Diagnose Ladesystem eines selbsterregten Generators

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1 Diagnose Ladesystem eines selbsterregten Generators Zum Einstieg in die Diagnose soll kurz der Aufbau und die Funktion der selbsterregten Generatoren und der dazugehörigen Regler und Gleichrichter wiederholt werden. Der Bedarf an elektrischer Energie hat bei modernen Krafträdern stark zugenommen. In den 60er Jahren betrug die durchschnittliche Leistung eines Gleichstromgenerators 150 W bis 180 W. Mit der Ablösung des Gleichstromgenerators durch den Drehstromgenerator waren nur bei kleiner Bauweise und geringem Gewicht Generatoren herstellbar, die einen elektrischen Leistungsbedarf zwischen 400 W und 1600 W abdecken konnten. Mit zunehmendem Einzug der Elektronik in die Kraftfahrzeugtechnik wurden viele Steuerungs- und Regelungsaufgaben nicht mehr mechanisch, sondern durch elektrische Aggregate ausgeführt, z. B. elektrisch angetriebener Lüfter, elektrisch betätigte Einspritzventile, Lambdasondenheizung,. Ein weiterer Bedarf an elektrischer Energie wurde durch den Einzug der Komfort- und Sicherheitselektronik hervorgerufen, z. B. ABS-Systeme, Kommunikationssysteme usw. Die neue Generation von Drehstromgeneratoren für Motorräder kann Leistungen von etwa 800 W abgeben, dies entspricht bei 14 V-Generatoren einem Strom von etwa 60 A. Um die bei diesen Strömen im Generator entstehende Verlustwärme abführen zu können, müssen die Generatoren entsprechend gekühlt werden. Die Erzeugung der elektrischen Energie im Kraft-Fahrzeug erfordert zusätzlichen Kraftstoff. Gibt ein Generator eine Stunde lang eine Leistung von 400 W ab, so verbraucht er zur Erzeugung dieser Energie etwa 0,2 ltr. Ottokraftstoff. Aufgaben: Während des Betriebes des Kraftfahrzeuges die elektrischen Verbraucher mit Energie zu versorgen und die Starterbatterie zu laden. Eigenschaften - Hohe Leistung bei kleiner Bauweise und geringem Gewicht (kleines Leistungsgewicht und geringe Massenträgheit) - Leistungsabgabe schon bei Motorleerlauf möglich, dadurch frühzeitiger Ladebeginn der Starterbatterie - verschleißarm, dadurch geringer Wartungsaufwand und lange Lebensdauer - mechanisch und elektrisch robuste Ausführung - hohe Drehzahlfestigkeit. Wirkungsweise Die Spannungserzeugung im Drehstromgenerator beruht auf dem elektrodynamischen Prinzip, d. h. wenn sich in einer Leiterschleife ein Magnetfeld verändert (die Leiterschleife schneidet" die magnetischen Feldlinien), wird in ihr eine elektrische Spannung induziert. (Zur Spannungsinduktion siehe auch Bike und Business 07/2004, Ausbildungsteil). Aufgrund der räumlichen Anordnung der drei Wicklungsstränge im Ständer entstehen bei Drehung eines Magnetfeldes mit einem Nordpol und einem Südpol drei Wechselspannungen bzw. Wechselströme, die jeweils 120 zueinander Phasen verschoben sind d. h. es entsteht Drehstrom.

