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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Überwachen der Drehzahl eines Vakuumpumpenantriebs, der mindestens einen Elektromotor und einen elektrisch mit dem Elektromotor verbundenen und diesen mit einer Motoreingangsspannung versorgenden Frequenzumrichter aufweist.
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Der Frequenzumrichter wird typischerweise aus einer Netzspannung gespeist und erzeugt eine Motoreingangsspannung mit variabler Frequenz zur elektrischen Versorgung des Elektromotors. Die Drehzahl des Elektromotors hängt von der Frequenz der Motoreingangsspannung ab. Typischerweise ist der Frequenzumrichter mit einem Zwischenkreis versehen, der aus der Netzspannung, bei der sich um eine Wechselspannung handelt, eine Gleichspannung erzeugt. Aus der Gleichspannung erzeugt der Frequenzumrichter die Motoreingangsspannung, bei der es sich typischerweise um eine synthetische, dreiphasige Wechselspannung handelt.
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Aus Sicherheitsgründen ist es erforderlich, die Drehzahl des Elektromotors eines Vakuumpumpenantriebs zu überwachen und zu begrenzen. Bei einem Ausfall von Komponenten des Frequenzumrichters oder der Motorsteuerung besteht andernfalls die Gefahr eines unkontrollierten Anstiegs der Motordrehzahl bis hin zu einer Beschädigung oder gar Zerstörung der Vakuumpumpe.
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Bei Vorvakuumpumpen wird der Pumpenmotor herkömmlicherweise ungesteuert direkt am elektrischen Versorgungsnetz betrieben. Die Erfindung soll daher insbesondere bei Vorvakuumpumpen mit Frequenzumrichterantrieb zum Einsatz kommen, um eine einfache und sichere Steuerung eines Vorvakuumpumpenantriebs zu ermöglichen.
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Herkömmliche Drehzahlüberwachungen sind technisch aufwändig. Beispielsweise betätigt die Welle des Pumpenantriebs einen induktiven Schalter zur Erfassung der Drehfrequenz. Bei herkömmlichen Drehzahlüberwachungen sind separate Sensoren erforderlich, deren Messsignale von einer Schaltungselektronik mit digitaler Signalverarbeitung, typischerweise unter Verwendung von Mikrocontrollern, ausgewertet werden. Die Sensorik und Schaltungselektronik müssen separat mit elektrischer Energie versorgt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vereinfachte und sichere Drehzahlüberwachung eines Vakuumpumpenantriebs zu schaffen, die insbesondere für den Antrieb von Vorvakuumpumpen geeignet ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist definiert durch die Merkmale von Anspruch 1. Das erfindungsgemäße Verfahren ist definiert durch die Merkmale von Anspruch 8.
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Erfindungsgemäß wird ein analoges, die Frequenz der vom Frequenzumrichter generierten Motoreingangsspannung abbildendes Überwachungssignal erzeugt. Bei dem Überwachungssignal handelt es sich um eine Spannung. Mindestens ein Transformator (beziehungsweise Übertrager) ist primärseitig elektrisch mit der den Frequenzumrichter und den Elektromotor verbindenden elektrischen Verbindungsleitung verbunden, um primärseitig die Motoreingangsspannung und deren Frequenz zu erfassen. Sekundärseitig ist der Transformator (beziehungsweise Übertrager) elektrisch mit einer Einrichtung zur Aufbereitung des Spannungssignales verbunden, um das Überwachungssignal zu generieren. Das Überwachungssignal wird von der Überwachungseinrichtung analog ausgewertet und analog überwacht. Bei Überschreiten eines Grenzwertes erzeugt die Überwachungseinrichtung ein analoges Warnsignal, zum Beispiel in Form eines Spannungsimpulses. Der Begriff ”Überschreiten” soll auch das Unterschreiten eines Grenzwertes bei sinkender Frequenz umfassen.
