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Die Erfindung betrifft eine Anlauf- und Sicherheitsschaltung und ein Verfahren einer Anlauf- und Sicherheitsschaltung für ein elektrisches Gerät mit mindestens zwei elektrischen Verbrauchern, insbesondere eine Wärmepumpe mit zwei durch Elektromotoren angetriebenen Verdichtern. Im folgenden ist das Anwendungsbeispiel einer dreistufigen Wärmepumpe gewählt.
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Aus der
DE 36 30 604 A1 ist eine Anlaufsteuerung für zwei Elektromotoren bekannt, die mit einer einzigen Widerstandsbaugruppe auskommt. Die Elektromotoren werden nacheinander geschaltet und jeweils ein Anlaufwiderstand einer Phase für den Anlauf des ersten und nach Umschaltung für den Anlauf des zweiten Elektromotors genutzt. Nach einer Anlaufzeit des ersten Elektromotors über den Anlaufwiderstand wird der Elektromotor direkt ohne Anlaufwiderstand an das Netz geschaltet. Durch Relaisumschaltungen wird nun der gleiche Vorwiderstand zum Anlaufen des zweiten Elektromotors benutzt. Nach einer vorgesehenen Anlaufzeit bzw. nach Erreichen eines Stromgrenzwertes wird auch der zweite Elektromotor direkt ans Netz geschaltet. Die Vorwiderstände haben nunmehr keine Funktion. Die Elektromotoren sind nach dem Anlaufen direkt über ein Relais ans Netz angeschlossen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Sicherheits- und Anlaufsteuerschaltung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, dass selbst im Falle des Verschweißens eines Kontaktes des Relais eine sichere allphasige Elektromotorabschaltung erfolgt.
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Gelöst ist diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 oder 6. Die über einen Netzanschluss an ein ein- oder mehrphasiges Stromversorgungsnetz angeschlossene Wärmepumpe ist mit einer internen oder externen Steuerung oder Regelung betrieben. Die Ansteuerung einzelner Relais erfolgt durch eine Steuer- und Regeleinrichtung einer Wärmepumpe. Je nach Bedarf und Leistungsanforderung werden Elektromotoren angefahren. Besonders vorteilhaft ist es dabei, Elektromotoren bzw. Verdichter unterschiedlicher Leistung zu steuern, um bedarfsgerecht kleine und große Leistungen einzustellen. Demnach sind insbesondere bei einer elektrischen Wärmepumpe alle möglichen Kombinationen von Verdichtereinschaltungen durch die gezeigte Schaltung gemäß 1 möglich. Die Ansteuerung erfolgt in vorteilhafter Weise programmgesteuert durch einen Mikroprozessor des Steuer- oder Regelgerätes nach vorgegebenen Parametern, wie z. B. Außentemperatur und Leistungsanforderung, kann aber auch elektromechanisch erfolgen.
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Zwischen einzelnen Zuleitungen zu den Elektromotoren einer Wärmepumpenanlage ist ein Anlaufwiderstand geschaltet. Die Verbindungspunkte des Anlaufwiderstandes mit den Anschlussleitungen einzelner Phasen liegen jeweils zwischen zwei Schaltern in der Zuleitung einer Phase zu einem Elektromotor. Demnach befinden sich in Reihe in der Zuleitung zu jedem Elektromotor zwei Schaltkontakte. Der Anlaufwiderstand ist zum Anlaufen eines Elektromotors jeweils in die Zuleitung, also den Netzanschluss geschaltet, die nicht in der direkten Zuleitung des Elektromotors liegt, sondern der Anlaufwiderstand zwischengeschaltet ist. Dies ist dadurch erreicht, dass ein Kontakt, der in der direkten Zuleitung zum Elektromotor vor dem Anlaufwiderstand liegt, geöffnet ist und dass der dahinter liegende Kontakt – also zwischen Anlaufwiderstand und Elektromotor – geschlossen ist. Bei den Kontakten handelt es sich in vorteilhafter Weise um Relais. Die Netzanbindung des Elektromotors erfolgt nunüber einen Anlaufwiderstand und einen weiteren Zuleiter, in dem ein Relais geschlossen ist. Nach Anlaufen des Elektromotors wird dieser direkt an das Netz angeschlossen, und zwar dadurch, dass beide in der direkten Zuleitung zum Elektromotor liegenden Kontakte geschlossen sind. Ein weiterer Elektromotor oder auch mehrere weitere Elektromotoren werden nun über den gleichen Anlaufwiderstand in Betrieb genommen. Dies erfolgt dadurch, dass der zwischen dem weiteren Elektromotor und dem Anlaufwiderstand liegende Kontakt geschlossen ist. Nach dem Anlaufen des Elektromotors wird auch dieser durch Schließen des zweiten, in Reihe liegenden Kontaktes direkt an das Netz angeschlossen. Im Falle einer Zwei-Elektromotoren-Maschine sind nach dem Anlaufen beider Elektromotoren die Netzverbindungen direkt zu jedem einzelnen Elektromotor hergestellt.
