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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Startsystem
der in Elektromotoren, insbesondere in Einphasen-Induktionsmotoren, verwendeten
Art.
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Hintergrund der Erfindung
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Einphasen-Induktionsmotoren
kommen aufgrund ihrer Einfachheit, Festigkeit und hohen Leistung
verbreitet zum Einsatz. Sie werden in Haushaltsgeräten im allgemeinen,
wie in Kühlschränken, Gefrierschränken, Klimaanlagen,
hermetischen Verdichtern, Waschmaschinen, Pumpen, Gebläsen, und für bestimmte
Industrieanwendungen eingesetzt.
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Die
bekannten Induktionsmotoren sind allgemein mit einem käfigartigen
Rotor und einem gewickelten Stator mit zwei Wicklungen versehen,
deren eine für
die Betriebsspule und deren andere für die Anlaßspule vorgesehen ist. Ein
solcher Motor ist in der
US 5
488 834 mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten
Merkmalen beschrieben. Während
des Normalbetriebs des Verdichters wird die Betriebsspule mit Wechselspannung
versorgt, wobei die Anlaßspule
zu Beginn des Startvorgangs vorübergehend
versorgt wird, was ein Drehmagnetfeld im Luftspalt des Stators erzeugt,
wobei dieser Zustand zum Beschleunigen des Rotors und zum Starten
des Motors notwendig ist.
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Das
Drehmagnetfeld kann durch Versorgen der Anlaßspule mit einem Strom erhalten
werden, der relativ zum in der Betriebsspule fließenden Strom, vorzugsweise
um einen Winkel nahe 90 Grad, zeitversetzt ist. Dieser Zeitversatz
zwischen dem in beiden Spulen fließenden Strom wird durch bauliche Merkmale
der Spulen oder durch Anbringen einer externen Impedanz in Reihe
mit einer der Spulen, allgemein jedoch in Reihe mit der Anlaßspule,
erreicht, und das am häufigsten
zum Bereitstellen dieses Zeitversatzes zwischen den Strömen der
Hauptspule und der Anlaßspule
verwendete Element ist der Kondensator.
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Dieser
Wert des Stroms, der während
des Startvorgangs des Motors durch die Anlaßspule fließt, ist allgemein hoch und
erfordert die Verwendung einer Art von Schalter, der diesen Strom
unterbrechen kann, nachdem die zum Fördern der Beschleunigung des
Motors erforderliche Zeit abgelaufen ist.
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Nachdem
der Motor in Drehung versetzt wurde, steht das durch die Betriebsspule
erzeugte Magnetfeld in Wechselwirkung mit dem im Motor induzierten
Feld und hält
das notwendige Drehfeld für
den Motorbetrieb aufrecht.
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In
den Fällen,
in denen der Motor dazu ausgelegt ist, keine Vorrichtungen in Reihe
mit der Anlaßspule
zu verwenden, d. h. wenn der Zeitversatz zwischen den Strömen durch
die baulichen Merkmale der Anlaßspule
gewährleistet
ist, sind bei dieser Spule allgemein dünnere Leiter und eine geringere Anzahl
Wicklungen vorgesehen, was ein höheres
Widerstand/Recktanz-Verhältnis
und somit einen geringeren Versatz zwischen Spannung und Strom relativ zur
Betriebsspule gewährleistet.
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Ein
Nachteil dieser Technik besteht darin, daß ein großer Zeitversatz zwischen den
Strömen der
Anlaß-
und Betriebsspule normalerweise nicht durch bloßes Ändern der baulichen Aspekte
der Anlaßspule
erreicht wird, was das Drehmoment des Motors während des Anlassens beeinträchtigt.
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Diese
Technik wird allgemein bei Motoren eingesetzt, die an Lasten angelegt
werden, welche kein sehr hohes Anlaßmoment benötigen und daher der Motor die
Last auch ohne ein hohes Drehmoment bei blockiertem Rotor beschleunigen
kann. Dies hat den Vorteil einer Senkung der Endkosten bei Verwendung
dieser Motoren, da diese auf die Verwendung zusätzlicher, mit der Anlaßspule gekoppelter
Elemente verzichten.