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Erfindungsgemäß wird somit auf analogem Weg die Frequenz der vom Frequenzumrichter erzeugten Motoreingangsspannung ausgewertet und überwacht. Bei der Überwachung erfolgt ein analoges Vergleichen des Überwachungssignals mit einem Grenzwert, der einer Grenzfrequenz entspricht. Bei Überschreiten des Grenzwertes wird ebenfalls auf analogem Weg ein analoges Warnsignal erzeugt. Bei dem Grenzwert kann es sich insbesondere um eine Grenzfrequenz handeln. Vorzugsweise erfolgt bei der erfindungsgemäßen Drehzahlüberwachung keine digitale Signalverarbeitung. Insbesondere werden keine Mikrocontroller oder Schaltungskomponenten mit digitaler Signalverarbeitung verwendet. Die mit dem möglichen Ausfall einer Mikroelektronik und deren Energiebedarf verbundenen Nachteile sind dadurch vermieden. Der Transformator führt zu einer erhöhten Sicherheit, insbesondere weil sekundärseitig eine gegenüber der Motoreingangsspannung reduzierte Spannung anliegt. Der Transformator bietet zudem den Vorteil, dass die zu überwachende physikalische Größe, nämlich die Frequenz der Motoreingangsspannung, und elektrische Energie zugleich übertragen werden und eine separate Energieversorgung nicht erforderlich ist. Von der Frequenz der Motoreingangsspannung kann auf die Drehzahl des Motors geschlossen werden.
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Das generierte analoge Warnsignal kann dazu verwendet werden, dem Frequenzumrichter einen Schaltimpuls zum Verändern der Motoreingangsspannung, zum Beispiel zum Reduzieren der Frequenz der Motoreingangsspannung oder zum Abschalten des Elektromotors, zuzuführen. Alternativ oder ergänzend kann das Warnsignal einer separaten Steuereinheit zugeführt werden, die in Abhängigkeit von dem Warnsignal die Motordrehfrequenz vermindert, zum Beispiel in dem die Energieversorgung des Motors gestoppt und/oder der Motor oder die Antriebswelle gebremst werden. Bei der Steuereinheit kann es sich auch um eine Alarmzentrale handeln, die in Abhängigkeit von dem Warnsignal einen visuellen und/oder akustischen Alarm auslösen kann.
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Im Falle einer mehrphasigen, zum Beispiel dreiphasigen, Verbindungsleitung zwischen dem Frequenzumrichter und dem Elektromotor zur Übertragung der Motoreingangsspannung können mehrere, zum Beispiel zwei, Transformatoren vorgesehen sein, wobei an dem Primärkreis jedes Transformators zwei Phasen der Motoreingangsspannung anliegen. Im Falle zweier Transformatoren können beispielsweise die erste und zweite Phase an dem Primärkreis des ersten Transformators und die zweite und dritte Phase an dem Primärkreis des zweiten Transformators anliegen. Dadurch kann auf einfache Weise ein redundantes Überwachungssystem geschaffen werden.
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Im Folgenden werden anhand der Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein erstens Ausführungsbeispiel,
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel,
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3 ein drittes Ausführungsbeispiel,
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4 ein viertes Ausführungsbeispiel,
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5 ein fünftes Ausführungsbeispiel,
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6 ein sechstes Ausführungsbeispiel,
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7 ein siebtes Ausführungsbeispiel und
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8 ein achtes Ausführungsbeispiel.
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Bei jedem der Ausführungsbeispiele ist ein Frequenzumrichter 12 mit einem Elektromotor 14 durch eine dreiphasige Verbindungsleitung 16 verbunden. Der Frequenzumrichter 12 wird aus einem elektrischen Versorgungsspannungsnetz 18 gespeist. Über die Verbindungsleitung 16 wird eine dreiphasige Motoreingangsspannung an die Motorspulen des Elektromotors 14 angelegt. Bei der Motoreingangsspannung kann es sich beispielsweise um eine Wechselspannung mit einer Amplitude von circa 400 V und mit einer Frequenz von circa 100 Hz handeln. Der Elektromotor 14 erzeugt in Abhängigkeit von der Frequenz der Motoreingangsspannung ein Drehmoment, welches über eine in den Figuren nicht dargestellte Antriebswelle an den Pumpenrotor der Vakuumpumpe übertragen wird. Die Drehzahl der Antriebswelle hängt dabei von der Frequenz der Motoreingangsspannung ab.
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Bei jedem der Ausführungsbeispiele ist eine Überwachungseinrichtung 20 vorgesehen, die zur ausschließlich analogen Erfassung und Überwachung der Frequenz der Motoreingangsspannung ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass zur Erfassung und Überwachung der Frequenz der Motoreingangsspannung, keine digitale Signalverarbeitung und insbesondere keine Mikrocontroller eingesetzt werden. Lediglich analoge Spannungssignale werden generiert und ausgewertet.
