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Anwendungsgebiet
und Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abgleichen einer Schutzschaltung
für einen
Elektromotor für
Geräte,
insbesondere für
Schneidwerksantriebe von Dokumentevernichtern.
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Elektromotoren
für Schneidwerksantriebe von
Dokumentenvernichtern, worunter hier auch andere Abfallvernichter
subsummiert sind, werden extrem hohen Belastungen ausgesetzt. Vor
allem geschieht es häufig,
dass die Schneidwerke durch eine Übermenge eingegebenen Materials
blockiert werden, was der Benutzer oft nicht sofort bemerkt. Auch bei
Verwendung von überlastsicheren
Motoren erwärmen
sich diese und sollten daher bei Überlastung abgeschaltet werden.
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Es
ist bereits eine Blockagesicherung bei derartigen Schneidwerksantrieben
vorgeschlagen worden, die einen Einphasen-Induktionsmotor benutzen.
Dieser enthält
zur Erzeugung des Anlaufimpulses einen Kondensator, an dem normalerweise
Netzspannung anliegt. Bei zunehmender Belastung nimmt diese Spannung
ab und beträgt
im Fall der Blockierung nur noch etwas über die Hälfte der Netzspannung.
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Diese
Spannung wird abgegriffen und über Opto-Koppler
in eine mit Niederspannung betriebene Schutzschaltung übertragen.
Ein Schmitt-Trigger, an dem ein fester Schwellwert eingestellt ist,
löst bei
der Überlastung
ein Abschaltrelais für
den Motor aus. Die Einstellung des Schwellwertes und die Anpassung an
unterschiedliche Motortypen und Motorspannungen ist aufwendig und
erhöht
die Typenvielfalt. Veränderungen
innerhalb der Schaltung können
die eingestellten Bedingungen verändern und zu Funktionsstörungen führen.
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Die
DE 42 11 495 A1 zeigt
eine Vorrichtung zur Drehmomentabschaltung eines Kondensatormotors,
die insbesondere für
Rolladen oder dergleichen eingesetzt wird. Sie weist eine Vergleichseinrichtung auf,
die von einer in einer nicht erregten Wicklung induzierten Spannung
abhängige
Signale mit einem vorgebbaren Abschaltdrehmoment-Wert vergleicht. In
Abhängigkeit
davon wirkt die Vergleichseinrichtung bei Überschreitung des vorgegebenen
Abschaltdrehmoments auf eine Abschalteinrichtung ein, die den Kondensatormotor
abschaltet. Auf diese Weise wird ein Schutz vor Überlastung des Motors gewährleistet.
Damit wird die Aufgabe gelöst,
einen wirksamen Schutz des Antriebsmotors vor Beschädigung oder
Zerstörung
zu schaffen, durch den insbesondere bei einer vollständigen Blockierung
des Antriebsmotors eine sofortige Abschaltung erfolgt. Bei derartigen
Antrieben liegt die Besonderheit vor, dass sie zwar zum einen vor Überlastung
geschützt
werden müssen,
wie sie bei Blockierung o. dgl. auftreten können. Des weiteren sind zwei
Drehrichtungen vorgesehen, zum Ausfahren und zum Einfahren eines Rolladens.
Allerdings kann ein Antriebsmotor für einen Rolladen nur im Lastfall
betrieben werden, da der Rolladen oder die Markise immer daran hängt.
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Aufgabe und Lösung
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ausgehend von der
DE 42 11 495 A1 ein Verfahren
zum Abgleichen einer Blockierschutzschaltung für einen Elektromotor für Geräte zu schaffen,
die in Herstellung und insbesondere in der Anpassung der Geräte an unterschiedliche
Gegebenheiten geringeren Aufwand erfordert und die betriebssicher
arbeitet.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Die
Auslösung
erfolgt also nicht bei einem voreingestellten Wert, sondern der
jeweilige Sollwert wird als Resultat eines beim Abgleichvorgang
ermittelten Istwertes festgestellt und dann gespeichert. Diese Sollwert-Bestimmung
wird erfindungsgemäß bei der
ersten Inbetriebnahme des Gerätes
erfolgen. Damit paßt
sich das Gerät
automatisch an die jeweils vorgesehene Betriebsspannung an und berücksichtigt
automatisch dabei auch unterschiedliche Werte der einzelnen elektronischen
Bauteile, beispielsweise die Übertragungscharakteristik
eines Opto-Kopplers, ohne daß eine
manuelle Justierung notwendig ist.
