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Die Erfindung betrifft einen elektronischen Motorstarter für Elektromotoren, der eine Schutz- und Überwachungsfunktion aufweist, jedoch keine mechanischen Komponenten zur Abschaltung des Haupt- sowie des Hilfsstromkreises benötigt.
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 43 35 965 A1 beschreibt einen kombinierten Motorstarter mit einem netzseitigen Leistungsschalter, einem dazu in Reihe geschalteten lastseitigen Schütz und einer elektronischen Einheit zum Messen, Steuern und Überwachen. Die beiden Schaltgeräte weisen mechanische Kontaktsysteme und die elektronische Einheit elektronische Auslöser für einen Motor- und einen Kurzschlußschutz auf. Durch die elektronischen Auslöser der elektronischen Einheit können herkömmliche Auslöser wie Bimetallrelais und Schnellauslöser ersetzt und aufwendige Konstruktionen zum Ermöglichen einer Kurzschlußstromauslösung vermieden werden. Zudem ermöglicht die elektronische Überlastüberwachung große Einstell- und Auslösebereiche der elektronischen Auslöser.
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Ein dreiphasiger elektronischer Motorstarter ist in der der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2013 111 954 A1 beschrieben. Der Motorstarter ist durch ein Schütz mit mechanischen Kontakten und ein aufsteckbares Modul mit Halbleiterschaltern realisiert. Das Modul dient dazu, die sehr hohe Belastung der mechanischen Schaltkontakte des Schützes aufgrund der insbesondere beim Anfahren eines Elektromotors auftretenden hohen Einschaltströme zu reduzieren. Hierzu werden die Halbleiterschalter des aufsteckbaren Moduls über einen entsprechende Ansteuerung parallel zu den Schaltkontakten während eines Ein- und Ausschaltvorgangs des Schützes derart geschaltet, dass die Schaltkontakte nahezu leistungslos schalten können und dadurch weniger belastet werden. Das aufsteckbare Modul kann eine integrierte Motorschutzschaltung aufweisen, die eine Auslöseelektronik sowie pro Phase einen Stromwandler aufweist. Die Auslöseelektronik steuert abhängig von den Ausgangssignalen der Stromwandler eine Abschaltung die Stromzufuhr zum Motor und bewirkt insbesondere bei zu hohen Strömen eine Abschaltung der Motor-Stromzufuhr.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, einen verbesserten Motorstarter vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein der vorliegenden Erfindung zugrunde liegender Gedanke besteht darin, einen vollständig elektronischen Motorstarter zu schaffen, der ohne mechanische Komponenten implementiert werden kann. Hierzu wird erfindungsgemäß ein durch einen Leistungshalbleiter ausgeführter Solid-State-Schütz (Halbleiterschütz) als Hauptschalter zusammen mit einem elektronischen Motorschutzrelais kombiniert in einem Gehäuse zusammen mit einer Ansteuerungs- und Überwachungselektronik für das Solid-State-Schütz und das Motorschutzrelais aufgebaut.
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Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft nun einen elektronischen Motorstarter aufweisend einen als Leistungshalbleiter ausgeführten Hauptschalter, der ein Halbleiterschütz bildet und mindestens einen Halbleiterschalter zum Schalten einer Phase einer Hauptstromversorgung einer Motorwicklung aufweist, wobei ein erster Anschluss jedes Halbleiterschalters mit einem entsprechenden ersten Hauptstromkontakt des Motorstarters verbunden ist, einen als Halbleiterschalter ausgeführten und zwischen mindestens ein Paar von Hilfskontakten des Motorstarters geschalteten Hilfsschalter, eine elektronischen Messwandlereinheit zum Messen der Ströme der Phasen der Hauptstromversorgung, die zwischen einen zweiten Anschluss jedes Halbleiterschalters des Hauptschalters und einen entsprechenden zweiten Hauptstromkontakt des Motorstarters geschaltet ist, und eine elektronische Steuereinheit für den Hauptschalter und den Hilfsschalter, die über Steuerkontakte des Motorstartes versorgt wird, der Messsignale der Messwandlereinheit zugeführt werden und die ausgebildet ist, abhängig von der Versorgung über die Steuerkontakte und/oder den Messsignalen den Hauptschalter und/oder den Hilfsschalter zu steuern. Durch den vollständig elektronischen Aufbau eines derartigen Motorstarters kann ein elektronisches Schalten und Schützen bei einer Motoransteuerung in einem Gerät realisiert werden.
