Elektrische Grundlagen einer Drehstromlichtmaschine

Transkript

1 Elektrische Grundlagen einer Drehstromlichtmaschine Im nachfolgenden werden die elektrischen Grundlagen einer Drehstromlichtmaschine erläutert mit dem Ziel eine defekte Drehstromlichtmaschine prüfen und reparieren zu können. Es wird versucht die Physik möglichst anschaulich und einfach zu erklären. Die wesentliche physikalische Grundlage der Drehstromlichtmaschine ist die elektromechnische Induktion. Diese sagt aus, wenn ein Leiter durch ein Magnetfeld bewegt wird (im Bild VEKTOR F), entsteht im Leiter eine Spannung (+ - ), die einen Strom zur Folge hat. Der Strom ist in der Drehstromlichtmaschine dann der Ladestrom. Magnetfeld (Feldlinien), Leiter und Bewegungsrichtung sind jeweils senkrecht zueinander. Ob der Magnet für die Magnetfelderzeugung ein Permanentmagnet oder ein Elektromagnet (Spule um einen Kern) ist, ist im Prinzip unerheblich. Bei einem Fahrraddynamo ist der Magnet ein Permanantmagnet. Um die Zusammenhänge zu verstehen muss man nun weitere Eigenschaften der Induktion wissen. 1. Die induzierte Spannung ist proportional steigend mit der Geschwindigkeit, mit der der Leiter durch das Magnetfeld bewegt wird. 2. Die induzierte Spannung ist proportional zur Feldstärke des Magneten. Nun wieder zu unserem Fahrraddynamo mit dem Permanentmagneten. Der Permanentmagnet ist mit dem Reibrad verbunden und bewegt sich bei Bewegung an der Spule vorbei und induziert in der Spule eine Spannung/Strom. Die Richtung der Spannung (wo ist + und minus) ist abhängig davon, ob sich der Magnet auf die Spule zubewegt oder von ihr wegbewegt. Es entsteht also eine Wechselspannung. Da die Spannung abhängig von der Geschwindigkeit ist, steigt diese bei höherer Geschwindigkeit des Fahrrades. Jeder hat dies vielleicht schon festgestellt wenn er mit dem Fahrrad Nachts den Berg hinunterfährt. Wenn es dumm kommt, steigt die Spannung so an, dass die Birne durchbrennt. Dies ist auch der Grund, warum die Drehstromlichtmaschine keine Permanentmagnete hat, sondern das Feld mit einem Elektromagneten erzeugt. Die Feldstärke eines Elektromagneten lässt sich über den Strom steuern. Dies macht der Regler der Lichtmaschine, der den Strom durch die Feldwicklung

