NL2000144C2 - Schakelaar voor elektrisch handgereedschap met cumulatieve beveiligingsfunctie. - Google Patents

Description

Schakelaar voor elektrisch handgcreedschap met cumulatieve beveiligingsfunctie

De uitvinding betreft een schakelaar voor het beheersen van het aan een elektromotor van een elektrisch handgereedschap toe te voeren vermogen, omvattende een 5 voedingsaansluiting, een motoraansluiting, een tussen de motoraansluiting en de voedingsaansluiting geschakelde bestuurbare halfgeleider, een regelschakeling voor het besturen van de halfgeleider en een beveiligingsschakeling.

Dergelijke schakelaars zijn algemeen bekend. Hierbij is het doel van de 10 beveiligingsschakeling het beschermen van componenten van de schakelaar, zoals de halfgeleider of schakelaarcontacten tegen vernieling als gevolg van ongunstige werkomstandigheden, zoals een te grote stroom of een te hoge temperatuur. Dergelijke beveiligingsschakelingen zijn ingericht voor het meten van een dergelijke grootheid en voor het afgeven van een signaal wanneer deze grootheid een vooraf bepaalde waarde 15 overschrijdt. Hiermede kan in veel gevallen een adequate bescherming worden verkregen . In omstandigheden waarbij overmatige slijtage of schade aan een component of het vernielen van een component mede afhankelijk is van de gebeurtenissen in de recente geschiedenis van de component, werkt een dergelijke beveiligingsschakeling onvoldoende snel om dergelijke ongewenste situaties te 20 voorkomen. De onderhavige uitvinding poogt een beveiligingsschakeling te verschaffen die deze nadelen vermijdt.

Dit doel wordt bereikt door een dergelijke schakeling die is voorzien een cumulatieschakeling omvat die is ingericht voor het herhaaldelijk meten van een in de 25 schakelaar of in zijn omgeving heersende grootheid, het aan de gemeten waarde van de grootheid toekennen van een telwaarde, het cumuleren van de telwaarden en het afgeven van een signaal wanneer de gecumuleerde telwaarde een vooraf bepaalde waarde bereikt.

30 Als gevolg van deze maatregelen wordt de voorgeschiedenis van een component meegenomen in de beoordeling of er sprake is van een de kwaliteit van deze component bedreigende situatie.

Hierbij is deze maatregel niet alleen toepasbaar op de tot de schakelaar zelf behorende componenten zoals de halfgeleider, maar ook op direct met de schakelaar verbonden 2 componenten zoals de elektromotor of - bij een door een batterij gevoed elektrisch gereedschap - de batterij. Juist bij batterijen speelt de recente geschiedenis een belangrijke rol bij de bewaking van de kwaliteit.

5 Hierbij wordt opgemerkt dat de uitvinding zowel toepasbaar is bij door het net gevoed wisselstroomgereedschap als bij door batterijen gevoed gelijkstroomgereedschap.

Overigens betreft de uitvinding tevens een desbetreffende werkwijze en een elektrisch gereedschap dat van een schakelaar volgens de uitvinding is voorzien.

10

Volgens een eerste uitvoeringsvorm is de telwaarde gelijk aan een vaste positieve waarde wanneer het gemeten signaal groter is dan een eerste vooraf bepaalde waarde van de gemeten grootheid en is de telwaarde gelijk aan een vaste negatieve waarde wanneer de gemeten waarde kleiner is dan de eerste vooraf bepaalde waarde van de 15 gemeten grootheid. Dit is een constructief eenvoudige uitvoeringsvorm, die lage eisen stelt aan de schakelingen of, wanneer deze functie wordt geïmplementeerd in een programmeerbaar rekentuig zoals een microprocessor, aan het rekentuig of aan de programmatuur, zodat de kostprijs van een dergelijk schakeling laag is.

20 Weer een andere voorkeursuitvoeringsvorm verschaft de maatregel dat de telwaarde gelijk is aan een vaste positieve waarde wanneer het gemeten signaal groter is dan een eerste vooraf bepaalde waarde van de gemeten grootheid, dat de telwaarde gelijk is aan een vaste negatieve waarde wanneer de gemeten waarde kleiner is dan een tweede vooraf bepaalde waarde van de gemeten grootheid en dat de telwaarde nul is wanneer 25 het gemeten signaal tussen de eerste en de tweede telwaarde ligt. Hiermede wordt een model verkregen dat iets nauwkeuriger is dan het voorgaande, maar waarbij nauwelijks hogere eisen worden gesteld aan de benodigde middelen.

