DE3714627A1 - Leistungselektronischer antrieb fuer zentrifugalseparatoren - Google Patents
Leistungselektronischer antrieb fuer zentrifugalseparatorenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen leistungselektronischen Antrieb
für Zentrifugalseparatoren für vorzugsweise größere Leistungen,
bei denen der Motor direkt mit der Spindel des Zentrifugalsepa
rators verbunden ist.
Bekannt sind die unterschiedlichsten Ausführungen von Direkt
antrieben für Zentrifugalseparatoren, bei denen die allgemein
gebräuchlichen Getriebe und Kupplungen entfallen und die Dreh
momentenübertragung vom Motor direkt auf die Antriebsspindel
des Zentrifugalseparators bzw. direkt auf die Zentrifugentrom
mel erfolgt.
Insbesondere wurde ein Antrieb für Zentrifugalseparatoren be
kannt, bei dem ein Spezialmotor unterhalb der Separatorentrom
mel eingebaut ist. Auf der Motorwelle befinden sich zwei Ro
toren, ein ferromagnetischer für den Anlauf und ein normaler
Kurzschlußläufer für den Dauerbetrieb. Die Statorwicklung wird
durch einen speziellen Mechanismus über den jeweiligen Rotor
geschoben.
Der Nachteil dieses Antriebs resultiert daraus, daß für Induk
tionsmotoren geringe Toleranzen erforderlich sind und diese
notwendigen Genauigkeiten bedeuten bei der Übertragung der er
forderlichen Kräfte eine aufwendige Spezialausführung. Sowohl
eine höhere Drehzahl, wie sie gewöhnlich für Zentrifugalsepa
ratoren üblich ist, als auch eine Veränderung der Betriebsdreh
zahl entsprechend des technologischen Prozeßablaufes des Zentri
fugalseparators ist bei normalem Netzbetrieb nicht zu erreichen.
Bei weiteren bekannten Direktantrieben von Zentrifugalsepara
toren erfolgt der Antrieb über die Trommelspindel mittels Spe
zialantriebsmaschinen, die nur für den stationären Betrieb bei
Nenndrehzahl geeignet sind und einen Spezialmotor erfordern.
Dieser Spezialmotor ist im wesentlichen gekennzeichnet durch
eine Hohlwelle, in der die Trommelspindel geführt und gelagert
wird. Hohlwelle und Trommelspindel sind formschlüssig so ver
bunden, daß die Kraftübertragung einschließlich der dynamischen
Bewegungen der Trommel gewährleistet sind. Die dazu erforder
liche spezielle Verzahnung ist erhöht beansprucht und Verschleiß
behaftet. Stator und Rotorwicklung sind eine Spezialausführung,
da sie der Konfiguration der Hohlwelle und Gehäuseform sowie
den magnetischen und thermischen Besonderheiten entsprechen
müssen. Bei dieser Antriebsart wird eine erhöhte Drehzahl über
eine höhere Frequenz erreicht. In diesem Fall treten jedoch
beim Anlauf schwer zu beherrschende Erwärmungen auf. Weiterhin
wirkt sich nachteilig aus, daß eine Veränderung der Arbeitsdreh
zahl des Zentrifugalseparators entsprechend des technologischen
Prozeßablaufes nicht möglich ist. Die neuesten technologischen
Erkenntnisse fordern jedoch eine genaue Regelbarkeit der Dreh
zahl der Zentrifugentrommel zum Zwecke der Stoff und Stoffmengen
bezogenen Optimierung des Trennprozesses. Diese starren Arbeits
drehzahlen beinhalten die gleichen technologischen Nachteile
wie sie die bisher allgemein gebräuchlichen Antriebe mit Ge
triebe und Kupplung aufweisen. Ebenfalls nachteilig wirkt sich
die Abschaltung des Zentrifugalseparators aus, die bei dieser
Antriebsvariante zu zusätzlichen kritischen Schwingungsreso
nanzen führt.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, einen leistungselektro
nischen Antrieb für Zentrifugalseparatoren zu entwickeln, mit
dem ein Direktantrieb der Trommelspindel derart ermöglicht wird,
daß bei Gewährleistung einer während der Anfahr-, der Betriebs-
und der Abbremsphase variabel einstellbaren optimalen Drehzahl,
durch Einsatz von Serienmotoren die Betriebs- und die Herstel
lungskosten bei einem optimalen Masse-Leistungsverhalten gering
gehalten werden, wobei gleichzeitig ein wartungsfreier Dauer
betrieb mit geringsten Verlustenergien gewährleistet wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen leistungselek
tronischen Antrieb für Zentrifugalseparatoren zu schaffen, bei
dem ein serienmäßig gefertigter Antriebsmotor so gesteuert und
geregelt wird, daß jede technologisch bedingte Arbeitsdrehzahl
außerhalb kritischer Drehzahlbereiche in dem Bereich von 1000
bis 6000 min-1 realisiert wird und gleichzeitig der Anlauf und
der Bremsvorgang ohne zusätzliches Umschalten am Motor in einer
vertretbaren Anlaufs- bzw. Bremszeit ohne Überschreitung der
thermischen und dynamischen Motorparameter erfolgt.
Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß mittels eines
bekannten Frequenzumrichters, bestehend aus einer ungesteuer
ten Drehstrombrücke und eines mit Thyristoren aufgebauten mehr
pulsigen rechnergestützt arbeitenden Drehstromwechselrichters,
der Antrieb, die Steuerung und die Regelung eines standardmäßig
ausgeführten Induktionsmotors, vorzugsweise eines Drehstromkurz
schlußläufermotors erfolgt, und mittels des Frequenzumrichters
in Abhängigkeit der Prozeßparameter die entsprechende Separa
torendrehzahl eingestellt wird.
Die Verwendung eines bekannten leistungselektronischen Dreh
strom-Frequenzumrichters ermöglicht den Einsatz eines standard
mäßig ausgeführten Induktionsmotors, vorzugsweise eines zwei
poligen Kurzschlußläufermotors für den Direktantrieb.
Äquivalent dazu kann auch erfindungsgemäß der Einbau von Teilen
des gleichen standardmäßig ausgeführten Drehstromkurzschluß
läufermotors in einem Zentrifugalseparator erfolgen, wobei in
diesem Fall der wicklungslose Rotor und die Statordrehstrom
wicklung zwischen dem Hals- und dem Fußlager der Separatoren
spindel angeordnet sind. Bei der Anfahr-, Betriebs- und Abbrems
phase wird entsprechend dem in den rechnergestützt arbeitenden
Drehstromfrequenzumrichter eingegebenem Programm dem Induktions
motor, vorzugsweise dem Drehstromkurzschlußläufermotor, die je
weils erforderliche Drehzahl zugeordnet, so daß während des ge
samten Betriebes des Zentrifugalseparators keine Veränderung an
der Separiereinrichtung bzw. keine Umschaltung am Motor, unab
hängig von dem zu separierenden Gut bzw. von den Separiermengen
erfolgt, da immer die jeweilige erforderliche Drehzahl ge
fahren wird. Bei der Separierung von Stoffen, bei denen die
separierten Phasen genau vorher bestimmte immer gleichbleibende
Parameter aufweisen müssen, werden erfindungsgemäß Sensoren in
der Ableitung der Zentrifugalseparatoren angeordnet, die die
Parameter des bearbeiteten Gutes erfassen und diese zu einer
zugeordneten als Regler arbeitenden Bewertungseinheit melden
und nach Bewertung ein Steuersignal mittels einer Ansteuerein
richtung an den Frequenzumrichter melden. Dieser Regelkreis er
möglicht durch ständiges Erfassen der Parameter des separierten
Gutes mittels Sensoren und den ständigen Vergleich mit dem
Sollwert eine sofortige Wiedereinstellung auf den Sollwert bei
Abweichung durch Änderung der Drehzahl der Separatorentrommel
durch den Frequenzumrichter, so daß eine Feineinstellung der
Separatorendrehzahl und somit eine Regelung des Separierpro
zesses in Abhängigkeit von der Qualität des Separiergutes er
folgt. Bei Separatoren größerer Bauart kann in der Bremsphase
die hohe kinetische Energie der schnelldrehenden Separatoren
trommel in Form von Wärmeenergie dadurch zurückgewonnen werden,
daß erfindungsgemäß diese kinetische Energie der Separatoren
trommel durch den Induktionsmotor, der generatorisch als Asyn
chrongenerator arbeitet, in elektrische Energie umgewandelt
wird und diese über den Frequenzumrichter einem zugeordneten
elektrischen Nutzwiderstand zur weiteren Verwendung zugeführt
wird.
Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher
erläutert werden.
Die Zeichnung stellt schematisch einen Zentrifugalseparator 1
mit der Separatortrommel 2, die auf der Separatorenspindel 3
aufsitzt und von dieser geführt wird, dar. Die Separatoren
spindel 3 wird im Halslager 4 und im Fußlager 5 gelagert.
