DE3601862A1 - Vorrichtung zur einschaltstrombegrenzung bei wechselspannungsbetriebenen verbrauchern - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung nach der Gat­ tung des Hauptanspruchs. Bei einem Betrieb von Verbrau­ chern mit höheren Nennlasten, beispielsweise ab cirka 800 Watt, können sich bei deren Einschalten, hauptsäch­ lich wenn es sich um induktive Lasten handelt, sehr hohe Einschaltströme ergeben, die nicht selten ein Vielfaches des Nennstroms betragen; daher sind Einrichtungen zur Einschaltstrombegrenzung sinnvoll, um sicherzustellen, daß durch diese Anlaufstromspitzen nicht Sicherungen im Leitungsnetz ansprechen, ohne daß eine echte Leitungs­ überlastung vorliegt. Bei einer bekannten Vorrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs (DE-OS 33 03 126),

die hauptsächlich zur Einschaltstrombegrenzung bei Staubsaugern bestimmt ist und bei der der Antriebsmo­ tor für das Gebläse über einen Wechselspannungsschalter in Form eines Triacs am Netz liegt und nach Art einer elektronischen Phasenanschnittsteuerung mit einem Stell­ potentiometer betrieben wird, ist im Ansteuerkreis ein zusätzlicher Vorwiderstand angeordnet, der, wenn er eingeschaltet ist, dafür sorgt, daß der Motor zunächst mit verminderter Leistung anläuft. Sobald der Motor dann angelaufen ist und sein Lüfterrad bzw. das von ihm angetriebene Gebläse einen von einem pneumatischen Membranschalter erfaßbaren Druckunterschied (Über- oder Unterdruck) erzeugt, spricht der pneumatische Membran­ schalter an und schließt den zusätzlichen Widerstand aus dem Ansteuerkreis des Triacs wieder heraus, wo­ durch dann, je nach Wunsch des Benutzers und einer ent­ sprechenden Betätigung am Stellpotentiometer dem elektrischen Verbraucher entweder die volle Leistung oder eine entsprechende abgestufte Leistung zugeführt wird.

Bei einer weiteren bekannten Einschaltstrombegrenzung für einen Staubsauger (US-PS 25 70 222) befindet sich eine verschwenkbare, großflächige Saugplatte frei im Luftstrom des Staubsaugers und betätigt bei ihrer Verschwenkung entsprechende Schaltmittel zur Bewirkung einer Kontaktgabe. Hierdurch kann dann ein direkt im Motorstromkreis liegender Widerstand überbrückt wer­ den. Bei dieser bekannten Staubsaugersteuerung ist problematisch die Anordnung des Vorwiderstandes un­ mittelbar im Motorstromkreis, so daß dieser eine er­ hebliche Leistung beim Anlauf aufnehmen muß - ferner ist die Anordnung einer frei im Luftstrom befindlichen großflächigen Klappe innerhalb des Motorgehäuses für feinfühlige Steuerungen des Staubsaugergebläses offen­ sichtlich deshalb unbrauchbar, weil beim Einstellen auf geringere Leistungen, die gegebenenfalls für das Absau­ gen von Gardinen erwünscht sind, die Saugplatte zu­ rückschaltet und der Elektromotor in der Anlaufstrom­ begrenzungsphase betrieben wird, obwohl dies nicht er­ wünscht ist.

Bekannt ist ferner (DE-OS 27 46 845), Elektromotoren in Reihe mit einem Wechselspannungsschalter durch Pha­ senanschnittschaltung in ihrer Leistung so zu steuern, daß sich eine Einschaltstrombegrenzung durch das wahl­ weise Zu- bzw. Abschalten eines Reihenwiderstandes in einem Steuerkreis vom Wechselspannungsschalter (Triac) ergibt.

