DE9317278U1 - Engine protection device - Google Patents
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- H02H7/08—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors
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Description
Patentanwalt Karl Ulbricht . #: Ban».*n Weinberg is Patent attorney Karl Ulbricht . #: Ban».*n vineyard is
Diplom-Physiker Staatl. Gepr. Ü^rseJzes I I . *.. I Efc-35096 NiederweimarDiploma in physics State-certified Ü^rseJzes II . *.. I Efc-35096 Niederweimar
EUROPEAN PATENT ATTORNEY ... .1. .1. .1. ..' ''^^ ^m) &eegr; gg ^ EUROPEAN PATENT ATTORNEY ... .1. .1. .1. ..'''^^ ^ m) &eegr; gg ^
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NOLTA GmbH Elektronik Elektrotechnik, 35091 CölbeNOLTA GmbH Electronics Electrical Engineering, 35091 Cölbe
Die Erfindung betrifft eine elektronische Motorschutz-Vorrichtung für Elektromotoren, insbesondere für Drehstrommotoren, zur Überwachung ausgewählter Betriebsparameter und Einleitung von Schaltvorgängen bei unzulässigen Meßwerten.The invention relates to an electronic motor protection device for electric motors, in particular for three-phase motors, for monitoring selected operating parameters and initiating switching operations in the event of inadmissible measured values.
Es sind Wechselstrom-Motorschutzstecker bekannt, die Wechselstrommotoren vor Überlastung durch zu hohen Betriebsstrom schützen sollen. Hierfür werden Überstromschalter verwendet, die in das Gehäuse von Netzsteckern eingebaut oder unmittelbar an das Motorgehäuse angebaut sind. Dabei handelt es sich um Bimetallschalter, die von der Stärke des Betriebsstromes erwärmt werden und bei Überschreitung des eingestellten Sollwertes die Stromzuführung unterbrechen bzw. den Motor abschalten. Nach einer bestimmten Wartezeit, die für die Abkühlung des Bimetallschalters benötigt wird, kann der Motor wieder eingeschaltet werden. Diese einfache Art des elektromechanischen Motorschutzes hat den Nachteil, daß der Motor nur vor Überstrom geschützt wird und andere Störarten, wie z.B. Phasenausfall und falsches Drehfeld, nicht erkannt und nicht oder nur sehr spät schaltungstechnisch erfaßt werden können. Dadurch sind Motorschäden und bei handgeführten Maschinen Unfälle nicht mit Sicherheit zu vermeiden.AC motor protection plugs are known that are intended to protect AC motors from overloading due to excessive operating current. Overcurrent switches are used for this purpose, which are built into the housing of power plugs or are attached directly to the motor housing. These are bimetal switches that are heated by the strength of the operating current and, if the set target value is exceeded, interrupt the power supply or switch off the motor. After a certain waiting time, which is required for the bimetal switch to cool down, the motor can be switched on again. This simple type of electromechanical motor protection has the disadvantage that the motor is only protected against overcurrent and other types of faults, such as phase failure and incorrect rotating field, are not recognized and cannot be detected by the circuitry or can only be detected very late. As a result, motor damage and, in the case of hand-held machines, accidents cannot be completely avoided.
In der DE-OS 27 46 845 ist eine Einrichtung zur Einschaltstrombegrenzung für wechselspannungsbetriebene Verbraucher beschrieben, die dazu dient, hohe Einschaltströme zuDE-OS 27 46 845 describes a device for limiting the inrush current for AC-operated consumers, which serves to prevent high inrush currents.
begrenzen. Es wird eine elektronische Triac-Steuerung verwendet, die bekanntermaßen extrem schnell reagiert, aber auch bei der vorgeschlagenen Einrichtung nur im Falle von Überstromstärken, was einen erheblichen Nachteil darstellt.An electronic triac control is used, which is known to react extremely quickly, but even in the proposed device only in the case of overcurrents, which is a significant disadvantage.
Es sind ferner elektronische Motorschutzrelais bekannt, die eine Vielzahl von Motor-Parametern wie z.B. Erdschluß, Kurzschluß, Blockierung, Phasenausfall, thermische Überlastung, Drehrichtung oder Unterlastbetrieb überwachen. Es handelt sich dabei um Schutzrelais mit einer elektronischen Schaltung auf Mikroprozessor-Basis. Montiert werden diese Motorschutzrelais direkt an der zu überwachenden Maschine oder an einer anderen ortsfesten Stelle, z.B. in einem Schaltschrank. Dadurch entsteht ein hoher schaltungstechnischer Aufwand und das Motorschutzrelais ist an eine bestimmte meist ortsfeste Maschine gebunden, unabhängig von deren Funktion.Electronic motor protection relays are also known that monitor a variety of motor parameters, such as earth fault, short circuit, blocking, phase failure, thermal overload, direction of rotation or underload operation. These are protection relays with an electronic circuit based on a microprocessor. These motor protection relays are mounted directly on the machine to be monitored or on another fixed location, e.g. in a control cabinet. This results in a high level of circuitry complexity and the motor protection relay is tied to a specific, usually stationary machine, regardless of its function.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von den Vorteilen elektronischer Schaltsteuerungen eine Motorschutz-Vorrichtung zu entwickeln, die neben der Überstromstärke beim Elektromotor auch andere Störungsursachen zuverlässig erfaßt, dabei bestimmte Schaltvorgänge gegebenenfalls erst nach einem kontrollierten Zeitverzug ausführt und mit sämtlichen Komponenten in einem kompakten und einfach zu handhabenden Gehäuse integriert ist.The invention is based on the object of developing a motor protection device based on the advantages of electronic switching controls, which reliably detects not only the overcurrent intensity of the electric motor but also other causes of faults, carries out certain switching operations only after a controlled time delay if necessary, and is integrated with all components in a compact and easy-to-handle housing.