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Vorteilhaft
sollte jedoch vorgesehen sein, daß der Abgleich von Zeit zu
Zeit wiederholt wird. Dies könnte
manuell nach bestimmten, in der Bedienungsanleitung vorgeschriebenen
Kriterien erfolgen oder der Abgleich könnte automatisch bei Vorliegen bestimmter
Betriebsbedingungen eingeleitet werden, beispielsweise wenn das
Gerät nach
völliger
Netztrennung wieder neu an das Netz angeschlossen wird, wenn ein
Abgleich einer in dem Gerät
vorgesehenen Lichtschranke erfolgt oder dgl.. Durch den automatischen
Abgleich werden nicht nur sämtliche
individuellen Eigenschaften des Motors oder anderer Bauteile berücksichtigt,
sondern auch die Änderung dieser
Charakteristika, beispielsweise das durchaus mögliche "Driften" eines Opto-Kopplers.
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Vorzugsweise
werden die Istwerte von der Netzspannungsseite aus mit einem Opto-Koppler
auf die mit Niederspannung betriebene Schutzschaltung übertragen.
Es ist ferner vorteilhaft, wenn diese Schutzschaltung digital arbeitet,
weil dann Speicherung und Vergleich von Ist- und Sollwerten besonders zuverlässig durchgeführt werden
kann.
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Als
Kriterium für
die Auslösung
und Basis für den
Istwert kann die Spannung am Kondensator eines Induktionsmotors
dienen. Ein solcher Induktionsmotor, der auch als Einphasen-Wechselstrommotor oder
-Asynchronmotor bezeichnet werden kann, enthält einen für seinen Betrieb notwendigen
Kondensator, der die an ihm anliegende Spannung belastungsabhängig ändert. Diese
kann daher als Istwert verwendet werden. Da sie ein Maß für die Belastung
ist, kann sie auch als Belastungsanzeige verwendet werden, ggf.
nach einer rechnerischen Umwandlung, wozu die digitalisierte Form
besonders geeignet ist.
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Die
Schutzschaltung kann bei einem Motor dieser Art, der an sich blockiersicher
ist, erfolgen, wenn die Blockierung nach Überschreiten des Motor-Kippmomentes
bereits eingetreten ist. Da die Kondensatorspannung bei Eintreten
der Blockierung noch knapp über
50 % der Nennspannung liegt, kann in besonders einfacher Weise der
Sollwert aus einem Istwert durch Halbierung bestimmt werden. Es
ist jedoch möglich,
den Motor auch schon bei Überschreitung
einer bestimmten vorgegebenen Last abzuschalten, andere Warneinrichtungen
auszulösen oder
beispielsweise eine Umschaltung in den Rückwärtslauf einzuleiten, wenn der
Sollwert auf einen anderen Bruchteil, beispielsweise 0,8 des beim
Abgleichen festgestellten Istwertes, festgelegt wird.
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Bei
dem Abgleichvorgang wird der Motor in der entsprechenden Laufrichtung
(z.B. Vorauslauf) ohne Last betrieben. Die Schutzschaltung kann
für den
Abgleichvorgang ein entsprechendes Programm enthalten, das z.B.
beim Anlegen der Netzspannung (Einstecken in die Steckdose) den
Abgleichvorgang in Gang setzt, indem sie den Motor einschaltet und die
Sollwertbestimmung vornimmt.
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Um
zu vermeiden, daß ein
eventueller Spannungsabfall am Kondensator oder eine andere Änderung
in der Stromversorgung während
des Anlaufens oder eine nur kurzfristige Unterschreitung der Spannung
bereits eine Auslösung
der Schutzschaltung veranlaßt,
ist es vorteilhaft, eine Zeitverzögerung einzubauen, die entweder
nach Einschaltung des Motors eine gewisse Zeitspanne bis zum ersten
Soll/Istwert-Vergleich abwartet oder auch nach Feststellung einer
Auslöse-Bedingung
eine gewisse Zeitspanne bis zur endgültigen Auslösung verstreichen läßt, beispielsweise
einen zweiten Vergleich vornimmt, bevor die Auslösung aktiviert wird.
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Zusätzlich zu
der Überwachung
aufgrund des Vergleiches des Istwertes mit einem abgeglichenen Sollwert
kann die Schutzschaltung so ausgebildet sein, daß die Auslösung auch dann erfolgt, wenn ein
festgelegter Istwert-Bereich, dessen Grenzen außerhalb des normalen Sollwert-Bereiches
liegt, über- oder
unterschritten wird. Hierdurch könnte
beispielsweise gleichzeitig überwacht
werden, wenn am Kondensator oder Motor ein Kurzschluß auftritt
oder das Gerät
mit einer Spannung betrieben werden soll, für die es nicht geeignet ist.