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Beim Anfahren werden nur die durch den Anlaufwiderstand begrenzten Ströme geschaltet. Jeweils der erste Kontakt der beiden in Reihe liegenden Kontakte schaltet ohne Strombelastung. Die Schaltarbeit wird dementsprechend nur von einem der beiden Kontakte ausgeführt. Dadurch ist zum einen das Risiko des Abbrandes und die Wahrscheinlichkeit eines Verschweißens der Kontakte gegen Ende der Lebensdauer reduziert, zum anderen ist eine Sicherheitsabschaltung oder Abschaltung des oder der Elektromotoren dadurch sichergestellt, dass sich der zweite in Reihe geschaltete Kontakt öffnen läßt.
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Durch die erfindungsgemäße Schaltung und Anordnung der Relais und der Anlaufwiderstände ist nur ein Anlaufwiderstand pro Phase erforderlich, unabhängig davon, wie viele Elektromotoren oder elektrische Verbraucher, insbesondere Elektromotoren, damit angefahren werden.
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Eine sicherheitsgerechte Abschaltung ist durch die Redundanz der in Reihe liegenden Kontakte in der Anschlussleitung vom Netz zum Elektromotor erreicht. Beim Ausfall eines Kontaktes kann das System in einen sicheren, abgeschalteten Zustand überführt werden. Über Messmittel, die zum Beispiel am Anlaufwiderstand angebracht sind, kann ermittelt werden, ob und wann an diesem eine Spannung anliegt. Im Betrieb wird überprüft, an welcher Stelle Spannung anliegt und ob die Relais bzw. Schalter einwandfrei schalten. Im Falle eines Defektes wird die gesamte Anlage in vorteilhafter Weise abgeschaltet, wobei der Defekt am Gerät angezeigt ist. Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn bei einem Schaltdefekt in einer Phase des dreiphasigen Anschlusses der Elektromotor zweiphasig weiterbetrieben werden kann. Mit dieser Notschaltung kann die Wärmepumpenanlage mit reduzierter Leistung weiterbetrieben werden. Weiterhin ist es vorteilhaft, nur denjenigen elektrischen Anschluss komplett stillzulegen, in dessen Zuleitung der Kontaktfehler aufgetreten ist.
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Die folgenden Figuren verdeutlichen ein Ablaufschema beim Starten und Stoppen der Elektromotoren einer Zweiverdichtermaschine und zeigen
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1 Schaltbild einer Zwei-Elektromotoren-Maschine mit Anlaufwiderstand,
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2 Zustandsgraph für Zweiverdichtermaschine mit Start- und Stoppvorgang der Elektromotoren,
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3 Schaltbild eines Drei-Phasen-Anschlusses der Elektromotoren.
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Im Schaltbild gemäß 1 ist eine Schaltung 9 gezeigt, bei der ein Relais 1 und ein Relais 2 in einer Zuleitung 7 mit einem Elektromotor 5 in Reihe geschaltet sind. Ebenso sind ein Relais 3 und ein Relais 4 in Reihe in einer Zuleitung 8 mit einem Elektromotor 6 geschaltet. Die Zuleitungen 7 und 8 sind mit dem Netzanschluss einer Phase L1 verbunden. Bei einem dreiphasigen Elektromotor sind in gleicher Weise die nicht dargestellten Phasen L2 und L3 angeschlossen. Zwischen den Zuleitungen 7 und 8 ist ein Vorwiderstand 10 geschaltet. Die Verbindung des Vorwiderstands 10 mit der Zuleitung 7 erfolgt zwischen dem Relais 1 und 2, und die Verbindung mit der Zuleitung 8 erfolgt zwischen dem Relais 3 und dem Relais 4.
