DE10333359B3

DE10333359B3 - Zerkleinerungsvorrichtung für Abfälle

Info

Publication number: DE10333359B3
Application number: DE10333359A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Lipowski
Original assignee: Vecoplan Maschinenfabrik GmbH and Co KG
Current assignee: Vecoplan AG
Priority date: 2003-07-23
Filing date: 2003-07-23
Publication date: 2005-01-20
Anticipated expiration: 2023-07-24
Also published as: JP2005040793A; JP4266895B2; US20050061897A1; US7168640B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zerkleinerungsvorrichtung für Abfälle und/oder Produktionsreste. DOLLAR A Um bei einer solchen Zerkleinerung die Gefahr von Schäden an der Vorrichtung zu minimieren oder flexibel und schnell auf die jeweiligen Betriebsbedingungen reagieren zu können, wird eine Zerkleinerungsvorrichtung vorgeschlagen, die eine Antriebseinheit mit zumindest einem als 12- bis 32-poligen Drehstrom-Synchronmotor ausgebildeten Elektromotor umfasst, der bei einer Drehzahl zwischen 1 und 500 U/min. arbeitet, wobei der Synchronmotor elektrisch an den Ausgang eines von einer Steuereinrichtung gesteuerten Frequenzumformers angeschlossen ist und die Antriebswelle ohne Getriebe direkt mit der Zerkleinerungswelle verbunden ist und sich kein Drehmoment und/oder kraftübertragendes Antriebselement schneller als die Antriebswelle dreht. DOLLAR A Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Zerkleinerungsvorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zerkleinerungsvorrichtung für Abfälle und/oder Produktionsreste, umfassend eine Antriebseinheit mit zumindest einem Elektromotor, der eine Antriebswelle aufweist, die in Wirkverbindung mit einer Zerkleinerungswelle steht, welche an ihrem Umfang über ihre Arbeitsbreite Zerkleinerungswerkzeuge aufweist, wobei die Zerkleinerungswerkzeuge mit einem bezüglich seiner Form an die Rotationsfläche der Zerkleinerungswelle angepassten Gegenmittel zum Zerkleinern des zu bearbeitenden Guts zusammenwirken. Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Zerkleinerungsvorrichtung.

Derartige Zerkleinerungsvorrichtungen werden beispielsweise zum Zerkleinern von Holz, Papier, Kunststoff, Gummi, Textilien, Produktionsresten oder Abfällen aus Industrie und Gewerbe, jedoch auch von Sperrmüll, Hausmüll, Papier- und DSD-Sammlungen sowie Krankenhausabfällen etc. eingesetzt. Dabei wird das zu zerkleinernde Gut zwischen Rotore oder im Zusammenwirken zwischen einem Rotor und einer diesem zugeordneten, feststehenden Traverse zerkleinert durch Schneiden, Scheren, Quetschen, Reißen und/oder Reiben. Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise im europäischen Patent EP 0 419 919 B1 beschrieben.

Außerdem gibt es Zerkleinerungsvorrichtungen, bestehend aus mehreren Rotoren mit jeweils diesen zugeordneten, feststehenden Traversen zwischen den Rotoren.