2 so steuert, dass die Ausgangsspannung 14,4 Volt nicht übersteigt, und dies möglichst auch schon bei Leerlaufdrehzahl. Das nachfolgende Bild zeigt einen ausgebauten Läufer (Elektromagnet der Feldwicklung) einer Drehstromlichtmaschine. Die Pole sind so ausgebildet, dass mit einer Wicklung jeweils 6 Nord (linke Klauenköpfe) und Südpole (rechte Klauenköpfe) entstehen. Dies erhöht die Geschwindigkeit, mit der sich die Spulen der Generatorwicklungen an den Polen vorbeibewegen. Es wird also früher Strom erzeugt. Rechts im Bild die beiden Schleifringe. Sie sind plan und nicht eingelaufen. Dies ist auch bei unserer Lichtmaschinenrevision zu prüfen. Bei Lucas Lichtmaschinen sind die Schleifringe jedoch tangential und nicht wie hier radial angeordnet. Die beiden Lager links und rechts auf der Welle sind entfernt. Diese werden auch bei unserer Revision erneuert. Über die beiden Schleifringe wird der Erregerstrom auf die Feldwicklung übertragen. Mit dem Ohmmeter kann man die Feldwicklung prüfen. Eine Oldtimerdrehstromlichtmaschine, die etwa 300Watt leistet (34A) hat einen Erregerstrom von etwa 0,5 Ampere Der Ohmwert der Feldwicklung ist daher etwa 24 Ohm (U/I = R ; 12/0,5 = 24) Die beiden Pole des Messgerätes werden dazu an die beiden Schleifringe gehalten. Der Messbereich des Gerätes ist dazu auf 200 Ohm zu stellen. Zeigt das Gerät keinen Ohmwert an, ist die Wicklung durchgebrannt (Kabelbruch). Werte kleiner 10 Ohm sind auch nicht plausibel. Hier könnten die Windungen der Wicklung untereinander Schuss haben. Hier besteht die Gefahr dass der Regler überlastet wird da ein zu hoher Feldstrom fließt. Links die Drehstrom Generatorwicklung. Drehstrom ist ein Strom in 3 Leitern ( Phasen), hier mit U,V,W gekennzeichnet, bei dem der Verlauf der Wechselspannung jeweils um 120 Grad versetzt ist. Man sieht dass die 3 Wicklungen jeweils wieder um den drittnächsten Pol gewickelt sind. Insgesamt gibt es jeweils 6 U, V und W Pole. Diese sind fest im Gehäuse. An diesen bewegen sich die 6 Feldpole des Läufers vorbei. So wird ein Drehstrom mit einer Frequenz die 6 mal so groß wie die Drehzahl des Läufers ist erzeugt. Rechts unten an der hinteren Platte sieht man die 3 Anschlüsse der 3 Wicklungen an die Diodenplatte. Im Schaltplan unten habe ich diese Anschlüsse rot umkreist. Diese Anschlüsse müssen für die Prüfung des Ohmwertes nicht unbedingt nicht unbedingt ausgelötet werden. Wenn der Regler

3 abgebaut ist und keine weiteren Anschlüsse angeschlossen sind kann an diesen Punkten der Ohmwert der 3 Wicklungen U,V und W gemessen werden. Wie im Schaltplan ersichtlich sind die 3 Wicklungen in Sternschaltung angeschlossen, ein Ende aller Wicklungen sind also miteinander verbunden. Von einem Anschlusspunkt an die Diodenplatte zur anderen sind also immer 2 Wicklungen hintereinandergeschaltet. Der Ohmwert muss dabei so zwischen 0,5 und 1,5 Ohm liegen. Wichtig ist es, dass alle 3 Werte annähernd gleich sind. Kann kein Wert gemessen werden, so ist eine Wicklung durchgebrannt oder der Draht gebrochen. Im Besten Fall ist dieser beim Anschluss an die Diodenplatte gebrochen. Hier kann man ihn reparieren. Der Austausch einer defekten Drehstromwicklung lohnt sich nicht. Hier sollte man in eine neue LIMA (oder gebrauchte, funktionierende ) investieren. Die Diodenplatte und den Regler sollte man ausbauen und als Ersatzteil verwenden (Prüfung siehe unten) Ausser den Spulen im Schaltplan, die mit schwarzen Rechtecken dargestellt sind, gibt es als wesentliche Elemente noch die Halbleiter Dioden. Diese werden hier als Gleichrichterdioden verwendet, die den Wechselstrom der 3 Phasen U,V und W in Gleichstrom richten. Eine Halbleiterdiode ist ein elektrisches Ventil, die den Strom in eine Richtung (Pfeilrichtung des Symbols) durchlässt und in die andere Richtung sperrt. In den 3 Wicklungen U,V und W werden 3 Wechselspannungen induziert die jeweils um 120 Gad versetzt sind (siehe linkes Bild) und zwischen der negativen und positiven Amplitude wechseln. Die positive Amplitude ist im eingeschwungenen