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2 zeigt den Zustandsgraph für die Zweiverdichtermaschine. Gesteuert wird die Zwei-Elektromotoren-Maschine von einer internen oder externen Steuerung oder Regelung B, die hier nicht dargestellt ist. Die Steuer- und Regeleinrichtung A steuert die Relais 1, 2, 3 und 4 an. 2 zeigt den logischen Ablauf beim Anlaufen einer nicht dargestellten Wärmepumpe mit zwei Elektromotoren, die je einen Verdichter antreiben. Die Steuerung erfolgt in vorgegebenen Zeitintervallen der Steuer- oder Regeleinrichtung B.
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Ausgehend von einem Startpunkt 11 wird ein Start 12 des Elektromotors 5 eingeleitet. Dabei ist das Relais 3 gemäß einer Kreisdarstellung 13 geschlossen. Ca. 300 ms danach wird zusätzlich gemäß Kreisdarstellung 14 das Relais 2 geschlossen, wodurch der Elektromotor 5 über den Vorwiderstand 10 mit Strom versorgt ist. Nach dem Anlaufen, d. h. ca. 300 ms später, ist zusätzlich das Relais 1 gemäß einem Zustand 15 geschlossen. In dieser Stellung ist der Elektromotor 5 bereits direkt an den Netzanschluss Phase L1 angeschlossen. 100 ms nach dem Zustand 15 wird das Relais 3 wieder geöffnet, und der Elektromotor (5) ist nur über die Zuleitung 7, die geschlossenen Relais 1 und 2 an den Netzanschluss Phase L1 gemäß Zustand (16) angebunden. Zum Stoppen des Elektromotors 5 aus dem Zustand 16 ist es ausreichend, das Relais 2 zu öffnen, wodurch Zustand 17 eintritt und nur noch das Relais 1 geschlossen ist. Nach dem Zustand 17 wird ebenfalls das Relais 1 stromlos geöffnet, womit der Urzustand 11 hergestellt ist und kein Elektromotor in Betrieb ist.
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Vom Zustand 16 aus ist es jedoch auch möglich, den zweiten Elektromotor 6 zu starten. Zu diesem Zweck ist zusätzlich zu den Relais 1 und 2 das Relais 4 geschlossen, wodurch sich der Zustand 18 ergibt. Strom fließt über Relais 1 und den Vorwiderstand 10 zum Elektromotor. Das Einschalten des Elektromotors 6 durch das Relais 4 erfolgt zu einem beliebigen Zeitpunkt. Ca. 300 ms nach dem Zustand 18 wird über die Steuer- und Regeleinrichtung A der Zustand 19 eingestellt, so dass zusätzlich zu den Relais 1, 2 und 4 auch das Relais 3 geschlossen ist. In diesem Zustand 19 sind demnach alle Relais geschlossen und die Elektromotoren 5 und 6 in Betrieb. Zum Stoppen des Elektromotors 6 wird das System durch die Steuer- und Regeleinrichtung A wieder in den Zustand 18 zurückgeführt, d. h. das Relais 3 geöffnet. In einem weiteren Schritt öffnet die Steuer- und Regeleinrichtung A dann das Relais 4, wodurch der Zustand 16 wiederhergestellt ist und der Elektromotor 5 in Betrieb ist und der Elektromotor 6 ausgeschaltet ist. Es ist jedoch auch möglich, beide Elektromotoren gleichzeitig zu stoppen, indem die Steuer- und Regeleinrichtung A die Wärmepumpe in den Zustand 20 überführt. Jetzt sind nur noch die Relais 1 und 3 geschlossen, wogegen die Relais 2 und 4 bereits geöffnet sind. Die Elektromotoren sind zu diesem Zeitpunkt abgeschaltet. Nach dem Zustand 20 ist die Schaltung 9 durch Abschalten der Relais 1 und 3 wieder in den Zustand 11 überführt.
