MAGNETISCHE TOEPASSINGEN THEMA: THEORIE EP GERNAAT

Transcriptie

1 MAGNETISCHE TOEPASSINGEN THEMA: THEORIE EP GERNAAT

2 2 INLEIDING Voor de initiële opleiding Diagnose-Technicus ( niveau 4) is destijds aan de hand van het zogenaamde eindtermendokument een technische indeling gemaakt. Het daaruit voortvloeiende materiaal blijkt ook uitermate geschikt te zijn voor de nieuwe op competenties gestoelde indelingen, mits ingezet als themadelen. De flexibiliteit van thema s maken de lesstof geschikt voor alle varianten van de niveau vier opleidingen. Omdat de BOL4 opleiding uitgaat van een minimale autotechnische voorkennis wordt uitbreiding van de reeks noodzakelijk geacht. Er is voor een viertal extra delen gekozen. Ook zijn de meeste delen geschikt om gebruikt te worden voor de docenten-opleiding motorvoertuigentechniek ( PTH, Fontys). Basiskennis BOL4 (niveau 2, 3 en 4) Elektrotechniek Motoren ( algemeen) Voertuigentechniek ( algemeen) Communicatietechnieken Basiskennis DT, BOL4 en docenten/ instructeurs opleiding ( niveau 4 en HBO) Meettechniek Elektronica Magnetische toepassingen Microcontrollers Systeemkennis DT, BOL4 en docenten/ instructeurs opleiding ( niveau 4 en HBO) Comfort, airconditioning Remgedrag, ABS/ ASR Motormanagement-systemen Weggedrag Veiligheid, toegang en comfort Voertuigprestatie Transmissie-systemen Dieseltechnieken ( EDC) Bedrijfswagens ( luchtverbruikende systemen) Dit boek( deel) is onder voorwaarden geldend onder de creative commons licentie te downloaden via de Timloto site ( Via de educatieve en technische uitgeverij Delta Press B.V. kan dit boek tegen een marktconforme prijs worden aangeschaft. De bij dit deel behorende tekeningen en prakticumopdrachten worden bij het boek op een cd bijgeleverd. Nadere gegevens om te bestellen staan op de site:

3 3 OPZET VAN HET CURSUSDEEL ( thema) De inhoud van elk boek is opgedeeld in thema-hoofdstukken. Elk thema omvat een beperkte hoeveelheid lesstof. De reden hiervoor is dat de moderne opleiding taak gestuurd dient te zijn. Dat wil zeggen dat na een korte inleiding de cursist zelf de onderwerpen dient aan te vullen resp. te onderzoeken. Door het zelf uitzoeken of meten ontstaat het voor de praktijk zo noodzakelijke begrip. Verder worden onderdelen niet meer gerepareerd. Reparatiekennis van onderdelen wordt dan overbodig. Het creëren van een goede meetomgeving is voor een schoolorganisatie geen gemakkelijke taak. Aanschaf van complete voertuigen blijft o.i. de voorkeur houden, hoewel het meten op panelen of losse onderdelen ook goed mogelijk is. E.Gernaat Auteur: serie Diagnose-Technicus Vianen, 2005 Steele Consulting V.O.F. e.gernaat@hccnet.nl ISBN Versie 1.0 Dit deel is tot stand gekomen door gebruik te maken van vrije software. Voor het tekenen is gebruik gemaakt van het Xfig tekenprogramma. De opmaak heeft plaatsgevonden met LaTeX. Een aantal gescande afbeeldingen komen uit de Bosch Technische Leergangen van Delta Press. Een enkele keer betreft het een afbeelding waarvan de bron niet meer te achterhalen is. Eventuele educatieve programma s zijn onder Python geprogrammeerd. Als besturingsprogramma werd Linux gebruikt. Op dit werk is de Creative Commons Licentie van toepassing. De gebruiker mag het werk kopiëren, verspreiden, tonen en op- en uitvoeren onder de volgende voorwaarden De gebruiker dient de naam of andere aanduiding van de maker te vermelden; De gebruiker mag het werk niet voor commerciële doeleinden gebruiken; De gebruiker mag het werk niet bewerken. / creativecommons.org

4 4

5 Inhoudsopgave 1 Magnetisme Het magnetische veld De magnetische flux (Φ) De fluxdichtheid (T) De magnetische veldsterkte (H) Relatie tussen de fluxdichtheid ( T) en veldsterkte ( H) De permeabiliteit De magnetiseringskromme Het magnetische circuit De wet van Hopkinson Vragen Inductiespanning introductie De zelfinductiecoëfficiënt (L) van een spoel Magnetische energie in een stroomvoerende spoel Vragen Theorie wisselspanning De inductieve spoelweerstand (X L ) Capacitieve weerstand (X C ) De resonantiekring Faseverschuiving De wikkelverhouding in een bobine Vragen Het laadciruit De loodbatterij De drie-fasen wisselstroomdynamo De spanningsregeling als regelkring De controle van het laadcircuit Een intelligent laadcircuit Vragen

6 6 INHOUDSOPGAVE 5 Bobine-ontsteking Inleiding Het opwekken van de hoogspannings-ontstekingsenergie Vragen Elektromotoren Inleiding De tegen-emk Eigenschappen van elektromotoren Toepassing van elektromotoren als stelmotor Vragen

7 Hoofdstuk 1 Magnetisme 1.1 Het magnetische veld Voor de beschrijving van een magnetisch veld gaan we uit van een staafvormige permanente magneet. Tussen de noord- en de zuidpool bestaat een magnetisch veld dat we door een kleine kompasnaald kunnen aantonen. Het magnetische veld wordt voorgesteld door krachtlijnen die van (N)oord naar (Z)uid lopen. De kompasnaald, die zelf een kleine magneet is, stelt zich op in de richting van de krachtlijnen en wel zodanig dat de gelijknamige polen elkaar afstoten en de ongelijknamige polen elkaar aantrekken. Een permanente magneet houdt zonder energietoevoer van buitenaf zijn magnetisch veld in stand. Fig. 1.1 Het magnetisch veld van een staafvormige permanente magneet. Gelijknamige polen stoten elkaar af en ongelijknamige polen trekken elkaar aan. Wanneer door een draad een stroom loopt dan kan men ook met behulp van een kompasnaald aantonen dat om de draad een magnetisch veld ontstaat. Men spreekt van een elektro-magnetisch veld. Dit magnetische veld kan voorgesteld worden als krachtlijnen die als ringen om de geleider lopen. Met behulp van de kurketrekkerregel kan de richting van de krachtlijnen worden vastgesteld. Fig

8 8 HOOFDSTUK 1. MAGNETISME Fig. 1.2 Het magnetische veld van een stroomvoerende rechte draad kan worden voorgesteld door ringvormige krachtlijnen. De richting van de stroom bepaalt volgens de beweging van een kurketrekker de richting van de krachtlijnen. Wanneer we nu van een rechte draad een spoel (zonder kern) maken dan ontstaat er bij stroomdoorvoer binnenin de spoel een sterk magnetisch veld omdat de krachtlijnen zich bundelen. Voor een stroomspoel kan met behulp van de rechterhandregel de ( N) oord- en ( Z) uidpool worden vastgesteld ( Vingers in de richting van de stroom, dan geeft de duim de noordpool aan). Fig. 1.3 Fig.1.3 Het magnetische veld van een stroomspoel. In de spoel bevindt zich een geconcentreerd veld, buiten de spoel is er sprake van een verstrooiingsveld. Hoe groter de stroom, hoe sterker het magnetische veld. 1.2 De magnetische flux (Φ) Het totaal aan krachtlijnen, duideljk zichtbaar binnen de kern van de spoel, wordt wel de magnetische flux genoemd. De flux wordt uitgedrukt wordt in Vs.

