DE4109867C2 - Schutzeinrichtung für Elektromotoren - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Schutzeinrichtung für Elektromotoren, insbesondere Stellmotoren, gegen eine zu hohe Betriebstemperatur nach der Gattung des Anspruchs 1.

Zu hohe Betriebstemperaturen entstehen bei Elektromotoren entweder bei zu hoher und/oder zu langer Belastung im Betrieb oder aber beispielsweise auch dann, wenn der Elektromotor blockiert ist, jedoch weiter an ein Stromversorgungsnetz oder einer Batterie angeschlossen bleibt. Zu hohe Betriebstemperaturen können zu einem erhöhten Verschleiß von Kohlen, Kommutatoren und Lagern führen, wobei im Extremfall auch Windungskurzschlüsse durch Beschädigung der Isolation auftreten können.

Um unzulässig hohe Betriebstemperaturen zu verhindern, ist es beispielsweise aus der DE-OS 25 32 956 bekannt, derartige Elektromotoren mit Temperatursensoren zu versehen, die an geeigneter Stelle innerhalb des Elektromotors anzuordnen sind.

Aus der DE-OS 39 33 201 ist eine gattungsgemäße Schutzeinrichtung bekannt, bei der ein Mikrocomputer einen Überlastzustand des Elektromotors anhand von Betriebsparametern des Elektromotors errechnet. Der Berechnung zugrunde gelegt ist der Motorstrom, der von einem Stromsensor erfaßt wird. Nach Überschreiten einer vorgegebenen Grenze des Motorstroms ermittelt der Mikrocomputer in Abhängigkeit vom Strom eine Auslösezeit, nach deren Ablauf der Elektromotor abgeschaltet wird.

Eine weitere gattungsgemäße Vorrichtung ist aus der DE-OS 39 14 312 bekannt, die eine Schutzeinrichtung für einen am Stromversorgungsnetz betreibbaren Universalmotor beschreibt. Die vorbekannte Schutzeinrichtung enthält einen integrierten Schaltkreis zur Leistungssteuerung des Universalmotors mittels Phasenanschnittsteuerung. Der integrierte Schaltkreis stellt ein zur Drehzahl des Universalmotors proportionales Signal sowie ein weiteres Signal zur Verfügung, das proportional zum Stromflußwinkel ist. Eine Auswertschaltung bildet aus diesen beiden Signalen ein Differenzsignal, das einem Integrationsglied zugeführt ist, welchhes eine Zeitverzögerung bewirkt, damit der Überlastschutz nicht schlagartig bei der ersten Überlast reagiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzeinrichtung gegen unzulässig hohe Betriebstemperaturen eines Elektromotors anzugeben, die mit einfachen Mitteln realisierbar ist.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale im Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß die Erfassung der Betriebstemperatur des Elektromotors durch präzise elektronische Mittel erfolgt. Da die Betriebstemperatur indirekt aus der Versorgungsspannung des Elektromotors ermittelt ist, wird eine einfache Realisierung möglich, da die Betriebsspannung als Größe vorliegt. Die Berücksichtigung der Einschaltdauer wird durch eine Zählvorrichtung gewährleistet, die während der Einschaltdauer des Elektromotors Impulse einer Zählfrequenz zählt, die in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung festgelegt ist. Eine vorgegebene Grenz- Betriebstemperatur entspricht einem vorgebbaren Zählerwert. Nach Erreichen dieses Wertes erfolgt über elektronische Mittel ein automatisches Abschalten des Elektromotors. Die Erfassung der Versorgungsspannung des Elektromotors ist insbesondere von Bedeutung, wenn die Versorgungsspannung eine Batteriespannung ist, da diese in Abhängigkeit von der Belastung und vom Ladezustand zu entsprechend unterschiedlichen Erwärmungen des Elektromotors führt. Eine bislang vorgesehene Erfassung des Motorstroms, die bei den zu erwartenden hohen Motorströmen kostspielig ist, wird nicht benötigt. Insgesamt kann die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung kostengünstig realisiert werden.