Bei der praktischen Ingebrauchnahme der eingangs ge­ nannten bekannten Einschaltstrombegrenzung etwa für einen Staubsauger, bei dem mittels Phasenanschnitt­ steuerung verschiedene Leistungsstufen, auch kontinuier­ lich eingestellt werden können, hat sich als besonders problematisch herausgestellt, daß das Zu- bzw. Ab­ schalten eines Reihenwiderstandes im Ansteuerkreis für den Triac, also in der Reihenschaltung des Konden­ sators und üblicherweise eines Stellpotentiometers, dessen Abgriff über einen sog. Diac zum Steuergate des Triacs führt, entweder die Einschaltstrombegrenzung praktisch unwirksam ist oder der Motor nicht auf eine hinreichende Leistung kommt, um diese im Endeffekt durch seine eigene Gebläsewirkung (Über- oder Unter­ druck) abschalten zu können. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, daß in das Schaltverhalten der Ein­ schaltstromsteuerung stark die Position des Stellpoten­ tiometers eingeht, die in Reihe mit dem jeweils zu­ bzw. abschaltbaren Widerstand liegt. Da es unmöglich ist, auf den Benutzer etwa eines Staubsaugers Einfluß zu nehmen, dahingehend, daß dieser vor Ingebrauchnahme des Geräts das Stellpotentiometer in eine vorgegebene Position bringt, ergibt sich der Nachteil, daß dann, wenn das Stellpotentiometer voll herausgeschaltet ist, lediglich der relativ kleine, nach dem Einschalten zu überbrückende Widerstand im Steuerkreis übrig bleibt und in diesem Fall der Elektromotor praktisch die volle Ansteuerleistung sofort zugeführt bekommt, also nicht erst durch Sanftanlauf allmählich sein gewünschtes Leistungsniveau erreicht. Dimensioniert man anderer­ seits aber diesen Widerstand größer, dann ergibt sich der Fall, daß bei Einstellen des Potentiometers in seine andere Anschlagposition, was bei der Inbetriebnahme des Staubsaugers natürlich ebenfalls möglich ist, die dem Elektromotor dann zugeführte Ansteuerleistung so gering ist, daß dieser überhaupt nicht auf Touren kommt und daher auch nicht in der Lage ist, durch die von ihm erzeugte Gebläsewirkung den Reihenwiderstand wieder herauszuschalten. Der Elektromotor bleibt dann in seiner Sanftanlaufstufe. Mit anderen Worten, es ergibt sich bei einer solchen Schaltung ein Dimensionie­ rungsproblem mit Bezug auf den durch den Unter- oder Überdruckschalter aus dem Ansteuerkreis nach der Ein­ schaltstrombegrenzung herauszuschaltenden Widerstand, welches nicht lösbar erscheint.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die einerseits in der Lage ist, in jeder beliebigen Potentiometerstellung des Stellpotentiometers bei einer Phasenanschnittsteuerung mit Einschaltstrombegrenzung für einen Elektromotor einen sicheren Sanftanlauf (Einschaltstrombegrenzung) sicherzustellen, andererseits aber dafür zu sorgen, daß bei solchen Vorrichtungen, bei denen der Sanftanlauf durch Kontaktgabe eines Über- oder Unterdruckschalters abgeschaltet wird, diese gewünschte Wirkung auch erzielt wird.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs und hat den Vorteil, daß die bei Sanftanlauf dem Elektromotor zugeführten Lei­ stungswerte durch die Phasenanschnittsteuerung stets konstant und unabhängig von der Potentiometerstellung sind, andererseits aber nach Ansprechen des Über- oder Unterdruckschalters eine völlig normale Betätigung, also Steuerung des Elektromotors in seinem Leistungsverhalten vorgenommen werden kann, was für das bevorzugte Ausfüh­ rungsbeispiel bei dem Staubsauger wesentlich ist. Mit anderen Worten, der Sanftanlauf erfolgt unabhängig von der Stellung des Stellpotentiometers und damit auch vom Willen der den Staubsauger beispielsweise benutzenden Person, und sofort nach Beendigung des Sanftanlaufs, also mit nahezu unmerklicher Zeitverzögerung kann die Bedie­ nungsperson dann über die gewünschte Steuerungsart bei dem Elektromotor frei verfügen.

Vorteilhaft ist ferner, daß ein besonders feinfühliges und schnelles Ansprechen mit insgesamt sehr geringem schaltungstechnischem Aufwand erzielen läßt. Dabei wer­ den sehr empfindliche pneumatische Membranschalter ver­ wendet, die mit einer Ansprechempfindlichkeit bei Ein­ wirkung von Differenzdrücken von z. B. nur 2 mmWS zu­ verlässig umschaltbar sind, so daß, sobald eine hinrei­ chende Drehbewegung des Elektromotors und eine entspre­ chende Gebläsewirkung festgestellt werden kann, die Um­ schaltung auf den normalen Steuerungsbetrieb durchge­ führt werden kann.

