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Schutzschaltung für einen gekapselten elektrischen Einphasenmotor
einer Kältemaschine Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für einen gekapselten
elektrischen Einphasenmotor mit sich selbsttätig abschaltender Anlauf-Hilfswicklung,
insbesondere Widerstands-Hilfsphase, wie er hauptsächlich für den Antrieb eines
Verdichters für hermetisch abgeschlossene Kälteanlagen verwendet wird. Schutzschaltungen,
um derartige Elektromotoren gegen eine Temperaturüberlastung zu schützen, sind in
verschiedenen Ausführungen bekannt.
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Bei einer ersten Art von Schutzschaltungen wird der Motorstrom als
Maß für die Temperaturbelastung angesehen und die Abschaltung bei Erreichen eines
bestimmten Stromwertes vorgenommen. Diese Art der Überwachung ist zumindest bei
gekapselten Maschinen der hier betrachteten Art völlig ungeeignet, da der Strom
nicht einmal angenähert der Motortemperatur entspricht. Dies wird nachstehend noch
näher an Hand der Fig. 1 und 2 erläutert.
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Eine zweite Art der Schutzschaltung verwendet einen Bimetall-Schnappschalter
außerhalb der Kapsel, der einerseits von der Kapseltemperatur und andererseits von
der Temperatur einer vom gesamten Motorstrom durchflossenen Heizwicklung beeinflußt
ist. Hierbei soll die Kapseltemperatur ein Abbild für die Temperaturverhältnisse
im Motor während des Betriebs sein, während die Heizwicklungstemperatur ein Abbild
für die Temperaturverhältnisse im Motor während der Anlaufperiode darstellen soll.
Beide Abbilder stimmen aber mit der Wirklichkeit auch nicht überein, was ebenfalls
in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 noch näher erläutert wird.
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Da man in der modernen Technik bestrebt ist, einen Elektromotor bis
an die oberste Grenze seiner zulässigen Temperatur auszunutzen, wegen der Ungenauigkeit
der bekannten Schutzschaltungen aber einen zu großen Abstand zwischen der Grenztemperatur
und der Abschalttemperatur aufrechterhalten mußte, ist in letzter Zeit der Vorschlag
gemacht worden, die Motortemperatur unmittelbar an der gefährdeten Stelle, nämlich
innerhalb der Wicklung, zu messen. Zu diesem Zweck wurde das temperaturabhängige
Glied des Schutzschalters so in den Stator eingesetzt, daß es sowohl von der Temperatur
der Hauptwicklung als auch von der Temperatur der Hilfswicklung beeinflußt werden
konnte. Ein solcher Thermostatschalter führt deshalb nicht zu befriedigenden Ergebnissen,
weil - wie man erst jetzt festgestellt hat - die Temperatur-Anstiegsgeschwindigkeiten
in der Hauptwicklung und in der Hilfswicklung im Verhältnis 1:15 oder noch mehr
liegen, was zu den in Verbindung mit Fig. i beschriebenen Schwierigkeiten führt.
Eine Ausnutzung des Elektromotors bis zu seinen höchstzulässigen Temperaturwerten
und zugleich mit hundertprozentiger Sicherheit einer Abschaltung beim Überschreiten
dieser Werte läßt sich erfindungsgemäß dadurch erzielen, daß die Temperaturen der
Hauptwicklung und der Hilfswicklung je durch ein eigenes Temperaturmeßglied überwacht
sind, von denen das Hauptwicklungs-Temperaturmeßglied im Innern der Kapsel angeordnet
ist und das Hilfswicklungs Temperaturmeßglied eine der größeren Temperatur-Anstiegsgeschwindigkeiten
der Hilfswicklung angepaßte Ansprechgeschwindigkeit besitzt.