Hauptmerkmale der Erfindung sind in Anspruch 1 angegeben. Ausgestaltungen und Verwendungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 15.Main features of the invention are set out in claim 1. Embodiments and uses are the subject of claims 2 to 15.
Nach der Erfindung ist eine Motorschutz-Vorrichtung mit einer Schaltungselektronik zur Überlast-, Phasen-, Drehrichtungs-, Kurzschluß-, Unterspannungsüberwachung und zur Einleitung von Schaltvorgängen bei unzulässigen Strom- und/oder Spannungswerten und mit einer Schutzvorrichtung gegen Überhitzung des Motors als Motorschutzstecker in einem Steckergehäuse ausgebildet. Dabei ist die gesamte Schaltungselektronik, ein Schaltschütz und eine Anschlußklemmleiste in dem Steckergehäuse untergebracht. Dies ermöglicht den Einsatz der Motorschutz-Vorrichtung an verschiedenen Maschinen. Insbesondere bei handgeführten Maschinen, die über keinen eingebauten Motorschutz verfugen, ist eine nachträgliche Installation ohne großen Aufwand möglich.According to the invention, a motor protection device with circuit electronics for overload, phase, direction of rotation, short circuit, undervoltage monitoring and for initiating switching processes in the event of impermissible current and/or voltage values and with a protective device against overheating of the motor is designed as a motor protection plug in a plug housing. The entire circuit electronics, a contactor and a connection terminal block are housed in the plug housing. This enables the use of the motor protection device on various machines. In particular on hand-held machines that do not have built-in motor protection, subsequent installation is possible without great effort.
Die Motorschutz-Vorrichtung läßt sich gemäß Anspruch 2 über die vorgesehenen Steckverbindungen und Kabeleinführungen problemlos montieren. Über wenigstens eine zusätzliche Kabeleinführung können, neben dem zu überwachenden Motor, andere optische oder akustische Signaleinrichtungen angeschlossen werden, z.B. bei Pumpen eine Niveauschaltung. Zu Wartungszwecken kann das robuste und wasserdichte SteckergehäuseThe motor protection device can be easily installed using the plug connections and cable entries provided, as per claim 2. In addition to the motor to be monitored, other optical or acoustic signaling devices can be connected via at least one additional cable entry, e.g. a level switch for pumps. For maintenance purposes, the robust and waterproof plug housing can be
geöffnet werden, da es aus einem Ober- und Unterteil mit zwischengelagerter Dichtung zusammengesetzt ist. Die Bedienung erfolgt nach Anspruch 3 problemlos über Bedienelemente und eine Anzeigeeinheit auf der Oberseite des Gehäuse-Oberteils.opened, as it is made up of an upper and lower part with an intermediate seal. According to claim 3, it is easily operated using control elements and a display unit on the top of the upper part of the housing.
Gemäß Anspruch 4 ist in dem Steckergehäuse entsprechend der Phasenzahl des Netzanschlusses für jede Phase ein Strom- und Spannungssensor auf einer Leiterplatte angeordnet, der mit einem Referenzelement als Sollwertgeber und mit einer Vergleichsstufe zur Einleitung eines Schaltvorgangs in einem Schaltschütz in Verbindung steht. Diese Anordnung ist außerordentlich einfach sowohl in der Herstellung als auch in der Montage. Der Aufbau ist kompakt und übersichtlich. Dadurch wird zugleich eine bequeme Handhabung und hohe Sicherheit erreicht.According to claim 4, a current and voltage sensor is arranged on a circuit board in the plug housing for each phase, corresponding to the number of phases of the mains connection, which is connected to a reference element as a setpoint generator and to a comparison stage for initiating a switching process in a contactor. This arrangement is extremely simple both in terms of manufacture and assembly. The structure is compact and clear. This ensures convenient handling and a high level of safety.
Es ist zweckmäßig, die Einleitung des Schaltvorgangs bei langsamen oder geringfügigen Überschreitungen des Sollwerts dadurch zu verzögern, daß laut Anspruch 5 jeder Strom- und Spannungssensor auf den Leiterplatten mit einem Zeitglied zur Verzögerung der Ausgabe des Schaltsignals ausgestattet ist. Dadurch wird ein zu schnelles Fehlansprechen der Vorrichtung und eine entsprechende Arbeitsbehinderung am Gerät vermieden.It is expedient to delay the initiation of the switching process in the event of slow or slight exceedances of the setpoint by equipping each current and voltage sensor on the circuit boards with a timer to delay the output of the switching signal. This prevents the device from responding too quickly and thus hindering the operation of the device.
