WO2015158457A2 - Schaltvorrichtung für eine stern-dreieck-umschaltung bei einem mehrphasigen motor - Google Patents

Schaltvorrichtung für eine stern-dreieck-umschaltung bei einem mehrphasigen motor Download PDF

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WO2015158457A2
WO2015158457A2 PCT/EP2015/054154 EP2015054154W WO2015158457A2 WO 2015158457 A2 WO2015158457 A2 WO 2015158457A2 EP 2015054154 W EP2015054154 W EP 2015054154W WO 2015158457 A2 WO2015158457 A2 WO 2015158457A2
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Ingo Schaar
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Eaton Electrical Ip Gmbh & Co. Kg
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    • H01H53/01—Details
    • H01H53/015—Moving coils; Contact-driving arrangements associated therewith

Definitions

  • the invention relates to a switching device for a star-delta switching in a multi-phase motor.
  • a star-delta switchover is used, for example, for starting up 3-phase (electric) motors.
  • the three motor windings are connected during a start-up phase of the motor to a star connection in which the three phases L1 to L3 for the power supply of the motor connected to the terminals U1, V1 and W1 of the motor windings and the terminals U2, V2 and W2 are interconnected. This interconnection reduces the overall power of the engine when starting up to one third of the operating power.
  • the motor windings are connected in a triangle by the terminals U1, W2 and V1, U2 and W1, V2 are connected together and connected to the phase L1 and L2 or L3.
  • three contactors Q1 1 line contactor
  • Q12 delta contactor
  • Q13 star contactor
  • the contactors Q12 and Q13 realize the star-delta switchover.
  • the contactor Q13 is closed, and the contactor Q12 is opened.
  • the delta connection it is vice versa.
  • these contactors are locked against each other, which is ensured by auxiliary contacts.
  • a switching device for a star-delta contactor in which three contact levels are provided so that network, - can be integrated with a time relay and star contactor in an assembly.
  • the star-delta switchover takes place via a bimetal, which unlocks a mechanical lock and the contactor of the star and the Triangular operation forces when the network level contacts are closed.
  • a bimetal is not very accurate, so the switching timing from the star to the delta connection can not be determined accurately.
  • many springs are used to build up the force to hold the contacts in position or bring in this known construction. Since the elasticity of the springs can decrease over time, this suffers the reliability of the switching device.
  • the international patent application WO00 / 57444A1 also describes an integrated star-delta switching device comprising two contactor drives in the form of coils, by means of which a lever can move movable, spring-held contacts between two positions in order to switch from star to delta.
  • this lever design is structurally complex and also requires many springs with the aforementioned disadvantages.
  • two contactor drives are required.
  • Object of the present invention is therefore to provide an improved switching device for a star-delta switching in a multi-phase motor.
  • An underlying idea of the present invention is to provide a contact device per motor winding of a polyphase motor, which is designed such that it integrates the switching functions of the mains, delta and star contactors and has a contact bridge coupled to a drive axis of an electro-magnetic drive , which can be moved via the drive axle between three defined axial positions.
  • a contact device per motor winding of a polyphase motor which is designed such that it integrates the switching functions of the mains, delta and star contactors and has a contact bridge coupled to a drive axis of an electro-magnetic drive , which can be moved via the drive axle between three defined axial positions.
  • no springs for force build-up or for holding the contact bridge is required because their position or axial position can be controlled precisely with the electro-magnetic drive.
  • An embodiment of the invention relates to a switching device for a star-delta switching in a polyphase motor with a motor winding per phase, each motor winding each having a motor winding terminal pair U1, U2, V1, V2, W1, W2, and wherein the switching device following comprising: an electro-magnetic drive for moving a drive axis between three defined axial positions and per motor winding a contact device having a first and a second motor winding terminal contact, a phase terminal contact and a movable contact bridge, which is coupled to the drive axle and via this in the three defined positions can be moved.
  • the movable contact bridge is located in a first and axially located between the other two positions position in an open-Steil, in which none of the terminals is electrically connected to another of the terminal contacts via the contact bridge.
  • the movable contact bridge In a second of the three defined positions, the movable contact bridge is in a star contact position, in which the contact bridge electrically connects the phase connection contact with the first motor winding connection contact and the second motor winding connection contact via a star contact coupled to the drive axis the second motor winding terminal contacts of all other contact devices is electrically connected.
  • the movable contact bridge is in a triangular contact position in which the contact bridge electrically connects the phase terminal contact to the first and second motor winding terminal contacts.
  • the contact device may comprise: a conductive contact arm emanating from the first motor winding terminal contact and extending to the level of the star contact position, which is contacted by the contact bridge in the star contact position; a conductive contact arm extending from the first motor winding terminal contact and extending to the level of the triangle contact position contacted by the contact bridge in the triangular contact position; a conductive contact arm extending from the phase termination contact and extending to the level of the star contact position contacted by the contact bridge in the star contact position; a conductive contact arm extending from the phase termination contact and extending to the level of the triangular contact position, the contact arm in the Triangle contact position is contacted; and a conductive contact arm extending from the second motor winding terminal contact and extending to the level of the triangle contact position contacted by the contact bridge in the triangular contact position and the star contact in the star contact position.
  • the two conductive contact arms respectively starting from the first motor winding connection contact and from the phase connection contact may form a U or V, other contact points are provided at each other, to which corresponding contact points of the contact bridge for contacting in the corresponding position of the contact bridge are pressed.