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Hierzu ist die Überwachungseinrichtung 20 mit mindestens einem Transformator 22 versehen, an dessen Primärseite 26 die Motoreingangsspannung der Verbindungsleitung 16 anliegt. Hierzu ist die Primärseite 26 des Transformators 22 über ein Koppelnetzwerk 30 mit den Phasen der Verbindungsleitung 16 elektrisch verbunden.
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Bei den Ausführungsbeispielen der 2, 3, 6 und 7 ist genau ein Transformator 22 vorgesehen. Der Transformator 22 der Ausführungsbeispiele 2, 3, 6 und 7 ist über das Koppelnetzwerk mit genau zwei Phasen U, V der elektrischen Verbindungsleitung 16 verbunden.
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Der Transformator 22, bei dem es sich um einen herkömmlichen Übertrager handeln kann, wandelt die primärseitige Motoreingangsspannung in ein analoges Spannungssignal um, das auf der Sekundärseite 28 des Transformators 22 als analoges Spannungssignal anderer Amplitude und gleicher Frequenz wie die Motoreingangsspannung anliegt. Bei dem Spannungssignal kann es sich beispielsweise um eine analoge Wechselspannung mit einer Amplitude von circa 10 V und der Frequenz 100 Hz der Motoreingangsspannung handeln.
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Bei den Ausführungsbeispielen nach den 1, 4, 5 und 8 weist die Überwachungseinrichtung 20 jeweils genau zwei Transformatoren 22, 24 auf. Die Transformatoren 22, 24 sind gleicher Bauart. Über das Koppelnetzwerk 30 ist die Primärseite 26 des Transformators 22 jeweils mit der ersten und zweiten Phase U, V der Motoreingangsspannung beziehungsweise der Verbindungsleitung 16 verbunden, während die Primärseite 26 des zweiten Transformators 24 über das Koppelnetzwerk 30 jeweils mit der zweiten und der dritten Phase V, W der Motoreingangsspannung beziehungsweise der Verbindungsleitung 16 verbunden ist. Dadurch ist eine redundante Drehzahlüberwachung geschaffen, in dem die Frequenz verschiedener Phasen der Motoreingangsspannung überwacht wird.
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Das an der Sekundärseite 28 jedes Transformators 22, 24 anliegende Spannungssignal wird einer Einrichtung 32 zur Aufbereitung des Messwertes (Spannungssignales) zugeführt. Das aufbereitete Spannungssignal der Sekundärseite 28 jedes Transformators 22, 24 kann als analoges Überwachungssignal bezeichnet werden und wird jeweils einer mit jeder Sekundärseite 28 verbundenen Überwachungseinrichtung 34 zugeführt. Die Überwachungseinrichtung 34 besteht ebenso wie das Koppelnetzwerk 30 und die Messwertaufbereitung 32 ausschließlich aus analoger Signalverarbeitung. Zur Überwachung des Überwachungssignals wird dieses innerhalb der Überwachungseinrichtung 34 einer analogen Schaltung zugeführt, der einen Wert des Überwachungssignals mit einem Grenzwert vergleicht und bei Überschreiten oder Unterschreiten des Grenzwertes ein analoges Spannungssignal als Warnsignal erzeugt. Bei dem Warnsignal kann es sich um einen Spannungsimpuls handeln.
