DE2643409C2 - - Google Patents

Description

Fast alle tragbaren elektrischen Werkzeuge, beispielsweise Bohrmaschinen, Sägen und Schleifmaschinen werden von Wechselstrom-Universalmotoren angetrieben, deren Anker- und Feldwicklungen in Reihe geschaltet sind. Beim Arbeiten mit einer solchen Werkzeugmaschine tritt häufig das Problem auf, daß wenn das Werkzeug, beispielsweise der Bohrer oder das Sägeblatt frißt, auf die Maschine ein gefährlicher Rückschlageffekt ausgeübt wird, der den Benutzer der Ma­ schine verletzen kann.

Bei einer Motor-Übelastungsschutzschaltung mit Abschalt­ einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die aus der Zeitschrift "Elektronik" 1970, Heft 11, Seite 390 be­ kannt ist, wird der Univeralmotor über einen Brücken­ gleichricher mit Strom versorgt, und es befindet sich im Stromkreis eine Reihenschaltung aus einem Thyristor und einem Widerstand, der eine geringe Größe aufweist. Der Thyristor wird mit Gleichspannung in jeder positiv ge­ richteten Halbwelle der Versorgungsspannung gezündet. Um den Motorstrom bei Überlastung zu unterbrechen, wird die Zündspannung des Thyristors in Abhängigkeit vom Motorstrom ausgeschaltet, der über den genannten Vorwiderstand er­ faßt wird. An dieser Schaltung ist nachteilig, daß der volle Motorstrom über den Serienwiderstand fließt, was mit entsprechenden Verlusten verbunden ist, die als Wär­ me abgegeben werden. Die Unterbringung einer solchen Schutz­ schaltung in einem elektromotorisch gertriebenen Handwerks­ zug wirft daher nicht nur Platz- sondern auch Wärmepro­ bleme auf.

Aus der DE-PS 5 58 872 ist eine Anordnung zum Schutz eines Auslaßwiderstandes eines Gleichstromnebenschlußmotors bekannt, bei der dem Motor die Feldwicklung eines Relais parallel geschaltet ist, dessen Schaltkontakt dem Anlaß­ widerstand parallel geschaltet ist. Der Anlaßwiderstand ist für kurzzeitige Überlastung dimensioniert und darf da­ her nur während der Anlaßphase des Motors eingeschaltet sein. Das Relais zeiht an und schließt somit den Anlaß­ widerstand kurz, wenn aufgrund ausreichend angewachsener Drehzahl die Spannung über dem Motor groß genug geworden ist, um das Relais erregen zu können. Diese Schaltung ist jedoch nicht in der Lage, eine Schutzfunktion für Motor und Anlaßwiderstand zu erfüllen, wenn der Motor beispielsweise durch Überlastung festgebremst werden sollte.

