G I KET n Versuch Drehstromgenerator- Bordnetzanalyse Automobil- Elektronik 1. Versuchsziel Bei diesem Praktikumversuch soll durch Anwendung moderner Prüftechnik die Wirkungsweise und das Verhalten von Drehstromgeneratoren (DSG) auf einem Prüfstand und im Automobil untersucht werden. Ziel ist die Aufnahme wesentlicher Kennlinien und von Zeitverläufen (Oszillographenbilder) zur Bewertung von DSG und Bordnetzen. 2. Grundlagen Voraussetzungen Aufbau und der Funktion des Synchrongenerators, des Gleichrichters und des Reglers Kennlinienverläufe der DSG bei Leerlauf und bei Belastung Kenntnisse zu Prüfschaltungen sowie deren Realisierung Funktion und Einsatzzweck der eingesetzten Mess- und Prüftechnik Wirkungsweise des Automobilbordnetzes 2.2. Literatur Vorlesungsmitschrift / Umdrucke Kfz-Elektrik HTW-Dresden Drehstromgeneratoren Technische Unterrichtung; Robert Bosch GmbH Autoelektrik / Autoelektronik Robert Bosch GmbH, Vieweg-Verlag G. Henneberger Elektrische Motorausrüstung Vieweg-Verlag, Braunschweig J. Kasedorf Kfz-Elektrik Vogel Buchverlag 1
3. Drehstromgenerator und Gerätetechnik Für den Versuch stehen folgende Drehstromgeneratoren und Gerätetechnik zur Verfügung: DSG KCB2 14V 60 100A Messfahrzeug Corsa B Generatorprüfstand mit Messsystem I (LabVIEW) Steuer- und Messsystem II (Agilent VEE) Messsystem I (LabVIEW) Das Messsystem besteht aus Hardware und Softwarekomponenten. Die Generatoruntersuchung wird auf einem modernen Prüfstand für Generatoren mit geregeltem Antrieb durchgeführt. Die Messsoftware wurde unter LabVIEW erstellt und bietet die Möglichkeit sowohl Kennlinien, als auch zeitliche Verläufe aufzunehmen. Jede Messung benötigt eine vorher zu erstellende Konfiguration. In der Konfiguration wird unter anderem ein Skalierungsfaktor eingegeben, um die zu messenden Werte der Wandler den realen Messwerten anzugleichen (Notieren der benötigten Skalierungsfaktoren / Verstärkung für die Stromwandler und den Trennverstärker). Es stehen 8 Messkanäle zur Verfügung, auf denen die jeweiligen Werte aufgezeichnet werden können. Bild 1 Startauswahl der Messsoftware 2
Bild 2 Programm zur Kennlinienaufnahme Steuer- und Messsystem II Das Messsystem besteht aus Hardware und Softwarekomponenten. Die Generatoruntersuchung wird auf einem modernen Prüfstand für Generatoren mit geregeltem Antrieb durchgeführt. Die Mess- und Steuersoftware wurde unter Agilent VEE erstellt und bietet die Möglichkeit der Kennlinienaufnahme sowie die Möglichkeit der Antriebs-, Batterieund Laststeuerung. Bild 3 Programmoberfläche der Steuer- und Messsoftware 3
3.1. Schaltung des Drehstromgenerators Generator Batterie Verbraucher D+ B+ LKL Regler-IC DF SM D- V B- 3.2. Aufbau des Generatorprüfstandes (schematisch) Lastschrank Steuerschrank Elektronische Last VXI-Einheit Generatorprüfstand Generator Drehmomentmesswelle Relais und Sicherungen Prüfstandsrechner Manuelles Bedienfeld Antriebsmotor (18kW) Batterien 4
3.3 Grundgleichungen der Gleichrichter 5
4. Versuchsdurchführung 4.1. Prüfung der geregelten Generatorspannung Überprüfen Sie am 14-V-Bordnetz nach Schaltung die geregelte Spannung in Abhängigkeit von Belastungsstrom und Drehzahl. Nutzen Sie das Messprogramm zur Kennlinienausnahme und eine entsprechend vorprogrammierte Konfiguration. Bild 4 Programm zur Kennlinienaufnahme Messung mit konstanter Stromstärke (I=5 A Laststrom), U=f(n) Erhöhen Sie bei diesem Versuch langsam die Drehzahl von 500 min -1 bis max. 2000 min -1 und nehmen sie je 100 min -1 die Spannung auf. n [min -1 ] U [V] 1.2 Messung mit konstanter Drehzahl U=f(I) Führen Sie diese Messung jeweils bei n=2000 min -1 und n= 3000 min -1 durch. Erhöhen Sie den Laststrom von 10 A bis 50 A jeweils in 5A Schritten. Nutzen Sie die Steuerung der elektronischen Last dafür. I [A] U[V] Stellen Sie die Kurven dar (Auswerteprogramme) und interpretieren Sie diese! 6