9 1.3. DE FLUXDICHTHEID (T) 9 Dit komt omdat een verandering van de flux ook een inductiespanning opwekt. Definitie: Wanneer in een spoel met een magnetische flux van 1 Vs, het magnetische veld in 1 sec. wegvalt dan wordt in de spoel een spanning opgewekt van 1 Volt. Praktisch gesproken hangt de flux af van de stroomsterkte en het aantal windingen, vandaar dat men ook wel spreekt van het aantal ampere-windingen ( AW). Hoe groter het aantal ampere-windingen hoe groter de flux. 1.3 De fluxdichtheid (T) Wanneer we niet het totaal aan krachtlijnen bekijken maar het aantal krachtlijnen per oppervlakte eenheid ( A) dan spreken we van de fluxdichtheid. Aangezien we als oppervlakte-eenheid de m 2 hanteren wordt de fluchtdichtheid uitgedrukt in Vs/ m 2. Deze eenheid wordt de Tesla genoemd. Het verband tussen de magnetische flux (Φ) en de fluxdichtheid (T): T= Φ/ A Wanneer het totaal aan krachtlijnen (de flux) zich verdicht dan wordt de fluxdichtheid groter terwijl de flux gelijk blijft. Waaieren de krachtlijnen uit elkaar dan vermindert de fluxdichtheid. De fluxdichtheid zal in de spoel aanmerkelijk groter zijn dan buiten de (lucht)spoel. Fig fluxdichtheid (T) vermindert Fig. 1.4 Onder de flux (Φ) verstaan we het totaal aan krachtlijnen. Onder de fluchtdichtheid (T) verstaan we het aantal krachtlijnen per oppervlakte-eenheid (A). 1.4 De magnetische veldsterkte (H) De veldsterkte (H) is een kracht (F) die een (eenheids)magneetje in een magnetisch veld ( Φ) ondervindt. In formulevorm: H= F/ Φ. Wanneer het veld door

10 10 HOOFDSTUK 1. MAGNETISME een elektrische stroom wordt veroorzaakt dan hangt de magnetische veldsterkte af van de stroom door de spoel (l), het aantal windingen van de spoel (N) en de lengte van de spoel (l). In formulevorm: H= (N x I)/ l De magnetische veldsterkte wordt uitgedrukt in A/ m. Wanneer nu door een spoel van 200 windingen en 20 cm lengte een stroom vloeit van 1 A dan is de veldsterkte: H= (200 x 1) / 0,2 = 1000 A/ m Fig. 1.5 Voorstelling van de veldsterkte. Het magneetje dat in het magnetische veld wordt geplaatst zal een kracht ondervinden die het magneetje in de krachtlijnenrichting plaatst. Zou men aan de magneetas een veertje koppelen, dan kan deze kracht worden gemeten. 1.5 Relatie tussen de fluxdichtheid (T) en veldsterkte (H) Er moet natuurlijk een relatie bestaan tussen de fluxdichtheid ( T), het aantal krachtlijnen per oppervlakte eenheid en de kracht die deze krachtlijnen uitoefenen op een eenheidsmagneetje. Deze relatie zien we in de volgende formule: T= H x 4 π x 10 7 Het getal 4π x 10 7 noemt men de magnetische constante weergegeven door µ 0 zodat we ook kunnen schrijven: T = H x µ De permeabiliteit Nu zal het magnetische veld dat veroorzaakt wordt door de stroom in de spoel ook zijn omgeving willen magnetiseren. De gemagnetiseerde omgeving versterkt het oorspronkelijke magnetische veld. Voor de luchtspoel is het medium

11 1.6. DE PERMEABILITEIT 11 lucht. De lucht draagt echter niet veel bij aan het oorspronkelijke magnetische veld. We zeggen de magnetische versterkingsfactor of de relatieve permeabiliteit (µ r ) van lucht voor magnetisme 1 is. Houden we rekening met de omgeving dan kan de fluxdichtheid worden voorgesteld door de volgende formule waarbij µ r de invloed van de omgeving is. T= H x µ 0 x µ r Wanneer we nu de lucht in de spoel vervangen door een ijzeren kern dan zien we dat de ijzeren kern gemagnetiseerd wordt. Het oorspronkelijke magnetische veld wordt hierdoor aanzienlijk versterkt. Zo n versterkingsfactor hangt af van het materiaal maar ligt voor weekijzer tussen de 1000 en Fig. 1.6 T I Fig. 1.6 Wanneer we een ijzeren kern aanbrengen in een luchtspoel dan wordt de fluxdichtheid aanzienlijk versterkt. Voorbeeld som: Gegeven: Door een spoel van 10 wikkelingen gaat een stroom van 3 A. De lengte van de spoel = 0,1 meter. We kunnen nu de veldsterkte (H) uitrekenen nl: H = (N x I)/ l H = (10 x 3)/ 0,1= 300 A/ m Voor de fluxdichtheid geldt: T = H x µ 0 x µ r Ingevuld geeft dit: 300 x 4π x 10 7 x 1 = 0, T(esla) Stel nu dat de doorsnede van de spoel 2,5 cm 2 (= 0,00025 m 2 ) is. De relatie tussen de flux en de fluxdichtheid is : T = Φ / A Dit betekent dat de flux dan 0, x 0,00025= wordt. 0, W( eber) Brengen we nu een ijzeren kern aan met een versterkingsfactor van 3000 dan wordt de magnetische fluxdichtheid en derhalve ook de flux 3000 maal zo groot en wel: 3000 x 0, = 0, W( eber)

12 12 HOOFDSTUK 1. MAGNETISME 1.7 De magnetiseringskromme Een magnetiseringskromme geeft het verband weer tussen de toenemende veldsterkte ( het aantal ampere-windingen) en de fluxdichtheid ( T) van een spoel met een kern. Bij een vaste spoel kunnen we ook zeggen dat de magnetiseringkromme het verband weergeeft tussen de stroom door de spoel en de magnetische flux. Deze magnetiseringskromme is nodig omdat onze versterkingsfactor die we eerst gemakshalve constant hebben verondersteld afneemt naarmate de kern magnetisch verzadigd raakt. Elk materiaal kent natuurlijk zijn eigen magnetiseringkromme. Bij dynamo s houden we de spanning constant door de grootte van de flux te regelen. We maken dan gebruik van de eigenschap dat de sterkte van het magnetisch veld ( binnen een bepaald gebied) geregeld kan worden door de grootte van de stroom door de spoel. Fig. 1.7 Fig. 1.7 Door de stroom te varieren kan de sterkte van het veld worden geregeld. We kunnen in de grafiek de veldsterkte H vervangen door de stroom I en de fluxdichtheid (T) door de flux (Φ). Bij S treedt de magnetische verzadiging op.

13 1.8. HET MAGNETISCHE CIRCUIT Het magnetische circuit Het magnetische circuit bestond in de vorige hoofdstukken eerst uit een spoel zonder en later met kern. Om in een spoel met kern een gesloten magnetisch circuit te krijgen zullen de krachtlijnen voor een groot deel door de lucht moeten gaan. Lucht geeft een behoorlijke magnetische weerstand en voor een sterk magnetisch veld prefereren we een gesloten metalen circuit ( fig. 1.8). De magnetische flux is in het ijzer overal gelijkmatig verdeeld. Voor het berekenen van de veldsterkte zouden we weer de formule H = (N x I) / l kunnen gebruiken waarbij de l(engte) van het veld de lengte van de gestippelde lijn is. Fig. 1.8 Een geheel gesloten magnetisch circuit, zoals we bijv. bij transformatoren aantreffen, geeft een sterk en gelijkmatig verdeeld veld in het gehele circuit. In de meeste toepassingen hebben we echter te maken met een luchtspleet in het circuit, een zgn. open magnetisch circuit. Deze luchtspleet maakt het mogelijk om relaispunten aan te trekken en het anker van een elektromotor of een rotor van een dynamo te laten draaien (fig. 1.9). In veel toepassingen is de grootte van de flux in de luchtspleet bepalend voor de werking van het apparaat.

14 14 HOOFDSTUK 1. MAGNETISME Fig. 1.9 Een magnetische circuit met een luchtspleet treffen we bij veel elektrische apparaten aan. Nu hebben we reeds opgemerkt dat de magnetische krachtlijnen moeilijker door lucht gaan als door ijzer. Het veld zal dus door de luchtspleet verzwakt worden. Wel is de flux altijd in het gehele magnetisch circuit gelijk. Zou het doorsnede-oppervlak in het magnetisch veld verschillen dan zal de fluxdichtheid groter worden in de kleinere doorsnede. Als het doorsnede-oppervlak zich vergroot dan zal de fluxdichtheid minder worden. Fig A a krachtlijnenveld Fig De magnetische flux is overal in het circuit gelijk. De fluxdichtheid hangt af van het doorsnede-oppervlak. Een wet die deze verbanden weergeeft noemt men de continuïteitswet. Wanneer nu de luchtspleet in eenzelfde magnetisch circuit groter wordt dan neemt de magnetische weerstand toe en dan zal de flux kleiner worden. Deze relatie vinden we terug in de wet van Hopkinson.