Vorteilhaft ist ferner, daß sich die Erfindung bei ohne­ hin schon durch Phasenanschnittsteuerung betriebenen Verbrauchern mit Elektromotoren (Staubsaugern) ledig­ lich durch eine weitere Steuerleitung und den erwähn­ ten Unterdruck- oder Überdruckschalter (Membranschalter) realisieren läßt, auch ohne Probleme nachträglich noch angebaut werden kann.

Die Erfindung findet ein bevorzugtes Anwendungsgebiet, wie schon erwähnt, bei Staubsaugern im häuslichen oder industriellen Bereich; sie kann aber auch bei sonstigen Antriebsmotoren (etwa für Bohrmaschinen, Handbohrmaschi­ nen u. dgl.), also bei allen Motoren, bei denen auch Kühlgebläse vorgesehen sind, verwendet werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung möglich.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich­ nung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschrei­ bung nach Aufbau und Wirkungsweise im einzelnen erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel in schematisierter, ver­ einfachter Darstellung lediglich der Phasenan­ schnittsteuerung sowie schematisiert des Elektro­ motors und des Membrandruckschalters und

Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform eines Membran­ schalters im Querschnitt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der Motor 1 wird über eine elektronische Phasenan­ schnittsteuerung 2 betrieben. Der Motor 1, der hier stellvertretend für jeden beliebigen Verbraucher elektri­ scher Energie steht, verfügt über Mittel, die einen Druckunterschied zwischen seinem abgeschalteten und seinem eingeschalteten Zustand erzeugen; im einfachsten Fall handelt es sich hierbei um das vom Motor zu seiner Kühlung selbst angetriebene Lüfterrad 1 a oder über ein Gebläse oder einen Verdichter, der vom Motor aus ande­ ren Gründen, beispielsweise bei einem Staubsauger zur Vakuumbildung, angetrieben wird. Hierdurch ergibt sich jedenfalls am Verbraucher (Motor 1) ein Druckunter­ schied, der durch einen allgemein mit 3 bezeichneten und diesem Druckunterschied in geeigneter Weise ausge­ setzten Membranschalter erfaßt wird.

Der Membranschalter kann als Differenzdruckschalter aus­ gebildet sein, der je nach dem einwirkenden Druck in eine Offen- und in eine Schließstellung bezüglich der elektrischen Kontakte des Schalters umschaltbar ist.

Die mindestens eine von dem Membranschalter 3 gebildete Schaltstrecke ist in der Zeichnung als Schalter 3 a dar­ gestellt.

Die Phasenanschnittsteuerung umfaßt in Reihe mit den Motorwicklungen einen Triac 10 und gegebenenfalls weite­ re Schaltelemente, auf die nicht eingegangen zu werden braucht und die in der Zeichnung auch nicht dargestellt sind. Zur Ansteuerung des Triacs 10 ist parallel zu dessen Hauptschaltelektroden ein Ansteuerkreis geschal­ tet, der mindestens aus einem Kondensator 6 und einem Stellpotentiometer 5 besteht und gegebenenfalls noch weitere Schaltungselemente enthält, die nicht darge­ stellt sind und auf die daher auch nicht eingegangen zu werden braucht. Bei diesen weiteren Schaltungsele­ menten kann es sich beispielsweise um Widerstände in Reihe zum Potentiometer 5 handeln oder um Widerstände, die in Reihe zu dem mit dem Gate-Anschluß des Triacs 10 verbundenen Diac geschaltet sind. Wesentlich ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung, daß die Ansteuerleitung zum Gate-Anschluß des Triacs 10 vor dem Diac 9 bzw. dann sinngemäß vor einem mit diesem Diac noch in Reihe geschalteten Widerstand zwei­ geteilt ist und entgegen üblicher Phasenanschnitt­ steuerung ein Teilzweig I fest mit einem Punkt des Ansteuerkreises verbunden ist. Dieser Schaltungspunkt ist in Fig. 1 mit P bezeichnet und ist so bemessen, daß in dieser Position - und man erkennt sofort, daß diese unabhängig von der Potentiometerstellung ist - dem Verbraucher (Motor 1) über die Phasenanschnittsteuerung eine Steuerspannung bzw. ein Steuerstrom zugeführt ist, der den Anforderungen des Sanftanlaufs genügt, mit ande­ ren Worten, durch die durch den Potentiometerwiderstand und den Kondensator gebildete Teilerschaltung ergibt sich ein Ansteuerfestpotential für den Triac 10, wel­ ches problemlos so bemessen ist bzw. bemessen werden kann, daß sich eine geeignete Einschaltstrombegrenzung ergibt, die jedoch dem Motor so hinreichend Energie zu­ führen kann, daß sich beim allmählichen Hochlaufen schließlich ein solcher Energiezustand des Verbrauchers 1 ergibt, daß, angewendet auf Sauggebläse oder Kühlge­ bläse, die Einwirkung auf den Unter- oder Überdruck­ schalter so ist, daß dieser umschaltet. In diesem Moment wird die freie Stellwahlmöglichkeit freigeschaltet, und zwar dadurch, daß die Schaltkontakte 3 a im zweiten Teilzweig II schließen, wodurch der Abgriff des Poten­ tiometers 5 mit dem Schaltungspunkt P oder mit einem beliebigen Schaltungspunkt P′ verbunden wird, der bei der Phasenanschnittsteuerung 2 die verstellabhängige, wahl­ weise Durchsteuerung des Motors möglich macht. Es ist daher auch eine Ausgestaltung vorliegender Erfindung, zwischen die Schaltungspunkte P und P′, wie bei 4 an­ gedeutet, noch einen Widerstand zu schalten. Dieser Widerstand 4 kann beispielsweise so bemessen sein, daß sich besonders günstige Werte für den Sanftanlauf er­ geben, die aber stets das Erreichen einer solchen Drehzahl sicherstellen, daß über das Gebläse 1 a der Über- oder Unterdruckschalter 3 anspricht. Die volle Durchsteuerung bis zur Vollwellensteuerung ist dann dadurch gegeben, daß der Abgriff des Potentiometers 5 zwischen den beiden Extremlagen (Schaltungspunkt P und Schaltungspunkt P′′) verschoben werden kann, nachdem die Zweigleitung II über den Druckschalter 3 mit seinen Kontakten 3 a zur Ansteuerung geschaltet ist.