  • the electro-magnetic drive may comprise a movable permanent magnet coupled to the drive axle and a fixed electromagnet.
  • the movable permanent magnet can be held by springs in the de-energized state of the fixed electromagnet in a first position, so that the drive axle is in the first defined position, and the movable permanent magnet can in the energized state of the fixed electromagnet depending on the current direction in a second or a third position against the force of the springs are pressed against a stop or on poles of the fixed electromagnet, so that the drive axle is in the second or third defined position.
  • the electro-magnetic drive may also have a movable electromagnet coupled to the drive axle and a fixed electromagnet.
  • the movable electromagnet can be held by springs in the de-energized state of the movable or fixed electromagnet in a first position, so that the drive axle is in the first defined position, and the movable electromagnet can in the energized state of both electromagnets depending on the current direction in a second or third position against the force of the springs are pressed against a stop or to poles of the fixed electromagnet, so that the drive axle is in the second or third defined position.
  • the springs can be provided here as electrical leads for energizing the movable electromagnet.
  • the contactor may also include semiconductor switches connected between the movable contact bridge and the first and second motor winding terminal contacts and the phase terminal contact.
  • FIG. 1 shows a conventional star-delta switching in a three-phase motor with three contactors.
  • Fig. 2 is a sectional view of an embodiment of a contact device of a switching device according to the invention
  • Fig. 3 shows a first embodiment of an electro-magnetic drive with a movable permanent magnet of a switching device according to the invention
  • Fig. 4 shows a second embodiment of an electro-magnetic drive with a movable electromagnet of a switching device according to the invention.
  • the switching device for a star-delta switching in a 3-phase motor with a motor winding per phase integrates the three contactors Q1 1, Q12 and Q13 of the conventional star-delta switching shown in Fig. 1 by a special contact device 20th , from the in Fig. 2 a Section view is shown.
  • a separate contact device 20 is provided per motor winding, so that three of the contact device 20 shown in FIG. 2 are required in the 3-phase motor.
  • the contact device 20 is characterized in particular by the fact that the axially movable (see the double arrow in Fig. 2) movable contact bridge 28 in three defined and different positions can be moved: an open position or - position 14 (middle position of the contact bridge as 2), a star contact position 16 and a triangle contact position 18.
  • the three positions 14, 16, 18 correspond to three different planes.
  • the contact bridge 28 is axially moved between the three axial positions 14, 16 and 18 via a drive shaft 12 connected to it made of a non-electrically conductive material, in particular an insulator. The movement takes place via an electromagnetic drive. As shown in FIG. 2, the contact device 20 does not require springs for holding the contact bridge 28 in its three positions 14, 16, 18.
  • the contact device 20 shown in FIG. 2 has a first motor winding connection contact 22, a second motor winding connection contact 24 and a phase connection contact 26.
  • the connection contact 22 In the first of the three contact devices, the connection contact 22 is connected to U1, the connection contact 24 to V2 and the connection contact 26 to L1.
  • the connection contact 22 In the second of the three contact devices, the connection contact 22 is connected to V1, the connection contact 24 to W2 and the connection contact 26 to L2.
  • the connection contact 22 is connected to W1, the connection contact 24 to U2 and the connection contact 26 to L3. From the terminal contact 22 extend two electrically conductive contact arms 44 and 46 to the plane of the star contact position 16 and the triangular contact position 18. As shown in Fig. 2 form the contact arms 44 and 46 in section about a U.
  • this contact arm 52 is provided at its end with a double contact, whereby the terminal contact 24 in the star contact Position 16 is contacted by a fixed to the drive shaft 12 star contact 30 and in the triangular contact position 18 of the contact bridge 28. If the contact bridge 28 is thus moved from the open position 14, in which none of the connection contacts 22, 24 and 26 is connected to another contact, into the star contact position 16, the connection contacts 22 and 26 are electrically connected to one another (ie U1 and L1, V1 and L2, W1 and L3), and the terminal contact 24 with the star contact 30, which is electrically connected to the star contacts of the other contact devices (ie V2 with W2 and U2).
  • the star contact position 16 corresponds to the closing of the contactors Q1 1 and Q13 in the circuit shown in FIG.
  • the contact bridge 28 closes all three connection contacts 22, 24 and 26 electrically short (ie U1 with L1 and V2, V1 with L2 and W2, W1 with L3 and U2).
  • the triangle contact position 18 corresponds to the closing of the contactors Q1 1 and Q12 in the circuit shown in FIG.
  • Fig. 3 shows an electromagnetic drive 10 for the drive shaft 12 with a movably mounted and fixed to the drive shaft 12 permanent magnet 32 which is held by springs 36 in a first position between stops 38 and poles 40 of a fixed electromagnet 34, provided the electromagnet 34th is de-energized and exerts no magnetic force on the permanent magnet 32.
  • the first position of the permanent magnet 32 is the coupled with the drive shaft 12 contact bridge 28 in the open position 14.
  • the permanent magnet 32 can be attracted or repelled by the electromagnet 34 .
  • the electromagnet 34 is energized in such a way that the permanent magnet 32 is repelled and pressed against the stops 38.
  • the electromagnet 34 is energized so that the permanent magnet 32 is attracted and pressed onto the poles 40.