2 Bauliche Ausführungen: Generatoren werden beim Motorrad in 3 grundsätzlichen Ausführungen verbaut. Wechselstromgeneratoren Hier ist eine Ladespule feststehend verbaut, Permanentmagnete rotieren im Polrad. Die Magnetfeldlinien schneiden die Spule und erzeugen dabei eine Wechselspannung. Baulich unterscheidet sich der Wechselstromgenerator mit Ausnahme der Spulenzahl nicht vom selbsterregten Drehstromgenerator. Drehstromgenerator selbsterregt Hier sind drei Ladespulen im Versatz von 120 Grad verbaut. Permanentmagnete sind im Polrad (innen- oder außenliegend) verbaut. Merkmale der selbsterregten Drehstromlichtmaschine: 4 oder 6 Permanentmagnete im Rotor (Drehzahlfest, keine Verschleißteile). 3 Spulen in Stern- oder Dreieckschaltung (Dreieckschaltung hat bei niedrigen Drehzahlen die höhere Stromabgabe.) Keine Masseverbindung von den Lichtmaschinenspulen zur Fahrzeugmasse. Thyristorregler mit externer (= geschaltetes Plus, Klemme 15, an Regler/Gleichrichter) oder interner Spannungsinformation. 3-Phasen-Vollweg-Diodengleichrichter mit 6 Dioden. Ladestrom wird immer in vollem Umfang erzeugt. Drehstromgenerator fremderregt als Klauenpolläufer Die Ladespulen sind im Stator feststehend montiert. Das Magnetfeld wird durch eine rotierende Feldwicklung erzeugt. Der Erregerstrom wird über Bürsten und Schleifkontakte auf die rotierende Erregerwicklung übertragen. Drehstromgenerator fremderregt als Leitstückläufer. Auch hier sind die Ladespulen im Stator feststehend verbaut. Die Erregerwicklung ist ebenfalls feststehend verbaut. Im Luftspalt zwischen Erregerwicklung und Stator rotiert der Leitstückläufer der den magnetischen Fluss beeinflusst und dadurch die Spannungsinduktion ermöglicht. Merkmale der fremderregten Drehstromgeneratoren Keine Permanentmagnete Elektromagnet durch eine Feldwicklung (Rotorwicklung) 3 Spulen in Stern- oder Dreieckschaltung (Dreieckschaltung hat bei niedrigen Drehzahlen die höhere Stromabgabe.) Keine Masseverbindung von den Lichtmaschinenspulen zur Fahrzeugmasse. Transistorregler mit externer (= geschaltetes Plus, Klemme 15, an Regler/Gleichrichter) Spannungsinformation.

3 3-Phasen-Vollweg-Diodengleichrichter mit 6 Dioden. Minusleitung der Feldwicklung geht über den Transistorregler auf Fahrzeugmasse. Ladestromregelung effektiver, Strom wird nur im benötigten Umfang erzeugt. Schaltungsarten: Die drei Ladespulen können entweder als Stern- oder Dreieckschaltung angeordnet werden. Bei der Sternschaltung wird bei niedrigen Drehzahlen eine größere Ladespannung, bei der Dreieckschaltung ein größerer Ladestrom erzeugt. Eine Sonderschaltung ist die Sternschaltung mit Mittenabgriff. Hier wird über den Mittelpunkt zusätzlicher Ladestrom zur Verfügung gestellt. Da die erzeugte Spannung des Generators eine Wechselspannung ist, die Batterie und viele andere Verbraucher z.b. alle elektronischen Schaltungen auf eine Gleichspannung angewiesen sind, muss die Spannung gleichgerichtet werden. Gleichrichterschaltung Wechselstromgenerator Die Gleichrichterdioden werden hier in Form der Graetzschen Brückenschaltung angeordnet. Es handelt sich hierbei um eine so genannte Einphasen-Vollweggleichrichtung, da der positive und der negative Anteil der Wechselspannung genutzt wird. Gleichrichterschaltung selbsterregter Drehstromgenerator Vom Plus der Spule gelangt der Ladestrom über eine Plusdiode zu Batterieplus und von Batterieminus über die Masseverbindung des Regler/Gleichrichters und zwei Minusdioden zurück zur Spule. Die Dioden lassen den Strom nur in einer Richtung passieren. Wechselt die Polarität der erzeugten Wechselspannung fließt der Ladestrom über 2 Plusdioden zur Batterie und eine Minusdiode zurück zum anderen Ende der Spule. An den roten Stichleitungen zu den SCR (= Thyristor) und zur Steuereinheit steht die Spannung an. Liegt die Ladespannung am Eingang der Steuereinheit unterhalb der Reglerabschaltspannung, bleiben die Thyristoren abgeschaltet, der Ladestrom fließt. Da bei dieser Schaltung alle drei Phasen der Wechselspannung genutzt werden wird sie auch als Dreiphasen- Vollweggleichrichtung bezeichnet. Spannungs- und Stromregelung Um ein schädliches Überladen der Batterie zu verhindern, aber auch um zu hohe Spannungen an elektrischen und elektronischen Bauteilen zu verhindern muss die Ladespannung geregelt werden. Bei selbsterregten Ladesystemen geschieht dies üblicherweise durch Thyristorregler. In der Steuereinheit des Reglers befindet sich u.a. eine Zenerdiode die Reglerabschaltspannung elektrisch leitend wird. bei Überschreiten der Die Zenerdiode legt dadurch einen Spannungsimpuls an das Gate des SCR, der Thyristor wird gezündet und dabei elektrisch leitend. Neben dem ursprünglichen Ladestromkreis baut sich parallel ein zweiter Stromkreis auf und zwar vom Plus der Spule über den SCR zurück zum Minus der Spule.