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht demnach darin, die der Hauptwicklung
zugehörige Temperatur getrennt von der der Hilfswicklung zugehörigen Temperatur
zu überwachen und dabei die jeweils der betreffenden Wicklung eigenen Gegebenheiten
zu berücksichtigen. Hierzu gehört, daß das Temperaturmeßglied für die Hauptwicklung
den gleichen Bedingungen hinsichtlich der Kühlung durch umgewälztes Kältemittelgas
ausgesetzt sein muß wie der Motor selbst und daß das Temperaturmeßglied für die
Hilfswicklung wesentlich rascher ansprechen können muß, als es hinsichtlich des
Temperaturmeßgliedes für die Hauptwicklung notwendig ist.
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Die Hauptwicklung kann beispielsweise durch einen Auslöser gesichert
sein, der direkt von der Hauptwicklungstemperatur beeinflußt wird. Man kann also
einen handelsüblichen, in die Wicklung eingesetzten Thermostatschalter benutzen.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, den die Hauptwicklung sichernden Auslöser
über eine im Innern der Kapsel angeordnete
Abbildvorrichtung für
die Hauptwicklungstemperatur zu beeinflussen.
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Der Temperaturanstiegsgeschwindigkeit der Hilfswicklung angepaßte
Thermostatschalter sind zur Zeit noch nicht erhältlich oder zu teuer. Man kann aber
gerade bei der Hilfswicklung durch einen Auslöser sichern, der von dem Zeitintegral
eines vom Hilfswicklungsstrom abhängigen Wertes beeinflußt wird. Gerade die Hilfswicklungstemperatur
läßt sich durch ein solches Zeitintegral sehr genau abbilden, weil der Hilfswicklungsstrom,
der nur während der Anlaufperiode auftritt, im Gegensatz zu dem von allen möglichen
Betriebsumständen abhängigen Hauptwicklungsstrom nahezu konstant ist.
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Vorteilhaft bei dieser Abbildungsart der Hilfswicklungstemperatur
ist es, daß man das Temperaturmeßglied außerhalb der Kapsel anordnen kann. Als integrierender
Auslöser eignet sich in erster Linie ein Gerät, das eine vom Hilfswicklungsstrom
durchflossene Heizwicklung besitzt: Dieser Auslöser hat im vorliegenden Fall im
allgemeinen ein gleichbleibendes Temperaturausgangsniveau, das etwa der Umgebungslufttemperatur
entspricht und in bekannter Weise mit Bezug auf Änderungen der Raumtemperatur kompensiert
werden kann:. .
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Des weiteren kann man die Kontakte des integrierenden Auslösers in
eine der gemeinsamen Zuleitungen legen. Dies hat zur .Folge, daß die erwähnten Kontakte
bei blockiertem- Rotor zuerst den gesamten Motor abschalten. Dadurch ist sichergestellt,
daß der Thermostatschalter in. der Wicklung niemasl bei Kurzschlußstrom schalten
mü-ß; sondern nur- bei einer zeitweiligen überlastung- während des Laufs, also bei
relativ kleinen Strömen. Man kann daher diesen Thermostatschalter relativ billig
herstellen und trotzdem eine sehr lange Lebensdauer erwarten, die wegen der üblichen
Garantie für solche gekapselten Aggregate eine unerläßliche Forderung ist.
