DE3118638C2 - Anlaß- und Schutzvorrichtung für den gekapselten Motorkompressor einer Kältemaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anlaß- und Schutzvorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung. Allen derartigen Schutzschaltungen liegt die Aufgabe zugrunde, gefährliche Betriebszustände durch Abschalten des Stromes zu vermeiden. Hierbei sind jedoch zwei Kategorien von Schutzschal­ tungen zu unterscheiden, die einen unterschiedlichen Funktions­ ablauf bedingen:

• 1. Es erfolgt bei Überlast eine permanente Ab­ schaltung, und eine manuelle Anschaltung soll erst dann vorgenommen werden, wenn der die Störung ver­ ursachende Fehler erkannt und beseitigt wurde.
• 2. Nach der durch eine Überlast erfolgten Ab­ schaltung wird selbsttätig eine Wiedereinschaltung bewirkt, nachdem ein nur vorübergehend auftreten­ der Fehler, z. B. eine Erhitzung, abgeklungen ist.

Motorkompressoren für Kühlgeräte werden im allgemeinen mit einer Schutzschaltung der zweiten Kategorie ausgerüstet, weil man davon ausgeht, daß Übertemperaturen nach einer ge­ wissen Zeit ausgeglichen sind und der Motor nur in bestimmten Zeitabständen dann angeschaltet wird, wenn die Temperatur des Kühlgerätes auf einen bestimmten Wert angestiegen ist.

Eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der CH-PS 444 296 bekannt. Grundsätzlich dürfte diese bekannte Kältemaschine der Kategorie 2 angehören. Jedoch soll nach dieser Patentschrift ein Betriebszustand mit blockiertem Rotor berücksichtigt werden. Ein blockierter Rotor, der in seinem Lager festsitzt, wird im allgemeinen nicht mehr anlaufen können, so daß ein Wiedereinschaltversuch in diesem Falle unzweckmäßig ist. Die Patentschrift läßt es offen, in welcher Weise das Wiedereinschalten erfolgt. Insofern ist nicht auszu­ schließen, daß diese Schaltung der Kategorie 1 zuzuordnen ist.

Es sind jedoch bereits auch Vorrichtungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt, die eindeutig der Kategorie 2 zuzuordnen sind (vgl. Fig. 6 und 7 der Zeichnung). Diese be­ kannten Vorrichtungen sind in der Weise ausgelegt, daß eine Wiedereinschaltung erst nach einer längeren Abschaltzeit versucht wurde. Dies führt zu unerwünscht langen Abschaltzeiten, die man jedoch bisher für erforderlich gehalten hat, weil andernfalls ein ständiges periodisches Ein- und Ausschalten zu befürchten war. Auch wenn die Temperaturbilanz so bemessen wurde, daß der PTC-Widerstand bereits wieder in seinen Leitfähigkeitszustand übergegangen war, bevor der Schutzschalter schließt, so bestand trotz eingeschalteter Anlaßwicklung die Gefahr, daß infolge des zu hohen Gegenmomentes der Motor nicht wieder hochlaufen konnte und die Anlaßwicklung infolge des den PTC-Widerstand durchfließenden Stromes abgeschaltet wurde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung derart auszulegen, daß bei vorübergehenden Überlastbedingungen eine Wiedereinschaltung des Motors in möglichst kurzer Zeit erfolgen kann, ohne daß die Sicherheitsfunktion beeinträchtigt wäre.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungs­ teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß infolge der sich ver­ längernden Abschaltzeiten ein Hochlaufen des Motors dann be­ wirkt wird, wenn das bei der Wiedereinschaltung zur Verfügung stehende Motordrehmoment das Gegenmoment des Kompressors über­ steigt. Die sich immer weiter vergrößernde Abschaltzeit wird dadurch erreicht, daß bei jeder Wiedereinschaltung die auf den Fühler des Schutzschalters einwirkende Wärmemenge vergrößert wird, so daß dessen Abkühlung bis zum Schaltpunkt jeweils ver­ längert wird. Ein permanentes Pendeln, wie dies bei bekannten Schaltungsanordnungen zu befürchten war, die keine genügend lange Auslaufzeit berücksichtigen, ist bei der Erfindung nicht zu befürchten.

Nachstehend wird anhand der Fig. 1 bis 4 der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine graphische Darstellung, die die Widerstandscharakteristik eines Kaltleiter-Anlaßwiderstandes (PTCR) darstellt;

Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanord­ nung;

Fig. 3 zeigt die räumliche Anordnung der Elemente, die in dem Schaltungsaufbau nach Fig. 2 angeordnet sind;

Fig. 4 zeigt in zeitlicher Abhängigkeit den Funk­ tionsablauf der Schaltvorgänge in Verbindung mit dem Kompres­ sorförderdruck bzw. Saugdruck.

