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1 1
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik
2 Elektrische Maschinen in Kraftfahrzeugen
2.1 Grundlagen
2.2 Drehstromgenerator
2.3 Starter
2.4 Starter-Generator-Maschinen
2.5 Hybridantriebe
2 Elektrische Maschinen in Kraftfahrzeugen
2 2
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2 Elektrische Maschinen in Kraftfahrzeugen
Barlow‘sches Rad (1823)
Erste elektrische Versuchsapparate
Ritchie‘s Apparat (1833)
Jedlik‘s Apparat (1827/28)
Erster „Elektromotor“ von Ernst Moritz Hermann von Jakobi
(1838)
Pacinotti‘s Motor mit Ringanker und mehrfach geteiltem Kollektor
(1860)
3 3
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2 Elektrische Maschinen in Kraftfahrzeugen
Werner von Siemens (1866): Erster „Dynamo“
Motor mit Trommelanker von Friedrich von Hefner-
Alteneck (1872)
4 4
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik
2 Elektrische Maschinen in Kraftfahrzeugen
2.1 Grundlagen
2.2 Drehstromgenerator
2.3 Starter
2.4 Starter-Generator-Maschinen
2.5 Hybridantriebe
2.1 Grundlagen
5 5
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.1 Grundlagen
Stromdurchflossene elektrische Leiter magnetisches Feld. Das Produkt aus magnetischer Feldstärke H und Länge der Feldlinie l ist konstant und entspricht der Stärke des Magnetfeld erzeugenden Stromes I.
In einer Spule wird die Feldstärke um die Anzahl der Windungen verstärkt.
Das Produkt I . N wird auch elektrische Durchflutung genannt und stellt im Magnetkreis eine magnetische Spannungsquelle Θ dar.
𝑰 = 𝑯 ∙ 𝒍 bzw. 𝑯 = 𝑰
𝒍 𝐀
𝐦
𝑰 ∙ 𝑵 = 𝑯 ∙ 𝒍
𝑰 ∙ 𝑵 = 𝑯 ∙ 𝒍 = 𝜣
6 6
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.1 Grundlagen
Ebenso gilt in einem umlaufenden/geschlossenen Magnetkreis:
Jede magn. Feldstärke erzeugt einen magn. Fluss Φ, der vom spezifischen magn. Leitwert μ (Permeabilität) und von der Querschnittsfläche Aq abhängt.
Der spezifische magn. Leitwert wird aus der magn. Feldkonstante µ0
und der relativen Permeabilitätszahl µr gebildet.
𝜣+ 𝝂 = 𝟎
𝜱 = 𝑯 ∙ 𝝁 ∙ 𝑨𝒒 𝐕𝐬
𝝁 = 𝝁𝟎 ∙ 𝝁𝒓 𝐦𝐢𝐭 𝝁𝟎 = 𝟏, 𝟐𝟔 ∙ 𝟏𝟎−𝟔 𝐕𝐬
𝐀𝐦 𝐮𝐧𝐝 𝝁𝒓 = 𝟏 𝐟ü𝐫 𝐋𝐮𝐟𝐭 … > 𝟏𝟎𝟎𝟎 (𝐟ü𝐫 𝐄𝐢𝐬𝐞𝐧)
Analogie zum elektrischen Stromkreis: mang. Spannungsquellen Θ und magn. Spannungsabfälle 𝜈.
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Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.1 Grundlagen
Die Magnetflussdichte B bzw. magn. Induktion ist unabhängig vom Querschnitt:
Analogie zum elektrischen Stromkreis - Ohmsches Gesetz des Magnetkreises:
Λ ist der magn. Leitwert. Dieser bzw. der magn. Widerstand ist in einigen Materialien – insbesondere in Eisen – von der Feldstärke abhängig und somit nicht konstant Magnetisierungskurve.
𝑩 =𝜱
𝑨𝒒= 𝑯 ∙ 𝝁
𝐕𝐬
𝐦𝟐 𝒃𝒛𝒘. 𝐓
𝑹𝒎𝒂𝒈 =𝝂
𝜱=𝟏
𝜦=
𝒍
𝝁 ∙ 𝑨𝒒 𝐀
𝐕𝐬
8 8
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Wirkungskette:
Umkehrung:
Transformatorprinzip
Induktionsgesetz:
Dabei ist die induzierte Spannung ihrer Ursache entgegen gerichtet (Lenz'sche Regel).
elektr. Stromfluss magnetische Quellspannung magn. Fluss
veränderlicher magn. Fluss veränderliche elektr. Quellspannung veränderlicher elektr. Stromfluss
𝒖𝒒 = 𝑵 ∙𝒅𝜱
𝒅𝒕 𝐕
9 9
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.1 Grundlagen
erweiterte Wirkungskette:
Umkehrung:
elektrische Maschinen als Motoren
elektrische Maschinen als Generatoren
elektr. Quellenspannung elektr. Stromfluss magnetische Quellspannung magn. Fluss
Kraftwirkung (mech. Quellspannung) Bewegung (Massenfluss)
Kraft bzw. Drehmoment (mech. Quellspannung) Bewegung (Massenfluss) in einem Magnetkreis veränderliche magn. Quellspannung veränderlicher magn. Fluss veränderliche elektr. Quellspannung veränderlicher elektr. Stromfluss
10 10
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.1 Grundlagen
Bei Drehbewegungen ändert sich der wirksame magn. Fluss idealisiert:
Die induzierte Spannung ist also:
Der magn. Fluss wird auch als Erregerfluss, das Magnetische Feld als Erregerfeld bezeichnet. Entsprechend bekommt der magn. Fluss den Index F ( ΦF = ErregerFluss) und der Stromfluss einer Erregerspule wird mit IF bezeichnet.
𝒅𝜱
𝒅𝒕= 𝜱 ∙
𝒅
𝒅𝒕𝐬𝐢𝐧𝜶 = 𝜱 ∙
𝒅
𝒅𝒕𝒔𝒊𝒏𝝎𝒕 = Φ∙ω∙cosωt
und der Frequenz:
mit der Amplitude:
𝒖𝒒 = 𝑵 ∙ 𝜱 ∙ 𝛚 ∙ 𝒄𝒐𝒔𝝎𝒕
𝒖𝒒 = 𝑵 ∙ 𝜱 ∙ 𝛚
𝒇 =𝝎
𝟐𝝅
11 11
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.1 Grundlagen
Der Effektivwert der induzierten Spannung ist:
Und unter der Voraussetzung rein sinus- bzw. cosinusförmigen Spannungsverlaufes ist:
Bei elektrischen Maschinen hängt die induzierte Spannung von mehreren unterschiedlichen Faktoren ab:
- Zahl der Polpaare
- Zahl der Anker- bzw. Ständerzweigpaare
- Windungszahl
- konstruktiv bedingtes Abweichen von idealer sinusförmiger Induktion.
