DE69719894T2

DE69719894T2 - Vorrichtung zur Feststellung des Types einer Ausrüstung in Rotation, Überwachungssystem und Parameterregulierung einer assozierten Zentrifuge

Info

Publication number: DE69719894T2
Application number: DE69719894T
Authority: DE
Inventors: Michel Pouvreau
Original assignee: Jouan SA
Current assignee: Jouan SA
Priority date: 1996-09-27
Filing date: 1997-09-15
Publication date: 2003-11-13
Anticipated expiration: 2017-09-16
Also published as: EP0833138A1; JPH114589A; ES2195098T3; EP0833138B1; ATE235047T1; FR2754055B1; DE69719894D1; FR2754055A1; US6205405B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Typs einer Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung ist insbesondere für die Identifizierung des Typs einer Einrichtung anwendbar, mit der eine Zentrifuge ausgerüstet ist.
Im Stand der Technik beruht die Bestimmung des Typs einer in Drehung versetzten Einrichtung auf der Berechnung des Trägheitsmoments der Einrichtung und erfordert auf diese Weise die Verwendung von speziellen Fühlern und von einer komplexen Recheneinheit.
JP-A-58 003 591 und JP-A-55 087 018 beschreiben Vorrichtungen zur Bestimmung des von Induktionsmotoren gelieferten Moments aus ihrem Schlupf.
US-4 461 957 beschreibt einen elektrischen Generator, dessen Betrieb unter Verwendung der Berechnung eines Schlupfwertes gesteuert wird.
Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, die einen einfachen Aufbau besitzt und keine speziellen Fühler und keine komplexe Recheneinheit erfordert.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein System zur Steuerung oder Regelung von Betriebsparametern einer Zentrifuge ausgehend von der Kenntnis des Typs der von dem Motor angetriebenen Einrichtung zu schaffen.
Gegenstand der Erfindung ist deshalb eine Vorrichtung zur Bestimmung des Typs einer Einrichtung gemäß dem Anspruch 1.
Die Unteransprüche 2 bis 4 betreffen besondere Ausführungsformen.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein System zur Überwachung des Betriebs einer Zentrifuge gemäß Anspruch 5.
Anspruch 6 betrifft eine besondere Ausführungsform dieses Systems.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein System zur Steuerung von Betriebsparametern einer Zentrifuge gemäß Anspruch 7.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, die nur als Beispiel dient und in der auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen wird. In dieser Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des allgemeinen Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des Typs einer Einrichtung,
Fig. 2 eine Kurve, die das Antriebsmoment sowie das Widerstandsmoment von verschiedenen Rotortypen bei einer gegebenen Synchronisationsgeschwindigkeit des Motors zeigt,
Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Zentrifuge, die mit einem System zur Überwachung des Betriebs des Elektromotors der Zentrifuge und mit einem System zur Regelung ihrer Betriebsparameter ausgerüstet ist, und
Fig. 4 eine Kurve, die die Änderung des Schlupfs g in Abhängigkeit von der Temperatur bei einer gegebenen Synchrongeschwindigkeit Ns zeigt.
In Fig. 1 ist ein Motor 10 dargestellt, der durch eine Steuereinheit 12 gesteuert wird, die dem Motor 10 eine Versorgungswechselspannung U liefert.
Der Motor 10 ist ein dreiphasiger Asynchron-Elektromotor, der eine auf der Welle 16 des Motors montierte Einrichtung 14 in Drehung versetzt. Auf bekannte Weise ist die Drehgeschwindigkeit des durch die Versorgungsspannung U erzeugten Magnetfelds, die auch unter der Bezeichnung Synchrongeschwindigkeit Ns des Motors 10 bekannt ist, mit dem Wert der Frequenz f der Spannung U durch die Gleichung
Ns = f/P (1)
verbunden, in der P die Anzahl der Polpaare des Motors bezeichnet.
Auf diese Weise gewährleistet die Steuereinheit 12 die Regelung der Drehgeschwindigkeit des Motors 10 mit Hilfe der Regelung der Frequenz f der Versorgungsspannung U. Bei einem Asynchronmotor mit einem Polpaar und bei einer Frequenz gleich 50 Hz beispielsweise ist die Synchrongeschwindigkeit Ns des Motors gleich 50 U pro Sekunde, das heißt 3000 U pro Minute.