Een iets specifiekere uitvoeringsvorm verschaft de maatregel dat de absolute waarde 30 van de positieve en de negatieve telwaarde aan elkaar gelijk zijn. Dit brengt nog een sterkere vereenvoudiging met zich mee.

Een alternatieve uitvoeringsvorm verschaft de maatregel dat de absolute waarde van de positieve telwaarde groter is dan die van de negatieve telwaarde. Met deze maatregel 3 kunnen specifieke eigenschappen van de te beveiligen component of componenten in model worden gebracht. Een voorbeeld hiervan is de temperatuur van een component. Een bepaalde stroomsterkte verwarmt een component met een bepaalde snelheid oftewel een bepaalde temperatuutoename. Wanneer er geen stroom loopt zal de 5 component afkoelen met een snelheid die door omgevingsomstandigheden wordt bepaald. Veelal zijn deze omstandigheden zodanig dat de snelheid waarmee de temperatuur daalt kleiner is dan die waarbij de temperatuur stijgt met de bepaalde stroom. De betreffende maatregel verwerkt dit verschijnsel.

10 Het is echter eveneens mogelijk dat de absolute waarde van de positieve telwaarde kleiner is dan die van de negatieve telwaarde. Met deze maatregel kan rekening worden gehouden met situaties waarin de te beveiligen component of componenten zich bevinden.

15 Voortgaande op het voorgaande voorbeeld, zal de temperatuur van een component sneller stijgen bij een grote stroom dan bij een kleine stroom. Dit effect wordt verdisconteerd met een maatregel dat de telwaarde gelijk is aan het verschil tussen de gemeten waarde en een vooraf bepaalde waarde van de gemeten grootheid. Hiermede wordt immers de telwaarde en daarmede de helling van de cumulatieve waarde 20 afhankelijk van de meetwaarde.

Weer een andere uitvoeringsvorm verschaft de maatregel dat de schakelaar is ingericht voor het met een vaste tussentijd uitvoeren van een meting. Ook deze maatregel vereenvoudigt de benodigde schakeling, zowel wanneer deze uit specifieke 25 componenten wordt samengesteld als wanneer de fimctie ervan in een microprocessor wordt geïmplementeerd.

Als alternatief stelt een andere uitvoeringsvorm voor dat de schakelaar is ingericht voor het na een meting uitvoeren van de direct volgende meting wanneer een van de tijdens 30 de eerste meting gemeten waarde afhankelijke tijdsduur is verstreken. Hiermede wordt de modelvorming wel verbeterd omdat de helling van de cumulatieve waarde immers afhankelijk is van de grootte van de gemeten grootheid, maar de wisselende meetfrequentie vereist meer elektronica.

4

Volgens een specifiekere uitvoeringsvorm is de tijdsduur tussen een meting en de direct volgende meting evenredig met de tijdens de eerste meting gemeten waarde. Ook deze maatregel leidt tot een verbeterde modelvorming.

5 Om te voorkomen dat een betekenisloze negatieve cumulatie plaatsvindt is de schakelaar ingericht voor het slechts verlagen van de cumulatieve waarde bij een negatieve telwaarde wanneer de cumulatieve waarde groter is dan 0.

Er is in de omgeving van een schakelaar een aantal meetbare grootheden aanwezig die 10 als indicator kunnen worden gebruikt voor het naderen van een situatie die de kwaliteit van een component van de schakelaar of van een daarmede verbonden component kan benadelen. Hierbij kan een stroomsterkte worden gebruikt, in het bijzonder de door de halfgeleider van de schakelaar heen vloeiende stroom of de in het algemeen hiermede overeenkomende motorstroom. Deze stroom leidt immers tot warmteontwikkeling in de 15 halfgeleider, die tot een de levensduur van de halfgeleider verkortende temperatuur kan leiden. Bij een door een batterij gevoed gereedschap is het eveneens mogelijk dat de batterij stroom wordt gemeten. Deze batterijstroom is immers een grootheid die van het grootste belang is voor de toestand van de batterij en voor de kwaliteit ervan. Dit geldt in het bijzonder doch niet uitsluitend voor Li-ion batterijen. Bij batterijen kan de 20 cumulatieve stroomwaarde bovendien worden gebruikt voor het maken van een model van de ladingstoestand van de batterij hetgeen van belang kan zijn bij optimalisatie van het bedrijven van de batterij.

Het is echter eveneens mogelijk gebruik te maken van de temperatuur als grootheid.