Für die grobe Vorzerkleinerung des genannten Gutes ist eine Drehzahl der Zerkleinerungswelle von etwa 20 bis 50 U/min. zweckmäßig. Hierfür werden in der Regel hydraulische Antriebe eingesetzt. Bei leicht zu zerkleinernden oder ausreichend vorzerkleinerten Material wie z.B. Folien, Verpackungsreste etc. kann die Zerkleinerungsvorrichtung zur Erhöhung des Durchsatzes prinzipiell mit höheren Drehzahlen gefahren werden, insofern sind heutige Zerkleinerungsvorrichtungen mit Zerkleinerungswellen ausgebildet, die mit etwa 80 bis 500 U/min. angetrieben sind. Die elektrische Antriebsleistung derartiger Vorrichtungen liegt etwa zwischen 30 bis 450 kW. Für solche Zerkleinerungsvorrichtungen sind verschiedene Antriebskonzepte bekannt. Herkömmliche Vorrichtungen umfassen i.d.R. einen Asynchron-Motor, der vorzugsweise 4-polig aufgebaut ist und dementsprechend mit einer Motordrehzahl von 1.500 Umdrehungen bei einer Netzfrequenz von 50 Hz arbeitet. Zum Einstellen der angegebenen Drehzahl der Zerkleinerungswelle erfolgt die Kraftübertragung über einen Riemenantrieb oder eine Gelenkwelle beziehungsweise eine Kupplung zum Getriebe, in welchem die Drehzahl je nach Anforderung auf etwa 90 bis 200 U/min. reduziert wird, wodurch sich das Drehmoment an der Zerkleinerungswelle im Vergleich zu dem des Motors im gleichen Verhältnis erhöht.

Bei einem weiteren Konzept einer Zerkleinerungsvorrichtung umfasst der Antrieb einen Elektromotor, welcher in der Regel 4- oder 6-polig aufgebaut ist und demnach mit 1.500 beziehungsweise 1.000 U/min. bei 50 Hz Netzfrequenz arbeitet. Nachgeschaltet ist ein Zugmittel-Getriebe wie ein Riementrieb. Hiermit lassen sich Drehzahlen der Zerkleinerungswelle von etwa 200 U/min bis 500 U/min mittels eines einfachen Antriebs realisieren, wobei allerdings sehr große teure Riemenscheiben verwendet werden müssen.

Da die verwendeten großen Riemenscheiben ein großes Trägheitsmoment aufweisen, wird in der Regel zur Vermeidung eines Bruchs der Zerkleinerungswelle je nach Zerkleinerungsgut eine lastbegrenzende beziehungsweise lasttrennende Kupplung an oder in der Nabe zwischen der Welle und der Riemenscheibe eingesetzt, vorzugsweise eine Rutschkupplung. Bei noch geringeren Drehzahlen ist es notwendig, einen doppelstrangigen Riementrieb einzusetzen. Dabei sind sehr hohe Drehmomente an der Zerkleinerungswelle erzeugbar, die jedoch eine entsprechende Dimensionierung der Antriebselemente erfordern, wodurch ein solches Konzept sehr teuer und wartungsintensiv ist, wobei gleichzeitig die Zerkleinerungsvorrichtung aufgrund ihres voluminösen Aufbaus einen großen Platzbedarf aufweist. Die in beiden Antriebskonzepten in der Regel verwendeten Flüssigkeitskupplungen optimieren das bekannte ungünstige Anlaufverhalten eines Asynchron-Motors und erleichtern den Anlauf der Zerkleinerungswelle unter Last. Darüber hinaus wirkt die Kupplung bei einer plötzlichen Blockade, beispielsweise durch einen Fremdkörper im Zerkleinerungsgut, dämpfend und reduziert die durch die Vorrichtung im Versorgungsnetz hervorgerufenen Belastungsspitzen.

Bei einem weiteren herkömmlichen Antrieb für eine Zerkleinerungsvorrichtung wird ein Asynchron-Elektromotor, eine Hydraulikpumpe sowie ein Ölmotor verwendet. Das vom Antrieb erzeugte Moment wird mit oder ohne Getriebe zur Zerkleinerungswelle geführt. Diese Variante ist sehr teuer und wartungsintensiv, im Hinblick auf den Wirkungsgrad vergleichsweise ungünstig, wobei darüber hinaus die Vorrichtung sehr laut ist. Andererseits bietet dieses Konzept den Vorteil, dass die Drehzahl der Zerkleinerungswelle über einen vorgegebenen Bereich einstellbar ist.