4 Zustand des Reglers die Abregelspannung von 14,4 Volt. Für jede Wicklung gibt es nun ein Diodenpaar, das die jeweilige Wechselspannung gleichrichtet. Eine Diode steuert den Stromfluss Richtung Plus Pol der Batterie (im Bild mit 1 markiert) und die andere Richtung Minus Pol der Batterie(im Bild mit 2 markiert). Strom kann nur fließen wenn die Spannung der Wicklung größer ist als die Spannung der Batterie. Bei angenommener Batteriespannung von 12,4 Volt also im oberen Bogen jeder Kurve (u,v,w) von 12,4 Volt bis 14,4 Volt und zurück. Bei nur einer Wicklung wäre dies ein sehr pulsierender Strom, der nur über einen Phasenwinkel von ca. 45 Grad fließt und die restlichen 315 Grad nicht fließt. Da die 3 Phasen aber jeweils um 120 Grad versetzt sind verringert sich die Welligkeit erheblich. Man kann sich dies folgendermaßen vorstellen. Wenn man mit einer Luftpumpe einen Reifen aufpumpt. Muss auch erst der Druck in der Luftpumpe den Druck im Reifen übersteigen, bis Luft aus der Luftpumpe in den Reifen gelangt. Entsprechend der Diode1 ist hier das Ventil im Schlauch das steuernde Element. Das Ventil in der Luftpumpe entspricht der Diode 2. Beim Zurückziehen der Luftpumpe kann so neue Luft in den Kolben gelangen. Wenn der Schlauch 3 Ventile (entsprechend den 3 Wicklungen und Diodenpaaren) hätte könnten 3 Personen den Schlauch viel gleichmäßiger und schneller aufpumpen. Die 6 Hauptdioden werden mit dem Ohmmessgerät gemessen. Messbereich auf 1000 Ohm stellen. Der Messstrom bei Ohmmessung fließt von dem roten Kabel zum schwarzen. Wird hier ein Ohmwert kleiner 1000 Ohm gemessen so gibt es Durchgang (üblicher Wert ca.600 Ohm). Die drei Dioden Richtung plus Klemme müssen Durchgang haben (von den 3 Wicklungsanschlüssen nach B+ Klemme messen). In Gegenrichtung müssen sie sperren (Ohmwert > 1000 KOhm). Die Dioden Richtung Masse (oben 2) müssen nach Masse sperren, in Gegenrichtung Durchgang. Die 3 Erregerdioden müsssen Richtung Regleranschluss (rot) Durchgang haben und rückwärts sperren. Der Strom durch diese Dioden dient dem Regler zum regeln des Feldstromes. Fließt hier noch kein Strom, so nimmt der Regler den Feldstrom von der Batterie durch die Ladekontrolleuchte. Diese leuchtet, sobald die Spannung aus den Wicklungen aber ca. 10 Volt überschreitet, geht die Ladekontrolleuchte aus. Funktion des Reglers Aufgabe des Reglers ist es die Ausgangsspannung der Lichtmaschine auf 14,4 Volt zu begrenzen. Die erreicht er durch die Regelung des Feldstroms. Die Feldstärke der Feldspule ist proportional zum Strom im Quadrat. Der Strom wird durch einen Leistungstransistor gesteuert. Dieser muss dazu einen Teil des Stroms in Wäme umwandeln. Der Regler kann entweder auf der Plus Seite der Feldwicklung sitzen, wie oben im Schaltplan, oder auf der Minusseite. Die Regler unterscheiden sich dann jedoch.

5 Einzelschritte bei der Überholung der Lichtmaschine. 1. Spannungs- und Strommessung auf dem Prüfstand 2. Auseinanderbau der Lichtmaschine 3. Prüfung Kollektor (eingelaufen) Abnutzung Kohlen (Ersetzen) 4. Ohmmessung Feldwicklung 5. Ohmmessung Drehstromwicklungen 6. Durchgangsmessung Hauptdioden 7. Durchgangsmessung Erregerdioden 8. Ersetzen Kugellager 9. Optische Überholung (streichen, fetten) 10. Zusammenbau 11. Spannungs uns Strommessung auf dem Prüfstand.