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Dokumentenidentifikation DE102006020657A1 16.11.2006
Titel Schutzanordnung für einen elektrischen Motor
Anmelder Danfoss Compressors GmbH, 24939 Flensburg, DE
Erfinder Weihrauch, Niels Christian, 24941 Flensburg, DE
Vertreter Patentanwälte Knoblauch und Knoblauch, 60322 Frankfurt
DE-Anmeldedatum 04.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006020657
Offenlegungstag 16.11.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.11.2006
IPC-Hauptklasse H02H 7/08(2006.01)A, F, I, 20060504, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Schutzanordnung zur Unterbrechung der Versorgung zu einem elektrischen Motor (2), wenn der Strom einen bestimmten Wert überschreitet. Die Anordnung ist konfigurierbar zwischen einer empfindlichen Konfiguration und einer weniger empfindlichen Konfiguration, in denen der Schutzschalter die Energie bei verschiedenen Niveaus des Stromes von der Energieversorgung unterbricht, so daß der verhältnismäßig hohe Strom, der beim Start geliefert wird, von dem Schutzschalter akzeptiert wird, wogegen das gleiche Stromniveau bei laufendem Motor eine Aktivierung der Schutzanordnung und damit eine Unterbrechung der Energieversorgung bewirken würde. Weiter betrifft die Erfindung einen Motor mit einer Schutzanordnung und ein Verfahren zum Betreiben des Motors.

Beschreibung[de]
Einleitung

Die Erfindung betrifft eine Schutzanordnung zur Unterbrechung der Versorgung zu einem elektrischen Motor. Die Erfindung betrifft weiter einen Motor mit einer solchen Anordnung und ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Motors mit einem Rotor, der im Verhältnis zu einem Stator rotiert. Die Anordnung umfaßt einen Schutzschalter zur Unterbrechung der Versorgung des Motors in Abhängigkeit von einem Stromniveau oder einem Spannungsniveau der gelieferten Energie.

Hintergrund der Erfindung

In einem Typ von allgemein angewandten elektrischen Motoren umfaßt ein Stator eine Hauptwicklung, und zwar eine Wicklung, in der ein elektrisches Feld ein magnetisches Feld erzeugt. Im oder am äußeren Umfang des Stators ist ein Rotor zwecks Drehung unter dem Einfluß des magnetischen Feldes drehbar befestigt. Es gibt verschiedene Prinzipien, z.B. synchrone, asynchrone und Line Start Motoren.

Bimetall-Schutzvorrichtungen zur Unterbrechung der Versorgung von Strom zu einem Motor sind allgemein bekannt. US 3 636 426 zeigt eine Motorschutzvorrichtung, die mit einem Motor verbunden ist. Die Schutzvorrichtung umfaßt einen thermostatischen Schalter mit einer schnappartigen, bimetallischen Scheibe, die mit festen Kontakten zusammenarbeitet, um den Motorkreislauf zu unterbrechen, wenn die Temperatur der Scheibe ein vorbestimmtes Niveau übersteigt. Die Schutzvorrichtung umfaßt auch eine Heizvorrichtung, die durch ein Paar Drehstromversorgungsleitungen in Reihe mit dem Motor und dem Schalter verbunden ist und die in Wärmeaustauschverbindung mit der Scheibe steht. Die Wärme, die von der Heizvorrichtung erzeugt wird, variiert als Funktion des vom Motor verbrauchten Stroms. Wenn der Motor in einer blockierten Rotorsituation gestoppt oder erregt wird, so daß Überlaststrom verbraucht wird, wird der Schalter zwecks Öffnung des Motorkreislaufes schnell auf seine Aktivierungstemperatur beheizt, wodurch der Motor energielos gemacht und geschützt wird. Die Scheibe selbst kann so konstruiert werden, daß sie genügend Widerstand zur Bereitstellung dieser Funktion durch Selbstaufheizung leistet. Die Rückstellung der Schutzvorrichtung kann automatisch, und zwar durch die Abkühlung der thermostatischen Bimetallscheibe, oder manuell erfolgen. Bimetallelemente schalten schlagartig, d.h. schnappaktivieren üblicherweise bei eine r Temperatur von ungefähr 130 bis 145°C, was einer maximalen Rotortemperatur entspricht, die in Extremfällen im Bereich 250 bis 300°C sein kann. In solchen Situationen unterbricht die Schutzvorrichtung den Kreislauf, so daß der Motor keine Energie erhält, wobei die Temperaturen von Rotor und Bimetallelement allmählich abfallen, bis das Bimetallelement eine Temperatur erreicht, bei der es zurückschaltet und den Kreislauf schließt.