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Der Motorstarter kann eine elektronische Meldungseinheit aufweisen, die von der elektronischen Steuereinheit angesteuert wird und ausgebildet ist, optisch und/oder akustisch Meldungen zum Status des Motorstarters zu erzeugen. Beispielsweise kann die Meldungseinheit eine mehrfarbige LED (Light Emitting Diode) ansteuern, über die verschiedene Zustände des Motorstarters optisch durch verschiedene Farben und/oder Blinken signalisiert werden können.
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Der Motorstarter kann auch eine elektronische Parametrierungseinheit aufweisen, die ausgebildet ist, mindestens einen Parameter für die elektronische Steuereinheit vorzugeben. Die elektronische Parametrierungseinheit kann ausgebildet sein, als Parameter für die elektronische Steuereinheit mindestens einen der folgenden Parameter vorzugeben: einen Motornennstrom; eine Trägheitsklasse für eine Überlastauslösung der Stromversorgung eines Elektromotors; ein Verhalten nach einer Überlastauslösung, insbesondere ein automatisches oder manuelles Wiedereinschalten. Zum Einstellen von Parametern können beispielsweise Potentiometer oder Schalter wie Dreh- oder Kippschalter vorgesehen sein.
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Die elektronische Messwandlereinheit kann Stromwandler und/oder Hall-Sensoren und/oder andere geeignete Messmittel zum Messen der Ströme der Phasen der Hauptstromversorgung aufweisen.
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Die elektronische Steuereinheit kann ausgebildet sein, abhängig von einer an den Steuerkontakten anliegenden Steuerspannung einen Bemessungsspannungsbereich des Motorstarters einzustellen. Dadurch kann ein Motorstarter mit einem universellen Eingangsspannungsbereich realisiert werden.
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Der als Leistungshalbleiter ausgeführte Hauptschalter kann mehrere Halbleiterschalter aufweisen, die als Wendestarter verschaltet sind. Der als Leistungshalbleiter ausgeführte Hauptschalter kann auch als Direktstarter ausgebildet sein, der für mindestens eine Phase der Hauptstromversorgung der Motorwicklung einen Halbleiterschalter aufweist. Insbesondere kann der als Leistungshalbleiter ausgeführte Hauptschalter als Direktstarter ausgebildet sein, der für jede Phase der Hauptstromversorgung der Motorwicklung jeweils einen Halbleiterschalter aufweist.
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Der Motorstarter kann zudem eine Schnittstelle aufweisen, über die Prozessdaten aus dem Motorstarter ausgelesen und an eine Leitwarte übertragen und/oder Daten, insbesondere Parameter für die elektronische Steuereinheit, empfangen werden können.
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Um einen kompakten Aufbau des Motorstarters zu ermöglichen, können die elektronischen Komponenten des Motorstartes gemeinsam auf einem Trägerelement, beispielsweise einer Leiterplatte oder auf mehreren miteinander verdrahteten Trägerelementen angeordnet und verdrahtet sein. Mehrere miteinander verdrahtete Trägerelemente können beispielsweise gestapelt angeordnet sein, um einen kompakten Aufbau zu ermöglich.
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Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
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In der Beschreibung, in den Ansprüchen, in der Zusammenfassung und in den Zeichnungen werden die in der hinten angeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet.
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Die Zeichnungen zeigen in
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1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines elektronischen Direkt- Motorstarters mit elektronischem Motorschutz gemäß der Erfindung;
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2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines elektronischen Wende- Motorstarters mit elektronischem Motorschutz gemäß der Erfindung;
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3 ein Ausführungsbeispiel von Schaltern und Messwandlern für den elektronischen Wende-Motorstarter gemäß der Erfindung;
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4 ein Ausführungsbeispiel von Schaltern und Messwandlern für den elektronischen Direkt-Motorstarter gemäß der Erfindung, bei dem alle Strombahnen schaltbar sind; und
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5 ein Ausführungsbeispiel von Schaltern und Messwandlern für den elektronischen Direkt-Motorstarter gemäß der Erfindung, bei dem zwei von drei Strombahnen schaltbar sind.