Eine bevorzugte Ausführungsform eines hochempfindlichen Membranschalters, der besonders im Anmeldungsbereich der erfindungsgemäßen Schaltung für den Sanftanlauf von Staubsaugern eingesetzt werden kann, ist in Fig. 2 gezeigt.

Der in Fig. 2 gezeigte hochempfindliche Membranschalter, der auf Überdruck - in diesem Fall im Lüfter­ strom liegend - auf Unterdruck - hinter dem Gebläse- oder Lüfterrad angeordnet - oder auf einen Differenz­ druck reagiert, umfaßt ein topfförmiges erstes Gehäuse­ teil 15 a sowie einen Deckel 15 b. Der ringförmig erhabe­ ne Wandbereich 16 des Gehäusetopfes verfügt über eine innere Ringnut 17, die mittels eines vorspringenden Ab­ satzes sowohl die sehr dünne, äußerst nachgiebige und schlaffe Membran 18 in ihrem Randbereich lagert, als auch den scheibenförmigen Deckel 15 b, der über einen zentralen ersten Stutzen 19 verfügt mit einer vorzugs­ weise abgetreppten Durchtrittsbohrung 19 a, die auf eine Seite der Membran 18 führt. Die Abmessungen des Deckels 15 b und der diesen aufnehmenden und lagernden Ringnut sind so ausgebildet, daß der Deckel 15 b nach Einlage der Membran 18 in die Ringnut 17 unter Kraft­ einwirkung eingeschnappt werden kann, wodurch sowohl der Deckel fest und unverrückbar gehalten als auch gleichzeitig die Membran 18 an ihrem Randbereich einge­ klemmt und gelagert wird.

Von unten in der Zeichenebene gesehen liegt an der Membran 18 ein Kontaktteller 20 an; er kann an der Membran auch durch Klebung o.dgl. befestigt sein. Gegen diesen Kon­ taktteller drückt eine Vorspannungsfeder 21 auf die Membran und drückt diese nach oben, wobei in einem er­ weiterten Bohrungsteil 19 b des Deckelstutzens 19 noch eine weitere Feder 22 angeordnet sein kann, um die Membran in eine definierte Ausgangslage zu bringen. Die Feder 21 bildet gleichzeitig das elektrische Übertragungsmittel zu einem ersten Kontaktanschluß 23, der als in den Bo­ den 24 des Gehäusetopfes 15 a eingelassener oder einge­ setzter Kontaktzapfen 23 ausgebildet sein kann. Der Kon­ taktzapfen berührt bei 25 die mit dem Kontaktteller 20 in elektrischer Verbindung stehende Vorspannungsfeder 21 und bildet so einen ersten Anschluß, beispielsweise Lötstift für elektrischen Schalter.