In der Startphase, also wenn der Rotor anfängt ab Null Umdrehungen pro Minute (RPM) zu rotieren, nimmt die Hauptwicklung einen relativ hohen Startstrom von der Stromversorgung ab, und während die Motorgeschwindigkeit ansteigt, sinkt der Strom, der durch die Hauptwicklung geleitet wird. Um den Start des Motors zu ermöglichen, ist der Schutzschalter so konstruiert, daß er die Energie bei einem Stromniveau unterbricht, die über dem Startstrom liegt. Wenn die Geschwindigkeit angestiegen ist und der Strom abgefallen ist, kann dieser beschränkt empfindliche Schutzschalter den Motor vielleicht nicht ausreichend schützen, z.B. bei extremen Belastungen, bei denen das Stromniveau zu einem Niveau angestiegen ist, das schädlich ist, aber nicht ausreicht, um den Schutzschalter dazu zu bewegen die Energie abzuschalten.

Beschreibung der Erfindung

Um die mit den bekannten Schutzschaltern verbundenen Probleme zu lösen, bietet die Erfindung eine Schutzvorrichtung mit einem Schutzschalter, der zwischen einer empfindlichen Konfiguration und einer weniger empfindlichen Konfiguration konfigurierbar ist, wobei der Schutzschalter die Energie zum Motor ein- oder ausschaltet bei verschiedenen Niveaus des Stromes oder der Spannung der gelieferten Energie. Aufgrund der Konfigurierbarkeit des Schalters kann der Motor mit dem Schutzschalter in der weniger empfindlichen Konfiguration gestartet werden, und ungeachtet des verhältnismäßig hohen Startstroms wird der Schalter nicht aktiviert. Nachfolgend wird der Schutzschalter auf die empfindliche Konfiguration wechseln und kann deshalb die Energie bei einem Stromniveau unterbrechen, das niedriger als der Startstrom ist, wobei der Motor besser geschützt ist als mit den herkömmlichen Schutzschaltern.

Das Schaltniveau in der empfindlichen Konfiguration kann z.B. einen Bereich von 30 bis 70 Prozent des Schaltniveaus in der weniger empfindlichen Konfiguration ausmachen.

Der Schutzschalter kann z.B. ein wärmeempfindliches Schaltelement enthalten, beispielsweise eine schnappartige, bimetallische Scheibe, die von der Wärme beeinflußt wird, die von dem Strom durch den Motor erzeugt wird. Um zwischen der empfindlichen Konfiguration und der weniger empfindlichen Konfiguration zu wechseln, muß eine Heizvorrichtung, die eine Wärmeaustauschverbindung mit der Scheibe hat, entweder aktiviert oder deaktiviert werden, wobei das wärmeempfindliche Element vorbeheizt ist und deshalb bei einem niedrigeren Strom durch den Motor aktiviert wird.

Die Konfiguration des Schutzschalters wird vorzugsweise in Abhängigkeit eines Stromniveaus automatisch geregelt, wahlweise in Kombination mit einem Spannungsniveau der zum Motor gelieferten Energie. Zum Beispiel kann der Motor von dem Typ sein, der mit einer Hauptwicklung und einer Hilfswicklung versehen ist, und in diesem Fall könnte die Konfiguration von dem Strom zur Hauptwicklung des Motors geregelt werden, oder die Konfiguration könnte von der Spannung über die Hilfswicklung des Motors geregelt werden. Beispielsweise kann ein Abschalten des Motors automatisch den Schutzschalter in die weniger empfindliche Konfiguration versetzen und dadurch den Motor für das vom Motor verbrauchte verhältnismäßig hohe Startstromniveau vorbereiten. Wenn die Geschwindigkeit ansteigt und das Stromniveau absinkt, kann der Schutzschalter automatisch auf die empfindliche Konfiguration schalten, wobei der Schutz gegen Beschädigung, z.B. durch die Überlastung des Motors in der Betriebsposition, verbessert wird.