Diese Faktoren werden in einer für jede Maschine individuellen Maschinenkonstante k zusammengefasst.
𝒖𝒆𝒇𝒇 =𝟏
𝑻∙ 𝒖𝒒
𝟐 ∙ 𝒅𝒕𝑻
𝟎
= 𝑼𝒒
𝒖𝒆𝒇𝒇 = 𝑼𝒒 =𝒖 𝒒
𝟐
12 12
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Produkt aus induzierter Spannung Uq und Maschinenstrom I ergibt innere Leistung Pi.
Sie ist das Bindeglied zwischen elektrischer und mechanischer Seite einer Maschine.
elektr. Seite innere Leistung mech. Seite
Werden mech. und magn. Verluste vernachlässigt, entspricht die innere Leistung Pi
- der abgegebenen mech. Leistung (Motor)
bzw. - der aufgenommenen mech. Leistung (Generator).
Erste grundlegende Gleichung für elektrische Maschinen:
induzierte Maschinenspannung 𝑼𝒒 = 𝒌 ∙ 𝜱 ∙ 𝝎
𝑼𝒒 ∙ 𝑰 = 𝑷𝒊 = 𝑴𝒊∙ 𝝎 = 𝑷𝒎𝒆𝒄 + 𝑷𝑽 𝒎𝒆𝒄 + 𝑷𝑽 𝒎𝒂𝒈
(weil 𝑃𝑚𝑒𝑐 ≫ 𝑃𝑉 𝑚𝑒𝑐 + 𝑃𝑉 𝑚𝑎𝑔)
also
𝑼𝒒 ∙ 𝑰 = 𝑷𝒊 = 𝑴 ∙ 𝝎
13 13
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Zweite grundlegende Gleichung für elektrische Maschinen:
elektr. Seite innere Leistung mech. Seite
Maschinenstrom
Schema einprägen!
𝑼𝒒 ∙ 𝑰 = 𝑴 ∙ 𝝎
𝑰 =𝑴 ∙ 𝝎
𝑼𝒒=
𝑴 ∙ 𝝎
𝒌 ∙ 𝜱 ∙ 𝝎=
𝑴
𝒌 ∙ 𝜱
𝑼𝒒 = 𝒌 ∙ 𝜱 ∙ 𝝎
𝐈 =𝑴𝒊
𝒌 ∙ 𝜱
𝑼𝒒 ∙ 𝑰 = 𝑷𝒊 = 𝑴𝒊 ∙ 𝝎
𝝎 =𝑼𝒒
𝒌 ∙ 𝜱
𝑴𝒊 = 𝒌 ∙ 𝜱 ∙ 𝑰
Über das Bindeglied der inneren Leistung ergibt sich also:
14 14
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.1 Grundlagen
Außenpolmaschinen
(mit mechanischer Kommutierung für Gleichstromnetze)
Anwendung im Kfz: - Starter - Kleinmotoren - Gleichstromgener.* - Antriebsmaschinen* (* veraltet)
15 15
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.1 Grundlagen
Innenpolmaschinen (im Kfz-Bordnetz elektronische Kommutierung erforderlich)
Anwendung im Kfz: - Drehstromgenerator - Antriebsmaschinen - moderne Kleinmot.
16 16
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.1 Grundlagen
Reluktanzmaschinen nur mit ruhenden Hauptwicklungen
Beispiel Schrittmotor mit elektronischer Ansteuerung
17 17
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.1 Grundlagen
Leistungsbilanz elektrischer Maschinen im Kfz-Bordnetz
Treiber/Steller: PVel=Stromwärmeverluste an: - bipolaren Leistungstransistoren PV ~ IC (+IC
2) - unipolaren Leistungstransistoren PV ~ ID
2
- Leistungsdioden PV ~ IC (+IC2)
- Bürstenübergangsverluste Pv ~ IA
Maschine: Pvel = Stromwärmeverluste an Haupt- und Erregerwicklung (Kupferverluste) PV ~ IA (+IF
2) PVmag = Wirbelstrom- und Hystereseverluste (Eisenverluste) PV ~ B (f2+f) PVmech = Lüfter- und Reibungsverluste PV ~ n3
18 18
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.1 Grundlagen
Zählpfeilsystem(e)
Grundsätzliche Empfehlung: Immer Leistungsfluss betrachten!
Im deutschsprachigen Raum übliches System:
Eine in einen Stromkreis eingespeiste Leistung (bspw. an einer Spannungsquelle) wird als negative Leistung betrachtet. Spannungs- und Strompfeile sind zueinander entgegengerichtet.
Eine aus einem Stromkreis entnommene Leistung (bspw. an einem Verbraucher) wird als positive Leistung betrachtet. Spannungs- und Strompfeile sind zueinander gleichsinnig.
(Dies entspricht dem Verbraucher-Zählpfeilsystem.)
19 19
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.1 Grundlagen
Beispiel: Kurbelwellen-Starter-Generator als universelle elektrische Maschine
Der KSG soll den Verbrennungsmotor starten. Unmittelbar nach dem Einschalten des Stromes fließt der sog. Kurzschlussstrom. Dabei erreicht die elektrische Maschine ihr höchstes Drehmoment, jedoch entsteht weder eine induzierte Quellspannung noch gibt die Maschine eine Nutzleistung ab, da die Drehzahl noch Null ist.
Leistungsbilanz:
Die Batterie wird entladen. Die dabei entnommene Leistung wird nur in Wärme umgewandelt.
Maschensatz (Leistungsbilanz geteilt durch gemeinsamen Strom):
−𝑃𝑧𝑢 + 𝑃𝑉 𝑅𝑖𝐵 + 𝑃𝑉 𝑅𝐿 + 𝑃𝑉 𝑅𝑖𝑀𝑎 = 0
−𝑈𝑞𝐵 + 𝑈𝑅𝑖𝐵 + 𝑈𝑅𝐿 + 𝑈𝑅𝑖𝑀𝑎 = 0
20 20
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.1 Grundlagen
Beispiel: Kurbelwellen-Starter-Generator als universelle elektrische Maschine
Der KSG dreht den Verbrennungsmotor durch. Das Drehmoment verringert sich, die Drehzahl steigt. Ebenso wächst die induzierte Quellenspannung. Dabei erreicht der KSG seine Höchstleistung im Motorbetrieb.
Leistungsbilanz:
Die der chemischen Energie der Batterie entnommenen Leistung wird wenigstens zu einem Teil in mechanische Leistung gewandelt.
