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Einrichtung zum Schutz von elektrischen Geräten gegen Über-
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belastung Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Schutz von elektrischen
Geräten und Einrichtungen gegen Überbelastung, mit wenigstens einem im Hauptstrompfad
liegenden, auf den Überlaststrom ansprechenden Meßelement, dessen Ausgangssignal
einer optischen und/oder einer akustischen Anzeige und/oder einer Schalteinrichtung
zur Abschaltung des Hauptstrompfades zugeführt wird.
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Elektrische Geräte, beispielsweise mittels eines Elektromotors angetriebene
Geräte wie Bohrmaschinen und dergleichen, oder Heizgeräte können denjenigen, der
das Gerät bedient oder die Heizeinrichtung benutzt, oder beispielsweise bei einer
Bohrmaschine das zu bearbeitende Objekt oder das Werkzeug gefährden
und
beschädigen, wenn eine Überlast auftritt, die bei längerer Dauer eine so hohe Temperaturentwicklung
bewirkt, daß z.B. die Isolation einer Wicklung unzulässig erwärmt wird oder gar
durchbrennt. Aus diesem Grunde müssen Einrichtungen vorgesehen werden, die demjenigen,
der das Gerät betätigt, anzeigen, ob eine Überlast auftritt oder ob z.B. der Motor
über seine zulässige Belastung hinaus beansprucht ist, oder die den Motor ganz abschalten,
wenn die zulässige Grenztemperatur einer Wicklung erreicht ist.
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Eine ähnliche Einrichtung ist in der DE-OS 2 445 948 bekanntgeworden.
Dort ist.in der Ständerwicklung des Elektromotors einer Handbohrmaschine ein Temperaturfühler
eingebaut, der eine Glimmlampe ansteuert. Als Temperaturfühler ist in der Ständerwicklung
ein PTC-Widerstand vorgesehen. Das Problem hierbei besteht darin, daß die in der
DE-OS 2 445 948 beschriebene Warneinrichtung erst dann ein Signal abgibt, wenn die
Grenztemperatur tatsächlich erreicht ist. Eine unter bestimmten Voraussetzungen
auftretende "Nachheizung", also eine weitere Erhitzung der Ständerwicklung nach
Aufleuchten der Blinklichtanzeige kann dennoch zu einer Überbelastung und damit
Beschädigung der Wicklung führen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung der eingangs genannten
Art zu schaffen, bei der die Anzeige direkt in Abhängigkeit von dem durch die Überlast
entstehenden Strom erfolgt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das wenigstens
eine Meßelement als ein temperaturabhängiger Widerstand ausgebildet ist, dessen
Widerstandswert mit steigendem Strom schnell ansteigt und zu welchem das Anzeigegerät
parallelgeschaltet ist.
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Während bei der DE-OS 2 445 948 ein eigener Stromkreis für den PTC-Widerstand
vorgesehen ist, wobei nicht der Überlast-
strom als solcher erfaßt
wird, sondern die durch den Überlaststrom mittelbar hervorgerufene Temperaturänderung
in der Wicklung, ist erfindungsgemäß eine Einrichtung geschaffen worden, bei der
direkt und unmittelbar der Überlaststrom erfaßt und zur Anzeige gebracht wird.
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Es besteht die Möglichkeit, anstatt einer Anzeigelampe auch eine akustische
Anzeige vorzusehen, darüberhinaus ist auch die Möglichkeit gegeben, parallel zu
den Meßwiderständen ein Relais vorzusehen, welches einen Kontakt im Hauptstrompfad
öffnet.
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Man kann nun die Einrichtung noch weiter verbessern, indem man nicht
nur den tatsächlichen Überstrom mißt und hieraus eine Anzeige ableitet, sondern
indem man zusätzlich in eine Ständerwicklung einen NTC-Widerstand (aiso einen Widerstand,
bei dem der Widerstandswert mit steigender Temperatur abfällt) einbaut, um auf diese
Weise einen optimalen Schutz zu erzielen.