Die Einrichtung 14 dreht sich mit einer Drehgeschwindigkeit N, die kleiner als die Synchrongeschwindigkeit Ns des rotierenden Magnetfelds ist.
Die Abweichung zwischen der Drehgeschwindigkeit N des Motors und der Synchrongeschwindigkeit Ns wird durch den Schlupf g des Motors nach der Gleichung:
definiert.
Der Schlupf g, der bei einer gegebenen Synchrongeschwindigkeit Ns durch die Differenz zwischen der Synchrongeschwindigkeit Ns und der Drehgeschwindigkeit des Motors N gegeben ist, ändert sich also in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit N des Motors. Es können jedoch auch andere Betriebsparameter des Motors 10 einen Einfluss auf den Wert des Schlupfs g haben. Der Schlupf g ändert sich nämlich in Abhängigkeit von der von der Steuereinheit 12 gelieferten Versorgungsspannung U, von den Konstruktionsmerkmalen des Motors und vom Widerstandsmoment.
So ist der Schlupf g bei demselben Motor und bei der gleichen Versorgungsspannung U proportional zu dem Wert des Widerstandsmoments der Einrichtung 14.
In Fig. 2 ist das Antriebsmoment (Kurve I) sowie das Widerstandsmoment der Einrichtung 14 bei einer bestimmten Synchrongeschwindigkeit Ns des Motors bei verschiedenen Typen von Einrichtungen dargestellt (Kurven II, III und IV). Man sieht bei diesen Kurven, dass man bei einem gleichen Wert der Synchrongeschwindigkeit Ns bei verschiedenen Werten C1, C2 und C3 des Widerstandsmoments der Einrichtung 14 verschiedene Werte g1, g2 bzw. g3 des Schlupfs erhält.
Der Motor 10 kann mit einer Einrichtung 14 ausgerüstet sein, die aus einer Gruppe von Einrichtungen ausgewählt ist, die jeweils einen Widerstandsmomentwert C besitzen, und nun ist es auf diese Weise möglich, ausgehend von der Kenntnis des Schlupfs g des Motors 10 bei einer besonderen Ausrüstung 14 das Widerstandsmoment C dieser Einrichtung und damit den Typ zu ermitteln, zu dem es gehört.
Zu diesem Zweck besitzt die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung ein Organ 18 zur Messung der Drehgeschwindigkeit der Einrichtung 14, die auf der Welle 16 des Motors befestigt ist und der Steuereinheit 12 den tatsächlichen Wert der Drehgeschwindigkeit N des Motors 10 liefert.
Das Messorgan 18 besteht aus allen beliebigen für die vorgesehene Verwendung geeigneten Fühlern, beispielsweise einem Tachometer, einem magnetischen oder Halleffekt-Geschwindigkeitsmessorgan oder einer mit Einschnitten versehenen Scheibe, der eine Lichtquelle und ein fotoelektrischer Empfänger zugeordnet ist, der der Steuereinheit 12 elektrische Impulse liefert, deren Frequenz sich in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit N des Motors ändert, oder jedem beliebigen anderen Typ von Messmitteln.
Die Steuereinheit 12 besitzt ferner einen Rechner 20, der die oben erwähnte Berechnung der Synchrongeschwindigkeit Ns gemäß der Gleichung (1) sowie die Berechnung des Werts eines für den Schlupf g repräsentativen Merkmals gewährleistet.
Dieses für den Schlupf des Motors repräsentative Merkmal wird ausgehend von dem Vergleich des errechneten Werts der Synchrongeschwindigkeit Ns und der von dem Messorgan 18 gelieferten tatsächlichen Drehgeschwindigkeit N des Motors 10 errechnet.
Die Steuereinheit 12 besitzt ferner einen Speicher 22, in dem eine Anzahl von Schlupfwerten gespeichert ist, die jeweils einem Widerstandsmomentwert entsprechen und zuvor experimentell erhalten werden, indem ein dreiphasiger Asynchronmotor vom selben Typ wie der Motor 10 mit verschiedenen Typen von Einrichtungen 14 ausgerüstet wird, die jeweils einen zuvor festgelegten Widerstandsmomentwert besitzen, und indem der entsprechende Schlupf g des Motors bei jeder Einrichtung bestimmt wird.