Maschensatz:
−𝑃𝑧𝑢 + 𝑃𝑉 𝑅𝑖𝐵 + 𝑃𝑉 𝑅𝐿 + 𝑃𝑉 𝑅𝑖𝑀𝑎 + 𝑃𝑎𝑏 = 0
−𝑈𝑞𝐵 + 𝑈𝑅𝑖𝐵 + 𝑈𝑅𝐿 + 𝑈𝑅𝑖𝑀𝑎 + 𝑈𝑞𝑀𝑎 = 0
21 21
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.1 Grundlagen
Beispiel: Kurbelwellen-Starter-Generator als universelle elektrische Maschine
Nach dem Anspringen des Verbrennungsmotors ist er in der Lage den KSG anzutreiben, d.h. der Leistungsfluss kehrt sich um. Aufgrund der nun höheren Quellspannung der Maschine kehrt sich auch die Stromrichtung um.
Leistungsbilanz:
Nur ein Teil der mechanischen Leistungsaufnahme steht für das Laden der Batterie zur Verfügung. Der Rest wird in Wärme umgewandelt.
Maschensatz:
Der Zusammenhang zwischen Drehzahl und induzierter Quellspannung ist nicht starr, sondern wird abhängig von der Bauart der Maschine durch die ansteuernde Leistungselektronik bestimmt. Außerdem ist aufgrund der Blindwiderstände in der Maschine die tatsächlich induzierte Quellspannung meist sehr viel höher, als die nach außen wirksame Quellspannung.
+𝑃𝑎𝑏 + 𝑃𝑉 𝑅𝑖𝐵 + 𝑃𝑉 𝑅𝐿 + 𝑃𝑉 𝑅𝑖𝑀𝑎 − 𝑃𝑧𝑢 = 0
+𝑈𝑞𝐵 + 𝑈𝑅𝑖𝐵 + 𝑈𝑅𝐿 + 𝑈𝑅𝑖𝑀𝑎 − 𝑈𝑞𝑀𝑎 = 0
22 22
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik
2 Elektrische Maschinen in Kraftfahrzeugen
2.1 Grundlagen
2.2 Drehstromgenerator
2.2.1 Leerlaufkennlinie (Spannungskennlinie)
2.2.2 Mechanischer Aufbau
2.2.3 Elektrischer Aufbau
2.2.4 Belastungskennlinie (Stromkennlinie)
2.2.5 Verluste/Wirkungsgrad
2.2.6 Spannungsregelung
2.3 Starter
2.4 Starter-Generator-Maschinen
2.5 Hybridantriebe
2.2 Drehstromgenerator
23 23
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik
Lichtmaschine mit angebautem Zündunterbrecher (Firma Bosch 1906)
2.2 Drehstromgenerator
Gleichstromlichtmaschine – noch ohne Regler (um 1910)
Spannungsgeregelter Gleichstromgenerator (Firma Bosch um 1925)
Drehstromgenerator (ältere Bauart)
24 24
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik
Elektro- mechanischer
Regler
100%
240 g
Karosserie- anbau
Entwicklung der Spannungsregler
2.2 Drehstromgenerator
Elektronischer Regler der
1. Generation
ca. 20%
55 g
Generator- anbau
Elektronischer Regler der
2. Generation
ca. 3%
22 g
Generator- an- bzw. einbau
Quelle: Bosch
25 25
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik
2 Elektrische Maschinen in Kraftfahrzeugen
2.1 Grundlagen
2.2 Drehstromgenerator
2.2.1 Leerlaufkennlinie (Spannungskennlinie)
2.2.2 Mechanischer Aufbau
2.2.3 Elektrischer Aufbau
2.2.4 Belastungskennlinie (Stromkennlinie)
2.2.5 Verluste/Wirkungsgrad
2.2.6 Spannungsregelung
2.3 Starter
2.4 Starter-Generator-Maschinen
2.5 Hybridantriebe
2.2.1 Drehstromgenerator - Leerlaufkennlinie
26 26
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.1 Drehstromgenerator - Leerlaufkennlinie
Ersatzschaltbild – fremd erregter Generator
Generator-Spannungsgleichung:
Generator-Klemmenspannung = Quellspannung – Spannungsabfall im Innenwiderstand
𝑼𝑮 = 𝑼𝒒 − 𝑼𝒁𝒊
𝑼𝑮 = 𝒌 ∙ 𝜱 ∙ 𝝎 − 𝑰𝑮 ∙ 𝒁𝒊 mit IG=0 (Leerlauf)
(k)
27 27
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.1 Drehstromgenerator - Leerlaufkennlinie
Zi
RF
U q
UG
( I = 0 )G
Leerlaufkennlinie (Spannungskennlinie) des fremd erregten Generators
𝑼𝑮 = 𝒌 ∙ 𝜱 ∙ 𝝎 − 𝑰𝑮 ∙ 𝒁𝒊 mit 𝜱 = 𝑰𝑭 ∙𝑵
𝑹𝒎𝒂𝒈
(IF)
(k)
28 28
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.1 Drehstromgenerator - Leerlaufkennlinie
Ersatzschaltbild – selbst erregter Generator
kein echter Leerlauf: 𝑰𝑮 ≠ 𝟎, 𝑰𝑮= 𝑰𝑭, 𝐚𝐛𝐞𝐫 𝑰𝑽 = 𝟎
𝑼𝑮 = 𝑼𝒒 −𝑼𝒁𝒊 𝑼𝑮 < 𝑼𝒒
(k)
29 29
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.1 Drehstromgenerator - Leerlaufkennlinie
Der Generator erzeugt seine Erregung selbst.