Zur Steuerung der Konfiguration des Schalters kann die Vorrichtung einen elektronisch oder mechanisch geregelten Konfigurationsschalter haben, der zwischen einem leitenden Zustand und einem nicht-leitenden Zustand schaltet, abhängig von einem Strom- oder Spannungsniveau oder einer Kombination von dem Strom- und dem Spannungsniveau, und der dadurch zwischen der empfindlichen Konfiguration und der weniger empfindlichen Konfiguration schaltet, z.B. durch Aktivierung oder Deaktivierung der oben erwähnten Heizvorrichtung. Ein elektronisch geregelter Konfigurationsschalter könnte z.B. in einem digitalen Kreislauf integriert sein, der ein Spannungsniveau über die Hilfswicklung oder das Stromniveau durch die Hauptwicklung mißt. Ein elektronisch geregelter Konfigurationsschalter kann z.B. ein durchschnittliches Stromniveau oder Spannungsniveau bestimmen, und auf Grund des Durchschnitts die Konfiguration des Schutzschalters bestimmen. Der Durchschnitt kann laufend bestimmt und mit einem Referenzeinstellwert verglichen werden, der entscheidet, wann der Schutzschalter in der empfindlichen Konfiguration und wann er in der weniger empfindlichen Konfiguration sein soll. Zur laufenden Bestimmung eines Durchschnittswertes könnte eine Mindestabtastzeit von z.B. 10 Sekunden gewählt werden.

In einem mechanischen Konfigurationsschalter kann die Bewegung zwischen einem leitenden Zustand und einem nicht-leitenden Zustand z.B. durch ein magnetisches Feld, das in einer Relaiswicklung erzeugt wird, bewirkt werden, und das magnetische Feld kann z.B. von dem Strom erzeugt werden, der der Hauptwicklung des Motors zugeführt wird. In dieser Weise kann die Bewegung des Schalters vom Stromniveau durch die Hauptwicklung abhängig sein, wobei die Konfiguration des Schutzschalters von diesem Stromniveau abhängt.

In einer Ausführung kann der Konfigurationsschalter einfach elektrische Energie zur oben erwähnten Heizvorrichtung leiten oder unterbrechen, und in einer alternativen Ausführung ist der Konfigurationsschalter ein Bypass-Schalter, der zwischen der Stromversorgung und dem Motor parallel zu der Heizvorrichtung angeschlossen ist, so daß die Energie nur dann durch die Heizvorrichtung geleitet wird, wenn der Bypass-Schalter in dem nicht-leitenden Zustand ist. In der zuletzt erwähnten Ausführung schließt der Bypass-Schalter die Heizvorrichtung in dem leitenden Zustand kurz. Zusätzliche Heizvorrichtungen können in der Nähe der wärmeempfindlichen Schaltvorrichtung angebracht werden, z.B. Heizvorrichtungen, die sich in einer festen Reihenschaltung mit dem zu heizenden Motor befinden, wenn die Energie zu dem Motor in Übereinstimmung mit bekannten Schutzschaltern geliefert wird.

In einem zweiten Aspekt ergibt die Erfindung einen elektrischen Motor mit einem Rotor, der zum Drehen im Verhältnis zu einem Stator aufgrund einer gelieferten elektrischen Energie vorgesehen ist. Der Motor ist mit einer Vorrichtung nach dem ersten Aspekt der Erfindung versehen. Insbesondere umfaßt der Motor eine Hauptwicklung, die mit Hauptenergie versorgt wird, und eine Hilfswicklung, die mit Hilfsenergie versorgt wird. Der Schutzschalter ist zum Schalten zwischen der empfindlichen Konfiguration und der weniger empfindlichen Konfiguration vorgesehen und zwar in Abhängigkeit eines Stromniveaus durch die Hauptwicklung und eines Spannungsniveaus über der Hilfswicklung des Motors.

In einem dritten Aspekt bietet die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Motors mit einem Rotor, der im Verhältnis zu einem Stator rotiert, wobei die elektrische Energieversorgung unterbrochen wird, wenn ein Stromniveau ein Schaltniveau erreicht, wobei das Schaltniveau von einem Strom durch eine Hauptwicklung und einer Spannung über einer Hilfswicklung des Motors beeinflußt wird.

Jedes Kennzeichen, das in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung beschrieben ist, kann auch für den zweiten und den dritten Aspekt gelten.

Detaillierte Beschreibung

Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführung der Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnungen näher beschrieben. Die Zeichnungen zeigen:

1 ein Diagramm einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik,

2 eine Vorrichtung nach der Erfindung in Diagrammform und

3 und 4 alternative Ausführungen der Erfindung.