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Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung erhält man eine optische und/oder
akustische Signalgebung bei Überschreiten eines bestimmten Stromes. Dadurch wird
der Betreiber eines elektrisch angetriebenen Gerätes davor gewarnt, daß bei anhaltender
und weiterer Belastung eine Gefährdung eintreten kann, z.B. durch ein abfallendes
Drehmoment eines Motors und damit ein mögliches Verhaken in einem zu fräsenden wertvollen
Werkstück.
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Mit der optischen und/oder akustischen Signaleinrichtung soll der
Betreiber vor dem Abschalten eine Warnung bekommen und dadurch die Möglichkeit haben,
die Banspruchung zu verringern.
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Neben dem Einfluß der Überlast auf das Drehmoment kann die Überlast
natürlich auch einen Einfluß auf die Erwärmung z.B. einer Motorwicklung haben. Auch
hierfür ist dann die Signaleinrichtung ausgelegt.
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Wenn die durch optische und/oder akustische Signalgebung er-
folgende
Warnung nicht beachtet wird, dann kann aufgrund des Relais der Kontakt im Hauptstrompfad
geöffnet werden, so daß das Gerät vor einer endgültigen Zerstörung abgeschaltet
wird.
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Die Einrichtung kann insoweit verbessert werden, als parallel zu dem
im Hauptstrompfad befindlichen Meßelement (spannungsabhängiger Widerstand) und in
Reihe mit der Anzeigelampe und dem Auslöserelais ein weiterer, als temperaturabhängiger
Widerstand ausgebildetes Meßelement geschaltet ist, welches mit der Motorwicklung
in thermischem Kontakt steht und so ausgelegt ist, daß es bei Erhöhung des Stromes
und somit die Erhöhung der Temperatur seinen Widerstandswert sprunghaft verringert
(NTC-Widerstand), so daß der Ansprechstrom für das Relais erreicht wird.
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Mit dieser Anordnung wird erreicht, daß eine Signalabgabe und/oder
eine Abschaltung durch den fließenden Überlaststrom und die in einer Wicklung auftretende
Erwärmung bewirkt werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung
sind den übrigen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Anhand der Zeichnung, in der einige Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
und Verbesserungen und weitere Vorteile näher erläutert werden.
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Es zeigen Figuren 1 bis 4 vier Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung und Figuren 5 bis 7 Strom-Zeit-Integral abhängige Spannungs-bzw.
Widerstandsdiagramme zu den Figuren 1 bis 3.
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In der Figur 1 ist mit 10 ein Elektromotor (auch mit M bezeichnet)
dargestellt, der in einem Hauptleitungsstrompfad 12 liegt und der über Klemmen 14
und 16 mit Strom versorgt wird.
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Dieser Motor 10 kann beispielsweise ein Bohrmaschinenantriebsmotor
sein, wie er in der DE-OS 2 445 948 dargestellt ist. Im Hauptstrompfad liegt ein
PTC-Widerstand 18, also ein temperaturabhängiger Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten,
dessen Widerstandwert sich bei steigender Temperatur erhöht.
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Parallel zu dem PTC-Widerstand ist eine Anzeigelampe 20 geschaltet.
Als eine derartige Anzeigelampe kann beispielsweise eine Leuchtdiode vorgesehen
sein. Günstig ist es, wenn man als PTC-Widerstand einen niederohmigen Kaltleiter
aus V203-Keramik verwendet, da dieser im Dauerbetrieb so niederohmig dimensioniert
werden kann, daß die durch den Dauerstrom (1 a> und den Kalt-2 widerstand (RK)
gebildete Verlustleistung (1 2 x RK> unbedeutend bleibt.
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Es sei nun angenommen, daß die Leuchtdiode eine Betriebsspannung von
1,6 Volt benötigt. Liegt ein in der Polarität alternierender' Strom vor, so ist
zusätzlich noch eine Gleichrichterdiode mit einer Sperrspannung von 1,0 Volt erforderlich
(die Diode ist in der Zeichnung Figur 1 nicht eingetragen), so daß ein Spannungsabfall
von mindestens 2,6 Volt notwendig ist, um bei Überlast die Diode aufleuchten zu
lassen. Beträgt der Betriebsstrom des Motors z. B. 2,0 Amp.
