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Title:
MEASURING ARRANGEMENT FOR MEASURING AN EFFECTIVE VALUE OF AN AC VOLTAGE IN A HANDHELD POWER TOOL
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2014/086617
Kind Code:
A1
Abstract:
The handheld power tool according to the invention has a measuring arrangement for determining an effective value of an AC voltage (U) supplied via an outer conductor (L) opposite a neutral conductor (N). A regulated DC voltage source (25) has a supply potential (Vcc) which is referenced onto the neutral conductor (N). The DC voltage source (25) adjusts a potential of a mass (23) in relation to the supply potential (Vcc). A voltmeter (26) is supplied by the DC voltage source (25). A voltage divider is suspended between the supply potential (Vcc) and the mass (23). There is a first resistance value (R1) from the supply potential (Vcc) to a tap, and a second resistance value (R2) from the tap to the mass (23). A voltmeter (26) has a measurement range (Mb), the measurement input of the voltmeter is connected to the tap (27), and a measurement line connects the tap to the outer conductor (L). The first resistance value (R1) is selected so as to be less than the second resistance value (R2) such that the average voltage value at the tap is equal to the mean of the measurement range (Mb) for a period of the AC voltage (U).

Inventors:
FORSTNER MARKUS (DE)
Application Number:
PCT/EP2013/074721
Publication Date:
June 12, 2014
Filing Date:
November 26, 2013
Export Citation:
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Assignee:
HILTI AG (LI)
International Classes:
B23B45/02; H02H3/08; H02H7/08; H02K7/14
Foreign References:
US4757242A1988-07-12
US5499155A1996-03-12
EP0874436A21998-10-28
Other References:
See also references of EP 2926425A1
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Claims:
PATENTANSPRÜCHE

1. Handwerkzeugmaschine mit einer Messanordnung zum Bestimmen eines Effektivwerts einer über einen Außenleiter (L) gegenüber einem Neutralleiter (N) eingespeisten Wechselspannung (U) mit:

einer geregelten Gleichspannungsquelle (25), die ein Versorgungspotential (Vcc) auf den Neutralleiter (N) referenziert und dagegen ein Potential einer Masse (23) ausregelt, einem Spannungsmesser (26), der von der Gleichspannungsquelle (25) versorgt ist, einem Spannungsteiler (5), der zwischen dem Versorgungspotential (Vcc) und der Masse (23) aufgehängt ist, einen ersten Wderstand (21 ) von dem Versorgungspotential

(Vcc) zu einem Abgriff und einen zweiten Wderstand (22) von dem Abgriff zu der Masse (23) aufweist,

einem Spannungsmesser (26), der einen Messbereich (Mb) aufweist, dessen Messeingang mit dem Abgriff (27) verbunden ist und aus der Spannung (Uout) an dem Abgriff (27) eine Effektivspannung ermittelt,

einer Messleitung, die den Abgriff mit dem Außenleiter (L) verbindet, wobei

der erste Wderstandswert (R1) des ersten Widerstands (21) derart geringer als der zweite Wderstandswert (R2) des zweiten Widerstands (22) gewählt ist, dass für eine Periode der Wechselspannung (U) der mittlere Spannungswert an dem Abgriff gleich der Mitte des Messbereichs (Mb) ist.

2. Handwerkzeugmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass folgende Beziehung gilt: R1 / R2 = ( 1 - Vcc / Max ), wobei R1 der erste Widerstandswert (R1), R2 der zweite Wderstandswert, Vcc das Versorgungspotential und Max die obere Grenzspannung des Messbereichs (Mb) ist.

3. Handwerkzeugmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messleitung einen Vorwiderstand (Rv) enthält. 4. Handwerkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einen von der Wechselspannung (U) gespeisten Elektromotor (2) beinhaltet.

Description:
Messanordnung zum Messen eines Effektivwertes einer Wechselspannung in einer

Handwerkzeugmaschine

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messanordnung zum Messen eines Effektivwertes einer Wechselspannung insbesondere einer drei- oder mehrphasigen Drehphasenwechselspannung in einer Handwerkzeugmaschine sowie eine entsprechende Handwerkzeugmaschine. Die Versorgung der Handwerkzeugmaschine erfolgt durch eine Wechselspannung, welche je nach Normen und lokaler Belastungen des Netzes starken Schwankungen unterliegen können. Schutzeinrichtung, insbesondere Überlastbegrenzungen, können von der aktuellen Wechselspannung abhängig sein. Die entsprechenden Messwerte werden durch die erfindungsgemäße Messanordnung bereitgestellt.