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Aus dem Zustand 19 ist es jedoch auch möglich, den Elektromotor 5 zu stoppen und den Elektromotor 6 weiterlaufen zu lassen. Die Steuer- und Regeleinrichtung A öffnet zunächst das Relais 1, wodurch der Elektromotor 5 nur noch über den Vorwiderstand 10 mit Strom versorgt ist. Dies entspricht dem Zustand 21. Um den Elektromotor 5 vollständig zum Stehen zu bringen, wird weiterhin das Relais 2 geöffnet, wodurch in der Zuleitung 7 die Relais 1 und 2 geöffnet sind und der Zustand 22 erreicht ist. Aus dem Zustand 22 heraus wird der Elektromotor 5 erneut von der Steuer- und Regeleinrichtung A über den Zustand 21 durch Hinzuschalten des Relais 2, und auf den Zustand 19 durch das Hinzuschalten des Relais 1 überführt, wodurch wieder beide Elektromotoren 5 und 6 in Betrieb sind. Der Zustand 22, nämlich das Laufen des Elektromotors 6, ist in den Zustand 11, nämlich den totalen Stillstand aller Elektromotoren, dadurch zu überführen, dass die Steuerung A das Relais 4 zunächst öffnet und nach 100 ms der Zustand 23 erreicht ist, in dem nur noch das Relais 3 geschlossen ist und der Elektromotor schon ausgeschaltet ist. Durch das weitere Öffnen des Relais 3 ist wieder der Zustand 11 mit geöffneten Relais 1, 2, 3 und 4 erreicht ist. Vom Zustand 11 ist der Elektromotor 6 dadurch in Betrieb genommen, dass die Steuer- und Regeleinrichtung A den Zustand 24 dadurch herstellt, dass das Relais 1 geschlossen wird. Ca. 100 ms danach ist das Relais 4 geschlossen und der Elektromotor 6 erhält den durch den Anlaufwiderstand 10 einen reduzierten Strom zum Anlaufen, wodurch der Zustand 25 erreicht ist. Weitere 300 ms später ist das Relais 3 hinzugeschaltet und Zustand 26 erreicht, wodurch der Elektromotor 6 direkt über die Zuleitung 8 mit dem Netzanschluss Phase L1 angeschlossen ist. Durch Öffnen des Relais 1 ist nunmehr der Zustand 22 erreicht.
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Die angegebenen Schaltzeiten (100 ms, 300 ms) sind variabel und richten sich nach den Eigenschaften der Elektromotoren. Je nachdem wie hoch die Ströme insbesondere beim Anfahren der Elektromotoren sind, können die Zeitpunkte zum Schalten gewählt werden.
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Weiter verbessert ist die Sicherheit der Anlauf- und Sicherheitsschaltung durch die Messung der Spannungen an den Relais 1, 2, 3, 4; hinreichend ist eine Spannungsmessung zwischen dem Relais 2 und dem Motor 5 sowie zwischen dem Relais 4 und dem Motor 6. Die dort gemessenen Spannungen werden an die interne oder externe Steuer- und Regeleinrichtung A übermittelt, dort ausgewertet, und bei zu starken Abweichungen wird die Wärmepumpe abgeschaltet und/oder ein Warnsignal angezeigt. So muss die Spannung zwischen Relais 2 und dem Elektromotor 5 beispielsweise null sein, wenn das Relais 2 geschlossen ist. Die Überwachung weiterer Relais erfolgt in der gleichen Weise.
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Das Schaltbild gemäß 3 zeigt eine Anlauf- und Sicherheitsschaltung mit zwei Motoren 5, 6, die über Relais 1, 2, 3, 4, 1', 2', 3' 4', 1'', 2'', 3'', 4'' und Anlaufwiderstände 10, 10' und 10'' gestartet und mit den Phasen L1, L2, L3 des Netzes verbunden werden. Gesteuert ist die Einrichtung durch die Steuer- und Regeleinrichtung A. In dieser werden auch die über die Spannungsabgriffe 27, 28, 29 ermittelten Spannungswerte zur Überwachung der Funktion der Relais verarbeitet. Die Ansteuerleitungen von der Steuer- und Regeleinrichtung A zu den Relais 1–4'' sind in 3 nicht dargestellt.