Zur Vereinfachung der baulichen und schaltungstechnischen Ausführung der Motorschutz-Vorrichtung ist es vorteilhaft, wenn im Einklang mit Anspruch 6 bei der Überwachung von Mehrphasenwechselstrom ein Strom- und Spannungssensor mit Zeitglied auf einer Leiterplatte einer Phase mit einem Referenzelement als Sollwertgeber und mit einer Vergleichsstufe zur Einleitung des Schaltvorgangs kombiniert ist.To simplify the structural and circuit design of the motor protection device, it is advantageous if, in accordance with claim 6, when monitoring multiphase alternating current, a current and voltage sensor with a timer is combined on a circuit board of a phase with a reference element as a setpoint generator and with a comparison stage for initiating the switching process.
Eine weitere Vereinfachung der Motorschutz-Vorrichtung wird gemäß Anspruch 7 dadurch erreicht, daß von einem kombinierten Strom-Spannungs-Sensor mit Zeitglied, Referenzelement und Vergleichsstufe auf einer Leiterplatte die Drehfeldkontrolle und die Kontrolle der Klemmspannung abgeleitet sind.A further simplification of the motor protection device is achieved according to claim 7 by the fact that the rotating field control and the control of the terminal voltage are derived from a combined current-voltage sensor with a timer, reference element and comparison stage on a circuit board.
Für die Übersicht bei der Handhabung motorbetriebener Geräte ist es günstig, wenn nach Anspruch 8 oder 9 der Strom- und Spannungssensor eine Anzeigeeinheit ansteuert, die einer Leiterplatte mit Triac-Steuerung bzw. Relais-Steuerung zugeordnet sein kann.For the overview when handling motor-operated devices, it is advantageous if, according to claim 8 or 9, the current and voltage sensor controls a display unit, which can be assigned to a circuit board with triac control or relay control.
Eine Anordnung der Leiterplatten laut Anspruch 10 neben- und/oder übereinander ermöglicht eine kompakte und kostengünstige Bauweise des Motorschutzsteckers. Auch können, wie es Anspruch 11 vorsieht, sämtliche Bauelemente kostengünstig und auf kleinstem Raum auf einer gemeinsamen Leiterplatte integriert sein.An arrangement of the circuit boards according to claim 10 next to and/or on top of each other enables a compact and cost-effective design of the motor protection plug. Also, as provided for in claim 11, all components can be integrated cost-effectively and in the smallest possible space on a common circuit board.
Große praktische Vorteile ergeben sich nach Anspruch 12 und 13, indem die Motorschutz-Vorrichtung direkt mit einem Stromkabel verbunden bzw. die Kragensteckverbindung mit einem Phasenwender versehen ist. Das erleichtert die Handhabung und gewährleistet besonders hohe Arbeitssicherheit.Great practical advantages arise according to claims 12 and 13, in that the motor protection device is directly connected to a power cable or the collar plug connection is provided with a phase inverter. This makes handling easier and ensures a particularly high level of work safety.
Eine Alternative besteht laut Anspruch 14 darin, daß die Motorschutz-Vorrichtung als Motorschutzschalter mit einem Schaltergehäuse an der Arbeitsmaschine gegebenenfalls abnehmbar angeordnet ist.An alternative according to claim 14 is that the motor protection device is arranged as a motor protection switch with a switch housing on the working machine, optionally removable.
Anspruch 15 sieht die Verbindung mit anderen Steuerschaltungen für Elektromotoren vor, wodurch vielfältige Kombinationen mit bewährten Schutzeinrichtungen ermöglicht werden.Claim 15 provides for the connection with other control circuits for electric motors, which enables a variety of combinations with proven protective devices.
Die Funktion einer elektronischen Motorschutz-Vorrichtung nach der Erfindung beruht auf dem Prinzip der Phasenüberwachung mittels Strom- und Spannungssensoren durch Vergleichsmessungen von Laststromstärke und Klemmenspannung mit Sollwerten eines Referenzgebers. Überschreitet die abgetastete Stromstärke bzw. Spannung den betreffenden Sollwert nur langsam, so wird ein Zeitglied gestartet, dessen Zeit einstellbar ist. Sinkt während der Vorgabezeit die gemessene Stromstärke unter den Sollwert wird das Zeitglied angehalten und zurückgesetzt. Bleibt nach Ablauf der Vorgabezeit die gemessene Stromstärke über dem Sollwert, so wird sofort ein Schaltsignal an das Referenzelement ausgelöst und der zu schützende Elektromotor abgeschaltet. Bei netz- oder verbraucherseitigem Phasenausfall erfolgt ebenfalls sofortige Abschaltung. Mit einer Referenzschaltung wird auch eine Drehfeldkontrolle realisiert und die Klemmenspannung ständig gemessen. Ändert sich die Phasenlage der Stromanschlüsse gegenüber einem Referenzsignal, so wird der Motor abgeschaltet.The function of an electronic motor protection device according to the invention is based on the principle of phase monitoring using current and voltage sensors by comparing measurements of load current and terminal voltage with setpoint values of a reference sensor. If the sampled current or voltage only slowly exceeds the relevant setpoint, a timer is started whose time can be set. If the measured current falls below the setpoint during the set time, the timer is stopped and reset. If the measured current remains above the setpoint after the set time has elapsed, a switching signal is immediately triggered to the reference element and the electric motor to be protected is switched off. If there is a phase failure on the mains or consumer side, the device is also switched off immediately. A reference circuit also implements rotary field control and the terminal voltage is constantly measured. If the phase position of the power connections changes compared to a reference signal, the motor is switched off.
