Technische leergang

BOSCH

De driefasendynamoof generator

De eisen aan de stroomvoorziening inhet motorvoertuig zijn belangrijktoegenomen . Alleen al tussen 1950 en1980 is het vereiste dynamovermogenmet het vijfvoudige gestegen .Gelijkstroomdynamo's waren niet meerin staat om het vereiste vermogen toleveren en werden vervangen doordriefasendynamo's met meer capaciteit .Vanaf de invoering van dedriefasendynamo zijn de afmetingen,ondanks de toename van het vermogen,steeds kleiner geworden en is hettoerenbereik vergroot . De grote variatiein het toerental en de belasting van eenverbrandingsmotor maken eenbetrouwbare regelinrichting voor dedynamospanning noodzakelijk .Elektronische regelaars zonderbewegende delen en met een zeer kleingewicht en volume zijn in staat om dedynamospanning over het geheletoerenbereik van de motor constant tohouden .

1 De stroomvoorziening vanhet motorvoertuig

1 .1 De taak van de dynamo1 .2 Fundamentele dynamo-

eisen1 .3 De stroomvoorziening

door de traditionelegelijkstroomdynamo's

1 .4 Achtergronden betref-fende de invoering van dedriefasendynamo's

2

Grondbeginselen

2.1

Het elektro-dynamischeprincipe

2 .1 .1 Hoe komt het magnetischveld tot stand

2 .1 .2 Het tot stand komen vaneen driefasenwisselstroom

2.2

Het gelijkrichten vanstroom en spanning

2.2.1 De brugschakeling voor degelijkrichting van de drie-fasenstroom

2.3 De stroomkringen van dedriefasendynamo

2.3.1 De voorbekrachtigings-stroomkring

2.7.2 De dynamocontrolelamp2.3.3 Het zelfbekrachtigings-

stroomcircuit2.3.4 Het dynamo- of hoofd-

stroomcircuit

2.4 Principiele opbouw van dedynamo

2.5

Vergelijking met de gelijk-stroomdynamo

3

Spanningsregeling voordriefasendynamo

3.1 Waarom is een spannings-regelaar noodzakelijk

3.2 Het principe van de span-ningsregeling

3.3

De elektrische regelaar3.4 De ontwikkeling van de

spanningsregelaar3.5

Belangrijke halfgeleider-onderdelen in de elektro-nische spanningsregelaar

3.6 De opbouw en werking vande transistorregelaar

4

Beveiliging tegen to hogespanning

4.1

Beveiliging tegen to hogespanning in een 12V instal-latie

4 .1

Beveiliging tegen to hogespanning in een 24V instal-latie

4.3

Beveiligingsapparatuur

5

Dynamo-uitvoeringen

5 .1

Inleiding5.2 Elektrische gegevens en de

dynamo-afmetingen5.3 Klauwpooldynamo's met

sleepringen5.4 Dynamo's met zelfstandige

polen en sleepringen5.5 Dynamo's met sleepring-

loze rotor5.6

Koeling5.7 Diverse dynamotypen5 .8

Karakteristieken vandriefasendynamo's

6

Dynamoschakelingen

6.1

Ontstoringsmaatregelen6.2

Het parallel schakelen vandriefasendynamo's

7

De driefasendynamo inbedrijf

7 .1

De energieverdeling in hetmotorvoertuig

7 .2

Inbouw en aandrijving7.3

Het aantal gereden kilo-meters en het onderhouds-interval

7.4 Storingen herkennen enverhelpen

8

Vaktermen

9

Testvragen

2

1 De stroomvoorzieningvan het motorvoertuig

1 .1 De taak van de dynamo

StroomvoorzieningMotorvoertuigen hebben om de ont-steking, de verlichting . de startmotorenzovoort van stroom to voorzien .een eigen krachtige energiebron no-dig. die betrouwbaar moet zijn en on-der alle omstandigheden ter beschik-king moet staan . Terwijl de batterij bijniet draaiende motor als de energie-bron kan worden voorgesteld . i s dedynamo tijdens het rijden de eigenlij-ke 'elektriciteitsfabriek' in het voer-tuig. De dynamo heeft dan ook detaak om de stroomverbruikers vanenergie to voorzien .Het dynamovermogen. de capaciteitvan de batterij en de stroombehoeftevan de verbruikers moeten dan ookoptimaal op elkaar worden afge-stemd. zodat de totale installatie be-trouwbaar en storingsvril kan werken .Zo moet bijvoorbeeld de ontstekings-installatie onder alle omstandighedenblijven functioneren . maar dit geldtook voor de elektrische koelventilatoren de elektrische brandstofpomp .Wanneer het donker wordt moeten dekoplampen . de achterlichten . d e ken-tekenverlichting en het instrument-paneel van stroom worden voorzien .bij slecht zicht ten gevolge van mistzullen tevens de mistlampen voor (en

De stroomvoorziening van het motorvoertuig

Fig 1 De dynamo heeft tot taak de ver-bruikers van stroom to voorzien en debatterij op to laden . De door de dynamoopgewekte wisselstroom moet echterworden gelilkgencht omdat de auto gelijk-stroom nodig heeft. Zelfs onder de meestongunstige verkeersomstandighedenmoet men er van verzekerd kunnen zijndat de elektrische installatie blilftfunctioneren .

eventueel achter) worden ingescha-keld Tijdens het remmen zullen deremlichten branden en tijdens het ne-men van bochten zullen de knipper-Iichten zijn ingeschakeld . De claxonen alarmverlichting zullen onder kriti-sche omstandigheden het gevaar

w,sseistroom

gehikstroom

aneiasendynarMncL,

igelgkrichte

moeten kunnen signaleren . Wanneerhet regent zullen bovendien de ruite-wissers worden ingeschakeld . Deventilator zal, afhankelijk van het jaar-getijde. koude of warme lucht moetenaanvoeren . In de winter zorgt de ach-terruitverwarming ervoor dat het zichtnaar achteren is gewaarborgd . In devakantietijd bestaat ook nog de mo-gelijkheid dat de diverse elektrischeapparaten in de caravan van stroommoet worden voorzien . Indien ge-wenst brengt de autoradio ver-strooiing of geeft belangrijke ver-keersinformatie door . En ten slottemoet natuurlijk ook de batterij regel-matig worden opgeladen . De dynamoheeft dus een veelzijdige taak to ver-vullen . Miljoenen autobezitters eiseneen grote mate van betrouwbaarheidvan hun voertuig en verwachten danook een probleemloos functionerenvan de elektrische installatie . En datgedurende vele duizenden kilome-ters . i n de zomer en in de winter .

1 .2 Fundamentele dynamo-eisen

I

De bouwwijze van de dynamo wordtbepaald door zijn taak om stroom aande verbruikers en batterij to leverenDe dynamo levert wisselstroom, ter-will de auto gelijkstroom nodig heeftomdat de batterij niet zonder gelijk-stroom kan worden geladen . Maarook de voeding van de elektronischecomponenten dient door gelijk-stroom to geschieden .De eisen die we aan de dynamo stel-len zijn dan ook veelomvattend .De belangrijkste zijn :

Het leveren van gelijkstroom aanalle aangesloten verbruikers,

Het bezitten van een reservecapa-citeit om de batterij, zelfs bij inge-schakelde continuverbruikers enstationair draaiende motor snel tokunnen opladen .

Het constant houden van de dyna-mospanning over het gehele toe-renbereik van de motor .

Onderhoudsvrij .

Een robuuste bouwwijze die be-stand is tegen de invloeden vanbuitenaf veroorzaakt door trillin-gen. temperatuurschommelingen,vervuiling, vochtigheid, olien envetten .

Een gering gewicht en kleine afme-tingen .

Geruisarme werking .

Lange levensduur .

Opgenomen vermoyerrvan de stroomverbrui-kers in het motorvoertuig(gemiddelde waarden)

Condnu rngeschakeldeverbrurkers

I

1

5

1100

BOSCH

De strnomvoorzinninq van het rnntorvoertuiq

3

deO1 .'-, .~r, ;

tgdens het ntden

Langdurrg rngeschakeldeverbru,kers

BOSCH

BOSCH SIl:-Iv rw . 1m r .

_

I0^:

s A 12

~~~ Parker'rl~V.h I I ten 3

opladen

t-

r--

i-J

r

M

A\

bq met-draalendemotor

Kortstondrgngeschakelde verbrurkers

I

a

BOSCH

BOSCH f ek', _cnrrL.-r~hd r h4,

BOSCH BOSCH A. hterrud-verwarmrnq20W

I

II1 L0 0,

BOSCH n,1 .

BOSCH Rust" ::~ . :, I1

acr . r r

BOSCH

l"lo,tnr voorarrnmq

v, r tilahr

Inaon r nn .r l

BOSCHamen

,

1

r

Kortstondrgrngeschakelde verbrurkers

BOSCH

BOSCH lI

nnperIk .ij

Sh'u'1

ttti

fit

BOSCH

1

A rtfterAft

~-I,,rnprre_lk

5w

BOSCH

.r,rr'rnotor- I>erso-

.300()W

BOSCH Komplamp-

hevehlk wastiysteemrift'N

BOSCH ~-l, relle-.rrnsteker

' 1OW

BOSCH

,tralers S5W

In Nederland met toegestaan

1

BOSCH f xtr .I'C''rler e k

Nagens

!1 l ese-- e nbou-

r het ~-

BOSCH (?nt . Ir k l 1 oT A , 01

BLAUPUNKT Autoradfo1n 5w

Knipteten

rI1, 1elk ? 1 WI

II11 00

BOSCH ! I-klrlscherl' lol-

nna 4W

Rreedtechonq

ver-(ilk

Reml,chten

21 Wattf-

elk~_ 18

0 0I OWw 0 0 L IBOSCH ! I, t-,. BOSCH mv r BOSCH

i

rcnrr

u .W

I

l i x1.n rpn0v

000

4

l )~' stroomvoorziening van het motorvoertuig

1 .3 De stroomvoorzieningdoor de traditionelegelijkstroomdynamo's

De in de motorvoertuigtechniek ge-bruikte loodbatterij leidde tot de ont-wikkeling van de gelijkstroomdyna-mo en gedurende lange tijd voldeeddit dynamotype volledig aan de ge-stelde eisen . Zo werd het merendeelvan de auto's in de afgelopen jarenmet gelijkstroomdynamo's uitgerust .Bij de gelijkstroomdynamo's is heteenvoudiger om de wikkelingen (hetanker) to laten draaien en de elektro-magneten in het stilstaande huis aanto brengen . Hierdoor is het op betrek-kelijk eenvoudige wijze mogelijk omde in het anker opgewekte wissel-stroom met behulp van een collectorof commutator mechanisch gelijk torichten en deze gelijkstroom naar debatterij en de overige gebruikers tosturen (een uitgebreidere beschrij-ving in het hoofdstuk 'De driefasen-dynamo vergeleken met de gelijk-stroomdynamo') .

Maar in deze . voor de gelijkstroom-dynamo zo karakteristieke onderde-len, schuilen ook een aantal nadelen .

Het toerenbereik is beperkt . Hetmaximaal toelaatbare toerentalmag niet worden overschreden,omdat anders de warmteontwikke-ling in de collector (veroorzaaktdoor het principe van de mechani-sche gelijkrichting) sterk toeneemten de levensduur van de koolbor-stels aanzienlilk vermindert . Ookmag de belasting van de ankerwik-kelingen ten gevolge van de toe-nemende centrifugaalkracht nietworden verwaarloosd .

In veel gevallen zal tijdens het sta-tionair draaien van de motor noggeen stroom kunnen worden afge-geven . De spanning van de gelijk-stroomdynamo is dan nog to laag,dat wil zeggen dat de voor de bat-terij en de installatie benodigde'laadspanning' nog niet is bereikt .

Regelmatig onderhoud is door desterke slijtage van borstels en col-lector noodzakelijk .

Bij grotere vermogens zullen de af-metingen en het gewicht sterk toe-nemen .

1 .4 Achtergrondenbetreffende de invoering vande driefasendynamo's

De voortdurend stijgende vermo-gensbehoefte, de veranderende ver-keerssituaties en het steeds vaker bijelkaar komen van ongunstige rij-om-

Fig. 2 Enkele tientallen jaren geleden was de elektrische installatie van een auto nogeenvoudig van opzet . Algebeeld is een elektrisch schema van 1917 .

L

131

(w w

mM7

u

IDI

.1

z

standigheden stelden to zware eisenaan de gelijkstroomdynamo. De stij-gende vermogensbehoefte wordt ver-oorzaakt doordat er steeds meer elek-trische en elektronische apparatuurwordt ingebouwd . Afbeelding 4 laatde stijging van de energiebehoeftezien over een aantal decennia . Ookhet aandeel van stadsritten met langewachttijden met stationair draaiendemotor is aanzienlijk groter geworden(afbeelding 5). Gedurende de spits-uren komt dit percentage dikwijls bo-ven de 50% uit. Bij filevorming tengevolge van de toenemende ver-keersdichtheid of door het vele op-onthoud . veroorzaakt door de ver-keerslichten . komt het laden van debatterij in gevaar. vooral in die situatiewaarbij ter compensatie geen langeritten zullen worden gemaakt . Hierbijkomt tevens dat de batterij ook nog de

I

173-D

Fig. 3 Het elektrische schema van een moderne personenwagen met een groot aantalstroomverbrwkers .

S16

totale stroombehoefte moet dekkenzolang de dynamo nog niet in staat isom stroom aan de installatie to leve-ren (afbeelding 6) .Wanneer deze ongunstige situatieszich ook nog tildens duisternis, slech-te weersomstandigheden . lage bui-tentemperaturen etcetera voordoen,dan kan het vereiste vermogen onderde gegeven omstandigheden nietmeer door de gelijkstroomdynamoworden geleverd . De ontwikkelingvan de driefasendynamo gaf met be-trekking tot het bovenstaande een af-doende verbetering . De succesvolleinvoering van de driefasendynamowas echter slechts mogelijk door devooruitgang in de ontwikkeling vande halfgeleidertechniek . want de doorde dynamo geleverde wisselstroommoet door gelijkrichtelementen in ge-lijkstroom worden omgezet .

De ingebouwde dioden als gelijk-richtelementen hebben een belang-rijk voordeel ten opzichte van de rote-rende, toerental-afhankelijke en aanslijtage onderworpen collector van degelijkstroomdynamo . De driefasen-dynamo als synchroonmachine isdoor zijn groter toerenbereik, in te-genstelling tot de gelijkstroom-dynamo . i n staat om reeds bij het sta-tionair toerental van de verbrandings-motor vermogen of to geven .Door een juiste overbrengverhoudingkan het dynamotoerental wordenaangepast aan het motortoerentalwaardoor de batterij zelfs in de winteren bij stadsritten met lange wachttij-den in goed geladen toestand kanworden gehouden .Uit afbeelding 7 is to lezen dat de ge-lijkstroomdynamo in de meeste ge-vallen pas boven het stationair toe-rengebied vermogen gaat leveren .terwiji de driefasendynamo reeds bijhet stationair toerental ongeveer 1/3van zijn nominaal vermogen levert .

1200

1000

3

800C

0

6000E

4000Ec 200T

01950 1960

1970

jaar

Fig. 4 De toename van het dynamover-mogen van de personenwagens uit demiddenklasse vanaf 1950

Ook tegen andere belastingen zoalslange draaitijden . hoge temperaturenis het motorcompartiment en mecha-nisch-dynamische belastingen is dedriefasendynamo veel beter bestand .De eerste door Bosch in serie vervaar-digde driefasendynamo's kwamen in1973 op de markt .Sedertdien is de driefasendynamosteeds meer toegepast, bij de perso-nenwagens met een dynamospan-ning van 14 volt en bij de bedrijfswa-gens met een spanning van 28 volt .Gelijkstroomdynamo's worden bijnieuwe auto's vrijwel niet meer toege-past .De belangrijkste eigenschappen vande driefasendynamo worden hiernogmaals in het kort weergegeven :

De driefasendynamo kan reeds bijeen stationairdraaiende motorver-mogen afgeven, waardoor de

1980

De stroomvoorzienlng van het motorvoertuig

stroomvoorziening bij lage motor-toerentallen niet in gevaar komt .

De gelijkrichting van de wissel-stroom gescbiedt langs elektroni-sche weg door middel van (stil-staande) dioden . Problemen diewe bij hogere toerentallen kunnenverwachten bij de mechanischegelijkrichting door een collector,treden bij een diodeschakeling nietop .

De dioden nemen de taak over vande automatische schakelaar . Zescheiden de dynamo van de batte-rij en de elektrische installatie .wanneer de dynamospanning be-neden de batterijspanning daalt .

Driefasendynamo's zijn aanzienlijklichter dan gelijkstroomdynamo'somdat ze een gunstiger bouwwijzemogelijk maken .

Een langere levensduur . die uit-sluitend door de lagers en koolbor-stels (indien aanwezig) wordt be-paald .

Bij de dynamo's voor personenwa-

OF1950 1960

jaar

Fig, 5 De toename van de gemiddeldewachttild tildens stadsritten (grote stad)vanal1950

gensisdelevensduurongeveerge-lijk aan die van de motor (ongeveer100.000 km) zodat men gedurendedeze periode geen onderhoud toverwachten heeft. Bij dynamo'svoor voertuigen met een grotererijprestatie (bedrijfswagens) kanmen de lagers van buitenaf smerenof wordt een hoeveelheid reserve-vet aangebracht .

Driefasendynamo's zijn bestemdtegen uitwendige invloeden zoalshoge temperaturen, vochtigheid,vuil en trillingen .

Wanneer de koelventilator is aan-gepast kunnen de driefasendy-namo's zonder bijzondere maatre-gelen zowel links- als rechtsomdraaien .

1970 1980

5

Fig. 6 Gemeten ten opzichte van de totalerijtijd . Is het aandeel van stadsritten metlange wachttijden zeer groot .Derhalve moet de dynamo reeds bil hetstationair draaien van de motor in staatziyn om de battery en verbruikers vanvoldoende energie to voorzien

stationairtoerengebied

toerental ( n)

I

Fig . 7 De gelijkstroomdynamo-karakte-ristiek vergeleken met de karakteristiekvan de driefasendynamo .I driefasendynamo met gehlkrichter enspannmgsregelaarDe vermogensalgifte begint reedsonder het stationaire toerental .

2 Gelilkstroomdynamo met spannings-regelaar en stroomregelaar . De dynamobegint pas boven het stationaire toeren-tal vermogen to leveren .

6

2 Grondbeginselen

2 .1 Het elektro-dynamischeprincipe

Het principe voor de opwekking vanelektriciteit wordt gevormd door deelektro-magnetische inductie (lati)ninducere - inbrengen . invoeren)'welk proces zich als het volgt laat om-schrijven .Wanneer een elektrische geleider(bijvoorbeeld draad in de vorm vaneen winding) de krachtlijnen van eenmagnetisch veld snijdt, dan wordt indeze geleider een elektrische span-ning opgewekt. Het is hierbij onbe-langrijk of de magneet draait en degeleider stilstaat of de geleider draaiten de magneet stilstaat . Wanneer deuiteinden van een, tussen een noord-en een zuidpool draaiende windingvia sleepringen en koolborstels aan-gesloten wordt op een (geschikte)voltmeter, dan kan hierop worden af-gelezen dat we. door de steeds veran-derende plaats van de winding in hetmagnetische veld . t o maken hebbenmet een wisselspanning . Bij eenpari-ge rotatie van magneet of winding ishet spanningsverloop sinusvormigwaarbij de maximale waarden elke

' In de betekerns van een geleider in hetmagnetische veld brengen of bewegen,

Grondbeginselen

halve omwenteling worden bereikt .Wanneer er sprake is van een geslo-ten stroomkring zal er ook een wissel-stroom vloeien . Om de inductievewerking to versterken wordt niet eenwinding. maar een veelvoud van win-dingen in het magnetisch veld ge-plaatst. Dezegezamenlijkewindingennoemen we een wikkeling. Het rote-

rende geheel van wikkelingen noemtmen bij elektrische machines het an-ker . De geindiceerde elektrischespanning is groter naarmate de mag-neet sterker is (dat wil zeggen hoedichter het krachtlijnen veld is) en hoegroter de snelheid is waarmee dekrachtlijnen worden gesneden .

2.1 .1 Hoe komt hetmagnetisch veld tot stand?

Het magnetische veld kan wordenverkregen door ingebouwde perma-nente magneten . Deze bezitten hetvoordeel dat ze door hun eenvoudigeuitvoering betrekkelijk goedkoopzijn . Bij kleine motoren (bijvoorbeeldruitewissermotoren of motoren in demodelbouw) wordt voor deze uitvoe-ring veelal gekozen . In de meeste ge-vallen zijn het echter elektromagne-ten die voor het opwekken van hetmagnetische veld worden gebruiktomdat deze een groter vermogen mo-gelijk maken . Onder elektromagne-tisme verstaan we het natuurkundigeverschijnsel dat een stroomvoerendegeleider, bijvoorbeeld een wikkeling,omgeven wordt door een magnetischveld (ook de reeds besproken 'induc-tie is een gevolg van de onderlingebetrekking tussen elektriciteit en