  • a permanent magnet 32 and a movable electromagnet 42 may be used, such as the electro-magnetic drive 1 shown in FIG.
  • the energization of the movable electromagnet 42 can take place via the springs 36 (voltage U2 in FIG. 4) in order to avoid additional electrical lines.
  • semiconductor switches can be connected between the movable contact bridge and the terminal contacts 22, 24 and 26 which are turned on to prevent arcing when the contacts 22, 24 and 26 are opened become.
  • the switching device could, for example, be controlled as follows: a timer could be used to specify a time after which the operating mode should be changed, for example, from a star to a delta circuit.
  • the switching can also make a control that controls the electro-magnetic drive accordingly. Since no auxiliary switches as in the conventional star-delta switching shown in Fig. 1 must be queried, the programming effort for a control of the switching can be significantly reduced with the invention.
  • a predetermined electrical voltage could be checked, for example with ramp function, to distinguish between the switching states.
  • the Heidelbergvornchtung invention is particularly suitable for use in motor starters.
  • the switching device according to the invention only requires the connection of the motor and the phases of the three-phase power supply.
  • the electromagnetic drive of the switching device according to the invention can optionally be controlled by a memory programmable controller (SPS) or by simply applying an electrical voltage.
  • SPS memory programmable controller
  • the switching device according to the invention allows a compact design due to its high functional density.
  • the switching device according to the invention allows a reduction of the material costs in production, since only an electromagnetic drive, only an electronics for driving, no pre-wiring of multiple contactors in production and only one housing are required.

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Abstract

Die Erfindung betriffteine Schaltvorrichtung für eine Stern-Dreieck-Umschaltung bei einem mehrphasigen Motor mit einer Motorwicklung pro Phase, wobei jede Motorwicklung jeweils ein Motorwicklungs-Anschlusspaar (U1, U2, V1, V2, W1, W2) und die Schaltvorrichtung folgendes aufweist: einen elektro-magnetischen Antrieb (10, 11) zum Bewegen einer Antriebsachse (12) zwischen drei definierten, axialen Positionen (14, 16, 18) und pro Motorwicklung eine Kontaktvorrichtung (20) mit einem ersten und einem zweiten Motorwicklungs-Anschlusskontakt (22, 24), einem Phasen-Anschlusskontakt (26) und einer beweglichen Kontaktbrücke (28), die mit der Antriebsachse (12) gekoppelt ist und über diese in die drei definierten Positionen (14, 16, 18) bewegt werden kann, wobei sich die bewegliche Kontaktbrücke (28) in einer ersten und axial zwischen den beiden anderen Positionen liegenden Position (14) in einer Offen-Stellung befindet, in der keiner der Anschlusskontakte (22, 24, 26) elektrisch mit einem anderen der Anschlusskontakte (22, 24, 26) über die Kontaktbrücke (28) verbunden ist, wobei sich die bewegliche Kontaktbrücke (28) in einer zweiten (16) der drei definierten Positionen in einer Stern-Kontakt-Stellung befindet, in welcher die Kontaktbrücke (28) den Phasen-Anschlusskontakt (26) mit dem ersten Motorwicklungs-Anschlusskontakt (22) elektrisch verbindet und der zweite Motorwicklungs-Anschlusskontakt (24) über einen mit der Antriebsachse (12) gekoppelten Sternkontakt (30) mit den zweiten Motorwicklungs-Anschlusskontakten von aller anderen Kontaktvorrichtungen elektrisch verbunden ist, und wobei sich die bewegliche Kontaktbrücke (28) in einer dritten (18) der drei definierten Positionen in einer Dreieck-Kontakt-Stellungbefindet, in welcher die Kontaktbrücke (28) den Phasen-Anschlusskontakt (26) mit dem ersten und dem zweiten Motorwicklungs- Anschlusskontakt (22, 24) elektrisch verbindet.

Description

Schaltvorrichtung für eine Stern-Dreieck-Umschaltung bei einem
mehrphasigen Motor
Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung für eine Stern-Dreieck-Umschaltung bei einem mehrphasigen Motor.
Eine Stern-Dreieck-Umschaltung wird beispielsweise zum Anfahren von 3-phasigen- (Elektro-)Motoren eingesetzt. Um den hohen Anlaufstrom zu begrenzen, werden die drei Motorwicklungen während einer Anlaufphase des Motors zu einer Sternschaltung verschaltet, in der die drei Phasen L1 bis L3 zur Stromversorgung des Motors mit den Anschlüssen U1 , V1 bzw. W1 der Motorwicklungen verbunden und die Anschlüsse U2, V2 und W2 zusammengeschaltet werden. Durch diese Verschaltung wird die Gesamtleistung des Motors beim Anfahren auf ein Drittel der Betriebsleistung reduziert. Im Betrieb werden die Motorwicklungen zu einem Dreieck verschaltet, indem jeweils die Anschlüsse U1 , W2 und V1 , U2 und W1 , V2 zusammengeschaltet und mit der Phase L1 bzw. L2 bzw. L3 verbunden werden.