Besondere Vorteile der elektronischen Motorschutz-Vorrichtung nach der Erfindung sind stromabhängiger Überlastschutz mit einstellbarer Auslösezeit, stromabhängiger Kurzschlußschutz, Phasenausfallschutz, Drehrichtungsüberwachung, optische Störungsanzeige zur Fehlererkennung sowie Unterspannungsschutz zur Verhinderung von Flattererscheinungen am Lastschütz.Special advantages of the electronic motor protection device according to the invention are current-dependent overload protection with adjustable tripping time, current-dependent short-circuit protection, phase failure protection, direction of rotation monitoring, optical fault display for error detection and undervoltage protection to prevent fluttering phenomena on the load contactor.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Erläuterung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Darin zeigen:Further features, details and advantages of the invention emerge from the wording of the claims and from the following explanation of embodiments based on the drawing. In them:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Motorschutzsteckers,Fig. 1 is a schematic representation of a motor protection plug,
• ··
Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild einer elektronischen Motorschutz-Vorrichtung als Motorschutzstecker,Fig. 2 a schematic block diagram of an electronic motor protection device as a motor protection plug,
Fig. 3 ein Diagramm der stromunabhängigen Auslösezeit des Überlastschutzes bei
einem Motorschutzstecker nach Fig. 2,Fig. 3 a diagram of the current-independent tripping time of the overload protection at
a motor protection plug according to Fig. 2,
Fig. 4 einen Anschlußplan zu dem Motorschutzstecker von Fig. 2,Fig. 4 shows a connection diagram for the motor protection plug of Fig. 2,
Fig. 5 ein schematisches Blockschaltbild einer elektronischen Motorschutz-Vorrichtung als Motorschutzschalter bzw. als Motorschutzrelais,Fig. 5 a schematic block diagram of an electronic motor protection device as a motor protection switch or as a motor protection relay,
Fig. 6 ein Diagramm der stromunabhängigen Auslösezeit des Überlastschutzes bei
einem Motorschutzschalter nach Fig. 5,Fig. 6 a diagram of the current-independent tripping time of the overload protection at
a motor protection switch according to Fig. 5,
Fig. 7 ein Schaltbild zweier undFig. 7 a circuit diagram of two and
Fig. 8 ein Schaltbild einer weiteren Leiterplatte.Fig. 8 is a circuit diagram of another circuit board.
In dem Ausfuhrungsbeispiel von Fig. 1 ist eine Motorschutzvorrichtung als Motorschutzstecker 10 ausgebildet. Dieser besitzt ein Gehäuse-Ober- und Unterteil 11, 12 mit einer (nicht dargestellten) zwischengelagerten Gummidichtung und wird Über einen Drehstrom-Stecker in Form eines Kragensteckverbinders 13 an ein Drehstromnetz angeschlossen. Der zu überwachende Motor M wird durch die Kabeleinführung 14 hindurch an einer Kabelklemmleiste KLl (in Fig. 3) angeschlossen. Die zusätzliche Kabeleinführung 15 erlaubt den Anschluß von anderen optischen oder akustischen Signaleinrichtungen an die Kabelklemmleiste KLl, z.B. ein Schwimmerschalter SW für Pumpen.In the exemplary embodiment in Fig. 1, a motor protection device is designed as a motor protection plug 10. This has an upper and lower housing part 11, 12 with an intermediate rubber seal (not shown) and is connected to a three-phase network via a three-phase plug in the form of a collar connector 13. The motor M to be monitored is connected to a cable terminal block KL1 (in Fig. 3) through the cable entry 14. The additional cable entry 15 allows the connection of other optical or acoustic signaling devices to the cable terminal block KL1, e.g. a float switch SW for pumps.
Die auf dem Gehäuse-Oberteil 11 angeordneten Bedienelemente sind Kippschalter, Druckschalter oder dergleichen und dienen zum Steuern der Überwachungsfunktionen des Motorschutzsteckers. Die Anzeigeeinheit 17 enthält vorzugsweise Leuchtdioden D, die den Betriebszustand der einzelnen Phasen R, S, T und damit des Motors M anzeigen.The control elements arranged on the upper part of the housing 11 are toggle switches, pressure switches or the like and are used to control the monitoring functions of the motor protection plug. The display unit 17 preferably contains light-emitting diodes D, which display the operating status of the individual phases R, S, T and thus of the motor M.
Der in Fig. 2 schematisch dargestellte Motorschutzstecker 10 ist für einen Drehstrom-Elektromotor M ausgelegt und in einem Stecker-Gehäuse 11, 12 untergebracht, in dem drei Leiterplatten 21, 22, 23 nebeneinander montiert sind. Sie können zur Verringerung der Baugröße auch übereinander angebracht werden oder sämtliche Bauteile werden auf einer Leiterplatte zusammengefaßt. Bei der praktischen Ausführung beträgt die Größe der Leiterplatten etwa 43 &khgr; 42 mm. Das Steckergehäuse 11, 12 erfordert demnach keine größeren Abmessungen als herkömmliche Bimetallschutzschalter. Auf jeder der dreiThe motor protection plug 10 shown schematically in Fig. 2 is designed for a three-phase electric motor M and is housed in a plug housing 11, 12 in which three circuit boards 21, 22, 23 are mounted next to each other. They can also be mounted one above the other to reduce the size, or all components can be combined on one circuit board. In the practical design, the size of the circuit boards is approximately 43 x 42 mm. The plug housing 11, 12 therefore does not require any larger dimensions than conventional bimetallic circuit breakers. On each of the three
Leiterplatten 21, 22, 23 befindet sich ein Strom- und Spannungssensor 31, 32, 33 mit jeweils einem Zeitglied 34, 35, 36. Auf der Grundfläche, einer der Leiterplatten 21, 22, 23 sind etwa 45 Bauelemente unterzubringen. Für eine solche Packungsdichte eignet sich vor allem die SMD-Technik (Surface-Mounted Devices).Circuit boards 21, 22, 23 contain a current and voltage sensor 31, 32, 33, each with a timing element 34, 35, 36. Around 45 components can be accommodated on the base area of one of the circuit boards 21, 22, 23. SMD technology (Surface-Mounted Devices) is particularly suitable for such a packing density.