4.2 Belastungskennlinie des Drehstromgenerators Nehmen Sie laut Schaltung die Belastungskennlinie des Generators auf, indem bei steigender Drehzahl durch Steigerung der Belastung die Spannung konstant gehalten wird. Nutzen die dafür den Konstantspannungsmodus der elektronischen Last. Nehmen Sie mit dem Programm für Kennlinienaufnahme die Drehzahl, Leistung, Spannung, Generatorstrom und Erregerstrom auf. Programmieren Sie ebenfalls eine Konfigurationsdatei für diesen Versuch. I=f(n) P=f(n) Ierr=f(n) U=13,5 V Bild 5 Messen Sie den Generatorstrom indem Sie die Verknüpfungsfunktion des Programms nutzen und den zu messenden Batteriestrom und den zu messenden Laststrom addieren (siehe Bild 5) und die Leistung durch Multiplikation von Generatorspannung und Generatorstrom (nur auf Kanal 6 kann eine Verknüpfung mit Kanal 5 durchgeführt werden) durchführen. N[min -1 ] I [A] P [W] Stellen Sie im Diagramm zu einen I=f(n) und P=f(n) und zum anderen I=f(n) und Ierr=f(n) gemeinsam dar. Nutzen Sie die Auswerteprogramme der Software. 7
4.3 Prüfung Reglerverhalten Messen Sie mit einer entsprechenden Konfiguration den zeitlichen Verlauf des Erregerstromes und der Generatorspannung bei zwei unterschiedlichen Drehzahlen. Wählen Sie eine entsprechende Abtastrate bei einer Aufnahmedauer von 100 200 ms. Diskutieren Sie das Ergebnis in der Gruppe und versuchen Sie die Funktion des digitalen Reglers zu erfassen. Bild 6 Auswertung Erregerstrom, Generatorspannung 4.4 Lastsprungmessung am Prüfstand Messen Sie einen Lastsprung im 14-V-Bordnetz unter Nutzung des Messsystems II Agilent VEE. Führen Sie manuell einen Lastsprung von niedrigen auf hohe Lastströme innerhalb von 20s aus. Messen Sie während eines zeitlichen Verlaufes des Lastsprunges von 20 s die Bordnetzspannung, den Laststrom und den Batteriestrom. Stellen Sie die Ergebnisse dar. 8
4.5 Bordnetzuntersuchung am Messfahrzeug / Lastsprung mit elektronischer Last Zündsignale LEM HT200 Traco Power DC/DC- Converter TEN 20 Wi, 20W +15V 0V -15V LEM HT200 G LEM HAL100-s Höcherl& Hackl GmbH, Typ: DC Load, 0-60V, 0-200A B- DC/DC Wandler Akkumulator Generator Bild 7 Prinzipdarstellung des Messaufbaus im Fahrzeug permanente Verbraucher elektronische Last Die Messungen von Verläufen der Bordnetzspannung, des Generatorstroms, des Batteriestroms und des Zündsignals sind am Messfahrzeug möglich (nach Bild 7). Weiterhin ist die Messung des Erregerstromes durch den Einbau eines modifizierten Generatorreglers möglich. Aufgabe: Ermitteln Sie die oben genannten Verläufe beim Zuschalten elektrischer Verbraucher im Fahrzeug (Licht, Lüftung, Heckscheibenheizung). Mit einer zusätzlichen elektronischen Last soll das Bordnetz bis unter die Batteriespannung belastet werden. 4.6 Bordnetzuntersuchung am Messfahrzeug / Startvorgang Die Aufnahme von Bordspannung und Strom beim Starten des Verbrennungsmotors soll mit dem TMS 08 ausgeführt werden. Die ermittelten Werte bzw. Kurvenverläufe sind zu diskutieren. Die Versuchsausführung der Startvorgänge ist darzustellen. 1. Starten mit Bordnetzbatterie Der herkömmliche Startvorgang wird ausgeführt. 