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Die Erfindung betrifft eine elektrische Schutzschaltung
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gemäß dem Oberbegriff des flauptanspruchs.
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Bei von einem Elektromotor betätigten Gartentoren, Garagentoren, Rolläden,
Andrücken für Bügelmaschinen, Rückholvorrichtungen für Schießscheiben, bei auf ihren
Wegen an mehreren Haltepunkten zum Stillstand kommenden Transportvorrichtungen,
bei Abschleppwagen zum Aufladen des abzuschleppenden Fahrzeugs, bei Bootsanhängern,
auf die ein Boot bis in die Sollage zu ziehen ist, oder bei ähnlichen mechanischen
Vorrichtungen ist es erwünscht, daß der zum Antrieb verwendete Motor bei Erreichen
der Solllage abschaltet. Zu diesem Zweck sind Endschalter bekannt geworden, die
von einem bewegbaren Anschlag betätigt werden. Der grundliegende Nachteil solcher
Endschalter liegt jedoch darin, daß sie nur dann den Motor abschalten, wenn der
ihnen zugehörige Anschlag an ihnen vorbei bewegt wird.
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Bei unerwarteten Störungen bzw. Fremdeinflüssen, die zu einer hohen
Belastung des Motors bzw. zu seinem Blockieren führen, obwohl die Sollage noch gar
nicht erreicht ist, kann der Endschalter kein Abschalten bewirken. Deshalb ist man
dazu übergegangen, Schutzschaltungen vorzusehen, die die Wicklungstemperatur des
Motors oder den von ihm aufgenommenen Strom überwachen und bei einer unzulässigen
Abweichung den Motor vom Netz abtrennen. Das Abtrennen des Motors erfolgt in diesen
Fällen jedoch erst dann, wenn sich die Motorwicklung erhitzt hat und die für den
Wärmeübergang auf den die Temperatur abgreifenden Fühler erforderliche Zeit verstrichen
ist. Dies kann zu Beschädigungen der Motorwicklung führen. Außerdem benötigen diese
Temperaturfühler in der Regel einen zusätzlichen Platzbedarf und müssen bereits
bei der Fertigung des Motors mit eingebaut sein. Es ist weiterhin auch eine Schutzschaltung
bekannt, bei der in einem Sekundärstromkreis
ein als Metalldraht-PTC-Widerstand
ausgeführter, nicht linearer Widerstand eingesetzt ist, der über ein Haftrelais
das Öffnen des Netzschalters bewirkt, wenn der Motor zu hohen Strom zieht. Diese
Schutzschaltung arbeitet zwar sehr wirkungsvoll, ist jedoch für die eingangs genannten
Zwecke sehr aufwendig.
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In Kenntnis dieser Nachteile des Standes der Technik liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, eine Schutzschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen,
die bei Überlastung des Motors diesen zuverlässig vom Netz abtrennt und zwar sowohl
drehzahl- als auch lastabhängig.
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Die Schutzschaltung soll das Trennen des Motors vom Netz ohne zulässige
Erwärmung der Motorwicklung durchführen und im wesentlichen unabhängig on Netzspannungsänderungen
arbeiten. Eine weitere, wichtige Forderung besteht darin, daß die Schutzschaltung
in ihrem Abschaltpunkt sehr exakt einstellbar ist, und damit ein der Wirkung einer
Rutschkupplung ähnlicher Nachdrückeffekt für das von dem Motor getriebene Element
erzeugt werden kann.