Die Leiterplatten 21 und 22 sind im Aufbau und in der elektronischen Schaltung vollkommen gleichartig (siehe Fig. 7). Sie haben die Aufgabe den Laststrom I der Phasen R, S bzw. u, &ngr; ständig zu messen und mit den vorgegebenen Sollwerten zu vergleichen. Die Leiterplatten 21, 22 arbeiten beide entsprechend ihrer identischen Schaltung in derselben Weise.The circuit boards 21 and 22 are completely identical in their structure and electronic circuit (see Fig. 7). Their task is to constantly measure the load current I of the phases R, S and u, v and to compare it with the specified target values. The circuit boards 21, 22 both work in the same way according to their identical circuit.
Überschreitet der gemessene Stromwert den eingestellten Sollwert nur langsam (Überstromüberwachung), so wird ein Zeitglied 34, 35, 36 gestartet, dessen Zeit im Bereich von 1 s bis 30 s einstellbar ist (Fig. 2). Sinkt während der Vorgabezeit der gemessene Stromwert unter den Sollwert In, wird das Zeitglied 34, 35, 36 angehalten und zurückgesetzt. Bleibt nach Ablauf der Vorgabezeit der gemessene Strom über dem Sollwert In, wird sofort ein Schaltsignal an die Leiterplatte weitergeleitet, das über Auswerteeinheiten, nämlich Referenzelement 40 und Vergleichsstufe 50, die Abschaltung des zu schützenden Motors M bewirkt und gleichzeitig eine Anzeigeeinheit 17 zur entsprechenden Fehleranzeige durch Leuchtdioden D ansteuert.If the measured current value only slowly exceeds the set target value (overcurrent monitoring), a timer 34, 35, 36 is started, the time of which can be set in the range of 1 s to 30 s (Fig. 2). If the measured current value falls below the target value In during the set time, the timer 34, 35, 36 is stopped and reset. If the measured current remains above the target value In after the set time has elapsed, a switching signal is immediately transmitted to the circuit board, which causes the motor M to be protected to be switched off via evaluation units, namely reference element 40 and comparison stage 50, and at the same time controls a display unit 17 to display the corresponding error using LEDs D.
Steigt die gemessene Stromstärke I schnell etwa über den fünffachen Sollwert In an, z.B. bei einem verbraucherseitigen Kurzschluß oder im Blockierfall des Motors M, wird dieser sofort abgeschaltet. Bei einem netz- oder verbraucherseitigem Phasenausfall erfolgt ebenfalls sofortige Abschaltung.If the measured current I rises rapidly to about five times the setpoint value In, e.g. in the event of a short circuit on the consumer side or if the motor M is blocked, it is immediately switched off. In the event of a phase failure on the mains or consumer side, the device is also switched off immediately.
Die Leiterplatte 23 hat außer der Funktion der Überwachung des Laststroms I der Phase T die zusätzliche Aufgabe, Fehlersignale von den Leiterplatten 21, 22 sowie ihre eigenen auszuwerten und im Störfall den Motor M abzuschalten. Die Leiterplatte 23 ist deshalb zusätzlich zur Schaltung entsprechend den Leiterplatten 21, 22 mit dem Referenzelement 40 als Sollwertgeber und mit der Vergleichsstufe 50 zur Einleitung des Schaltvorgangs am Schaltschütz Kl ausgestattet. Ferner sind zur Ansteuerung der Anzeigeeinheit 17 Leuchtdioden D vorgesehen. Auch eine (nicht dargestellte) Drehfeldkontrolle kann zur Überwachung des Drehfeldes bzw. zur Feststellung der Anlaufrichtung des Motors M angeschlossen sein.In addition to the function of monitoring the load current I of phase T, the circuit board 23 has the additional task of evaluating error signals from the circuit boards 21, 22 as well as its own and switching off the motor M in the event of a fault. The circuit board 23 is therefore equipped, in addition to the circuit corresponding to the circuit boards 21, 22, with the reference element 40 as a setpoint generator and with the comparison stage 50 for initiating the switching process on the contactor Kl. Furthermore, light-emitting diodes D are provided for controlling the display unit 17. A rotating field control (not shown) can also be connected to monitor the rotating field or to determine the starting direction of the motor M.
