Netztrennung mit Schaltern für Elektrowerkzeuge

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines netzbetriebenen Elektro- motors für ein Elektrowerkzeug mit Schaltern und deren Überwachung auf Betriebssicherheit gemäß Patentanspruch 1.

Stand der Technik Netzbetriebene Elektrowerkzeuge beinhalten meistens einen Universalmotor, und werden in der Regel durch einen mechanischen Schalter mit einem Netz verbunden oder getrennt.

Offenbarung der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektromotor mit elektronischen Schaltern mit einem Netz zu verbinden und zu trennen, und eine Überwachung der elektronischen Schalter auf ihre Betriebssicherheit vorzusehen, damit bei einer Netztrennung mit Schaltern eine hohe Betriebssicherheit bei Elektrowerkzeugen gewährleistet ist. Diese Aufgabe wird durch Patentanspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der Beschreibung dargelegt.

Die Vorteile der Erfindung werden darin gesehen, daß für ein netzbetriebenes Elektrowerkzeug eine beidseitige Netztrennung mit Schaltern erfolgt, und die Schalter auf ihre Betriebs- Sicherheit speziell überwacht werden.

Durch die vorgeschlagenen Verfahren können die Schalter sowohl einzeln als auch in Kombination einfach überprüft und deren Funktionsweise sicher gestellt werden. Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigt:

Fig. 1 bis 4 Schaltungsanordnungen für netzbetriebene Elektrowerkzeuge mit einer beidseitigen Netztrennung durch elektronische Schalter. Bei einigen Elektrowerkzeugen ist es erforderlich, dass der Elektromotor in der Ausschaltstellung gegen Erde abgesichert ist, daher ist es notwenig in jedem Netzanschluss des Elekt- rowerkzeugs einen elektronischen Schalter anzuordnen. Fig. 1 zeigt eine solche Schaltungsanordnung, bei der ein erster Triac 1 in einem ersten Netzanschluss a des Universalmotors 2 angeordnet ist, und in einem zweiten Netzanschluss b des Universalmotors ist ein zweiter Triac 3 angeordnet. Den Triacs 1 ,3 (Halbleiterschalter) ist eine Steuerelektronik 4 zugeordnet. Anstelle von Triacs als Halbleiterschalter können auch andere Arten von elektronischen Schaltern, insbesondere Halbleiterschalter verwendet werden.

Da kein mechanisches Netztrennschaltglied vorgesehen ist, werden die Triacs 1 ,3 speziell auf ihre Betriebssicherheit überwacht. Für die Betriebssicherheitsüberwachung ist den Triacs 1 ,3 hier beispielsweise jeweils eine Stromkontrolleinrichtung 5,6 zugeordnet, wobei dem ers- ten Triac 1 eine erste Stromkontrolleinrichtung 5, und dem zweiten Triac 3 eine zweite Stromkontrolleinrichtung 6 parallel geschaltet ist.

Die Stromkontrolleinrichtungen sind zur Überwachung der Triacs 1 ,3 mit der Steuerelektronik 4 verbunden, und die Steuerelektronik 4 beinhaltet beispielsweise einen Mikrocontroller und ist mit einem Speicher verbunden. Die Steuerelektronik ist über Signalleitungen 22 mit dem ersten Netzanschluss a vor dem ersten Triac 1 und mit dem zweiten Netzanschluss b vor dem Shunt 12 und nach dem Shunt 12 verbunden.

Im Speicher sind Vergleichswerte für Parameter, insbesondere Betriebsparameter des Elekt- romotors wie z.B. Stromverbrauch, Spannung auf den zwei Anschlüssen des Elektromotors und die Drehzahl des Elektromotors abhängig von verschiedenen Schaltsituationen der Halbleiterschalter abgelegt. Somit sind beispielsweise Vergleichswerte für den Strom, die Spannung an den Anschlüssen des Elektromotors und die Drehzahl für die erste Schaltsituation erster und zweiter Schalter leitend, für die zweite Schaltsituation erste Schalter leitend und zweiter Schalter sperrend, für die dritte Schaltsituation erster Schalter sperrend und zweiter Schalter leitend und für die vierte Schaltsituation erster und zweiter Schalter sperrend abgelegt.

