Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft Motoren mit einer
Hilfsstart- oder einer kondensatorbetriebenen Wicklung und insbesondere ein
System, bei dem der PTC-Motorstarter während des Motorbetriebs
aus der Schaltung genommen werden kann.
Kurze Beschreibung des Standes der Technik
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Permanentspaltkondensator-(PSC)-Elektromotoren sind
allgemein mit einer Ständerwicklungsschaltung versehen, die eine
Haupt- oder Betriebswicklung sowie eine mit einem
Betriebskondensator in Reihe geschaltete Hilfs- oder Startwicklung umfaßt,
die beide zu der Hauptwicklung parallelgeschaltet sind. Während
des Starts und des Betriebs des Motors sind sowohl die
Hauptwicklung als auch die Startwicklung über die Motorenergiequelle
verbunden, um den Rotor magnetisch zu erregen und seine Drehung
zu bewirken. Manchmal ist ein PTC-Widerstandsstarter (mit
positivem Temperaturkoeffizienten) mit niedrigem Widerstandswert
parallel zu dem Betriebskondensator angeordnet, um das
Startdrehmoment des Motors zu erhöhen. Hat der Motor eine
vorbestimmte Drehzahl erreicht oder ist eine vorbestimmte Zeit
verstrichen, dann wird der PTC-Starter vorteilhaft von der
Schaltung getrennt, um die Energie zu sparen, die verschwendet wird,
wenn der PTC in seinem AUS-Zustand mit hohem Widerstandswert
unter Strom gehalten wird.
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Bei manchen Systemen des älteren Stands der Technik wurde
die Startwicklung durch eine mechanische, mit der Drehzahl in
Verbindung stehende Einrichtung aus der Schaltung genommen. Der
neuere Stand der Technik, wie er z.B. in den Patentschriften
Nr. 4 161 681 (Rathje) und Nr. 4 706 152 (DeFilippis et al.)
dargestellt ist, minimierte die Wirkung der Startwicklung durch
die Anordnung eines Widerstands in Reihe mit der Startwicklung,
der einen positiven Widerstandstemperaturkoeffizienten aufwies.
Der PTC-Widerstand erwärmt sich aufgrund des hindurchfließenden
Stroms selbst, wobei diese Wärme eine Erhöhung seines
Widerstandswertes bewirkt, womit eine allmähliche Abnahme des Stroms
durch die Startwicklung im Vergleich zu dem Strom bewirkt wird,
der bei andauerndem Motorbetrieb hauptsächlich durch den
Betriebskondensator fließt. Der Widerstand ist so ausgelegt, daß
er einen vorbestimmten maximalen Widerstandswert innerhalb
eines vorbestimmten Zeitraums erreicht, der mit der
Motorauslegung zusammenhängt.
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Ein Problem bei solchen, durch einen PTC-Widerstand
gesteuerten Startwicklungen liegt darin, daß der Strom durch den
PTC-Widerstand nie völlig aufhört und damit Energie vergeudet.
Dies wird leicht daraus deutlich, daß dann, wenn der Strom
vollständig abgeschaltet würde, der PTC-Widerstand beginnen
würde, sich abzukühlen und dadurch eine Verringerung sines
Widerstandswerts und ein Ansteigen des ihn durchfließenden Stroms
bewirken würde. Daraus folgt, daß während des
Standardmotorbetriebs und nach dem anfänglichen Start ein
Gleichgewichtsniederstrom durch den PTC-Widerstand aufgebaut wird. Dieser
kontinuierliche Strom durch den PTC-Widerstand bewirkt eine unnötige
Erwärmung in dem PTC-Widerstand sowie eine unerwünschte
Energieableitung zusammen mit einem Verlust an Wirkungsgrad im
Motorsystem.
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In der US-A-3 737 752 ist eine Schaltung für einen
kondensatorbetriebenen Motor beschrieben, die einen relativ kleinen
Kondensator in permanenter Reihenschaltung mit der
Startwicklung sowie in Parallelschaltung mit dem Kondensator entweder
einen zusätzlichen, mit PTC-Elementen in Reihe geschalteten
Kondensator oder die PTC-Elemente alleine verwendet, so daß
während der Startphase des Motors ein größerer Strom an die
Startwicklung angelegt wird. Ein kleiner Strom wird an die
Startwicklung über die gesamte Zeit angelegt, während der diese
in Betrieb ist, wobei der Strom hauptsächlich durch den kleinen
Kondensator bedingt ist, aber teilweise durch die PTC-Elemente
in ihrem Zustand mit hohem Widerstandswert.