magnetisme) . De sterkte van het elek-tro-magnetische veld wordt bepaalddoor het aantal windingen en degrootte van de daardoor vloeiendestroom . Het magnetisch veld kan metbehulp van een magnetiseerbare ijze-ren kern verder worden versterkt . Bijhet gebruik hiervan in dynamos is hetgrootste voordeel, dat door het ver-

groten of verkleinen van de stroomdoor de (veld)wikkeling het magneti-sche veld en indirect daardoor degrootte van de geinduceerde span-ning vergroot of verkleind kan wor-den . Ook verdwijnt het magnetischveld wanneer de stroom wordt onder-broken . Slechts een gering magne-tisch veld blijft bestaan, het zoge-naamde remanent magnetisme . Wan-neer de veldstroom niet door de dy-namo zelf wordt geleverd maar dooreen andere energiebron. bijvoorbeeldde batterij. dan spreekt men wel vaneen uitwendige of afzonderlijke be-krachtiging Wordt de stroom voorhet verkrijgen van het magnetischeveld door de dynamo zelf geleverd,dan spreken we van zelfbekrachti-ging .

2 .1 .2 Het tot stand komenvan eendriefasenwisselstroom

Op dezelfde wijze als een eenfasewis-selstroom wordt opgewekt wordtdoor een roterende dynamo ook eendriefasenwisselstroom opgewekt,ook wel draaistroom genoemd. Hetvoordeel van het opwekken van eendriefasenwisselstroom ten opzichtevan de eenfasewisselstroom is gele-

gen in een verbetering van het dyna-morendement . Voor dit principemaakt men gebruik van drie onafhan-kelijk van elkaar werkende wikkelin-gen die 120' ten opzichte van elkaarzijn verdraaid .Volgens de inductiewet worden bijdraaiende dynamo sinusvormige wis-selspanningen . respectievelijk wis-selstromen van gelijke grootte en fre-quentie opgewekt . Omdat de driewikkelingen om de 120 - zijn geplaatstzullen de in de wikkelingen opgewek-te wlsselspanningen respectievelijkstromen ook 120 in fase ten opzichtevan elkaar zijn verschoven . Ze wordendus om de 120 of een zekere tijd naelkaar opgewekt (afb . 9) .Tijdens het draaien van de dynamoworden dus continu drie spanningenopgewekt . De daaruit voortvloeiendedriefasige wisselstroom wordt ookwel draaistroom genoemd omdat ineen elektromotor een roterend mag-netisch veld een 'draaiveld' produ-ceert . In plaats van drie afzonderlijkewikkelingen (spoelen) bestaat depraktische uitvoering uit drie fasewik-kelingen die opgebouwd zijn uitmeerdere spoelen .Normaal gesproken zou een driefa-sendynamo voor het afvoeren van deopgewekte energie zes draden moe-ten bezitten . Door de drie stroomkrin-gen met elkaar to verbinden kan ech-ter het aantal draden van 6 naar 3 wor-den teruggebracht . Dit gemeen-schappelijk gebruik van draden wordtdoor een ster- of driehoekschakelinggerealiseerd .Bij de sterschakeling, die enigszinsovereenkomt met een serieschake-ling, worden de uiteinden van de fa-sewikkelingen tot een sterpunt sa-mengeknoopt . Dit mag men doen om-dat de som van de momentele waar-den van de driefasenstromen ten alletijden gelijk aan nul is . De driehoek-schakeling gelijkt daarentegen opeen parallelschakeling .Bij de driefasendynamo voor motor-voertuigen is het beter gebleken omde wikkelingen van de drie fasen on-der to brengen in een vaste behuizing,de zogenaamde 'stator' . We sprekendan ook wel van de statorwikkelin-gen . Op het roterende deel de rotor- bevinden zich de magneetpolen metde bekrachtigingswikkeling . Zodra ergelijkstroom (de rotorstroom) door dewikkeling vloeit wordt het magnetischveld in de rotor opgewekt .Begint de rotor to draaien dan wordtten gevolge van het roterend magne-tisch veld in de statorwikkelingen eendriefasige wisselspanning opgewekt,die bij belasting de driefasen- ofdraaistroom levert (afb . 10) .

8

9

Grondbeginselen

0s I

U

I

dynamostroom/(

lasestroomU

dynamospanningUI

tasesoannina

De,nfe>t ' slaat voor de fasen u v w

rs

C 0CM

CL

L-

0

0

450 90

135 1800 225 0 270 315 0 360hoekverdraaiing van de roterende spoel

SterschekelingBSI de sterschakeling wordt her verband lussen de dyna-mospanmrrg U en de fasespanning UI (deelspanningiweergegeven door de factor \ 3 (1 731De dynamostroom l is gelitk aan de lasestroom Itfn formula

- t ;I - 3

I- :

DriehoekschakelingBit de drienoekscoakeling is de fasespannmg Ut gelgkaan de dynamospanning U Daarentegen ziln de dynamostroom en de lasestroom met gelilkEr geldt pier

/

6N

Nsr

r

l~; Ills7Ir~

S

90

180

270

360hoekverdraating van de roterende spoel

7

.

I

Fig. 8 Het spanningsverloop (het wlsselenvan de polanteit) in een draaiende windingdie zich in een magnetisch veld bevindtgedurende een omwenteling . De getekendeplaats van de winding komt overeen metsituatietiguur drie

Fig . 9 Wanneer we gebruik maken van driewikkelingen (u, v, w) die een hoek van 120'met elkaar maken, dan zijn de opgewektespanningen 120 in Case verschovenWanneer we de fasespanningen met elkaarverbinden dan ontstaat een driefasige wis-selspanning

Fig 10 De relatie tussen driefasenstroomen wikkelingsuiteinde .Het grondbeginsel voor het opwekken vaneen driefasenwisselstroom en het verbin-den van de wikkehngsuiteinden wordt ookin de driefasengenerator toegepast . waarbilhet voordelen biedt om de driefasenwik-kelingen in een vast gemonteerd weekilze-ren hues to plaatsen (de stator), en demagneetpolen met de bekrachtigingswik-keling to laten roteren (de rotor), Dezegenerator revert dan een driefasige wissel-stroom of draaistroom fats voorbeeldgeneratortype U2) In de auto is dezestroom zo echter niet to gebruiken aange-zien de batteril en de elektronischecomponenten van de installatie gelijk-stroom nodig hebben .-----------------------

8

2.2 Het gelijkrichten vanstroom en spanning

De driefasendynamo levert eerst eendriefasige wisselstroom of draai-stroom. Een nadeel van de wissel-stroom is dat hiermee de batterij nietkan worden geladen, maar dezestroom is ook niet geschikt om deelektronische onderdelen to voeden .Daarom zal er eerst gelijkrichtingmoeten plaatsvinden .Hoe wordt deze gelijkrichting verkre-gen?Een belangrijke voorwaarde voor pro-bleemloze gelijkrichting is de toepas-sing van halfgeleider-dioden. Na deinvoering van deze halfgeleiders ishet pas mogeliik geworden om dedriefasendynamo's op grote schaal togaan toepassen .

2.2.1 De brugschakelingvoor de gelijkrichting van dedriefasenstroom

De in de drie fasewikkelingen opge-wekte wisselstroom van de dynamowordt gelijkgericht door een inge-bouwde brugschakeling die uit zesdioden bestaat .De werking van een diode tijdens degelijkrichting van een eenfase-wis-selstroom wordt door afbeelding 11weergegeven . De gelijkrichtdiodezorgt ervoor dat de negatieve halveperiode wordt onderdrukt en alleende positieve halve periode wordtdoorgelaten zodat een pulserendegelijkstroom ontstaat. Deze methodewordt toegepast op iedere afzonder-lijke fase . Om echter alle halve perio-den, dus ook de onderdrukte negatie-ve, voor de gelijkrichting to gebruikenworden per fase 2 dioden toegepast :een diode aan de pluszijde (bij de B-klem) en een diode op de minzijde (bijde B- klem) .Bij de zogenaamde brugschakelingmet zes dioden gaat het om een twee-zijdige dubbele gelijkrichting . De ge-lijkrichting vindt plaats omdat de po-sitieve halve perioden door de zoge-naamde 'plusdioden' en de negatievehalve perioden door de 'mindioden'worden doorgelaten . De tweezijdigedubbele gelijkrichting geeft ten slottenog de sommatie van de positieve ennegatieve toppen van de halve perio-den waardooreen gelijkgerichte, lichtpulserende dynamospanning ont-staat (afb . 12). Ook de gelijkstroomdie de dynamo bij belasting tussen deklemmen B+ en B- aan de installatieafgeeft is niet volkomen vlak dochenigszins rimpelig . Deze rimpels wor-den door de parallel geschakelde bat-terij of door condensatoren -- indienaanwezig verder afgevlakt . De veld-

Grondbeginselen

00 11

TI

1

rotorverdraaiing

I/4

L'w

IwG

Fig . 11 Eenzijdige enkelfasige gelijk-richting. Vobr de diode de wisselstroomI w na de diode een pulserende gelijk-stroom Id , waarbij de negatieve halveperiode is onderdrukt.1 Batterij, 2 rotorwikkeling (R), 3 stator-wikkeling . 4 gelilkrichtdiode .

Fig. 12 Driefasenbrugschakeling voorde volledige gelijkrichting van de wissel-stroom1 Batteril, 2 rotorwikkeling (R) . 3 stator-wikkelingen, 4 plusdioden, 5 mindiodenU,. = fasespanningUd -- dynamo- of generatorspanningA

De driefasen-wisselspanningB - Het ontstaan van de dynamo-

spanning, voorgesteld door dealstand tussen positieve ennegatieve halve perioden (Ud)

C -Door de beide curven bij elkaar op totellen wordt de gelijkgerichtedynamospanning verkregen .

stroom die tot taak heeft om de polenvan het magnetisch veld to magneti-seren wordt afgetakt van het wissel-stroomcircuit en voor de rotor even-eens tweezijdig dubbelgelijkgericht .Dit gebeurt met behulp yan de driemindioden aan de B aansluiting endrie andere dioden aan de D+ klem .de zogenaamde velddioden (afb . 13) .

Het blokkeren van de retourstroomDe gelijkrichtdioden in de dynamozorgen niet alleen voor de gf~ lijkrich-ting van de rotorstroom e'~ - de dyna-mostroom. maar ze verhinderen ook

cccccua

mCCcitCLV)

A

1,4WW&MLM.~ aC+c

dat de batterij zich via de statorwikke-lingen kan ontladen . Draait de motorniet of met zo'n laag toerental (bij-voorbeeld tijdens het starten) dat dedynamo nog niet zelfbekrachtigendis, dan zou er een batterijstroom doorde statorwikkelingen vloeien wan-neer er geen dioden zouden zijn . Dedioden staan ten opzichte van de bat-terijpolariteit in sperrichting opge-steld . dat wil zeggen de pill van hetdiodesymbool staat in de plusrich-ting . Hierdoor kan de stroom alleenvan de dynamo naar de batterijvloeien en niet omgekeerd .

n+e-

Fig . 14 Aftakking en gelijkrichting van develdstroom (rotorstroom)1 Batterij, 2 rotorwikkelrng (R) . 3 stator-wikketmgen, 4 plusdioden, 5 mindioden,6 velddioden,

rnc

UU

0.

E00

0Spanning in

spanning insperrichting

doorlaatrichting

Grondbeginse/en

De gelijkrichtdiodenDe gelijkrichtdioden hebben de ei-genschap am . wanneer ze op eenspanningsbron zijn aangesloten, destroom slechts in een richting doortelaten (de pijl van het symbool geeft dedoorlaatrichting wan) . De stroom inomgekeerde richting (de sperrich-ting) wordt niet doorgelaten . Een dio-de kan worden vergeleken met eenterugslagklep die de vloeistof of hetgas slechts in een richting last passe-ren en zodoende terugstromen voor-komt. Wat betekent nu de uitdrukkingplus- en mindiode?'De plus- en mindioden komen wat be-treft hun werking volkomen overeenmet andere dioden . Ze onderschei-den zich alleen door de wilze waaropze in de gelijkrichter zijn gemonteerd .Het geribbelde metalen huis van deplusdiode is als kathode in de koel-

De karakteristiek van de siliciumdio-de geeft een indruk van zijn werkingen spanningsbereik . Het werkingsge-bied van de halfgeleiderdioden ligtbinnen zekere grenzen . De doorBosch vervaardigde siliciumdiodensperren de stroom in de sperrichtingtot zo'n spawning van 400V . Bij hetoverschrijden van deze doorslag-spanning wordt de diode door de gro-tere doorslagstroom vernield . In dedoorlaatrichting is een doorlaatspan-ning of drempelspanning van 0,7Vnodig voordat er een stroom kan

IAW

9

plaat geperst, die op zijn beurt via deB aansluiting met de batterij is ver-bonden .Daarentegen is het geribbelde meta-len huts van de mindiode als anodevia de koelplaat met de massa ver-bonden. De draadaansluitingen wor-den dan met de uiteinden van de sta-torwikkelingen verbonden (afb . 14) .De betrekkelijk kleine velddioden inhet rotor- of veldcircuit verbruikenwegens hun kleinere rotorstroomslechts 1 watt, terwijl de grotere enzwaarder belaste vermogensdioden(uitgevoerd als pull- en mindioden) inhet dynamocircuit altild nog zo'n25W per diode opnemen .