Außerdem ist der elektronische Motorschutzschalter in Verbindung mit einer (nicht dargestellten) Spannungsüberwachungs-Elektronik einsetzbar, wodurch die Höhe derIn addition, the electronic motor protection switch can be used in conjunction with a voltage monitoring electronic (not shown), whereby the level of
Netzspannung überwacht wird. Sinkt diese z.B. unter 185 V, wird das Lastschütz sofort abgeschaltet, damit keine Flattererscheinungen am Lastschütz auftreten und die Schützkontakte nicht abbrennen können. Es besteht auch die Möglichkeit, andere Schalter anzuschließen, beispielsweise Schwimmerschalter SW von Flüssigkeitsbehältern (Fig. 4).Mains voltage is monitored. If this falls below 185 V, for example, the load contactor is immediately switched off so that no fluttering occurs on the load contactor and the contactor contacts cannot burn out. It is also possible to connect other switches, for example float switches SW of liquid containers (Fig. 4).
Die Funktion des Zeitgliedes 34, 35, 36 der Leiterplatten 21, 22, 23 ist aus den Diagrammen in Fig. 3 und 6 ersichtlich. Auf der Abszisse ist das Verhältnis von Laststromstärke I zur Nennstromstärke In eingesetzt und auf der Ordinate der Einstellbereich t in Sekunden. Die eingetragenen Kennlinien entsprechen zum einen dem unteren Grenzwert der Schaltverzögerung von 1 s und zum anderen dem oberen Grenzwert von 30 s. Die Auslösung des Abschaltsignals ist auf die fünffache Höhe der Nennstromstärke In eingestellt.The function of the timer 34, 35, 36 of the circuit boards 21, 22, 23 can be seen from the diagrams in Fig. 3 and 6. The ratio of load current I to nominal current In is entered on the abscissa and the setting range t in seconds is entered on the ordinate. The characteristic curves entered correspond to the lower limit of the switching delay of 1 s and the upper limit of 30 s. The triggering of the switch-off signal is set to five times the nominal current In.
Der in Fig. 5 schematisch dargestellte Motorschutzschalter 60 mit dem Schaltergehäuse 61 entspricht im schaltungstechnischen Aufbau dem des vorbeschriebenen Motorschutzsteckers, so daß für die Bauteile der Überwachungs- und Schaltungselektronik dieselben Bezugszeichen beibehalten werden. Auch für das Zeitdiagramm von Fig. 6 werden dieselben Grenzwerte benutzt; man erkennt, daß die Abschaltflanke besonders steil verläuft.The motor protection switch 60 with the switch housing 61 shown schematically in Fig. 5 corresponds in terms of circuitry to that of the motor protection plug described above, so that the same reference numerals are retained for the components of the monitoring and switching electronics. The same limit values are also used for the timing diagram in Fig. 6; it can be seen that the switch-off edge is particularly steep.
Der in Fig. 4 schematisch dargestellte Anschlußplan des elektronischen Motorschutzsteckers zeigt Steckverbindungen Tl, T2, T3 an einer Anschlußklemmleiste KLl für die Phasen R, S, T mit den Motorklemmen u, v, w und PE. Ferner sind Anschlußkontakte für einen Schwimmerschalter SW beispielsweise zur Kontrolle des Flüssigkeitsstandes in Großtanks vorgesehen, um den Motor M zum Antrieb einer (nicht gezeichneten) Flüssigkeitspumpe unter Einbeziehung der erfindungsgemäßen Motorschutz-Vorrichtung zu steuern.The connection plan of the electronic motor protection plug shown schematically in Fig. 4 shows plug connections Tl, T2, T3 on a connection terminal block KLl for the phases R, S, T with the motor terminals u, v, w and PE. Furthermore, connection contacts are provided for a float switch SW, for example for checking the liquid level in large tanks, in order to control the motor M for driving a liquid pump (not shown) with the inclusion of the motor protection device according to the invention.
Ein spezielles Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnungen Fig. 7 und Fig. 8 erläutert.A specific embodiment is explained below with reference to the drawings Fig. 7 and Fig. 8.
Fig. 7 zeigt das Schaltbild der Leiterplatte 21 bzw. 22. Die jeweils zu überwachende Phase (Phase R bzw. S) wird an den Anschluß A gelegt. Ein Laststrom fließt über einen Meßwiderstand RMl und verursacht einen Spannungsabfall an den Eingängen der Komparatoren UlOlA und U102A. Mit einem Trimmpotentiometer R103 und einem Spannungsteiler RXlOl, RX102 wird dem Komparator UlOlA ein Referenzwert vorgegeben. Steigt die positive Halbwelle des Spannungsabfalls an RMl über den Wert der Referenzspannung an UlOlA, ändert sich der Pegel am Ausgang von UlOlA. Ein RC-Fig. 7 shows the circuit diagram of the circuit board 21 or 22. The phase to be monitored (phase R or S) is connected to connection A. A load current flows through a measuring resistor RMl and causes a voltage drop at the inputs of the comparators UlOlA and U102A. A reference value is given to the comparator UlOlA using a trim potentiometer R103 and a voltage divider RXlOl, RX102. If the positive half-wave of the voltage drop at RMl rises above the value of the reference voltage at UlOlA, the level at the output of UlOlA changes. An RC-
Glied R104, ClOl glättet das Ausgangssignal. Ein Inverter UlOlB gibt mit dem Ausgangssignal von UlOlA ein Zeitglied R107, R108, C103 frei, wodurch die Spannung an C103 zu steigen beginnt. Erreicht diese die Z-Spannung einer Z-Diode D104 wird über den Transistor QlOl die Leuchtdiode eines Optokopplers OPTOl (siehe Fig. 8) angesteuert. Sinkt die Spannung an RMl während dem Spannungsanstieg an C103 unter den Referenzwert zurück, werden der Komparator UlOlA und das Zeitglied R107, R108, C103 in den Ausgangszustand zurückversetzt.Element R104, ClOl smooths the output signal. An inverter UlOlB uses the output signal from UlOlA to enable a timing element R107, R108, C103, whereby the voltage at C103 begins to rise. If this reaches the Z voltage of a Z diode D104, the LED of an optocoupler OPTOl (see Fig. 8) is controlled via the transistor QlOl. If the voltage at RMl falls below the reference value during the voltage rise at C103, the comparator UlOlA and the timing element R107, R108, C103 are returned to the initial state.