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Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann man bei einem elektrischen
Einphasenmotor, dessen Anlauf-Hilfswicklung mittels eines Anlaßrelais selbsttätig
abschaltet, dafür sorgen, daß das Anlaßrelais und der integrierende Auslöser als
eine Einheit mit gemeinsamem Kontaktsystem ausgebildet sind.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit der Zeichnung. Es zeigt
Fig. 1 in einem Diagramm die Wicklungstemperatur, die Temperatur am Bimetallschalter
und die Motorstromstärke in Abhängigkeit von der Verdampfertemperatur, boi veränderlicher
Netzspannung und Frequenz, Fig. 2 in einem Diagramm die Motorleistung und das umlaufede
Kältemittelgewicht in Abhängigkeit von der Verdampfertemperatur, Fig. 3 in einem
Diagramm die Wicklungstemperatur von Haupt- und Hilfswicklung sowie die Temperaturkurve
des Thermostaten in Abhängigkeit von der Zeit, Fig. 4 ein Schaltbild für die erfindungsgemäße
Schutzschaltung, Fig. 5 ein mit dem Anlaßrelais kombinierter integrierender Auslöser
und Fig.. 6 ein zweites Ausführungsbeispiel des mit dem Anlaßrelais kombinierten
integrierenden Auslösers. Fig. 1 zeigt über der Verdampfertemperatur t,, die kurven
für die WicklÜngsemperatur t,,., für die Temperatur t, am Bimetall eines Schnappschalters
in der Nähe der Kapselaußenwand und für den Motorstrom i während des Betriebes,
wobei die Kurve I bei 50 Hz und Normalspannung, die Kurve 1I bei 60 Hz und Normalspannung
und die Kurve III bei 50 Hz und Unterspannung aufgenommen ist. Aus diesem Diagramm
ist ersichtlich, daß die Wicklungstemperatur t", in Abhängigkeit von der Belastung
nicht den erwarteten Verlauf hat, bei dem mit steigender Belastung auch eine steigende
Temperatur auftritt, sondern vielmehr in den oberen Belastungsbereichen eine Temperaturabsenkung
auftritt.
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Dieses Phänomen läßt sich an Hand der Fig.2 erklären, in der ebenfalls
über der Verdampfertemperatur t,, die aufgenommene Motorleistung N und das umlaufende
Kältemittelgewicht g aufgetragen ist. Man ersieht hierbei, daß sich die Leistungsaufnahme
zwischen den beiden Endpunkten des Diagramms ungefähr verdoppelt, während sich das
umlaufende Kältemittelgewicht mehr als verfünffacht. Dies liegt in erster Linie
an der größeren Dichte des Kältemittelgases bei höherer Verdampfertemperatur. Diese
größere Dichte bewirkt aber eine schnellere Wärmeabfuhr vom Motor einerseits auf
die Kapselwand und andererseits über das Leitungssystem an den Kondensator.
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Wenn man in dem betrachteten Beispiel eine Wicklungstemperatur von
130° C als oberen Grenzwert betrachtet, wie er gestrichelt eingezeichnet ist, dann
liegt der gefährlichste Betriebsbereich für den Betriebszustand I zwischen -15 und
-20° C Verdampfertemperatur.
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Betrachtet man hierbei die erstgenannte Schutzschaltung, die allein.
vom Motorstrom abhängt, so sieht man deutlich, daß der Motorstrom in keinem einzigen
Betriebszustand ein eindeutiges Maß für die Wicklungstemperatur ist; er steigt sogar
in Bereichen an, in denen die Wicklungstemperatur abfällt.
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Auch die zweitgenannte Schutzschaltung mit Bimetall-Schnappschalter
an der Kapselaußenseite ist ungeeignet. Die von der Kapseltemperatur beeinflußte
Lufttemperatur t, in unmittelbarer Nähe des Bimetallelements hat einen Verlauf,
bei dem die Maximalwerte an anderen Stellen liegen als die Maximalwerte der Wicklungstemperatur
t".. Man muß also aus Gründen der Sicherheit die Abschalttemperatur des Motors niedriger
legen, als es der zulässigen Grenztemperatur entspricht. Dies gilt in noch verstärktem
Maße, weil sich eine Änderung der Wicklungstemperatur erst mit einer gewissen zeitlichen
Verzögerung außen am Bimetallelement bemerkbar macht.
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Aber auch die durch den Motorstrom besorgte Anlaufüberwachung ist
ungenau, weil sie nicht nur vom Motorstrom abhängig ist, der schon an sich für ein
Temperaturbild schlecht geeignet ist, sondern überdies von der Anfangstemperatur
des Bimetallelements, die wiederum von der Kapseltemperatur, also dem Betriebszustand
vor dem letzten Ausschalten, abhängt.