Fig . 13 Siliciumdioden voor driefasen-dynamo's . De vermogensdioden zijn alsplus- of mindioden in de koelplaat van degel ijkrichtschakeling geperst .a vermogensdiodeb velddioden_

vloeien. Boven deze spanning neemtde stroom in doorlaatrichting sneltoe. Dit spanningsbereik is derhalveuitstekend geschikt voor de in de mo-torvoertuigtechniek gebruikte agespanningen . Het span ningsverliesgeeft. afhankelijk van de stroomsterk-te, een vermogensverlies dat alswarmte naar buiten moet worden af-gevoerd . Voor een betere koelingworden de vermogensdioden vandriefasendynamo's in een koelblokgeperst (zie ook het hoofdstuk 'koe-ling ) .

UUCOm00

0rn 07VC

10

2 .3 De stroomkringen vande driefasendynamo

Bij de driefasendynamo kan men devolgende drie stroomkringen onder-scheiden :

de voorbekrachtigingsstroom-kring(uitwendige bekrachtiging door debatterijstroom)

de zelfbekrachtigingsstroomkring(zelfbekrachtiging door de dyna-mostroom)

het dynamo- of hoofdstroomcir-Cuit .

2.3.1 De voorbekrachti-gingsstroomkring

Wan neer we de contactschakelaar (4)inschakelen dan gaat er door de dy-namocontrolelamp (3) en de veldwik-keling (d) van de rotor een batterij-stroom vloeien die via de regelaar (2)naar de massa gaat (afb . 16 boven) .Bij de dynamo met losse regelaargaatde stroom eerst door de regelaar endan pas naar de veldwikkeling (afb . 16onder). Op deze manier wordt develdwikkeling door de batterijstroomvoorbekrachtigd .Waarom is deze voorbekrachtigingnu noodzakelijk?De reden is dat het aanwezige rema-nent magnetisme in de weekijzerenkern van de rotor bij de gangbaredriefasendynamo's niet voldoende isom tijdens het starten of bij een zeerlaag toerental een (zelf)bekrachtigingvan het magnetisch veld en daardoorde gewenste spanning to verwezenlij-ken . In het bekrachtigingsstroomcir-cuit van een driefasendynamo zijn perfase een vermogensdiode (mindiode)en een velddiode in serie geschakeld .De zelfbekrachtiging kan echter pasbeginnen wanneer de dynamospan-ning ten minste het spanningsverliesover de dioden (drempelspanning2 x 0,7 V = 1,4 V) heeft overwonnen .De voorbekrachtigingsstroom zorgtin dit probleem voor de oplossing . De-ze veroorzaakt namelijk bij een toerei-kend vermogen van de controlelampeen voldoende sterk magnetisch veldom de zelfbekrachtiging als het wareover deze 'drempel' heen to helpen . Altijdens het stationair draaien van demotor is het magnetisch veld zo sterk .dat de dynamo zich zelf (dus zonderhulp van de batterij) kan bekrachtigenen vermogen kan afgeven .

Grondbeginselen

Fig 15 De polen en het krachtlijnenveld van een twaalfpolige klauwenpoolmagneet metaangebouwde regelaar . Bij een losse regelaar zyn de polen en het krachtlijnenveldomgekeerd.

Fig. 16 Voorbekrachtigingsstroomkringboven : met aangebouwde regelaaronder: met losse regelaar1 dynamo, a) velddioden, b) plusdioden,c) mindioden, d) veldwikkeling (rotor)2 regelaar, 3 dynamo con trolelamp .4 contactschakelaar, 5 batterij

Fig . 17 Zelfbekrachtigingsstroomkringboven : met aangebouwde regelaaronder: met losse regelaar1 dynamo. a) velddioden . b) plusdioden .c) mindioden . d) veldwikkeling (rotor) .2 regelaar. 3 dynamocontrolelamp .4 contactschakelaar, 5 batterij .

2.3 .2 De dynamo-controlelamp

De dynamocontrolelamp (3) bevindtzich in het voorbekrachtigingscircuiten werkt, wanneer de contactschake-laar (4) is ingeschakeld. als een weer-stand . Bij voldoende stroomopnamedoor de lamp veroorzaakt de voorbe-krachtigingsstroom tijdens het star-ten een voldoende sterk magnetischveld om de noodzakelijke zelfbe-krachtiging mogelijk to maken . Tengevolge van het spanningsverschiltussen dynamo en batterij vloeit devoorbekrachtigingsstroom van depluspool van de batterij via het dyna-mocontrolelampje naar de D+ aan-sluiting van de dynamo . Zolang hetlampje brandt levert de dynamo noggeen stroom. De lamp gaat uit zodrabij een voldoende hoog toerental dezelfbekrachtiging begint en de dyna-mo aan de elektrische installatiestroom gaat leveren .

Fig . 18 Het dynamo- of hoofdstroomcir-cuitboven met aangebouwde regelaaronder met losse regelaaronderdelen genummerd van 1 t/m 5 gelilkaan figuur 16 en 17

Irk

q Al.

Grondbeg/nse/en

jrncccaa)R

0 15

Het gebruikelijke vermogen voor eendynamocontrolelampje bedraagt :2 W voor een 12 V installatie :3 W voor een 24 V installatie,

2.3.3 Het zelfbekrachti-gingsstroomcircuit

Het zelfbekrachtigingsstroomcircuitheeft tot task om gedurende het inbedrijf zijn van de dynamo in de veld-wikkeling van de rotor een magne-tisch veld op to wekken waardoor inde fasewikkelingen van de stator degewenste spanning kan worden gem-duceerd .Daar het bij de driefasendynamo s omeen zelfbekrachtiging gaat . wordt eengedeelte van de in de statorwikkelin-gen opgewekte stroom op de volgen-de wijze afgetakt (zie afb. 17 met aan-gebouwde regelaar) .Een deelstroom van de fasewikkelin-gen wordt door de drie velddiodengelijkgericht en als veldstroom via dekoolborstels en sleepringen naar develdwikkeling en de regelaar geleid(aansluiting DF) . De verdere verbin-ding gaat ten slotte via de D aanslui-ting en de vermogensdioden (mindio-den) terug naar de statorwikkelingen .Bij het toepassen van een losse rege-laar is het stroomcircuit verschillendvan hetgeen eerder is beschreven,daar de velstroom na het passerenvan de velddioden via de D { aanslui-ting naar de regelaar gaat en de rege-laar weer via de aansluiting DF ver-laat . Vanaf DF gaat de stroom door develdwikkeling en vermogensdioden(mindioden) terug naar de statorwik-kelingen .Voor de veldbekrachtiging is bijdraaiende dynamo geen uitwendigestroombron noodzakelijk : de dynamobekrachtigt zichzelf . Om de zelfbe-krachtiging in to leiden wordt het re-manent magnetisme van de weekijze-

/

w

+

11

30

45

601hoekverdraaiing van de rotor

Fig 19 Het span mngsverloop in destatorwikkeNngen (u . v . w) als functie vande doorlopen hoek van een rotor met zespoolparen,

ren kern van de rotorspoel gebruikt .waardoor bij het op toeren komen vande dynamo - met ondersteuning vande voorbekrachtigingsstroom eenkleine spanning in de statorwikkelin-gen wordt geinduceerd . Deze span-ning veroorzaakt een kleine stroom inde rotorwikkeling en geeft daardooreen versterking van het magnetischveld . waardoor de opgewekte span-ning in de statorwikkelingen wordtvergroot. Deze wisselwerking her-haalt zich bij oplopend toerental netzo lang tot de dynamo volledig is be-krachtigd en de gewenste dynamo-spanning is bereikt .

2.3 .4 Het dynamo- ofhoof dstroomcjrcuit

De in de drie fasen van de dynamogeinduceerde wisselspanning wordtdoor de vermogensdioden in de brug-schakeling gelijkgericht en kan dannaar de batterij en overige verbruikersworden geleid, dat wil zeggen de dy-namostroom splitst zich in een ver-bruikers- en een batterijstroom. Hetverloop van deze dynamo- of hoofd-stroom wordt in afbeelding 18 weer-gegeven . Gaan we uit van een rotormet zes poolparen na 30 hoekver-draaiing, (afb . 19) dan zien we dat opdit tijdstip de spanning van wikke-lingsuiteinde 'v' positief en de span-ning aan w negatief is, terwijl u span-ningsloos is. Het stroomverloop isdan overeenkomstig afb. 18 als volgtWikkelingsuiteinde v, vermogensdio-de v (plusdiode) dynamoaansluitingB batterij respectievelijk verbrui-kers, massa, dynamoaansluiting B-(in de meeste gevallen het dynamo-huis) vermogensdiode w (mindiode),wikkelingsuiteinde w . sterpunt .Op het tijdstip na 45 hoekverdraaiingvloeit er een stroom van gelijke groot-

12

to door de wikkelingsuiteinden v en wdoor de bijbehorende plusdiodennaar de batterij en verbruikers en danweer terug naar het sterpunt via demindioden en de fase u .In deze situatie is geen van de fasenzonder spanning . Voor beide voor-beelden geldt dat het hier momentelesituaties betreft . In werkelijkheid wis-selen de fasestromen voortdurendvan grootte en richting, terwijl de ge-lijkstroom voor de verbruikers en bat-terij (aansluiting B i en aansluiting15) zijn polariteit blijft behouden . Ditis mogelijk omdat in elke denkbarestand van de rotor de dioden gelijktij-dig aan de gelijkrichting deelnemen .Om er voor to zorgen dat de stroomvan de dynamo naar de batterij gaat(men kan het met pompen vergelij-ken) moet de dynamospanning hogerdan de batterijspanning zijn .

2.4 Principiele opbouw vande dynamo

De tot nu toe besproken theoretischegrondbeginselen en verbanden zijnterug to vinden in de technische reali-satie van de dynamo, hoewel de indi-viduele uitvoeringen - afhankelijk vanhun toepassingsgebied-in detail vanelkaar kunnen verschillen . De klau-wenpooldynamo is tegenwoordig hetmeest toegepaste dynamotype . Bij deuiteenzetting van de dynamo-op-bouw zal dit type dan ook als voor-beeld dienen .

9 8

Grondbeginselen

De

principiele

dynamo-opbouwwordt door de volgende onderdelenbepaald :

Een stilstaande stator (6) met dedriefasige statorwikkeling, die denuttige dynamostroom (driefasen-stroom) aan de eveneens stilstaan-de gelijkrichter afgeeft . De statorbestaat uit metalen plaatjes die tenopzichte van elkaar zijn geisoleerden van uitsparingen zijn voorzienen tot een pakket zijn samenge-perst. In deze uitsparingen zijn dewindingen golfsgewijs aange-bracht .

De roterende rotor (7)Op deze as zitten de poolhelftenmet de magneetpolen, de veldwik-keling en bij de meeste dynamo-uitvoeringen twee sleepringen . Develdwikkeling bestaat uit een enke-le ronde spoel die door de klauw-polen wordt omvat .Via de koolborstels die tegen desleepringen worden gedrukt wordteen betrekkelijk kleine veldstroomaangevoerd. Sleepringloze dyna-mo's werken zelfs zonder borstelsen sleepringen .

Op de rotoras zijn bovendien depoelie (9) voor de dynamo-aandrij--i ng en de ventilator (8) voor dekoeling bevestigd . De rotor van dedriefasendynamo's kan in beiderichtingen worden aangedreven .De draairichting (links- of rechts-om) wordt echter bepaald door destand van de schoepen van de ven-ti lator .

Tussen het voorste en achterse la-

10

gerschild ( 10-1) wordt de stator ge-klemd . In de beide schilden bevin-den zich de rotorlagers .

De gelijkrichter ( met koelplaten alsdiodedrager) (2) met ten minste zesvermogensdioden en drie velddio-den voor de omvorming van dedriefasenstroom in gelijkstroom .

De borstelhouder ( 5) met de kool-borstels, die tegen de sleepringenvan de rotor worden gedrukt en ervoor zorgen dat de veldstroomnaar de roterende rotor kan wor-den gevoerd .

De losse regelaar (niet afgebeeld)die, gescheiden van de dynamo . opeen enigszins beschutte plaats te-gen de carrosseriewand is beves-tigd en die met behulp van eenstekkerverbinding verbonden ismet de borstelhouder.

Terwijl de losse regelaar door mid-del van elektrische verbindingenaangesloten is met de borstelhou-der, vormt de aangebouwde rege-laar een geheel met de borstelhou-der (5) . Ze worden steeds meer toe-gepast .

Fig . 20 (volgende pagina) en onder-staande foto's .Principiele opbouw van een driefasen-dynamo, als voorbeeld een klauwen-pooldynamo .1 Achterste lagerschild2 gelijkrichter3 vermogensdioden4 velddioden5 regelaar, borstelhouder en borstels6 stator7 rotor8 ventilator9 poelie10 voorste

lagerschild.1

Alma

_d9r,411111

20

411

Grondbeginselen

13

7

14

2.5 Vergelijking met degeljjkstroomdynamo