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In der folgenden Beschreibung können gleiche, funktional gleiche und funktional zusammenhängende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Absolute Werte sind im Folgenden nur beispielhaft angegeben und sind nicht als die Erfindung einschränkend zu verstehen.
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1 zeigt ein Blockschaltbild eines dreiphasigen elektronischen Direkt- Motorstarters 10, der die üblichen Anschlusskontakte aufweist:
11–12: Hilfskontakt-Paar (Öffner)
13–14: Hilfskontakt-Paar (Schließer)
L1–L3: netzseitige (erste) Hauptstromkontakte
T1–T3: lastseitige (zweite) Hauptstromkontakte
A1–A2: Steuerkontakte (Spulenanschlüsse)
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Der Motorstarter 10 ist vollständig aus elektronischen Komponenten aufgebaut, die auf einer als Träger dienenden Leiterplatte angeordnet und verdrahtet sind. Die Leiterplatte ist in einem Gehäuse des Motorstarters untergebracht, dass die obigen Anschlusskontakte aufweist.
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Der Motorstarter 10 weist als Hauptschalter 1 ein durch einen Leistungshalbleiter ausgeführtes Solid-State-Schütz mit mehreren Halbleiterschaltern, beispielsweise durch Triacs realisiert, auf. Erste Anschlüsse dieser Halbleiterschalter sind mit den entsprechenden netzseitigen (ersten) Hauptstromkontakten L1–L3 des Motorstarters 10 verbunden.
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Zusätzlich weist der Motorstarter 10 einen Hilfsschalter 2 auf, der als Halbleiterschalter ausgeführt ist, beispielsweise als Triac, und zwischen ein Hilfskontakt-Paar 11–12 (Öffner; in diesem Fall wird der Hilfsschalter 2 als Öffner betrieben) bzw. 13–14 (Schließer; in diesem Fall wird der Hilfsschalter 2 als Schließer betrieben) geschaltet ist, um eine an das Hilfskontakt-Paar 11–12 bzw. 13–14 angeschlossene Meldeleitung zu unterbrechen bzw. zu schließen.
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Zum Messen der Ströme der drei Phasen der Hauptstromversorgung weist der Motorstarter 10 eine elektronische Messwandlereinheit 3 auf, die beispielsweise Stromwandler, Hallsensoren oder dergleichen Messwandler umfasst. Pro Phase ist mindestens ein Messwandler vorgesehen, der entsprechend dem 10fachen des maximal zulässigen Nennstroms einer Hauptstrombahn ausgelegt ist.
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Der Hauptschalter 1 und der Hilfsschalter 2 werden von einer elektronischen Steuereinheit 4 angesteuert, die über eine an den Steuerkontakten A1 und A2 anliegende Spannung versorgt wird. Die anliegende Spannung wird zunächst einer Gleichrichterschaltung zugeführt. Die gleichgerichtete Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung wird von einem DC/DC-Wandler in eine Betriebsspannung für eine Mikrokontroller- und Treiberschaltung umgewandelt. Ein Mikrokontroller µC der Mikrokontroller- und Treiberschaltung führt eine in seinem internen Permanentspeicher abgelegte Firmware aus, die den Mikrokontroller µC zum Verarbeiten von Messsignalen der Messwandler der Messwandlereinheit 3 und davon abhängigen Steuern des Hauptschalters 1 und des Hilfsschalters 2 über die Treiberschaltung konfiguriert, wie nachfolgend noch erläutert wird.
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Der Motorstarter 10 weist noch zwei weitere Einheiten 5 und 6 auf:
Die Parametrierungseinheit 5 ist vorgesehen und dazu ausgebildet, als Parameter für die elektronische Steuereinheit 4 einen Motornennstrom „Ir“, eine Trägheitsklasse „Class“ für eine Überlastauslösung der Stromversorgung eines Elektromotors, das Verhalten „Hand/Auto“ nach einer Überlastauslösung (automatisches oder manuelles Wiedereinschalten) vorzugeben Das manuelle Wiedereinschalten wird durch einen „Reset“-Schalter realisiert, d.h. nach einer Überlastauslösung und anschließender Abkühlphase, kann mittels des „Reset“-Schalters der Motor wieder eingeschaltet werden. Der Parameter „Ir“, der Einheit 5 und die Parameter „Class“, „Hand/Auto“ werden über Betätigungselemente, die als Drehschalter oder Potentiometer ausgeführt sein können, eingestellt. Als „Reset“-Schalter kann eine Taste oder ein Kippschalter vorgesehen sein. Der Mikrokontroller µC überwacht nun den Motor unter Berücksichtigung der durch die Parametrierungseinheit 5 vorgegebenen Parameter und steuert davon abhängig den Hauptschalter 1, d.h. schaltet Halbleiterschalter des Hauptschalters 1 ein oder aus.
