DE3714627A1 - Electronic power drive for centrifugal separators - Google Patents
Electronic power drive for centrifugal separatorsInfo
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Abstract
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.The invention relates to a power electronic drive for centrifugal separators for preferably larger outputs, where the motor directly with the spindle of the centrifugal sepa rators is connected.
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.The most varied versions of Direkt are known drives for centrifugal separators, where the general Common gears and clutches are eliminated and the rotation Torque transmission from the motor directly to the drive spindle the centrifugal separator or directly onto the centrifuge bowl mel is done.
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.In particular, a drive for centrifugal separators was knows, where a special motor below the separator mel is installed. There are two ro on the motor shaft gates, a ferromagnetic for start-up and a normal one Short-circuit rotor for continuous operation. The stator winding is through a special mechanism over the respective rotor pushed.
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.The disadvantage of this drive results from the fact that for Induk tion motors low tolerances are required and these necessary accuracies mean in the transmission of he demanding forces a complex special design. Either a higher speed, as is usually the case for centrifugal sepa rators is common, as well as a change in the operational rotation number according to the technological process of the center fugal separators cannot be reached during normal mains operation.
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.In other known direct drives from centrifugal separation gates are driven by the drum spindle using Spe Zialantriebsmaschinen that only for stationary operation Rated speed are suitable and require a special motor. This special motor is essentially characterized by a hollow shaft in which the drum spindle is guided and stored becomes. Hollow shaft and drum spindle are positively ver bound that power transmission including dynamic Movements of the drum are guaranteed. The necessary for this Special toothing is subject to increased wear and tear afflicted. Stator and rotor winding are a special design, since they are the configuration of the hollow shaft and housing shape as well correspond to the magnetic and thermal peculiarities have to. With this type of drive, an increased speed is exceeded reached a higher frequency. In this case, however difficult to control during start-up. Farther adversely affects that a change in the work rotation Number of centrifugal separators according to the technological Process flow is not possible. The latest technological Findings, however, call for precise controllability of the shoot Number of centrifuge drum for the purpose of the substance and quantity of substance related optimization of the separation process. This rigid work speeds have the same technological disadvantages as they are the commonly used drives with Ge have drives and clutch. It also has an adverse effect the shutdown of the centrifugal separator from this Drive variant for additional critical vibration resonance lead leads.
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.The aim of the invention is a power electro to develop a drive for centrifugal separators with which enables a direct drive of the drum spindle in such a way that if one guarantees during start-up, operational and the braking phase variably adjustable optimal speed, the company and the manufacturer by using series engines low with an optimal mass-performance behavior be maintained, while maintaining a maintenance free duration operation with the lowest loss energy is guaranteed.
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.The object of the invention is to provide a power electronic drive for centrifugal separators, in which a series-produced drive motor is controlled and regulated so that every technologically-related working speed is realized outside of critical speed ranges in the range from 1000 to 6000 min -1 and at the same time The start-up and braking process takes place without additional switching on the motor in a reasonable start-up or braking time without exceeding the thermal and dynamic motor parameters.
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.According to the invention this is achieved in that by means of a known frequency converter, consisting of an uncontrolled th three-phase bridge and one more with thyristors pulsating computer-supported three-phase inverter, the drive, the control and regulation of a standard executed induction motor, preferably a three-phase current final rotor motor, and by means of the frequency converter depending on the process parameters, the corresponding Separa door speed is set.
Die Verwendung eines bekannten leistungselektronischen Dreh strom-Frequenzumrichters ermöglicht den Einsatz eines standard mäßig ausgeführten Induktionsmotors, vorzugsweise eines zwei poligen Kurzschlußläufermotors für den Direktantrieb.The use of a well known power electronic twist current frequency converter allows the use of a standard moderately designed induction motor, preferably one two pole squirrel cage motor for direct drive.
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.Equivalent to this can also be the installation of parts according to the invention the same standard three-phase short circuit rotor motor done in a centrifugal separator, wherein in in this case the windingless rotor and the stator three-phase current winding between the neck and foot bearings of the separators spindle are arranged. When starting, operating and braking phase is corresponding to that in the computer-aided Three-phase frequency converter program entered the induction motor, preferably the three-phase squirrel-cage motor, each Weil required speed assigned so that during the ge no change during the entire operation of the centrifugal separator the separator or no switchover on the motor, independent depending on the goods to be separated or on the quantities to be separated takes place because the required speed is always ge will drive. When separating substances where the separated phases exactly previously determined always constant According to the invention, sensors are required to have parameters in the derivation of the centrifugal separators arranged, the Record parameters of the processed goods and combine them into one Report assigned evaluation unit working as controller and after evaluation a control signal by means of a control Report the direction to the frequency converter. This control loop he possible by constantly recording the parameters of the separated Good things with sensors and constant comparison with that Setpoint an immediate reset to the setpoint at Deviation due to changing the speed of the separator drum through the frequency converter so that a fine adjustment of the Separator speed and thus a regulation of the separation pro process depending on the quality of the material to be separated follows. In the case of separators of a larger design, the braking phase can the high kinetic energy of the high-speed separators drum can be recovered in the form of thermal energy, that according to the invention this kinetic energy of the separators drum through the induction motor, the generator as Asyn chrongenerator works, converted into electrical energy and this is assigned to one via the frequency converter electrical useful resistance supplied for further use becomes.
Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden.The invention will be described in more detail with reference to the drawing are explained.
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.The drawing schematically shows a centrifugal separator 1 with the separator 2, which is seated on the Separatorenspindel 3 and is guided by this,. The separators spindle 3 is in the neck bearings 4 and 5 in the step bearing mounted. At the separator spindle 3 is a standard induction motor 6 , preferably a two-pole three-phase short-circuit motor for 50 Hz, directly connected. According to the invention, the parts of the induction motor produced as standard, ie the windingless rotor and the stator three-phase winding, can be arranged between the neck bearing 4 and the foot bearing 5 of the vertical separator spindle 3 . This version is not shown in the drawing. The three-phase short-circuit rotor motor 6 is controlled by means of a power electronic frequency converter 7 known per se. The frequency converter 7 is connected to a control unit 10 in such a way that an evaluation unit 9 connected upstream of the control unit 10 , to which sensors 8 are connected for determining process variables in the course of the centrifugal separator 1 , acts on the frequency converter 7 . When starting the centrifugal separator 1 , a frequency is generated in accordance with the program entered by the frequency converter 7 , through which he creates the necessary slip in height, so that the same engine torque is always formed with an optimal ratio between frequency, speed, current, voltage and power loss . After reaching the pre-programmed nominal frequency and thus the corresponding asynchronous speed, the centrifugal separator 1 has started up . The operating and braking phases of the centrifugal separator 1 are analogous. The controllability of the frequency converter enables the speed and thus the throughput and selectivity to be controlled. For technology-related operating modes, such as operation with cleaning agents or process changes, any speed between zero and maximum speed can be set. When separating substances in which the separated phases have certain parameters that have always been exactly the same, e.g. B. when separating raw milk in the cream and skimmed milk with a constant fat content determined before, the required fat content of the milk is entered in the evaluation unit 9 as a target value. The sensors 8 , which are arranged in the derivation of the centrifugal separator 1 , record the actual value and report this to the evaluation device 9 , which determines the deviation in the comparison between the actual and the target value. The output signals of the evaluation device 9 are dimensioned such that, according to the operating phase, these are entered into the frequency converter 7 by means of the control unit 10 in such a way that the frequency of the frequency converter 7 and thus the speed of the motor 6 and the separator drum 2 are changed so that as a result of the The change in speed of the separation effect is influenced in such a way that the parameters of the setpoint with the separated material are sufficient. If necessary, the high kinetic energy of the high-speed separator drum 2 can be used again during the braking phase by applying a voltage and a frequency associated with it to the motor 6 in a manner analogous to the run-up, but with negative slip, in such a way that an asynchronous regenerative operating behavior occurs and thus the speed of the separator drum is constantly reduced by a constant braking torque to a standstill. The electrical energy converted as a result of the regenerative braking phase from kinetic energy is fed into a load resistor 11 via the frequency converter 7 . The thermal energy generated here can then be used for further use.
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.The advantage of the invention is that the use of a frequency converter 7 makes it possible to use a standard induction motor when driving centrifugal separators, preferably a two-pole three-phase squirrel-cage motor, with the simultaneous elimination of the clutch and transmission. The advantages of a low-maintenance three-phase squirrel-cage motor with surface ventilation with its high efficiency, speed-stable shunt behavior and best mass-performance ratio for electric motors, which is significantly improved above the rated speed, can thus be used.
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. A major advantage arises from the fact that with the inventive solution of the previously problematic startup process frequency controlled and without mechanical or electrical overload load at nominal slip is carried out. For the permanent drive, i.e. for driving with product, is due to the rule Availability of the frequency converter an optimization of the speed possible in terms of throughput and selectivity.
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. For technologically related operating modes, such as operation with Any cleaning agent or change of procedure bige speed between zero and the maximum possible rotation number can be driven without significantly reducing the nominal power. Critical speeds are avoided as planned the. Likewise, the braking process can be regenerative if negative Slip frequency-controlled with approximately constant braking torque be performed. There is no switchover on the motor conducive. So that a Rückge extraction of the kinetic energy stored in the drum take place and used as thermal energy for further use will.
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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 LastwiderstandLineup
the reference numerals of the invention used "power electronic drive for centrifugal separators"
1 centrifugal separator
2 separator drum
3 separator spindle
4 bearings of the separator spindle 3 5 bearings of the separator spindle 3
6 induction motor, preferably three-phase squirrel-cage motor
7 frequency converters
8 sensors
9 Evaluation facility
10 control unit
11 load resistance
Claims (4)
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Owner name: MASCHINENFABRIK KYFFHAEUSERHUETTE ARTERN GMBH, O-4 |
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