Die Stromkontrolleinrichtungen werden vom Mikrocontroller abgefragt. Die Abfrage kann er- folgen, wenn beispielsweise ein Elektrowerkzeug an ein Netz angeschlossen ist und wäh- rend des Motorbetriebes in einer Zeit einer jeweiligen Halbwelle des Netzes, bei der die Halbleiterschalter nicht angesteuert sind.

Die Überwachung der Triacs 1 ,3 auf ihre Funktion erfolgt beispielsweise folgendermaßen: wird beispielsweise ein Elektrowerkzeug an ein Netz angeschlossen oder ist das Elektro- werkzeug bereits an ein Netz angeschlossen, so fragt der Mikrocontroller zuerst die Stromkontrolleinrichtungen 5,6 ab, ob ein vorgegebener Strom über die Stromkontrolleinrichtungen 5,6 fließt. Erfüllt der erste und der zweite Triac 1 ,3 voll seine Sperrfunktion, so fließt über die erste und über die zweite Stromkontrolleinrichtung 5,6 und über den Universalmotor 2 der vorgegebene Strom. Ist der erste Triac 1 leitend, so fließt über die erste Stromkontrolleinrichtung 5 kein Strom. In einem solchen Fall wird der zweite Triac gesperrt, und die Steuerelektronik 4 schaltet auf Störung. Ist der zweite Triac 3 leitend, so fließt über die zweite Stromkontrolleinrichtung 6 kein Strom. In diesem Fall wird der erste Triac 1 gesperrt, und die Steuerelektronik 4 schaltet auf Störung.

Ist sowohl der erste als auch der zweite Triac 1 ,3 leitend, das heißt durchlegiert und sie haben einen internen Kurzschluss, so fließt über die erste und über die zweite Stromkontrolleinrichtung 5,6 kein Strom. In einem solchen Fall kann eine Schutzschaltung vorgesehen sein, indem das Netz mit einem weiteren Halbleiterschalter 7 kurzgeschlossen, und eine Sicherung 8 ausgelöst wird. Eine Störung kann optisch angezeigt sein.

Für eine zusätzliche Sicherheit können in dem ersten oder in dem zweiten Netzanschluss, als auch in beiden Netzanschlüssen a,b mehrere elektronische Schalter in Reihe geschaltet sein, wobei jedem Schalter eine Stromkontrolleinrichtung parallel geschaltet ist. Die Funktion der Sicherheitsüberprüfung der Halbleiterschalter entspricht die der zuvor beschriebenen. Für die Inbetriebnahme des Elektrowerkzeugs ist der Steuerelektronik 4 ein Schaltglied S zugeordnet, und dieses Schaltglied besitzt für eine sichere Erkennung der Schaltstellung drei Anschlüsse. Die zuvor beschriebene Stromkontrolleinrichtung 5,6 für elektronische Schalter 1 ,3 kommt auch bei einer Schaltungsanordnung zur Anwendung, wenn ein mechanischer Netztrennschalter angeordnet ist.

Es kann für bestimmte Motorsteuerungen auch ein Halbleiterschalter dem Anker 2 oder eine Feldwicklung 9 parallel geschaltet sein.