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und soll die optische Warnung bei 10 % Überlast erfolgen, so muß der
Kaltleiter einen Warmwiderstand von 2,6 Volt dividiert durch 2,2 Amp. = 1,2 Ohm
erreichen. Setzt man für den Kaltleiter einen Überhöhungsfaktor von 10 voraus, so
muß der Kaltwiderstand 0,12 Ohm sein. Wie schon erwähnt, können mit Kaltleitern
aus V203-Keramik diese Daten realisiert werden. Es ist auch eine Dimensionierung
möglich, mit der ein Spannungsabfall von ca. 5,0 Volt am PTC-Widerstand 18 erreicht
wird. Dies kann man dann durch einen einzigen Widerstand erzielen oder dadurch,
daß man eine Schaltungs-
anordnung gemäß der Figur 2 verwendet.
Man erkennt den Motor 10, den ersten PTC-Widerstand 18 und einen in Reihe damit
liegenden zweiten PTC-Widerstand 22. Parallel zu dem ersten PTC-Widerstand 18 liegt
die Lampe 20 und parallel zu der Parallelschaltung Lampe 20 Widerstand 18 und dem
damit in Reihe liegenden Widerstand 22 ist ein akustisch signalgebendes Gerät 24
geschaltet; durch die beiden PTC-Widerstände 18 und 20 kann auch die für die Betätigung
des signalgebenen Gerätes 24 erforderliche Spannung erst erreicht werden, nachdem
die Lampe 20 schon aufgeleuchtet ist.
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Die Spannungs-Widerstandsverhältnisse über der Temperatur bzw. über
die durch den Strom aufgenommene Wärmeenergie 1 2T ist in den Figuren 5 und 6 dargestellt.
In der Figur 5, die die Schaltungsanordnung nach Figur 1 darstellt bzw. sich auf
diese bezieht, besitzt der Widerstand 18 die Kennlinie A mit der "Sprungtemperatur"
bei B und dem dabei erreichten Widerstandswert R. In der Figur 6 sind die beiden
Kurven für die beiden Widerstandswerte 18 und 22 angegeben; es sind dies die Kurven
A und C und die Kombination bzw. Addition dieser beiden Kurven ist strichliert mit
D dargestellt. Man erkennt, daß die für den akustischen Signalgeber zur Verfügung
stehende Spannung höher ist als die an den Widerständen 18 und 22 abzugreifenden
Spannungen.
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Die Figur 3 zeigt nun insgesamt drei PTC-Widerstände in Reihe.
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Es sind dies die Widerstände 18, 22 und 26. Parallel zum Widerstand
18 befindet sich die Lampe 20, dazu und zum Widerstand 22 parallel der Signalgeber
24 und dazu und dem Widerstand 26 parallel ein Relais 28, welches auf ein Kontaktsystem
30 über eine strichliert dargestellte Wirkungsstrecke 32 einwirkt.
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Die entsprechende Spannungs-Widerstands-I2T-Kurve ist in der Figur
7 dargestellt. Man erkennt die Spannungswärmekurve A des Widerstandes 18, C des
Widerstandes 22 und E des Widerstandes 26. Der gesamte Widerstand ist dann mit F
bezeichnet.
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Die Hintereinanderanordnung ist nun so, daß erst die optische und/oder
akustische Signalgebung erfolgt und danach eine Abschaltung über das Relais 28.
In entsprechender Weise sind die drei Widerstände 18, 20 und 26 auszulegen. Mit
einer so aufgebauten Einrichtung kann bei praktisch unverminderter Leistung des
Gerätes eine Warnung für die Bedienenden so früh gegeben werden, daß weder das Gerät
also der Motor M bzw. 10 noch das angetriebene Werkzeug (z. B. ein Sägeblatt oder
ein Bohrer) noch das zu bearbeitende Werkstück (Edelholz) durch Nichtabschalten
oder durch plötzliches Abschalten gefährdet bzw. beschädigt wird. In der Figur 4
ist eine weitere Ausgestaltung der Erfindung dargestellt. Man erkennt wiederum den
PTC-Widerstand 18 und den Motor 1O sowie die Kontakteinrichtung 30. Parallel zu
dem Widerstand 18 liegt die Lampe 20 und in Reihe mit der Lampe 20 ein im Motor
10 angeordneter NTC-Widerstand 34 und damit in Reihe das Relais 28, welches über
die Wirklinie 32 den Kontakt 30 betätigt. Der NTC-Widerstand kann entweder direkt
in der Ständerwicklung des Motors oder an einer anderen Stelle angeordnet werden;
es ist lediglich erforderlich, daß eine optimale thermische Verbindung zwischen
dem NTC-Widerstand 34 und dem betreffenden gefährdeten Motorbauteil erreicht ist.