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In der US-A-4 161 681 sind Schaltungen sowohl für
Kondensatorstart- als auch kondensatorbetriebene Motoren beschrieben,
bei denen zur Beseitigung der kontinuierlichen
Spannungsbelastung
während des Betriebs auf einem PTC-Element, das zum
Liefern des Startstroms verwendet wird, ein Relais vorgesehen ist,
um den Strompfad durch das PTC-Element in Reaktion auf den
Abfall im Strom durch die Hauptwicklung des Motors zu
unterbrechen, wenn er auf seiner Drehzahl liegt.
Zusammenfassung der Erfindung
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Nach der vorliegenden Erfindung ist ein System zur
Verwendung in Verbindung mit einem kondensatorbetriebenen Motor mit
einem Wicklungssytem mit einer Startwicklung und einer
Hauptwicklung vorgesehen, das folgendes aufweist:
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eine Versorgungsschaltung für die Startwicklung mit einer
ersten Schaltung und einer zweiten Schaltung, die
parallelgeschaltet sind, wobei die Versorgungsschaltung mit der
Startwicklung in Reihe geschaltet ist,
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wobei die erste Schaltung einen Widerstand mit einem
positiven Widerstandstemperaturkoeffizienten aufweist, der mit
einem Schalter in Reihe geschaltet ist, und
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wobei die zweite Schaltung eine elektromagnetische
Einrichtung zum Steuern des Schalters aufweist, die mit dem
Betriebskondensator des Motors in Reihe geschaltet ist,
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wobei die elektromagnetische Einrichtung und der Schalter
so angeordnet sind, daß dann, wenn anfänglich ein Strom durch
die Versorgungsschaltung geführt wird, der Schalter geschlossen
ist und ein Teil des Stroms durch die erste Schaltung fließt,
während ein weiterer Teil des Stroms durch die zweite Schaltung
fließt, und später der Widerstandswert des Widerstandes
ansteigt, wodurch ein Ansteigen des Teilstroms durch die zweite
Schaltung bewirkt wird, wobei sich der Schalter in Reaktion auf
den Teil des Stroms durch die erste Schaltung oder durch die
zweite Schaltung öffnet und durch die elektromagnetische
Einrichtung offengehalten wird, während der Motor läuft.
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Bei einer Ausführungsform ist ein Motor mit einer
Hauptwicklung und einer dazu parallelgeschalteten
Startwicklungsschaltung vorgesehen, wobei die Startwicklungsschaltung die
Startwicklung umfaßt, die mit dem PTC-Widerstand und einem
Bimetallschalter in Reihe geschaltet ist. Zusätzlich ist eine
Reihenschaltung mit einem Kondensator und einem Elektromagneten
mit dem PTC-Widerstand und dem Bimetallschaltelement
parallelgeschaltet.
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Im Betrieb wird beim Anlassen des Motors Strom von der
Hauptenergiequelle über die Hauptwicklung und die
Startwicklungsschaltung angelegt. Der Strom in der
Startwicklungsschaltung erwärmt den PTC-Widerstand und bewirkt ein Ansteigen
seines Widerstandswerts. Zusätzlich bewirken der Strom durch das
Bimetallschaltelement und die PTC-Wärme, daß dieses
Schaltelement schnappt oder sich bewegt, wenn es eine vorbestimmte
Temperatur erreicht hat, um die PTC-Schaltung zu öffnen, nachdem
es auf einen Zustand mit hohem Widerstandswert aufgeheizt
wurde.
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Inzwischen läuft ein Strom auf einem viel kleineren Pegel
als dem von der Startwicklung während eines normalen
Motorstarts geforderten durch den Kondensator und die
Elektromagnetwicklung, womit der Elektromagnet erregt und bewirkt wird, daß
das Bimetallschaltelement zu dem Elektromagnet hin angezogen
gehalten wird. Auf diese Weise wird das Bimetallelement nach
seiner Abkühlung nicht in den Zustand bei geschlossenem
Schalter zurückkehren. Dies resultiert darin, daß der PTC-Widerstand
völlig aus der Schaltung entfernt ist und keinen Strom führt.