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Der dritte Vorschlag für eine Schutzschaltung soll in Verbindung mit
Fig. 3 betrachtet werden. In dieser Figur sind in Abhängigkeit von der Zeit T die
Teinperaturkurven A für die Hauptwicklung und B für die Hilfswicklung,
die sich bei blockiertem Rotor ergeben, eingetragen sowie die Ansprechkurve C für
einen handelsüblichen kleinen Bimetallschalter, den man im Wickelkopf oder in der
Nut des Stators unterbringen kann. Diese an sich exponentiell verlaufenden Kurven
sind vereinfacht als Gerade dargestellt.
Es wurde jeweils die Zeit
gemessen, bis ein bestimmter Temperaturwert erreicht war. Die Geraden sind die Verbindungslinien
zwischen Ausgangspunkt und Meßpunkt, stellen also in ihrer Neigung die mittlere
Temperaturanstiegsgeschwindigkeit dar. Es wurde festgestellt, daß hierbei die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit
in der Hilfswicklung bei etwa 1.0'= C.' Sek. liegt. Demgegenüber liegt die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit
in der Hauptwicklung bei etwa 0,1 bis 0,6`-' C/Sek. Dem letztgenanntenTemperaturanstieg
vermag der Thermostatschalter, wie die Fig. 3 zeigt, ohne weiteres zu folgen, dem
Temperaturanstieg der Hilfswicklung jedoch nicht. Dies bedeutet, daß man - wenn
man nicht auf schneller ansprechende, aber teure Sonderkonstruktionen zurückgreift
- dem Thermostatschalter eine Temperaturvoreinstellung geben muß, die bei einer
Grenztemperatur t , unterhalb des Punktes ca, also beim Punkt b, liegen muß.
Dies wiederum führt aber dazu, daß der Thermostatschalter auch schon dann ausschaltet,
wenn die Hauptwicklung eine Temperatur entsprechend dem Punkt c angenommen hat,
ein völlig unzulängliches Ergebnis.
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Aus alledem ist ersichtlich, daß man eine Ausnutzung des Motors bis
an die Grenze der zulässigen Temperatur bei gleichzeitiger hundertprozentiger Sicherheit
nur erreichen kann, wenn die Hauptwicklung und die Hilfswicklung getrennt überwacht
werden. Hierbei muß das Temperaturmeßglied für die Hauptwicklung der gleichen Kühlung
durch das Kältemittel ausgesetzt sein wie die Hauptwicklung selbst, da der Einfluß
des Kältemittels zu einem ganz anderen Temperaturverlauf mit Bezug auf die Motorbelastung
führt (Fig. 1), als es bei Elektromotoren sonst üblich ist. Das Temperaturmeßglied
muß daher im Innern der Kapsel oder in einem gleichwertigen, vom Kältemittel durchströmten
Behälter angeordnet sein. Das Temperaturmeßglied für die Hilfswicklung dagegen muß
unbedingt sehr rasch ansprechen können, da die Hilfswicklung - im Gegensatz zur
Hauptwicklung -bei blockiertem Rotor schon in wenigen Sekunden dn Temperaturgrenzwert
erreicht.
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In Fig. 4. ist ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Schutzschaltung
veranschaulicht. In der Kapsel l befindet sich der Einphasenelektromotor 2 mit der
Hauptwicklung 3 und der Hilfswicklung 4. Der Motor wird über den vom Verdampferthermostat
gesteuerten Schalter 5 an das Einphasenn---tz angeschlossen. Ein in die Leitung
6 zur Hauptwicklung gelegtes stromabhängiges Anlaßrelais 7 kann den Schalter 8 in
der Leitung 9 zur Hilfswicklung unterbrechen, wenn der Motor hochgelaufen ist.
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Die Temperatur der Hauptwicklung 3 wird mit einem Temperaturmeßglied
10 überwacht, das bei Erreichen der Grenztemperatur den Schalter 11 in der Leitung
6 öffnet.
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Die Temperatur in der Hilfswicklung 4 wird mit Hilfe der Heizwicklung
12 überwacht, die einen Bimc-Lallschalter 13 beheizt und bei Erreichen eines vorgegebenen
Grenzwertes öffnet. Da der Anlaufstrom in dwr Hilfswicklung etwa konstant ist und
Kühleffckte während des Anlaufs nur eine untergeordnete Rolle spielen, ist die Temperatur
des Bimetalls vom Schalter 13 ein Abbild der Hilfswicklungstemperatur.