Fig. 5, 6 und 7 zeigen Schaltungsanordnungen, die dem Stand der Technik zuzuordnen sind.

Zunächst soll unter Bezugnahme auf Fig. 5 der Stand der Technik erörtert werden. Es ist eine thermische Schutzvorrichtung 112 in den gekapselten Motorkompressor eingebaut, um diesen gegen Überlast und überhöhte Temperatur zu schützen. Der Schalter der Schutzvorrichtung 112 liegt in der elektrischen Zuführungslei­ tung 116 außerhalb der Kapsel 120 derart, daß die Schutzvor­ richtung der Temperatur der Kapsel ausgesetzt ist.

Ein elektromagnetischer Anlasser 138 liegt in Reihe mit der Anlaßwicklung 114 der Motor-Kompressor-Baueinheit und der Zweck dieses Anlassers besteht darin, die Stromzuführung nach der Anlaßwicklung 114 zu unterbrechen, nachdem der Motor-Kompressor angelaufen ist.

Bei diesem Stand der Technik ist der Anlasser 138 daher spezifisch für jede Motor-Kompressor-Einheit und besitzt kein Temperaturansprechen. Es ist auch bekannt einen PTC- Kaltleiter als Motor-Kompressor-Anlasser zu benutzen.

Gemäß Fig. 1 ist ein solcher PTC-Anlaßwiderstand gekennzeichnet durch einen niedrigen Widerstand im Bereich 1 der Widerstands-Temperatur-Kurve, d. h. bei niedrigen Temperaturen und einen Bereich hohen Widerstandes, der durch den Abschnitt 3 dargestellt ist, und praktisch einen offenen Stromkreis bildet, während in einem Zwischenabschnitt 2 ein Übergang vorhanden ist. Der Übergang vom Zustand 1 in den Zustand 3 (Sprungtemperatur) wird durch Ansteigen der Temperatur infolge des hindurchfließenden Stromes verursacht.

Diese Charakteristik wird benutzt, um die Anlaßwicklung der Motorkompressor-Baueinheit zu speisen, mit der er in Reihe liegt, und demgemäß wird die Stromzufuhr abgeschaltet, wenn sich der Motorkompressor bewegt. Über die gesamte Periode, während der der Motorkompressor arbeitet, befindet sich der PTC-Widerstand im offenen Schaltzustand 3, der durch einen sehr hohen Widerstand gekenn­ zeichnet ist. Nur durch Abschalten der Stromzufuhr nach dem Motorkompressor ist es möglich, die anfänglichen Be­ dingungen des PTC-Widerstandes wiederherzustellen, nämlich den Bereich 1 mit niedriger Temperatur, und danach ist es wieder möglich, die Anlaßwicklung wieder zur Speisung heranzuziehen.

Die Zeit, die erforderlich ist, damit sich der PTC-Wider­ stand abkühlen kann und von dem Zustand 3 in den Zustand 1 übergeht, stellt die Rücksetzzeit dar.

Diese Rücksetzzeit für den PTC-Widerstand darf nicht mit der Rücksetzzeit der anderen Steuerung, beispielsweise der thermischen Schutzglieder oder des Temperatursteuer­ systems störend zusammenwirken, die mit der Motor-Kompressor- Baueinheit zusammenwirken. Ebenso dürfen die Betriebszeiten von PTC-Widerstand und Steuerungen nicht in negativer Weise störend einen gegenseitigen Einfluß ausüben.

Es ergibt sich daraus, daß die Anwendung eines PTC-Anlaß­ widerstandes für Motor-Kompressoren, die für Kühleinrich­ tungen bestimmt sind, eine spezielle Bemessung erfordert, die auf das Temperaturmuster und das zeitliche Zusammen­ wirken zwischen PTC-Widerstand und Schutzvorrichtungen ab­ gestimmt sein muß, damit eine ordnungsgemäße Arbeitsweise unter allen denkbaren Betriebsbedingungen gewährleistet ist und insbesondere auch unter Überlastbedingungen des Motor- Kompressors und bei unregelmäßigen Betriebsbedingungen, die möglicherweise von einem solchen Zusammenwirken herrühren können. Außerdem ist die Anordnung des PTC-Anlaßwiderstandes relativ zu dem thermischen Schutz und die Anordnung dieser beiden Bauteile relativ zu den Elementen von Motor-Kompressor und Behälter von größter Wichtigkeit im Sinne einer korrek­ ten Arbeitsweise des Gesamtsystems. Die Situation, die un­ bedingt verhindert werden muß ist jene, daß nach irgend­ einer Überlast der PTC-Anlaßwiderstand sich nicht selbst zurücksetzt oder unzulänglich gekühlt wird, und deshalb seine Anfangsbedingung nicht erreicht. Wenn dies geschieht, dann erfolgt ein kontinuierliches zyklisches Öffnen und Schließen des Schutzschalters, und dies kann entweder unendlich lange dauern oder für eine begrenzte Zeit, aber jedoch so lange, daß die Grundarbeitsweise von Motor-Kom­ pressor und seiner Anwendung einen Kompromiß darstellt.

