere Anzahl von Polen führt nach der Gleichrichtung zu einer Ausgangsspannung mit geringer Rstwelligkeit. Sie kann durch einen Glättungskondensator, der parallel zur Gleichrichterschaltung liegt, weiter geglättet werden. Die Phasenspannung (UP)und damit die Ausgangspannung (UG) des Generators wird von 3 Faktoren bestimmt:Drehzahl des Magnetfeldes Magnetfeldstärke Wicklungszahl der Spule

2.3 Gleichrichtung

•Diodenausführung Die Dioden sind auf einer Diodenplatte angebracht. Es werden Siliciumdioden verwerdet. Sie lassen den Strom ab der Schwellspannug in eine Richtung fließen. Sind die Dioden in Durchlassrichtung geschaltet, entsteht in jeder Diode ein Spannungsabfall von etwa 0.7V. Die dabei entstehende Verlustwärma wird durch Kühlbleche abgeführt.

2.3 Gleichrichtung

•Rückstromsperre Der Strom darf nur vom Generator zur Batterie fließen. Die Plusdioden verhindern einen Stromfluss von der Batterie in den Generator und unterbinden damit ein Einladen der Batterie. Dies wär der Fall, wenn die Generatorspannung kleiner als die Batteriespannug ist.

2.3 Gleichrichtung

•Überspannungsschutz. Als Leistungsdioden werden in heutigen Generatoren Z-Diode verwendet. Sie begreenzen auftretende energiereiche Spannugsspitzen, die z.B. durch Reglerausfall, Abschalten von Induktionsstömen oder Leitungsunterbrechung entstehen. Dadurch bieten sie einen zentralen Überspannungsschutz für den gleichrichter selbst und das gesamte Bordnetz. Di Z-Dioden werden im Gegensatz zur überlichen Schaltung in Durchlassrichtung eingebaut.

2.3 Gleichrichtung

Die Generatorspannung wird durch einen Reglerung bei allen Drehzahlen und Belastungsfällen auf der erforderlichen Höhe gehalten.

Die eletrischen Verbraucher dürfen nicht zu hohen Spannungsschwankungen ausgesetzt sein. Der Regler ist so abgestimmt, dass er in 12-V-Anlagen die Generatorspannung auf annähernd 28Veinregelt. Die Generatorspannung liegt dabei knapp unterhalb der Gasungsspannung der Straterbatterie. Damit wird ein ausreichendes Laden gewährleistet und ein Schädigen durch Überladung verhindert.

2.4 Spannungsregelung

• Reglelvorgang. Die Höhe der im Generator induzierten Spannung ist von der Generatordrehzahl und der Stärke des Magnetfeldes bzw. dem Erregerstrom IE abhängig. Da sich die Generatordrehzahl wegen der unterschiedlichen Fahrbedingungen laufend ändert, kann die Spannungsregelung nur über ein Verändern des Erregrfeldes bzw. des Erregerstromes erfolgen. Die Höhe des erforderlichen Erregerstromes ist von der augenblicklichen Belastung und der Generatordrehzahl abängig.

2.4 Spannungsregelung

• Reglelvorgang. Der Regler verändert durch dauerndes Ein und Auschalten (Einschaltdauer tE, Ausschaltdauer tA) die Höhe des mittleren Erregerstromes IE. Dies hat ein Verstärken bzw. Schwächen des Erregerfeldesund damit ein Verändern der induzierten Spannung zur Folge.

2.4 Spannungsregelung

Beim Drehstromgenerator unterscheidet man drei Stromkreise:Vorerregerstromkreis, Erregerstromkeris, Ladestromkeris.

2.5 Elektrische Innenschaltung und Stromkreise

•Vorerregerstromkreis Der Vorerregerstromkreis baut nach dem Einschalten des Fahrschalters ein Magnetfeld in der Erregerwicklung auf bis der Erregerstrom fließt. Dazu muss die Schwellspannung (2×0.7 V=1.4V) der Plus- und Minusdioden überschritten werden.Nach dem Starten des Motors erregt sich der Generator selbst. Der Erregerstrom fließ und die Generatorlampe erlischt, weil an ihren beiden Enden das gleiche Potenzial anliegt.

2.5 Elektrische Innenschaltung und Stromkreise

•Vorerregerstromkreis Der Vorerregerstromkreis verläuft überdie Starterbatterie +/30—Fahrschalter/Kontrolllampe D+--Regler D+ --Regler DF —Erregerwicklung DF-_—Masse D-/B – zur Straterbatterie-/31

Bei defekter Generatorkontrolllampe kommt es zu keiner Vorerregung weil der Vorerregerstromkreis unterbrochen ist.

2.5 Elektrische Innenschaltung und Stromkreise

•Erregerstromkreis. Der Erregerstrom baut das Magnetfeld in der Erregerwicklung des Läufers auf. Über den Regler wird der jeweils erforderliche Erregerstrom zugeführt.

Der Erregerstrom verläuft von

Generator D+—Regler D+ -- Regler DF —Erregerwicklung DF—Masse D-/B- ---- Minusdioden ---Ständerwicklung – Erregerdioden zur Klemme D+.

2.5 Elektrische Innenschaltung und Stromkreise

•Ladestromkreis (Hauptstromkreis). Der Ladestrom versorgt das Bordnetz mit elektrische Energie.

Er verläuft von

Der Ständerwicklung --- Plusdioden --- Klemme B+— Batteerie/Verbraucher --- Masse B- --- Minusdioden zur Ständerwicklung.

2.5 Elektrische Innenschaltung und Stromkreise

Anfangs wurden diese Funktionen von mechanischen Reglern übernommen, die außerhalb des Generators platziert waren. Heute übernehmen elektronische Regler diese Afgabe.