Der andere Pol wird von einer Lötfahne 26 gebildet, die angeordnet oder einstückiger Teil einer metallischen Büchse 27 sein kann, die in einen nach unten am Gehäuse­ boden vorspringenden und vorzugsweise mit diesem aus einem einstückigen geeigneten Kunststoff bestehenden Stutzen 28 eingesetzt ist. Die Büchse 27 verfügt über ein Innengewinde und nimmt einen Schraubstift 29 auf, der bei gleichzeitiger einwandfreier Abdichtung im Gewindebereich den Gehäuseboden durchsetzt und mit einer Kontaktspitze 30 im Abstand zur von der Membran 18 angetriebenen Kontakt­ platte 20 angeordnet ist. Ein Anschlußstutzen zur Zu­ führung von Druck oder Differenzdruck ist im Gehäuse­ boden noch bei 31 angedeutet. Durch den Gewindekontakt­ stift 29 läßt sich der wirksame Arbeitsabstand zwischen der Kontaktplatte 20 und der Kontaktspitze 30 hochgenau einstellen und vorjustieren, so daß ein solcher Membran­ schalter in der Lage ist, mit höchster Empfindlichkeit und Genauigkeit auf nur sehr geringe Druckeinwirkung zu reagieren, Überdrücke, Unterdrücke oder auch Differenz­ drücke, je nachdem, an welchen Anschlüssen, 19 oder 31, die zu erfassenden pneumatischen Funktionen zur Ein­ wirkung gebracht werden.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Einschaltstrombegrenzung bei einen Elektromotor enthaltenden, wechselspannungsbetrie­ benen Verbrauchern, bei denen gleichzeitig durch ein vom Elektromotor angetriebenes Gebläse ein Un­ terdruck oder Überdruck entsteht (insbesondere Staubsauger, Motorkühlgebläse u. dgl.), mit einem aufgrund der Gebläsewirkung eine Kontaktgabe bewir­ kenden Unter- oder Überdruckschalter, der ein elektri­ sches Schaltelement im Wechselspannungs-Phasenan­ schnitt-Steuerkreis des Elektromotors schaltet, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ansteuerleitung zum Wechselstromschalter (Triac 10) der Phasenanschnitt­ steuerung (2) in zwei Zweigleitungen (I, II) aufge­ teilt ist, von denen die erste mit einem mittleren Abgriffpunkt (P) des Ansteuerkreises fest und die zweite (II) mit dem Abgriff eines im Ansteuerkreis angeordneten Potentiometers (5) verbunden ist und daß in der zweiten Zweigleitung (II) der Schalter (3 a) des Über- oder Unterdruckschalters (3) ange­ ordnet ist, der so ausgelegt ist, daß die Kontakte im Moment des Sanftanlaufs offen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Steuereingang des Triacs (10) ver­ bundene feste Abgriffpunkt (P) des Ansteuerkreises vom Verbindungspunkt mindestens eines Kondensators (6) und des Stellpotentiometers (5) gebildet ist, de­ ren andere Anschlüsse, gegebenenfalls über weitere Schaltungselemente, mit den Anschlüssen der Speise­ wechselspannung (Triac-Hauptstrecke) verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die den Schalter (3 a) des Über- oder Unterdruckmembranschalters enthaltende Zweigleitung (II) mit dem einen Anschlußpunkt (P′) des mit dem Gate-Anschluß des Triacs (10) verbundenen Diacs (9) verbunden ist und daß zwischen diesen Anschlußpunkt (P′) und den Verbindungspunkt von Potentiometer (5) und Kondensator (6) ein weiterer Widerstand (4) geschaltet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der auf Druckunterschiede des Gebläses ansprechende Membranschalter (3) in einem Gehäuse (16) eine schlaffe, durch eine Feder (21) vorgespannte Membran (18) enthält, durch deren Bewe­ gung über die elektrisch leitende Vorspannungsfeder (21) die Kontaktgabe erfolgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (18) des Membranschalters (3) gegen den Druck ihrer Vorspannungsfeder (21) eine Kontakt­ platte (20) antreibt, der zur Kontaktgabe ein durch eine Schraubverbindung mit dem Membranschaltergehäuse axial justierbarer Kontaktstift (29) gegenüberliegt.