Hoewel er vrijwel geen nieuwe auto'smeer met gelijkstroomdynamo's wor-den ultgerust zal, om een vergelijkingmet de driefasedynamo mogelijk tomaken, deze dynamo toch nog in hetkort worden besproken .

OpbouwVoor het overzicht volgen hier de be-langrijkste onderdelen van een gelijk-stroomdynamo : Poolschoenen (7) vast aan het

poolhuis (1) met de elektrischeaansluiting (3) en veldwikkeling (8) .

Borstelschild (5) en voorste lager-schild (6) .

Roterend anker (2) met as, week-ijzeren kern (platenpakket), anker-wikkeling en collector (4) .

Poelie met ventilator (niet afge-beeld)

Borstelhouder met koolborstels(9) .

Regelaar (niet afgebeeld),

5

de regelaar

Verschil inde wikkeling waarin de stroom wordtopgewektde veldwikkelinggelijkrichting

vergelijkbare afmetingen

9

Grondbeginselen

De gel ijkstroomdynamo wordt als eenshuntmachine uitgevoerd . dat wilzeggen anker- en veldwikkeling zijnparallel geschakeld . De noodzakelij-ke stroom voor de bekrachtiging vanhet magnetisch veld wordt door demachine zelf opgewekt en afgetaktvan de ankerstroom (het zelfbekrach-tigingsprincipe). De veldwikkeling isin het vaste (stilstaande) poolhuis on-dergebracht .

WerkingIn de uitsparingen van de weekijzerenkern (platenpakket) van het anker zijneen aantal koperwindingen aange-bracht . Wanneer het anker draait snij-den deze windingen de krachtlijnenvan het magnetisch veld dat zich tus-sen de polen van de dynamo bevindt,waardoor in de windingen een wissel-spanning wordt opgewekt . Bij een ge-sloten stroomcircuit vloeit er een wis-selstroom die door de collector wordtgelijkgericht . De koolborstels nemenclan gelijkstroom of die via de aange-sloten bedrading naar de batterij enverbruikers wordt geleid . Dit betekent

Belangrijke verschillen tussen de gelijkstroom- en de driefasendynamo

geli)kstroomdynamo'sroterend (het anker)

stilstaanc (poolschoenen)roterend (collector)

spanningsregelaar met automaat (deels)( deels ook met stroomregelaar)diameter kleinerlengte groter

ook dat de volledige dynamostroomvia de collector van het draaiende an-ker wordt afgenomen . Dit is een be-langrijk nadeel ten opzichte van dedriefasendynamo die de dynamo-stroom levert vanuit de stilstaandestator .

Ook het maximum toelaatbare toe-rental wordt door de eigenschappenvan de mechanische gelijkrichting(collector en borstels) begrensd .Andere nadelen (vooral de slijtagevan de koolborstels door de collec-tor), die geleid hebben tot het nietmeer toepassen van de gelijkstroom-dynamo, zijn reeds in het hoofdstuk'Achtergronden betreffende de invoe-ring van de driefasendynamo's' he-sproken . Het toerenbereik van de dy-namo moet met behulp van een over-brengverhouding aangepast wordenaan het toerenbereik van de motor .Bovendien is er nog een regelaarnoodzakelijk (de tack van deze rege-laar wordt beschreven in het hoofd-stuk 'spanningsregelaars voor driefa-sensynamo's)' .

driefasendynamo's _stilstaand (de stator)

roterend (de rotor)stilstaand (diodeschakeling), tevensautomatische schakelaaralleen een span ningsregelaar

diameter : groterlengte korter(klauwpolen)

Bij de gelijkstroomdynamo's met be-trekkelijk kleine vermogens wordtdoor een contactregelaar (span-ningsregelaar) alleen de spanning ge-regeld. Regelaars voor grotere dyna-movermogens bezitten naast despanningsregelaar ook nog eenstroomregelaar, die de dynamo tegenoverbelasting dient to beschermen .Een zelfstandig werkende elektro-magnetische schakelaar, de zoge-naamde automaat of automatischeschakelaar, moet bovendien de ver-binding tussen dynamo en startmotorkunnen verbreken . Hierdoor kan wor-den voorkomen dat een stroom vande batterij door de wikkelingen van dedynamo gaat stromen, zodat de bat-terij bij lage toerentallen of stilstaan-de motor niet wordt ontladen .Afbeelding 22 toont ons de karakte-ristiek van een gelijkstroomdynamo .Bij punt 1 wordt de laadspanning be-reikt en de dynamo met behulp van deautomatische schakelaar met de bat-terij verbonden . De dynamo begintongeveer bij het stationair toerental -in veel gevallen zelfs boven het statio-naire toerental vermogen of to ge-ven . Bij het toerental weergegevendoor punt 2 wordt de maximale dyna-mostroom bereikt en door de stroom-regelaar begrensd . Het maximaal toe-laatbare toerental in punt 3 mag . i nverband met de collectorproblema-tiek (en de daarmee verbonden tem-peratuurverhoging) en de vergroteslijtage van de koolborstels . niet wor-den overschreden .

4

21

Grondbeginselen

6

15

Fig . 21 en onderstaande foto's .De opbouw van een gelijkstroomdynamo

1 poo/huis2 anker3 aansluitklemmen4 collector5 achterste lagerschild6 voorste lagerschild7 poolschoen E0

- stationairtoerengebied

8 veldwikkeling 09 borstelhouder en koolborstel . 0

0

Fig . 22 Stroomkarakteristiek van eengelijkstroomdynamo met spannings- en

EMC

70stroomregelaar1 het bereiken van de laadspanning (hrerboven het stationaire toerental)

2 stroombegrenzing door de stroom-re9elaar

3 stroom bij het maximaal toelaatbaredynamotoerental

toerental n

16

3 Spanningsregelaar voordriefasendynamo's

3 Spanningsregelaar voordriefasendynamo's

3 .1 Waarom is eenspanningsregelaar nood-zakelijk?

Bij de beschouwing tot nu toe is eenbelangrijk onderdeel van de driefa-sendynamo nog niet ter sprake geko-men, namelijk de spanningsregelaar .De taak van de regelaar bestaat uit hetconstant houden van de dynamo-spanning over het gehele toerenbe-reik van de motor, ongeacht de belas-ting en het toerental van de dynamo .Deze spanningsregeling is nodig om-dat de variatie in het motortoerentalen de belasting van de dynamo tengevolge van het aantal ingeschakeldeverbruikers aanzienlijk is. Ondanksdeze voortdurend veranderende be-drijfsomstandigheden moet men erzeker van kunnen zijn dat bij hogeretoerentallen en kleine dynamobelas-ting de spanning tot op een zekerevoorgeschreven waarde wordt be-grensd . Hierdoor worden de verbrui-kers tegen een to hoge spanning be-schermd en wordt voorkomen dat debatterij wordt overladen . Bovendienmoet tijdens het laden van de batterijnog rekening worden gehouden metzijn elektro-chemische eigenschap-pen, waardoor de laadspanning bij la-ge temperatures wat hoger moet zijndan bij hogere temperaturen . Dit allesgeschiedt nu met behulp van span-ningsregelaar die bij iedere dynamohoort. Afhankelijk van de bevesti-

Spanningsregeling

gingswijze kan men een onderscheidmaken tussen losse regelaars en aan-gebouwde of ingebouwde regelaars .

3 .2 Het principe van despanningsregeling

De in de dynamo opgewekte span-ning hangt of van de grootte van hettoerental en de sterkte van de veld- ofrotorstroom . Hoe hoger het toerentalen hoe sterker het magnetisch veld,des to hoger wordt de opgewekte dy-namospanning. Wanneer men de ro-tor van een dynamo volledig zou be-krachtigen en de dynamo niet zou

Fig. 23 Schema van een monocon-tactregelaar met een element .1 regelaar, 2 dynamo, 3 elektro-magneet, 4 contactpunten, 5 veld-weerstand. 6 rotorwikkeling (R) .

(+) 3

aansluiten op de batterij of een ande-re verbruiker, dan zou de spanningrechtevenredig met het toerentaloplopen en deze zou bij zo'n10.000 t/min ongeveer 140V bedra-gen . Het principe van de spannings-regeling bestaat dan ook hieruit datmen de rotorstroom - en daardoor desterkte van het magnetisch veld af-hankelijk van de in de dynamo opge-wekte spanning - gaat regelen . Hier-door wordt de dynamo klemspanningUd (tussen de klemmen B+ en B-) totde maximale dynamostroom con-stant houden . De nominale afgeregel-de spanning bij motorvoertuigen uit-gerust met een 12V batterij bedraagt14V; wanneer er sprake is van een24V batterijspaning dan bedraagt denominale afgeregelde spanning 28V .Zolang de dynamospanning onder deafgeregelde spanning blijft werkt deregelaar niet .Wordt de dynamospanning binneneen zeker tolerantiegebied groterdande nominaal afgeregelde spanning,dan is het de taak van de regelaar om,in relatie tot de belasting, de rotor-stroom door middel van onderbre-king to verminderen . Het rotorveldneemt hierdoor of en uiteraard ook dedoor de dynamo opgewekte span-ning. Zou vervolgens de dynamo-spanning onder de afgeregelde span-ning dalen, dan neemt het rotorveldweer toe en derhalve ook de dynamo-spanning, totdat de nominale afgere-gelde spanning weer wordt over-schreden, waarna het spel opnieuwkan beginnen .Dit proces herhaalt zich zo snel (hetgaat hier om milliseconden) dat dedynamospanning op de gemiddeldegewenste waarde kan worden afgere-geld. De traploze aanpassing aan deverschillende toerentallen geschiedtautomatisch . Bij lage toerentallen kande rotorstroom relatief lang door de

Fig. 24 Schema van een dubbelecontactregelaar met een element.1 regelaar, 2 dynamo, 3 elektromag-neet, 4 veldweerstand, 5 contact-punten, 6 rotorwikkelingen (R) .

wikkeling vloeien en wordt slechtskort onderbroken . zijn gemiddeldewaarde 1,,,, is derhalve hoog . Omge-keerd is bij de hogere toerentallen derotorstroom slechts kort ingescha-keld en wordt relatief lang onderbro-ken. in dit geval is de gemiddeldestroomwaarde l,,i2 laag. De dynamowordt dus afgeregeld door het perio-diek in- en uitschakelen van de rotor-stroom hetgeen in het zaagtandvor-mige verloop van de rotorstroomcur-ve tot uitdrukking komt (afbeelding26). De verhouding tussen de in- enuitschakeltijden is maatgevend voorde grootte van de gem iddelde veld- ofrotorstroom . Hoe kan het clan wordenverklaard dat door het in- en uitscha-kelproces de rotorstroom niet stoots-gewijze groter of kleiner wordt?Dit wordt veroorzaakt door de rotor-wikkeling van de dynamo die een gro-te zelfinductiecoefficient bezit . Ophet ogenblik van inschakelen neemtde stroomsterkte, tezamen met de op-bouw van het magnetisch veld, gelei-delijk gedurende de inschakelduur Ttoe. Tijdens het uitschakelen neemtde rotorstroom, tezamen met hetveld . weer of gedurende de uitscha-keltijd T, (het verloop van de afne-mende stroom wordt met I aangege-ven)Terwijl de regelaar voor de gelijk-stroomdynamo nog drie functies tovervullen had, namelijk het regelenvan spanning en stroom en het voor-komen van een retourstroom, bezit deveel eenvoudiger uitgevoerde rege-laar voor de driefasendynamo's nogslechts een element en wel voor hetregelen van de spanning . De functievan de automatische schakelaarwordt door de dioden overgenomen .Een stroombegrenzer is ook nietnoodzakelilk, want de ankerreactiebegrenst de tijdens vollast optreden-de maximaal toelaatbare stroom (destroom door de statorwikkeling doeteen magnetisch veld ontstaan, diezijn invloed uitoefent op het rotor-veld : het resulterende veld wordt hier-

i

E00

0

0Ir

100

Spanningsregeling

1

door aanmerkelijk kleiner) . Bij hogeretoerentallen is een zwakker magne-tisch veld echter voldoende om devereiste klemspanning op to wekken .

De conventionele elektromagneti-sche contactregelaar (mechanischespanningsregelaar)Contactregelaars wetden vooral teza-men met kleine driefasendynamo'sop nieuwe auto's gemonteerd voo-r-dat ze door transistorregelaars wer-den verdrongen. Op het ogenblikworden ze in hoofdzaak voor vervan-gingsdoeleinden gebruikt . Contact-regelaars regelen de dynamospan-ning langs elektro-mechanische weg .Het afwisselend veranderen van de

tijd t -

2

3

Fig. 25 Dubbele contactregelaar met een element1 ontstonngselement . 2 her anker. 3 elektromagnvet . 4 regelcontacten voor groterotorstromen, 5 regelcontacten voor kleme rotorstromen .

17