Fig. 2 zeigt eine solche Schaltungsanordnung bei der ein Halbleiterschalter 10 dem Anker des Elektromotors 2 parallel geschaltet ist. Ein solcher Halbleiterschalter 10 läßt sich mit einer Drehzahlerkennungseinrichtung 1 1 gut überwachen. Wird über die Steuerelektronik 4 ein Motorbetrieb aktiviert, und die Drehzahlauswertung stellt keine Drehzahl des Motors fest, so ist voraussichtlich der zum Anker parallel geschaltete Halbleiterschalter 10 defekt. Zusätzlich kann dieser Halbleiterschalter 10 noch über einen Shunt 12 überwacht werden. Wird ein vorgegebener Höchststrom überschritten, so werden die geschalteten Halbleiterschalter 1 ,3 in den Netzanschlüssen a,b umgehend gesperrt, und die Steuerelektronik 4 schaltet auf Störung.

Fig. 3 zeigt eine alternative Überwachung der Halbleiterschalter 1 ',3'. Vom Motoranschluss zu den Halbleiterschaltern 1 ',3' führt jeweils ein Kontrollanschluss 13 zu der Steuerelektronik 4. Liegt während einer Überprüfung der Halbleiterschalter eine Spannung an einem der Kontrollanschlüsse 13 an, so schaltet die Steuerelektronik 4 auf Störung. Die Halbleiterschalter können auch über einen Shunt 12' überwacht werden. Wird bei einer Überwachung der Halbleiterschalter ein vorgegebener Höchststrom überschritten, indem das Netz mit dem ersten Halbleiterschalter V voll angesteuert, und mit dem zweiten Halbleiterschalter 3' schwach angesteuert wird, so ist der zweite Halbleiterschalter defekt, und wird das Netz mit dem zweiten Halbleiterschalter 3 voll, und mit dem ersten Halbleiterschalter 1 schwach angesteuert, so ist der erste Halbleiterschalter defekt, wenn der vorgegebene Höchststrom überschritten ist.

In beiden Fällen schaltet die Steuerelektronik auf Störung.

Fig. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung, mit der eine Überwachung der Halbleiterschalter in den Netzanschlüssen a,b über einen Shunt 12" und über eine Drehzahlauswertung über einen Drehzahlsensor 23 erfolgt. Der Drehzahlsensor 23 ist dem Universalmotor 2 zugeord- net und über weitere Signalleitungen mit der Steuerelektronik 4 verbunden. Bei der Überprüfung der Schaltsicherheit der Halbleiterschalter 1 ", 3" wird der erste Halbleiterschalter 1 " für einen schwachen Stromfluss angesteuert. Wird eine Drehzahl erkannt, so ist der zweite Halbleiterschalter 3" defekt, und die Steuerelektronik 4 schaltet auf Störung. Ist der zweite Halbleiterschalter in Ordnung, so wird der zweite Halbleiterschalter für einen schwachen Stromfluss angesteuert, wird eine Drehzahl erkannt, so ist der erste Halbleiterschalter defekt und die Steuerelektronik 4 schaltet auf Störung.

Mit den beschriebenen Ausführungsformen können folgende Verfahren durchgeführt werden: Der netzbetriebene Elektromotor 2 für ein Elektrowerkzeug weist Schalter, insbesondere Halbleiterschaltern 1 ,3 auf, deren Funktionsweise auf Betriebssicherheit mit er Steuerelekt- ronik 4 überwacht wird. Dabei ist in jedem Netzanschluss a,b zum Elektromotor ein Schalter 1 ,3 angeordnet. Die Schalter sind mit der Steuerelektronik über Steuerleitungen 20,21 verbunden. In einem ersten Schritt wird von der Steuerelektronik 4 der erste Schalter 1 leitend und der zweite Schalter 2 sperrend geschalten werden. Anschließend wird von der Steuer- elektronik ein Betriebsparameter des Elektromotors 2 erfasst und mit einem vorgegebenen Wert verglichen. Es wird eine Fehlfunktion der Schalter 1 ,3 von der Steuerelektronik 4 erkannt, wenn der erfasste Betriebsparameter von dem vorgegebenen Wert abweicht. In einem zweiten Schritt wird von der Steuerelektronik 4 der erste Schalter 1 sperrend und der zweite Schalter 3 leitend geschalten. Anschließend wird ein Betriebsparameter des Elektro- motors von der Steuerelektronik erfasst und mit einem vorgegebenen Wert verglichen. Von der Steuerelektronik 4 wird eine Fehlfunktion der Schalter 1 ,3 erkannt wird, wenn der erfasste Betriebsparameter von dem vorgegebenen Wert abweicht. Der oder die vorgegebenen Werte sind in einem Speicher abgelegt, der mit der Steuerelektronik verbunden ist. In einer weiteren Ausführungsform ist jedem Schalter eine Stromkontrolleinrichtung 5,6 parallel geschaltet und zur Überwachung der Schalter 1 ,3 und zur Erfassung des Betriebsparameters sind die Stromkontrolleinrichtungen 5,6 mit der Steuerelektronik 4 verbunden.

