Drehstromgeneratoren

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1. Hauptbestandteile

• Schleifringlagerschild (hinteres Gehäuse)
• Gleichrichter
• Diodenplatte mit Leistungsdiode und Erregerdiode
• Regler mit Bürstenhalter und Kohlebürsten
• Ständer mit 3 Ständerwicklungen
• Läufer mit Erregerwicklung
• Lüfter
• Riemenscheibe
• Antriebsriemenschild (vorderes Gehäuse)

Compact-Generator:

• Leistungszenerdioden statt Leistungsdioden
• Multifunktionsregler statt Erregerdioden und D+Anschluss (Monolith- statt Hybridregler)

1.1 Funktion der Hauptbestandteile

• zwischen Schleifringlagerschild und Antriebslagerschild ist der Ständer gespannt, in beiden Gehäusehälften ist die Läuferwelle gelagert

Gleichrichter

• mit Kühlblechen als Diodenträger
• mit mindestens 6 Leistungs- und 3 Erregerdioden zur Umformung des Drehstromes in Gleichstrom

Regler

• Bürstenhalter mit Kohlebürsten, die gegen die Schleifringe des Läufers gedrückt werden und so den Erregerstrom der umlaufenden Erregerwicklung zuführen (nur verhältnismäßig kleiner Erregerstrom, Generatoren mit Leitstückläufer arbeiten ohne Kohlebürsten und Schleifringe)

feststehender Ständer

• mit dreiphasiger Ständerwicklung, die den nutzbaren Generatorstrom  an den ebenfalls ruhenden Gleichrichter abgibt
• gegeneinander isolierte mit Nuten versehene Bleche, die zu einem festen Blechpaket zusammengepresst sind
• in den Nuten wellenförmige Windungen der Ständerwicklung eingebettet

rotierender (Klauenpol)Läufer bzw. Rotor

• auf dessen Welle sitzen Polradhälften mit Magnetpolen, Erregerwicklung und zwei Schleifringe
• Erregerwicklung aus einer einzigen kreisförmigen Spule, die von Klauenpolen umfasst wird
• könnte theoretisch in beiden Richtungen betrieben werden, Drehrichtung wird durch die entsprechende Lüfterform für Links- oder Rechtslauf festgelegt

Riemenscheibe

• für den Antrieb durch Keil/- Keilrippenriemen

Lüfter

• zur Kühlung des Generators (maximale Betriebstemperatur 70-80°)

2. Generator-Arbeitsweise

• ein drehendes magnetisches Feld schneidet umlaufend eine elektrische Leiterschleife und induziert durch die sich ständig ändernde Magnetfeldstärke eine Wechselspannung
• Klauenpolläufer mit je sechs Nord- und Südpolen erzeugt das drehende elektromagnetische Feld
• pro Läuferumdrehung schneidet das Magnetfeld des Klauenpolläufers die 3 Wicklungen (Spulen) des Ständerpakets und induziert somit 3×6 vollständige Sinuswellen (dreiphasige Wechselspannung)
• der erzeugte Drehstrom wird in einer elektrischen Sternschaltung zusammengeführt und mit Hilfe von 6 Dioden gleichgerichtet
• die in den drei Wicklungssträngen erzeugten negativen Halbwellen werden von den Minusdioden durchgelassen, die positiven Halbwellen von den Plusdioden
• als Folge entsteht eine Gleichspannung geringer Welligkeit = Gleichrichtung
• der gleichgerichtete Erregerstrom wird der Läuferwicklung (Erregerwicklung) über Schleifringe und Kohlebürsten zugeführt
• Gleichrichterdioden verhindern zusätzlich, dass bei stehendem Motor oder geringer Motordrehzahl ein Strom von der Batterie zu den Phasenwicklungen im Ständer fließen kann (Rückstromschutz)
• durch die Vorerregung über die Kontrolllampe wird der Restmagnetismus des Läufers verstärkt →die zur Selbsterregung erforderliche Spannung wird erreicht (Durchlassspannung der Dioden 2×0,7V=1,4V)
• Kontrolllampe erlischt, wenn der Generator auf das Bordnetz arbeitet (erforderliche Kontrolllampenleistung wegen des Vorerregerstromes: 2W bei 12V bzw. 3W bei 24V
• bei Drehstromgeneratoren mit vollelektronisch gesteuertem Regler ist Vorerregung unabhängig von der Ladekontrollleuchte, Erregerstrom wird vollelektronisch bestimmt