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Eine
bevorzugte digitale Einrichtung zum Abgleichen kann die meisten
der erforderlichen Bauteile bzw. Funktionselemente in einem Mikroprozessor enthalten.
Die Speicherung erfolgt vorzugsweise über einen nicht flüchtigen
Speicher (EEPROM) oder einen anderen Speicher, der seinen Speicherinhalt auch
nach Abschalten der Netzspannung behält. Dies kann durch eine besondere
Speicherbauart oder durch eine Pufferung geschehen.
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Besonders
bevorzugt kann die Einrichtung in eine Schalteinrichtung für den Motor
integriert werden, die mit einer Lichtschranke arbeitet und ebenfalls
eine digitale Abgleicheinrichtung enthalten kann. Eine solche Einrichtung
ist in der deutschen Patentanmeldung P 44 13 079.1 der Anmelderin
beschrieben. Auf sie wird hier ausdrücklich Bezug genommen.
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Es
wird also zum Abgleichen einer Schutzschaltung für den Elektromotor des Schneidwerks
eines Dokumentenvernichters die Spannung an dem zu dem Einphasen-Wechselstrommotor
gehörenden Kondensator
abgegriffen, über
einen Opto-Koppler in die mit Niederspannung arbeitende elektronische Schutzschaltung übertragen,
dort digitalisiert und während
des Betriebes in kurzen Zeitabständen
in einem Vergleicher mit einem in einem Speicher gespeicherten Sollwert
verglichen. Dieser wird aus einem Istwert z.B. durch Halbierung
ermittelt, wobei der Istwert in einem Leerlaufzustand des Motors
festgelegt wird.
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Die
Schutzschaltung paßt
sich dadurch selbsttätig
an sämtliche
bauliche Verhältnisse
und deren Änderung
an, insbesondere an unterschiedliche Spannungsversorgungs-Werte.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. In
den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Schutzschaltung mit Abgleich und
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2 ein
Diagramm Kondensatorspannung über
Drehmoment eines Einphasen-Induktionsmotors.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt
schematisch ein Schneidwerk 11 eines Dokumentenvernichters,
dessen Schneidwalzen 12 über ein Getriebe 13 von
einem Motor 14 angetrieben werden.
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Bei
dem Motor handelt es sich um einen Einphasen-Wechselstrommotor (Induktionsmotor),
der von Vorwärts-
auf Rückwärtslauf
umstellbar ist und dazu zwei Schalter 15, 16 aufweist,
die zwei verschiedene von einem Netzpol 17 kommende Zuleitungszweige 18, 19 für die Stromversorgung
des Motors schalten. In dem vom Motor zum anderen Netzpol 20 führenden
Stromversorgungszweig ist ein Relais 21 vorgesehen, das
den Motor abschalten kann.
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Zwischen
den beiden Zweigen 18, 19 ist ein Kondensator 22 vorgesehen,
der zum Motor 14 gehört
und dessen Anlaufverhalten bestimmt. Auf der einen Seite dieses
Kondensators, im vorliegenden Fall am Zweig 18, ist eine
Leitung 23 angeschlossen, die über einen Widerstand 24 einen
Opto-Koppler 25 anschließt. Dieser ist sekundärseitig
an eine Motorschutzschaltung 26 angeschlossen, die von
einem Netzteil 27 mit Niederspannung, beispielsweise 5 Volt,
versorgt wird. Sie enthält
einen Analog/Digital-Wandler 28, der den über den
Opto-Koppler von Netzspannung auf beispielsweise 5 Volt heruntergewandelten
analogen Spannungswert digitalisiert, beispielsweise in eine 8-BIT-Form,
so daß eine
Auflösung
von 254 Schritten zur Verfügung
steht. Der so digitalisierte Wert der Kondensatorspannung wird, wie
durch das Element 29 angedeutet ist, in einen Sollwert
verwandelt, indem z.B. der während
der Sollwert-Festlegung ermittelte Istwert der Kondensatorspannung
halbiert wird. Der so ermittelte Sollwert wird dann in einem Speicher 30,
beispielsweise einem EEPROM dauerhaft, jedoch überschreibbar abgespeichert.
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Die
Sollwert-Festlegung wird durch Steuermittel 31 gesteuert,
die, wie strichpunktiert angedeutet, mit der Motorschaltung insofern
in Verbindung stehen können,
als sie sicherstellen, daß beim
Abgleich, d.h. der Festlegung eines neuen Sollwertes, der Motor
in Betrieb ist. Auslöser
kann eine manuelle oder automatische Eingabe sein. Es ist auch möglich, den
Abgleich nur kundendienstseitig auslösbar zu machen. Bei der Festlegung
eines neuen Sollwertes wird der bisher abgespeicherte überschrieben.
