DE19705672A1 - Antrieb für eine Vakuumpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Antrieb für eine Vakuum­ pumpe.

Zu den sehr häufig eingesetzten Vakuumpumpen gehören öl­ gedichtete Vakuumpumpen, insbesondere Drehschiebervaku­ umpumpen. Diese sind üblicherweise mit 1-Phasen-Asyn­ chronmotoren ausgerüstet.

Ein sich auf den Antriebsmotor einer ölgedichteten Va­ kuumpumpe auswirkendes Problem besteht darin, daß sie zwei signifikante Betriebspunkte hat, die stark unter­ schiedliche Wellenleistungen bzw. Drehmomente erfordern. Im einzelnen sind dies der Kaltstart der Pumpe bei übli­ cherweise 10°C Öltemperatur (hoher Momentenbedarf) so­ wie der Betrieb der Pumpe bei Enddruck (quasi Leerlauf = nie­ driger Momentenbedarf). Legt man die Momentenkenn­ linie des Motors für einen einwandfreien Kaltstart aus, so weist der Motor bei Enddruckbetrieb der Pumpe durch die Motorüberdimensionierung einen Momentcoüberschuß auf, der durch die stark überhöhten Pendelmomente die Pumpe zu unerwünschten Pumpengeräuschen anregt. Legt man dagegen die Momentenkennlinie des Motors für den be­ triebswarmen Zustand aus, so bekommt man zwar einen kleinen kompakten Motor, der die Pumpe geräuschmäßig nicht anregt, aber die Pumpe bei den geforderten Kalt­ startbedingungen nicht anlaufen läßt.

Um Vakuumpumpen weltweit vertreiben zu können, müssen sie an Versorgungsnetze anschließbar sein, die unter­ schiedliche Wechselspannungen (115 V, 230 V) und unter­ schiedliche Frequenzen (50 Hz/60 Hz) haben. Zur Anpas­ sung der Motoren an das jeweils vorhandene Netz werden die Motorwicklungen entsprechend umgeschaltet. Diese Maßnahmen erfolgen in der Regel manuell im Motorklemmen­ kasten vor der Inbetriebnahme der Vakuumpumpen.

Eingriffe der beschriebenen Art müssen häufig vom Kunden selbst durchgeführt werden und sind deshalb in besonde­ rem Maße fehlerbehaftet. Bei Fehlschaltungen besteht die Gefahr, daß am Antriebsmotor, an der Vakuumpumpe und/oder an bzw. im an die Vakuumpumpe angeschlossenen Rezipienten Schäden (zum Beispiel Lufteinbrüche oder Öl-Ver­ seuchungen in der Vakuumkammer) entstehen. Ein Scha­ densrisiko dieser Art wollen insbesondere Anlagenher­ steller vermeiden, die Vakuumpumpen beziehen, in ihre Anlagen einbauen und diese weltweit, also in Gebiete mit unterschiedlichen Netzspannungen, vertreiben.

Fig. 1 zeigt ein Diagramm, in dem die Stromaufnahme (A) und das Drehmoment (Nm) eines Antriebsmotors für eine Drehschiebervakuumpumpe nach dem Stand der Technik in Abhängigkeit von seiner Drehzahl bei einem als konstant angenommenen Gegenmoment dargestellt sind. Die Stromauf­ nahme ist für zwei typische Netzwechselspannungen (115 V, 230 V) dargestellt. Es ist ersichtlich, daß insbe­ sondere bei kleiner Netzspannung (115 V) hohe Anfahr­ ströme erforderlich sind. Diese setzen Sicherungen mit unerwünscht hohen Obergrenzen voraus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vakuum­ pumpe mit einem Antrieb auszurüsten, der die geschilder­ ten Nachteile nicht hat.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der an ein Einphasennetz oder an ein Dreiphasen-(Dreh­ stom-)Netz anschließbare Antrieb einen Frequenzum­ richter umfaßt, daß der Frequenzumrichter mit einem Gleichrichter, einem Spannungszwischenkreis und einem Stromrichter ausgerüstet ist und daß der Stromrichter mit Steuermitteln in Verbindung steht. Bei einem Antrieb dieser Art besteht die Möglichkeit, den Stromrichter des Frequenzumrichters über eine übergeordnete Steuerein­ richtung so anzusteuern, daß das vom Antriebsmotor ge­ lieferte Moment dem jeweiligen Momentenbedarf weitestge­ hend angepaßt ist.

Fig. 2 ist eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung für einem Antrieb nach der Erfindung. Sie zeigt, daß sich der Antriebsmotor praktisch mit Nennstrom gegen das Nennmoment hochfahren läßt. Das Problem der Anpassung der Motorwicklungen an verschiedene Netzspannungen gibt es praktisch nicht. Es muß nur sichergestellt sein, daß der Frequenzumrichter für die höchste auftretende Netzspannung und sein Leistungsteil für den größten Mo­ torstrom ausgelegt sind.

Die Fig. 3 und 4 zeigen stark schematisiert Ausfüh­ rungsbeispiele für einen Antrieb nach der Erfindung.