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Bei den Ausführungsbeispielen nach den 1 und 2 wird das Warnsignal dem Frequenzumrichter 12 als Schaltimpuls zugeführt, so dass der Frequenzumrichter 12 bei Erhalt des Schaltimpulses die Motoreingangsspannung verändert, zum Beispiel in dem Amplitude und/oder Frequenz der Motoreingangsspannung erheblich reduziert werden und/oder die Motoreingangsspannung verändert wird, um den Elektromotor 14 aktiv zu bremsen oder die Motorspannung abzuschalten. Bei den Ausführungsbeispielen der 1 und 2 wird das Warnsignal über eine Verbindungsleitung 36 an einen Eingang 38 des Frequenzumrichters 12 übertragen, um bei Erhalt des Warnsignals ein sicheres Halten des Motors 14 zu bewirken.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach 3 wird als analoge Überwachungseinrichtung 34 ein Teil des Frequenzumrichters 12 verwendet. Das bedeutet, dass das von 32 aufbereitete Spannungssignal des Sekundärkreises 28 über die Verbindungsleitung 36 an einen Messeingang 40 des Frequenzumrichters 12 übertragen wird. Der Frequenzumrichter 12 ist dazu ausgebildet, ein über den Messeingang 40 empfangenes Spannungssignal zu überwachen und bei Überschreiten/Unterschreiten eines entsprechenden Grenzwertes die Motoreingangsspannung zu verändern und/oder den Motor 14 anzuhalten.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach 4 werden die von 32 aufbereiteten Spannungssignale der Sekundärkreise 28 der beiden Transformatoren 22, 24 jeweils über eine Verbindungsleitung 36, 37 an separate Messeingänge 40, 42 des Frequenzumrichters 12 übertragen. Jeder der beiden Messeingänge 40, 42 ist mit einer in dem Frequenzumrichter 12 enthaltenen analogen Überwachungseinrichtung 34 versehen, so dass bei Überschreiten/Unterschreiten eines Grenzwertes eines der beiden über die Leitung 36, 37 die Motoreingangsspannung verändert und/oder der Motor 14 angehalten wird.
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Die Ausführungsbeispiele der 5–8 unterscheiden sich von den Ausführungsbeispielen der 1–4 dadurch, dass das Überwachungssignal beziehungsweise das von 32 aufbereitete Spannungssignal der Sekundärkreise 28 nicht an den Frequenzumrichter 12 angelegt wird, sondern an eine separate Steuereinheit 44. Bei den Ausführungsbeispielen der 5–7 wird genau ein analoges Überwachungssignal über genau eine Überwachungsleitung 46 an die Steuereinheit 44 übertragen. Bei dem Ausführungsbeispiel nach 8 ist der Sekundärseite 28 jedes der beiden Transformatoren 22, 24 genau eine Überwachungsleitung 46, 48 zugeordnet. Das Überwachungssignal des Transformators 22 wird der Steuereinheit 44 über die Überwachungsleitung 46 zugeführt. Das Überwachungssignal des Transformators 24 wird der Steuereinheit 44 über die andere Überwachungsleitung 48 zugeführt. Dadurch ist eine redundante Erzeugung und Übertragung der Überwachungssignale ermöglicht.
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Bei den Ausführungsbeispielen nach den 5 und 6 überwacht die separate Überwachungseinrichtung 34 das Überwachungssignal und generiert bei Überschreiten beziehungsweise Unterschreiten eines Grenzwertes ein Warnsignal zum Beispiel in Form eines Spannungsimpulses, welches über die Überwachungsleitung 46 an die Steuereinheit 44 übertragen wird. Die Steuereinheit 44 kann zum Abschalten des Elektromotors 14, zum Bremsen des Elektromotors 14 und/oder der Antriebswelle der Vakuumpumpe und/oder zum Erzeugen eines visuellen und/oder akustischen Alarms ausgebildet sein.
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Bei den Ausführungsbeispielen nach den 7 und 8 ist die Überwachungseinrichtung 34 Bestandteil der Steuereinheit 44. In 7 wird das Überwachungssignal über die Überwachungsleitung 46 an den Eingang der Steuereinheit 44 übertragen. Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, dass analoge Überwachungssignal mit einem Grenzwert zu vergleichen und bei Überschreiten oder Unterschreiten des Grenzwertes das Warnsignal zu erzeugen. In Abhängigkeit von dem Warnsignal können dann die oben in Bezug auf die Ausführungsbeispiele der 5 und 6 beschriebenen Aktionen ausgelöst werden.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 8 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel nach 7 neben der Anzahl der Transformatoren auch dadurch, dass dem Sekundärkreis 28 jedes Transformators 22, 24 genau eine Überwachungsleitung 46, 48 zugeordnet ist. Dadurch wird neben der redundanten Erzeugung der Überwachungssignale durch die beiden Transformatoren 22, 24 auch eine redundante Übertragung der Überwachungssignale an die Steuereinheit 44 und eine redundante Auswertung und Überwachung der Überwachungssignale ermöglicht. Sobald eines der beiden über die Leitungen 46, 48 übertragenen Überwachungssignale einen Grenzwert überschreitet oder unterschreitet werden das Warnsignal und die in Bezug auf die Ausführungsbeispiele in den 5–7 beschriebenen Aktionen ausgelöst.