Aus der DE-PS 15 88 303 ist eine Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Kollektormotors bekannt, dessen Ankerwicklung mit einer Wechselstromquelle über mindestens einen Thyristor verbunden ist, für dessen Phasenanschnitt­ steuerung ein Zündkondensator vorgesehen ist, dessen Spannung sich aus einer schnell ansteigenden Sockelspan­ nung und einer langsam ansteigenden Rampenspannung aufbaut. Diese Schaltungsanordnung enthält einen Spannungsteiler, der aus einem festen Teilwiderstand und einem einstell­ baren Teilwiderstand besteht und an einer Spannung liegt, die sich aus einer festen Bezugsspannung und einer im gleichen Sinn gepolten, der Ist-Drehzahl des Motors ent­ sprechenden Gleichspannung des Motors, zusammensetzt. Der Zündkondensator liegt über einer Ladediode an einer zur Bildung der Sockelspannung dienenden Spannung, die gleich der Differenz zwischen der Bezugsspannung und dem Spannungsabfall am festen Teilwiderstand ist, während der Zündkondensator außerdem zur Bildung der Rampenspannung über einen hochohmigen Widerstand an der Bezugsspannung liegt. Nimmt infolge zunehmender Belastung des Motors dessen Ist-Drehzahl ab, so wird auch der durch den Span­ nungsteiler fließende Strom kleiner. Dadurch wird der Stromflußwinkel am Thyristor größer, was der Drehzahlab­ nahme des Motors entgegenwirkt. Eine Strombegrenzngsan­ ordnung verhindert eine Erhöhung des Stromflußwinkels, sobald der Ankerstrom während des normalen Betriebs des Motors unzulässig groß wird. Eine augenblickliche Ab­ schaltung der Stromversorgung des Motors bei einer plötzlichen Überlastung, beispielsweise durch das Fest­ fressen eines von dem Motor angetriebenen Werkzeuges, ist nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Überla­ stungsschutzschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, die bei einer Überlastung des Motors, insbe­ sondere einer plötzlichen Überlastung, die Stromversor­ gung des Motors augenblicklich abschaltet und gegebenen­ falls in einem von dem Motor angetriebenen Handwerkzeug unschwierig untergebracht werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Er­ findung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Es wurde festgestellt, daß die Spannung über dem Anker eines Universalmotors besonders empfindlich auf plötzliche Überlastungen des Motors reagieren. Bei der erfindungsge­ mäßen Schaltung ist daher ein Spannungsdetektor vorgesehen, der den Spannungspegel über dem Anker überwacht und der einen in Serie mit dem Motor liegenden sehr schnell an­ sprechenden Schalter steuert. Solange wie der Spannungs­ pegel am Anker hoch genug ist, wird das Steuersignal an dem Schalter gegeben und der Motor zu seinem normalen Betrieb mit der Stromversorgungsleitung verbunden. Fällt jedoch die Ankerspanung infolge einer Überlastung unter einen bestimmten Pegel, was von dem Spannungsdetektor er­ faßt wird, so wird das Steuersignal von dem Schalter fort­ genommen, der dann den Motor sofort vom Stromnetz abtrennt. Dieser Schalter ist vorzugsweise ein Triac, so daß eine plötzliche Überlastung und eine davon gesteuerte Abschal­ tung der Stromversorgung des Motors innerhalb einer Halb­ periode der Versorgungswechselspannung erfaßbar und aus­ wertbar ist. Die Schaltung bewirkt daher nicht nur einen Schutz des Motors, was an sich auch mit thermisch an­ sprechenden Überlastungsschutzeinrichtungen erreicht werden könnte, sondern sie bewirkt auch den Schutz des Benutzters des Motors beziehungsweise eines von dem Motor angetrie­ benen Werkzeugs und vermeidet die Möglichkeit von ernsten Unfällen oder Verletzungen des Benutzers durch Vermindern oder Unter­ binden des gefährlichen Rückschlagens, das oftmals auf­ tritt, wenn beispielsweise ein motorbetriebenes Sägeblatt im Werkstück frißt. In gleicher Weise schaltet die Schal­ tung die Stromversorgung einer elektrischen Bohrmaschine ab, um das Bestreben eines Bohrers zu vermindern, sich bei einem Fressen in dem Werkstück zu verwinden.

Wird ein Universalmotor überlastet und seine Drehzahl vermin­ dert, so erscheint ein Spannungsabfall über dem Anker des Motors, der teilweise durch die Verminderung der Geschwin­ digkeit und durch die sich dadurch ergebende Verminderung der vom Motor erzeugten Gegen-EMK sowie auch durch den vergrößerten Strom und den dadurch vergrößerten Spannungsabfall über der in Reihe geschalteten Feldwicklung bedingt ist. Ein Überlastungszustand des Motors kann daher allein durch die Messung der Spannung über dem Anker des Motors festgestellt werden, indem erfaßt wird, ob die ge­ messene Spannung unter einem bestimmten Schwellenwert sinkt.