Beim Schaltungsbeispiel nach Fig. 3 ist das Netz durch Linien angedeutet, die mit L (Phase) und N (Null-Leiter) bezeichnet sind. An das Netz ist ein Frequenzumrichter 1 angeschlossen, der den Gleichrichter 2, den Zwischen­ kreis 3 und den Stromrichter 4 umfaßt. Die den Strom­ richter steuernden Steuermittel sind mit 5 bezeichnet. Mit dem vom Stromrichter 4 erzeugten Drehstrom wird der Motor 6 betrieben, der seinerseits die nicht darge­ stellte Pumpe antreibt. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 stehen die Steuermittel 5 mit einem Steuer­ signalgeber 8 in Verbindung, der ein gesteuertes, bei­ spielsweise rampenförmiges Hochfahren der Drehzahl der Pumpe bewirkt. Der Steuersignalgeber 8 ist Bestandteil des Frequenzumrichters 1.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist der Gleich­ richter 2 an ein Drehstromnetz angeschlossen. In Bezug auf die Steuerung des Motors und damit der Pumpe ist ge­ genüber der Steuerung nach Fig. 3 eine vorteilhafte Al­ ternative dargestellt. Der Frequenzumrichter ist mit ei­ ner Schnittstelle 7 ausgerüstet, über die eine außerhalb des Frequenzumrichters 1 angeordnete, steuersignalge­ bende Einheit anschließbar ist. Sie ist als Block 9 ge­ strichelt dargestellt, um die Vielzahl der Möglichkeiten anzudeuten. Die Pumpe kann z. B. an ein übergeordnetes Leitsystem zur Prozeßautomatisierung angebunden werden. Hiermit lassen sich u. a. Konfigurationen einstellen bzw. anpassen (Motordrehzahl, Hochlaufzeit etc.) und Fehler­ diagnosemöglichkeiten durchführen.

Als Schnittstelle kommen folgende Möglichkeiten in Be­ tracht:

• - Serielle Schnittstelle RS232/RS485
• - Feldbussysteme, z. B. Profibus, LON, Divice-Net
• - Analoge u./o. digitale Ein- u. Ausgänge, ggf. potentialfrei bzw. getrennt
• - Lichtwellenleitersysteme.

Beispiele für Frequenzgänge des Stromrichters sind in den Fig. 5 und 6 dargestellt (Spannung U gegen Dreh­ zahl n bzw. Frequenz Hz). Es ist ersichtlich, daß die Frequenzgänge unabhängig davon sind, ob der Frequenz­ richter 1 an ein 115 V- oder an ein 230 V-Netz ange­ schlossen ist. Es reicht aus, wenn ein Motor 6 verwendet wird, der für einen festen, vorzugsweise den niedrigen Netzspannungsbereich ausgelegt ist.

Ein Beispiel für ein besonders zweckmäßiges Hochfahren der Pumpe zeigt Fig. 7. In dem dargestellten Diagramm sind die Frequenz n (Kurve 11) und das Drehmoment Nm (Kurve 12) gegen die Zeit t dargestellt. Die Drehzahl steigt etwa linear an. In dieser Phase hat das Drehmo­ ment einen im wesentlichen konstanten Wert. Nach dem Er­ reichen der Nenndrehzahl nimmt das Drehmoment (und damit die Stromaufnahme des Motors) ab und wird auf einem niedrigeren Wert konstant gehalten.

Das Netzteil des Frequenzumrichters 1 muß für den (Netz-)Spannungsbereich 80 bis 276 V, der Stromrichter 4 für den betriebsmäßig auftretenden maximalen Strang­ strom konzipiert werden. Die Netzspannungserkennung kann vorzugsweise von der Zwischenkreisspannung, die propor­ tional zur Netzspannung ist, abgeleitet werden. In den Fig. 3 und 4 ist diese Möglichkeit jeweils angedeu­ tet. In Fig. 3 steht der Zwischenkreis 3 über die Lei­ tung 13 mit den Steuermitteln 5 in Verbindung. Anhand dieser Information kann die notwendige Einstellung der Knickfrequenz softwaremäßig geändert werden. Beim Aus­ führungsbeispiel nach Fig. 4 ist die Leitung 13 über die Schnittstelle 7 nach außen geführt, so daß der Steuersignalgeber 9 die Netzspannung erkennen kann.

Claims (8)

1. Antrieb für eine Vakuumpumpe, dadurch gekennzeich­ net, daß der an ein Einphasennetz oder an ein Dreiphasen-(Drehstrom-)Netz anschließbare Antrieb neben dem Motor (6) einen Frequenzumrichter (1) um­ faßt, daß der Frequenzumrichter (1) mit einem Gleichrichter (2), mit einem Spannungszwischenkreis (3) und mit einem Stromrichter (4) ausgerüstet ist und daß der Stromrichter (4) mit Steuermitteln in Verbindung steht.

2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel (5) und Steuersignalgeber (8) Bestandteil des Frequenzumrichters sind.

3. Antrieb nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Steuersignalgeber (8) eine Ein­ heit vorgesehen ist, deren Signale ein gesteuertes, z. B. ein rampenförmiges Hochfahren der Drehzahl be­ wirken.

4. Antrieb nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Frequenzumrichter (1) mit einer Schnittstelle (7) ausgerüstet ist, über die ein oder weitere Steuersignalgeber (9) angeschlossen sind.

5. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung des Zwischenkrei­ ses (3) zur Erkennung der Netzspannung verwendet wird und daß sich der Frequenzumrichter automatisch daran anpaßt.

6. Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (6) für eine feste Netzspannung ausgelegt ist.

7. Antrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (6) für eine niedrige Netzspannung ausgelegt ist.

8. Betriebsverfahren für einen Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromrichter (4) des Frequenzumrichters (1) von seiner Steuereinrichtung (5) so angesteuert wird, daß das vom Antriebsmotor (6) gelieferte Moment dem jeweiligen Momentenbedarf angepaßt ist.