2.1 Schaltung

Vorerregerstromkreis

• Zündschalter ein → Batteriestrom im Läufer baut Magnetfeld auf → Magnetfeld induziert beim Motorstarten in den Ständerwicklungen einen Spannung (>Spannungsabfall an den beiden Dioden im Erregerstromkreis: 2×0,7V)
• Höhe des Vorerregerstromes wird durch die Leistung der Generatorkontrolllampe (=elektrischer Widerstand) bestimmt
• Kontrolllampe erlischt, sobald die erzeugte Generatorspannung  höher ist als die Batteriespannung

Erregerstromkreis

• Erregerstrom in der Erregerwicklung des Läufers baut ein Magnetfeld auf → Magnetfeld induziert in den Wicklungen des Ständers die Generatorspannung
• die dabei erzeugte Strommenge ist um ein Vielfaches größer als die Menge, die in der Erregerwicklung zum Aufbau des Magnetfeldes benötigt wird → Erregerstrom kann kontinuierlich aus der eigenen Stromerzeugung abgezweigt werden (Selbsterregung)

Generatorstromkreis

• die in den drei Phasen des Drehstromgenerators induzierte Drehspannung muss gleichgerichtet Batterie und Verbraucher weitergeleitet werden
• damit der Strom in die beschriebene Richtung fließen kann, muss die erzeugte Generatorspannung geringfügig höher sein als die Batteriespannung

2.2 Spannungsregelung

• Spannungsregler soll die Generatorspannung (zwischen Klemme B+ und B-) begrenzen und über den gesamtem Motordrehzahlbereich konstant halten (Toleranzfeldbereich 14V)
• Generatorspannung wird durch periodisches Ein- und Ausschalten des Erregerstromes reguliert (geschieht nicht schlagartig, wegen hoher induktiver Last der Erregerwicklung)
• Spannungs-Istwert und Erregerstrom werden bei D+ abgegriffen
• bei Sollwertüberschreitung (14,4V) wird der Erregerstrom kurzzeitig durch den Leistungstransistor T der Endstufe unterbrochen (= Ein/-Ausschalter)

Regelzustand „Ein“

• solange Istwert < Sollwert Generatorspannung →Durchbruchsspannung Z-Diode nicht erreicht →kein Stromfluss durch Z-Diode →kein Stromfluss zur Basis des Transistors T1 (gesperrt)
• aber Steuerstrom kann von den Erregerdioden und Klemme D+ über den Widerstand R6 zur Basis des Transistors T2 laufen →Transistor T2 schaltet ein →Verbindung zwischen Klemme DF und der Basis von T3 (wenn T2, dann auch T3 leitend) →Erregerstrom fließt durch T3 und die Erregerwicklung →nimmt während der Einschaltdauer zu →Anstieg Generatorspannung, Spannungsanstieg am Spannungsteiler und Z-Diode

Regelzustand „Aus“

• wenn Generatorspannung > Sollwert →Z-Diode wird mit Erreichen der Durchspanung leitend →Stromfluss von D+ über R1, R2 und ZD zur Basis des Transistors T1 →T1 wird leitend →Spannungsabfall an der Basis von T2 →es fließt kein Basisstrom mehr →Transistoren T2 und T3 (Darlington-Schaltung) werden gesperrt →Erregerstromkreis wird unterbrochen →keine Erregung des Generators →Generatorspannung sinkt weiter
• durch Unterbrechung des Erregerstromes würde durch Selbstinduktion in der Erregerwicklung eine Spannungsspitze entstehen und T2 und T3 zerstören → daher wird der abklingende Erregerstrom über die parallel zur Erregerwicklung geschaltete Freilaufdiode D3 abgeleitet (sobald Generatorspannung < Sollwert und Z-Diode wieder gesperrt ist, wird der Erregerstrom erneut eingeschaltet)
• Regelspiel, bei dem die Erregerwicklung abwechselnd an die Generatorspannung gelegt oder über die Freilaufdiode kurzgeschlossen wird, wiederholt sich in periodischer Folge (abhängig von Generatordrehzahl und Laststrom)