15 1.9. DE WET VAN HOPKINSON De wet van Hopkinson Deze wet wordt de wet van Ohm voor magnetisme genoemd en luidt: De magnetische spanning ( Vm) = de magnetische stroom ( Φ) x de magnetische weerstand (Rm). Hierin is: Vm = I x N in ampere-windingen (AW) Φ = flux in Vs Rm = l / µ x A l = lengte veldlijnenverloop µ(µ 0 x µ r ) = permeabilliteit A = doorsnede-oppervlak Deze wet is afgeleid uit de eerder beschreven magnetische formules. Wanneer we deze wet goed bestuderen dan zien we, dat wanneer in een circuit de grootte van de luchtspleet verandert, de magnetische weerstand en derhalve de magnetische flux verandert. Hierin moet Vm constant blijven hetgeen bij een permanente magneet altijd het geval is. Luchtspleet-wijzigingen in een magnetisch circuit zorgen dus voor flux-veranderingen. Een inductie-impulsgever maakt gebruik van deze eigenschappen. Fig afgeschermde kabel 2. permanente magneet 3. behuizing sensor 4. voertuig behuizing 5. weekijzeren kern 6. spoel 7. luchtspleet 8. pulswiel met ontbrekende tand Fig Door het draaien van het impulswiel zal de luchtspleet en derhalve de flux van grootte veranderen. De spoel ligt dan in een veranderlijk magnetisch veld en zal een spanning opwekken. (Zie ook het volgende hoofdstuk)

16 16 HOOFDSTUK 1. MAGNETISME 1.10 Vragen 1. Hoe kun je in fig.1.1 zien dat ongelijknamige polen elkaar aantrekken? 2. Wat toont nu de kurketrekkerregel precies aan? 3. Kan je met de kurketrekkerregel ook de noord- en zuidpool van een magnetisch veld in een stroomspoel bepalen? Leg dit uit. 4. Geef het verschil weer tussen de magnetische flux en de fluxdichtheid. 5. Zou het kunnen dat de fluchtdichtheid toeneemt en de flux gelijk blijft? 6. Wat verstaan we nu onder de veldsterkte? 7. Waar hangt de veldsterkte van een elektromagneet vanaf? 8. Welke relatie bestaat er tussen de veldsterkte en de fluxdichtheid? 9. Wat verstaan we onder de relatieve permeabiliteit? 10. Bij elektromagneten is er eigenlijk altijd sprake van een kern. Waarom is dat het geval? 11. Wat geeft nu precies het gebied S in fig. 1.7 weer? 12. Geef in fig. 1.7 het lineaire verlopende gebied weer. 13. Bij dynamo s speelt de magnetiseringkromme een belangrijke rol. Leg dit uit. 14. Waarom treffen we in een magnetisch circuit vaak een luchtspleet aan? Geef een voorbeeld. 15. Wat wordt in de wet van Hopkinson onder de magnetische stroom verstaan? 16. Wat wordt in de wet van Hopkinson onder de magnetische spannig verstaan? 17. Speelt de permeabiliteit ook een rol in de magnetische weerstand? 18. Verklaar hoe het kan dat een inductieimpulsgever een veranderlijke magnetische flux opwekt terwijl er toch sprake is van een permanente magneet.

17 Hoofdstuk 2 Inductiespanning 2.1 introductie Eén van de belangrijkste ontdekkingen op het gebied van de elektriciteit was het ontstaan van inductiespanningen. Men kwam tot de ontdekking dat er een ( inductie) spanning werd opgewekt wanneer een geleider in een veranderlijk magnetische veld geplaatst werd. Wordt dit veranderende veld ten gevolge van stroomdoorvoer in de geleider zelf opgewekt dan spreekt men van zelfinductie. De richting van de opgewekte inductiespanning wil de oorzaak van zijn ontstaan tegengaan (Wet van Lenz). Hoe groter de verandering hoe groter de opgewekte inductiespanning. In formulevorm: E = - δφ / δt Hierin geeft het minteken de tegenwerkende richting aan. Het deltateken ( δ) geeft aan dat we met een verandering te maken hebben. Nu kan ook de eenheid van flux (Φ) de Weber, met de eenheid Vs, beter worden uitgelegd namelijk: Als een geleider zich in een magnetische veld bevindt dat in 1 seconde wegvalt en er wordt dan in die geleider een spanning opgewekt van 1 Volt dan was de flux (Φ) van het veld gelijk aan 1 Weber (1 Vs). Veranderende fluxen treft men aan: Wanneer men een permanente magneet beweegt t.o.v. de geleider ( fig. 2.1); Wanneer de flux ten gevolge van een veranderende stroomsterkte groter of kleiner wordt; Wanneer stromen in- en uitgeschakeld worden; Wanneer bij een constante veldsterkte een luchtspleet groter of kleiner wordt; Wanneer een geleider krachtlijnen doorsnijdt. 17

18 18 HOOFDSTUK 2. INDUCTIESPANNING Fig. 2.1 Wanneer een geleider zich bevindt in een magnetisch veld waarvan de sterkte verandert dan wordt in deze geleider een spanning (stroom) opgewekt. Een afnemend of juist sterker wordend veld bepaalt de richting. De werking van de dynamo berust op het verschijnsel van doorsnijden van krachtlijnen. Bij het doorsnijden van krachtlijnen door een roterende winding is het aantal doorsneden krachtlijnen per tijdseenheid verschillend en derhalve het magnetische veld. De winding ligt dan, hoewel het magnetische veld zelf constant is, in een wisselend veld. Of het magnetische veld of de winding draait maakt voor het principe geen verschil. Fig. 2.2 In een draaiende winding in een magnetisch veld van constante sterkte wordt een inductiespanning opgewekt. Dit omdat de winding door zijn rotatie in een veranderlijk veld komt te liggen. De fluxverandering hangt af van de snelheid waarmee de geleider zich beweegt. Van de oorspronkelijke formule kan dan worden afgeleid: E = C x Φ x n waarin C de dynamo-constante voorstelt en n het toerental van de dynamo is. Bij een gelijkblijvend magnetisch veld hangt dus de dynamospanning af van het toerental.

19 2.2. DE ZELFINDUCTIECOËFFICIËNT ( L) VAN EEN SPOEL 19 Bekend mag worden verondersteld dat het magnetische veld van een dynamo verkregen wordt door de rotorstroom ( Ir) zodat we ook mogen schrijven: E = C x Ir x n Wanneer we de opgewekte spanning van een dynamo bekijken dan mogen we stellen dat voor het gebied waarin Φ constant is (zie fig.1.7) dat de spanning van een dynamo afhangt van de grootte van de rotorstroom en het toerental. Begripsmatig mogen we dan schrijven: E = Ir x n Vanuit deze formule kan het regelprincipe van de dynamo worden uitgelegd. 2.2 De zelfinductiecoëfficiënt (L) van een spoel De eigenschap van een spoel ten aanzien van inductiespanningen wordt uitgedrukt in een zelfinductiecoëfficiënt of L-waarde. De eenheid is de (H) enry. Een spoel heeft dus niet alleen een ohmse weerstand maar ook een zelfinductiecoëfficiënt. Achtergrond: In een stroomvoerende spoel wekt de stroom een magnetische flux op. Wanneer deze magnetische flux verandert, bijv. omdat de stroom groter of kleiner wordt, dan zal de spoel in zijn eigen veranderende magnetische veld komen te liggen. Er wordt dan in de spoel een inductiespanning opgewekt. We hebben vervolgens te maken met twee spanningen afkomstig van verschillende spanningsbronnen. De spanning die de stroom door de spoel veroorzaakt kan bijv. van de batterij afkomstig zijn. De inductiespanning wordt echter opgewekt in de spoel zelf waardoor de spoel de spanningsbron is. U E U E stroomopbouw stroomafbouw + + Fig. 2.3 Door het ontstaan van een inductiespanning hebben we in een spoel met twee spanningen te maken. De aangelegde spanning U en de in de spoel opgewekte spanning E. De inductiespanning is tegengesteld aan de richting van zijn ontstaan. Voor het berekenen van de grootte van de zelfinductiespanning gaat men uit van de hoofdformule: E = - δφ / δt

20 20 HOOFDSTUK 2. INDUCTIESPANNING De magnetische flux (Φ) kan met behulp van de magnetische wetten worden omgezet in de stroom ( i) door de spoel en de spoeleigenschappen ( L). De hoofdformule gaat dan over in: E= - L x (δi / δt) waarin de δ weer aangeeft dat het om stroomveranderingen gaat. Hieruit volgt de definitie: Wanneer een stroomverandering van 1 A een spanningsstoot geeft van 1 Volt per seconde dan bezit de spoel een L waarde van 1 H. De zelfinductiecoëfficiënt ( L) van de spoel wordt natuurlijk bepaald door zijn mechanische eigenschappen. Te weten: het aantal windingen; de doorsnede en lengte van de spoel; de doorsnede en lengte van het ijzer (de kern); de relatieve permeabiliteit (µ r ). De ohmse weerstand van een spoel bepaalt de maximale stroom bij een gegeven spanning. De zelfinductiecoëfficiënt ( L) van de spoel is mede verantwoordelijk voor de grootte van de zelfinductiespanning die ontstaat tijdens het in- en uitschakelen. Tijdens het inschakelen zal de stroomopbouw worden tegengewerkt door de inductiespanning en tijdens het uitschakelen wil de inductiespanning de stroom continueren. In fig. 2.4 a t/ m. e wordt dit verloop grafisch voorgesteld.