Allen herkömmlichen Antriebskonzepten ist gemein, dass diese mehrere Antriebsorgane zur Verbindung eines Motors an eine Zerkleinerungswelle umfassen. Sie sind verhältnismäßig teuer, erhöhen den Platzbedarf und ferner die Lärmerzeugung der Vorrichtung. Da der gesamte Antrieb aus mehreren Antriebsorganen be steht, weisen diese zusammen ein hohes Massenträgheitsmoment auf, was bei plötzlich auftretenden Lastspitzen zu Problemen in der Standfestigkeit beziehungsweise unter Umständen zur Zerstörung von Vorrichtungsteilen führen kann. Derartige Lastspitzen können einerseits durch nicht zerkleinerbare Störstoffe (Metall, Steine etc.) im Zerkleinerungsgut, andererseits jedoch auch beim Zerkleinern von zäh-elastischen Materialien mit hoher Reißfestigkeit, wie beispielsweise Fasergewebe, Seile, Schnüre etc. auftreten.

In Abhängigkeit vom Zerkleinerungsgut, der gewählten Rotormesser und der Rotordrehzahl treten oftmals, insbesondere beim Einsatz von Zahnradgetrieben im Antriebsorgan, Drehschwingungen auf, die einen hohen Lärm erzeugen und die Lebensdauer der Antriebe reduzieren.

Demnach besteht die Aufgabe der Erfindung darin, bei einer Zerkleinerungsvorrichtung der angegebenen Art die bei herkömmlichen Vorrichtungen auftretenden Probleme zu vermeiden. Diese Aufgabe löst die Erfindung schon mit einer Zerkleinerungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 beziehungsweise mit einem Verfahren zu dessen Betrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 10.

Die erfindungsgemäße Zerkleinerungsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Antriebseinheit zumindest einen als 12- bis 32-poligen Drehstrom-Synchronmotor ausgebildeten Elektromotor umfasst, der bei einer Drehzahl zwischen 1 und 500 U/min. arbeitet, wobei der Synchronmotor elektrisch an den Ausgang eines von einer Steuereinrichtung gesteuerten Frequenzumformers angeschlossen ist und die Antriebswelle ohne Getriebe direkt mit der Zerkleinerungswelle verbunden ist und sich kein Drehmoment und/oder kraft-übertragendes Antriebselement schneller als die Antriebswelle dreht.