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Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schutzschaltung
nach den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Der Einstellwiderstand mit der Zenerdiode
garantiert einen für alle Betriebsbedingungen fein einstellbaren Abschaltpunkt für
den Netzschalter, wobei der Stabilisierungsschaltkreis die Netzspannungsänderungen
weitgehend vom Schaltrelais fernhält.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeipiel der erfindun9sgeneBen Schutzschaltung,
die besondere Ansprüche im Hinblick auf die Unabhängigkeit von Netzspannungsanderungen
aufweist, ergibt sich, wenn die Merkmale des Anspruchs 2 verwirklicht werden. Alternativ
dazu läßt sich eine erfindungsgemäße
Schutzschaltung auch gemäß
den Merkmalen des Anspruchs 3 ausbilden, wobei sie dann speziell für eine belastungsabhängige
Abschaltung des Motors dient. Die in dieser Schutzschaltung verwendeten Teile sind
billig und robust und ergeben eine widerstandsfähige und zuverlässige Abschaltung.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, in einer Schutzschaltung
die Merkmale des Anspruchs 4 einzubauen. Dies ist eine sehr preiswerte und schnell
reagierende Ausführung der Schutzschaltung, da es sich um ein normales Schaltrelais
und einen handelsüblichen Kondensator handelt. Denkbar wäre jedoch auch die Verwendung
eines Schaltrelais mit verlängerter Abfallzeit durch eine Kurzschlußwicklung. Dieses
Relais kann jedoch nicht als Standartrelais bezeichnet werden und benötigt auch
eine größere und deshalb dsrere Spule.
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Erfindungsgemäß wird weiterhin daran gedacht, das Merkmal gemäß Anspruch
6 in der Schutzschaltung vorzusehen.
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Die Auswahl der Zenerdioden ist vom Spannungsbedarf des Schaltrelais
abhängig. Eine gute Leistungsausnutzung ergibt sich in dem Spannungsbereich gemäß
des Merkmals aus Anspruch 7. Anstelle von Zenerdioden können auch Widerstände verwendet
werden. Denkbar ist ferner, daß große Kondensabren, sogenannte Elektrolytkondensatoren
mit einer zwischen 50 und 200 ;iF liegenden Kapazität eingesetzt werden, die dann
parallel zum Einstellwiderstand bzw. zu den Widerständen der Spannungsteiler geschalten
werden. Auf diese Weise ergibt sich nahezu die gleiche Abschaltcharakteristik, wie
sie mit Zenerdioden vorliegt.
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Demzufolge ist es wichtig, daß das Schaltrelais mit Widerstandswerten
gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 8
ausgelegt is. Ein so hoher
Widerstandswert der Spule des Schaltrelais ist zweckminig, um beim Abschalten eine
möglichst geringe Leistung zu vernichten. ei Verwendung eines Relais mit einem Spannungswert
von 10 k # beträgt die Abfallsspannung des Schaltrelais noch ca. 22 Volt.
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Dies ist ca. ein S.chtel der bei blockiertem Motor am Gleichrichter
noch anstehenden Spannung.
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Bei einer besonderen Husführungsform einer erfindungsgemäusen Schutzschaltung
liegen die Merkmale des Anspruchs 9 vor. Mit dem Taster kann eine einfache Überprüfung
vorgenommen werden, ob der Motor noch blockiert oder nicht. ei wieder freiem Motor
wird durch das Betätigen des Tasters der Netzschalter geschlossen und der Motor
erneut in Gang gesetzt. Diese Ansteuerung des Netzschalters iiber eine Prüfleitung
hat sich in der Praxis als zweckmäßig erwiesen und bildet einen besonderen Vorteil
des Erfindungsgegenstandes.
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Eine vcreinfachte Handabung und eine sehr praktische Funktion der
erfindungsgemäßen Schutzschaltung wird im Merkmal des Anspruchs 10 gesehen. Diese
Maßnahme ist für rotoren geeignet, die in beiden Drehrichtungen im Hinblick auf
einen unzulässigen Drehzahlabfall bzw. Drehmomentanstieg überwacht werden müssen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand zweier in der Leichnung dargestellter
Schaltbilder erläutert werden Es zeigen: Fig. 1 eine drehzahl- und lastabhängige
Schutzschaltung für einen dreiphasigen Elektromotor und Fig. 2 eine belastungsabhängige
Schutzschaltung - für einen dreiphasigen Elektromotor.