BR = Remanenz/Restmagnetismus
HC = Koerzitiv-Feldstärke (entmagnetisierende Feldstärke)
1866 - Werner von Siemens: dynamo-elektrisches Prinzip
𝜱 =𝜣
𝑹𝒎𝒂𝒈=𝑰𝑭 ∙ 𝑵
𝑹𝒎𝒂𝒈 𝜱 ~ 𝑰𝑭
𝑼𝒒 = 𝒌 ∙ 𝜱 ∙ 𝝎 = 𝒌 ∙𝑰𝑭 ∙ 𝑵
𝑹𝒎𝒂𝒈∙ 𝝎 wobei 𝑰𝑭 = 𝑰𝑮 =
𝑼𝒒
𝒁𝒊 + 𝑹𝑭
𝑼𝒒 = 𝒌 ∙ 𝑼𝒒
𝒁𝒊 + 𝑹𝑭∙
𝑵
𝑹𝒎𝒂𝒈 ∙ 𝝎 + 𝜱𝑹
(k)
30 30
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.1 Drehstromgenerator - Leerlaufkennlinie
Leerlaufkennlinie (Spannungskennlinie) des selbst erregten Generators
Sättigung
(k)
31 31
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik
2 Elektrische Maschinen in Kraftfahrzeugen
2.1 Grundlagen
2.2 Drehstromgenerator
2.2.1 Leerlaufkennlinie (Spannungskennlinie)
2.2.2 Mechanischer Aufbau
2.2.3 Elektrischer Aufbau
2.2.4 Belastungskennlinie (Stromkennlinie)
2.2.5 Verluste/Wirkungsgrad
2.2.6 Spannungsregelung
2.3 Starter
2.4 Starter-Generator-Maschinen
2.5 Hybridantriebe
2.2.2 Drehstromgenerator – Mechanischer Aufbau
32 32
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik
2.2.2 Drehstromgenerator – Mechanischer Aufbau
Drehstromgenerator – Bauart Klauenpolgenerator
Erreger- diode
Leistungs- diode
Schleifring- lagerschild
Gleichrichterkühlkörper
Antriebslagerschild mit Befestigungsflanschen
Lüfter
Riemenscheibe
Läufer mit Klauenpolen
Ständer mit Drehstromwicklung
Transistor- regler
Quelle: Bosch
33 33
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik
2.2.2 Drehstromgenerator – Mechanischer Aufbau
- ruhende Hauptstromwicklungen (Induktionsspulen) im Ständer
- drei Wickelungsstränge, elektrisch um 120° versetzt
- Wicklungen geometrisch um die Anzahl der (Klauen)- Polpaare in Teilwicklungen zerlegt und auf den gesamten Umfang des Ständers verteilt.
34 34
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik
2.2.2 Drehstromgenerator – Mechanischer Aufbau
Schleifringe
Quelle: Bosch
- Läufer mit einer axial angeordneten Erregerwicklung
- Stromübertragung durch Schleifringe
- Magnetflusswechsel zur Induktion in den Ständerspulen durch besondere Geometrie der Klauenpole
N
N
S
35 35
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik
2.2.2 Drehstromgenerator – Mechanischer Aufbau
Ständer mit Drehstromwicklung
Läufer mit Klauenpolen
Gleichrichter- Kühlkörper
Transistorregler und Kohlebürsten
Schleifringlagerschild
Antriebs- lagerschild
Lüfter
Keilriemen- scheibe
Quelle: Bosch
- weitere Bauteile:
36 36
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik
2.2.2 Drehstromgenerator – Mech. Aufbau – moderne Generatoren
Gehäuse mit zweiflutiger Belüftung
außen liegender Regler
außen liegende Schleifringe
außen liegender Gleichrichter
innen liegende Lüfter Klauenpolläufer
Ständerwicklung
Compact-Generator
Quelle: Bosch
37 37
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik
2.2.2 Drehstromgenerator – Mech. Aufbau – moderne Generatoren
Quelle: Bosch
Drehstromgenerator 2005 flüssigkeitsgekühlt UG = 14 V IG max= 150 A PG max=2.100 W
38 38
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik
2.2.2 Drehstromgenerator – Mech. Aufbau – moderne Generatoren
Quelle: ATZ extra Januar 2011 / Audi
180 A/2,5 kW – Generator (Audi A6 – siebente Generation 2011)
39 39
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.2 Drehstromgenerator – Mech. Aufbau - Sonderbauformen
Quelle: Bosch
Drehstromgenerator 2015 luftgekühlt UG = 14 V IG max= 250 A PG max=3.500 W
40 40
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik
2.2.2 Drehstromgenerator – Mech. Aufbau - Sonderbauformen
Einzelpolgenerator für Leistungen ab 5 kW
Steckdose Regleranschluss
Schleifring- lagerschild
Schleifringe
Antriebs- lagerschild Radiallüfter
Riemenscheibe
Erregerwicklung
Einzelpolläufer
Ständerwicklung
Leistungsdiode(n) im Kühlkörper
Entstör- kondensator
Quelle: Bosch
41 41
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik
2 Elektrische Maschinen in Kraftfahrzeugen
2.1 Grundlagen
2.2 Drehstromgenerator
2.2.1 Leerlaufkennlinie (Spannungskennlinie)
2.2.2 Mechanischer Aufbau
2.2.3 Elektrischer Aufbau
2.2.4 Belastungskennlinie (Stromkennlinie)
2.2.5 Verluste/Wirkungsgrad
2.2.6 Spannungsregelung
2.3 Starter
2.4 Starter-Generator-Maschinen
2.5 Hybridantriebe
2.2.3 Drehstromgenerator – Elektrischer Aufbau
42 42
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik
2.2.3 Drehstromgenerator – Elektr. Aufbau – Hauptstromkreis
Drehstromgenerator Phasenspannungen
120° 120° 120°
- Drei Wicklungsstränge, in denen sinusförmige Wechselspannung induziert wird.
- Phasenspannungen jeweils um 120° versetzt
43 43
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik
Plusdioden
Minusdioden
Erregerdioden
u
v
w
2.2.3 Drehstromgenerator – Elektr. Aufbau – Hauptstromkreis
Drei-Phasen-Brückenschaltung:
- Schalterfunktion der Dioden unabhängig vom Drehwinkel
immer nur zwei Phasen sowie die jeweilige Plus- und Minusdiode am momentanen Stromfluss beteiligt
44 44
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik
Plusdioden
Minusdioden
Erregerdioden
u
v
w
0
1,5
1,73
Fahrzeug- bezugs-
potenzial
Sternpunkt (Generator-
mittelpunkt)
2.2.3 Drehstromgenerator – Elektr. Aufbau – Hauptstromkreis
- Fahrzeug-null-Potenzial nicht am Generator- Mittelpunkt, sondern am Sammelanschluss der Minusdioden (B- = Fahrzeugbezugspotenzial)
45 45
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik
Plusdioden
Minusdioden
Erregerdioden
u
v
w
0
1,5
1,73
Sternpunkt (Generator-
mittelpunkt)
2.2.3 Drehstromgenerator – Elektr. Aufbau – Hauptstromkreis
- Fahrzeug-null-Potenzial nicht am Generator- Mittelpunkt, sondern am Sammelanschluss der Minusdioden (B- = Fahrzeugbezugspotenzial)
- Am Sammelanschluss der Plusdioden (B+) des Generators entsteht eine wellige Gleichspannung UG
(sechsfache Welligkeit zur Frequenz einer Phase) mit den Maxima Umax = 1,73 uPh max und den Minima Umin = 1,50 uPh max (d.h. Umin = 0,86 Umax).
- Mittelwert (Effektivwert) der gleichgerichteten Spannung: U== 2,34 UPh = 1,66 UPh max.
46 46
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik
uG
2.2.3 Drehstromgenerator – Elektr. Aufbau – Hauptstromkreis
- Die etwas wellige Gleichspannung des Drehstromgenerators wird im Bordnetz – insbesondere durch die Batterie – geglättet.