Eine Zuleitung eines dreiphasigen Drehphasenwechselstrom beinhaltet drei Außenleiter und häufig einen Neutralleiter. Die typischerweise sinusförmige Spannungen auf den Außenleitern liegen jeweils in unterschiedlicher Phase gegenüber dem Neutralleiter an, um die elektrische Energie der Handwerkzeugmaschine zuzuführen. Das Bezugspotential des Neutralleiters kann in bekannter Weise innerhalb der Handwerkzeugmaschine auch durch eine Sternschaltung der Außenleiter erzeugt werden. Das Bestimmen des Effektivwerts der sinusförmigen Wechselspannung U erfolgt durch einen Spannungsmesser, der die Wechselspannung an einem Außenleiter gegenüber dem Neutralleiter aufzeichnet und quadriert.

Der Spannungsmesser wäre zweckmäßigerweise für die Integration in die weiteren Schaltkreise der Handwerkzeugmaschine als ein elektrisches Bauelement ausgebildet, welches per Gleichspannung betrieben wird. Die Bezugspotentiale, d.h. die Versorgungsspannung und die Masse, würden hierbei jedoch von den Wechselspannungspotentialen entkoppelt und auftretende Offsets beeinflussen die Messung des Effektivwerts. OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Die erfindungsgemäße Handwerkzeugmaschine hat eine Messanordnung zum Bestimmen eines Effektivwerts einer über einen Außenleiter gegenüber einem Neutralleiter eingespeisten Wechselspannung. Eine geregelte Gleichspannungsquelle hat ein Versorgungspotential, das auf den Neutralleiter referenziert ist. Die Gleichspannungsquelle regelt gegen das Versorgungspotential ein Potential einer Masse aus. Ein Spannungsteiler ist zwischen dem Versorgungspotential und der Masse aufgehängt. Ein erster Widerstandswert ist von dem Versorgungspotential zu einem Abgriff und ein zweiter Widerstandswert ist von dem Abgriff zu der Masse. Ein Spannungsmesser hat einen Messbereich und dessen Messeingang ist mit dem Abgriff verbunden. Der Spannungsmesser misst die Spannung am Abgriff und ermittelt daraus die Effektivspannung. Eine Messleitung verbindet den Abgriff mit dem Außenleiter. Der erste Widerstandswert ist derart geringer als der zweite Widerstandswert gewählt, dass für eine Periode der Wechselspannung der mittlere Spannungswert an dem Abgriff gleich der Mitte des Messbereichs ist.

Die Messanordnung, insbesondere der Spannungsteiler, kann unabhängig von der eingespeisten Wechselspannung ausgelegt und betrieben werden. Dies ist insbesondere in Hinblick auf unterschiedliche nationale Spannungsversorgungen von Interesse. Der Messbereich des Spannungsmessers wird dabei optimal ausgenützt. Ein möglicher Offset aufgrund der entkoppelten Potentiale der Masse von des Neutralleiters ist in einfacher und dennoch geschickter Weise kompensiert. Der Spannungsteiler ermittelt aus einzelnen Messungen der Spannung an dem Abgriff die Effektivspannung. Dies kann in bekannter Weise durch Integration, in analoger oder numerischer Weise, oder per Bestimmen des Maximalwertes der vorzugsweise sinusförmigen Wechselspannung und Errechnen des Effektivwerts basierend auf dem Maximalwert erfolgen.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die folgende Beziehung gilt: R1 / R2 = ( 1 - Vcc / Max ), wobei R1 der erste Widerstandswert (R1), R2 der zweite Widerstandswert, Vcc das Versorgungspotential und Max die obere Grenzspannung des Messbereichs (Mb) ist. Die Handwerkzeugmaschine ist insbesondere eine elektrische Handwerkzeugmaschine, wie zum Beispiel ein Elektroschrauber, eine handgehaltene Bohrmaschine, ein Meißelhammer, ein Kombihammer, ein Akkuschrauber, eine Kreissäge oder eine Säbelsäge. KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Die nachfolgende Beschreibung erläutert die Erfindung anhand von exemplarischen Ausführungsformen und Figuren. In den Figuren zeigt:

Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Messanordnung zum Messen eines Effektivwertes einer Wechselspannung in einer Handwerkzeugmaschine; Fig. 3 ein Messergebnis einer Ausführungsform eines Messens eines Effektivwertes einer Wechselspannung in einer Handwerkzeugmaschine;

Fig. 4 ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Handwerkzeugmaschine.