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In Fig. 1 ist eine drehzahl- und belastungsabhängige Schutzschaltung
1 für einen dreiphasigen Elektromotor M dargestellt. Mit 2 und 3 ist der zwischen
den Netzpden Np+ und Np- liegende Primärstromkreis für den Motor gegeben, an den
die Phasen 4 und 5 angeschlossen sind. Der Primärstromkreis 2, 3 wird durch einen
Netzschalter unterbrochen, hinter dem eine Querverbindung 7 zu einem Drehrichtungsumkehrschalter
S2 geführt ist. Der Schalter S2 kann entweder an Np+ oder Np- angeschlossen werden
und führt über eine Leitung 8, in der ein Motorkondensator 9 zwischengeschaltet
ist, zur dritten Phase 6 des Motors M und darüber hinaus weiter zu einem Gleichrichter
G12. Am Pol Np+ ist ferner eine Prüfleitung 10 angeschlossen, die mittels eines
Tasters T unter Strom gelegt werden kann und einen Widerstand R sowie eine diesem
nachgeschaltete Gleichrichterdiode 11 enthält. Mit 12 ist ein Stabilisierungsschaltkreis
bezeichnet, der vom Primärstromkreis 2, 3 über Zweigleitungen 12a und 12b unter
Zwischenschaltung eines Gleichrichters Gll gespeist wird. Dem Gleichrichter G1 ist
ein Kondensator 13 parallel zugeordnet. Im Stabilisierungsschaltkreis 12 sind weiterhin
Spannungsteiler 14 eingeordnet, deren jeder aus einem Paar Widerständen R1 und R2
bzw. R3 und R4 besteht, denen jeweils eine Zenerdiode ZD1 bzw. ZD2 derart nachgesetzt
sind, daß sie aneinander entgegengesetzt wirken, obwohl sie über parat lele Querleitungen
15 und 16 im Stabilisierungsschaltkreis 12 verfügen. Zwischen den Widerständen R1
und R2 ist eine Leitung eines Sekundärstromkreises 17 angeschlossen, die über den
Gleichrichter Gl2 mit einem Schaltrelais 18 und in weiterer Folge über einen einstellbaren
Widerstand R5 und einer diesem nachgesdalteten Zenerdiode ZD3 und dem Gleichrichter
G12 zur Querleitung 16 und zwar zwischen die Widerstände R3 und R4 geführt ist.
Anstelle des Einstellwiderstandes R5 kann auch ein Stufenschalter mit einer Folge
von Zenerdioden verwendet werden.
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Das Schaltrelais 18 wird von einem über eine Leitung 19 parallel geschalteten
Kondensator 20 überbrückt, der beim Aufziehen des Schaltrelais ein Flattern unterdrücken
soll und bei einem Betrieb in der Nähe des Abfallspannungswertes des Schaltrelais
noch vorhandene Welligkeiten auqseichen muß. Der Kondensator 20 ist sehr schwach
ausgelegt, beispielsweise bis zu einem Mikrofarad, so daß er keine nennenswerte
Abfallverzögerung für das Schaltrelais IS bedeutet. Das Schaltrelais 18 seinerseits
ist über eine strichliert angedeutete Leitung 21 mit dem Netzschalter S1 verbunden,
den des beim Abfallen löst, d.h. in die gezeichnete Stellung bringt.
