Störspannungsimpulse nach Schaltvorgängen an Gleichstrommotoren im Kraftfahrzeug

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1 Störspannungsimpulse nach Schaltvorgängen an Gleichstrommotoren im Kraftfahrzeug Otto von Guericke Universität Magdeburg Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl für Elektromagnetische Verträglichkeit Dipl.-Ing. A. Salas Gómez, Prof. Dr. R. Vick, Dipl.-Ing. M. Magdowski,

2 Inhalt 1. Einleitung 2. Messaufbau 3. Modell des Motors 3.1 Bestimmung der Parameter 3.2 Alternative Drehzahlmessung 4. Modell des Relais 5. Vergleich zwischen und 6. Zusammenfassung

3 1. Einleitung Problemstellung Zahlreiche Gleichstrommotoren im Bordnetz, mit Relais geschaltet Motor = induktive Last, Überspannung beim Ausschalten Abhängigkeit vom Betriebszustand, Relais und Entstörkondensator Überkopplung auf andere Leitungen im komplexen Bordnetz Zielsetzung 1. en an realen Motoren und Schaltrelais 2. Modellierung der verwendeten Motoren und Relais 3. Erstellung eines SPICE-Ersatzschaltbildes 4. Validierung der sergebnisse

4 2. Messaufbau Schalter Vereinfachungen Quelle Entstörkondensator M Motor keine Bürstenübergangsspannung keine Ankerrückwirkung keine Sättigung der Induktivitäten Berücksichtigung der Reibung M W MViskose WViskose Gleit Gleit M Fluid W Fluid M Gleit = ω WGleit M Gleit ω WGleit = M Gleit = ω WGleit M Gleitreibung Viskosereibung Fluidreibung Gleit = W sgn ( ω) Gleit M Viskose = ω W 2 Viskose M = sgn ( ω) ω W Fluid Fluid

5 3 Modell des Motors Parameter des Motormodells 1. Wicklungsinduktivität 2. Wicklungswiderstand 3. Faktor für die elektromotorische Gegenkraft 4. Reibungsparameter 5. Trägheitsmoment 6. Faktor für das Drehmoment Elektrischer Teil Mechanischer Teil Belastung des Motors Zur verschiedener Betriebszustände Vom Leerlauf bis zur totalen Blockierung des Motors Durch Lastmoment Motor kann auch rückwärts drehen Durch Reibung Motor wird blockiert, dreht aber nicht zurück

6 3 Modell des Motors Gliederung des Motors Elektrischer Teil Beispiel-Fensterhebermotor FPG 12V Bestell-Nr I Motor Stromgesteuerte Motor _ Pos RMotor LMotor Spannungsquelle H GegenEMK Motor _ Neg VSensor = V SPICE - Realisierung der Mechanik: Mechanischer Teil Drehzahl Drehmoment Trägheit Viskosereibung Strom Spannung Induktivität Widerstand H Moment I Drehzahl RReibung LTrägheit BReibung

7 3.1 Bestimmung der Modellparameter en: U-I-Kennlinie des leerlaufenden Motors U-I-Kennlinie des blockierten Motors Stromverlauf beim Einschalten des blockierten Motors Spannungsverlauf beim Ausschalten des leerlaufenden Motors R Motor KEMK = L Motor L Trägheit K Moment B Reibung R Reibung Anlaufstromverlauf im blockierten Zustand Klemmspannung im Leerlauf 4, Strom (in A) 3,5 3 2,5 2 1,5 1,5 Spannung (in V) , Zeit (in ms) Zeit (in ms)

8 3.1 Bestimmung der Parameter Strom-Spannungskennlinie im Leerlauf Bestimmung der Drehzahl,9,8,7 Strom (in A),6,5,4,3,2, Spannung (in V) Umdrehung /s

9 4 Modell des Relais Ausschalten Beispiel: Relais Nr. 53 Ansteigen des Kontaktwiderstandes R Kontakt Ron ( t) = t 1+ t s Durchlasswiderstand Schaltzeit Öffnen der Kontakte, mögliche Zündung eines Lichtbogens, Wachsen des Kontaktabstandes Löschen des Lichtbogens, Kontakte sind geöffnet, Ausbildung einer Spannungsspitze

10 4 Modell des Relais Nährung der Lichtbogenkennlinie von Kupferkontakte Die Lichtbogenkennlinie ist abhängig von: -Spannung -Kontaktstrom -Kontaktabstand -Kontaktwerkstoff U LB s KLB = + U Exponent I 1A min 14V,4A

11 4 Modell des Relais Um das Relais zu simulieren, werden noch die Parameter benötigen: -Kontaktöffnungsgeschwindigkeit -Maximale Kontaktabstand Für die Modellierung wird dazu die Funktion U D = EDs + U Si gebraucht Zur genaue wurden folgende unterschiedliche Zustände erfasst: -Es zündet kein Lichtbogen, d.h. die Kontaktöffnung kann durch eine kurze Abfallzeit beschrieben werden -Es zündet zunächst kein Lichtbogen, aber aufgrund der Spannungsinduktion wird mit zunehmender Kontaktspannung ein Durchschlag am sich öffnenden Kontakt erfolgen -Beim Öffnen der Kontakte zündet sofort ein Lichtbogen

12 5. Vergleich zwischen und Abschalten im Leerlauf Strom Spannung Strom (in A),8,7,6,5,4,3,2 Spannung (in V) ,1-3 -, Zeit (in µs) Zeit (in µs) Spannungsbetrieb: 12V Entstörkondensator: 1nF

13 Abschalten im Leerlauf (Durchschlag) 5. Vergleich zwischen und Strom Spannung Strom (in A) 3,5 3 2,5 2 1,5 1 Spannung (in V) , , Zeit (in µs) Zeit (in µs) Spannungsbetrieb: 12V Entstörkondensator: 1nF

14 5. Vergleich zwischen und Abschalten im blockierten Zustand Strom Spannung Strom (in A) Spannung (in V) Zeit (in µs) Zeit (in µs) Spannungsbetrieb: 5,5V Entstörkondensator: 141nF

15 6. Zusammenfassung Ergebnisse Parametrierbares SPICE- Modell für permanenterregte Gleichstrommotoren SPICE- Modell für das Relais Durch die Kopplung beider Modelle lässt sich die Abschaltimpulse bei unterschiedlichen Abschaltszenarien Es können Abschaltvorgänge, Überkopplungen und Störsignal-ausbreitung bei der EMV-Analyse im Fahrzeug berücksichtigt werden. Ausblick 1. Modellierung und der Stochastik der Schaltvorgänge (Einer Monte-Carlo- ) 2. Motormodell (Eine zusätzliche positionsabhängige Quelle, der Kommutierungsvorgang) 3. Modellierung des Relais (das Kontaktprellen, eine exaktere des Kontaktabstandes und der Kontaktgeschwindigkeit)

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