25 Een voor de toestand van de halfgeleider relevante temperatuur is de temperatuur van het halfgeleiderkristal. Dit is echter slecht bereikbaar voor temperatuurmetingen. Door de temperatuur elders, bijvoorbeeld van een met het halfgeleiderkristal verbonden koelplaat te meten en gebruik te maken van cumulatieve meting volgens de uitvinding kan een goede schatting worden verkregen van de temperatuur van het kristal zodat 30 tijdig het vermogen kan worden verminder of de schakelaar kan worden uitgeschakeld. Een desbetreffende overweging geldt van de temperatuur van de batterij met betrekking tot de temperatuur van de cellen. Het is overigens mogelijk andere grootheden te meten, zoals de elektrische spanning of de relatieve vochtigheid binnen het schakelaarhuis.

5

Een belangrijke voorwaarde voor het verlengen van de levensduur van de motor is de motortemperatuur. Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm is de gemeten grootheid de temperatuur van de met de schakelaar verbonden elektromotor. Hierbij wordt erop gewezen dat de schakelaar volgens de uitvinding aldus niet alleen is ingericht voor het 5 beveiligen van tot de schakelaar zelf behorende componenten, maar ook componenten buiten de schakelaar, zoals de elektromotor, de batterij, contacten of een verwarmingselement

De maatregelen die worden genomen wanneer de cumulatieve telwaarde een vooraf 10 bepaalde waarde heeft bereikt, kunnen zijn beperkt tot het slechts afgeven van een waarschuwingssignaal, maar ook kan de bedrijfssituatie worden aangepast tot een toestand waarin de belasting wordt verminderd. Ook is het mogelijk de schakelaar uit te schakelen.

15 Een interessante maatregel is het instellen van meer dan een niveau, waarbij op de verschillende niveaus verschillende maatregelen worden getroffen. Zo is het mogelijk bijvoorbeeld bij het bereiken van een eerste niveau van de cumulatieve telwaarde het vermogen van de schakelaar te verminderen en bij het bereiken van het tweede niveau van de cumulatieve telwaarde de schakelaar uit te schakelen. Hierbij fungeren de 20 maatregelen bij het tweede niveau als een soort beveiliging.

Vervolgens zal de onderhavige uitvinding worden toegelicht aan de hand van de bijgaande tekeningen waarin voorstellen:

Figuur 1: een hoofdstroomschema van een elektrisch gereedschap met een schakelaar 25 volgens een eerste uitvoeringsvorm;

Figuur 2: een hoofdstroomschema van een elektrisch gereedschap met een schakelaar volgens een tweede uitvoeringsvorm;

Figuur 3: een schema ter verduidelijking van de werking van de schakelaar volgens de uitvinding; 30 Figuur 4: een met figuur 3 overeenkomend schema van een variant van de uitvinding; en

Figuur 5: een met figuur 3 en 4 overeenkomend schema van een andere variant van de uitvinding.

6

Figuur 1 toont een schakeling van een elektrisch handgereedschap zoals een boormachine. De schakeling omvat een in zijn geheel met 2 aangeduide schakelaar een aansluiting 3 voor netvoeding en een elektromotor 4. De schakelaar 2 omvat een halfgeleiderelement 5 zoals een thyristor en een mechanische schakelaar 6. De 5 elektromotor 4, dit halfgeleiderschakelelement 5 de mechanische schakelaar 6 en de netvoedingaansluiting zijn in serie geschakeld op de wijze van een tot de stand van de techniek behorende schakelaar. Tevens omvat de schakelaar 2 een besturingsschakeling 7. De tot nu toe beschreven delen van de schakelaar behoren tot de stand van de techniek.

10

De uitvinding vóórziet in het aanbrengen van een stroommeetelement 8, bijvoorbeeld in de vorm van een weerstand met een lage Ohmse waarde en een cumulatieschakeling 9. De cumulatieschakeling 9 is ingericht voor het herhaaldelijk uitvoeren van een meting van de door het stroommeetelement 8 heen vloeiende stroom; anders gesteld voor het 15 bemonsteren van deze stroom. Deze aldus verkregen monsterwaarde wordt door de cumulatieschakeling 9 vervolgens omgezet tot een telwaarde, waarvoor later toe te lichten algoritmen kunnen worden gebruikt. De aldus verkregen telwaarden worden gecumuleerd in de cumulatieschakeling 9 en bij het bereiken van een van te voren bepaalde cumulatiewaarde geeft de cumulatieschakeling 9 een signaal af aan de 20 besturingsschakeling 7 dat wordt gebruikt voor bijvoorbeeld het uitschakelen van de schakelaar of voor het zodanig besturen van de halfgeleider 5 dat de door de halfgeleider heen vloeiende stroom wordt verminderd. Andere handelingen worden overigens niet uitgesloten.