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Das Bimetallschaltelement bleibt in dem Zustand bei
geöffnetem Schalter, bis der Strom von dem Elektromagneten abgezogen
wird, wobei dies nur beim Abschalten des Motors unter Wegnahme
von Energie von den Motorwicklungen geschieht. Obwohl Relais
verwendet wurden, bei denen sich die Relaisspule in Reihe mit
der Hauptwicklung befindet und die Relaiskontakte in Serie mit
dem PTC liegen, um den PTC bei einem vorbestimmten
Hauptwicklungsstrom abzuerregen, der mit der Motordrehzahl in Verbindung
steht, wird bevorzugt nicht der Hauptwicklungsstrom verwendet,
da für unterschiedliche Motorgrößen unterschiedliche Strompegel
erforderlich sind. Der durch den Kondensator und die
elektromagnetische Wicklung fließende Stom wird im wesentlichen durch
den Wert des Kondensators gesteuert. Dieser Kondensatorwert
besteht typischerweise in einem oder zwei festgelegten Werten für
viele Größen von Kühlschrankkompressormotoren, und damit wird
es vorteilhaft, den Kondensatorbetriebsstrom zu verwenden, um
den PTC gegenüber dem Hauptwicklungsstrom offenzuhalten, da
einer
oder zwei Nennwerte bei der Mehrzahl der mit PSC-Motor
betriebenen Kühlschrankkompressoren verwendet werden können.
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Nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist das
Bimetallschaltelement durch ein nicht thermostatisches
Schaltelement, das mehrmetallisch, einmetallisch oder mehrstückig ist,
in einem Motorstarter mit niedriger Energie ersetzt, das
beweglich ist und in Reaktion auf das Magnetfeld des Elektromagneten
oder der Relaisspule geöffnet werden kann. Das nicht
thermostatische Schaltelement kann beispielsweise ein guter elektrischer
Leiter sein, um den Energieverlust zu minimieren, und ein
magnetisches Material, das auf das Magnetfeld des Elektromagneten
oder der Relaisspule anspricht, und es kann jedes Metall
alleine, in Mischungen, als Legierungen oder als zusammengesetzte
Kombinationen aus Metallen, Mischungen oder Legierungen sein.
Bei dieser Ausführungsform öffnet der Elektromagnet die
Schalterkontakte, wenn der PTC-Elementstrom abnimmt und der
Kondensatorstrom ansteigt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist ein Schaltungsdiagramm eines
Motorwicklungssystems nach dem Stand der Technik; und
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Fig. 2 ist ein Schaltungsdiagramm eines Motorstartsystems
nach der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Unter Bezug auf Fig. 1 ist zunächst ein
Motorwicklungssystem nach dem Stand der Technik gezeigt. Die Schaltung umfaßt
eine Energiequelle, die durch die Leitungen L1 und L2
angedeutet ist. Der eingehende Strom fließt durch eine
Überlastmotorschutzschaltung 17, die ein Bimetallelement 19 und eine
Heizeinrichtung 21 umfaßt. Wird das Bimetallelement 19 durch eine
Kombination aus der Umgebungstemperatur und einem durch die
Heizeinrichtung 21 und das Bimetallelement 19 fließenden
Überstrom des Motors auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt, dann
bewegt sich das Bimetallelement 19 von dem Kontakt 23 weg, um
eine geöffnete Schaltung zwischen dem Bimetallelement und der
Heizeinrichtung zu liefern, wodurch die Schaltung zu den
Motorwicklungen geöffnet wird. Das Motorwicklungssystem umfaßt eine
Standardbetriebswicklung 1 und eine Startwicklung 3 mit einer
Parallelschaltung des PTC-Widerstandes 5 und des Kondensators 9
in Reihe mit der Startwicklung 3.