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

Die Versorgungsspannung des Elektromotors und/oder die Ankerdrehzahl können weiterhin in einer schnell wirkenden Sicherheitseinrichtung gegen ein Blockieren oder eine extrem hohe Belastung des Elektromotors verwendet werden. Bei einer Blockierung oder einer extrem hohen Last geht einerseits die Drehzahl gegen den Wert Null und andererseits bricht die Vesorgungsspannung mehr oder weniger zusammen. Ein Absinken der Versorgungsspannung tritt insbesondere dann auf, wenn es sich um eine Batteriespannung handelt. Unterschreiten die Versorgungsspannung und/oder die Ankerdrehzahl einen jeweils vorgegebenen unteren Grenzwert, so kann nach sehr kurzer Einschaltdauer bereits die Sicherheitseinrichtung zur Abschaltung des Elektromotors aktiviert werden.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Schutzschaltung mit indirekter Erfassung der Betriebstemperatur als ein Ausführungsbeispiel.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Mikrorechner 10 zur Steuerung eines Elektromotors 11 über eine Leistungsendstufe 12 mit diesem verbunden. Diese Leistungsendstufe kann als Relais-Endstufe oder durch Halb­ leiterschalter realisiert sein. Die Stellbefehle für den Betrieb des Elektromotors 11 werden dem Mikrorechner 10 von einer Einstellvorrichtung 13 zugeführt, um beispielsweise eine bestimmte Drehzahl n, ein bestimmtes Drehmoment M oder den Einschalt- oder Ausschaltzustand A/E vorzugeben. Hierzu kann die Einstellvorrichtung 13 in an sich bekannter Weise Potentiometer, Stufenschalter oder sonstige Schalter aufweisen. Die Einwirkung einer derartigen Einstellvorrichtung 13 auf einen Mikrorechner oder eine sonstige elektronische Schaltung zur Erzeugung des gewünschten Betriebsverhaltens des Elektromotors ist im Stand der Technik vielfach bekannt, so daß hier auf ein näheres Eingehen verzichtet werden kann.

Die im Mikrorechner 10 gestrichelt dargestellten Bauelemente dienen lediglich zur Erläuterung der prinzipiellen Wirkungsweise, wobei die entsprechenden Funktionen durch üblicherweise in Mikrorechnern enthaltene Bauelemente realisiert werden.

Zur Erfassung der Ankerdrehzahl sind zwei Hall-Geber 14, 15 am Elektromotor 11 angeordnet, deren Signale einem Frequenz­ generator 16 im Mikrorechner 10 zugeführt werden, um dessen Frequenz in Abhängigkeit der Ankerdrehzahl zu verändern. Weiterhin sind diesem Frequenzgenerator 16 zur Veränderung seiner Frequenz die Versorgungsspannung U und die Außen­ temperatur Ta zugeführt. Die Außentemperatur Ta wird dabei durch einen Temperatursensor 17 erfaßt und über eine MUX- Schnittstelle 18 dem Mikrorechner 10 zugeführt. Eine Erhöhung der Ankerdrehzahl, der Versorgungsspannung oder der Außen­ temperatur führt jeweils zu einer Erhöhung der Frequenz des Frequenzgenerators 16. Zur Realisierung dieses Frequenz­ generators 16 kann die im Mikrorechner 10 ohnehin vorhandene Taktfrequenz herangezogen werden, die bei Bedarf heruntergeteilt wird und in Abhängigkeit der genannten Betriebsparameter durch Rechenvorgänge im Mikrorechner verändert wird. Gegebenenfalls erforderliche Analog-Digital-Wandler zur Umwandlung der erfaßten Betriebsparameter in digitale Werte sind zur Vereinfachung nicht dargestellt, können jedoch selbstverständlich bei Bedarf vorgesehen sein.

Die erzeugte Ausgangsfrequenz des Frequenzgenerators 16 wird im Vorwärtszähleingang V einer Zähleinrichtung 19 zu­ geführt. Gleichzeitig wird deren Rückwärtszähleingang R eine weitere Frequenz des Frequenzgenerators 16 zugeführt, die den Abkühlvorgang simuliert, also die vom Elektromotor 11 nach außen abgegebene Wärme. Diese Rückwärtszählfrequenz wird von der Außentemperatur Ta in dem Sinne beeinflußt werden, daß sich diese Rückwärtszählfrequenz erhöht, wenn die Außentemperatur Ta abnimmt. Durch eine nicht dar­ gestellte Batteriepufferung kann erreicht werden, daß dieser die Abkühlung simulierende Abwärtszählvorgang auch dann fortgesetzt wird, wenn der Elektromotor 11 bzw. die Ver­ sorgungsspannung abgeschaltet wird.