2. Starten mit DSK Durch den Einsatz von Doppelschichtkondensatoren soll eine Stabilisierung des Bordnetzes von Kraftfahrzeugen erreicht werden und die gespeicherte Energie ist ausreichend für die Realisierung von Startvorgängen. Es wurde im Messfahrzeug ein Kondensatorpack BPAK0350 15V/58F mit einer Ladeschaltung eingebaut. Über den Batteriehauptschalter kann die Einbindung in das Bordnetz erfolgen. Durch einen Schwellwertschalter wird der Ladenstrom begrenzt (Werte im Versuch erfassen). Nach Abnahme der Plusklemme an der Batterie kann das Starten über die in den DSK gespeicherte Energie erfolgen. Zu realisierende Anschlüsse: - Drehzahlerfassung über Kurbelwellensensor - Starterstrom aus den DSK über Stromwandler an den Zuleitung - Kondensatorspannung über Spannungswandler an den DSK- Anschlüssen. 9
A 1: Datenblatt Opel Corsa, 1.2 (Auswahl) Motor Bauart: vorn, quer vor der Achse, 4 Zylinder Modelljahr: 1993 Modellbezeichnung: X12SZ Hubraum: 1195 ccm Bohrung / Hub: 72*73,4 mm Verdichtungsverhältnis: 10/1 Ventilspiel: automatisch-hydraulisch Höchstleistung (DIN): 33 kw (45 PS) bei 4600 min -1 Max. Drehmoment: 88 Nm bei 2800 min -1 Ölmenge: 3,5 L Nockenwelle: oben liegende, Antrieb über Zahnriemen Zylinderkopf: Aluminium-Legierung Kraftstoffpumpe: elektrisch Kraftstoffart: Super bleifrei oder Super Plus Einspritzanlage: elektronische K-Einspritzung, Singlepoint Katalysator: 3-Wege-Kat mit Lambda-Sonde Elektrische Anlage Batterie: 12 V, 36 Ah Generator: KCB 2 14 V 60-100 A (nicht original) Spannungsregler: BR14-T0 F00M145238 (nicht original) Zündanlage: RUV, Doppelfunkenspule Leerlaufdrehzahl: n 0 = 820... 980 min -1 Kupplung Bauart: Nachstellung: Einscheiben-Trockenkupplung manuell 10
Getriebe Antrieb: Getriebeart: Vorderrad-Antrieb 5-Gang-Getriebe, manuell Übersetzungsverhältnis 1. Gang: 3,55 2. Gang: 1,96 3. Gang: 1,30 4. Gang: 0,89 5. Gang: 0,71 Rückwertsgang: 3,74 Fahrleistungen Höchstgeschwindigkeit: Beschleunigung 0-100 km/h: 115 km/h 20 s Abbildung A 1: Leistungs - und Drehmomentkennlinie 11
A 2: Datenblatt Generator KCB 2 14 V 60-100 A Polpaarzahl: 12 Schaltung: Dreieck Luftspalt: 0,7 mm, n max =20000min^-1 Diodentyp: Zehner- Dioden, ZR 1450 Bemessungsstrom bei n = 1800 min -1 : 60 A Bemessungsstrom bei n = 6000 min -1 : 100 A Ständerdaten: Innendurchmesser: 99,0 mm Eisenlänge: 33,5 mm Wickelart: Welle Nutzahl: 36 Wickelschritt: 1-4 Leiter je Nut L/N: 10 Anzahl der parallelen Drähte: 2 Drahtdurchmesser (blank): 1,18 mm Maximal zulässiger Strangwiderstand bei 20 C: 0,083 Läuferdaten: Außendurchmesser: 98,3 mm Kerndurchmesser: 52,0 mm Kernlänge 27,0 mm Drahtdurchmesser (blank): 0,85 mm Windungszahl: 410 Feldwiderstand bei 20 C (±5%): 2,60 12
A 3: Spannungsregleranschlüsse Anschluss V: Anschluss DF: Anschluss L: Anschluss DFM: Anschluss B+: Anschluss B-: Spannungssignal über einer Gleichrichterdiode des Sechspuls- Brückengleichrichters. Hierüber ermittelt der Regler die Drehzahl des Generators Über DF wird die Feldinduktivität geschaltet, entweder nach Masse B- oder nach B+. Beim Ausschaltvorgang kommutiert der Feldstrom der Feldinduktivität auf die Freilaufdiode. Der Anschluss wird je nach Betriebszustand, entweder als Eingang oder als Ausgang genutzt. Als Ausgang dient er dem Anschluss der Ladekontrollleuchte. Zusätzlich kann hiermit bei Normalbetrieb eine Zusatzlast, wie zum Beispiel Wohnanhänger angesteuert werden. Aus diesem Anschluss kann für ein Motor-Steuergerät, der aktuelle Generatorauslastungsgrad ermittelt, werden. Batteriespannung Plus Batteriespannung Minus Zum Zwecke einer besseren Übersichtlichkeit ist Abbildung Prinzipdarstellung eines minusgeregelten Multifunktionsreglers mit Generator hier erneut eingefügt: L DFM B+ B+ Regelung G 3~ DF V-Signal B- B- Regler Generator Bordnetz Bild 8 Prinzipdarstellung eines minusgeregelten Multifunktionsreglers mit Generator 13