21 2.2. DE ZELFINDUCTIECOËFFICIËNT ( L) VAN EEN SPOEL 21 + R+L U a I b c E d I e a: De aangelegde spanning U is een blokspanning. b: De te verwachten stroomsterkte bij de aangelegde spanning U. De maximale stroomsterkte I die bij de maximale spanning hoort hangt af van de ohmse weerstand van de spoel. c: De stroom i veroorzaakt een magnetische veld dat opgebouwd en afgebroken wordt. Het veranderende veld wordt voorgesteld door de pijlen. d: Tengevolge van de fluxverandering zullen inductiespanningen optreden die de oorzaak van hun ontstaan tegen willen gaan. e: Het werkelijke stroomverloop. De inductiespanningen hebben de stroom op- en afbouw vertraagd. De grootte van de zelfinductiecoëfficiënt is verantwoordelijk voor de grootte van de afwijking. Fig. 2.4 Het verloop van de stroom onder invloed van de inductiespanningen grafisch voorgesteld.

22 22 HOOFDSTUK 2. INDUCTIESPANNING Wanneer een magnetisch veld wordt opgebouwd, zoals dat bijv. gebeurt in een bobinespoel dan zal er een zelfinductiespanning in de spoel worden opgewekt. Deze zelfinductiespanning werkt de stroomopbouw tegen zoals we in fig. 2.3 en 2.4 reeds hebben gezien. Dit betekent dat pas na enige tijd de primaire bobinestroom zijn maximale waarde bereikt. (Fig. 2.5). De grootte van de ohmse weerstand (R) en de zelfinductiecoëfficiënt (L) van de spoel bepalen hoe sterk de stroomopbouw wordt tegengewerkt. De verhouding tussen de L en de R waarde is een maat voor de snelheid waarmee de stroom of beter gezegd het magnetische veld wordt opgebouwd. De waarde L/ R noemt men de tijdconstante (τ) van de spoel. Dat wil zeggen dat in de tijd L/ R de stroomsterkte 63,2% van zijn maximale waarde heeft bereikt. Er wordt wel gesteld dat de maximale stroomwaarde bereikt wordt na 3 of 5x de L/ R tijd, één en ander afhankelijk van de gewenste nauwkeurigheid. opbouw magnetisch veld afname magnetisch veld I(A) L/R tijd L/R tijd tijd in ms Fig. 2.5 Door de opbouw c.q. afname van het magnetische veld vertraagt de inductiespanning het stroomverloop. In de L/ R tijd bereikt de stroomsterkte 63,2 % van zijn maximale waarde. Voorbeeld: Met een oscilloscoop wordt de stroomopbouw van een bobine gemeten ( fig.2.6). De installatiespanning bedraagt 14 V. De ohmse weerstand van de bobine bedraagt 2 Ω. 7 opbouw magnetisch veld 6 I(A) tijd in ms Fig 2.6 Verloop van de stroomopbouw door een bobine

23 2.3. MAGNETISCHE ENERGIE IN EEN STROOMVOERENDE SPOEL 23 We kunnen nu de maximale primaire stroom uitrekenen. Deze bedraagt 14 V : 2 Ω = 7 A. De stroom die in de L/ R tijd opgebouwd wordt bedraagt dan 0,632 x 7 A = 4,42 A. Als we deze waarde in de grafiek uitzetten dan behoort daarbij een tijd van 2 ms (0,002 sec.)zodat L/ R = 0,002. De zelfinductiecoëfficiënt van deze bobine bedraagt dan: L = 2 x 0,002 = 0,004 H 2.3 Magnetische energie in een stroomvoerende spoel Magnetisme is een vorm van energie. Energie of arbeid wordt uitgedrukt in Joules. Het klinkt aannemelijk dat de hoeveelheid energie bepaald wordt door de groottte van de stroom en de zelfinductiecoëfficiënt van de spoel. De magnetische energie wordt grafisch voorgesteld door de gearceerde oppervlakte in fig In het laatste gedeelte neemt het veld nog maar weinig toe. Is de stroom eenmaal op zijn maximale waarde gekomen dan blijft de hoeveelheid magnetische energie gelijk. De energie van de stroom wordt dan voornamelijk in warmte omgezet. 7 opbouw magnetisch veld 6 I(A) tijd in ms Fig. 2.7 Het inschakelverloop van een inductief circuit (bijv. bobine). Het gearceerde oppervlak stelt de hoeveelheid magnetische energie voor. Bij de bobine is het belangrijk dat in korte tijd een sterk magnetisch veld ontstaat. Dit kunnen we verkrijgen door de stroom te vergroten en de zelfinductiecoëfficiënt te verkleinen (fig. 2.8). Wanneer we nu een bobine nemen met een zeer kleine ohmse weerstand en de stroomopbouw bij het bereiken van een bepaalde waarde elektronisch afkappen ( stroomregeling) dan kan een zeer sterk veld in zeer korte tijd worden opgebouwd.

24 24 HOOFDSTUK 2. INDUCTIESPANNING 10 magnetische energie A 8 A 4 magnetische energie ms ms Fig. 2.8 Door de I te vergroten en de L te verkleinen kan dezelfde hoeveelheid energie in een kortere tijd worden verkregen. 2.4 Vragen 1. Wordt er een inductiespanning opgewekt wanneer een geleider zich een magnetisch veld bevindt? Verklaar het antwoord. 2. Wat betekent de δ in de formule E = δφ / δt? 3. Een geleider bevindt zich in een magnetisch veld. Wanneer dit veld van 1 Weber wegvalt in 1 sec. hoeveel volt wordt er dan in de geleider opgewekt? 4. Op welke wijze ontstaat er een veranderende flux bij een dynamo? 5. Wat gebeurt er bij het in- en uitschakelen van stromen? 6. Leg uit waarom we voor een dynamo de formule E = C x Φ x n mogen vervangen door E = Ir x n. 7. Wanneer moeten we rekening houden met het feit dat een spoel ook een L-waarde heeft? 8. Welke mechanische eigenschappen bepalen de zelfinductiecoëfficiënt van een spoel? Welke is volgens u de belangrijkste factor? 9. Afbeelding b en c van fig. 2.4 zijn eigenlijk niet correct. Leg dit uit. 10. Wat verstaat men onder de L/ R tijd? 11. Op welke wijze zouden we in een circuit de R kunnen vergroten en de L gelijkhouden? 12. Wat moet er aan een spoel veranderd worden om de stroom sneller op zijn maximum waarde te krijgen? 13. Bepaal met behulp van fig. 2.7 de L/ R-tijd van de bobinespoel. 14. Wat is het voordeel van stroomregeling bij ontstekingsinstallaties? 15. Op welke wijze verkrijgt men een snelle bobine?

25 Hoofdstuk 3 Theorie wisselspanning 3.1 De inductieve spoelweerstand (X L ) Wanneer we een spoel op een wisselspanning aansluiten dan is er sprake van een voortdurende stroomverandering en dus een fluxverandering. Hierdoor worden inductiespanningen opgewekt. Deze inductiespanningen moeten door de aangelegde spanning worden overwonnen. Er is sprake van een extra weerstand die de inductieve weerstand (X L )wordt genoemd. Deze weerstand wordt ook uitgedrukt in ohm (fig. 3.1). U E E U + + Fig. 3.1 De optredende inductiespanningen moeten door de aangelegde spanning worden overwonnen. Men spreekt van een schijnbare of inductieve weerstand. Hoe sneller de verandering van de stroomsterkte, hoe hoger de inductiespanning die moet worden overwonnen. De inductieve weerstand wordt dus groter. De inductieve weerstand van een spoel is geen weerstand met een vaste waarde maar hangt af van de frequentie van de wisselspanning. In formuleform: Hierin is: X L = 2π x f x L X L = de inductieve weerstand van de spoel (Ω) f = de frequentie van de wisselsspanning ( Hz) L = de zelfinductiecoëfficiënt ( H) Conclusie: 25

26 26 HOOFDSTUK 3. THEORIE WISSELSPANNING De inductieve weerstand van een spoel wordt groter als de frequentie hoger wordt. Bij een frequentie van 0 ( dus een gelijkspanning) valt de inductieve weerstand geheel weg en blijft alleen de ohmse-weerstand over. Natuurlijk mogen we in de berekeningen de ohmse-weerstand niet vergeten. Wanneer we in een wisselstroomcircuit rekening houden met de ohmse en de inductieve weerstand dan spreken we van de impedantie Z. In formuleform: Z= R 2 + X L 2 Wanneer we een spoel aansluiten op een wisselspanning en we passen de wet van Ohm toe om de weerstand te bepalen dan is de weerstandswaarde de impedantie ( Z) van de spoel. In formulevorm: U = I x Z Hierin is: U = de effectieve spanning ( V) I = de effectieve stroomsterkte ( A) Z = de impedantie ( Ω) Voorbeeld: Een bobinespoel heeft een ohmse weerstand van 2 Ω en een zelfinductiecoëfficiënt van 0,001 H. De ( uitslinger) frequentie bedraagt 3000 Hz. Onder deze omstandigheden bedraagt de impedantie van de primaire bobinespoel: X L = 2 x 3,14 x 3000 x 0,001 = 18,8 Ω R bedraagt 2 Ω De impedantie Z wordt dan = 18,1Ω 3.2 Capacitieve weerstand (X C ) Wanneer we een wisselspanning aansluiten op een condensatorcircuit dan zal de condensator voortdurend worden geladen en ontladen. Er blijft dus een ( wissel) stroom lopen. De wisselspanning ziet de condensator als een weerstand met als bijzonderheid dat de weerstandswaarde afhangt van de frequentie. Dit is logisch omdat de weerstand van een condensator voor een gelijkspanning oneindig hoog is en we een gelijkspanning kunnen zien als een wisselspanning met een frequentie van 0 Hz. Hoe hoger de frequentie hoe kleiner de condensatorweerstand. We spreken van een capacitieve weerstand (X C ). De capacitieve weerstand kan berekend worden met de volgende formule:

27 3.3. DE RESONANTIEKRING 27 X C = 1 2πfC We zien dat de grootte van de capacitieve weerstand X C (= de weerstand van een condensator voor wisselspanning) omgekeerd evenredig is met de frequentie en de capaciteit van de condensator. Wanneer we ook de ohmse weerstand in het circuit meenemen dan spreken we weer over de impedantie van het condensatorcircuit. In formulevorm: Z= R 2 + X C 2 Wanneer we naar de spoel terugkeren dan heeft de spoel niet alleen een ohmse en een inductieve weerstand maar ook een capacitieve weerstand. De windingen van de spoel gedragen zich t.o.v. elkaar als een condensator. Vandaar dat een spoel ook wel getekend wordt als in fig L R C Fig. 3.2 Een spoel wordt wel voorgesteld als een serieschakeling van een ohmse, inductieve en capacitive weerstand. Men spreekt in dit verband ook wel van een RLC-kring. Om de totale weerstand ( impedantie) van een dergelijk circuit te berekenen kan men gebruik maken van de volgende formule: Z= R 2 + (X 2 L X 2 C ) 3.3 De resonantiekring Wanneer een circuit is opgebouwd uit een ohmse, een inductieve en een capacitieve weerstand dan spreekt men van een RLC-circuit. In geval van een wisselstroom of in- en uitschakelende stromen zullen we rekening met een dergelijk circuit moeten houden. Er is een bijzonderheid. Wanneer we een ( R) LC circuit bekijken dan zal bij oplopende frequentie de inductieve weerstand steeds groter worden en de capacitieve steeds kleiner. Er is dan een frequentie waarbij de weerstand van het circuit minimaal is. Anders gezegd er geldt een frequentie waarbij: X L = X C De frequentie waarbij dit plaats vindt noemt men de resonantiefrequentie. Deze resonantiefrequentie ontstaat ook wanneer een inductiespanning in een ( R) LC

28 28 HOOFDSTUK 3. THEORIE WISSELSPANNING circuit ontstaat. We bekijken als voorbeeld de secundaire spoel van een tweevonken bobine bij niet vonkende bougies. Tengevolge van het wegvallen van het magnetische bobineveld door de onderbreking van de primaire stroom zal in de secundaire wikkeling een spanning worden opgewekt. Het C gedeelte van het circuit zal hierdoor worden opgeladen. Omdat de bougies niet vonken kunnen we de bougies zien als twee in serie geschakelde condensatoren. Als de ( vervangings) condensator geladen is zal deze over de bobinespoel willen ontladen waardoor een nieuw veranderlijk magnetisch veld ontstaat. Dit veld geeft weer een inductiespanning af die de condensator weer oplaadt. In theorie herhaalt dit proces zich tot in het oneindige. De frequentie waarbij dit plaats vindt is de eerder beschreven resonantie-frequentie. Nu is er in een elektrisch circuit altijd een R aanwezig. Deze zorgt voor vermogensverlies en er ontstaat een demping van de resonantie. We spreken in dit geval van een gedempte resonantie of trilling. In elektrische schakelingen zullen we -wanneer we geen energie gaan toevoeren- te maken hebben met gedempte trillingen. Indien er wel een vonk ontstaat dan zal het grootste gedeelte van de magnetische energie worden omgezet in vonkenergie maar blijft er altijd een kleine hoeveelheid ( rest) energie over. Er ontstaat de eerder genoemde RLC keten en we kunnen de gedempte trilling die daar het gevolg van is met een oscilloscoop vastleggen ( fig. 3.3) C L + C + R C 12V vonk a L R C demping b c Fig. 3.3 Na de vonk vormt de ontstekingsinstallatie een RLC circuit. a) Het elektrische circuit b)het vervangende secundaire circuit c)de resonantie-frequentie met een oscilloscoop opgenomen. Demping kan gezien worden als een verzwakking van het signaal. In de techniek komen we begrippen als verzwakking en versterking regelmatig tegen. De versterkings- cq. verzwakkingsfactor wordt uitgedrukt in db ( decibel). Een + geeft versterking, een - geeft verzwakking aan. De schaalverdeling is logaritmisch. Een verzwakking met de factor 10 komt overeen met -20 db.

29 3.4. FASEVERSCHUIVING Faseverschuiving Faseverschuiving is bekend vanuit de wisselstroomdynamo. De drie statorspoelen zijn t.o.v. elkaar verschoven waardoor de opgewekte -overigens identieke- wisselspanningen niet tegelijkertijd beginnen. Ze zijn, zoals men zegt, in fase verschoven. Fig. 3.4 geeft dit weer. Fig. 3.4 De spanningen die in een wisselstroomdynamo worden opgewekt zijn t.o.v. elkaar verschoven. Wanneer we een wisselspanning zetten op een spoel of anders gezegd op een RL circuit, dan zullen in dat circuit twee spanningen aanwezig zijn. De bronspanning en de inductiespanning die in de spoel wordt opgewekt. Deze wisselspanningen ontstaan niet tegelijkertijd omdat de één als het ware ontstaat uit de andere. Immers bij de grootste stroomverandering ontstaat de hoogste inductiespanning. Ook hier is dus sprake van faseverschuiving. De fasehoek die ontstaat tussen twee spanningen en/ of stromen wordt aangegeven door de letter φ. 3.5 De wikkelverhouding in een bobine Wanneer we de verliezen buiten beschouwing laten dan geldt dat het vermogen aan de primaire kant gelijk is aan het vermogen aan de secundaire kant. De wikkelverhouding bepaalt dan de relatie tussen de opgewekte stroom c.q. spanning. Alleen wisselspanningen kunnen worden opgetransformeerd. Om voor de ontsteking een voldoende hoge spanning te krijgen maakt de bobine gebruik van een opgetransformeerde inductiespanning. Om een primaire inductiespanning van 250 V van een 12 V installatie te krijgen moet het veld in ongeveer 0,2 ms wegvallen. Onbelast zal dan bij een wikkelverhouding van 1:80 een secundaire spanning van zo n V kunnen worden bereikt.

30 30 HOOFDSTUK 3. THEORIE WISSELSPANNING 3.6 Vragen 1. Een spoel met een ohmse-weerstand van 3 Ω wordt aangesloten op een wisselspanning van 12 V. Zal de stroomsterkte nu groter, kleiner of gelijk zijn aan 4 A? 2. Een spoel ( RL-circuit) heeft een impedantie van 8 Ω bij een aangelegde wisselspanning van 12 V. Wat zal er met de impedantie gebeuren wanneer we nu de frequentie van de wisselspanning van 12 V verlagen? 3. Wanneer we een wisselspanning aansluiten over een condensator zal er -ogenschijnlijk- een wisselstroom door de condensator vloeien. Verklaar dit. 4. Hoe groot is de weerstand van een condensator voor een gelijkspanning? 5. Wat gebeurt er met de capacitieve weerstand wanneer de frequentie van een wisselstroom groter wordt? Verklaar het antwoord. 6. Hoe kan het dat een spoel ook een capacitieve weerstand heeft? 7. Na de vonk ontstaat in het secundaire bobine-circuit een resonantiefrequentie. Verklaar dit. 8. In een RLC circuit is er sprake van een gedempte trilling. Welke grootheid zorgt voor de demping? 9. In welke eenheid wordt de demping weergegeven? 10. Wat verstaat men onder faseverschuiving? Geef een autotechnisch voorbeeld van faseverschuiving. 11. Wat zou er gebeuren wanneer het primaire bobineveld te snel zou wegvallen?