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Die Wirkungsweise der Schutzschaltung ist folgende: Wird der Taster
T gedrückt, so kann von Np- ein Halbwellenstrom über den zu diesem Zeitpunkt noch
stillstehenden Motor M, den Gleichrichter Gl2, das Schaltrelais 18, die Gleichrichterdiode
11, den Widerstand R und über den Taster zum Np+ fließen. Das Schaltrelais 18 wird
aufgezogen und schließt den Netzschalter S1, so daß der Motor M an das Netz gelegt
wird. Es baut sich danach zwischen den Netzpolen Np+, Np- und dem Motorkondensator
9 eine drehzahl- und damit auch belastungsabhängige Spannung auf. Sofern sich diese
Spannung ändert, ist ihre Änderung der Drehzahländerung proportional. Diese Spannung
ändert sich jedoch auch bei fallender oder steigender Netzspannung. Dann jedoch
kommt die Stabilisierungsschaltung 12 zur Wirkung. Sie gleicht über den Gleichrichter
G11, den Kondensator 13 und die Spannungsteiler 14 diese Spannungsänderungen aus,
so daß der Gleichrichter Gl2 im wesentlichen mit einem gleichbleibenden Gleichspannungswert
versorgt wird.
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Da der Netzscllalt2r S 1geschlosscn ist, kann sich uecc den Gleichrichter
Gl1 am Kondensator 13 ein Gleichspannung aufbauen, die der Netzspitzenspannung entspricht,
bzw. das 1,4-fache der Netzspannung beträgt.
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Eine positive Halbwelle, die vom Motorkondensator ausgeht, passiert
den Gleichrichter Gl1, das Schaltrelais 18, den Einstellwiderstand R5, die Zenerdiode
3, den Gleichrichter Gl2 in Richtung auf den Spannungsteiler R3, R4 und hat auf
dem Weg zum Netzpol Np- die bei R3, R4 anstehende positive Spannung zu überwinden.
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Bei einer negativen Halbwelle vom Motorkondensator 9 gilt der umgekehrte
Weg, ausgehend vom Spannungsteiler R1, R2.
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Da zwischen dem Motorkondensator 9 und den beiden Netzpolen Np+ und
Np- stets eine Spannung anliegt, die :ehasenverschoben ist, hat der Gleichrichter
G12 die doppelte Anzahl Halbwellen zu verarbeiten.
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Das Schaltrelais 18 besitzt eine sehr hochahmige Spule (größer als
1G k#), damit die Beeinflussung des Motors beim Abschalten möglichst gering bleibt
und nur in Stromverlust von 10 bis 2 mA auftritt. Bei Drehzahlunterschreitung oder
Drehmomentüberschreitung infolge Blokierens des Motors tritt ein Spannungsabfall
auf, der sich bis in den Sekundärstromkreis 17 fortpflanzt und bei Erreichen des
Einstellwertes des Schaltrelais 18, d.h. unter deren Haltespannung, fällt dieses
Schaltrelais 18 ab und öffnet den Netzschalter Wird bei stillstehendem Motor die
Taste T erneut gedrückt, so kann die über die Prüfleitung 10, den Widerstand R sowie
die Diode 11 an das Schaltrelais 18 gelangende Spannung
dieses
jedoch nur zum Aufziehen veranlassen, wenn der Motor nicht mehr blockiert ist. Anderenfalls
reagiert das Schaltrelais 18 nicht und der Netzschalter S1 bleibt offen. Zur Einstellung
der Regelspannung an R1 bzw. R4 der Schutzschaltung wird bei blockiertem Motor die
am Gleichrichter Gl2 liegende Gleichspannung gemessen. Wenn diese Gleichspannung
trotz Ndz-spannungsschwankungen von plus 10, bis minus 15% konstant bleibt, sind
die Spannungsteiler 14, d.h. die Widerstandspaare R1 und R2 sowie R3 und R4 richtig
eingestellt.