Die Steuereinheit 12 führt nun mit Hilfe eines in den Rechner 20 integrierten Vergleichers den Vergleich zwischen dem errechneten Wert des für den Schlupf g repräsentativen Merkmals und den im Speicher 22 gespeicherten Schlupfwerten durch, was die Bestimmung des Werts des Widerstandsmoments des Rotors 14 und damit des auf der Welle 16 montierten Rotortyps gestattet. Zur Bestimmung des Typs des Rotors 14 vergleicht die Steuereinheit 12 den Wert des identifizierten Widerstandsmoments mit einer Anzahl von Widerstandsmomentswerten, die in der Steuereinheit 12 gespeichert sind.
Wie bereits erwähnt wurde, kann diese Vorrichtung zur Identifizierung des Widerstandsmoments für die Bestimmung des Einrichtungstyps, mit dem eine Zentrifuge ausgerüstet ist, verwendet werden, um den Ablauf eines Zentrifugierzyklus in voller Sicherheit sowie die Anpassung der Regulierungsparameter des Betriebs der Zentrifuge zu gewährleisten.
In Fig. 3 ist schematisch eine mit einer solchen Vorrichtung ausgerüstete Zentrifuge dargestellt.
Man sieht in dieser Fig. 3, dass die Zentrifuge, die mit der allgemeinen Bezugszahl 24 versehen ist, eine Kammer 26 besitzt, in der ein Rotor 28 angeordnet ist, der auf der Welle 30 eines Asynchronelektromotors 32 montiert ist, der durch eine Einheit 34 zur Steuerung seiner Versorgung gesteuert wird.
Der Rotor 28 besitzt auf bekannte Weise Mittel zur Aufnahme von Röhren, die nicht dargestellte, zu zentrifugierende Proben enthalten. Ein Deckel 36 ist lösbar auf der Kammer 26 befestigt, um die Ladung und Entladung des Rotors 28 zu gestatten.
Die Kammer 26 besitzt ferner Kühlmittel 40 bekannten Typs, die dafür ausgelegt sind, die Kammer 26 unter der Steuerung durch die Steuereinheit 34 über einen Proportional-, Proportional-Integral- oder Integral- Regler 42 bekannten Typs zu kühlen.
Die Kammer 26 ist ferner mit einem Fühler 43 für die Temperatur θ der in ihr enthaltenen Luft versehen, der mit der Steuereinheit 34 verbunden ist.
Die Steuereinheit 34 ist mit einer Vorrichtung zur Identifizierung des Widerstandsmoments des Rotors 28 ausgerüstet, die einen Rechner 44 und einen Speicher 46 aufweist und auf die oben erwähnte Weise die Identifizierung des Widerstandsmoments des auf der Welle 30 montierten Rotors gestattet, indem der durch die Steuereinheit 34 errechnete, für den Schlupf repräsentative Wert mit einer Anzahl von Schlupfwerten verglichen wird, die im Speicher 46 gespeichert sind und zuvor experimentell bei entsprechenden Widerstandsmomentswerten erhalten wurden.
Das auf diese Weise identifizierte Widerstandsmoment gestattet nun die Bestimmung des Rotortyps, zu dem der auf der Welle 30 montierte Rotor gehört.
Da der Wert des Schlupfs g des Rotors auf bekannte Weise eine von der Temperatur der Luft in der Umgebung des Rotors abhängende Größe ist, gestattet der vom Fühler 43 gelieferte Wert der Temperatur die Erhöhung der Genauigkeit der Bestimmung des Widerstandsmoments des Rotors.
Auf diese Weise ist es möglich, in dem Fall, in dem der identifizierte Schlupf mehreren Widerstandsmomentwerten entspricht, eine Unterscheidung zwischen den identifizierten Rotortypen mit Hilfe der gemessenen Temperatur der Luft und einem geeigneten Algorithmus vorzunehmen.
Zu diesem Zweck sind die im Speicher 46 gespeicherten Schlupfwerte gemäß einer besonderen Ausführungsform Werte, die sich in Abhängigkeit von der Temperatur θ der Kammer 26 nach der in Fig. 4 dargestellten Kurve ändern.