Mit dem Trimmpotentiometer R103, dem Spannungsteiler RXlOl, RX102 und einem Widerstand R112 wird dem Komparator U102A eine Referenzspannung vorgegeben, die ein Vielfaches der Referenzspannung an UlOlA beträgt. Übersteigt der Spannungsabfall an RMl die Referenzspannung an U102A, z.B. im Falle eines Kurzschlusses, wird über Transistoren Q104, Q102 die Leuchtdiode des Optokopplers OPTOl sofort angesteuert.The trim potentiometer R103, the voltage divider RX101, RX102 and a resistor R112 are used to give the comparator U102A a reference voltage that is a multiple of the reference voltage at UlO1A. If the voltage drop at RM1 exceeds the reference voltage at U102A, e.g. in the event of a short circuit, the LED of the optocoupler OPTO1 is immediately activated via transistors Q104, Q102.
Der Spannungsabfall an RMl gelangt Über einen Kondensator C106 auch an den Eingang eines einstufigen Transistorverstärkers R115, R116, Q105, C102. Dieser wird im sogenannten C-Betrieb eingesetzt, so daß nur die positive Halbwelle des Spannungsabfalls an RMl verstärkt wird. Ein Komparator U102B vergleicht das Ausgangssignal des Transistorverstärkers mit einem von Dioden D105, D106 erzeugten Referenzsignal. Ein RC Glied R118, C107 glättet den Ausgangspegel von U102B. Sinkt die verstärkte positive Halbweile von RMl, z.B. durch einen Phasenausfall unter den Referenzwert, so steuert das Ausgangssignal von U102B einen Transistor Q103 und dieser schaltet die Leuchtdiode des Optokopplers OPTOl.The voltage drop at RMl also reaches the input of a single-stage transistor amplifier R115, R116, Q105, C102 via a capacitor C106. This is used in so-called C mode, so that only the positive half-wave of the voltage drop at RMl is amplified. A comparator U102B compares the output signal of the transistor amplifier with a reference signal generated by diodes D105, D106. An RC element R118, C107 smooths the output level of U102B. If the amplified positive half-wave of RMl falls below the reference value, e.g. due to a phase failure, the output signal of U102B controls a transistor Q103 and this switches the light-emitting diode of the optocoupler OPTOl.
Die Stromversorgung der Leiterplatten 21, 22 erfolgt direkt über die zu überwachenden Laststrompfade. Dabei ist Anschluß A der Lasteingang, d.h. Phase R bzw. S. Anschluß B ist der Gegenpol und mit der Phase T verbunden. Eine Diode DlOl läßt jeweils nur die positive Halbwelle der Netzspannung durch. Stabilisiert wird die Spannung mit einer Thyristorschaltung Q106, C104, Rill, R121.The power supply to the circuit boards 21, 22 is provided directly via the load current paths to be monitored. Connection A is the load input, i.e. phase R or S. Connection B is the opposite pole and is connected to phase T. A diode D101 only allows the positive half-wave of the mains voltage to pass through. The voltage is stabilized with a thyristor circuit Q106, C104, R111, R121.
Eine Überstromüberwachung und ein Kurzschlußschutz ist in einem Dreiphasensystem für Verbraucher mit freiem Stempunkt oder in einer Dreieckschaltung nur bei zwei Phasen notwendig. Daher befindet sich auf der dritten Leiterplatte 23 in Fig. 8 nur ein Phasenausfallschutz und eine Fehlersignalauswertung. Der Phasenausfallschutz, dargestellt im oberen Teil von Fig. 8, arbeitet wie oben bereits beschrieben; ebenso die Spannungsversorgung der Leiterplatte 23.Overcurrent monitoring and short-circuit protection are only necessary in a three-phase system for consumers with a free star point or in a delta connection for two phases. Therefore, the third circuit board 23 in Fig. 8 only contains phase failure protection and error signal evaluation. The phase failure protection, shown in the upper part of Fig. 8, works as described above; the same applies to the voltage supply to the circuit board 23.