2.6 Bauarten von Spannungsreglern

•Hybridregler.

Er enthält in einem gekapselten Gehäuse alle Schaltkreise (IC) und ist ohne Verkabelung direkt am Generator montiert.

•Wicklungsweise

Über den Schaltkreis wird der Erregerstrom abhängig von der Generatorsollspannung “Ein ” und “Aus ” geschaltet.

2.6 Bauarten von Spannungsreglern

•Schaltzustand “Ein”. Liegt der Istwert der Generratorspannung unter dem Sollwert von z.B. 14.2 V s

perrt die Z-Diode den Transistor T2. Dadurch liegt die Basis B von T1 über den Wiederstand R3 an D-, wobei T1 durchschaltet. Der Erregerstrom wird über Erreger E und Kollektor C von T1 zur Erregerwicklung geführt.

2.6 Bauarten von Spannungsreglern

•Schaltzustand “Aus”. Überschreitet die Generatoespannung den vorgeschriebenen Sollwert, wird die Z-Diode leitend, wobei die Basis B des Transistor T2 negativ wird. T2 schaltet durch, wobei die Basis B von T1 eine positiv Spannung erhält. T1 wird nicht leichtend und sperrt den Erregerstrom.

2.6 Bauarten von Spannungsreglern

•Reglerkennlinie. Da die Gasungsspannung mit zunehmender Temperatur absinkt, wird die Generatorsollspannung diesem Verhalten angepasst. So stellt sich bei einer Temperatur von 0°C ein Sollwert zwischen 14.6 V und 14.9 V ein. Bei einer Temperatur von 50°C liegt er zwischen 14 V und 14.4 V.

2.6 Bauarten von Spannungsreglern

•Monolithregler. Alle benötigten Funktionen für die Spannungsregelung sind auf einem Chip untergebrcht.

•MultifunktionsreglerEr ist ebenfalls ein Ein-Chipregler. Der Generatoe besitzt keine Erregerdioden mehr, da der Erregerstrom nicht aus der Gleichrichtererschaltung entnommen wird. Er wird direkt von Klemme B+ bezogen.

2.6 Bauarten von Spannungsreglern

•Multifunktionsregler

Multifunktionsregler bieten folgende Vorteile:

Fehlerdiagnose und Anzeige durch LEDStartregelung (Load-Response-Start). Die Belastung des Generators wird

beim Startvorgang verzögert zugeschaltet.Weiche Lastaufschaltung (Load-Response-Drive). Bei starker Laständerung

durch elektrische Verbraucher wird der Erregerstrom nur langsam erhöht.

Zur Motorleerlaufstabilisierung kann der Erregerstrom vermindert werden.Temperaturgesteuerte Ladespannung durch Batteriemanagement und

Batteriesensor .Auswahlschaltung. Nach Abfrage der Auslastung des Systems kann z.B. die

Montorleerlaufdrehzahl erhöht oder einzelne Verbraucher abgeschaltet werden.

2.6 Bauarten von Spannungsreglern

Auf dem Typenschild sind folgende technische Daten vermerkt:

Bauweise z.B. C für KompaktgeneratorDrehrichtung z.B. rechtsGenenratornennspannung z.B. 14 VStrom bei Leerlaufdrehzahl des Motors z.B. 70 A Nennstrom bei Generator-Nenndrehzahl (60001/min) z. B. 140 A

2.7 Gernerator-Kennzeichung

Dieser Generator enthält eine feststehende Erregerwicklung, keine Bürsten und keine Schleifringe. Er ist verschleißfrei.

2.8 Gerneratoren mit Leitstückläufer

Bei diesem Generator erfolgt die Abfuhr der Wärme über die Kühlflüssigkeit.

Der Generator ist einem Kühlflüssigkeitsmantel umgebn. Die anfallende Wärme, die bei hoher Stromabgabe bis 200 Ampere entsteht, kann so durch die Kühlflüssigkeit geführt werden. Zusätzlich wird durch den Flüssigkeitmantel das Laufgeräusch des Generators reduziert.

2.9 Leitstück- Gernerator mit Flüssigkeitskühlung

Dieser Generator erzeugt eine Spannung von 14 V, 28V oder 42V, bei einer maximalen Leistungsabgabe von 4 Kw. Bei dieser Bauart wird der Ständer im flachen, gestreckten Zustand (Flatpack) mit den Kupferdräten bestückt und danach zu einem Ring geschlossen. Höhere LeistungsabgabeGeringere GeneratordrehzahlGeringeres GeräuschGeringere BaugrößeHöherer Wirkungsgrad

Der Generator besitzt einen Multifunktionsregler und einen Gleichrichter mit Dreieckschaltung

2.10 Generatoren mit Flachpaketwicklung

Je nach Anforderungen ergeben sich verschiedene Schaltungsausführungen des Gleichrichters: Parallel geschaltete Leistungsdioden bei hoher Leistungsabgabe

Zusatzdioden zwischen dem Sternpunkt und der Plus- sowie Minusklemme um die Verlustleistung bei hoher Generatordrehzahl zu mindern.

2.11 Schaltungsvarianten

•Ein – Batterie - Bordnetze. Dieses Bordnetz mit einem Generator und einer Batterie befindet in den meisten PKW.

•Zwei- Batterie - Bordnetze. Bei Fahrzeugen mit hohem Energiebedarf können serienmäßig Bordnetze mit 2 Batterien eingesetzt werden.

•Zwei- Spanungs - Bordnetze. Es besteht aus zwei getrennten Spannungsnetzen mit 42V und 14V Spannung. Der Generator versorgt die 42V Leistungs- verbraucher direkt und das 14V-Netz über einen Gleich- spannungswandler.

2.12 Bordnetze

2.13 Werkstatthinweise

Fehlersuche mit dem Oszilloskop