rotorstroom geschiedt door het ope-nen en sluiten van het beweegbarecontact dat onder invloed van deveerspanning tegen een vast contactwordt geduwd en bil het bereiken vande afgeregelde spanning door eenelektromagneet hiervan wordt weg-getrokken . Het is dus een relais dalafhankelijk van de dynamospanningin- en uitschakelt .

Door de afmetingen en eigenschap-pen van de contactregelaar kan de-ze niet worden ingebouwdDe voor de dnefasedynamo geschiktemechanische spanningsregelaar be-staat uit een spanningsregelend ele-ment dat op zijn beurt weer uit eenelektromagneet. anker en contact-punten bestaat . Het openen en sluitenvan de contacten komt bij de mono-contactregelaar met een element opde volgende wijze tot stand .Op het anker van de regelaar werktzowel de veerkracht van een afstelba-re bladveer als de magneetkracht

Fig 26 De rotorstroom I als functie vande rnschakeltijd T, en de Litschakeltgd T,,Do verhouding tussen do rnschakel- enuitschakeltijd is bepafend voor de groottevan do gemiddelde rotorstroom Detoename van de rotorstroom geschiedtvolgens de kromme a en de al namevolgens kromme b Ter wille van de dumde-lijkheid is de schaal aangepasr De werke-hlke waarden kloppen net met deqekozen schaalverdelmq

Regeltoestand bij het toerental n, L Regeltoestand bij toerental n2Regelaar

~Ilf1 iiwu UIIIII luLU uiw1` 1111111

Imaa /ma

a

\S'~C h E2 r IA 2yI A IE,~

18

(van de kern) . Zodra de dynamospan-ning de afgeregelde spanning over-schrijdt trekt de elektromagneet hetanker aan en worden de contactengeopend (schakelstand b) . Hierdoorwordt een weerstand in het rotor-stroomcircuit geschakeld waardoorde rotorstroom vermindert en de dy-namospanning daalt . Wordt de dyna-mospanning nu lager dan de afgere-gelde spanning, dan zal ook de mag-netische kracht kleiner worden . Deveerspanning is nu groter waardoorde contacten opnieuw sluiten (scha-kelstand a). Dit proces herhaalt zichvoortdurend .Een dubbele contactregelaar met eenelement (afb . 25) werkt met een dub-bel stel contactpunten, waarbij drieschakelstanden mogelijk zijn .In de schakelstand (a) (afb .24) kandoor het kortsluiten van de veldweer-stand een grote rotorstroom vloeien .In schakelstand (b) is de veldweer-stand in serie met de rotorwikkelinggeschakeld, waardoor de rotor-stroom gereduceerd wordt . In scha-kelstand (c) wordt ten slotte de rotor-spoel kortgesloten : de rotorstroom isdan nagenoeg nul . Door het toepas-sen van compensatieweerstandenbezit de regelaar bovendien een tem-peratuurcompensatiesysteem zodatde afgeregelde spanning bij stijgendetemperaturen gaat afnemen om tovoorkomen dat de batterij wordt over-laden . Bij lage temperaturen gaat deafgeregelde spanning omhoog omeen geladen batterij to garanderen .

3.3 De elektronischespanningsregelaar

Hogere eisen aan de levensduur, on-derhoud en regelnauwkeurigheidhebben tot de ontwikkeling van detransistorregelaar geleid . De regelaarbezit geen contacten noch andere be-wegende delen .Kleine afmetingen . een gering ge-wicht en de ongevoeligheid voor tril-lingen maken het mogelijk deze rege-laar direct tegen de dynamo to monte-ren . De voordelen van de elektroni-sche regelaar zijn zo groot dat hij totde standaarduitrusting van de driefa-sendynamo is gaan behoren (af . 27) .

Welke voordelen geven de elektro-nische regelaars?De voordelen van de elektronischeregelaar worden verkregen door deingebouwde halfgeleiderelementen .die als afzonderlijke, of gedeeltelijkgeintergreerde onderdelen, op eenprintplaatje zijn gemonteerd en zoeen eenvoudige een bedrijfszekereeenheid vormen . De belangrijkste enmarkantse onderdelen zijn de transis-

Spanningsregeling

toren en een zenerdiode .De wezenlijke voordelen van de con-tactloos schakelende elektronischeregelaar zijn :

Korte schakeltijden maken eenkleine regeltolerantie mogelijk .

Geen slijtage en daardoor onder-houdsvrij .

Grote toelaatbare schakelstromenwaardoor het aantal typen kanworden verminderd .

Vonkvrij schakelen waardoor geenradiostoring optreedt .

Ongevoelig voor stoten . trillingenen klimaatinvloeden . waardooreen grotere bedrijfszekerheid eneen kleiner uitvalpercentage op-treedt .

Elektronische temperatuurcom-pensatie geeft ook een kleinere re-geltolerantie .

De compacte bouwwijze maaktook het inbouwen bij grotere dyna-motypen mogelijk . Bedrading kanhierdoor komen to vervallen .

De toepassing van elektronische re-

3.4 De ontwikkeling van despan ningsregelaar

De onderstaande afbeeldingen latende ontwikkeling van de spanningsre-gelaar bij Bosch zien sinds de invoe-ring op grote schaal van de driefa-sendynamo in 1963 . Links is de oor-spronkelijk gebruikte en gedurendevele jaren gehandhaafde spannings-regelaar afgebeeld. Deze regelaarkan op grond van zijn eigenschappenalleen als losse regelaar worden uit-gevoerd . De bijzondere voordelen vande elektronische regelaar leidden tenslotte tot het verdwijnen van de me-

gelaars op in serie vervaardigde auto-mobielen heeft dan .ook door boven-staande voordelen een grote vluchtgenomen .De reductie van het aantal typenmaakt het in voorraad houden vanelektronische regelaars voor de vak-handelaar eenvoudiger. ook omdatvele oude contactregelaars door elek-tronische regelaars kunnen wordenvervangen .Bosch heeft de typen EE 14V3 voor de12V installatie en het type EE 28V3voor de 24V installatie ontwikkeld .waarbij de borstelhouder en regelaareen unit vormen . De EE regelaarsworden in grote aantallen vervaar-digd en behoren tot de standaarduit-rusting van nieuwe personen- en be-drijfswagens . Losse regelaars wor-den nog slechts toegepast wanneerhet gaat om dynamo's met grote ro-torstromen of wanneer speciale eisenworden gesteld .

chanische regelaar . Reeds in 1969kon de in het midden afgebeeldeelektronische regelaar voorzien vanaparte onderdelen en gedeeltelijkgeintegreerde elementen voor deeerste maal in een dynamo wordeningebouwd. Ditgingtezamen met eennieuwe generatie driefasendynamo's .Het rechter beeld laat de laatste ont-wikkeling zien in de zogenaamde hy-bridetechnologie. Na buitengewoonzorgvuldige testen onder extremeomstandigheden worden deze rege-laars tegenwoordig in serie vervaar-digd en zijn in de jaren 80 tot de stan-daard uitrusting van de Bosch driefa-sendynamo's gaan behoren .

f Aanduiding 1 Mechanische of 2 Elektronische 3 Elektronischecontactregelaar regelaar (I) regelaar (II)

-----Uitvoering elektro-mechanisch gedeelteliik geinte- Hybridetechniekgreerde elementen IC stuurtrap

Volumeverhouding 100ia ca. 20% ca. 3%Gewicht 2409 55 g 22 gBevestiging aan de carrosserie op de dynamo op de dynamo

3.5 Belangrijkehalfgeleideronderdelen in deelektronische spannings-regelaar

In de elektronische spanningsrege-laar zijn bijzonder belangrijke halfge-leiderelementen als transistoren enzenerdioden (Z dioden) ingebouwd .

TransistorDe transistor werkt als een schakelaarom de rotorstroom snel in en uit tokunnen schakelen . Ten opzichte vande mechanische schakelaar heeft detransistor vele voordelen . Hij kan ge-ruisloos en vrijwel zonder vertraginggrote stromen schakelen terwijl ergeen delen mechanisch worden be-wogen. Bovendien is hij onderhouds-vrij, klein van afmetingen en licht ingewicht . de transistor als schakelaarkent de twee standen 'in' en 'uit' .

ZenerdiodeDe zenerdiode, genoemd naar zijnontdekker Zener, is een speciale dio-de . Halfgeleiderdioden laten in sper-richting toch een kleine stroom door .Bij het overschrijden van de zoge-naamde doorslagspanning neemt de-ze lekstroom plotseling sterk toe .Wordt deze stroom to groot dan zal detemperatuur to hoog oplopen enwordt de diode beschadigd . Wanneerde toelaatbare warmteontwikkelingna doorslag niet wordt overschreden .zal beschadiging van de diode wor-den voorkomen . In de regelaar wor-den zenerdioden toegepast om detransistoren to kunnen sturen . Ze be-palen de nominale waarde van de af-geregelde of gestabiliseerde span-ning .

3 .6 De opbouw en werkingvan de transistorregelaar

Als voorbeeld voor de opbouw enwerking nemen we de aangebouwdetransistorregelaar type EE 14V3 om-dat deze regelaar bij de personen- enbedrijfswagens het meest wordt toe-gepast (afb. 28) .Het belangrijkste onderdeel van deregelaar wordt gevormd door tweegeintergreerde units, namelijk :TWZ (transistor T1-weerstand R4 -zenerdiode ZD) als stuureenheid :TWT (transistor T2-weerstand R5 -transistor T3) als vermogenseenheid .Alle andere weerstanden worden metbehulp van een 'opdruk' techniek opeen plaatje keramisch materiaal on-dergebracht . Deze opbouw is een-voudig en bedrijfszeker .Wat er in de elektronische regelaar

Spanningsregeling

tussen de schakelstanden 'in' en 'uit'gebeurt wordt weergegeven in hetvereenvoudigde schema van afbeel-ding 29 en 30. De werking wordt dui-delijk wanneer we de situatie bij toe-nemende, respectievelijk afnemendedynamospanning gaan bekijken .De werkelijke dynamospanning tus-sen de klemmen D+ en D wordt dooreen spanningsdeler geregistreerd .die wordt gevormd door de weerstan-den R1, R2 en R3 . Parallel aan R3 iseen zenerdiode als 'span ningsaange-ver' voor de regelaar geschakeld, dieop een deelspanning, evenredig metde dynamospanning, is aangesloten .

Regelstand 'in'Zolang de werkelijke spanning onderde afgeregelde dynamospanning ligten de doorslagspanning van de ze-nerdiode nog niet is bereikt, vloeit ergeen stroom door de zenerdiodetak .Derhalve kan er ook geen stroom naarde basis van de transistor T1 gaan zo-dat T1 zich tezamen met de zenerdio-de in spertoestand bevindt . Bij ge-sperde transistor T1 kan echter eenbasisstroom van de velddioden enklem D + via de weerstand R6 naar debasis van transistor T1 vloeien, waar-door T2 inschakelt. De ingeschakeldetransistor T2 maakt de verbinding tus-sen de aansluitklem D, en de basisvan T3, waardoor ook T3 in geleiden-de toestand overgaat . De rotorstrooml, vloeit nu door T3 en de rotorwikke-ling . Gedurende de inschakeltijdneemt de rotorstroom toe waardoorook de dynamospanning Uo toe-neemt. Tegelijkertijd neemt ook despanning over de spanningsdeler enzenerdiode toe .

Regelstand 'uit' (afb . 30)Overschrijdt de dynamospanning denominaal afgeregelde spanning danwordt de zenerdiode bij het bereikenvan de doorslagspanning geleidend-

1

Fig 27 Dynamotype K 1 (1) met geinte-greerde elektronische regelaar typeEE 14V3 (2) .Door de invoering van de elektronischeregelaar werd het mogelijk om de regelaardirect aan de dynamo to monteren .

Nu gaat de stroom van D+ via R1 enR2 en de zenerdiode naar de basis vande transistor T1, die daardoor gelei-dend wordt . Het gevolg daarvan is datde spanning over de basis van T2wegvalt waardoor geen basisstroommeerzal vloeien, waardoordetransis-tor T2, maar ook T3 gesperd wordt (T2en T3 vormen een zogenaamde Dar-lingtonschakeling) . De rotorstroomwordt daardoor onderbroken, hetveld valt weg en de dynamospanningdaalt weer . Door het onderbreken vande rotorstroom ontstaat ten gevolgevan de zelfinductie in de rotorspoel(opgeslagen magnetische energie)een spanningspiek, die de transisto-ren T2 en T3 zou kunnen beschadi-gen . Om dit to voorkomen wordt dewegvallende rotorstroom l, via de pa-rallel aan de rotorwikkeling gescha-kelde vrijloopdiode D3 afgevoerd .Zodra de dynamospanning weer on-

9

8

Fig . 28 De elektronische regelaar type EE 14V3 met de borstelhouder als een unit(zonder beschermkap).