- In den drei Phasen des Generators fließt jedoch aufgrund der Schaltfunktion der Dioden ein treppenförmiger Wechselstrom.
- Erst außerhalb des Generators (nach den Dioden an den Sammel- anschlüssen B+ und B-) wird daraus ein ebenfalls etwas welliger Gleichstrom.
47 47
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.3 Drehstromgenerator – Elektr. Aufbau – Hauptstromkreis
Drehstromgenerator - Hauptstromkreis
Stromfluss:
vom Mittelpunkt
Plusdiode
Sammelanschluss B+
Verbraucher (und event. Batterie bei Ladung)
Sammelanschluss B-
Minusdiode
negativste Phase
(gegenüber Mittelpunkt)
Mittelpunkt
positivste Phase (gegenüber Mittelpunkt)
48 48
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.3 Drehstromgenerator – Elektr. Aufbau – Erregerstromkreis
Drehstromgenerator - Erregerstromkreis
- eigenständiger kleiner Stromkreis zur Selbsterregung des Generators
über Erregerdioden (Funktion wie Plusdioden),
Erregerfeldwicklung (im Läufer),
Regler und
Minusdioden
49 49
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.3 Drehstromgenerator – Elektr. Aufbau – Stromkreis Vorerregung
Drehstromgenerator – Stromkreis Vorerregung
Vorerregung zum Unterstützen des Anlaufens der Selbsterregung, weil
aufgrund der Dioden der Selbsterregungseffekt erst einsetzen kann, wenn die durch Remanenz erzeugte Spannung die zweifache Flussspannung der Dioden (etwa 1,4 V) erreicht bzw. überschritten hat
und die Remanenz aufgrund der Regelbarkeit bei hohen Drehzahlen und der magn. Verluste (Hysterese) nicht beliebig erhöht werden kann.
50 50
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.3 Drehstromgenerator – Elektr. Aufbau – Stromkreis Vorerregung
Drehstromgenerator – Stromkreis Vorerregung
Generatorkontrolllampe mit Doppelfunktion:
1. Leistung bzw. Widerstand der Kontrolllampe bestimmt die Stromstärke der Vorerregung und damit die Einsetzdrehzahl des Selbsterregungseffektes.
2. Nach Einsetzen des Selbsterregungseffektes erreicht die Spannung des Generators schnell die Bordspannung (Batteriespannung). Potenzialunterschied zwischen B+ und D+ wird null und die Kontrolllampe verlischt.
51 51
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik
2 Elektrische Maschinen in Kraftfahrzeugen
2.1 Grundlagen
2.2 Drehstromgenerator
2.2.1 Leerlaufkennlinie (Spannungskennlinie)
2.2.2 Mechanischer Aufbau
2.2.3 Elektrischer Aufbau
2.2.4 Belastungskennlinie (Stromkennlinie)
2.2.5 Verluste/Wirkungsgrad
2.2.6 Spannungsregelung
2.3 Starter
2.4 Starter-Generator-Maschinen
2.5 Hybridantriebe
2.2.4 Drehstromgenerator – Belastungskennlinie
52 52
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.4 Drehstromgenerator – Belastungskennlinie
UG = konstant (z.B. 14 V)
Drehstromgenerator - Belastungskennlinie
Scheinbar müsste der Generatorstrom linear ansteigen.
𝑼𝑮 = 𝒌 ∙ 𝜱 ∙ 𝝎 − 𝑰𝒈 ∙ 𝒁𝒊 𝑰𝑮 =𝒌 ∙ 𝜱 ∙ 𝝎 − 𝑼𝑮
𝒁𝒊
53 53
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.4 Drehstromgenerator – Belastungskennlinie
UG = konstant (z.B. 14 V)
linearer Anstieg nur am Beginn der Kennlinie
Drehstromgenerator - Belastungskennlinie
54 54
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik
Sättigung
Sättigung
Koerzitivfeldstärke
(entmagnetisierende Feldstärke)
Remanenz
(Restmagnetismus)
Magnetisierungs- kennlinie
2.2.4 Drehstromgenerator – Belastungskennlinie
55 55
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik
Sättigung
Sättigung
+ H
B -
B 0
+ H Magnetisierungs- kennlinie
Einfluss der Ständer- bzw. Ankerrückwirkung
Schwächung des Gesamtmagnetflusses aufgrund der Sättigung des Eisens.
2.2.4 Drehstromgenerator – Belastungskennlinie
Strom in Ständerwicklungen erzeugt zwangsläufig ein eigenes Magnetfeld. Erregerfeld und Ständermagnetfeld überlagern sich.
Verzerrung des Erregerfeldes (Oberwellen) und
56 56
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.4 Drehstromgenerator – Belastungskennlinie
UG = konstant (z.B. 14 V)
Drehstromgenerator - Belastungskennlinie
Abknicken der Kennlinie durch den Einfluss der Ständerrückwirkung
(stromstärkeabhängig)
linearer Anstieg nur im unteren Teil der Kennlinie
57 57
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.3 Drehstromgenerator – Elektr. Aufbau – Hauptstromkreis
uG Anwachsen der induktiven Widerstände der Ständerwicklung
In den Ständerwicklungen des Drehstromgenerators fließt ein treppenförmiger Wechselstrom.
Spulen haben einen frequenzabhängigen Wechselstrom- widerstand XL = ω . L (Blindwiderstand).
Generatorinnenwiderstand ist ein komplexer Widerstand:
Bei niedrigen Drehzahlen (Winkelgeschwindigkeit ist klein):
Bei hohen Drehzahlen (d.h. im Abknickbereich):
IG strebt einem maschinentypischen Höchstwert zu:
(Das betrifft jeweils zwei Phasen gleichzeitig.)