An die Separatorenspindel 3 ist ein standardmäßig ausgeführter
Induktionsmotor 6, vorzugsweise ein zweipoliger Drehstromkurz
schlußläufermotor für 50 Hz, direkt angeschlossen. Erfindungs
gemäß können auch die Teile des standardgemäß hergestellten
Induktionsmotors, d. h. der wicklungslose Rotor und die Sta
tordrehstromwicklung zwischen dem Halslager 4 und dem Fußlager 5
der vertikalen Separatorenspindel 3 angeordnet werden. Diese
Ausführung ist in der Zeichnung nicht dargestellt. Der Dreh
stromkurzschlußläufermotor 6 wird mittels eines an sich bekann
ten leistungselektronischen Frequenzumrichters 7 gesteuert. Der
Frequenzumrichter 7 ist mit einer Ansteuereinheit 10 so verbun
den, daß eine der Ansteuereinheit 10 vorgeschaltete Bewertungs
einrichtung 9, an welche Sensoren 8 zur Prozeßgrößenermittlung
im Ablauf des Zentrifugalseparators 1 angeschlossen sind, auf
den Frequenzumrichter 7 einwirkt. Beim Anfahren des Zentrifugal
separators 1 wird entsprechend dem eingegebenen Programm vom
Frequenzumrichter 7 eine Frequenz erzeugt, durch die der er
forderliche Schlupf in der Höhe entsteht, so daß stets das
gleiche Motormoment bei optimalem Verhältnis zwischen Frequenz,
Drehzahl, Strom, Spannung und Verlustleistung gebildet wird.
Nach Erreichen der vorprogrammierten Nennfrequenz und damit
der entsprechenden asynchronen Drehzahl ist der Anlauf des
Zentrifugalseparators 1 abgeschlossen. Analog verläuft auch
die Betriebs- und die Bremsphase des Zentrifugalseparators 1.
Dabei ermöglicht die Regelbarkeit des Frequenzumrichters eine
Regelbarkeit der Drehzahl und damit des Durchsatzes und der
Trennschärfe. Für technologisch bedingte Betriebsarten, wie
der Betrieb mit Reinigungsmittel oder Verfahrensänderungen,
kann jede beliebige Drehzahl zwischen Null und maximaler Dreh
zahl gefahren werden. Bei der Separierung von Stoffen, bei
denen die separierten Phasen genau vorher bestimmte immer
gleichbleibende Parameter aufweisen, z. B. beim Separieren
von Rohmilch im Rahm und entrahmter Milch mit konstantem vor
her bestimmten Fettgehalt, wird der erforderliche Fettgehalt
der Milch in die Bewertungseinheit 9 als Sollwert eingegeben.
Die Sensoren 8, die in der Ableitung des Zentrifugalseparators 1
angeordnet sind, erfassen den Istwert und melden diesen der
Bewertungseinrichtung 9, die im Vergleich zwischen Ist- und
Sollwert die Abweichung feststellt. Die Ausgangssignale der
Bewertungseinrichtung 9 sind so bemessen, daß entsprechend
der Betriebsphase diese mittels der Ansteuereinheit 10 so in
den Frequenzumrichter 7 eingegeben werden, daß die Frequenz
des Frequenzumrichters 7 und somit die Drehzahl vom Motor 6
und der Separatorentrommel 2 so verändert wird, daß infolge
der Drehzahländerung der Trenneffekt derart beeinflußt wird,
daß die Parameter des Sollwertes mit dem separierten Gut er
reicht werden. Bei Bedarf kann während der Bremsphase die hohe
kinetische Energie der schnelldrehenden Separatorentrommel 2
wieder genutzt werden, indem analog des Hochlaufs, aber mit
negativem Schlupf, der Motor 6 mit einer Spannung und einer
damit verbundenen Frequenz so beaufschlagt wird, daß sich ein
asynchrones generatorisches Betriebsverhalten einstellt und
somit die Drehzahl der Separatorentrommel durch ein konstantes
Bremsmoment ständig verringert wird bis zum Stillstand. Die in
folge der generatorischen Bremsphase aus kinetischer Energie
umgewandelte Elektroenergie wird über den Frequenzumrichter 7
in einen Lastwiderstand 11 eingespeist. Die hier entstehende
Wärmeenergie kann dann der weiteren Nutzung zugeführt werden.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch den Einsatz
eines Frequenzumrichters 7 es ermöglicht wird, beim Antrieb von
Zentrifugalseparatoren einen serienmäßigen Induktionsmotor, vor
zugsweise einen zweipoligen Drehstromkurzschlußläufermotor zu
verwenden bei gleichzeitigem Wegfall von Kupplung und Getriebe.