In einer weiteren Ausführungsform schaltet die Steuerelektronik 4 auf Störung, wenn bei ei- ner Überwachungskontrolle der Schalter 1 ,3 der erfasste Betriebsparameter nicht mit einem vorgegebenen, abgespeicherten Wert übereinstimmt.

In einer weiteren Ausführungsform ist von Motoranschlüssen an den Schaltern 1 ',3' jeweils ein Kontrollanschluss 13 zu der Steuerelektronik 4 geführt, wobei über den Kontrollanschluss ein Betriebsparameter erfasst wird, wobei insbesondere während einer Überprüfung der Schalter 1 ',3', bei der die Schalter leitend geschalten sind, die Steuerelektronik 4 auf Störung schaltet, wenn eine Spannung an einem der Kontrollanschlüsse 13 liegt.

In einer weiteren Ausführungsform wird als Betriebsparameter eine Spannung, eine Drehzahl oder ein Stromfluss von der Steuerelektronik 4 erfasst.

In einer weiteren Ausführungsform die Überwachung der Schalter 1 ",3" in Netzanschlüssen a,b über einen Shunt 12", und/oder über eine Drehzahlauswertung des Elektromotors 2, wobei während einer Überprüfung der Schalter 1 ",3" die Steuerelektronik 4 auf Störung schal- tet, wenn die erfasste Drehzahl und/oder der erfasste Stromfluss von dem vorgegebenen Wert abweicht. In einer weiteren Ausführungsform erfolgt eine Abfrage für eine Überwachung der Schalter 1 ,3, wenn ein Elektrowerkzeug an ein Netz gelegt ist, oder während eines Motorbetriebes in einer Zeit einer jeweiligen Halbwelle eines Netzes, bei der die Schalter nicht angesteuert sind.

In einer weiteren Ausführungsform wird eine Schutzschaltung aktiviert und ein weiterer Schalter 7 von der Steuerelektronik 4 angesteuert, wenn sowohl der erste Schalter 1 als auch der zweite Schalter 3 defekt sind.

In einer weiteren Ausführungsform sind in einem ersten oder in einem zweiten als auch in beiden Netzanschlüssen a,b mehrere Schalter in Reihe geschaltet.

In einer weiteren Ausführungsform ist einem Anker des Elektromotors 2 ein Schalter 10 pa- rallel geschaltet und eine Überwachung des Schalters 10 erfolgt über eine Drehzahlerkennungseinrichtung 1 1 und/oder über einen Shunt 12.

In einer weiteren Ausführungsform werden die Schalter 1 ',3' zusätzlich über einen Shunt 12' überwacht und bei einer Überschreitung eines vorgegebenen Höchststroms schaltet die Steuerelektronik 4 auf Störung.