Für die Implementierung einer solchen Stern-Dreieck-Umschaltung werden wie in Fig. 1 gezeigt drei Schütze Q1 1 (Netzschütz), Q12 (Dreieckschütz) und Q13 (Sternschütz) eingesetzt. Die Schütze Q12 und Q13 realisieren hierbei die Stern- Dreieck-Umschaltung. Für die Sternschaltung wird das Schütz Q13 geschlossen, und das Schütz Q12 geöffnet. Für die Dreieckschaltung ist es umgekehrt. Um Kurzschlüsse zwischen den Phasen L1 , L2 und L3 bei der Umschaltung durch ein gleichzeitiges Schalten der Schütze Q12 und Q13 zu vermeiden, sind diese Schütze gegeneinander verriegelt, was über Hilfskontakte sichergestellt wird.
Aus der Patentschrift DD268569A1 ist eine Schaltvorrichtung für ein Stern-Dreieck- Schütz bekannt, bei dem drei Kontaktebenen vorgesehen sind, so dass Netz,- Dreieck- und Sternschütz zusammen mit einem Zeitrelais in einer Baugruppe integriert werden können. Die Stern-Dreieck-Umschaltung erfolgt über ein Bimetall, das eine mechanische Sperre entriegelt und das Schütz vom Stern- und den Dreieckbetrieb zwingt, wenn die Kontakte der Netz-Ebene geschlossen sind. Ein Bimetall ist jedoch nicht sehr genau, so dass der Umschaltzeitpunkt von der Sternauf die Dreieckschaltung nicht genau festgelegt werden kann. Außerdem werden bei dieser bekannten Konstruktion viele Federn zum Kräfteaufbau eingesetzt, um die Kontakte in Stellung zu halten oder zu bringen. Da die Elastizität der Federn mit der Zeit abnehmen kann, leidet hierdurch die Zuverlässigkeit der Schaltvorrichtung.
Die internationale Patentanmeldung WO00/57444A1 beschreibt ebenfalls eine integrierte Stern-Dreieck-Umschaltvorrichtung, die zwei Schützantriebe in Form von Spulen aufweist, über die mittels eines Hebels bewegliche, mit Federn gehaltene Kontakte zwischen zwei Positionen bewegt werden können, um von Stern auf Dreieck umzuschalten. Allerdings ist diese Hebelkonstruktion konstruktiv aufwendig und benötigt ebenfalls viele Federn mit den vorher erwähnten Nachteilen. Zudem sind zwei Schützantriebe erforderlich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Schaltvorrichtung für eine Stern-Dreieck-Umschaltung bei einem mehrphasigen Motor vorzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein der vorliegenden Erfindung zugrunde liegender Gedanke besteht darin, pro Motorwicklung eines mehrphasigen Motors eine Kontaktvorrichtung vorzusehen, die so ausgebildet ist, dass sie die Schaltfunktionen des Netz-, Dreieck- und Sternschütz integriert und eine mit einer Antriebsachse eines elektro-magnetischen Antriebs gekoppelte Kontaktbrücke aufweist, die über die Antriebsachse zwischen drei definierten axialen Positionen bewegt werden kann. Hierbei sind in der Kontaktvorrichtung keine Federn zum Kräfteaufbau oder zum Halten der Kontaktbrücke erforderlich, da deren Stellung bzw. axiale Position präzise mit dem elektro-magnetischen Antrieb gesteuert werden kann. Über den elektromagnetischen Antrieb ist zudem der Umschaltvorgang und -Zeitpunkt von Stern- auf Dreieck-Schaltung und umgekehrt exakt steuerbar Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung für eine Stern- Dreieck-Umschaltung bei einem mehrphasigen Motor mit einer Motorwicklung pro Phase, wobei jede Motorwicklung jeweils ein Motorwicklungs-Anschlusspaar U1 , U2, V1 , V2, W1 , W2 aufweist, und wobei die Schaltvorrichtung folgendes aufweist: einen elektro-magnetischen Antrieb zum Bewegen einer Antriebsachse zwischen drei definierten, axialen Positionen und pro Motorwicklung eine Kontaktvorrichtung mit einem ersten und einem zweiten Motorwicklungs-Anschlusskontakt, einem Phasen- Anschlusskontakt und einer beweglichen Kontaktbrücke, die mit der Antriebsachse gekoppelt ist und über diese in die drei definierten Positionen bewegt werden kann. Die bewegliche Kontaktbrücke befindet sich in einer ersten und axial zwischen den beiden anderen Positionen liegenden Position in einer Offen-Steil ung, in der keiner der Anschlusskontakte elektrisch mit einem anderen der Anschlusskontakte über die Kontaktbrücke verbunden ist. In einer zweiten der drei definierten Positionen befindet sich die bewegliche Kontaktbrücke in einer Stern-Kontakt-Stellung, in welcher die Kontaktbrücke den Phasen-Anschlusskontakt mit dem ersten Motorwicklungs- Anschlusskontakt elektrisch verbindet und der zweite Motorwicklungs- Anschlusskontakt über einen mit der Antriebsachse gekoppelten Sternkontakt mit den zweiten Motorwicklungs-Anschlusskontakten aller anderen Kontaktvorrichtungen elektrisch verbunden ist. Und in einer dritten der drei definierten Positionen befindet sich die bewegliche Kontaktbrücke in einer Dreieck-Kontakt-Stellung, in welcher die Kontaktbrücke den Phasen-Anschlusskontakt mit dem ersten und dem zweiten Motorwicklungs-Anschlusskontakt elektrisch verbindet.