𝑹𝒊 ≫ 𝝎𝑳 𝒁𝒊 ≈ 𝑹𝒊
𝑰𝑮 =𝒌 ∙ 𝜱 ∙ 𝝎 − 𝑼𝑮
𝑹𝒊
𝑹𝒊 ≪ 𝝎𝑳 𝒁𝒊 ≈ 𝝎𝑳
𝒌 ∙ 𝜱
𝑳
lineares Ansteigen von IG
𝑰𝑮 =𝒌 ∙ 𝜱 ∙ 𝝎 − 𝑼𝑮
𝝎𝑳=𝒌 ∙ 𝜱 ∙ 𝝎
𝝎𝑳−𝑼𝑮
𝝎𝑳=𝒌 ∙ 𝜱
𝑳−𝑼𝑮
𝝎𝑳
𝒁𝒊 = 𝑅𝑖𝟐 + 𝝎𝑳 𝟐
58 58
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.4 Drehstromgenerator – Belastungskennlinie
UG = konstant (z.B. 14 V)
Drehstromgenerator - Belastungskennlinie
Abknicken der Kennlinie durch den Einfluss der Ständerrückwirkung
(stromstärkeabhängig)
weiteres Abknicken der Kennlinie durch den Einfluss der induktiven Widerstände der Ständerwicklung
des Generators (drehzahlabhängig)
linearer Anstieg nur im unteren Teil der Kennlinie
59 59
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik
2 Elektrische Maschinen in Kraftfahrzeugen
2.1 Grundlagen
2.2 Drehstromgenerator
2.2.1 Leerlaufkennlinie (Spannungskennlinie)
2.2.2 Mechanischer Aufbau
2.2.3 Elektrischer Aufbau
2.2.4 Belastungskennlinie (Stromkennlinie)
2.2.5 Verluste/Wirkungsgrad
2.2.6 Spannungsregelung
2.3 Starter
2.4 Starter-Generator-Maschinen
2.5 Hybridantriebe
2.2.5 Drehstromgenerator – Verluste/Wirkungsgrad
60 60
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.5 Drehstromgenerator – Verluste/Wirkungsgrad
G 0
P
PZU
PAB
PV Feldwiderstand PV Dioden
PV ohmscher Widerst. Hauptwicklung
PV Magnetisierung
PV Lüfter
Drehstromgenerator – Leistungsbilanz (volle Generatorleistung)
- Aufgrund konstanter Generatorspannung entspricht die Kennlinie der maximalen Leistung der max. Stromkennlinie.
- bester Wirkungsgrad bei niedrigen Drehzahlen
- Bei hohen Drehzahlen sinkt Wirkungsgrad unter 30%.
61 61
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.5 Drehstromgenerator – Verluste/Wirkungsgrad
G 0
P
PZU
PAB
PV Lüfter
Drehstromgenerator – Leistungsbilanz (geringe Generatorleistung)
- Daher beträgt der Wirkungsgrad bei geringer Stromentnahme und hohen Drehzahlen nur noch etwa 10%.
- Alle Verluste mit Ausnahme der des Lüfters sind stromstärkeabhängig. Die Lüfterverluste sind drehzahlabhängig.
62 62
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.5 Drehstromgenerator – Verluste/Wirkungsgrad
Wirkungsgrad 180 A Generator im Drehzahl-Generatorstrom-Kennfeld
Quelle: ATZ extra Januar 2011 / Audi
IG
[A] η
[%]
n [1000 x min-1]
63 63
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik
2 Elektrische Maschinen in Kraftfahrzeugen
2.1 Grundlagen
2.2 Drehstromgenerator
2.2.1 Leerlaufkennlinie (Spannungskennlinie)
2.2.2 Mechanischer Aufbau
2.2.3 Elektrischer Aufbau
2.2.4 Belastungskennlinie (Stromkennlinie)
2.2.5 Verluste/Wirkungsgrad
4.2.6 Spannungsregelung
2.3 Starter
2.4 Starter-Generator-Maschinen
2.5 Hybridantriebe
2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung
64 64
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung
Generatorspannung
Erregerfluss (Erregerstrom)
Generatorstrom
ohne Ständerrückwirkung
ohne Batterieladung/-entladung
Vorerregung
IG=IFmax
IG
F/
IF
UG
UB muss auf einen vorgegebenen Wert (z.B. 14 V) geregelt werden. Selbsterregung
Nachdem Selbsterregung eingesetzt hat, wachsen UG
und somit Φ schnell an.
65 65
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung
Generatorspannung
Erregerfluss (Erregerstrom)
Generatorstrom
ohne Ständerrückwirkung
ohne Batterieladung/-entladung
Vorerregung
IG
F/
IF
UG
UB
IG=IGmax=IF+IVmax
F=Fmax bzw. IF=IFmax
F=Fmin bzw. IF=IFmin
IG=IGmin=IF IV=0
maximale Belastung des Generators
keine Belastung des Generators
Der Generator muss nur seinen eigenen Erregerstrom erzeugen.
66 66
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung
Generatorspannung
Erregerfluss (Erregerstrom)
Generatorstrom
Vorerregung
IG
F/
IF
UG
UB
IV1
IB
Verbraucherstrom
Batteriestrom
und der Laststrom der Verbraucher wird mit zunehmender Drehzahl vom Generator übernommen*.
werden der Erregerstrom bzw. der Erregerfluss maximal
* Jedoch nur bis zum Höchstwert entsprechend seiner Stromkennlinie.
Hat die Generatorspannung die Bordspannung erreicht (ab ω0),
67 67
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung
Generatorspannung
Erregerfluss (Erregerstrom)
Generatorstrom
Vorerregung
IG
F/
IF
UG
UB
IV1
IB
Verbraucherstrom
Batteriestrom
Der verringerte Erregerstrom zeigt sich (wenngleich in geringerem Maßstab) auch im Generatorstrom.
Ab der bestimmten Drehzahl (bzw. Winkelgeschwindigkeit ω1) könnte der Generator eine größere Leistung abgeben, als von den Verbrauchern benötigt.
Von da an reduziert der Regler den Erregerstrom, damit die Leistung des Generators trotz höherer Drehzahl der Leistung der Verbraucher entspricht.
68 68
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung
Annahme 1: Maschinenkonstante k, Generatorinnenwiderstand Zi und Belastungsstrom der Verbraucher IV seien konstant. Die Generatorspannung UG soll unabhängig von der Winkelgeschwindigkeit ω konstant bleiben.
Regelungsprinzip
Φ und somit IF müssen umgekehrt zu ω verändert werden.
Annahme 2: Maschinenkonstante k, Generatorinnenwiderstand Zi und Winkelgeschwindigkeit ω seien konstant. Die Generatorspannung UG soll unabhängig vom Belastungsstrom der Verbraucher IV konstant bleiben.
Φ und somit IF müssen im gleichen Sinn zu IV verändert werden.
𝑈𝐺 = 𝑘 ∙ Φ ∙ 𝜔 − 𝑍𝑖 𝐼𝑉 + 𝐼𝐹 mit Φ = 𝐼𝐹 ∙𝑁
𝑅𝑚𝑎𝑔
𝑈𝐺 = 𝑘 ∙ Φ ∙ 𝜔 − 𝑍𝑖 𝐼𝑉 + 𝐼𝐹 mit Φ = 𝐼𝐹 ∙𝑁
𝑅𝑚𝑎𝑔
69 69
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung
Generatorspannung
Erregerfluss (Erregerstrom)
Generatorstrom
Vorerregung
IG
F/
IF
UG
UB
IV3
Verbraucherströme IV2
IV1 IG1
IG2
IG3
F1/IF1
F2/IF2
F3/IF3
70 70
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung
Generatorspannung
Erregerfluss (Erregerstrom)
Generatorstrom
Vorerregung
IG
F/
IF
UG
UB
IV3
Verbraucherströme IV2
IV1 IG1
IG2
IG3
F1/IF1
F2/IF2
F3/IF3
71 71
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung
Regelungsprinzip
Gesamtgleichung für Spannungsregelung:
Analoge Regelung zwar möglich,
verwendet wird aber seit fast 100 Jahren eine robuste Zweipunktregelung. (Erfinder war der Amerikaner Allen Augustus Tirrill (1872 – 1925).)