31 Hoofdstuk 4 Het laadciruit 4.1 De loodbatterij De dynamo en de spanningsregelaar in relatie tot de batterij en de overige verbruikers vormen het laadcircuit van de auto. Het laadcircuit zorgt voor een gestabiliseerde spanning, dat wil zeggen een spanning die ongeacht de stroomafname en toerental van de dynamo gelijk blijft. Dit lukt natuurlijk alleen maar als de dynamo voldoende vermogen kan afgeven. De grootte van de afgeregelde spanning wordt bepaald door de batterij. De nominale spanning van een loodbatterij bedraagt 2 V per cel. De optimale celspanning is echter 2,4 V zodat bij een 12 V installatie de afgeregelde spanning 6 x 2,4 V = 14,4 V zal bedragen. Voor een bedrijfswagen is de afgeregelde spanning 12 x 2,4 = 28,8 V. Fig. 4.1 geeft de laadgrafiek van een loodbatterijcel weer. In het gebruiksgebied bedraagt de spanning ongeveer 2 V ( de nominale spanning) en varieert maar weinig. Onder de 1,7 V wordt de batterij door sulfatering beschadigd terwijl boven de 2,4 V een sterke gasvorming en warmteontwikkeling optreedt. Spanningen beneden de 1,7 V en boven de 2,4 V moeten worden vermeden. 3 2,7V celspanning (V) 2 1,7V 2V nominale spanning 2,4V 1 sulfatering gebruiksgebied van de batterij gasvorming ladingstoestand % Fig. 4.1 De laadgrafiek van een loodbatterijcel. Spanningen onder de 1,7 V en boven de 2,4 Volt moeten worden vermeden. 31

32 32 HOOFDSTUK 4. HET LAADCIRUIT 4.2 De drie-fasen wisselstroomdynamo De toegepaste dynamo is een drie-fasen wisselstroomdynamo. Dit houdt in dat de dynamo is opgebouwd uit drie statorspoelen en een rotor. De rotor produceert het gemeenschappelijke magnetisch veld. Elke statorspoel produceert een identieke wisselspanning. Omdat de statorspoelen onder een hoek van t.o.v elkaar zijn gemonteerd zijn de opgewekte spanningen ook in fase verschoven. De spanningen worden door een 6-tal dioden bij elkaar opgeteld en gelijkgericht. Er ontstaat tussen de B+ en de B- uitgang van de dynamo een gelijkspanning. Fig Fig. 4.2 De principiële opbouw van een dynamo. Tussen de B+ en de B- uitgang ontstaat een gelijkspanning. De grootte van de ( ongeregelde) opgewekte gelijkspanning hangt af van de dynamo-eigenschappen, het toerental van de dynamo en de sterkte van het magnetische veld. De sterkte van het magnetische veld hangt weer af van de grootte van de rotorstroom. In formulevorm: waarin: E = C x i x n E = de onbelaste dynamospanning; C = de eigenschappen van de dynamo; i = de grootte van de rotorstroom; n = het toerental. De dynamospanning hangt dus sterk af van het motortoerental. Uit de formule blijkt dat we alleen maar de spanning kunnen regelen door de rotorstroom te vergroten of te verkleinen. Dit is de taak van de spanningsregelaar. Fig. 4.3 laat schematisch de opbouw van de dynamo zien met geïntegreerde regelaar. Behalve de reeds eerder genoemde zes gelijkrichtdioden zien we ook een drietal velddioden. Deze zorgen voor de rotorstroom. De regelaar kan de rotorspoel al dan niet aan de massa leggen waardoor een duty-cycle (PWM) regeling ontstaat. In fig. 4.3 zijn ook extra aansluitingen getekend.

33 4.2. DE DRIE-FASEN WISSELSTROOMDYNAMO 33 velddioden D+ controlelamp gelijkrichtdioden B+ v verbruikers statorspoelen sterpunt u rotor w W aansluiting DF Z T2 T1 regelaar Fig. 4.3 Schematisch overzicht van een laadcircuit met dynamo, spanningsregelaar, batterij en verbruikers. Ook zijn mogelijke extra aansluitingen weergegeven. Bij gesloten contactslot en niet draaiende dynamo zal de rotor voorbekrachtigd worden. De rotorstroom loopt dan vanaf de batterij via het controlelampje door de rotor naar de massa. Dit is mogelijk omdat de zenerdiode Z spert en de basisstroom van T1, T1 in geleiding brengt. Zo gauw als de dynamo draait zal de rotorstroom via de velddioden overgenomen worden door de dynamo. Het controlelampje dooft. Komt de spanning boven de afgeregelde spanning dan gaat de zenerdiode Z in geleiding waardoor de basis van T1 door T2 aan de massa wordt gelegd. T1 spert, het magnetisch veld valt weg waardoor de dynamospanning daalt. Door het continu in- en uitschakelen van T1

34 34 HOOFDSTUK 4. HET LAADCIRUIT ontstaat een afregeling van de spanning. Correctie van de dynamospanning ten gevolge van variatie in het toerental en veranderingen in de elektrische belasting wordt dus verkregen door de rotorstroom aan te passen. Voorbeeld: Wanneer een extra verbruiker wordt ingeschakeld dan zal in eerste instantie de spanning dalen. Door de rotorstroom te vergroten wordt het spanningsverlies gecompenseerd. Bijzondere dynamo-aansluitingen zijn de DF-aansluiting, de sterpunt-aanluiting en de W-aansluiting. Deze treft men niet altijd aan. De DF-aansluiting gaat tegenwoordig vaak naar de motormanagement-computer. De sterpunt-aansluiting kan gebruikt worden voor het aansturen van bijv. een relais, terwijl de W-aansluiting vaak bij Dieselmotoren gebruikt wordt ( werd) voor het aansturen van de toerenteller. 4.3 De spanningsregeling als regelkring Een regelaar moet er voor zorgen dat de spanning constant blijft. Er is sprake van een regelkring. De regelaar zelf vormt in de meeste gevallen een geïntegreerd onderdeel van de dynamo. Een dynamo-regelkring kan als fig. 4.4 worden voorgesteld. dynamo D+ U gewenst (w) = 14,4 V stuurwaarde y Df rotor e=w x E=CxIrxn y=f(e) batterij x (gemeten waarde) spanningsregelaar totaal aan verbruikers Fig.4.4 De regelkring van de dynamo. De spanning (x) wordt gemeten en vergeleken met de gewenste waarde (w) van 14.4 V. De (ingebouwde) regelaar meet de spanning (x) en vergelijkt de gemeten spanning met de gewenste spanning (w). Het verschil hiertussen, de fout e, moet worden weggeregeld. Dit gebeurt door het verschil om te zetten in een nieuwe rotorstroom. De stuurwaarde ( y) van de regelaar is een pulsbreedte gemoduleerd signaal ( PWM) dat de rotorstroom instelt. Een duty-cycle van bijv. 20% geeft een kleine rotorstroom en een duty-cycle van 80% een grote. Het is de taak van de spanningsregelaar om de laadspanning constant te houden waardoor ook de batterij geladen wordt wanneer de batterijspanning onder de 14,4 V komt of bij een bedrijfswagen onder de 28,8 V.

35 4.4. DE CONTROLE VAN HET LAADCIRCUIT De controle van het laadcircuit De laadcircuit moet worden gecontroleerd op: de juiste afgeregelde spanning; de spanningsrimpel; zo mogelijk de ( maximaal) te leveren stroom; de correcte regeling. De afgeregelde spanning kan worden gecontroleerd met behulp van een voltmeter. De spanning bedraagt, afhankelijk van de opgave van de fabrikant, ongeveer 14,5 V. Veel fabrikanten passen een temperatuur-afhankelijk regeling toe. Bij het oplopen van de temperatuur gaat de laadspanning omlaag. Fig. 4.5 Fig. 4.5 De afgeregelde spanning is afhankelijk van de buitentemperatuur (Mazda). De spanningsrimpel die overblijft na gelijkrichting mag niet meer bedragen dan 500 mv. De spanningsrimpel is een storingsbron die door de computers weggefilterd moet worden. De filters zijn gebaseerd op een rimpel van ongeveer 500 mv. De spanningsrimpel wordt gecontroleerd met behulp van een oscilloscoop. Fig. 4.6 Fig. 4.6 De spanningsrimpel van een dynamo gemeten met een oscilloscoop. De rimpel mag maximaal 500 mv bedragen.

36 36 HOOFDSTUK 4. HET LAADCIRUIT De aansluiting DF van de dynamo s met ingebouwde regelaar gaat bij een aantal voertuigen naar het motormanagement-systeem. Op deze aansluiting staat het PWM-signaal van de regelaar. De motormanagement-computer herkent dan het door de dynamo opgenomen aandrijfkoppel en verhoogt bijv. het stationair toerental. Nieuwe ontwikkelingen betreffen voertuigen waarbij de spanningsregeling geheel door het motormanagement-systeem wordt overgenomen. Tijdens maximale acceleratie kan dan bijv. de dynamobelasting worden verminderd en bij het afremmen op de motor kan de dynamo maximaal worden belast. Wanneer de dynamo met een externe DF-aansluiting is uitgevoerd kan met behulp van de oscilloscoop het PWM-signaal naar de rotor worden gecontroleerd. Wanneer vervolgens enige gebruikers worden ingeschakeld kan aan de hand van de verandering van de duty-cycle een indruk worden gekregen omtrent de geleverde dynamostroom ( fig. 4.7). motormanagement computer D+ Df G B hoge belasting lage belasting Fig. 4.7 Het PWM-signaal voor de regeling van de rotorstroom (VAG). Door alle verbruikers in te schakelen kunnen we met behulp van een ampèretang meten hoeveel stroom de dynamo levert. Fig. 4.8 toont ons het verloop van de maximale dynamostroom ten opzichte van het dynamotoerental. De spanning is constant gehouden.