Insbesondere kann die Kontaktvorrichtung folgendes aufweisen: einen vom ersten Motorwicklungs-Anschlusskontakt ausgehenden und zur Ebene der Stern-Kontakt- Stellung reichenden leitfähigen Kontaktarm, der von der Kontaktbrücke in der Stern- Kontakt-Stellung kontaktiert wird; einen vom ersten Motorwicklungs- Anschlusskontakt ausgehenden und zur Ebene der Dreieck-Kontakt-Stellung reichenden leitfähigen Kontaktarm, der von der Kontaktbrücke in der Dreieck- Kontakt-Stellung kontaktiert wird; einen vom Phasen-Anschlusskontakt ausgehenden und zur Ebene der Stern-Kontakt-Stellung reichenden leitfähigen Kontaktarm, der von der Kontaktbrücke in der Stern-Kontakt-Stellung kontaktiert wird; einen vom Phasen -Anschlusskontakt ausgehenden und zur Ebene der Dreieck-Kontakt- Stellung reichenden leitfähigen Kontaktarm, der von der Kontaktbrücke in der Dreieck-Kontakt-Stellung kontaktiert wird; und einen vom zweiten Motorwicklungs- Anschlusskontakt ausgehenden und zur Ebene der Dreieck-Kontakt-Stellung reichenden leitfähigen Kontaktarm, der von der Kontaktbrücke in der Dreieck- Kontakt-Stellung und vom Sternkontakt in der Stern-Kontakt-Stellung kontaktiert wird. Die beiden jeweils vom ersten Motorwicklungs-Anschlusskontakt und vom Phasen- Anschlusskontakt ausgehenden leitfähigen Kontaktarme können ein U oder V bilden, anderen Schenkelenden jeweils Kontaktpunkte vorgesehen sind, auf welche entsprechende Kontaktpunkte der Kontaktbrücke zum Kontaktieren in der entsprechenden Stellung der Kontaktbrücke gedrückt werden. Der elektro-magnetische Antrieb kann einen mit der Antriebsachse gekoppelten beweglichen Permanentmagneten und einen feststehenden Elektromagneten aufweisen. Der bewegliche Permanentmagnet kann hierbei durch Federn im stromlosen Zustand des feststehenden Elektromagneten in einer ersten Position gehalten werden, so dass sich die Antriebsachse in der ersten definierten Position befindet, und der bewegliche Permanentmagnet kann im bestromten Zustand des feststehenden Elektromagneten abhängig von der Stromrichtung in eine zweite oder eine dritte Position gegen die Kraft der Federn an einen Anschlag bzw. an Pole des feststehenden Elektromagneten gedrückt werden, so dass sich die Antriebsachse in der zweiten bzw. dritten definierten Position befindet. Alternativ kann der elektro-magnetische Antrieb auch einen mit der Antriebsachse gekoppelten beweglichen Elektromagneten und einen feststehenden Elektromagneten aufweisen. Hierbei kann der bewegliche Elektromagnet durch Federn im stromlosen Zustand des beweglichen oder feststehenden Elektromagneten in einer ersten Position gehalten werden, so dass sich die Antriebsachse in der ersten definierten Position befindet, und der bewegliche Elektromagnet kann im bestromten Zustand beider Elektromagneten abhängig von der Stromrichtung in eine zweite oder eine dritte Position gegen die Kraft der Federn an einen Anschlag bzw. an Pole des feststehenden Elektromagneten gedrückt werden, so dass sich die Antriebsachse in der zweiten bzw. dritten definierten Position befindet. Die Federn können hierbei als elektrische Zuleitungen zur Bestromung des beweglichen Elektromagneten vorgesehen sein. Die Kontaktvorrichtung kann außerdem Halbleiterschalter aufweisen, die zwischen die bewegliche Kontaktbrücke und den ersten und den zweiten Motorwicklungs- Anschlusskontakt und den Phasen-Anschlusskontakt geschaltet sind.
Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
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. Die Zeichnungen zeigen in
Fig. 1 eine herkömmliche Stern-Dreieck-Umschaltung bei einem 3-phasigen Motor mit drei Schützen;
Fig. 2 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Kontaktvorrichtung einer Schaltvorrichtung nach der Erfindung; Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel eines elektro-magnetischen Antriebs mit einem bewegbaren Permanentmagneten einer Schaltvorrichtung nach der Erfindung; und
Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines elektro-magnetischen Antriebs mit einem bewegbaren Elektromagneten einer Schaltvorrichtung nach der Erfindung.
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.
Die Schaltvorrichtung für eine Stern-Dreieck-Umschaltung bei einem 3-phasigen Motor mit einer Motorwicklung pro Phase nach der Erfindung integriert die drei Schütze Q1 1 , Q12 und Q13 der in Fig. 1 gezeigten herkömmlichen Stern-Dreieck- Umschaltung durch eine spezielle Kontaktvorrichtung 20, von der in Fig. 2 eine Schnittansicht gezeigt ist. Hierzu ist pro Motorwicklung eine eigene Kontaktvorrichtung 20 vorgesehen, so dass beim 3-phasigen Motor drei der in Fig. 2 gezeigten Kontaktvorrichtung 20 erforderlich sind.
Die Kontaktvorrichtung 20 zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass die axial (siehe den Doppelpfeil in Fig. 2) bewegliche Kontaktbrücke 28 in drei definierte und unterschiedliche Positionen bewegt werden kann: einer Offen-Position bzw. - Stellung 14 (mittlere Position der Kontaktbrücke wie in Fig. 2 gezeigt), einer Stern- Kontakt-Position bzw. -Stellung 16 und einer Dreieck-Kontakt-Position bzw. -Stellung 18. Die drei Stellungen bzw. Positionen 14, 16, 18 entsprechen drei verschiedenen Ebenen.