72 72
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung
Prinzip der Zweipunktregelung
obere Schaltschwelle
untere Schaltschwelle
UG
IF
IFmax
t
Reglerschalter für Erregerfeldstrom IF
IF1
IF2
IF3
𝐼𝐹 = 𝐼𝐹𝑚𝑎𝑥 1 − 𝑒−𝑡𝜏
𝐼𝐹 = 𝐼𝐹𝑚𝑎𝑥 𝑒−𝑡𝜏
73 73
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung
obere Schaltschwelle
untere Schaltschwelle
UG
IF
IFmax
t
Reglerschalter für Erregerfeldstrom IF
IF1
IF2
IF3
Prinzip der Zweipunktregelung
- Erregerstrom IF wird bei Erreichen der Schaltschwellen ein- bzw. ausgeschaltet.
- Dabei wird das Magnetfeld auf- bzw. abgebaut.
- Es entsteht ein sägezahnförmiger Verlauf des Erregerstromes um einen Mittelwert.
- Je nach Belastung und Drehzahl des Generators stellen sich unterschiedliche Mittelwerte ein.
74 74
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung
B -
R e g le r
E rre g e rfe ld -
w ic k lu n g
u
v
w
D F
D -
( im L ä u fe r)
M in u s -
d io d e n
E rre g e r-
d io d e n
D +
IF F
D+ < 14 V
Spannungsregelung Prinzip
elektro-mech. Regler
75 75
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung
B -
R e g le r
E rre g e rfe ld -
w ic k lu n g
u
v
w
D F
D -
( im L ä u fe r)
M in u s -
d io d e n
E rre g e r-
d io d e n
D +
F
D+ > 14 V
IF
Spannungsregelung Prinzip
elektro-mech. Regler
Relais zieht an
76 76
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung
B -
R e g le r
E rre g e rfe ld -
w ic k lu n g
u
v
w
D F
D -
( im L ä u fe r)
M in u s -
d io d e n
E rre g e r-
d io d e n
D +
IF F
D+ > 14 V
Spannungsregelung Prinzip
elektro-mech. Regler
77 77
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung
B -
R e g le r
E rre g e rfe ld -
w ic k lu n g
u
v
w
D F
D -
( im L ä u fe r)
M in u s -
d io d e n
E rre g e r-
d io d e n
D +
IF F
D+ < 14 V
Spannungsregelung Prinzip
elektro-mech. Regler
Relais fällt ab
78 78
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung
B -
R e g le r
E rre g e rfe ld -
w ic k lu n g
u
v
w
D F
D -
( im L ä u fe r)
M in u s -
d io d e n
E rre g e r-
d io d e n
D +
F
D+ < 14 V
IF
Spannungsregelung Prinzip
elektro-mech. Regler
79 79
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung
Spannungsregelung Prinzip
elektro-mech. Regler
Zunächst an Gleichstromgeneratoren eingesetzt mit:
- Spannungsspule Spannungsregelung
- Stromspule Schutz vor Überlastung
- Rückstromschalter Trennen des Generators von der Batterie bei Unterspannung (niedrige Drehzahlen).
Später auch an Drehstromgeneratoren, jedoch nur mit Spannungsspule, weil
- Überlastschutz aufgrund der stark abknickenden Belastungskennlinie nicht erforderlich und
- Dioden Rückstrom unterbinden würden.
80 80
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung
B -
R e g le r
E rre g e rfe ld -
w ic k lu n g
u
v
w
D F
D -
( im L ä u fe r)
M in u s -
d io d e n
E rre g e r-
d io d e n
D +
d io d e
F re ila u f
- R1
R2 T1 T2
Ein Transistor ist durchgesteuert (eingeschaltet), wenn Basisstrom fließt, dabei ist UBE 0,7 V
USpt = D+/2 R1 = R2
Z-Diode mit UZ = 6,3 V
Basisstrom T1 kann nur fließen, wenn USpt 7 V bzw. wenn D+ 14 V
Spannungsregelung Prinzip
elektronischer Regler
81 81
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung
B -
R e g le r
E rre g e rfe ld -
w ic k lu n g
u
v
w
D F
D -
( im L ä u fe r)
M in u s -
d io d e n
E rre g e r-
d io d e n
D +
d io d e
F re ila u f
- R1
R2 T1 T2
wenn Basisstrom T1, dann ist T1 durchgesteuert, und UCE(T1) 0,3 V
UCE(T1) = UBE(T2)
UBE(T2) zu klein für Basistrom T2
T2 gesperrt
Spannungsregelung Prinzip
elektronischer Regler
USpt = D+/2 R1 = R2
82 82
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung
B -
R e g le r
E rre g e rfe ld -
w ic k lu n g
u
v
w
D F
D -
( im L ä u fe r)
M in u s -
d io d e n
E rre g e r-
d io d e n
D +
d io d e
F re ila u f
- R1
R2 T1 T2
wenn USpt < 7 V, dann kein Basisstrom T1 und T1 gesperrt
Basistrom T2 T2 durchgesteuert
Spannungsregelung Prinzip
elektronischer Regler
USpt = D+/2 R1 = R2
UBE (T2) 0,7 V
83 83
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung
B -
R e g le r
E rre g e rfe ld -
w ic k lu n g
u
v
w
D F
D -
( im L ä u fe r)
M in u s -
d io d e n
E rre g e r-
d io d e n
D +
d io d e
F re ila u f
- R1
R2 T1 T2
Spannungsregelung Prinzip
elektronischer Regler
IF F
D+ < 14 V USpt < 7 V
T1 gesperrt T2 durchgesteuert
84 84
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung
B -
R e g le r
E rre g e rfe ld -
w ic k lu n g
u
v
w
D F
D -
( im L ä u fe r)
M in u s -
d io d e n
E rre g e r-
d io d e n
D +
d io d e
F re ila u f
- R1
R2 T1 T2
Spannungsregelung Prinzip
elektronischer Regler
IF F
D+ > 14 V USpt > 7 V
T1 gesperrt T2 durchgesteuert
Umschaltvorgang
85 85
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung
B -
R e g le r
E rre g e rfe ld -
w ic k lu n g
u
v
w
D F
D -
( im L ä u fe r)
M in u s -
d io d e n
E rre g e r-
d io d e n
D +
d io d e
F re ila u f
- R1
R2 T1 T2
Spannungsregelung Prinzip
elektronischer Regler
IF F
D+ > 14 V USpt > 7 V
T1 durchgesteuert T2 gesperrt
86 86
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung
B -
R e g le r
E rre g e rfe ld -
w ic k lu n g
u
v
w
D F
D -
( im L ä u fe r)
M in u s -
d io d e n
E rre g e r-
d io d e n
D +
d io d e
F re ila u f
- R1
R2 T1 T2
Spannungsregelung Prinzip
elektronischer Regler
IF F
D+ < 14 V USpt < 7 V
T1 durchgesteuert T2 gesperrt
Umschaltvorgang
87 87
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung
B -
R e g le r
E rre g e rfe ld -
w ic k lu n g
u
v
w
D F
D -
( im L ä u fe r)
M in u s -
d io d e n
E rre g e r-
d io d e n
D +
d io d e
F re ila u f
- R1
R2 T1 T2
Spannungsregelung Prinzip
elektronischer Regler
IF F
D+ < 14 V USpt < 7 V
T1 gesperrt T2 durchgesteuert
88 88
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung
Spannungsregelung Prinzip
elektronischer Regler
Zweipunktregelung ist eine starre (nicht nachgiebige) Regelung.