Kurz beschrieben, weist die Erfindung eine Schaltung auf, die zur Messung der Spannung über dem Anker eines Universal­ motors geschaltet ist. Wird ein bestimmter Spannungsabfall erfaßt, so daß die Schaltung ein Steuersignal an einen in Reihe mit dem Anker des Motors geschaltetes Triac, um die weitere Stromversorgung des Motors abzuschalten.

In der Zeichnung sind das die Erfindung bestimmende Prinzip und zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild, daß das Grundprinzip der Erfin­ dung angibt,

Fig. 2 eine Schaltung einer bevorzugten Aus­ führungsform der Erfindung, und

Fig. 3 eine Schaltung eines Ausführungsbei­ spiels änlich dem in Fig. 2 gezeigten, jedoch mit einer längeren Ansprechzeit.

Wie zuvor angegeben, bewirkt eine rasche Abbremsung des Ankers eines Universalmotors, die durch eine Last bedingt ist, eine entsprechende Verminderung der gemessenen Spannung an den Anschlüssen des Ankers des Motors. Wie in Fig. 1 der Zeichnung gezeigt ist, ist ein Spannungsabfalldetektor 10 (Spannungsdetektorschaltung) über den Anker 12 eines nicht kompensierten Reihenmotors 14 geschaltet. Der Spannungsabfalldetektor 10 erfaßt eine Verminderung der Spannung über dem Anker 12 und gibt, wenn die Verminderung der Spannung einen bestimmten Schwellenwert übersteigt, ein Signal an einen im Ruhezustand geschlossenen und mit hoher Geschwindigkeit ansprechenden Schalter 16, der in Reihe mit dem Motor 14 geschaltet ist, um die Stromversorgung des Motors abzuschalten.

Fig. 2 zeigt eine schematische Schaltung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und gibt die in dem Spannungs­ abfalldetektor 10 und dem Hochgeschwindigkeitsschalter 16 der Fig. 1 enthaltene Schaltung an. In Fig. 2 sind die Anschlüsse des Ankers 12 eines wechselstromgespeisten Motors 14 mit einer Dioden-Brückenschaltung 18 verbunden, die diese Spannung gleichrichtet und an die Anschlüsse eines einen Schwellenwert einstellenden Potentiometers 50 gibt. Der Abgriff des Potentiometers 50 ist über einen in beiden Richtungen wirkenden Schwellenwert 52 mit einer Leuchtdiode 54 verbunden, deren anderer Anschluß mit dem negativen Anschluß der Brückenschaltung 18 verbunden ist. Neben der Leuchtdiode 54 sind zwei Fototransistoren 56 und 58 angeordnet, deren Lichtempfindlichkeit an die Diode 54 angepaßt ist. Die Transistoren 56 und 58 sind jeweils in Reihe mit isolierenden Dioden 60 bzw. 61 geschaltet und in Form einer Anti­ parallelschaltung miteinander verbunden, um eine in zwei Richtungen wirkende Stromsteuerung in Abhängigkeit von Änderungen des von der Leuchtdiode 54 emittierten Lichtes zu bewirken.

