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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 Elektrische Maschinen in Kraftfahrzeugen - kfz-fachwissen.tk · Beispiel: Kurbelwellen-Starter-Generator als universelle elektrische Maschine Der KSG soll den Verbrennungsmotor

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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

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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)

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Werner von Siemens (1866): Erster „Dynamo“

Motor mit Trommelanker von Friedrich von Hefner-

Alteneck (1872)

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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

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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.

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Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.1 Grundlagen

Analogie zum elektrischen Stromkreis: mang. Spannungsquellen Θ und magn. Spannungsabfälle V.

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.

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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.

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Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.1 Grundlagen

Wirkungskette:

Umkehrung:

Transformatorprinzip

Induktionsgesetz:

Dabei ist die induzierte Spannung ihrer Ursache entgegen gerichtet (Lenz'sche Regel).

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Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.1 Grundlagen

erweiterte Wirkungskette:

Umkehrung:

elektrische Maschinen als Motoren

elektrische Maschinen als Generatoren

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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: mit der Amplitude: und der Frequenz:

Der magn. Fluss wird auch als Erregerfluss, das Magnetische Feld als Erregerfeld bezeichnet. Entsprechend bekommt der magn. Fluss den Index F ( ΦF = ErregerFluss).

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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.

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Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.1 Grundlagen

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

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Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.1 Grundlagen

Zweite grundlegende Gleichung für elektrische Maschinen:

elektr. Seite innere Leistung mech. Seite

Maschinenstrom

Schema einprägen!

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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)

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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.

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Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.1 Grundlagen

Reluktanzmaschinen nur mit ruhenden Hauptwicklungen

Beispiel Schrittmotor mit elektronischer Ansteuerung

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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

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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.)

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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 durch gemeinsamen Strom teilen.):

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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:

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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.

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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

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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)

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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

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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

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Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.1 Drehstromgenerator - Leerlaufkennlinie

Ersatzschaltbild – fremd erregter Generator

Generator-Spannungsgleichung:

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Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.1 Drehstromgenerator - Leerlaufkennlinie

Zi

RF

Uq

UG

(I =0)G

Leerlaufkennlinie (Spannungskennlinie) des fremd erregten Generators

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28 28

Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.1 Drehstromgenerator - Leerlaufkennlinie

Ersatzschaltbild – selbst erregter Generator

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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

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30 30

Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.1 Drehstromgenerator - Leerlaufkennlinie

Leerlaufkennlinie (Spannungskennlinie) des selbst erregten Generators

Sättigung

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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

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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

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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.

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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

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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:

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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

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37 37

Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik

2.2.2 Drehstromgenerator – Mech. Aufbau – moderne Generatoren

Drehstrom- generator 150 A (flüssigkeitsgekühlt)

Quelle: Bosch

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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)

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39 39

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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

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40 40

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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

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41 41

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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

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42 42

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

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43 43

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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)

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44 44

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.

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45 45

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.

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46 46

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)

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47 47

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

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48 48

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.

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49 49

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.

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50 50

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

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51 51

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.

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52 52

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

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53 53

Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik

Sättigung

Sättigung

Koerzitivfeldstärke

(entmagnetisierende Feldstärke)

Remanenz

(Restmagnetismus)

Magnetisierungs- kennlinie

2.2.4 Drehstromgenerator – Belastungskennlinie

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54 54

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

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55 55

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

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56 56

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:

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57 57

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

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58 58

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

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59 59

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%.

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60 60

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.

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61 61

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]

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62 62

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

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63 63

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.

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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

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.

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65 65

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),

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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

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.

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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

IV3

IB

Verbraucherstrom

Batteriestrom

Je größer die Belastung durch die Verbraucher, um so später erreicht der Generator erst die geforderte Leistung (ω3).

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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.

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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

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70 70

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).)

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71 71

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 )

IF=IFmax(e )

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72 72

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.