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Die
andere Lösung
zum Gewährleisten
der Beschleunigung des Motors aus dem Stillstand heraus ist die
Verwendung eines Kondensators mit einem hohen Kapazitätswert,
der mit der Zusatzspule in Reihe angeordnet ist, typischerweise
mit einer Kapazität
im Bereich von 40 μF
bis 300 μF,
die von der Motorgröße abhängt. Die
Verwendung eines Kondensators mit hoher Kapazität gewährleistet, daß der Strom
in der Anlaßspule
dem Strom der Hauptspule um etwa 90 Grad vorauseilt, und daß das Anlaßdrehmoment
höhere
Werte erreicht, als sie ohne den Einsatz von Elementen in Reihe
mit den Spulen erreicht werden. Problematisch sind bei der Verwendung
eines Anlaßkondensators
die hohen Kosten dieses Bauteils, die relativ kurze Betriebsdauer
der Kondensatoren und die höhere
Zahl zu lagernder Teile des Endproduktes.
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Ziele der Erfindung
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Somit
ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Startsystem für einen
Einphasen-Induktionsmotor
bereitzustellen, welches das Anlaßdrehmoment derartiger Motoren
ohne Verwendung von Kondensatoren erhöht.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein System
der oben erwähnten
Art bereitzustellen, welches das vom Motor während der Beschleunigung gelieferte
maximale Drehmoment erhöht.
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Noch
ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Startsystem
der oben erwähnten Art
bereitzustellen, das die Leistungsaufnahme des Motors während des
Start- und Beschleunigungszeitraums verringert.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Diese
und andere Ziele werden durch ein Startsystem für einen Einphasen-Induktionsmotor
erreicht, das umfaßt:
einen Stator, der eine Betriebsspule und eine Anlaßspule aufweist,
eine Stromquelle, welche die Betriebsspule und die Anlaßspule mit Strom
versorgt, einen Betriebsschalter und einen Anlaßschalter, die im geschlossenen
Zustand jeweils die Betriebsspule bzw. die Anlaßspule mit der Stromquelle
verbinden, wobei der Anlaßschalter
nach erfolgtem Motorstart in einen offenen Zustand überführt wird,
und eine Steuereinheit, die von der Stromquelle versorgt wird und
mit dem Betriebsschalter und dem Anlaßschalter betätigbar verbunden
ist, um deren offene und geschlossene Zustände anzuweisen, wobei die Steuereinheit
dazu programmiert ist, den Betriebsschalter zu betätigen, um
eine Verzögerung
der Stromversorgung, die der Betriebsspule zugeführt wird, relativ zur Stromversorgung,
die der Anlaßspule während des
Motorstarts zugeführt
wird, für
eine vorbestimmte Zeitdauer zu bewirken, die vorher festgelegt wurde
und ab dem Nulldurchgang des dem Stator zugeführten Stroms berücksichtigt
wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschreiben. Es zeigen:
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1 schematisch
eine Ausführungsform
eines Startsystems, das gemäß der vorliegenden
Lösung
gebaut ist;
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2 schematisch
die modulierte Spannung und die während des Motorstarts jeweils
zeitlich zueinander versetzten, modulierten Ströme für die Anlaß- und die Betriebsspule gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3 schematisch
Motorbeschleunigungskurven für
einen herkömmlichen
Start und für
einen Start unter Verwendung des vorgeschlagenen Startsystems, und
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4 schematisch
Leistungskurven, die während
der Motorbeschleunigung bei seinem herkömmlichen Start und unter Verwendung
des vorgeschlagenen Startsystems erhalten werden.