Es sind zwei Verfahren bekannt, um diese Arbeitsweise und die Rücksetzzeiten zu steuern und zu normalisieren. Das erste Verfahren ist in Fig. 6 dargestellt, und hier wird ein PTC-Anlaßwiderstand 210 benutzt, der mit der Anlaß­ wicklung 214 in Reihe geschaltet ist und außerhalb in der Nähe der Kapsel 220 der Motorkompressoreinheit liegt, wobei benachbart zu der Anlaßwicklung 214 ein Bimetallschalter angeordnet ist, dessen Sensor 212 innerhalb der Kapsel 220 befindlich ist und in inniger Berührung mit den Motorwicklungen steht. Bei diesem Verfahren liegt der Schutzsensor 212 in einer Umgebung, in der die Temperatur nur langsam fällt, da der Sensor hermetisch innerhalb des Motor-Kompressors untergebracht ist, während der PTC-Wider­ stand in einer Umgebung angeordnet ist, in der die Temperatur relativ schnell abfällt. Dies gewährleistet, daß der PTC- Widerstand zurückgesetzt wird bevor das Schutzbimetall zurück­ gestellt ist.

Dieses Verfahren hat gewisse charakteristische Nachteile, nämlich die lange Ruhezeit nach Ansprechen der Schutzvor­ richtung und die Tatsache, daß die Schutzvorrichtung fast ausschließlich auf Temperatur und nicht auf Strom anspricht, und außerdem ist nachteilig, daß dann wenn sich ein Fehler in der Schutzvorrichtung entwickelt, der gesamte Kompressor ersetzt werden muß.

Bei dem zweiten bekannten Verfahren (Fig. 7) sind PTC-Anlaßwiderstand 310 und thermischer Schutzschalter 312 in räumlicher und thermischer Nachbarschaft entweder auf dem gleichen Träger oder einer gemeinsamen Einheit 336 außen und in der Nähe der Kapsel 320 des Motor-Kompressors angeordnet.

Auf diese Weise wird erreicht, daß sowohl der PTC-Anlaß­ widerstand als auch die thermische Schutzvorrichtung in einer Umgebung befindlich sind, in der die Temperatur rasch abnimmt. Beim Auftreten einer Überlast jedoch, wenn die thermische Schutzvorrichtung den Schalter öffnet, wird infolge der thermischen Zusammenwirkung der zyklische Übergang nach einer gewissen Zeitperiode ausgeschaltet zugunsten eines normalen Anlaufs, vorausgesetzt, daß die Ursache der Überlast in der Zwischenzeit verschwunden ist.

Dieses Verfahren hat Vorteile, nicht zuletzt im Hinblick auf die Einfachheit des Aufbaus und der Konstruktion und im Hinblick auf die Kompaktheit des PTC-Widerstandes und der thermischen Schutzvorrichtung 336.

Das thermische Zusammenwirken zwischen dem PTC-Anlaßwiderstand und der thermischen Schutzvorrichtung zur Erlangung der er­ wähnten Wirkung kann jedoch nicht immer genau bestimmt werden und oft sind zusätzliche Korrekturmittel erforderlich, die dieses Verfahren beträchtlich komplizieren. Auch ist keine Normung möglich, weil jeder PTC-Widerstand und jedes ther­ mische Schutzsystem 336 spezifisch ausgebildet ist und für jeden Kompressor gesondert ausgelegt werden muß.

Gemäß der Erfindung (Fig. 2) sind PTC-Anlaßwiderstand und thermischer Schutz­ schalter in gleicher Weise wie bei Fig. 7 (an der Motor-Kompressor- Baueinheit angeordnet, wobei gleichzeitig eine ordnungsgemäße Arbeitsweise des Gesamtaufbaus und insbesondere im Hinblick auf Strom- und Temperaturüberlastungen gewährleistet ist.