Gleiche oder funktionsgleiche Elemente werden durch gleiche Bezugszeichen in den Figuren indiziert, soweit nicht anders angegeben.

AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG

Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Messanordnung 5 zum Messen des Effektivwertes E der Wechselspannung U in einer Handwerkzeugmaschine. Dargestellt sind der Neutralleiter N und ein Außenleiter L einer dreiphasigen Stromzuführung. Eine Spannungsversorgung 24 leitet den Strom an die internen Verbraucher der Handwerkzeugmaschine weiter, z.B. an einen Motor. Ein Gleichspannungsregler 25 versorgt einen Gleichspannungsbereich. Der Gleichspannungsregler 25 greift die Wechselspannung ab, und wandelt die Wechselspannung U1 in eine feste, geregelte Gleichspannung Vcc um. Der Gleichspannungsregel 25 referenziert sein Potential auf die Spannung U1 des Neutralleiters L. Der Gleichspannungsregler 25 zieht dabei eine Masse 23 auf ein entsprechendes Potential. Die Masse 23 ist entkoppelt gegenüber dem Potential Um des Außenleiters L. Ein Spannungsmesser 26 wird durch die Gleichspannung Vcc des Gleichspannungsreglers 25 versorgt. Der Spannungsmesser 26 nutzt die Masse 23 als Bezugspotential. Der Spannungsmesser 26 hat einen vorgegebenen Messbereich, welcher bedingt durch die Versorgung zwischen Masse 23 und der Versorgungsspannung Vcc liegt. Die Bauweise des Spannungsmesser 26 können den Messbereich und dessen Auflösung weiter einschränken. Der Messbereich Mb ist nach oben durch die Spannung Max und nach unten durch die Spannung Min begrenzt. Der Mittelwert MwMb des Messbereichs Mb ist das arithmetische Mittel von Min und Max. Der Messeingang des Spannungsmesser 26 ist mittelbar mit dem Außenleiter L verbunden. Eine Messanordnung 5 zwischen dem Außenleiter L und dem A/D- Wandler sorgt für eine Anpassung der Spannungspegel, um den Messbereich des A/D- Wandlers 26 maximal auszunützen. Die Messanordnung 5 umfasst weiter einen Vorwiderstand R v und einen Spannungsteiler aus einem ersten ohmschen Widerstand 21 und einem zweiten ohmschen Wderstand 22 mit ungleichen Wderstandwerten R 2 . Der Spannungsteiler 21 , 22 ist derart dimensioniert, dass der Mittelwert Mw E der zu messenden Wechselspannung U dem Mittelwert Mw Mb des Messbereiches Mb entspricht.

Der Spannungsmesser 26 zeichnet die Spannung Uout an dem Abgriff 27 für wenigstens eine Periode der Wechselspannung auf. Die effektive Spannung kann durch Integration (Quadratur) der aufgezeichneten Spannung Uout oder bei angenommener sinusförmiger Spannung aus dem Spitzenwert der Spannung Uout berechnet werden. Der Spannungsmesser 26 kann einen A/D-Wandler und ggf. einen Integrator enthalten.

Fig. 3 zeigt ein Messergebnis eines Messens des Effektivwertes E der Wechselspannung U in einer Handwerkzeugmaschine gemäß der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform. Durch die oben dargestellte Dimensionierung des Spannungsteilers 21 , 22 entspricht der Mittelwert Mw E des zu messenden Effektivwertes E der Wechselspannung U dem Mittelwert Mw Mb des Messbereiches Mb, so dass ein Offset zwischen dem Mittelwert Mw E des zu messenden Effektivwertes E der Wechselspannung U und dem Mittelwert Mw Mb des Messbereiches Mb vermieden wird. Auf diese Weise wird der Messbereich Mb optimal ausgenutzt.