Der PTC-Widerstand 18 und der NTC-Widerstand 34 werden so dimensioniert, daß die
Spannung an der Lampe 20 so hoch wird, daß diese bei etwa einer 10eigen Überlast
aufleuchtet. Bei einer weiteren Überlast nach Erreichen der Grenztemperatur in der
Wicklung des Motors 10 wird der Widerstandwert des NTC-Widerstandes 34 so niedrig,
daß der dann durch den Parallel zweig fließende Strom zum Anziehen des Relais 28
ausreicht und über die Wirkungslinie 32 den Kontakt 30 öffnet. Es besteht selbstverständlich
die Möglichkeit, diese
Anordnung auch dann vorzusehen, wenn ein
mehrphasiger Drehstromamschluß vorliegt. In diesem Falle wird für jede einzelne
Phase eine identische oder gleiche Schaltung benutzt. Mit der erfindungsgemäßen
Ausgestaltung kann man somit nicht nur über den PTC-Widerstand den tatsächlich fließenden
Strom überwachen; man kann auch eine Überwachung dadurch erreichen, daß man eine
Erhitzung des PTC-Widerstandes durch die Umgebungstemperatur ermöglicht (in ähnlicher
Ausgestaltung wie dies bei der DE-OS 2 445 948 der Fall ist, oder wie es in der
Figur 4 der vorliegenden Anmeldung dargestellt ist).
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Mit der Einrichtung nach der Figur 1 wird lediglich eine optische
Anzeige erreicht, wogegen in der Fig. 2 gleichzeitig auch eine akustische Signalisierung
eines Überlastbereiches bewirkt wird. Wenn die Warnanzeige nicht beachtet wird und
damit der Überlaststrom ansteigt, dann schaltet das Relais aus, wie es in der Fig.
3 dargestellt wird. In der Anordnung nach der Fig. 4 wird insoweit ein Vorteil erreicht,
als eine Signalgabe und eine Abschaltung durch den fließenden Überlaststrom und
die in einer Wicklung auftretende Erwärmung bewirkt werden.
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Die Wirkungsweise der Einrichtung nach den Figuren 1 bis 3 soll nochmals
erläutert werden: Wenn beispielsweise der Überlaststrom um einen Betrag von 10 %
ansteigt, dann wird der Widerstandwert des Widerstandes 18 schnell ansteigen, wodurch
ein Spannungsabfall bewirkt wird, der einen Strom durch die Lampe 20 treibt, so
daß diese aufleuchten kann. Wenn, wie in der Figur 2 dargestellt, parallel zu der
Lampe 20 und dem Widerstand 22 das akustische Anzeigegerät geschaltet ist, dann
kann im Falle einer Überlastung des Motors nach Aufleuchten der Lampe das akustische
Anzeigegerät 24 ein Warnsignal abgeben, so daß der Betreiber von der Lampe zunächst
auf einen Überlaststrom von ca. 10 % und mit dem akustischen
Anzeigegerät
auf einen noch höheren Überlaststrom aufmerksam gemacht wird.
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Sowie der Überlaststrom dann einen bestimmten Maximalwert überschreitet,
d.h., sowie ein Überlaststrom fließt, der bewirkt, daß die Grenztemperatur im Motor
M überschritten wird, wird mittels des Relais 28 der Schalter 30 geöffnet, weil
durch die Widerstände 18,22 und 26 aufgrund der erhöhten Temperatur ein entsprechender
Strom durch das Relais 28 getrieben wird.
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Das gleiche gilt auch für die Anordnung nach der Figur 4, wobei dafür
gesorgt ist, daß durch Abfall des Widerstandswertes 34 ein erhöhter Strom durch
das Relais 28 fließen kann, so daß dieses den Schalter 30 öffnet.
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