Die Zentrifuge kann also ausgehend von der Messung der Drehgeschwindigkeit des Motors 32, die der Steuereinheit 34 durch einen speziellen Fühler 48 geliefert wird, die Überwachung des auf der Welle 30 montierten Rotortyps gewährleisten.
Wenn also die Steuereinheit 34 aufgrund eines Fehlers ihrer Programmierung einen Befehl aufgezeichnet hat, einen Rotor 28 mit einer Drehgeschwindigkeit anzutreiben, die höher als die für diesen Rotor oder für die Zentrifuge selbst zulässige Höchstgeschwindigkeit ist, kann die Steuereinheit 34 die Inkompatibilität zwischen dem Rotor 28 und der durch den Operator einprogrammierten Geschwindigkeit feststellen und sendet in diesem Fall mit Hilfe einer bekannten Technik einen Alarm, der auf diese Weise dem Operator die erfasste Inkompatibilität mitteilt.
Um den Rotor 28 und die Zentrifuge nicht zu beschädigen, regelt die Steuereinheit 34 ferner die Frequenz f der Versorgungsspannung U des Motors 32 auf den für den Rotor 28 und die Zentrifuge zulässigen Höchstwert der Drehgeschwindigkeit ein.
Ferner wird, wie oben erwähnt wurde, die Temperatur der Kammer 26 unter der Steuerung durch die Steuereinheit 34 reguliert, um die Temperatur in der Kammer 26 unabhängig von den durch die Drehung des Rotors 28 erzeugten Reibungen konstant zu halten, die dazu neigen, die Temperatur im Inneren der Kammer 26 zu erhöhen.
Zu diesem Zweck liefert der Temperaturfühler 43 der Steuereinheit 34 Messwerte der Temperatur der Kammer 26, um eine Regelung dieser Temperatur durch an sich bekannte Regeltechniken durchzuführen.
Jeder Rotortyp besitzt jedoch ein spezielles thermisches Verhalten, so dass es erforderlich ist, die Regelung der Temperatur an den auf der Welle 30 montierten Rotortyp anzupassen.
Um eine wirksame Temperaturregelung in Abhängigkeit von den mechanischen Merkmalen des auf der Welle 30 montierten Rotors zu gestatten, besitzt die zentrale Steuereinheit 34 in ihrem Speicher 46 in Zuordnung zu den Widerstandsmomentwerten, die jeweils einem Rotortyp entsprechen, eine Anzahl von vorbestimmten Werten von Temperaturregelungsparametern, die jeweils einem Rotortyp entsprechen und für den Regler 42 bestimmt sind. Wie oben werden diese Temperaturregelparameter zuvor mit Hilfe von experimentellen Ergebnissen erhalten, die außerdem für jeden Rotortyp, der auf der Welle 30 montiert werden kann, die Bestimmung der bei verschiedenen Drehgeschwindigkeitswerten erzeugten Erwärmung gestatten.
Auf diese Weise kann die Steuereinheit 34 nun ausgehend von der Identifizierung des Rotors die optimalen Regulierungsparameter der Zentrifuge bestimmen und dem Regler 42 die Werte dieser Parameter für die Einstellung der Temperatur der Kammer 26 liefern.
Ebenso kann die Geschwindigkeitsregulierung von demselben System der Anpassung seiner Regulierungsparameter profitieren, sobald der Rotor 28 durch die Steuereinheit 34 identifiziert wurde.
Die mit einem solchen System ausgerüstete Zentrifuge gestattet also einerseits, den Rotortyp zu erkennen, mit dem der Motor ausgerüstet ist, um zu vermeiden, dass dieser sich mit einer Geschwindigkeit dreht, die höher als die Geschwindigkeit ist, die die Zentrifuge aushalten kann, und andererseits die Regulierungsparameter des Betriebs der Zentrifuge in Abhängigkeit von dem Rotortyp und von der Drehgeschwindigkeit des Motors einzustellen.