25 Terzijde wordt opgemerkt dat de meting een periodiek plaatsvindende handeling is. Hierbij moet wel rekening worden gehouden met de periodiciteit van de schakelhandelingen van de thyristor, die is gekoppeld met de frequentie van het voedingsnet om te voorkomen dat een synchronisatie ontstaat die de bemonstering zou vertoren als gevolg van een steeds op dezelfde fase plaatsvindende meting.

30

Bovenstaande uitvoeringsvorm heeft betrekking op een door een net gevoed gereedschap, waarbij de cumulatieschakeling is ingericht voor het meten van de door de halfgeleider en de motor heen vloeiende stroom. In figuur 2 is een uitvoeringsvorm getoond, die is ingericht voor voeding door een oplaadbare batterij waarbij voorts de in 7 plaats van een stroom de temperatuur wordt gemeten. De desbetreffende schakeling omvat dan ook een batterijeenheid 10, waarin een aantal batterij cellen 11 is opgenomen, evenals een temperatuursensor 12 voor de meten van de temperatuur van de cellen 11. Ook bij deze uitvoeringsvorm is de cumulatieschakeling ingericht voor het uitvoeren 5 van een algoritme dat vervolgens zal worden toegelicht. Bij deze schakeling speelt weliswaar de netfrequentie geen rol, maar wel de schakelfirequentie van de halfgeleider 4, bijvoorbeeld een GTO of een FET.

De werking van de cumulatieschakeling 9 in beide in het voorgaande toegelichte 10 schakeling zal worden besproken aan de hand van figuur 3. Hierbij is in figuur 3A een grafiek weergeven van de gemeten stroom. De betreffende stroom wordt periodiek gemeten, of eigenlijk bemonsterd, en de aldus verkregen monsterwaarde wordt omgezet in een telwaarde, zoals in figuur 3B is getoond. Deze telwaarde wordt in het onderhavige geval afgeleid van de meetwaarde door gebruikmaking van de in figuur 3 A 15 weergegeven referentiestroomwaarde. Wanneer de gemeten stroom groter is dan de referentiestroomwaarde wordt een positieve telwaarde toegekend, en wanneer de gemeten stroom kleiner is dan deze referentiestroomwaarde wordt een negatieve telwaarde toegekend. In het onderhavige geval is de absolute waarde van de positieve en de negatieve telwaarde gelijk. De aldus gevormde telwaarden worden gecumuleerd, 20 zoals is weergegeven in figuur 3C. Hierbij gaat men uit dat de cumulatiewaarde een maat is voor een voor de halfgeleider nadelige toestand, in het onderhavige geval de temperatuur van de halfgeleider, zoals deze wordt veroorzaakt door de door de halfgeleider heen vloeiende stroom. Wanneer de cumulatiewaarde een vooraf bepaalde waarde bereikt, vindt, zoals reeds is toegelicht een handeling plaats zoals het 25 uitschakelen van de schakelaar.

Deze uitvoeringsvorm maakt gebruik van een vaste bemonsterfrequentie; het is echter eveneens mogelijk gebruik te maken van een variabele bemonsterfrequentie, bijvoorbeeld een van de gemeten waarde afhankelijke bemonsterfrequentie. In een 30 dergelijke situatie is de tijdsduur tussen de meting en de volgende meting afhankelijk van de gemeten waarde. Hierbij zal men er in het algemeen voor kiezen dat de tijdsuur tot de volgende meting korter is naarmate de gemeten waarde extremer is, hetgeen immers een aanwijzing is voor dynamiek.

8

In figuur 4 is een uitvoeringsvorm getoond, waarbij de telwaarde niet alleen een positieve of een negatieve waarde aan kan nemen maar ook de waarde nul. In sommige situaties kan hiermede een betere afbeelding van de verschijnselen worden verkregen.

5 In figuur 5 is tenslotte een uitvoeringsvorm weergegeven waarbij sprake is van een variabele bemonstering; wanneer de gemeten waarde een vooraf bepaalde waarde overschrijdt, wordt de tijdsduur tussen de bemonsteringen gehalveerd.

Het zal duidelijk zijn dat er talloze andere mogelijkheden zijn voor door de 10 cumulatieschakeling uitgevoerd algoritmen, mede afhankelijk van de toepassing en het dynamisch gedrag van het te beveiligen verschijnsel.