4 Ladestromregelung: In dieser Parallelschaltung (=Stromteiler) verteilt sich nun der Ladestrom entsprechend der Widerstände (Batterie = hoher Widerstand, SCR = niedriger Widerstand). Die Masse des Ladestromes fließt über den SCR, nur noch ein kleiner Teil des Ladestromes fließt über die Batterie. Die Batterie wird bei vollem Ladezustand nur noch mit einem sehr kleinen Ladestrom geladen. Ladespannungsregelung: Neben dem Ladestrom muss aber auch die Ladespannung geregelt werden, da ansonsten z.b. Glühbirnen und elektronische Bauteile zerstört werden. Hier wird die Tatsache genutzt, dass der induktive Widerstand der Spule in Reihe mit dem Widerstand des Ladestromkreises geschaltet. In dieser Reihenschaltung (= Spannungsteiler) teilt ist bei nicht voller Batterie (Ladestrom fließt) der induktive Widerstand der Spule mit dem Widerstand der Batterie in Reihe geschaltet. Bei leerer Batterie (= niedriger Innenwiderstand der Batterie) fließt daher nur eine kleinere Ladespannung, dafür aber ein großer Ladestrom. Mit zunehmendem Ladezustand der Batterie steigt der Innenwiderstand an (Volle Batterie = hoher Innenwiderstand der Batterie) und entsprechend nimmt die Ladespannung zu, der Ladestrom ab. Wird die Reglerabschaltspannung überschritten und der Stromkreis über den SCR gezündet, so wird hier ein zweiter Stromkreis mit sehr kleinem Widerstand parallel geschaltet. Der Gesamtwiderstand einer Parallelschaltung ist immer kleiner als der kleinste Einzelwiderstand (in diesem Fall der Stromkreis über den SCR). Da jetzt der Gesamtwiderstand der Schaltung Batteriestromkreis + SCR-Stromkreis sehr klein geworden ist, wird durch den induktiven Widerstand der Spule ein größerer Spannungsabfall verursacht und damit die Ladespannung deutlich reduziert. Der SCR bleibt solange eingeschaltet, bis die Wechselspannung der Lichtmaschine kleiner ca. 0,7 Volt wird. Dies ist bei jedem Nulldurchgang der Spannung (Wechsel zwischen positiver und negativer Halbwelle) der Fall. Der Thyristorregler muss daher jede einzelne Halbwelle neu regeln.