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73 73

Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung

B -

R egler

E rregerfe ld -

wicklung

u

v

w

D F

D -

(im Läufer)

M inus-

dioden

E rreger-

dioden

D +

IF F

D+ < 14 V

Spannungsregelung Prinzip

elektro-mech. Regler

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74 74

Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung

B -

R egler

E rregerfe ld -

wicklung

u

v

w

D F

D -

(im Läufer)

M inus-

dioden

E rreger-

dioden

D +

F

D+ > 14 V

IF

Spannungsregelung Prinzip

elektro-mech. Regler

Relais zieht an

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75 75

Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung

B -

R egler

E rregerfe ld -

wicklung

u

v

w

D F

D -

(im Läufer)

M inus-

dioden

E rreger-

dioden

D +

IF F

D+ > 14 V

Spannungsregelung Prinzip

elektro-mech. Regler

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76 76

Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung

B -

R egler

E rregerfe ld -

wicklung

u

v

w

D F

D -

(im Läufer)

M inus-

dioden

E rreger-

dioden

D +

IF F

D+ < 14 V

Spannungsregelung Prinzip

elektro-mech. Regler

Relais fällt ab

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77 77

Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung

B -

R egler

E rregerfe ld -

wicklung

u

v

w

D F

D -

(im Läufer)

M inus-

dioden

E rreger-

dioden

D +

F

D+ < 14 V

IF

Spannungsregelung Prinzip

elektro-mech. Regler

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78 78

Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung

B -

R egler

E rregerfe ld -

wicklung

u

v

w

D F

D -

(im Läufer)

M inus-

dioden

E rreger-

dioden

D +

diode

Freilauf

- 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

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79 79

Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung

B -

R egler

E rregerfe ld -

wicklung

u

v

w

D F

D -

(im Läufer)

M inus-

dioden

E rreger-

dioden

D +

diode

Freilauf

- 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

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80 80

Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung

B -

R egler

E rregerfe ld -

wicklung

u

v

w

D F

D -

(im Läufer)

M inus-

dioden

E rreger-

dioden

D +

diode

Freilauf

- 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

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81 81

Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung

B -

R egler

E rregerfe ld -

wicklung

u

v

w

D F

D -

(im Läufer)

M inus-

dioden

E rreger-

dioden

D +

diode

Freilauf

- R1

R2 T1 T2

Spannungsregelung Prinzip

elektronischer Regler

IF F

D+ < 14 V USpt < 7 V

T1 gesperrt T2 durchgesteuert

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82 82

Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung

B -

R egler

E rregerfe ld -

wicklung

u

v

w

D F

D -

(im Läufer)

M inus-

dioden

E rreger-

dioden

D +

diode

Freilauf

- R1

R2 T1 T2

Spannungsregelung Prinzip

elektronischer Regler

IF F

D+ > 14 V USpt > 7 V

T1 gesperrt T2 durchgesteuert

Umschaltvorgang

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83 83

Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung

B -

R egler

E rregerfe ld -

wicklung

u

v

w

D F

D -

(im Läufer)

M inus-

dioden

E rreger-

dioden

D +

diode

Freilauf

- R1

R2 T1 T2

Spannungsregelung Prinzip

elektronischer Regler

IF F

D+ > 14 V USpt > 7 V

T1 durchgesteuert T2 gesperrt

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84 84

Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung

B -

R egler

E rregerfe ld -

wicklung

u

v

w

D F

D -

(im Läufer)

M inus-

dioden

E rreger-

dioden

D +

diode

Freilauf

- R1

R2 T1 T2

Spannungsregelung Prinzip

elektronischer Regler

IF F

D+ < 14 V USpt < 7 V

T1 durchgesteuert T2 gesperrt

Umschaltvorgang

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85 85

Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung

B -

R egler

E rregerfe ld -

wicklung

u

v

w

D F

D -

(im Läufer)

M inus-

dioden

E rreger-

dioden

D +

diode

Freilauf

- R1

R2 T1 T2

Spannungsregelung Prinzip

elektronischer Regler

IF F

D+ < 14 V USpt < 7 V

T1 gesperrt T2 durchgesteuert

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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

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Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung

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L

D FM

B +

D F

v

B -

M u lti-

funktions-

reg ler

Quelle: Bosch

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Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung

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D FM

B +

D F

v

B -

M u lti-

funktions-

reg ler

Quelle: Bosch

Zündschalter geschlossen Batteriespannung liegt über Kotrolllampe am Anschluss L des Multifunktionsreglers an.

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Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung

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D FM

B +

D F

v

B -

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funktions-

reg ler

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.

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Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung

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D FM

B +

D F

v

B -

M u lti-

funktions-

reg ler

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.

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Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 2.2.6 Drehstromgenerator – Spannungsregelung

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L

D FM

B +

D F

v

B -

M u lti-

funktions-

reg ler

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.

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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

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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.