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Beschreibung der dargestellten
Ausführungsform
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Das
Startsystem für
einen Einphasen-Induktionsmotor nach der vorliegenden Erfindung
wird im Zusammenhang mit einem Motor 10 beschrieben, mit
einem Stator, der eine Betriebsspule 11 und eine Anlaßspule 12 aufweist,
die über
eine Wechselstromquelle F versorgt werden und mit einem Betriebsschalter
S1 und einem Anlaßschalter 52,
die im geschlossenen Zustand jeweils die Betriebsspule 11 und
die Anlaßspule 12 mit
der Stromquelle F verbinden, wobei der Anlaßschalter S2 nach erfolgtem
Motorstart in einen offenen, die Stromversorgung der Anlaßspule 12 unterbrechenden
Zustand überführt wird.
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Das
beschriebene Startsystem umfaßt
weiter einen Stromsensor 20, der zwischen der Stromquelle
F und dem Stator in Reihe geschaltet ist, um den durch die Betriebsspule 11 und
durch die Anlaßspule 12 des
Stators des Motors 10 fließenden Strom zu messen, und
betätigbar
mit einer Steuereinheit verbunden ist, die von der Stromquelle F
versorgt wird und sowohl mit dem Betriebsschalter S1 als auch mit
dem Anlaßschalter
S2 betätigbar
verbunden ist, um deren Öffnen
und Schließen
abhängig
von bestimmten Betriebszuständen
anzuweisen, die vom Stromsensor 20 detektiert werden.
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Der
Betriebsschalter S1 und der Anlaßschalter S2 können elektromechanische
Kontakte oder statische Wechselstrom-Halbleiterschalter, wie z.
B. Triacs, sein, und gemäß der vorliegenden
Erfindung ist zumindest der Betriebsschalter S1 ein Halbleiter vom
Triac-Typ.
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Bei
der vorliegenden Lösung
informiert der Stromsensor 20 die Steuereinheit 20 über jeden
Zeitpunkt, zu dem der Strom einen Nulldurchgang hat, um die Modulation
am Betriebsschalter S1 der Betriebsspule 11 des Motors 10 steuern
zu können.
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Die
Verfahren, die üblicherweise
eingesetzt werden, um das Anlaßdrehmoment
bei Einphasen-Induktionsmotoren
zu erzeugen, bestehen darin, Mittel zu schaffen, um den in der Anlaßspule 12 fließenden Strom
gegenüber
dem in der Betriebsspule 11 fließenden Strom voreilen zu lassen.
Daher wird der Motor so gefertigt, daß dieser Zeitversatz gewährleistet
ist, oder ein Kondensator wird während der
Startphase in Reihe mit der Anlaßspule 12 angeordnet,
wie dies oben beschrieben ist.
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Die
vorliegende Erfindung besteht darin, den während des Startzeitraums in
der Betriebsspule 11 des Motors 10 fließenden Strom
durch Steuern des Auslösewinkels
des als Betriebsschalter S1 dienenden Triacs zu verzögern.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist die Steuereinheit 30 so programmiert, daß sie den
Betriebsschalter S1 dahingehend betätigt, eine Verzögerung des
der Betriebsspule 11 zugeführten Stroms gegenüber dem
der Anlaßspule 12 während des
Motorstarts zugeführten
Strom um ein bestimmtes Zeitintervall zu bewirken, das vorher festgelegt
und ab dem Nulldurchgang des dem Stator zugeführten Stroms berücksichtigt
wird.
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Bei
der vorliegenden Lösung
weist die Steuereinheit 30 bei jedem Nulldurchgang des
Versorgungsstroms der Betriebsspule 11 und/oder der Anlaßspule 12 das Öffnen des
Betriebsschalters S1 an, wobei dieser Zustand während des bestimmten Zeitintervalls
beibehalten wird, wonach die Steuereinheit 30 das Schließen des
Betriebsschalters S1 anweist.
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2 zeigt
die Wellenform der während
des Startzeitraums des Motors an die Betriebsspule 11 angelegten
Spannung. Der Triac, der als Betriebsschalter S1 dient, wird zu
einem bestimmten Zeitpunkt ausgelöst, wobei für diese Bauteile charakteristisch
ist, daß der
als Betriebsschalter S1 dienende Triac, wenn der fließende Strom
unterbrochen ist, da am Gatter kein Signal anliegt, zum offenen
Zustand zurückkehrt,
was als automatisches Schalten bekannt ist. Die Steuereinheit 30 wartet
dann ein Zeitintervall Δt
ab, das relativ zum Nulldurchgang des durch die Betriebsspule 11 bzw.
die Anlaßspule 12 fließenden Stroms
gemessen wird, der vom Stromsensor 20 detektiert wird,
um ein neues Signal an den Gatter-Anschluß anzulegen und den als Betriebsschalter
S1 dienenden Triac erneut auszulösen.