5 Diagnose des Ladesystems: Die Excel-Datei wurde unter Excel2003 erstellt und ist gegen unbeabsichtigte Veränderungen geschützt. In die gelben Felder können Sie Ihre individuellen Fahrzeug-, Kunden- und technische Daten eintragen. Die Datei lässt sich auch in Ihrer EDV nach Ihren Kriterien speichern. Es wird weiterhin empfohlen dem Kunden einen Ausdruck des Messprotokolls zusammen mit der Rechnung auszuhändigen. Die in der Tabelle eingetragenen Kabelfarben entsprechen den von Honda verwendeten Kabelfarben, bei Fahrzeugen anderer Hersteller muss hier entsprechend angepasst werden. Die Messwertabhängigen Beurteilungen des Istwerts wurden nach bestem Wissen und Gewissen erstellt. Sie können eine eigene fachliche Wertung jedoch nicht ersetzen, da unter Umständen Fehler denkbar sind die in der Datei nicht berücksichtigt werden konnten (wenn z.b. Gleichrichter und Lichtmaschine gleichzeitig defekt sein sollten). Erläuterungen zu den einzelnen Messungen: Ruhespannung: Die Ruhespannung wird zwischen Batterie Plus und Minus gemessen. Es ist darauf zu achten, dass direkt am Batteriepol gemessen wird und nicht an verschraubten Kabeln. Diese Messung dient in erster Linie dazu, festzustellen ob die Batterie für die weiteren Messungen noch ausreichend geladen ist. Normale Batterien besitzen eine Ruhespannung von etwa 12,2 bis 12,6 V, wartungsfreie Batterien eine Ruhespannung von 12,8 13,2V. Bei unzureichender Ruhespannung ist die Batterie zu laden und ggfs. einem Belastungstest zu unterziehen. Ladespannung: Die Messung der Ladespannung erfolgt in zwei Durchgängen, einmal mit und einmal ohne eingeschaltete Verbraucher (Licht, Blinker usw.). Während der Messung sollte die Drehzahl von der Leerlaufdrehzahl beginnend auf etwa min-1 gesteigert werden. Bei modernen Ladesystemen wird bereits bei Leerlaufdrehzahl eine Spannung zu messen sein die höher als die Ruhespannung liegt. Spätestens bei erhöhter Leerlaufdrehzahl sollte die Ladespannung gegenüber der Ruhespannung höher liegen. Die in der Tabelle eingetragenen Sollwerte sind als ungefähre Werte zu verstehen. Ruhestrom Die Messung des Ruhestromes soll einen unzulässig hohen Stromverbrauch bei ausgeschalteter Zündung dokumentieren. Eine unzureichend geladene Batterie kann auch bei funktionierendem Ladesystem und langen Standzeiten z.b. durch ein Alarmanlage, Radio usw. entstehen. Es ist daher wichtig, dass bei der Messung die Zündung ausgeschaltet wird. Zusätzliche heimliche Verbraucher sollten aber noch nicht vom Bordnetz getrennt werden, um den Stromverbrauch ermitteln zu können. Vor Beginn der Messung ist die Funktion des Multimeters im Messbereich Milliampere (DC, Gleichstrom) unbedingt zu prüfen. Da nicht auszuschließen ist, dass die Sicherung für diesen Messbereich durchgebrannt ist, kann Ihnen das Messgerät evtl. einen Verbrauch von 0,0 ma anzeigen, obwohl in Wirklichkeit ein Strom fließt. Zur Prüfung des Messgerätes verbinden Sie bitte eine kleine Glühbirne (1,2 oder 1,7 Watt) mit Messgerät und einer 12V Batterie. Der erwartete Strom beträgt bei einer 1,2 W Birne etwa 100 ma und bei einer 1,7W Birne etwa 140 ma. Sollte der Ruhestrom höher liegen als vom Hersteller angegeben sollten Sie kontrollieren ob zusätzliche Verbraucher montiert sind. Zur Eingrenzung des fehlerhaften Stromkreises empfiehlt es sich, die einzelnen Sicherungen aus dem Sicherungskasten zu entfernen um die möglichen schadhaften Verbraucher zu lokalisieren. Generatorprüfung: Es gibt einen alten Merkspruch:

6 Wo kein Strom, da kein Ohm Wenn in einem Stromkreis kein Strom fließt machen sich vorhandene Widerstände nicht bemerkbar. Viele Fahrzeughersteller geben Ihnen in den Werkstatthandbüchern an, dass die Leerlaufspannung des Generators geprüft werden soll. (Messung der Generatorspannung bei laufendem Motor, ohne dass der Generator mit dem Regler/Gleichrichter verbunden ist) Bei dieser Messung fließen durch das Messgerät nur winzige Ströme, da die Messgeräte üblicherweise einen Innenwiderstand von Ohm besitzen. Etwaige Leitungsschäden (gebrochene Litzen, Schadhafte Lötstellen) werden bei diesen kleinen Strömen nicht sichtbar werden. Problematisch bei dieser Nulllastprüfung ist auch eine denkbare Einleitungen von Spannung (60 100V) über einen Masseschluss in das Bordnetz. Lassen Sie daher bitte den Generator am Regler/Gleichrichter montiert. Auch die Batterie bleibt wie gewohnt angeschlossen. Mit dem Multimeter wird jetzt die Wechselspannung gemessen. Da im Generator 3 Spulen verbaut sind, müssen Sie diese Messung für alle drei Anschlussvarianten an den gelben oder weißen Kabeln wiederholen. Bei funktionierendem Regler/Gleichrichter wird die gemessene Wechselspannung mit zunehmender Drehzahl scheinbar immer niedriger. Der Grund für dieses Messergebnis liegt in der Reglercharakteristik. Sobald die Reglerabschaltspannung erreicht wird, wirkt der induktive Widerstand der Generatorspulen, die erzeugte Wechselspannung wird vom Regler auf einen Wert von etwa 3 5 Volt herabgeregelt. Ihr Messgerät zeigt Ihnen nun den durchschnittlichen Spannungswert von Reglerabschaltspannung und 3-5 Volt an. (Siehe auch das vorhergehende Kapitel Spannungs- und Stromregelung). Mit einem Oszilloskop lässt sich der Spannungsverlauf hier besser beurteilen. Spannungsverlustmessung Die Spannungsverlustmessung dient dazu, evtl. vorhandene Schäden an den Kabelverbindungen zwischen Regler/Gleichrichter und Batterie zu erkennen. Insbesondere Masseverbindungen können bei älteren Fahrzeugen schadhaft sein. Auch hier bleibt das vollständige System angeschlossen. Spannungsinformation Bei den meisten Regler/Gleichrichtersystemen wird die Reglerabschaltspannung durch eine interne Schaltung ermittelt. Bei wenigen Systemen wird durch eine externe Spannungsinformation (erkennbar durch Klemme 15, geschaltetes Plus am Regler/Gleichrichter) der Regler über die aktuelle Ladespannung informiert. Bei fehlerhafter Informationsspannung kann der Regler den richtigen Abschaltzeitpunkt nicht erkennen. Diodenprüfung Zur Diodenprüfung wird der Regler/Gleichrichter ausgebaut. Mit dem Multitester wird dann in der Messeinstellung Diodentest die Durchlass- und Sperrwirkung der Dioden geprüft. Insgesamt sind 12 Messungen vorzunehmen. Bitte beachten Sie, dass bei funktionierender Sperrwirkung in der Tabelle der Wert unendlich in Buchstaben eingegeben werden muss um die entsprechende Beuteilung des Istwertes zu erhalten. Reglerprüfung Für eine Prüfung der Thyristoren und der Reglerschaltung benötigen Sie eine externe Spannungsquelle. Am besten eignet sich ein Gleichspannungstransformator der im Bereich 0 20 Volt einstellbar ist. Um den Reglerteil nicht zu überlasten muss der Stromfluss begrenzt werden. In der Prüfschaltung ist daher eine Glühbirne 1,2 oder 1,7 W zu verbauen. Damit wird der Stromfluss auf unschädliche ma begrenzt. Auch bei versehentlich falschem Anschluss ist durch den geringen Strom eine Schädigung von Bauteilen nicht zu erwarten. Die Glühbirne informiert sie darüber hinaus optisch über die Funktion des Reglers. Der Transformator wird langsam von 0 Volt hoch geregelt. Die Glühbirne muss bis zum Erreichen der Reglerabschaltspannung aus bleiben. Sobald die Reglerabschaltspannung erreicht wird, brennt die Glühbirne. Die Spannung des Transformators muss anschließend wieder vollständig auf 0 V herabgeregelt werden, da der Thyristor bis zu einer Spannung von 0,7 Volt eingeschaltet bleibt (Glühbirne wird langsam dunkler). Die Spannung können Sie direkt mit einem Multimeter zwischen Plusausgang Regler/Gleichrichter und Masseverbindung Regler/Gleichrichter prüfen.