Ein Anschluß der Fototransistorschaltung ist über einen Widerstand 62 mit der Verbindung zwischen dem Triac 32 und dem Anschluß des Ankers 12 des Motors verbunden. Der andere Anschluß der Fototransistorschaltung ist über einen Leiter 63 mit einem Anschluß eines Diac 64 verbunden, dessen anderer Anschluß mit der Steuerelektrode eines auf die Steuerspannung ansprechenden sehr empfind­ lichen Triac 66 verbunden ist. Hierbei wird mit hochempfindlichen Triac ein Triac gekenn­ zeichnet, das schon bei sehr kleinen Steuersignalen durchschaltet. Ein Stromanschluß des empfindlichen Triac 66 ist mit der Verbindung zwischen der Fototransistor­ schaltung und einem Widerstand 62 verbunden, während der andere Stromanschluß des Triac 66 mit der Steuer­ elektrode 40 des Triac 32 verbunden ist, der in Reihe mit dem Anker 12 ge­ schaltet ist. Ein Kondensator 42 ist zwischen den Leiter 63 und den Wechselstrom-Speiseleiter 70 geschaltet. Um die Fototransistoren 56 und 58 gegenüber einer Beschädigung in­ folge von Überspannungen zu schützen, kann die Schaltung mit einem Diac 72 stabilisiert werden, der zwischen den Wechsel­ stromspeiseleiter 70 und den Verbindungspunkt zwischen der Fototransistorschaltung und dem Widerstand 62 geschaltet ist. Ein im Ruhezustand offener, nur einen Augenblick schließen­ der Drucktastenschalter kann über den Triac 32 geschaltet sein, ist hier jedoch parallel zu der Fotortransistorschaltung geschaltet. Bei dieser Anordnung führt der Schalter sehr kleine Ströme und braucht nur für eine sehr viel geringere Strombelastung ausgelegt zu sein, als wenn er über dem Triac 32 geschaltet wäre. Der Drucktastenschalter 48 dient dazu, eine Anfangserregung des Motors 14 bei Zuführung des äußeren Wechselstroms und ein Zu­ rücksetzen der Schaltung in dem Falle zu bewirken, daß eine Überlastung des Motors ein Abschalten der Schaltung bewirkt hat, und kann mechanisch mit dem hier nicht gezeigten Wechselstrom­ netzschalter verbunden sein, so daß eine Einschaltung des Wechelstrom-Netzschalters auch automatisch den Rück­ setzschalter 48 einschaltet. Falls gewünscht, kann der Rücksetzschalter 48 auch unabhängig davon benutzt werden.

Die Arbeitsweise der in Fig. 2 gezeigten Schaltung ist wie folgt. Die über dem Anker 12 des Motors 14 erfaßte Spannung wird an die Brückenschaltung 18 ge­ geben, und von dieser wird ein vollweggleichgerichtetes Signal an das Potentiometer 50 angelegt, das auf die gewünschte Empfindlichkeit bzw. den Schwellenwertpegel der Schaltung eingestellt ist. Das von dem Abgriff des Potentiometers 50 abgenommene Signal wird über den Schwellenwertschalter 52 der licht­ emittierenden Diode 54 zugeführt, die eine dem erfaßten Signal proportionale Lichtmenge emittiert. Das von der Diode 54 emittierte Licht wird von den Fototransistoren 56 und 58 erfaßt, die die Ladung an den Kondensator 42 hindurchlassen. Um die Strompegel durch die Fototransisto­ ren 56 und 58 auf einem sicheren Wert zu halten, wird das Signal über den Diac 64 an den Triac 66 gegeben, der den Schalttriac 32 ansteuert, wenn er in seinen leitenden Zustand geschaltet ist.

Ein zusätzlicher Schutz für die Fotodiodenschaltung wird durch den Diac 72 mit hoher Durchbruchspannung erreicht, der wirkungsvoll den Verbindungspunkt zwischen der Foto­ transistorschaltung und dem Widerstand 62 auf einem stabi­ len Pegel während der Wechselspannungsumkehrungen über dem Triac 32 hält. Es ist darauf hinzuweisen, daß der Schwellenwertschalter 52 in dieser Schaltung zwi­ schen dem Potentiometer 50 und der lichtemittierenden Diode 54 hinzugefügt wurde, um eine "sanfte Abschaltung" aufgrund eines allmählichen Abfalls des Signals zu verhindern, wenn die über den Anschlüssen des Ankers 12 erfaßte Spannung allmählich absinkt. Auf diese Weise setzt der Schalter 52 einen scharfen Schwellenwert, oberhalb dessen die Fototransistoren 56 und 58 leitend sind, und unterhalb dessen sie gesperrt sind.