Claims (19)

1. Schakelaar voor het beheersen van het aan een elektromotor van een elektrisch handgereedschap toe te voeren vermogen, omvattende: 5. een voedingsaansluiting; - een motoraansluiting; - een tussen de motoraansluiting en de voedingsaansluiting geschakelde bestuurbare halfgeleider; - een regelschakeling voor het besturen van de halfgeleider; en 10. een beveiligingsschakeling, met het kenmerk, dat de schakelaar een cumulatieschakeling omvat die is ingericht voor: - het herhaaldelijk meten van een in de schakelaar of in zijn omgeving heersende grootheid; 15. het aan de gemeten waarde van de grootheid toekennen van een telwaarde; - het cumuleren van de telwaarden; en - het afgeven van een signaal wanneer de gecumuleerde telwaarde een vooraf bepaalde waarde bereikt.

2. Schakelaar volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de telwaarde gelijk is aan een vaste positieve waarde wanneer het gemeten signaal groter is dan een eerste vooraf bepaalde waarde van de gemeten grootheid en dat de telwaarde gelijk is aan een vaste negatieve waarde wanneer de gemeten waarde kleiner is dan de eerste vooraf bepaalde waarde van de gemeten grootheid. 25

3. Schakelaar volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de telwaarde gelijk is aan een vaste positieve waarde wanneer het gemeten signaal groter is dan een eerste vooraf bepaalde waarde van de gemeten grootheid, dat de telwaarde gelijk is aan een vaste negatieve waarde wanneer de gemeten waarde kleiner is dan een tweede vooraf 30 bepaalde waarde van de gemeten grootheid en dat de telwaarde nul is wanneer het gemeten signaal tussen de eerste en de tweede telwaarde ligt.

4. Schakelaar volgens conclusie 2 of 3, met het kenmerk, dat de absolute waarde van de positieve en de negatieve telwaarde aan elkaar gelijk zijn. S. Schakelaar volgens conclusie 2 of 3, met het kenmerk, dat de absolute waarde van de positieve telwaarde groter is dan die van de negatieve telwaarde.

6. Schakelaar volgens conclusie 2 of 3, met het kenmerk, dat de absolute waarde van de positieve telwaarde kleiner is dan die van de negatieve telwaarde.

7. Schakelaar volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de telwaarde gelijk is aan het verschil tussen de gemeten waarde en een voorafbepaalde waarde van de 10 gemeten grootheid.

8. Schakelaar volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de schakelaar is ingericht voor het met een vaste tussentijd uitvoeren van een meting.

9. Schakelaar volgens een van de conclusies 1-7, met het kenmerk, dat de schakelaar is ingericht voor het na een meting uitvoeren van de direct volgende meting wanneer een van de tijdens de eerste meting gemeten waarde afhankelijke tijdsduur is verstreken.

10. Schakelaar volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de tijdsduur tussen een meting en de direct volgende meting evenredig is met de tijdens de eerste meting gemeten waarde.

11. Schakelaar volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat 25 de schakelaar is ingericht voor het slechts verlagen van de cumulatieve waarde bij een negatieve telwaarde wanneer de cumulatieve waarde groter is dan 0.

12. Schakelaar volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de gemeten grootheid een stroomsterkte binnen de schakelaar is. 30

13. Schakelaar volgens een van de conclusies 1-11, met het kenmerk, dat de gemeten grootheid een binnen de schakelaar heersende temperatuur is.

14. Schakelaar volgens een van de conclusies 1-11, met het kenmerk, dat de gemeten grootheid de temperatuur van een met de schakelaar verbonden batterij is.

15. Schakelaar volgens een van de conclusies 1-11, met het kenmerk, dat de 5 gemeten grootheid de temperatuur van de met de schakelaar verbonden elektromotor is.

16. Schakelaar volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de schakelaar is ingericht voor het bij een eerste cumulatieve telwaarde afgegeven signaal verminderen van het door de schakelaar aan de elektromotor toe te voeren 10 vermogen.

17. Schakelaar volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de schakelaar is ingericht voor het bij een tweede cumulatieve telwaarde afgegeven signaal uitschakelen van de schakelaar. 15

18. Combinatie van een schakelaar volgens conclusie 14 en een batterij.

19. Elektrisch handgeieedschap, gekenmerkt door een schakelaar volgens een van de voorafgaande conclusies. 20

20. Werkwijze voor het bedrijven van een schakelaar voor het beheersen van het aan een elektromotor van een elektrisch handgereedschap toe te voeren vermogen, waarbij de werkwijze de volgende stappen omvat: — het herhaaldelijk meten van een in de schakelaar of in zijn omgeving 25 heersende grootheid; — het aan de gemeten waarde van de grootheid toekennen van een telwaarde; — het cumuleren van de tel waarden; en — het afgeven van een signaal wanneer de gecumuleerde telwaarde een vooraf bepaalde waarde bereikt. 30