1 koolborstels . 2 borstelhouder. 3 contactveer. 4 print met draaddoorvoer en soldeer-punten, 5 besturingsgedeelte. 6 vermogensgedeelte, 7 dioden . 8 weerstanden op cera-miekplaat. 9 condensator.

4 10

19

1

2

20

der de afgeregelde spanning komt ende zenerdiode weer spert wordt derotorstroom opnieuw ingeschakeld .Dit regelspel, waarbij de rotorwikke-ling afwisselend aangesloten is op dedynamospanning en wordt kortgeslo-ten via de vrijloopdiode, herhaalt zichperiodiek . De schakelverhoudinghangt of van het dynamotoerental ende geleverde dynamostroom . De con-densator C vlakt de pulserende gelijk-spanning van de dynamo af . De weer-stand R7 maakt het mogelijk dat detransistoren T2 en T3 snel en exactschakelen en dat de schakelverliezenworden verminderd . Hoewel de ver-schillende uitvoeringen uiterlijk en inopbouw van de schakeling kunnen af-wijken is hun werkingsprincipesteeds hetzelfde . Een voorbeeld daar-van zijn de 'losse regelaars in eenspeciale behuizing, geschikt voorgrote rotorstromen . en die in verbandmet hun warmte-ontwikkeling voor-zien zijn van koelribben .

De invloed van de omgevingstempe-ratuurDe taak van een regelaar is om deinstallatiespanning aan de behoeftevan de verbruikers aan to passen endeze constant to houden . onafhanke-lijk van het toerental en de belasting .Aan deze eis kan pas volledig wordenvoldaan wanneer we ook de invloedvan de omgevingstemperatuur daar-bij betrekken. De laadspanning moetbijvoorbeeld onder koude weersom-standigheden hoger zijn dan wanneerhet warm is. Daarom is de elektroni-sche regelaar voorzien van elektroni-sche temperatuurcompensatie . Bijhoge zomertemperaturen is de afge-regelde spanning iets lager, waardoorhet waterverlies van de batterij be-perkt kan worden . In de winter daar-entegen heeft de batterij een lets ho-gere laadspanning nodig . waarbij weechter de spanningsafhankelijke le-vensduur van de gloeilampen in degaten moeten houden . De tempera-tuurcompensatie wordt bereikt doorde keuze van de zenerdiode, de weer-standen alsmede de in doorlaatrich-ting geschakelde dioden Dl en D2 .Afbeelding 32 laat ons een voorbeeldzien van een karakteristiek met detoelaatbare spanningstolerantie-band. afhankelijk van de temperatuurvan de aangezogen lucht ondernauwkeurig gedefinieerde meetom-standigheden .

Regelaar uitgevoerd in hybridetech-niekOnder hybridetechniek verstaat mende compacte bouwwijze van opge-dampte afzonderlijke elementen alsweerstanden en condensatoren metde actieve elementen als transistorenen geintergreerde circuits (IC's) op

Spu tiiiingsregeling

1,1

I1

11

I\ I\ I\ A

4

m

een ceramische plant . Behalve datdeze schakelingen een compactebouwwijze mogelijk maken hebbenze nog her voordeel dat her aantal ver-bindingen (bijvoorbeeld soldeerver-bindingen) kan worden beperkt. Dedynamoregelaar uitgevoerd in hybri-detechniek is her resultant van eenverdere ontwikkeling van de transis-torregelaar. Het hart hiervan wordtgevormd door een geintergreerdeschakeling (IC) waarin alle regelfunc-ties, zoals de vergelijking tussen dewerkelijke en of to regelen spanning,de temperatuurcompensatie en debesturing van de eindtrap . zijn sa-mengevat . Deze schakeltechniek

maakt her mogelijk, her aantal bouw-stenen en de interne verbindingen toteen minimum terug to brengen . Hier-uit ontstaan de volgende karakteris-tieke eigenschappen :

compacte bouwwijze met kleinebehuizing,

weinig onderdelen en verbindin-gen, derhalve weinig kans op fabri-cagefouten :

grote betrouwbaarheid onder ex-treme bedrijfsomstandigheden .

Afbeelding 31 last her schema zien enafbeelding 33 de opbouw van despanningsregelaar Type EL 14V4 inhybridetechniek . Alle elementen zijngevat in een met beschermgas gevuld

Fig. 29 Schema vande aangebouwdetransistorregelaarType EE 14 V3 .De rotorstroom isdoor T3 ingescha-keld.

1 Eindtrap2 stuurstrap3 spanningsdeler4 temperatuur-

compensatie-dioden

C condensatorvoor her alv/ak-ken van despanning

D3 vrijloopdiodegeintegreerdeonderdelen,

- -iL _ J

Fig. 30 Schema vande aangebouwdetransistorregelaarType EE 14V3 .De motorstroom isdoor T3 uitgescha-kelduitschakelstroom I rvia de vrijloopdiodeD3

1 Eindtrap2 stuurtrap3 spanningsdeler4 temperatuur-

compensatie-dioden

C condensarorvoor her alviak-ken van despanning

03 vrijloopdiode- 1 geintegreerde

` -J onderdelen

Fig. 31 Schema vaneen driefasen-dynamo metregelaarType EL, uitgevoerdin hybridetechniek.1 Opdrukplaat met

de IC stuurtrap2 vermogenstrap

TINTvrijloopdiode

- , geintegreerdeonde nlelen

metalen huisje. De elektrische aan-sluiting wordt verkregen door de metglas geisoleerde aansluitpen . De ver-

Fig . 33 Regelaar uitgevoerd in hybride-techniek (rechts)I IC stuurtrap2 vermogenstrap TWT3 voorschakelweerstand4 vrijloopdiode5 elektrische aansluwUngen .

Fig . 32 Regelkarakteristiek voor een 14 Vdynamospanning .De toegestane tolerantieband van dedynamospanning athankelilk van detemperatuur van de aangezogen lucht btleen aangebouwde regelaarMeetwaarden in het voorbeeld : n =6000 t/mm I 5A . Meettild t 1 min .

0

mogenselementen van de eindtrap(Darlingtontransistor en vrijloopdio-de) worden in verband met de warm-teafvoer direct op het staalplaatje ge-monteerd . Op een klein ceramischplaatje zijn het geintegreerde scha-kelcircuit en de weerstanden met be-hulp van de opdruktechniek aange-bracht. Zoals bij de regelaar . type EEhet geval is, wordt ook hier de rege-laar op een aangepaste borstelhou-der gemonteerd en zonder bedradingdirect op de dynamo bevestigd .

Spanningsregeling

EFlosse regelaar

EDLEA

21

EKIEC

T3

5 6

U2

Overzichtstabel van elektronischeregelaarsHiernaast een overzicht van de ver-schillende typen elektronische rege-laars met de bijbehorende dynamo's

22

4 Beveiliging tegen to hogespanning

Bij correct aangesloten batterij en on-der gewone rijomstandigheden isnormaliter geen extra beschermingnodig voor de elektronische eenhe-den . De zeer kleine inwendige weer-stand van de batterij dempt alle span-ningspieken die in de installatie kun-nen optreden . Onder abnormale be-drijfsomstandigheden of in geval vanstoringen kan het aanbevelenswaar-dig zijn om een bescherming tegen tohoge spanning aan to brengen .

De achtergrond van to hoge span-ning en de gevolgenTe hoge spanning in de installatie vaneen motorvoertuig kan optreden tengevolge van het uitvallen van de rege-laar, het uitschakelen van verbruikersmet een grote inductieve weerstand(elektromotoren), slechte contactenen kabelbreuk . Ook de ontstekingsin-stallatie kan to hoge spanningen af-geven . Vaak gaat het hier om span-ningspieken, dus kortdurende hogespanningen van enkele millisecon-den .De grootste spanningspieken komenvanaf de ontstekingsinstallatie enkunnen ongeveer350V bedragen .Ook ontstaan er spanningpiekenwanneer bij lopende motor de verbin-ding tussen dynamo en batterij is ver-broken (starten met een hulpbatterijof het verkeerd losnemen van de bat-terij) en verbruikers worden inge-schakeld .Om gevaarlijke spanningspieken tovermiden mag een dynamo ondernormale rijomstandigheden niet zon-der batteril werken .In bepaalde situaties moeten we ech-ter rekening houden met het felt datgedurende korte tijd (noodsituaties)zonder batterij zal worden gereden

Beveiliging tegen to hoge spanning

zodat een bescherming tegen to hogespanning noodzakelijk is .Het gaat hierbij om de volgende om-standigheden :

Het wegrijden van nieuwe auto'sop de eindmontageband zonderbatterij naar de afdeling waar demotoren worden afgesteld .

Autotransport (de batterij wordtpas gemonteerd tijdens afleveringvan de auto aan de klant) .

Bij werkzaamheden aan de auto .

Ook bij tractoren, bouwmachines .aggregaten etcetera kan niet altijdworden vermeden dat incidenteelook zonder batterij wordt gewerkt .

Zonder beschermende maatregeleniopen hoofdzakelijk de halfgeleider-elementen als dioden, transistoren enthyristors in dynamos, regelaars of

Fig . 34 Voorbeeld van een beschermen-de schakeling bij een 12 V installatie1 Dynamo : 2 regelaar ; 3 condensator, dietegelijkertijd als ontstoringscondensatordienst doet, 4 zenerdiode . die bil het inwerking treden een doorslagstroom lrdoorlaat .

bijvoorbeeld elektronisch gestuurdeinspuitsystemen het gevaar om doorspanningspieken to worden bescha-digd. Te hoge spanningen veroor-zaken elektrische doorslag in de dun-ne halfgeleider- en isolatielaagjes,met als gevolg dat de goede werkingvan deze elementen wordt gestoordof dat ze geheel uitvallen .Een voldoende bescherming tegen tohoge spanning maakt de schakelingzelf duurder of vereist de montagevan extra beschermingselementen .

4.1 De beveiliging tegen tohoge spanning in een 12 Vinstallatie

Een eenvoudige, betrekkelijk goed-kope en zeer effectieve beschermingtegen to hoge spanning voor de dyna-mo-elektronica wordt gevormd dooreen zenerdiode. Overeenkomstig af-beelding 34 wordt deze zenerdiode inde sperrichting ten opzichte van debatterijspanning geschakeld en weltussen de aansluitklem B+ en demassa, waardoor de spanning wordtbegrensd . De doorslagspanning vande zenerdiode ligt bij de 12V installa-ties tussen de 20 en 24V waardoor despanning tot zo'n 30V wordt beperkt .Een verdere verlaging van de span-ning is niet erg zinvol omdat dan dewerking van de regelaar wordt bein-vloed . Zolang er to hoge spanning inde installatie aanwezig is vloeit er eenstroom l, via de geleidende zenerdio-de naar de massa. De zenerdioden .geschikt voor dynamo's tot 35 A . kun-nen ook later worden gemonteerd . Zewordt dan overeenkomstig afbeel-ding 35 gemonteerd op de bevesti-gingsplaats voor de ontstoringscon-densator aan de buitenzijde van hetachterste lagerschild . De kathode-aansluiting gaat via de verbindings-draad naar de aansluiting B - . Dezebevestigingsplaats ligt gunstig, aan-gezien de zenerdiode door de aange-zogen koellucht kan worden gekoeld .Een verdere bescherming geven demontage van halfgeleiderelementenin dynamo en regelaar die bestandzijn tegen een hogere spanning (tot400 V). Bovendien wordt er nog eencondensator geschakeld tussen B fen de massa, die tevens als ontsto-ringscondensator dienst doet (afb .34) . Dynamo's en regelaars die be-stand zijn tegen hoge spanningen be-zitten slechts een 'eigen' bescher-ming : ze bieden derhalve geen be-scherming voor andere spanningsge-voelige verbruikers .

4 .2 De beveiliging tegen tohoge spanning in een 24Vinstallatie

In de 24V installatie van bussen . be-drijfswagen etcetera biedt behalve debeter tegen spanning opgewassendiode. elektronische beveiligingsap-paratuur voldoende bescherming te-gen spanningspieken die vanuit dedynamo ontstaan en die de werkingvan de halfgeleiderelementen in dy-namo, regelaar en verbruikers nade-lig kunnen beinvloeden .Behalve dioden en transistoren is dethyristor als ander belangrijk halfge-leiderelement in de beveiligingsappa-ratuur ingebouwd . In de beveiligings-apparatuur tegen to hoge spanningwordt de thyristor door een span-ningspiek of to hoge spanning ont-stoken (geleidend) . De thyristor gaatalleen dan weer in spertoestand overwanneer er geen stroom meer doorde thyristor stroomt, dat wil zeggenbij stilstaande motor en uitgescha-keld contact,

4.3 Beveiligingsapparatuur

Beveiligingsapparatuur, niet auto-matischDe beveiligingsapparatuur tegen tohoge spanning (afb .41). waarvan hethuis voor de betere warmteafvoer vankoelribben is voorzien . wordt bijvoor-beeld in bussen of vrachtwagensrechtstreeks aan de klemmen D+ enD van de dynamoserie T1 aangeslo-ten . Ontstaat er aan deze aansluit-klemmen een spanningspiek of eenspanning, die boven de ingesteldewaarde van het apparaat (31 tot 32V)uitkomt dan wordt de thyristor T, ont-stoken met behulp van de zenerdiodeZD (die ook de ingestelde waarde be-paalt), transistor T en de weerstand