37 4.5. EEN INTELLIGENT LAADCIRCUIT 37 Fig 4.8 De stroomgrafiek van een dynamo We zien in de grafiek dat bij stationair draaien van de motor (n L ) er al een stroom van zo n 30 A kan worden geleverd (I L ). De nominale stroom (I N ) wordt meestal op het typeplaatje van de dynamo weergegeven en dient groter te zijn dan het totaal aan verbruikers. I max is de stroom die bereikt wordt bij het maximum toelaatbaar dynamotoerental (n max ). Dit toerental ligt tussen de en t/ min. Het benodigde aandrijfvermogen wordt door de onderbroken lijn P weergegeven. 4.5 Een intelligent laadcircuit Op een aantal Toyota modellen wordt een intelligent laadsysteem toegepast. Het laadsysteem past de laadspanning aan aan de rijomstandigheden van de auto. De afgeregelde spanning wordt lager gedurende het stationair draaien en het rijden met constante snelheid en wordt verhoogd tijdens het afremmen op de motor. Dit systeem verhoogt het rijcomfort en verlaagt het brandstofverbruik. Fig. 4.9 geeft een overzicht van het systeem.

38 38 HOOFDSTUK 4. HET LAADCIRUIT dynamo slipkoppeling gaspedaalsensor variabel geregelde spanning regelaar aanstuursignaal motormanagement vaststelling batterij conditie (ont)laadstroom spanning temperatuur stroomsensor belasting krukaspositiesensor snelheidssensor rijconditie batterij stoplichtschakelaar temperatuursensor Fig 4.9 Overzicht van het intelligente laadcircuit van Toyota De rijconditie wordt door de motormanagement-computer met behulp van de gebruikelijke sensoren vastgesteld. Voor het vaststellen van de batterij-conditie wordt de batterijspanning, de batterij ( ont) laadstroom en de batterijtemperatuur gemeten en naar de motormanagement-computer geleid. Uit deze gegevens kan de gewenste laadspanning t.o.v. de rijconditie worden vastgesteld. Het motormanagementsysteem bepaalt hieruit het stuursignaal en zendt dit naar de regelaar van de dynamo. Fig laat zien dat de laadspanning geregeld wordt tussen een minimum en een maximum waarde en dat bijv. tijdens het rijden met constante snelheid de laadspanning zich aanpast aan de batterij-conditie spanning rijsnelheid stationair acceleratie constante snelheid deceleratie geregelde spanning geregelde spanning hoog laag stationar geregelde spanning Fig 4.10 De stroomgrafiek van een dynamo

39 4.6. VRAGEN Vragen 1. Wat verstaat men onder een gestabiliseerde spanning? 2. In theorie zou de batterij tot 6 x 2,7 = 16,2 V kunnen worden opgeladen. Waarom gebeurt dat niet? 3. Tot welke spanning mag een batterij worden ontladen zonder dat er beschadiging optreedt? 4. Wil men in de dynamo-formule de E gelijkhouden bij een oplopend toerental dan moet de rotorstroom worden verkleind. Leg dit uit. 5. Waarvoor dient de D+ aansluiting? Zie fig Wat is het verschil tussen de D+ en DF aansluiting? Fig Bij welke spanning zal de zener Z in geleiding gaan? Fig Als T2 in geleiding gaat dan spert T1 (Fig. 4.3). Leg dit uit. 9. Verklaar op welke wijze het controlelampje uitgaat wanneer de dynamo draait. Fig Bestudeer onderstaand laadcircuit van Mazda. Wat is de functie van R1 en R2? 11. De diode D zorgt ervoor dat de afgeregelde spanning temperatuur afhankelijk wordt. Kunt u dat verklaren? 12. Met welke letter wordt de W-aansluiting bij de Mazda-dynamo weergeven? 13. In de regeltechniek werkt men met een gewenste waarde en een gemeten waarde. Met welk onderdeel wordt nu de gewenste waarde in een spanningsregelaar vastgelegd? 14. Leg uit op welke wijze een dynamo meer stroom gaat leveren als een extra verbruiker wordt ingeschakeld. 15. Wat zal er met de rotorstroom gebeuren wanneer het dynamotoerental zakt, terwijl het aantal gebruikers gelijk blijft. 16. Hoeveel volt bedraagt de afgeregelde spanning bij een temperatuur van 30 0 volgens fig. 4.5? 17. Waarom mag de spanningrimpel van de dynamo de 500 mv niet overschrijden? 18. Waarom zien we bij sommige fabrikanten dat de DF aansluiting naar het motormanagement gaat?

40 40 HOOFDSTUK 4. HET LAADCIRUIT 19. De DF-aansluiting kan in de werkplaats worden gebruikt om de dynamoregeling te controleren. Leg dit uit. 20. Kan u aan het PWM-signaal van fig. 4.7 zien of het hoge of het lage gedeelte van het signaal actief is? 21. Noem een ( belangrijk) voordeel om de spanningsregelaar met het motormanagement te integreren. 22. Hoe groot zal volgens de grafiek van fig. 4.8 de gemeten stroomsterkte moeten zijn wanneer alle verbruikers zijn ingeschakeld? 23. Afgebeeld is het intelligente laadsysteem van Toyota. Vraag: kan dit systeem worden beschouwd als plus of massa geregeld? 24. Waarom zijn sommige dynamo s met een slipkoppeling uitgevoerd? 25. Benoem de onderdelen van 1 t/ m 9 in onderstaande figuur.

41 Hoofdstuk 5 Bobine-ontsteking 5.1 Inleiding Het ontstekingssysteem is momenteel een onderdeel van het motormanagementsysteem. Het systeem dient er voor te zorgen dat onder alle denkbare omstandigheden op het juiste moment een voldoende krachtige vonk tussen de bougie-elektroden overspringt. Hierdoor zal het mengsel correct kunnen ontsteken. Dit houdt in dat: de spanning tussen de bougie-elektroden zo hoog moet zijn dat ionisatie van het lucht-brandstofmengsel plaatsvindt( ongeveer 10 kv); de vonk voldoende warmte-energie moet bezitten ( minimaal 0,1 mj); het ontstekingstijdstip verstelbaar dient te zijn. De bedrijfsspanning van de personenwagen is bij draaiende motor ongeveer 14 V zodat we een installatie nodig hebben die de ontstekingsenergie op het vereiste spanningsniveau brengt. Er bestaan enkele methoden om de ontstekingsenergie op te wekken en op te transformeren. Over het algemeen betreffen het bobine-ontstekingen waarvan de aanstuurpuls met behulp van de motormanagement-computer wordt verkregen. Veelal wordt gebruik gemaakt van de informatie die de krukas-positiesensor en een nokkenassensor doorgeven. Bobine-ontstekingen kan men indelen in verdeler- en verdelerloze systemen. De verdelerloze systemen onderscheidt men weer in: 1 bobine per 2 cilinders (dis-ontsteking). Zie fig bobine per cilinder ( coil-on-plug) 41

42 42 HOOFDSTUK 5. BOBINE-ONTSTEKING N152 J A J220 Fig. 5.1 Opstelling van een disontsteking voor een 4 cilinder motor (Schema Seat). 5.2 Het opwekken van de hoogspannings-ontstekingsenergie We gaan uit van een transistor-gestuurd ontstekingssysteem met 1 bobine per cilinder. Fig. 5.2 geeft dit schematisch weer bougie L1 L2 T computer puls vanuit processor Fig. 5.2 Vereenvoudigd schema voor het produceren van een hoogspanningsvonk. Coil-on-plug systeem. Een 0-5V puls wordt verkregen vanuit de motormanagement-computer en op de transistor T gezet. De relatie tussen de puls op de transistor, de stroom door de primaire spoel, de primaire en secundaire inductiespanning toont ons fig. 5.3.