Die Optokoppler OPTOl, 0PT02, 0PT03 in der Fehlersignalauswertung bestehen jeweils aus einer Leuchtdiode und einem Phototransistor. Die Leuchtdioden werden von den Stromsensoren in der oben beschriebenen Art und Weise angesteuert. Die Phototransistoren sind mit Thyristoren Q308, Q309, Q310 verbunden. Diese steuern eine ihnen zugeordnete Anzeige-Leuchtdiode LEDl, LED2, LED3 und über Dioden D309, D310, D311 und eine Z-Diode D317 ein stromlos-offenes Relais RELl. Dieses wiederum schaltet ein Lastschütz Kl. Der in Fig. 8 dargestellte Optokoppler 0PT04 kann an eine (nicht dargestellte) Drehfeldkontrolle angeschlossen werden. Der Schaltungsablauf verhält sich wie vorher beschrieben.The optocouplers OPTO1, 0PT02, 0PT03 in the error signal evaluation each consist of a light-emitting diode and a phototransistor. The light-emitting diodes are controlled by the current sensors in the manner described above. The phototransistors are connected to thyristors Q308, Q309, Q310. These control an assigned display light-emitting diode LED1, LED2, LED3 and, via diodes D309, D310, D311 and a Zener diode D317, a normally open relay REL1. This in turn switches a load contactor Kl. The optocoupler 0PT04 shown in Fig. 8 can be connected to a rotating field control (not shown). The circuit sequence behaves as previously described.
Der Fehlerzustand wird durch die Thyristoren Q308, Q309, Q310, Q311 gespeichert und bleibt solange erhalten, bis die Spannungsversorgung am Anschluß XIl (Fig. 8) unterbrochen wird.The error state is stored by the thyristors Q308, Q309, Q310, Q311 and remains until the voltage supply at terminal XIl (Fig. 8) is interrupted.
Die Fehlersignalauswertung bezieht ihre Versorgungsspannung aus einem Gleichrichter D312, D313, D314, D315 mit einem kapazitiven Vorwiderstand C314. Eine Z-Diode D316 stabilisiert, ein Kondensator C303 glättet die Versorgungsspannung.The error signal evaluation draws its supply voltage from a rectifier D312, D313, D314, D315 with a capacitive series resistor C314. A Z-diode D316 stabilizes, a capacitor C303 smoothes the supply voltage.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt; vielmehr kann sie in vielfältiger Weise in Verbindung mit anderen Schaltelementen und auch für andere Zwecke angewendet werden. Man erkennt jedoch, daß eine Motorschutz-Vorrichtung für Elektromotore M, insbesondere für Drehstrommotore als Motorschutzstecker 10 mit einer Schaltungselektronik 20 zur Überlast-, Phasen-, Drehrichtungs-, Kurzschluß-, Unterspannungsüberwachung und zur Einleitung von Schaltvorgängen bei unzulässigen Strom- und/oder Spannungswerten und einer Schutzvorrichtung gegen Überhitzung des Motors ausgebildet ist, wobei die gesamte Schaltungselektronik 20, ein Schaltschütz Kl und eine Anschlußklemmleiste KLl in einem Steckergehäuse, bestehend aus einem Gehäuse-Ober- und Unterteil 11, 12 mit einer mehrpoligen Kragensteckverbindung 13, einer Kabeleinführung 14 als Motoranschluß, wenigstens einer zusätzlichen Kabeleinführung 15 sowie Bedienelementen 16 und wenigstens einer Anzeigeeinheit 17, untergebracht ist. Auf Leiterplatten 21, 22, 23 befinden sich entsprechend der Phasenzahl des Netzanschlusses für jede Phase R, S, T ein mit einem Zeitglied 34, 35, 36 versehener Strom- und Spannungssensor 31, 32, 33; diese können neben- und/oder übereinander angeordnet oder auf einer gemeinsamen Leiterplatte integriert sein. Die Sensoren 31, 32, 33 und die Zeitglieder 34, 35 36 stehen elektrisch mit einem Referenzelement 40 als Sollwertgeber und mit einer Vergleichsstufe 50 zur Einleitung eines Schaltvorgangs in einem Schaltschütz Kl in Verbindung; das Schaltsignal des Strom- und Spannungssensors 33 kann Leuchtdioden D einer Anzeigeeinheit 17 ansteuern.The invention is not limited to the described embodiments; rather, it can be used in a variety of ways in conjunction with other switching elements and also for other purposes. However, it can be seen that a motor protection device for electric motors M, in particular for three-phase motors, is designed as a motor protection plug 10 with circuit electronics 20 for monitoring overload, phase, direction of rotation, short circuit, undervoltage and for initiating switching processes in the event of impermissible current and/or voltage values and a protective device against overheating of the motor, with the entire circuit electronics 20, a contactor Kl and a terminal block KLl being housed in a plug housing consisting of a housing upper and lower part 11, 12 with a multi-pole collar plug connection 13, a cable entry 14 as a motor connection, at least one additional cable entry 15 as well as operating elements 16 and at least one display unit 17. On circuit boards 21, 22, 23 there is a current and voltage sensor 31, 32, 33 provided with a timing element 34, 35, 36 for each phase R, S, T, corresponding to the number of phases of the mains connection; these can be arranged next to and/or above one another or integrated on a common circuit board. The sensors 31, 32, 33 and the timing elements 34, 35, 36 are electrically connected to a reference element 40 as a setpoint generator and to a comparison stage 50 for initiating a switching process in a contactor Kl; the switching signal of the current and voltage sensor 33 can control light-emitting diodes D of a display unit 17.
♦ ·♦ ·
Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.All features and advantages arising from the claims, the description and the drawing, including structural details and spatial arrangements, can be essential to the invention both individually and in a wide variety of combinations.
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