Wird in der Zählvorrichtung 19 ein vorgebbarer Zählerstand erreicht, so wird ein Ausgangssignal erzeugt, durch das eine elektronische Abschaltvorrichtung 20 betätigt wird, um die Leistungsendstufe 12 und damit den Elektromotor 11 abzuschalten. Als vorgebbarer Zählerstand kann beispielsweise der maximale Zählerstand der Zählvorrichtung 19 verwendet werden, wobei dann das die Abschaltung auslösende Signal das Überlaufsignal der Zählvorrichtung 19 ist. Die Abschaltvorrichtung 20 kann eine Schalthysterese aufweisen, oder eine derartige Schalthysterese wird durch eine gesonderte Funktion im Mikrorechner 10 erzeugt. Hierfür kann beispielsweise ein zweiter, niedrigerer Zählerstand in der Zählvorrichtung 19 vorgesehen sein, bei dessen Unterschreitung der Wiedereinschaltvorgang ausgelöst wird. Der Zählerstand der Zählvorrichtung 19 stellt die indirekt durch andere Betriebsparameter ermittelte Betriebstemperatur des Elektromotors 11 dar.

Die indirekte Ermittlung der Betriebstemperatur kann selbst­ verständlich auch auf andere Weise im Mikrorechner 10 erfolgen, z. B. durch Verknüpfung der angelegten Betriebsparameter über vorgegebene Algorithmen, die durch das Programm des Mikrorechners 10 vorgegeben sind.

Alternativ zu einem Mikrorechner 10 kann selbstverständlich auch eine andere digitale elektronische Schaltung verwendet werden, in der auf entsprechende Weise die Betriebstemperatur indirekt ermittelt wird. Dies kann entsprechend der gestrichelt dargestellten Anordnung durch einen Frequenzgenerator, eine Zählvorrichtung und eine Abschaltvorrichtung erfolgen.

In einer einfacheren Ausführungsform kann der Mikrorechner 10 auch entfallen und die Abschaltvorrichtung 20 durch einen einfachen Schalter, beispielsweise einen Halbleiterschalter, realisiert sein. Bei einer derartigen einfacheren Ausführungsform kann die Einstellvorrichtung 13 durch einen einfachen Schalter und/oder ein Potentiometer zur Einstellung der Drehzahl ersetzt sein.

Alternativ zu der beschriebenen Schalthysterese kann selbstverständlich auch eine Zeitsteuerung vorgesehen sein, das heißt, nach der Abschaltung des Elektromotors 11 wird über ein Zeitglied oder ein Ver­ zögerungsglied die Wiedereinschaltung um eine feste Zeit verzögert.

Claims (6)

1. Schutzeinrichtung für Elektromotoren, insbesondere für Stellmotoren, gegen eine zu hohe Betriebstemperatur, mit Mitteln zur Erfassung einer zu hohen Betriebstemperatur des Elektromotors und mit elektronischen Mitteln zur automatischen Abschaltung des Elektromotors bei Überschreitung einer vorgebbaren Grenz-Betriebstemperatur, wobei eine eine der Betriebstemperatur zugeordnete Größe aus der Einschaltdauer und aus anderen Betriebsparametern des Elektromotors ermittelnde elektronische Einrichtung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zählvorrichtung (19) in der elektronischen Einrichtung vorhanden ist, die während der Einschaltdauer des Elektromotors (11) Impulse einer Zählfrequenz zählt, die wenigstens in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung als einem Betriebsparameter des Elektromotors (11) veränderbar ist, daß zur Simulation des Abkühlvorgangs des Elektromotors (11) Impulse einer zweiten Zählfrequenz in entgegengesetzter Zählrichtung der Zählvorrichtung (19) zuführbar sind, wobei als weiterer Betriebsparameter des Elektromotors (11) die Außentemperatur berücksichtigt ist, und daß die vorgebbare Grenz-Betriebstemperatur einem vorgebbaren Zählerwert zugeordnet ist.

2. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als weiterer Betriebsparameter die Ankerdrehzahl des Elektromotors (11) berücksichtigt ist.

3. Schutzeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Ankerdrehzahl wenigstens ein Hall-Geber (14, 15) vorgesehen ist.

4. Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zur automatischen Abschaltung dienenden elektronischen Mittel (20) eine Schalthysterese aufweisen.

5. Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine bei Unterschreitung eines unteren Grenzwerts der Ankerdrehzahl und/oder der Versorgungsspannung während eines vorgebbaren Einschaltdauer-Intervalls den Elektromotor (11) abschaltende Sicherheitseinrichtung vorgesehen ist.

6. Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Einrichtung (16, 19) zur Berechnung und die Mittel (20) zur automatischen Abschaltung als Mikrorechner (10) ausgebildet sind.