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Die Meldungseinheit 6 wird von der elektronischen Steuereinheit 4 angesteuert und dient dazu, den Status des Motorstarters optisch und/oder akustisch zu melden. Der Status wird vom Mikrokontroller µC abhängig von den Messsignalen der Messwandler der Messwandlereinheit 3 durch eine Simulation der Motorerwärmung (Temperatursimulation) anhand eines Modells des Motors ermittelt. Für die optische Meldung weist die Einheit 6 eine zweifarbige LED auf, über die der Status wie folgt angezeigt werden kann:
LED aus: an den Steueranschlüssen A1 und A2 liegt keine Versorgungsspannung an.
LED leuchtet grün: Hauptschalter 1 ist eingeschaltet, Temperatursimulation < 100%
LED blinkt mit 1 Hz rot: 100% < Temperatursimulation < 105%
LED blinkt mit 5 Hz rot: 105% < Temperatursimulation < 110%
LED leuchtet rot: Temperatursimulation > 110%, Hauptschalter 1 ist ausgeschaltet, Motor befindet sich in einer Abkühlphase
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LED blink mit 1 Hz grün: Abkühlphase des Motors beendet, warte aus „Reset“, Widereinschaltung nach Überlast steht auf „Hand“
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Eine weitere LED kann vorgesehen sein, um einen Phasenausfall an einer angeschlossenen Last anzuzeigen:
LED aus: kein Phasenausfall
LED gelb: Phasenausfall
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Der Motorstarter 10 kann auch eine (nicht dargestellte) Schnittstelle aufweisen, über die Prozessdaten aus dem Motorstarter ausgelesen und an eine Leitwarte übertragen werden können. Als Prozessdaten können beispielsweise Strommesswerte, Einstellwerte, ein Auslösegrund, ein Überlast-/Phasenausfall etc. ausgelesen und übertragen werden. Die Schnittstelle kann auch dazu ausgebildet sein, Daten zu empfangen, beispielsweise Parameter für die Parametrierungseinheit 5, so dass zumindest einige der oben beschriebenen Parameter aus der Ferne eingestellt werden können.
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Die Schnittstelle kann datentechnisch beispielsweise durch den Mikrokontroller µC implementiert werden, der ein zusätzliches Modul zum Koppeln des Motorstarters mit einem Bussystem aufweisen kann, das beispielsweise auf dem SmartWire-DT®- Technologie der Eaton Corp. basiert, oder ein Feldbus-Bussystem nach dem Standard IEC 61158 ist oder durch ein Industrial Ethernet implementiert ist. Der Mikrokontroller µC kann zudem konfiguriert sein, mehrere Busprotokolle zu beherrschen, um über diese Daten senden und empfangen zu können.
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4 und 5 zeigen zwei Ausführungsbeispiele von Schaltern und Messwandlern für den elektronischen Direkt-Motorstarter 10.
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In 4 ist ein Hauptschalter 1 mit Hilfsschalter 2 und Messwandlereinheit 3 gezeigt, bei dem alle drei Strombahnen schaltbar sind, indem in jede Strombahn ein Triac 1‘ des Hauptschalters 1 geschaltet ist. Ferner ist in jede Strombahn ein Stromwandler 3‘ der Messwandlereinheit 3 geschaltet. Der Hilfsschalter 2 ist durch einen zwischen das Hilfskontakt-Paar 13–14 geschalteten Triac 2‘ realisiert.