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Als
Folge der Verzögerung
beim Auslösen des
Triac, der als ein Betriebsschalter S1 dient, weist der durch die
Betriebsspule 11 fließende
Strom die Form auf, die in 2 dargestellt
ist, welche zeigt, daß der
durch die Verschiebung erhaltene Strom relativ zu dem verzögert ist,
der ohne die Steuerung des als Betriebsschalter S1 dienenden Triac
erhalten würde.
Sobald der Strom in der Betriebsspule 11 stärker verzögert ist
als im ursprünglichen
Zustand ohne Modulation, wird das Starten und Beschleunigen des Motors 10 mit
zunehmender Verzögerung
des Auslösens
des dem Betriebsschalter S1 entsprechenden Triac stärker. Durch
Verzögern
des Stroms der Betriebsspule 11 wird nämlich eine ähnliche Wirkung wie beim Vorauseilen
des Stroms in der Anlaßspule 12 erhalten.
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Andererseits
nimmt der wirksame Strom, welcher der Betriebsspule 11 zugeführt wird,
bei zunehmendem Auslösewinkel
ab, weshalb ein Maximum für
die Verzögerung
beim Verschieben des dem Betriebsschalter S1 entsprechenden Triac
vorliegt, um die Erhöhung
des Drehmomentes zu gewährleisten.
Die ideale Verzögerung
zum Auslösen
dieses Triac hängt
von der charakteristischen Induktivität der Betriebsspule 11 und
ihrem Verhalten während des
Starts des Motors 10 ab und wird gemäß den baulichen Merkmalen des
Motors 10 eingestellt, um während des Starts die maximal
mögliche
Drehmomenterhöhung
zu erreichen, wobei diese Verzögerung
der Stromzufuhr zur Betriebsspule 11 beispielsweise maximal
90 Grad beträgt.
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3 stellt
die Drehmomentkurven der Beschleunigung beim Startsystem der vorliegenden
Erfindung und bei den herkömmlichen
Systemen ohne zusätzliche
Startelemente dar.
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Die
Leistungsaufnahme des Motors 10 während des Starts und der Beschleunigung
bei der Lösung
der vorliegenden Erfindung verringert sich gegenüber dem Start, der direkt über die
Stromversorgung erfolgt, da die Stromzufuhr zur Betriebsspule 11 gegenüber der
Situation ohne Trigger-Steuerung deutlich vermindert ist.
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4 zeigt
die Vergleichskurven der Leistungsaufnahme durch den Motor während der
Beschleunigung. Abhängig
vom Anstieg der Drehmomentkurve während des Beschleunigungszeitraums wird
die Last schneller beschleunigt, wodurch die Startzeit und der damit
verbundene Energieverbrauch verringert werden.
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Nach
Ablauf der vorbestimmten Zeit zum Starten des Motors 10 wird
der Triac, der dem Anlaßschalter
S2 entspricht, welcher der Versorgung der Anlaßspule 12 zugeordnet
ist, angewiesen, im offenen Zustand zu bleiben, und der Triac, der
dem Betriebsschalter S1 zugeordnet ist, um die Betriebsspule 11 zu
versorgen, wird angewiesen, die Verbindung zwischen der Stromquelle
F und der Betriebsspule 11 ohne Verzögerung der Leitung beizubehalten,
d. h. nach erfolgtem Start wird die Versorgungssystemspannung direkt
an die Betriebsspule 11 des Motors 10 angelegt,
wodurch eine maximale Spannung und ein maximales Drehmoment im Motor 10 während der
Normalbetriebsdauer gewährleistet
sind.