Claims

1. Vorrichtung zur Bestimmung des Typs einer in Drehung versetzten Einrichtung (14; 28), die einem Asynchron- Elektromotor (10; 32) zugeordnet ist, der durch eine Steuereinheit (12; 34) gesteuert wird, die dem Motor (10; 32) eine Wechselspannung (U) zur Versorgung und zur Steuerung der Drehgeschwindigkeit des Motors (10; 32) liefert, dadurch gekennzeichnet, daß sie folgendes aufweist: Mittel (18; 48) zum Messen der Drehgeschwindigkeit des Motors (10; 32), Mittel (20; 44) zum Berechnen eines für den Schlupf des Motors repräsentativen Merkmals und diesen Rechenmitteln (20; 44) zugeordnete Mittel zum Vergleichen des errechneten Werts dieses Merkmals und einer Anzahl von zuvor bestimmten Schlupfwerten, wobei diese zuvor bestimmten Werte in einem den Vergleichsmitteln zugeordneten Speicher (22; 46) gespeichert sind und jeweils einem Wert eines Widerstandsmoments entsprechen, zum Zweck der Identifizierung des Widerstandsmoments dieser Einrichtung (14; 28), und Mittel zum Vergleichen des identifizierten Werts des Widerstandsmoments mit einer Anzahl von Widerstandsmomentswerten, die in einem den Vergleichsmitteln zugeordneten Speicher gespeichert sind, zum Zweck der Bestimmung des Typs der in Drehung versetzten Einrichtung.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (20; 44) zur Berechnung des für den Schlupf des Motors (10; 32) repräsentativen Merkmals Mittel zum Vergleichen der Synchrongeschwindigkeit des durch die Versorgungsspannung erzeugten Magnetfelds und der gemessenen Drehgeschwindigkeit des Motors (10; 32) aufweisen.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieses für den Schlupf repräsentative Merkmal ein von der Temperatur abhängiges Merkmal ist und daß sie zur Erhöhung der Genauigkeit der Identifizierung des Widerstandsmoments außerdem Mittel zum Messen der Temperatur der Luft in Nähe der Einrichtung umfaßt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in Drehung versetzte Einrichtung aus dem Rotor (28) einer Zentrifuge (24) besteht.

5. System zur Überwachung des Betriebs einer Zentrifuge, umfassend einen Asynchron-Elektromotor (10; 32), der durch eine Steuereinheit (12; 34) gesteuert wird, die dem Motor eine Wechselspannung (U) zur Versorgung und zur Steuerung der Drehgeschwindigkeit des Motors (10; 32) liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (12; 34) eine Vorrichtung zur Bestimmung des Typs der in Drehung versetzten Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 umfasst, wobei die in der Steuereinheit gespeicherten Widerstandsmomentwerte jeweils dem Widerstandmoment einer Einrichtung entsprechen, die der Motor mit einer bestimmten Drehgeschwindigkeit antreiben darf, zum Zweck der Überwachung der Kompatibilität zwischen der in Drehung versetzten Einrichtung (14; 28) und der Zentrifuge (10; 32).

6. Überwachungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (12; 34) Mittel zur Begrenzung der Drehgeschwindigkeit der Einrichtung aufweist, die dafür ausgelegt sind, die Drehgeschwindigkeit dieser Einrichtung auf einen zugelassenen Höchstwert der Drehgeschwindigkeit der Einrichtung (14; 28) zu begrenzen.

7. System zur Steuerung der Betriebsparameter einer Zentrifuge (24), umfassend einen Asynchron-Elektromotor (32), der durch eine Steuereinheit (34) gesteuert wird, die dem Motor (32) eine Spannung (U) zur Versorgung und zur Steuerung der Drehgeschwindigkeit des Motors (32) liefert, und der einen in einer Kammer (26) angeordneten Rotor (28) in Drehung versetzt, und Mittel (34; 46) zur Regulierung von Betriebsparametern der Zentrifuge (24), dadurch gekennzeichnet, daß es eine Vorrichtung zur Bestimmung des Typs der in Drehung versetzten Einrichtung nach Anspruch 4 aufweist, daß die Steuereinheit den Speicher (46) zur Speicherung der Widerstandsmomentwerte umfaßt, daß die gespeicherten Widerstandsmomentwerte, die jeweils einem Rotortyp (28) entsprechen, jeweils einer Anzahl von diesem Typ von Rotor (28) entsprechenden Parametern zur Regulierung des Betriebs der Zentrifuge (34) zugeordnet sind, und daß die Bestimmungsvorrichtung dafür ausgelegt ist, den Regulierungsmitteln die Werte der Regulierungsparameter zu liefern, die dem bestimmten Typ des Rotors (28) entsprechen.