Die Kontaktbrücke 28 wird über eine mit ihr verbundene Antriebsachse 12 aus einem nicht-elektrisch-leitfähigen Material, insbesondere einem Isolator, axial zwischen den drei axialen Stellungen 14, 16 und 18 bewegt. Die Bewegung erfolgt über einen elektromagnetischen Antrieb. Wie in Fig. 2 gezeigt benötigt die Kontaktvorrichtung 20 keine Federn zum Halten der Kontaktbrücke 28 in ihren drei Stellungen 14, 16, 18.
Die in Fig. 2 gezeigte Kontaktvorrichtung 20 weist einen ersten Motorwicklungs- Anschlusskontakt 22, einen zweiten Motorwicklungs-Anschlusskontakt 24 und einen Phasen-Anschlusskontakt 26 auf. Bei der ersten der drei Kontaktvorrichtungen wird der Anschlusskontakt 22 mit U1 , der Anschlusskontakt 24 mit V2 und der Anschlusskontakt 26 mit L1 verbunden. Bei der zweiten der drei Kontaktvorrichtungen wird der Anschlusskontakt 22 mit V1 , der Anschlusskontakt 24 mit W2 und der Anschlusskontakt 26 mit L2 verbunden. Bei der dritten der drei Kontaktvorrichtungen wird der Anschlusskontakt 22 mit W1 , der Anschlusskontakt 24 mit U2 und der Anschlusskontakt 26 mit L3 verbunden. Vom Anschlusskontakt 22 aus erstrecken sich zwei elektrisch leitfähige Kontaktarme 44 und 46 zur Ebene der Stern-Kontakt-Stellung 16 bzw. die Dreieck-Kontakt- Stellung 18. Wie in Fig. 2 gezeigt bilden die Kontaktarme 44 und 46 im Schnitt etwa ein U. Analog erstrecken sich vom Anschlusskontakt 26 aus zwei elektrisch leitfähige Kontaktarme 48 und 50 in die Ebene der Stern-Kontakt-Stellung 16 bzw. die Dreieck- Kontakt-Stellung 18 und bilden - wie in Fig. 2 gezeigt - im Schnitt ebenfalls etwa ein U. In dem durch die Kontaktarme 44, 46, 48 und 50 umgebenen Raum ist die Kontaktbrücke 28 angeordnet, die in der Stern-Kontakt-Stellung 16 gegen die Kontaktarme 44 und 48 und in der Dreieck-Kontakt-Stellung 18 gegen die Kontaktarme 46 und 50 gedrückt wird. Ein weiterer elektrisch leitfähiger Kontaktarm 52 erstreckt sich vom Anschlusskontakt 24 aus zur Ebene der Dreieck-Kontakt- Stellung 18. Wie in Fig. 2 gezeigt ist dieser Kontaktarm 52 an seinem Ende mit einem Doppelkontakt versehen, wodurch der Anschlusskontakt 24 in der Stern- Kontakt-Stellung 16 von einem an der Antriebsachse 12 befestigten Sternkontakt 30 und in der Dreieck-Kontakt-Stellung 18 von der Kontaktbrücke 28 kontaktiert wird. Wird die Kontaktbrücke 28 also von der Offen-Stellung 14, in der keiner der Anschlusskontakte 22, 24 und 26 mit einem anderen Kontakt verbunden ist, in die Stern-Kontakt-Stellung 16 bewegt, werden die Anschlusskontakte 22 und 26 elektrisch miteinander verbunden (also U1 und L1 , V1 und L2, W1 und L3) , und der Anschlusskontakt 24 mit dem Sternkontakt 30, der mit den Stern kontakten der anderen Kontaktvorrichtungen elektrisch verbunden ist (also V2 mit W2 und U2). Damit entspricht die Stern-Kontakt-Stellung 16 dem Schließen der Schütze Q1 1 und Q13 bei der in Fig. 1 gezeigten Schaltung.
In der Dreieck-Kontakt-Stellung 18 schließt die Kontaktbrücke 28 alle drei Anschlusskontakte 22, 24 und 26 elektrisch kurz (also U1 mit L1 und V2, V1 mit L2 und W2, W1 mit L3 und U2). Damit entspricht die Dreieck-Kontakt-Stellung 18 dem Schließen der Schütze Q1 1 und Q12 bei der in Fig. 1 gezeigten Schaltung.
Das bei der Kontaktvorrichtung 20 konstruktionsbedingt immer über die Offen- Stellung 14 von der Stern-Kontakt-Stellung 16 in die Dreieck-Kontakt-Stellung 18 und umgekehrt geschaltet wird, können keine Kurzschlüsse zwischen den Phasen L1 , L2 und L3 auftreten.