In 1 wird ein Schutzschalter 1 in Reihe mit einem Motor 2 eingesetzt. Der Motor umfaßt eine Hauptwicklung L1 und eine Hilfswicklung L2. Der Strom, der durch die Hilfswicklung L2 geleitet wird, ist phasenverschoben im Verhältnis zur Hauptwicklung durch einen der Kondensatoren Cs oder Cr. Beim Start wird der Strom durch den Startkondensator Cs geleitet und von der Elektronik 3 geregelt. Nachfolgend wird die Energie durch den Betriebskondensator Cr geleitet. Der Schutzschalter 1 umfaßt eine schnappartige, bimetallische Scheibe 4, die mit festen Schaltern 5, 6 zur Unterbrechung des Motorkreislaufes zusammenarbeiten, wenn die Temperatur der Scheibe 4 einen vorbestimmten Wert übersteigt. Der Schutzschalter 1 umfaßt weiter eine Heizvorrichtung 7, die über ein Paar von Wechselstromversorgungsleitungen 8, 9 in Reihe mit dem Motor und dem Schalter geschaltet ist; und eine Wärmeaustauschverbindung mit der Scheibe hat. Die Wärme, die von der Heizvorrichtung 7 erzeugt wird, variiert als Funktion des vom Motor 2 verbrauchten Stroms, so daß, wenn der Motor 2 in einer Betriebsfunktion blockiert oder überlastet wird, die Scheibe 4 von der Wärme beeinflußt wird und den Strom abschaltet.

Eine Schutzvorrichtung nach der Erfindung wird in 2 gezeigt, in der ein Bypass-Schalter 10 in Abhängigkeit vom Stromniveau durch die Hauptwicklung L1 zwischen einem leitenden Zustand und einem nicht-leitenden Zustand schaltet. Das Schaltelement 11 wird unter dem Einfluß eines Magnetfeldes, das in der Wicklung L3 erzeugt wird, zwischen einem leitenden und einem nichtleitenden Zustand mechanisch bewegt. In dem nichtleitenden Zustand, der in 2 gezeigt ist, wird die gelieferte Energie durch die Heizvorrichtung 12 geleitet, wobei die bimetallische Scheibe 4 einer erhöhten Beheizung ausgesetzt ist und dadurch die Energie zum. Motor bei einem niedrigen Stromniveau abschaltet, d.h. der Schutzschalter ist in der empfindlichen Konfiguration. Wenn der Bypass-Schalter 10 geschlossen ist, wird die Heizvorrichtung 12 vom Leiter 13 überbrückt und erzeugt keine Wärme, und der Schutzschalter ist in der weniger empfindlichen Konfiguration.

Über den Leiter 14 ist die Wicklung L3 in Reihe mit der Hauptwicklung L1 geschaltet, und das magnetische Feld hängt deshalb von dem Strom ab, der von der Hauptwicklung verbraucht wird. Während des Starts, wenn die Hauptwicklung verhältnismäßig hohe Ströme verbraucht, wird das magnetische Feld stark genug, um das Schaltelement 11 zur geschlossenen Position zu bewegen, wobei die Heizvorrichtung 12 überbrückt wird und der Schutzschalter in der weniger empfindlichen Konfiguration arbeitet. Wenn der Motor 2 an Geschwindigkeit gewinnt, und die Hauptwicklung einen niedrigeren Strom verbraucht, wird das magnetische Feld unzureichend, um das Schaltelement 11 in dem geschlossenen Zustand zu halten. Wenn das Schaltelement öffnet, wird der Bypass unterbrochen und die Heizvorrichtung 12 beginnt zu heizen, wobei der Schutzschalter in der empfindlichen Konfiguration arbeitet.

3 zeigt eine alternative Ausführung, in der ein Schaltelement 15 in Reihe mit der Heizvorrichtung 12 geschaltet ist, um die Heizvorrichtung im geschlossenen Zustand einzuschalten und im geschlossenen Zustand auszuschalten. Das Schaltelement 15 wird von einem Regler 16 aktiviert, der ein Spannungsrelais ist, das über die Hilfswicklung L2 geschaltet ist. In diesem Fall ist die Heizvorrichtung 12 eine Hochwiderstands-Heizvorrichtung verglichen mit der Heizvorrichtung in 2, die eine Niedrigwiderstands-Heizvorrichtung ist.