Im Folgenden ist die Berechnung der Dimensionierung des Spannungsleiters 21 , 22 dargestellt. Um ist das Wechselspannungspotential an dem Außenleiter L, Rv der Widerstandswert des Vorwiderstands Rv, Uout das Potential an dem Messabgriff 27 des Spannungsteilers 21 , 22,

Vom ersten Kirchhoffschen Gesetz lässt sich folgender Ausdruck ableiten: Die Messanordnung ist für eine maximale Scheitelspannung Ü ausgelegt, welche als Max des Messbereichs Mb dargestellt wird.

Eingesetzt in (1) folgt daraus:

Vcc

R 2 = ^ R v (2)

U + Ui - Vcc

Bei der maximal messbaren negativen Scheitelspannung Ü , welche den kleinsten von dem Spannungsmesser darstellbaren Wert Min abgebildet wird, gilt:

Wiederum eingesetzt in (1) folgt daraus:

R = ^ Vc c c c . R (3)

1 U - U 1 v

i

Im Nulldurchgang gilt U m — U 1 und es sollte U out — - · V C c sein.

Im Folgenden werden zwei Varianten 1 und 2 des oben dargestellten Verfahrens beispielhaft aufgeführt.

Variante 1 :

Gewünschter Messbereich: +288 e ^; U = ±407V peak

Ausgangsspannung Power Supply: U 1 = 7,3V

Spannungsversorgung A/D-Wandler: V ' cc = 5,0V

Vorwiderstand: R v = 204/ti2

R 1 = 2,55kn

R 2 = 2,49kü

Variante 2:

In dieser vereinfachten Variante liefert die Power Supply direkt die Versorgungsspannung des A/D-Wandlers, was bedeutet, dass U 1 = V C c-

Somit vereinfachen sich die beiden Ausdrücke (2) und (3) zu:

R 2 = ^ . R V (2 R 1 = ^ . R V (3 ')

u u— V cc

Gewünschter Messbereich: ±264V e ff = ±380V peak

Ausgangsspannung Power Supply: U 1 = 5,0V

Spannungsversorgung A/D-Wandler: V C c = 5,0V

Vorwiderstand: R v = 204/ci2

R 1 = 2,72kü

R 2 = 2,68kn In Fig. 4 ist ein schematisches Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer Handwerkzeugmaschine 1 , z.B. einen Bohrhammer, dargestellt. Die Handwerkzeugmaschine 1 umfasst einen Elektromotor 2, welcher beispielsweise über ein Getriebe, Schlagwerk etc. 10 ein Werkzeug 3 antreibt. Weiterhin weist die Handwerkzeugmaschine 1 eine Steuereinrichtung 4 zur Steuerung des Elektromotors 2 auf. Die Steuereinrichtung 4 steuert dabei beispielsweise eine Spannungsversorgung des Elektromotors 2, und dadurch ein Drehmoment und/oder eine Drehzahl des Elektromotors 2.

Ein Anwender nimmt die Handwerkzeugmaschine 1 durch Betätigen eines Tasters 9 in Betrieb. Der Taster 9 ist vorzugsweise an einem Handgriff 6 angeordnet, mit welchem der Anwender die Handwerkzeugmaschine 1 halten und führen kann. Eine Netzleitung 8 der Handwerkzeugmaschine 1 versorgt die Steuereinrichtung 4 und den Elektromotor 2 in Abhängigkeit des Betätigens des Tasters 9 mit einer elektrischen Spannung. Die Netzleitung 8 hat vorzugsweise drei Potential-führende Leitungen (Außenleiter L). Die Netzleitung 8 kann einen Neutralleiter N enthalten, oder der Neuraileiter N kann von einer Sternschaltung innerhalb der Handwerkzeugmaschine 1 zu der Steuerungseinrichtung 4 und der Messanordnung 5 geführt sein.

Eine Messanordnung 5 dient zum Messen eines Effektivwertes einer Wechselspannung in der Handwerkzeugmaschine 1. In der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel der Handwerkzeugmaschine 1 ist die Messanordnung 5 Teil der Steuereinrichtung 4. Die Messanordnung 5 kann jedoch auch anders in der Handwerkzeugmaschine 1 angeordnet sein, beispielsweise als separates Bauteil außerhalb der Steuereinrichtung 4.