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Unter Bezug auf Fig. 2 ist ein Motorwicklungssystem nach
der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei dem die gleichen
Elemente von Fig. 1 die gleichen Bezugszeichen aufweisen. Das
System umfaßt die gleiche, unter Bezug auf Fig. 1 beschriebene
Motorschutzschaltung 17 sowie eine Hauptwicklung 1, die über
eine Energieleitung L1 und L2 geschaltet ist. Mit der
Hauptwicklung 1 ist eine Startmotorschaltung parallelgeschaltet, die
in Reihenschaltung die Start-/Hilfswicklung 3, den
PTC-Widerstand 5 sowie das normalerweise geschlossene
Bimetallschaltelement 7 umfaßt, das ein Kontaktelement 15 mit einem
Kontaktelement 13 in Kontakt bringt. Eine Reihenschaltung mit einem
Kondensator 9 und einem Elektromagneten 11, der als Haltemagnet
für das Bimetallschaltelement 7 wirkt, ist zu dem
PTC-Widerstand 5 und dem Bimetallschaltelement 7 parallelgeschaltet, wie
nachstehend erläutert wird.
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Beim Betrieb wird beim Starten des Motors eine Spannung
über die Energieleitungen L1 und L2 angelegt, um einen Strom an
die Hauptwicklung 1 sowie die Start-/Hilfswicklung 3 anzulegen.
Ein Teil des Stroms durch die Startwicklung 3 fließt durch den
PTC-Widerstand 5, das Kontaktelement 15 und das
Kontaktelement 13 an dem Bimetallschaltelement 7, womit der
PTC-Widerstand aufgeheizt und veranlaßt wird, einen erhöhten
Widerstandswert für die Startmotorschaltung zu liefern. Ebenso
verursacht der durch das Bimetallschaltelement 7 fließende Strom
darin eine Erwärmung. Bei einer vorbestimmten Temperatur, die
auf bekannte Weise für das Bimetallschaltelement 7 ausgelegt
ist und mit dem zu steuernden Motor zusammenhängt, bewegen sich
das Element 7 und das daran vorgesehene Kontaktelement 13 von
dem Kontaktelement 15 weg und öffnen die Schaltung durch den
PTC-Widerstand 5.
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Inzwischen fließt ein weiterer Teil des durch die
Startwicklung fließenden Stroms, ein relativ niedriger Strom,
ständig durch den Kondensator 9 und die Wicklung des
Haltemagnets 11, um den Elektromagneten zu erregen. Der
Elektromagnet 11 ist so ausgelegt, daß seine magnetische Anziehungskraft
nicht ausreicht, das Bimetallschaltelement 7 anzuziehen, wenn
der durch das Bimetallschaltelement und die Kontaktelemente 13
und 15 gebildete Schalter geschlossen ist. Bewegt sich
allerdings das Bimetallschaltelement 7 entweder allmählich oder
durch Schnappwirkung zu dem Elektromagneten 11 hin, dann wird
es schließlich zu dem Elektromagneten angezogen und verriegelt.
Dementsprechend bleibt die Schaltung durch den PTC-Widerstand 5
geöffnet, und sie bleibt in diesem Zustand, bis das
Bimetallschaltelement 7 in den Zustand bei geschlossenem Schalter
zurückkehrt. Dies kann nur geschehen, wenn der Strom zu dem
Elektromagneten 11 abgezogen wird, hauptsächlich durch Abschalten
des Motors.
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Es ist zu sehen, daß die oben beschriebene
Motorwicklungsschaltung den doppelten Vorteil der Verringerung der von dem
Motorstartwicklungssysstem erzeugten Wärme sowie eines
verbesserten Motorsystemwirkungsgrades im Vergleich zu Systemen aus
dem Stand der Technik liefert.
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Nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung kann der
Schalter 7 von Fig. 2 bei Niederenergie-Motorstartern durch
einen wie oben definierten Schalter ersetzt sein. Bei dieser
Ausführungsform steigt dann, wenn nach dem Start die Motordrehzahl
ansteigt und sich das PTC-Element 5 aufgrund des
durchfließenden Stromes aufheizt, der Widerstandswert des PTC-Elements an,
wodurch eine Abnahme des durchfließenden Stroms bewirkt wird.
Dementsprechend wird der Strom durch den Kondensator 9 und die
Relaisspule oder den Elektromagneten 11 ansteigen, wodurch die
von dem Elektromagneten gelieferte Magnetfeldstärke erhöht und
der nicht thermostatische Schalter 7 veranlaßt wird, sich zu
öffnen. Der Schalter 7 bleibt geöffnet, solange zur
Durchführung dieser Funktion ein ausreichend starker Strom durch die
Spule 11 fließt.