In einer weiteren Ausführungsform wird die Funktionsfähigkeit der Halbleiterschalter des netzbetriebenen Elektromotors für ein Elektrowerkzeug auf Betriebssicherheit mit einer Steuerelektronik (4) mit Mikrokontroller überwacht,

- wobei in jedem Netzanschluss a,b des Elektromotors ein Halbleiterschalter 1 ,3 angeordnet ist, und den Halbleiterschaltern eine Steuerelektronik 4 zugeordnet ist, wobei die Halbleiterschalter 1 ,3 speziell überwacht sind, wozu jedem Halbleiterschalter eine Stromkontrolleinrichtung 5,6 parallel geschaltet ist,

und zur Überwachung der Halbleiterschalter 1 ,3 die Stromkontrolleinrichtungen 5,6 mit der Steuerelektronik 4 verbunden sind,

und die Steuerelektronik 4 auf Störung schaltet, wenn bei einer Überwachungskontrolle der Halbleiterschalter 1 ,3 kein Strom über eine Stromkontrolleinrichtung der Stromkontrolleinrichtungen 5,6 fließt. In einer weiteren Ausführung wird bei einem netzbetriebenen Elektromotor für ein Elektrowerkzeug mit Halbleiterschaltern 1 ',3' eine Überwachung auf Betriebssicherheit mit einer Steuerelektronik 4 mit Mikrokontroller durchgeführt,

wobei von Motoranschlüssen an den Halbleiterschaltern 1 ',3' jeweils ein Kontrollan- schluss 13 zu der Steuerelektronik 4 führt,

und während einer Überprüfung der Halbleiterschalter 1 ',3' die Steuerelektronik 4 sofort auf Störung schaltet, wenn eine Spannung an einem der Kontrollanschlüsse 13 liegt.

In einer weiteren Ausführungsform wird bei einem netzbetriebenen Elektromotor für ein Elektrowerkzeug mit Halbleiterschaltern 1 ",3" eine Überwachung auf Betriebssicherheit mit einer Steuerelektronik 4 mit Mikrokontroller durchgeführt,

wobei die Überwachung der Halbleiterschalter 1 ",3" in Netzanschlüssen a,b über ei- nen Shunt 12", und/oder über eine Drehzahlauswertung erfolgt,

und während einer Überprüfung der Halbleiterschalter 1 ",3" die Steuerelektronik 4 auf Störung schaltet, wenn eine Drehzahl erkannt, und/oder ein zu hoher Stromfluss ermittelt ist. In einer weiteren Ausführungsform werden die Halbleiterschalter überwacht, wobei eine Abfrage für eine Überwachung der Halbleiterschalter 1 ,3 erfolgt, wenn ein Elektrowerkzeug an ein Netz gelegt ist, oder während eines Motorbetriebes in einer Zeit einer jeweiligen Halbwelle eines Netzes, bei der die Halbleiterschalter nicht angesteuert sind. In einer weiteren Ausführungsform werden die Halbleiterschalter überwacht, wobei eine Schutzschaltung aktiviert, und ein weiterer Halbleiterschalter 7 von der Steuerelektronik 4 angesteuert ist, wenn sowohl der erste Halbleiterschalter 1 als auch der zweite Halbleiterschalter 3 defekt ist. In einer weiteren Ausführungsform werden die Halbleiterschalter überwacht, wobei in einem ersten oder in einem zweiten als auch in beiden Netzanschlüssen a,b mehrere Halbleiterschalter in Reihe geschaltet sind.

In einer weiteren Ausführungsform werden die Halbleiterschalter überwacht, wobei einem Anker des Elektromotors 2 ein Halbleiterschalter 10 parallel geschaltet ist, und eine Überwa- chung des Halbleiterschalters 10 über eine Drehzahlerkennungseinrichtung 1 1 und/oder über einen Shunt 12 erfolgt.

In einer weiteren Ausführungsform werden die Halbleiterschalter überwacht, wobei die Halb- leiterschalter 1 ',3' zusätzlich über einen Shunt 12' überwacht sind, und bei einer Überschreitung eines vorgegebenen Höchststroms die Steuerelektronik 4 auf Störung schaltet.