Bis jetzt ist keine befriedigende Möglichkeit gefunden worden, PTC-Anlaßwiderstand und thermische Schutzvorrichtung außerhalb in der Nähe des Behälters der Motor-Kompressor-Baueinheit und räumlich getrennt so anzuordnen, daß kein thermisches Zusammenwirken zwischen ihnen stattfinden kann. Das erfindungs­ gemäße Verfahren wird dadurch ermöglicht, daß die Masse der PTC-Widerstands-Kontaktkörper, ihre Abmessungen, die Materialie und Konstruktion in bestimmter Weise getroffen wird, und schließlich wird der Wärmedispersionskoeffizient in bestimmter Weise gewählt, der die Rückstellung bzw. die Abkühlungsraten des PTC-Anlaßwiderstandes bestimmt. Die Abkühlgeschwindigkeiten sind unterschiedlich gemäß der Umgebung in der der PTC-Wider­ stand angeordnet ist. Diese bestimmten Ausbildungen führen zu der ordnungsgemäßen Arbeitscharakteristik der Erfindung, die gewährleistet wird wenn die PTC-Rückstellraten 1,5 und 2,5 sec/°C betragen, bei einer Umgebungstemperatur von 60°C bzw. 100°C.

Das Verfahren gemäß der Erfindung besitzt wesentliche Vor­ teile im Hinblick auf Einfachheit, Zusammenbau und Normung. Das Verfahren wurde bisher noch nicht benutzt, weil die er­ wähnten betriebsmäßigen Nachteile bisher nicht zu beseitig waren. Diese Nachteile im Hinblick auf das Zusammenwirken der Rückstellzeiten der beiden Komponenten, nämlich des PTC- Anlaßwiderstandes und des thermischen Schutzes traten immer dann auf, wenn die beiden Komponenten nicht in geeigneter Weise gekuppelt und angeordnet waren.

Fig. 2 zeigt die Schaltungsanordnung von PTC- Widerstand 10 und thermischem Schutz 12, wobei der erstere in dem Stromkreis der Anlaßwicklung 14 liegt und der letztere in der gemeinsamen Zuleitung 16 von Anlaßwicklung 14 und Hauptwicklung 18. Beide Komponenten 10, 12 sind außerhalb der Kapsel 20 angebracht.

Fig. 3 zeigt die räumliche Anordnung der thermischen Schutz­ vorrichtung 12 und des Gehäuses des PTC-Widerstandes 10 an der Kapsel 20. Der Sensor 22 der thermischen Schutzvorrich­ tung 12 steht im wesentlichen in Berührung mit der Oberfläche der Kapsel 20 derart, daß er direkt von der Temperatur beeinflußt wird, die auf ihn durch die Wicklungen 14, 18 über das im Behälter stehende Kühlgas beeinflußt wird.

Das Gehäuse des PTC-Widerstandes 10 ist mit dem Behälter 20 über Anschlüsse derart verbunden, daß die Baueinheit 24 in der dargestellten Stellung befindlich ist.

Mit dieser Anordnung ergibt sich ein thermisches Verhalten der beiden Bauteile 10, 12 in der nachstehend unter Bezug­ nahme auf Fig. 4 beschriebenen Weise, wenn die Motor-Kom­ pressor-Einheit überlastet wird.

Wenn während einer Arbeitsperiode der Motor-Kompressor-Einheit in der die Arbeitsbedingungen durch den Saugdruck 26 und den Förderdruck 28 bestimmt wird, und die Temperatur des PTC- Widerstandes 10 durch die Kurve 30 repräsentiert ist, dann ist die thermische Schutzvorrichtung 12 in dem Zustand, der durch "EIN" gekennzeichnet ist, und es wird die Strom­ zufuhr nach der Motor-Kompressor-Einheit unterbrochen, weil eine Überlast vorhanden ist und demgemäß wird der Ausschalt­ zustand "AUS" erreicht und Saug- und Förderdrücke beginnen sich von diesem Augenblick t₁ an auszugleichen und folgen dabei dem angegebenen Veränderungsgesetz. Die Temperatur des PTC-Widerstands beginnt von dem tatsächlichen angegebenen Wert abzusinken und ebenso fällt die Temperatur des Bimetall­ streifens der thermischen Schutzvorrichtung 12, die nunmehr im Ausschaltzustand befindlich ist. (AUS-Zustand). Wenn der Bimetallstreifen sich bis zu einem Punkt abgekühlt hat, an dem die Kontinuität der Speiseschaltung (Zeit t₂) wiederher­ gestellt ist, dann kann der Motor noch nicht wieder anlaufen, weil der PTC-Widerstand noch nicht zurückgesetzt ist, denn dessen Temperatur liegt noch oberhalb der Sprungtemperatur und die Drehmomente sind noch nicht ausgeglichen.