Fig. 3 zeigt einen elektromagnetischen Antrieb 10 für die Antriebsachse 12 mit einem beweglich gelagerten und an der Antriebsachse 12 befestigten Permanentmagneten 32, der über Federn 36 in einer ersten Position zwischen Anschlägen 38 und Polen 40 eines feststehenden Elektromagneten 34 gehalten wird, sofern der Elektromagnet 34 stromlos ist und keine magnetische Kraft auf den Permanentmagneten 32 ausübt. In der ersten Position des Permanentmagneten 32 befindet sich die mit der Antriebsachse 12 gekoppelte Kontaktbrücke 28 in der Offen-Stellung 14. Durch entsprechende Bestromung des feststehenden Elektromagneten 34 (Spannung U1 in Fig. 3) kann der Permanentmagnet 32 vom Elektromagneten 34 angezogen oder abgestoßen werden. Um die mit der Antriebsachse 12 gekoppelte Kontaktbrücke 28 in die Stern-Kontakt-Stellung 16 zu bewegen, wird der Elektromagnet 34 so bestromt, dass der Permanentmagnet 32 abgestoßen und an die Anschläge 38 gedrückt wird. Um die mit der Antriebsachse 12 gekoppelte Kontaktbrücke 28 in die Dreieck-Kontakt-Stellung 18 zu bewegen, wird der Elektromagnet 34 so bestromt, dass der Permanentmagnet 32 angezogen und auf die Pole 40 gedrückt wird.
Anstelle eines Permanentmagneten 32 kann auch ein beweglicher Elektromagnet 42 eingesetzt werden, wie dem in Fig. 4 gezeigten elektro-magnetischen Antrieb 1 1 . Die Bestromung des beweglichen Elektromagneten 42 kann hierbei über die Federn 36 erfolgen (Spannung U2 in Fig. 4), um zusätzliche elektrische Leitungen zu vermeiden.
Sollten die Übergänge zwischen den einzelnen Positionen 14, 16 und 18 hinsichtlich einer Lichtbogenbildung problematisch sein, können Halbleiterschalter zwischen die bewegliche Kontaktbrücke und die Anschlusskontakte 22, 24 und 26 geschaltet werden, die zum Verhindern von Lichtbogenbildung beim Öffnen der Kontakte 22, 24 und 26 durchgeschaltet werden.
Die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung könnte beispielsweise wie folgt angesteuert werden: über einen Zeitschalter könnte eine Zeit vorgegeben werden, nach der die Betriebsart gewechselt werden soll, beispielsweise von einer Stern- auf eine Dreieck- Schaltung umgeschaltet werden soll. Das Umschalten kann auch eine Steuerung vornehmen, die den elektro-magnetischen Antrieb entsprechend ansteuert. Da keine Hilfsschalter wie bei der in Fig. 1 gezeigten herkömmlichen Stern-Dreieck- Umschaltung abgefragt werden müssen, kann der Programmieraufwand für eine Steuerung der Umschaltung mit der Erfindung erheblich verringert werden. Als weitere Alternative könnte eine vorgegeben elektrische Spannung beispielsweise mit Rampenfunktion überprüft werden, um zwischen den Schaltzuständen zu unterscheiden. Die erfindungsgemäße Schaltvornchtung ist insbesondere für den Einsatz in Motorstartern geeignet. Die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung erfordert lediglich den Anschluss des Motors und der Phasen der Drehstromversorgung. Der elektromagnetische Antrieb der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung kann wahlweise über eine Speicher-Programmierbare-Steuerung (SPS) oder durch einfaches Anlegen einer elektrischen Spannung gesteuert werden. Die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung ermöglicht eine kompakte Bauweise aufgrund ihrer hohen Funktionsdichte. Schließlich ermöglicht die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung eine Reduzierung des Materialaufwands in der Produktion, da nur ein elektro- magnetischer Antrieb, nur eine Elektronik zum Ansteuern, kein Vorverdrahten mehrerer Schütze in der Produktion und nur ein Gehäuse erforderlich sind.
Bezugszeichen elektro-magnetischer Antrieb mit Permanentmagneten elektro-magnetischer Antrieb mit Elektromagneten Antriebsachse aus nicht-leitfähigen Material
Offen-Position
Stern-Kontakt-Position
Dreieck-Kontakt-Position
Kontaktvorrichtung
erster Motorwicklungs-Anschlusskontakt
zweiter Motorwicklungs-Anschlusskontakt
Phasen-Anschlusskontakt
bewegliche Kontaktbrücke
Stern kontakt
beweglicher Permanentmagnet
feststehender Elektromagnet
Federn
Anschlag
Pole des feststehenden Elektromagneten
beweglicher Elektromagnet
leitfähiger Kontaktarm
leitfähiger Kontaktarm
leitfähiger Kontaktarm
leitfähiger Kontaktarm
leitfähiger Kontaktarm

Claims

Ansprüche
1 . Schaltvorrichtung für eine Stern-Dreieck-Umschaltung bei einem
mehrphasigen Motor mit einer Motorwicklung pro Phase, wobei jede
Motorwicklung jeweils ein Motorwicklungs-Anschlusspaar (U1 , U2, V1 , V2, W1 , W2) aufweist, und wobei die Schaltvorrichtung folgendes aufweist:
- einen elektro-magnetischen Antrieb (10, 1 1 ) zum Bewegen einer
Antriebsachse (12) zwischen drei definierten, axialen Positionen (14, 16, 18) und
- pro Motorwicklung eine Kontaktvorrichtung (20) mit einem ersten und einem zweiten Motorwicklungs-Anschlusskontakt (22, 24), einem Phasen- Anschlusskontakt (26) und einer beweglichen Kontaktbrücke (28), die mit der Antriebsachse (12) gekoppelt ist und über diese in die drei definierten Positionen (14, 16, 18) bewegt werden kann,
- wobei sich die bewegliche Kontaktbrücke (28) in einer ersten und axial
zwischen den beiden anderen Positionen liegenden Position (14) in einer Offen-Stellung befindet, in der keiner der Anschlusskontakte (22, 24, 26) elektrisch mit einem anderen der Anschlusskontakte (22, 24, 26) über die Kontaktbrücke (28) verbunden ist,
- wobei sich die bewegliche Kontaktbrücke (28) in einer zweiten (16) der drei definierten Positionen in einer Stern-Kontakt-Stellung befindet, in welcher die Kontaktbrücke (28) den Phasen-Anschlusskontakt (26) mit dem ersten Motorwicklungs-Anschlusskontakt (22) elektrisch verbindet und der zweite Motorwicklungs-Anschlusskontakt (24) über einen mit der Antriebsachse (12) gekoppelten Sternkontakt (30) mit den zweiten Motorwicklungs- Anschlusskontakten aller anderen Kontaktvorrichtungen elektrisch verbunden ist, und wobei sich die bewegliche Kontaktbrücke (28) in einer dritten (18) der drei definierten Positionen in einer Dreieck-Kontakt-Stellung befindet, in welcher die Kontaktbrücke (28) den Phasen-Anschlusskontakt (26) mit dem ersten und dem zweiten Motorwicklungs-Anschlusskontakt (22, 24) elektrisch verbindet.
2. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
Kontaktvorrichtung (20) folgendes aufweist:
- einen vom ersten Motorwicklungs-Anschlusskontakt (22) ausgehenden und zur Ebene der Stern-Kontakt-Stellung (16) reichenden leitfähigen Kontaktarm (44), der von der Kontaktbrücke (28) in der Stern-Kontakt- Stellung (16) kontaktiert wird;
- einen vom ersten Motorwicklungs-Anschlusskontakt (22) ausgehenden und zur Ebene der Dreieck-Kontakt-Stellung (18) reichenden leitfähigen Kontaktarm (46), der von der Kontaktbrücke (28) in der Dreieck- Kontakt-Stellung (18) kontaktiert wird;
- einen vom Phasen-Anschlusskontakt (26) ausgehenden und zur Ebene der Stern-Kontakt-Stellung (16) reichenden leitfähigen Kontaktarm (48), der von der Kontaktbrücke (28) in der Stern-Kontakt-Stellung (16) kontaktiert wird;
- einen vom Phasen -Anschlusskontakt (26) ausgehenden und zur Ebene der Dreieck-Kontakt-Stellung (18) reichenden leitfähigen Kontaktarm (50), der von der Kontaktbrücke (28) in der Dreieck-Kontakt-Stellung (18) kontaktiert wird; und
- einen vom zweiten Motorwicklungs-Anschlusskontakt (24)
ausgehenden und zur Ebene der Dreieck-Kontakt-Stellung (18) reichenden leitfähigen Kontaktarm (52), der von der Kontaktbrücke (28) in der Dreieck-Kontakt-Stellung (18) und vom Sternkontakt (30) in der Stern-Kontakt-Stellung (16) kontaktiert wird.
3. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektro-magnetische Antrieb (10) einen mit der Antriebsachse (12)
gekoppelten beweglichen Permanentmagneten (32) und einen feststehenden Elektromagneten (34) aufweist, wobei der bewegliche Permanentmagnet (32) durch Federn (36) im stromlosen Zustand des feststehenden Elektromagneten (34) in einer ersten Position gehalten wird, so dass sich die Antriebsachse (12) in der ersten definierten Position befindet, und der bewegliche
Permanentmagnet (32) im bestromten Zustand des feststehenden
Elektromagneten (34) abhängig von der Stromrichtung in eine zweite oder eine dritte Position gegen die Kraft der Federn (36) an einen Anschlag (38) bzw. an Pole des feststehenden Elektromagneten (34) gedrückt wird, so dass sich die Antriebsachse (12) in der zweiten bzw. dritten definierten Position befindet.
4. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektro-magnetische Antrieb (1 1 ) einen mit der Antriebsachse (12)
gekoppelten beweglichen Elektromagneten (42) und einen feststehenden Elektromagneten (34) aufweist, wobei der bewegliche Elektromagnet (42) durch Federn (36) im stromlosen Zustand des beweglichen oder
feststehenden Elektromagneten (34, 42) in einer ersten Position gehalten wird, so dass sich die Antriebsachse (12) in der ersten definierten Position befindet, und der bewegliche Elektromagnet (42) im bestromten Zustand beider
Elektromagneten (34, 42) abhängig von der Stromrichtung in eine zweite oder eine dritte Position gegen die Kraft der Federn (36) an einen Anschlag (38) bzw. an Pole des feststehenden Elektromagneten (34) gedrückt wird, so dass sich die Antriebsachse (12) in der zweiten bzw. dritten definierten Position befindet.
5. Schaltvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Federn (36) als elektrische Zuleitungen zur Bestromung des beweglichen
Elektromagneten (42) vorgesehen sind. Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass die Kontaktvorrichtung (20) Halbleiterschalter aufweist, die zwischen die bewegliche Kontaktbrücke (28) und den ersten und den zweiten Motorwicklungs-Anschlusskontakt (22, 24) und den Phasen- Anschlusskontakt (26) geschaltet sind.
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