UB Soll = 14 V
IV ~ PV kleiner
größer
IG ~ MG ~ PG kleiner
größer
IBat ~ PBat entladen
laden
UB soll UB ist UB ist < Uq Bat
nVM
PVM kleiner
größer kleiner
14 V
Erhöhter Energiebedarf der Verbraucher
erfordert Steigerung der vom Generator erzeugten Energie.
Kurzzeitige Bereitstellung von Energie durch die Batterie muss anschließend ausgeglichen werden.
Bordspannung bricht kurzzeitig zusammen, bis Generator erhöhte
Leistung bereitstellen kann.
Das schnelle Anwachsen des Generatordrehmomentes führt zu einem Drehzahleinbruch,
bis die Leistung des VM nachgeregelt werden kann.
Motordrehzahl ist im Leerlauf erhöht, um „Abwürgen“ des VM zu vermeiden.
Drehzahleinbruch wird als unangenehm empfunden.
t
89 89
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung
1 5
3 0
3 1
L
D F M
B +
D F
v
B -
M u lti-
fu n k t io n s -
re g le r
Quelle: Bosch
90 90
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung
1 5
3 0
3 1
L
D F M
B +
D F
v
B -
M u lti-
fu n k t io n s -
re g le r
Quelle: Bosch
Zündschalter geschlossen Batteriespannung liegt über Kotrolllampe am Anschluss L des Multifunktionsreglers an.
91 91
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung
1 5
3 0
3 1
L
D F M
B +
D F
v
B -
M u lti-
fu n k t io n s -
re g le r
Quelle: Bosch
Liegt gleichzeitig ein Drehzahlsignal (Wechselspannung) der Phase v vor, wird die Kontrolllampe angesteuert.
Zündschalter geschlossen Batteriespannung liegt über Kotrolllampe am Anschluss L des Multifunktionsreglers an.
92 92
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung
1 5
3 0
3 1
L
D F M
B +
D F
v
B -
M u lti-
fu n k t io n s -
re g le r
Quelle: Bosch
Gleichzeitig erfolgt die Fremderregung des Generators (Quelle Batterie). Der Erregerstrom wird vom Multifunktionsregler puls-weiten-moduliert.
Liegt außerdem ein Drehzahlsignal (Wechselspannung) der Phase v vor, wird die Kontrolllampe angesteuert.
Zündschalter geschlossen Batteriespannung liegt über Kotrolllampe am Anschluss L des Multifunktionsreglers an.
93 93
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung
1 5
3 0
3 1
L
D F M
B +
D F
v
B -
M u lti-
fu n k t io n s -
re g le r
Quelle: Bosch
Der Generator geht in Selbsterregung über und gibt Strom ins Bordnetz ab. Die Bordspannung wird vom Multifunktionsregler überwacht. Bei Änderungen z.B. infolge von Lastwechseln, wird das Tastverhältnis des puls-weiten-modulierten Erregerstroms allmählich in mehreren Schritten korrigiert. Am DFM-Anschluss kann das Tastverhältnis kontrolliert werden.
94 94
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung
Spannungsregelung Prinzip
elektronischer Regler
Multifunktionsregler ermöglicht nachgiebige Regelung.
UB Soll = 14 V (jedoch kurzzeitig auch < 14 V)
IV ~ PV kleiner
größer
IG ~ MG ~ PG kleiner
größer
IBat ~ PBat entladen
laden
UB soll = UB ist
UB ist < Uq Bat1)
nVM
PVM kleiner
größer
14 V
Erhöhter Energiebedarf der Verbraucher
erfordert Steigerung der vom Generator erzeugten Energie.
Kurzzeitige Bereitstellung von Energie durch die Batterie muss anschließend ausgeglichen werden.
Bordspannung bricht gezielt zusammen, bis Generator mittels PWM allmählich
erhöhte Leistung bereitstellt.
Aufgrund des langsameren Anwachsen des Generatordrehmomentes ist der Drehzahl- einbruch praktisch nicht spürbar,
weil die Leistung des VM entsprechend nachgeregelt werden kann.
Motordrehzahl kann auf Mindestdrehzahl verringert werden.
Kraftstoffeinsparung und Komfortgewinn.
t
1) UB ist bis minimal 9 V
95 95
Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung
variable Spannungsregelung auf Basis des VM-Drehmoments zur verbesserten Nutzung von Bremsenergie (Rekuperation)
Multifunktionsregler mit Spannungs- vorgabe (incl. nachgiebiger Regelung)
UB Soll = 9 … 14 … 16 V
IG ≈ IV ~ MG ~ PG
IBat ~ Pbat ≈ 0
UB
t
1) UB bis minimal 9 V
Bordnetz- Management
Vorgabe UB = 9 … 16 V
MVM
Verzögerung/ Gefälle
Beschleunigung/ Steigung
16 V 14 V UB < Uq Bat
1)
entladen
laden
< 0
größer
IG = IV + IB
IG = 0
IB = IV
1
1
2
2
3
3
4
4
Zusätzliche Energieerzeugung durch Generator aus kinetischer Fahrzeugenergie wird zum Laden der Batterie verwendet.
Die aufgespeicherte Energie kann (vorzugsweise bei höherer Belastung des VM) an das Bordnetz abgegeben werden. Geringere Energieerzeugung des Generators Senkung Kraftstoffverbrauch.
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