Fig 35 De bevestiging van een zener-diode (1) bid een dynamo met geinte-greerde transistorregelaar .

Beveiliging tegen to hoge spanning

De thyristorDe thyristor bestaat uit vier achter el-kaar geschakelde p- en n- halfgelei-derzones. Hierdoor is behalve deanode-(A) en kathode (K)-aansluitingeen extra aansluiting mogelijk . Dezestuuraansluiting noemen we de gate(G) .Door deze aansluitingen verkrijgenwe een bestuurbare diode of andersgezegd, een elektronische schake-laar met gel ijkrichteigenschappen .Door een korte spanningsimpuls opde stuuraansluiting wordt de thyristorgeleidend en blijft ook na het wegval-len van deze spanningsimpuls gelei-dend .De thyristor spert pas weer wanneerde stroomkring door bijvoorbeeld eenschakelaar wordt onderbroken .

R1 (afb.36) . De weerstand R1 . R2 ende condensator C zorgen voor denoodzakelijke vertraging voor het be-reiken van de gatespanning . Binneneen tijdsbestek van enkele millise-conden worden daardoor de regelaaren de dynamo via de klemmen D- enD- kortgesloten . Door de thyristorvloeit een grote kortsluitstroom, dieechter geen schade aanricht . In dezesituatie gaat er van de batterij eenstroom vloeien die de dynamocontro-lelamp doet branden, en de bestuur-der waarschuwt . De thyristor gaat pasweer over in de spertoestand . wan-neer de kortsluitstroom stopt door hetuitzetten van de contactschakelaaren het stilzetten van de motor .In het verleden zijn er altijd nog defec-ten van dynamo's en regelaars opge-treden al of niet tezamen met droog'gekookte batterijen ondanks de

0G (+)

A

Fig. 36 Schema van de beschermingsschakeling tegen to hoge spanning (nietautomatisch) voor een 24 V installatie .1 Batteri1 : 2 beschermingsschakeInq . 3 contactschakeiaar, 4 regeiaan 5 dynamo

T1

DSk

OD+

oDF

OD-

31

5

23

montage van beveiligingsapparatuur .De oorzaak was veelal to wijten aanhet verwisselen van de aansluitklem-men D+ en D tijdens het inbouwenvan deze apparatuur .Een op deze wijze omgepoold appa-raat geeft geen bescherming tegen tohoge spanning . Bij de gebruikelijkeaansluiting van de dynamocontrole-lamp wordt deze fout niet gesigna-leerd. dus ook niet door de bestuur-der opgemerkt. Ter vergroting van deveiligheid is een veiligheidsdiode DStussen de klemmen Dr en D ge-schakeld die of in de beschermings-apparatuur zelf is aangebracht(afb.36) of in het regelgedeelte over-eenkomstig afbeelding 37 Bij het ver-wisselen van de aansluitdraden staatdeze diode in doorlaatrichting aange-sloten . waardoor de lamp blijft bran-den, of de dynamo nu vermogen at-geeft of niet .

(+) -_-_r .: 303 115

0B+

2.-

611

+

ZD

24

Andere mogelijke fouten, zoals hetverwisselen van de batterijkabels, eenverkeerd gepoolde hulpbatterij wan-neer de eigen batterij niet is aangeslo-ten etc, die in de praktijk wel eensvoorkomen, kunnen slechts wordengesignaleerd door middel van afzon-derlijke relaisschakelingen . Dezekunnen er voor zorgen dat de dynamoalleen dan aangesloten staat op debatterij wanneer deze correct is ge-poold. Dergelijke beveiligingsscha-kelingen worden niet in serie gemon-teerd, maar moeten worden afge-stemd op elke individuele situatie .

Beveiligingsapparatuur met inscha-kelautomaatHet felt dat de motor . nadat de bevei-ligingsapparatuur in werking is getre-den moet worden afgezet, wordt vaakals een nadeel ervaren . Bij automa-tisch werkende beveiligingsappara-tuur is het niet meer nodig om de mo-tor stil to zetten teneinde de thyristorweer to laten sperren (afb . 39) . Het ap-paraat dat geschikt is voor de dyna-motypen G1, K1 en N1 . bevindt zichtezamen met de elektronische rege-laar in een losse behuizing . Afbeel-ding 37 laat het schema van een der-gelijke combinatie zien . Het automa-tisch werkende beveiligingssysteemreageert op to hoge spanningen ofspanningspieken zoals reeds eerderbeschreven bij de niet automatischebeveiliging . De inschakelautomaatdie uit het stroomrelais S bestaatzorgt ervoor dat de thyristor weer snelspert. Na het overschrijden van de in-gestelde spanning en tijd (ongeveer0,5msec .) wordt de thyristor ontsto-ken door middel van de zenerdiodeZD (bepaalt de ingestelde waarde), detransistor T en de weerstand R1 Dethyristor voert dan de kortsluitstroomvan klem D 4 over de relaiswikkelingnaar de aansluitklem D . Spannings-pieken waarvan de duur onder de in-gestelde tijd blijft worden door decondensator C2 opgevangen en zul-len de thyristor niet doen ontsteken .Hierdoor worden de dynamo en rege-laar toch goed beschermd tegen tohoge spanning terwijl de bescher-mingsapparatuur niet zo vaak behoeftto schakelen .Met een kleine vertraging sluiten derelaiscontacten waardoor de thyristorwordt kortgesloten en de kortsluit-stroom via de punten naar de massagaat. De thyristor is nu stroomloos enkeert in zijn spertoestand terug . Hetrelais opent pas weer wanneer de dy-namostroom in de relaiswikkeling(dus de dynamokortsluitstroom) totop zo'n 3A is teruggevallen . Hierdoorwordt de kortsluiting van de dynamoautomatisch opgeheven . De dynamokan zichzelf weer bekrachtigen . wan-neer de belasting althans niet to groot

Beveiliging tegen to hoge spanning

48

30

1 4D+

1O" 4t 61

15

T1I

~

Fig. 37 Schema van de beschermingsapparatuur tegen to hoge spanning met inscha-kelautomaat, gecombineerd met een ED regelaar (losse regelaar) geschikt voor dedynamotypen G i en K, .1 Battens . 2 regelaar . 3 beschermmgsapparafuur . 4 contactschakelaar . 5 dynamo

is. De beveiligingsapparatuur is op-nieuw gereed voor gebruik .Een andere automatisch werkendebeschermingsschakeling . die ge-schikt is voor de dynamotypen T1 enT2 wordt los van de dynamo en rege-laar geschakeld (afb .38). Hij bezittwee ingangsaansluitingen D+ en B idie op verschillende spanningsgroot-ten en vertragingstijden reageren. DeD + ingang werkt zoals reeds eerder isbeschreven als een snelle bescher-ming tegen to hoge spanning. Detweede ingang B : reageert alleenwanneer de regelaar defect is . De dy-namospanning zal dan kunnen oplo-pen tot de ingestelde spanning vanongeveer 31 V bereikt is en de be-

schermingsapparatuur in werkingtreedt . De dynamo blijft kortgeslotentotdat de motor wordt afgezet . De B +ingang dient dus om schade ten ge-volge van een defecte regelaar tovoorkomen . Met deze beschermings-apparatuur tegen to hoge spanningkan (binnen bepaalde grenzen) de dy-namo ook zonder batterij functione-ren . Wanneer de beschermingsscha-keling in werking treedt zal echter ge-durende korte tijd de spanning in el-kaar zakken en bij grote belasting kande dynamo zichzelf niet meer be-krachtigen . Spanningspieken diedoor het uitschakelen van de belas-tingsstroom door de dynamo zelfworden opqewekt, kunnen door het

I

1

1

+

L T

kortsluiten van de dynamo ver van deandere verbruikers in de installatieworden gehouden . Bovendien wordteen uitgebreide bescherming van deinstallatie verkregen wanneer de re-gelaar zou uitvallen (dynamo wordtkortgesloten . dynamocontrolelampjegaat branden) .

De vrijloopdiodeDe 'vrijloop of 'afvloei'-diode kwamreeds ter sprake bij de beschrijvingvan de werking van de elektronische

39

Beveiliging tegen to hoge spanning

25

30t ----~1

1511

1B+

0 r31

DFo

D-

0 D+

5

Fig. 38 Vereenvoudigde schakeling van een aparte beschermingseenheid tegen tohoge spanning met inschakelautomaat voor de dynamotypen Ti en T2 .1 Batterij 2 beschernnngsapparatuur . 3 contactschkelar, 4 regelaar . 5 dynamo

regelaar. Tijdens het schakelen in deregeltoestand 'uit ontstaat bij het on-derbreken van de rotorstroom ten ge-volge van de zelfinductie een span-ningspiek in de rotorwikkeling . Wan-neer we daar geen maatregelen tegennemen kunnen de gevoelige halfge-leiderelementen defect taken . Om ditto voorkomen is in de regelaar, paral-lel aan de rotorwikkeling, een vrij-loopdiode geschakeld die het 'uitlo-pen' of 'afvloeien' van deze rest-stroom zonder negatieve gevolgen

Fig. 40 De begrenzing van spannings-pieken door toepassing van een vrijloop-diode .I schakelaar . 2 schakelrelais (inductief),3 vnlloopdiode .

voor de halfgeleiderelementen moge-lijk maakt. Bij autobussen en anderevoertuigen die behalve de dynamo enregelaar ook met andere inductieveverbruikers (apparaten met spoelen)zijn uitgerust, kan een soortgelijk ef-fect optreden . Zo ontstaan bij het uit-schakelen van elektro-magnetischedeursluiters . magneetschakelaars .magnetische koppelingen . relais .elektromotoren, ventilatoren etc . tengevolge van de zelfinductie, in de wik-kelingen van deze apparatuur grotespanningspieken, die gevaarlijk zijnvoor dioden en andere halfgeleider-elementen .Deze inductiespanningen kunnenmet behulp van een apart aange-brachte vrijloopdiode onschadelijkworden gemaakt (afb . 40) .

Fig. 39 Atgebeeld het beschermings-apparaat tegen to hoge spanning metinschakelautomaat. gecombineerd meteen ED regelaar (losse eenheid) .

Fig, 41 De beschermingsapparatuurdient op een veilige plaats tegen decarrosseriewand to worden bevestigd

26

5 Dynamo-uitvoeringen

5 .1 Inleiding

Waarom zijn er zo veel verschillendedynamo-typen?De volgende criteria zijn bepalendvoor de constructie van de dynamo :

Het type voertuig en de daarmeeverbonden bedrijfsomstandighe-den .

De grootte, bouwwilze en het toe-renbereik van de verbrandingsmo-tor waaraan de dynamo moet wor-den bevestigd .

De installatiespanning .

Het stroomverbruik van de aange-sloten verbruikers .

De invloed van de omgeving op dedynamo (temperatuur, vuil, voch-tigheid . trillingen etc .) .

De to verwachten levensduur .

De inbouwomstandigheden .Afhankelijk van het gebruik kunnende eisen die we aan een dynamo stel-len aanzienlijk van elkaar verschillen .Ook de criteria voor het economischgebruik veranderen met het gebruiks-gebied . Derhalve kan men ook geenuniversele dynamo construeren dieaan alle eisen voldoet .Uit deze overwegingen werden dyna-moseries ontwikkeld die door hunveelvoud aan typen een juiste keuzevoor de betreffende omstandighedenmogelijk maken .

L) ynamo-uitvoeringen

5.2 Elektrische gegevens ende dynamo-afmetingen

Voor de keuze van een bepaalde dy-namo zijn in de eerste plaats maatge-vend :

De dynamospanning (14V . 28V) .

De nominale respectievelijk maxi-male stroomsterkte en

de vermogensafgifte . die volgt uitde vermenigvuldiging van stroomen spanning .

Uit deze elektrische gegevens kan degrootte van de dynamo worden be-paald .De grootte (diameter) van de dynamowordt weergegeven door middel vanhoofdletters, die door hun alfabeti-sche volgorde de stijgende groottevan de dynamo weergeven . Behalvede afmetingen van de dynamo kan alseen ander belangrijk kenmerk het ro-torsysteem worden genoemd (klau-wenpoolrotor . rotor met uitspringen-de of zelfstandige polen, sleepringlo-ze rotor). Dit rotorsysteem wordt doormiddel van een cijfer op de dynamoaangegeven . Afgezien van de belang-rijke elektrische eigenschappen is dedynamo dus bepaald door zijn grootteen rotorsysteem . tezamen met demeer specifieke constructieve ken-merken als diameter . lengte etc . Hier-uit volgt clan bijvoorbeeld de hoofd-letter-cijfercombinatie als G1 . K1, N3 .

T2, U3 enzovoort . Andere variatieszijn nog aanwezig door de bevesti-gingswijze, de uitvoering van de ven-tilat