Es ist darauf hinzuweisen, daß die in den Fig. 2 ge­ zeigte Schaltung eine Gleichrichterbrücke 18 für eine Vollweg­ gleichrichtung benutzt, so daß plötzliche Abfälle in der über dem Anker 12 erfaßten Spannung festgestellt werden können und auf diese innerhalb einer halben Periode der zugeführten Wechselspannung reagiert werden kann. Ist eine solch schnelle Abschalt­ schaltung nicht erforderlich, so kann die Schaltung durch Benutzung eines in Fig. 3 gezeigten Halbweggleichrichters etwas vereinfacht werden. Die in Fig. 3 gezeigte Schaltung ist im Aufbau und in ihrer Arbeitsweise identisch mit der in Fig. 2 beschriebenen mit der Ausnahme, daß die in Fig. 2 vorgesehene Brückenschaltung 18 entfernt und durch eine eine Halbweggleichrichtung vornehmende Diode 74 ersetzt ist, die in Reihe mit einem Potentiometer 76 über die An­ schlüsse des Ankers 12 des Motors 14 geschaltet ist. Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform muß der der licht­ emittierenden Diode 54 parallelgeschaltete Kondensator 30 eine ausreichende Kapazität haben, um das gleichgerichtete Signal zu glätten und damit ein Flackern des Liches der Diode 54 und eine sich damit ergebende nur mittlere Leitfähigkeit der Transistoren 56, 58 zu verhindern, die ein fehlerhaftes Arbeiten der Schaltung bewirken könnte.

Claims (6)

1. Überlastungsschutzschaltung mit Abschalteinrichtung für einen Universalmotor, enthaltend:
einen gesteuerten Schalter, der zwischen den Stromanschluß des Motors und den Motor geschaltet ist,
eine Einrichtung zum Erzeugen eines Steuersignals zum Schließen des Schalters zum Zwecke der Stromversorgung des Motors und
eine Ein­ richtung zum Ermitteln der Belastung des Motors und zum Unterdrücken des dem Schalter zugeführten Steuersignals bei Überschreitung einer vorgegebenen Motorbelastung,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung zum Ermitteln der Belastung des Motors (14) eine Gleichrichterschaltung (18, 50; 74, 76), die zum Anker (12) des Motors (14) parallel­ geschaltet ist und ein der Spannung über dem Anker (12) ent­ sprechendes Spannungssignal erzeugt, und eine einen Ansprech­ schwellenwert aufweisende Spannungsdetektorschaltung (10) enthält, der das Spannungssignal zugeführt ist und die das Steuersignal für den Schalter (32) inmer dann erzeugt, wenn das Spannungssignal den Schwellenwert übersteigt,
daß die Spannungsdetektorschaltung (10) ein aus einem lichterzeugenden Ele­ ment (54), das Licht mit einer Stärke emittiert, die von der über dem Anker (12) liegenden Spannung abhängt, und aus einer lichtempfindlichen Schalteranordnung (56, 58), die das emittierte Licht aufnimmt und in Abhängigkeit davon leitfähig wird bestehendes elektrooptisches Relais und einen Schwellenwertschalter (52) in der zu dem Licht emittierenden Element (54) führenden Lei­ tung aufweist, wobei der Schwellenwertschalter (52) einen Strom zu dem lichtemit­ tierenden Element (54) nur durchläßt, wenn dieser einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt, und
daß im Steuer­ kreis des Schalters (32) ein hochempfindlicher Triac (66) angeordnet ist, der von dem elektrooptischen Relais ange­ steuert ist und dem ein Kurzzeit-Überbrückungschalter (48) parallel geschaltet ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter ein Triac (32) ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Steuerleitung (63) zwischen dem elektrooptischen Relais und dem hochempfindichen Triac (66) ein Diac (64) angeordnet ist.

4. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die lichtempfindliche Schalter­ anordnung zwei antiparallelgeschaltete Fototransistoren (56, 58) enthält, deren Versorgungsspannung durch einen Diac (72) stabilisiert ist.

5. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Gleichrichterschaltung ein Potentiometer (50; 76) enthält, dessen Abgriff die dem lichtemittierenden Element (54) des elektrooptischen Relais zugeführte Spannung abgibt.

6. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das lichtemittierende Element eine Leuchtdiode (54) ist.