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2 zeigt
die Abhängigkeit
der Spannung Uc am Kondensator von dem Drehmoment M. Es ist zu erkennen,
daß beim
Kippmoment Mk die Kondensatorspannung Uc etwas oberhalb der Hälfte der Kondensatorspannung
im Leerlauf (Drehmoment M = 0) liegt. Wenn also, wie mit der strichlierten
Linie angedeutet, der Sollwert auf die Hälfte der Leerlaufspannung am
Kondensator begrenzt wird, so wird stets zuverlässig bei Erreichen des Kippmomentes die
Auslösung
erfolgen.
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Während des
Betriebes des Aktenvernichters wird der Istwert der Kondensatorspannung
nach Digitalisierung im A/D-Wandler 28, durch einen Taktgeber 32 gesteuert,
einem Vergleicher 33 zugeführt, der diesen Wert mit dem
im Speicher 30 abgespeicherten Sollwert vergleicht. Bei
Gleichheit oder Unterschreitung des Sollwertes löst der Vergleicher über ein
Verzögerungsglied 34 ein
Ausgangssignal aus, das einen elektronischen Schalter 35 betätigt, der
wiederum das elektromechanische Relais 21 betätigen kann.
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Durch
den Taktgeber 32 wird der Vergleich kurzperiodisch in Abständen von
Bruchteilen von Sekunden bis zu einigen Sekunden wiederholt. Das
Verzögerungsglied 34 sorgt
dafür,
daß eine
nur kurzfristige Unterschreitung des Sollwertes, die beispielsweise
auch von einer Netzspannungsschwankung her rühren könnte oder beim Anlaufen des
Motors auftritt, nicht zu einem Ansprechen des Ausgangsschalters 35 führt. Eine
typische Verzögerungszeit könnten 0,3
Sekunden sein.
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Die
meisten der Bauelemente 28 bis 35 könnten in
einem Mikroprozessor gegenständlich oder
durch entsprechende Funktionen realisiert sein. Dabei kann es sich
um den gleichen Mikroprozessor handeln, der auch eine Lichtschrankenschaltung
zur Betätigung
der Schalter 15, 16 mit einem Abgleich für die Lichtschranke
beinhaltet und steuert. Der Speicher 30 kann auch zum gleichzeitigen
Ablegen eines Sollwertes für
den Lichtschranken-Abgleich ausgebildet sein.
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Eine
Rückstellung
nach erfolgter Abschaltung des Motors durch die Schutzschaltung
kann entweder automatisch nach einem gewissen Zeitablauf erfolgen
oder vorteilhaft nur durch bewußtes
Wiedereinschalten des Gerätes
durch den Benutzer möglich sein.
Dadurch wird vermieden, daß der
Motor ständige
Anlaufversuche bei fortbestehender Blockierung unternimmt. ES ist
auch möglich,
statt der Motorabschaltung eine Umschaltung auf Rückwärtslauf
vorzusehen.
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Es
kann auch zweckmäßig sein,
eine gleiche oder ähnliche
Schutzschaltung für
das Blockieren im Rückwärtslauf
vorzusehen. Die Schaltung kann dabei gleich ausgebildet sein, und
besonders bevorzugt können
dieselben Bauelemente verwendet werden. Lediglich die Leitung 23 ist
auf der anderen Seite des Kondensators anzuschließen, um
den dort auftretenden Spannungsabfall im Rückwärtslauf auswerten zu können.
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Die
im A/D-Wandler 28 digitalisierten Istwerte können in
einer Belastungsanzeige 36 angezeigt werden, die entweder
die Belastung digital in Prozenten anzeigen könnte oder gewisse Belastungsstufen durch
Leuchtdioden oder ähnliche
Anzeigemittel symbolisieren könnte.
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Das
beschriebene Verfahren und die Einrichtung ermöglichen durch die selbstanpassende
und feinfühlige
Motorsicherung eine optimale Schonung von Motor und Getriebe und
damit eine Auslegung an der rechnerischen Grenze ohne Befürchtung
von Überlastungsschäden. Obwohl
das bevorzugte Anwendungsgebiet der Induktions-Wechselstrommotor ist,
könnten
auch andere Motortypen entsprechend überwacht werden, wobei ggf.
andere Kriteria der Spannungsversorgung als Istwert verwendet werden könnten, beispielsweise
die Stromaufnahme bei einem Universalmotor oder andere Gegebenheiten.