Die Vorteile eines wartungsarmen Drehstromkurzschlußläufermotors
mit Oberflächenbelüftung mit seinem hohen Wirkungsgrad, dreh
zahlstabilem Nebenschlußverhalten und für Elektromotoren besten
Masse-Leistungsverhältnis, welches über der Nenndrehzahl noch
wesentlich verbessert wird, kann somit genutzt werden.
Ein wesentlicher Vorteil ergibt sich daraus, daß mit der er
findungsgemäßen Lösung der bisher problematische Anlaufvorgang
frequenzgeführt und ohne mechanische oder elektrische Überbe
lastung beim Nennschlupf durchgeführt wird. Für den Dauerbe
trieb, also für das Fahren mit Produkt, ist infolge der Regel
barkeit des Frequenzumrichters eine Optimierung der Drehzahl
in bezug auf Durchsatz und Trennschärfe möglich.
Für technologisch bedingte Betriebsarten, wie Betrieb mit
Reinigungsmitteln oder Verfahrensänderung, kann jede belie
bige Drehzahl zwischen Null und der maximalen möglichen Dreh
zahl gefahren werden, ohne wesentliche Verringerung der Nenn
leistung. Dabei werden kritische Drehzahlen planmäßig vermie
den. Ebenso kann der Bremsvorgang generatorisch bei negativem
Schlupf frequenzgeführt mit etwa gleichbleibenden Bremsmoment
durchgeführt werden. Hierzu ist keine Umschaltung am Motor er
forderlich. Damit kann während der Abbremsphase eine Rückge
winnung der in der Trommel gespeicherten kinetischen Energie
erfolgen und als Wärmeenergie der weiteren Nutzung zugeführt
werden.
- Aufstellung
der verwendeten Bezugszeichen der Erfindung "Leistungselektro nischer Antrieb für Zentrifugalseparatoren"
1 Zentrifugalseparator
2 Separatorentrommel
3 Separatorenspindel
4 Lager der Separatorenspindel 3 5 Lager der Separatorenspindel 3
6 Induktionsmotor, vorzugsweise Drehstromkurzschlußläufermotor
7 Frequenzumrichter
8 Sensoren
9 Bewertungseinrichtung
10 Ansteuereinheit
11 Lastwiderstand
Claims (4)
1. Leistungselektronischer Antrieb für Zentrifugalseparatoren
für vorzugsweise größerer Leistungen, bei denen der Motor direkt
mit der Spindel des Zentrifugalseparators verbunden ist, dadurch
gekennzeichnet, daß mittels eines bekannten Frequenzumrichters
(7), bestehend aus einer ungesteuerten Drehstrombrücke und eines
mit Thyristoren aufgebauten mehrpulsigen, rechnergestützt arbei
tenden Drehstromwechselrichters, der Antrieb, die Steuerung und
die Regelung eines standardmäßig ausgeführten Induktionsmotors,
vorzugsweise eines Drehstromkurzschlußläufermotors (6) erfolgt
und mittels des Frequenzumrichters (7) in Abhängigkeit der Pro
zeßparameter die entsprechende Separatorendrehzahl eingestellt
wird.
2. Leistungselektronischer Antrieb für Zentrifugalseparatoren
nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile des standard
mäßig hergestellten Induktionsmotors (6) als Einbaumotor in den
Zentrifugalseparator so eingebaut sind, daß der wicklungslose
Rotor und die Statordrehstromwicklung zwischen den Lagern (4)
und (6) der Separatorenspindel (3) angeordnet sind.
3. Leistungselektronischer Antrieb für Zentrifugalseparatoren
nach den Punkten 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß Sensoren (8)
in der Ableitung der Zentrifugalseparatoren angeordnet sind,
die die Parameter des bearbeiteten Gutes erfassen und diese zu
einer zugeordneten als Rechner arbeitenden Bewertungseinheit (9)
melden, und nach Bewertung ein Steuersignal mittels einer An
steuereinrichtung (10) an den Frequenzumrichter (7) gemeldet
wird.
4. Leistungselektronischer Antrieb für Zentrifugalseparatoren
nach den Punkten 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die in der
Bremsphase auftretende kinetische Energie der Separatorentrom
mel (2) durch den Induktionsmotor (6), der generatorisch als
Asynchrongenerator arbeitet, erzeugte elektrische Energie über
den Frequenzumrichter (7) einem zugeordneten elektrischen Nutz
widerstand (11) zur weiteren Verwendung zugeführt wird.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: MASCHINENFABRIK KYFFHAEUSERHUETTE ARTERN GMBH, O-4 |
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8130 | Withdrawal |