43 5.2. HET OPWEKKEN VAN DE HOOGSPANNINGS-ONTSTEKINGSENERGIE 43 CT aanstuurpuls 0 5V a opbouw primaire stroom (6A) primaire inductiespanning b 250V vonkduur 12V c secundair inductiespanning 10kV 4kV d Fig. 5.3 Overzicht van de ontstekingssignalen De primaire stroom komt ten gevolge van de inductiviteit van de bobinespoel niet ogenblikkelijk op zijn maximale waarde (b). De tijd die hiervoor nodig is wordt bepaald door de bobine-eigenschappen en is, zoals we eerder hebben gezien, de verhouding tussen de ohmse weerstand en de inductiviteit van de spoel. Om de maximale ontstekingsenergie te verkrijgen moet het magnetische bobineveld, dus de primaire stroom, op volle sterkte zijn gekomen. Op het moment dat de puls laag wordt en de bobinestroom wegvalt ontstaat een inductiespanning in de primaire spoel van ongeveer 250 Volt (c). Secundair wordt deze spanning zo hoog opgetransformeerd dat de ionisatiespanning bereikt wordt en de bougie vonkt (d). Na het vonken oscilleert de restenergie weg. De grootte van de inductiepiek hangt af van de sterkte van het magnetische veld en de snelheid waarmee het magnetische veld wegvalt. Omdat een transistor schakelt in nanoseconden zou de inductiespanning zo hoog kunnen oplopen dat de elektronica beschadigt. Door plaatsing van een zenerdiode in het basiscircuit van de transistor ( fig. 5.4) beperken we de primaire inductiespanning. Op het moment dat de 250 V inductiespanning wordt bereikt gaat de zenerdiode Z in geleiding waardoor de primaire stroom nog even doorvloeit en de schakeltijd verlengd wordt.

44 44 HOOFDSTUK 5. BOBINE-ONTSTEKING 1 15 bougie L1 L2 bougie T computer puls vanuit processor Fig. 5.4 Door plaatsing van een zenerdiode in het basiscircuit van de transistor kan de primaire inductiespanning worden afgeregeld. Het opbouwen van de primaire stroom kost enige tijd. De tijd die beschikbaar is wordt minder bij het oplopen van het motortoerental. Om dit probleem op te lossen hebben we een paar mogelijkheden: De opbouwtijd verkleinen.we kunnen de stroomopbouwlijn steiler laten verlopen door de inductiviteit van de bobine te verkleinen en de stroomsterkte te vergroten. Vervolgens regelen we de stroomsterkte af op een vaste waarde, de zgn. stroomsterkte-regeling. De aanstuurpuls aanpassen. We kunnen de aanstuurpuls zodanig aanpassen dat de contacttijd gelijk blijft. Deze aanpassing heeft zijn beperking omdat ook de vonk zijn tijd nodig heeft. De regeling staat bekend onder contacthoek( CH)-regeling. Fig. 5.5 laat zien dat we rotatie-technisch 90 nokkenas-graden tot onze beschikken hebben. Als we de tijd gelijk willen houden moeten we de hoek vergroten ms 0 90 CH 4 ms 90 0 CH Fig. 5.5 Door verlenging van het positieve gedeelte van de aanstuurpuls kunnen we ondanks het feit dat de totaal beschikbare tijd minder wordt de contacttijd gelijkhouden.

45 5.2. HET OPWEKKEN VAN DE HOOGSPANNINGS-ONTSTEKINGSENERGIE 45 Door zowel de grootte van de primaire stroom te regelen en de opbouwtijd of contacttijd ( CT) gelijk te houden kunnen we de magnetische energie en derhalve de vonkkwaliteit optimaliseren. De primaire stroomregeling en contacthoekregeling kunnen met behulp van een oscilloscoop worden aangetoond. Hoewel de meeste informatie wordt verkregen uit het secundaire ontstekingsbeeld kunnen we dit signaal bij de moderne motoren zonder bougiekabels niet meer meten. Wanneer we met behulp van een oscilloscoop de primaire spanning meten bij een vonkend systeem dan ontstaat een beeld overeenkomstig fig De meting betrof een systeem zonder stroomregeling. In geval van een stroomregeling zien we dat de vlakke lijn bij D even voor de ionisatiepiek omhoog komt. A= ionisatiespanning of ontsteekspanning B= vonkduur C= uitslingering restenergie D= geleidingstijd eindtransistor Fig. 5.6 Het primaire ontstekingsbeeld opgenomen bij een proefopstelling. De af te lezen inductiespanning aan de primaire zijde bedraagt hier ongeveer 150 V bij vonkende bougie.

46 46 HOOFDSTUK 5. BOBINE-ONTSTEKING 5.3 Vragen 1. Wat kunt u vertellen over de ionisatiespanning wanneer een bougie veroudert? 2. Een bougie kan vonken en toch het (brandbare) mengsel niet ontsteken. Geef hiervoor een verklaring. 3. Waarom moet het ontstekingstijdstip worden aangepast? 4. Treffen we bij een dis-onsteking nog bougiekabels aan? 5. Wat is het voordeel van een coil-on-plug systeem? 6. Op welke pinnen moet u de oscilloscoop aansluiten om de aanstuursignalen te meten (fig. 5.1)? 7. Hoe komt het dat de bobinestroom tijd nodig heeft om op volle sterkte te komen? 8. De secundaire inductiespanning wordt gesteld op 10 kv. Waar is deze spanning van afhankelijk? 9. Tijdens de vonk zakt de spanning tot de zgn. brandspanning. Verklaar deze spanningsdaling. 10. Wat is de functie van de zenerdiode in het schema van fig. 5.4? 11. Hoe kan het dat de ohmse weerstand van een bobine 1 Ω bedraagt en dat de gemeten stroomsterkte slechts 6 A bedraagt? 12. Omschrijf de relatie tussen de contacttijd ( CT) en de contacthoek ( CH) bij een ontstekingssysteem ( fig 5.5). 13. Hoeveel ms duurt de eigenlijke bougievonk ( fig.5.6)? 14. Hoeveel ms bedraagt de contacttijd ( fig 5.6)? 15. Hoeveel graden bedraagt de contacthoek als we uitgaan van een viercilindermotor( fig. 5.6)? 16. Op welke wijze zouden we de stroomregeling kunnen zien op het oscilloscoopbeeld van fig. 5.6?

47 Hoofdstuk 6 Elektromotoren 6.1 Inleiding In de motorvoertuigentechniek hebben we voor de startmotor soms met een seriemotor te maken terwijl de overige elektromotoren voornamelijk bestaan uit motoren met een permanent magnetisch veld. Hoewel de opbouw van een elektromotor bekend mag worden verondersteld laten we in fig. 6.1 nog even het werkingsprincie zien. Fig. 6.1 Een elektromotor is opgebouwd uit het anker (windingen en collector) en een magnetisch veld. Het magnetische veld dat door de stroomvoerende winding (ab) wordt opgewekt wordt door het magnetische veld van de veldmagneten afgestoten. Het koppel dat ontstaat doet de motor draaien. Om er voor te zorgen dat de winding daadwerkelijk roteert moet de stroomrichting na worden omgekeerd. Dit is de taak van de collector. Het koppel dat een elektromotor produceert hangt af van: De sterkte van het magneetveld; De stroom door de ankerspoel; De motorconstanten als aantal windingen, ankerdiameter etc. 47

48 48 HOOFDSTUK 6. ELEKTROMOTOREN In formule form: M = C x Φ x I anker Het zal duidelijk zijn dat bij een startmotor als seriemotor het veld Φ afhangt van de ankerstroom terwijl bij een motor met permanente magneten de Φ een constante grootheid is. Het principe van een elektromotor berust op de ( afstotende) kracht die twee magnetische velden op elkaar uitoefenen. Een geleider, in dit geval het anker, krijgt stroom toegevoerd en ontwikkelt een magnetisch veld. Een tweede magnetische veld, bij de meeste ( kleine) motoren wordt dit verkregen door permanente magneten, zorgt ervoor dat het anker gaat draaien. Dit komt omdat beide magneetvelden elkaar afstoten. De opgenomen stroom bepaalt het koppel ( draaikracht) van de elektromotor. Elektromotoren werken echter uitsluitend op een wisselspanning. Bij een gelijkstroommotor moet de gelijkspanning omgezet worden in een wisselende spanning. Dit gebeurt mechanisch in de commutator ( collector). Fig. 6.2 Uitvoering startmotor met permanente veldmagneten 6.2 De tegen-emk Een draaiende elektromotor voldoet ook aan de principes van een dynamo ( Stroomgeleider draaiend in een magnetisch veld). Een draaiende elektromotor is tevens een dynamo. De elektromotor wekt een eigen spanning op die tegengesteld is aan de aangelegde of klemspanning. Hoe hoger het toerental, hoe hoger de spanning. Zou in het theoretische geval het toerental zo hoog worden dat de opgewekte spanning gelijk is aan de klemspanning dan stopt de stroom en komt de motor tot stilstand. Dit zal niet gebeuren, derhalve is de tegenspanning ( Ut) altijd kleiner dan de klemspanning ( Uk). De tegenspanning beinvloedt in sterke mate de motorstroom en derhalve de draaikracht ( koppel) van de motor. In formule vorm: Uk - Ut = Ia x Ra waarin Uk de ( aangelegde) klemspanning is en Ut de door de motor opgewekte spanning. Ia is de motor(anker) stroom en Ra de ankerweerstand (Fig. 6.3). Uit