4 zeigt eine Ausführung entsprechend der in 2 gezeigten Ausführung, in der ein Schaltelement 17 in seinem geschlossenen Zustand die Heizvorrichtung 18 überbrückt, und in der die Heizvorrichtung 18 deshalb nur dann heizt, wenn das Schaltelement 17 in dem offenen Zustand ist. In dieser Ausführung wird der Zustand des Schaltelements von einem Spannungsrelais oder einer elektronischen Komponente 19 aufgrund der Spannung über der Hilfswicklung L2 geregelt.


Anspruch[de]
Schutzanordnung zur Unterbrechung der Versorgung zu einem elektrischen Motor mit einem Schutzschalter, der für die Unterbrechung der Energie zum Motor in Abhängigkeit von einem Strom- oder Spannungsniveau der gelieferten Energie vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzschalter (1) konfigurierbar ist zwischen einer empfindlichen Konfiguration und einer weniger empfindlichen Konfiguration, wobei der Schutzschalter (1) die Energieversorgung bei verschiedenen Niveaus von Strom oder Spannung der gelieferten Energie unterbricht. Anordnung nach Anspruch 1, in der der Schutzschalter (1) abhängig vom Strom- oder Spannungsniveau der gelieferten Energie zwischen der empfindlichen Konfiguration und der weniger empfindlichen Konfiguration schaltet. Anordnung nach Anspruch 2, mit einem Konfigurationsschalter, der zwischen einem leitenden Zustand und einem nicht-leitenden Zustand bewegbar ist, abhängig von dem Strom- oder Spannungsniveau der gelieferten Energie, zwecks Umschaltung zwischen der empfindlichen Konfiguration und der weniger empfindlichen Konfiguration des Schutzschalters. Anordnung nach Anspruch 3, in der der Konfigurationsschalter ein mechanischer Schalter ist, der durch ein Magnetfeld, das in einer Relaiswicklung erzeugt wird, zwischen dem leitenden und dem nicht-leitenden Zustand bewegbar ist. Anordnung nach Anspruch 4, in der das in der Relaiswicklung erzeugte Magnetfeld von einem elektrischen Strom durch den Motor abhängt. Anordnung nach den Ansprüchen 3 bis 5, in der der Schutzschalter ein wärmeempfindliches Schaltelement (4) umfaßt, und in der elektrische Energie einer Heizvorrichtung (12) zugeführt wird, die in Wärmeübertragungsverbindung mit dem wärmeempfindlichen Schaltelement (4) ist, abhängig von dem Zustand des Konfigurationsschalters. Anordnung nach Anspruch 6, in der der Konfigurationsschalter in dem leitenden Zustand Energie zu der Heizvorrichtung liefert. Anordnung nach Anspruch 6, in der der Konfigurationsschalter ein Bypass-Schalter ist, der parallel mit der Heizvorrichtung (12) zwischen der Energieversorgung und dem Motor (2) angeschlossen ist, so daß Energie nur dann durch die Heizvorrichtung (12) geleitet wird, wenn der Bypass-Schalter in dem nicht-leitenden Zustand ist. Elektrischer Motor mit einem Rotor, vorgesehen zum Drehen im Verhältnis zu einem Stator aufgrund von gelieferter elektrischer Energie, wobei der Motor einen Schutzschalter umfaßt, der zur Unterbrechung der Energie zum Motor in Abhängigkeit von einem Stromniveau der gelieferten Energie vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzschalter (1) konfigurierbar ist zwischen einer empfindlichen Konfiguration und einer weniger empfindlichen Konfiguration, in denen der Schutzschalter die Energie bei verschiedenen Stromniveaus unterbricht. Motor nach Anspruch 9, in dem der Schutzschalter (1) zum Schalten zwischen der empfindlichen Konfiguration und der weniger empfindlichen Konfiguration vorgesehen ist, abhängig von einem Strom durch eine Hauptwicklung (L1) oder abhängig von einer Spannung über der Hilfswicklung (L2) des Motors (2). Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Motors mit einem Rotor, der im Verhältnis zu einem Stator rotiert, in dem gelieferte elektrische Energie unterbrochen wird, wenn ein Stromniveau oder ein Spannungsniveau der gelieferten Energie ein Schaltniveau erreicht, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltniveau von einem Strom durch die Hauptwicklung des Motors oder von einer Spannung über der Hilfswicklung des Motors abhängt.






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