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Lie Schutzschaltung ist zuin belastungsabhängigen Abschalten derart
einzustellen, daß bei einer Netzspannung 220 Volt einschließlich der Netzspannungsschwankungen
von plus 10% und minus 15% im Leerlauf des Motors gleiche Spannungen am Gleichrichter
Gl2 vorliegen. Bei belastungsabhängigem Abschalten ist das größte, einstellbare
Drehmoment gleich dem großten Motordrehmoment bei 220 Volt minus 15%, d.h. es entspricht
dem Kippmoment des Motors bei diesem Spannungswert. Die Zenerdiode ZD3 wird für
drehzahlabhängiges Abschalten so ausgewählt, daß bei blockiertem Motor und bei auf
den niedrigsten Widerstandswert eingeregelten Einstellwiderstand R5 das Schaltrelais
gerade noch sicher abfällt. Auf die belastungsabhängige Abschaltung wird später
eingegangen.
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ei drehzahl- und/oder belastungsabhängiger Abschaltung ist die Skala,
die zweckmäßigerweise am Einstellwidersand R5 angeordnet ist, der jeweiligen Motorkennlinie
cntpsrechend zu eichen.
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Für zweiphasige Kondensatormotoren ist eine sinngemäße Verwendung
dieser Schutzschaltung möglich; sie ist aber wegen der geringren Verkettung der
Halbwellen des Stabilisierungsschaltkreises und der Steuerspannung aufwendiger als
die dargestellte Schutzschaltung.
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Die Schutzschaltung 22 gemäß Fig. 2 ist gegenüber der von Fig, 1 vereinfacht.
Sie genügt außerdem den Anforderungen im Hinblick auf eine belastungsabhängige Abschaltung
des Motors. Sie besteht im wesentlichen aus den gleichen ein zeltcilcn wie din Schutzschaltung
nach Fig. 1, die in der Fall man dem gleichen Bezugszeichen, jedoch zusätzlich mit
einem ' vcrschen gekennzeichnet wurden.
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Der wesentliche Unterschied liest in der Verwendung eines einfachcn
Spannungsteilers 14', der aus einem Paar von in Reihe geschalteten Widerständen
R6 und R7 besteht, die über Querleitungen 16' und 15' an den Primärstromkreis 2,
3 angeschlossen sind. Der Sekundärstromkreis 17' mündet zwischen den beiden Widerständen
R6 und R7 und führt zu dem in diesem Fall geschlossenen ausgebildeten Gleichrichter
G12.
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Der S?annungsteller 14' berträgt Spannungsschwankungen im Netz nur
zur Hälfte auf den Gleichrichter Gl2; da die Steuerspannungsänderungen zwischen
Leerlauf und Dlockieren des i-lotors auch nur zu einem Vicrtel bis ein Sechstel
zum Schalten ausgenützt wird, geht die Beeinflussung durch Spannungsschwankungen
in dieser Schutzschaltung noch weiter zurück. Zum belastungsabhängigen Schalten
sind in dieser Schutzschaltung nur die oberen Drehzahlen des Motors bis zum Kippmoment,
d.h. der höchsten Leistung des Motors wichtig. Bei der abnehmenden Drchzahl zwischen
Kippmoment und Anlaufmoment geht das Drehmoment je nach Motorauslegung mäßig bis
sehr stark zurück. Die Zenerdiode ZD3 wird in diesem Fall so ausgelegt, daß das
Schaltrelais 18 bei höchster Netzspannung1 etwas unterhalb des Kippnomentes des
Motorsabschaltet. Die zuletzt beschriebene Schutzschaltung kann noch dahingehend
abgeändert werden, daß der untere Gleichrichteranschluß des Gleichrichters
Gl2
am Sternpunkt des Motors M anreschlossen ist. Dies hat dann aber eine größere Welligkeit
der das Schaltrelais 18 beeinflussenden Spannung zur Folge. Der Kondensator 20 müßte
dann größer als bei der Schutzschaltung nach Fig. 1 ausgelegt werden, damit die
Wellung besser unterdrückt wird. Diese Vanation läßt sich jedoch nicht bei allen
Motoren verwirklichen, da bei kleineren Motoren der Sternpunkt normalerweise nicht
herausgeführt ist.
L e e r s e i t e