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5 zeigt eine Realisierung, bei der zwei von drei Strombahnen schaltbar sind, indem in die Strombahnen L1–T1 und L3–T3 jeweils ein Triac 1‘ des Hauptschalters 1 geschaltet ist. Ansonsten entspricht diese Realisierung der in 4 gezeigten.
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2 zeigt ein Blockschaltbild eines dreiphasigen elektronischen Wende- Motorstarters 11, der sich von dem in 1 gezeigten Motorstarter 10 darin unterscheidet, dass nicht nur zwei, sondern drei Steuerkontakte (Spulenanschlüsse) A1–A3 vorgesehen sind und außerdem ein für einen Wende-Motorstarter geeigneter Hauptschalter eingesetzt wird, wie beispielsweise das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel von Schaltern und Messwandlern, bei dem in die Strombahnen L1–T1 und L3–T3 jeweils ein Triac 1‘ des Hauptschalters 1 und zudem jeweils ein Triac 1‘ des Hauptschalters 1 zwischen die Hauptstromkontakte L1–T3 und L3–T1 geschaltet ist. In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel weist zudem der Hilfsschalter 2 zwei Triacs 2‘ auf, die zwischen die beiden Hilfskontakt-Paare 13–14 und 23–24 geschaltet sind.
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Durch den erfindungsgemäßen Motorstarter ergeben sich mehrere Vorteile:
Durch das Zusammenfügen der beiden Funktionen „Schalten und Schützen" können die Kosten der Herstellung sowie die Lagerhaltung reduziert werden. Die Elektronik für die Ansteuerung der Halbleiterschalter sowie die Elektronik zur Überwachung der Ströme auf den Hauptstrombahnen kann zu einer elektronischen Einheit zusammengefasst werden.
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Der erfindungsgemäße Motorstarter ermöglicht eine Reduzierung des Verdrahtungsaufwands. Zudem kann mindestens ein zusätzlicher Hilfskontakt zur Abschaltung des Schützes im Überlastfall (z.B. Öffner-Kontakte 95–96, Schließer- Kontakte 97–98) entfallen. Weiterhin ist keine zusätzliche Verdrahtung zur Abschaltung des Schützes durch das Motorschutzrelais erforderlich. Die interne Steuerelektronik kann den zusätzlichen Hilfskontakt sowie die erforderliche externe Verdrahtung ersetzen. Die Elektronik schaltet die Halbleiterschaltelemente (Hauptkontakte, sowie Hilfsschalter Öffner, Schließer) im Falle einer Überlast ab.
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Der erfindungsgemäße Motorstarter ermöglicht prinzipiell eine Simulation der Motortemperatur durch das intern abgeschaltete Schütz (Halbleiterschalter): im Fall, dass der Motorstarter von der Versorgungsspannung getrennt wird, kann eine Temperatursimulation intern gespeichert werden. Dadurch geht die Information der simulierten Motortemperatur nicht verloren und kann beim Wiedereinschalten mit betrachtet werden.
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Weiterhin ermöglicht es der erfindungsgemäße Motorstarter, die angeschlossene Versorgungsspannung über einen DC/DC-Wandler der internen Steuerelektronik (Motorschutzfunktion und Schaltfunktion) zur Verfügung zu stellen. Hierdurch kann eine kostengünstige Auslegung der Messeinrichtung (z.B. Stromwandler) des Motorstarters ermöglicht werden, da diese nicht die Energieversorgung der Elektronik übernehmen muss, was der Fall wäre, wenn das Motorschutzrelais als ein eigenes Modul ohne externe Versorgung aufgebaut würde.
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Im erfindungsgemäßen Motorstarter kann ein Multispannungsnetzteil eingesetzt werden, wodurch ein Solid-State-Schütz inklusive Motorschutzfunktion mit einem Versorgungsspannungsbereich von etwa 24 Volt bis etwa 240 Volt aufgebaut werden kann. Abschaltgrenzen automatisch abhängig von der an den Steuerkontakten A1, A2 (, A3) anliegenden Steuerspannung ermittelt. Hierdurch können die Spannungsvarianten des Motorstarters von insgesamt ca. vier auf eine Variante reduziert werden. Der erfindungsgemäße Motorstarter kann auch mit mehreren Spannungsvarianten aufgebaut werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4335965 A1 [0002]
- DE 102013111954 A1 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Standard IEC 61158 [0035]