Überspannungsschutz (bei Betrieb ohne Batterie, Reglerausfall, Kurzschluss):

• Freilaufdiode / Z-Diode mit bei 12V-Anlagen 20-24V Ansprechspannung begrenzt die Generatorspannung auf ca. 30V (geeignet für Generatoren bis 35A Nennstrom) →Schutz elektronischer Bauelemente vor Induktionsüberspannungen

3. Störungen am Drehstromgenerator

Voraussetzungen für einen einwandfreien Betrieb des Drehstromgenerators (zu überprüfen vor jeder Fehlersuche am Generator selbst!):

• Batterie voll geladen, dazu Spannungsmessung erst nach 2h Ruhezeit:
  • 12,7 V → 100 %
  • 12,5 V → 80 %
  • 12,3 V → 60 %
  • 12,1 V → 40 %
  • 12,0 V → 30 %
  • < 12V → stark entladen oder defekt

• einwandfreie Spannung und guter Zustand Keilriemen
  • bei zu geringer Spannung rutscht der Riemen durch → Spannungsverlust → Batterie wird nicht voll geladen (dann auch meist andere elektrische Systeme erst teilweise, dann ganz ohne Funktion, z.B. Sicherheits- u. Komfortsysteme wie Beleuchtung, ABS, Lüftung, Radio,…)
  • bei zu hoher Spannung werden die Lager des Generators übermäßig stark belastet und verschleißen vorzeitig (Generator „heult / pfeift“)
  • falsche Keilriemenspannung verkürzt außerdem die Lebensdauer des Riemens

• originale / hersteller-vorgeschriebene Übersetzung von Generator-Riemenscheibe und Kurbelwellen-Riemenscheibe
  • Generatordrehzahl = ca. 3x Kurbelwellendrehzahl → bei Tuning z.B. Umbau auf leistungsstärkeren Generator beachten, Riemenscheibe anpassen!

• Batteriepolklemmen, sämtliche Kontakte, Stecker- und Kabelverbindungen korrekt und fest angeschlossen, sowie sauber d.h. ohne Korrosion, so dass keine Übergangswiderstände vorhanden sind
  • Polfett zum Schutz der Batteriepole gegen Kontaktkorrosion verwenden
  • bei flackernden Instrumentenlampen Kontakte im Schalttafeleinsatz reinigen

• einwandfreie Funktion der Ladekontrollleuchte gegeben, d.h.
  • „aus“ bei unbetätigtem Fahrschalter / Zündung aus
  • „ein“ bei betätigtem Fahrschalter / Zündung ein
  • „aus“ bei Motorlauf bzw. wenn Generatorspannung > Batteriespannung

• zulässiger Spannungsabfall Ladeleitung von Drehstromgenerator Kl. B+ bis Batterie +:
  • max. 0,4V bei 12V / 0,8V bei 24V → sonst Übergangswiderstand Ladeleitung (Strom bei Nennspannung und Nennleistung, d.h. Regulierspannungsmessung z.B. mit Bosch Tester ETT 011 unter Belastung bei erhöhter Drehzahl)

• zulässiger Spannungsabfall Steuerleitung von Drehstromgenerator bis Regler Klemmen D+, D-, DF (alle drei Steuerleitungen mit möglichst gleicher Länge und gleichem Widerstand)
  • max. 0,1V bei 12V / 0,2V bei 24V (bei maximalem Erregerstrom)

4. Diagnosemöglichkeiten

• Spannungsmessung an Batterie und Verbrauchern (Voltmeter)
• Ladestrommessung am Generator (Amperemeter)
• Prüfen des Transistorreglers (Spannungsmessung an der Generatorkontrolllampe)
• Diodenprüfung mit dem Oszilloskop
  • Unterbrechung oder Kurzschluss von Erreger- oder Minus- oder Plusdiode
  • Messung an 3 Lötpunkten am Stator im ausgebauten Zustand (pro Diode 2 Messungen: Durchlass und Sperrrichtung)
• Statorwicklung: optisches Prüfen, Isolationsmessung, Durchgangsmessung
• Compact-Generator: digitale Osziloskopprüfung am Fahrzeug (Leerlaufdrehzahl, Verbraucher einschalten) oder Generatorprüftstand (1500-2000 U/min, 10-15A Belastung) →rote Leitung ab B+ und schwarze Leitung an Masse

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