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Wollte man auch die Temperatur der Hauptwicklung 3 über ein Temperaturabbild
messen, so mi.ißt. die Abbildvorrichtung innerhalb der Kapgel den gleichen Kühlverhältnissen
ausgesetzt sein wie die Hauptwicklung.
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In dem veranschaulichten Beispiel ist der Schalter 13 in der gemeinsamen
Zuleitung zu Haupt- und Hilfswicklung angeordnet. Hierdurch wird erreicht, daß der
Schalter 11 nur kleinere Betriebsströme, nicht dagegen den Kurzschlußstrom schalten
muß. Sollte nämlich der Rotor blockiert sein, so erwärmt sich zunächst die Hilfswicklung
4 so stark, daß der Schalter 13 abschaltet, bevor der Schalter 11 wegen Erreichen
der Grenztemperatur schalten müßte.
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Zur Vereinfachung der Schaltung kann man aber auch das Anlaßrelais
7 und die Heizwicklung 12 gemeinsam auf den Schalter 8 wirken lassen, so daß sich
durch die Kombination von Anlaßrelais und Hilfswicklungsauslöser eine weitere Einsparung
ergibt. Zwei Ausführungsbeispiele hierfür sind in den Fig.5 und 6 gezeigt. Die mit
Fig.4 übereinstimmenden Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Das in Fig. 5 veranschaulichte Kombinationsrelais 14 trägt auf dem
Magnetgestell 15 eine Relaisspule 16, deren Wicklung vom Hauptwicklungsstrom durchflossen
ist. Der Anker 17 ist über eine Bimetallfeder 18 mit dem Gestell 15 verbunden. Am
vorderen Ende trägt diese Bimetallfeder 18 einen Kontakt 19, der mit dem isoliert
auf dem Gestell 15 gehaltenen Kontakt 20 zusammenwirken kann. Das Kontaktpaar
19, 20 ist in den Stromkreis der Hilfswicklung4 gelegt. Beim Einschalten des Hauptschalters
5 wird der Anker 17 vom Relais 16 angezogen, so daß das Kontaktpaar 19, 20 schließt.
Dieses Kontaktpaar öffnet, wenn entweder der Hauptwicklungsstrom in der Spule 16
einen bestimmten Wert unterschreitet (beim Erreichen des normalen Betriebszustandes)
oder die Bimetallfeder 18 infolge zu starker Beheizung durch den Hilfswicklungsstrom
sich verbiegt (bei zu lang dauerndem Anlaufvorgang).
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In Fig. 6 weist die Kombinationsvorrichtung 21 ein Relais 22 auf,
dessen Kernabschnitt 23 aus einem Material besteht, das bei einer vorgegebenen Temperatur
seine Permeabilität sprunghaft verringert. Die Relaisspule wird vom Hauptwicklungsstrom
durchflossen, der temperaturabhängige Kern vom Hilfswicklungsstrom beheizt, z. B.
ebenfalls durchflossen. Der magnetische Kreis wird durch das Gestell 24 und den
Anker 25 vervollständigt. Der Anker trägt den Kontakt 26, der mit dem feststehenden
Kontakt 27 zusammenwirkt. Beim Einschalten des Hauptschalters 5 wird der Anker 25
vom Relais 22 angezogen. so daß das Kontaktpaar 26, 27 schließt und die Hilfswicklung
3 Strom bekommt. Dieses Kontaktpaar öffnet, wenn entweder der Hauptwicklungsstrom
in der Relaisspule zu gering wird (beim Erreichen des normalen Motorbetriebs) oder
der Kern 23 infolge zu langer Beheizung durch den Hilfswicklungsstrom eine solche
Temperatur annimmt, daß sich seine Permeabilität sprunghaft erniedrigt (bei zu lang
dauernder Anlaufperiode).