Die Temperatur des PTC-Widerstands beginnt anzusteigen, weil wiederum ein Stromfluß einsetzt.

Der Bimetallstreifen der thermischen Schutzvorrichtung, durch die der starke Kurzschlußstrom hindurchfließt, erreicht wiede­ rum eine Abschalttemperatur und diese Arbeitsbedingung wieder­ holt sich abwechselnd über einige Perioden. Das Endergebnis dieses periodischen Vorgangs ist sowohl ein Ansteigen der Temperatur der Wicklungen als auch ein Ansteigen der Tempera­ tur der Wandung, auf der die in den Wicklungen erzeugte Wärme über das Kühlmittelgas übertragen wird, welches innerhalb des Motor-Kompressors umläuft, und hierdurch wird die Temperatur der thermischen Schutzvorrichtung erhöht.

Wenn diese Folge von Zyklen vor­ bestimmt wird, dann entwickeln sich die zyklischen Übergänge nach den Ausschaltzyklen hin, welche eine zunehmend größere Dauer besitzen.

Bei jedem aufeinanderfolgenden Zyklus erreicht die Kühlung des PTC-Anlaßwiderstandes 10 einen verbesserten Rückstellwert, so daß nach einer gewissen Zahl von Zyklen der PTC-Wider­ stand einen optimalen Rückstellwert angenommen hat und schließlich kann Strom durch die Anlaßwicklung 14 fließen und den Motor starten. Wenn zu diesem Zeitpunkt die Saug- und Förderdrücke einen Ausgleichswert erreicht haben, bei dem das Widerstandsdrehmoment des Kompressors kleiner ist als das statische Drehmoment des Motors, dann ist der Normalbetrieb gewährleistet.

Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß der er­ findungsgemäße Gedanke vorliegender Erfindung auf der Wärme­ speicherung und dem Dispersionsmechanismus der Schutzvorrich­ tung und des PTC-Widerstandes beruht, d. h. auf konstruktiven Parametern dieser Bauteile, wodurch diese Phänomene gesteuert werden und auch durch die räumliche Beziehung gegenüber den Wärmequellen, die die Temperatur der Bauteile selbst hervor­ rufen, d. h. Behälteroberfläche, Wicklungen und ihr relativer thermischer Widerstand.

Claims (2)

1. Anlaß- und Schutzvorrichtung für den gekapselten Motorkompressor einer Kältemaschine, deren Motor eine Haupt­ wicklung (18) und eine Anlaßwicklung (14) in Parallelschal­ tung aufweist, mit einem außerhalb der Kapsel angeordneten, in Reihe mit der Anlaßwicklung liegenden Kaltleiter-Wider­ stand (10), der durch den hindurchfließenden Strom auf eine Temperatur aufgeheizt wird, bei der er einen sehr großen elektrischen Widerstand hat, und mit einem außerhalb der Kap­ sel in der gemeinsamen Zuleitung (16) zu Haupt- und Anlaß­ wicklung liegenden Schutzschalter (12), der einen von der Temperatur der Wicklungen (14, 18) beeinflußten Temperaturfühler (22) aufweist und bei Temperatur- oder Stromüberlastung den Stromzufluß abschaltet,
dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Schutzschalter (12) und der Kaltleiter- Widerstand (10) nicht in direkter Wärmeleitverbindung mitein­ ander stehen,
• - daß der Temperaturfühler (22) des Schutzschal­ ters (12) in Wärmeleitkontakt mit der Kapselwand steht,
• - daß die Rücksetzzeit des Schutzschalters (12) bei der Kapsel-Betriebstemperatur, d. h. der Temperatur, die die Kapselwand bei laufendem Motorkompressor und störungsfreiem Betrieb maximal erreicht, kürzer ist als die Rücksetzzeit des Kaltleiter-Widerstandes (10) und
• - daß die Rücksetzzeit des Schutzschalters (12) mit steigender Kapseltemperatur zunimmt und bei einer Temperatur oberhalb der Kapsel-Betriebstemperatur länger wird als die Rücksetzzeit des Kaltleiter-Widerstandes (10).

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellrate des PTC-Wider­ standes bei einer Umgebungstemperatur von 60°C 1,5 sec/°C und bei 100°C 2,5 sec/°C beträgt.