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