Diese erfindungsgemäße Gestaltung der Zerkleinerungsvorrichtung weist gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen wesentliche Vorteile auf. Durch die Verwendung eines Synchronmotors in Verbindung mit einem vorgeschalteten Frequenzumformer kann an die Zerkleinerungsvorrichtung über den gesamten Drehzahlbereich das maximale Drehmoment bereitgestellt werden, wodurch sich beispielsweise die Anlaufphase erleichtert beziehungsweise die Vorrichtung auch unter Last angefahren werden kann. Durch die Möglichkeit, die Drehzahl flexibel und je nach Betriebsphase einzustellen, kann ferner auf ein Getriebe verzichtet werden, womit ein Großteil des sonst üblichen Trägheitsmomentes der Antriebseinheit wegfällt. Hierdurch kann die Gefahr von Schäden im Antrieb selbst beziehungsweise an der Zerkleinerungswelle bei einer plötzlichen Blockade des Rotors, beispielsweise hervorgerufen durch einen Fremdkörper im Zerkleinerungsgut, vermindert werden. Damit können übliche Schutzmaßnahmen, wie Rückkupplungen, Lastschaltkupplungen oder Scherbolzenkupplungen entfallen. Befinden sich im Zerkleinerungsgut massive, unzerkleinerbare Störstoffe, werden bei herkömmlichen Zerkleinerungsvorrichtungen massive Schläge in das Antriebssystem und das Gehäuse der Vorrichtung übertragen. Dabei wirken sich die Schwungmassen derartiger konventioneller Antriebe sehr ungünstig aus. Bei der erfindungsgemäßen Zerkleinerungsvorrichtung werden diese Schläge im Magnetfeld des Synchronmotors voll gedämpft und gelangen so nicht auf das Antriebsgehäuse. Aufgrund der geringen Anzahl an Maschinenelementen ist der Gesamtwirkungsgrad des Antriebes sehr günstig, wodurch Energie eingespart wird. Der Antrieb der erfindungsgemäßen Zerkleinerungsvorrichtung ist aufgrund der geringen Anzahl von Komponenten im Antrieb vergleichsweise leicht, und nahezu wartungsfrei. Da die Kraftübertragung im Synchronmotor berührungslos verläuft und der Hauptantriebsmotor nur so schnell läuft wie die Zerkleinerungswelle selbst, läuft dieser Antrieb nahezu lautlos. Mit der direkter Kopplung des Synchronmotors an die Zerkleinerungswelle ergibt sich eine sehr platzsparende Vorrichtung, die zudem ein niedriges Gewicht im Vergleich zu herkömmlichen Zerkleinerungsvorrichtungen aufweist. Insofern eignet sich die erfindungsgemäße Zerkleine rungsvorrichtung auch für mobile Zerkleinerungsmaschinen. Die Verbindung des Synchronmotors mit der direkten Kopplung des Antriebs an die Zerkleinerungswelle ermöglicht ferner aufgrund des vergleichsweise geringen Trägheitsmomentes der Antriebseinheit und der Möglichkeit, auf einfache Weise die Drehzahl und/oder das Drehmoment zu verändern, sehr schnell auf geänderte Betriebsbedingungen zu reagieren und den Antrieb auf die geänderten Bedingungen einzustellen.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, einen drehzahlvariablen Synchronmotor direkt, d.h. ohne Getriebe an eine Zerkleinerungswelle zu koppeln, um eine Zerkleinerungsmaschine mit gänzlich neuen Eigenschaften bereitzustellen. Unter Beibehaltung eines maximalen Drehmomentes kann bei Ansprechen auf Betriebsbedingungen die Drehzahl angepasst werden oder auch im Ansprechen auf Betriebsbedingungen das Drehmoment eingestellt werden. Durch die Vermeidung eines Getriebes, d.h. mit der Vermeidung eines großen Trägheitsmomentes des Antriebes, kann dieser sehr flexibel und vor allem sehr schnell auf geänderte Betriebsbedingungen eingestellt werden, was insbesondere in kritischen Situationen wie beispielsweise bei einer drohenden Blockade sehr vorteilhaft ist.

Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass vorliegend der Begriff „Getriebe" als mechanische Einrichtung verstanden wird, in welcher bewegliche Bauteile Eingangsbewegungen in Ausgangsbewegungen umwandeln, die in Bezug auf Kraft, Moment, Leistung, Geschwindigkeit und/oder Drehzahl unterschiedlich sind. Demgegenüber bezeichnet der Begriff „Kupplung" eine reine Verbindung von Maschinenelementen, hier der Antriebswelle des Elektromotors und der Zerkleinerungswelle, einer Einrichtung, bei welcher die angegebenen Parameter unverändert bleiben. Beispielhaft sei eine Wellenkupplung zur Übertragung von Drehmomenten zwischen den Wellen, hier der Antriebswelle des Elektromotors und der Zerkleinerungswelle genannt, wobei diese Verbindung starr oder elastisch sein kann. Erfindungsgemäß sind der Elektromotor und die Zerkleinerungswelle über eine derartige Kupplung miteinander verbunden.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Eine besonders kostengünstige Verbindung zwischen der Antriebswelle und der Zerkleinerungswelle ergibt sich durch das Vorsehen einer Wellenkupplung, welche das Drehmoment zwischen den Wellen überträgt. Besonders günstig ist eine starre Wellen-Nabenverbindung zwischen Antriebswelle und Zerkleinerungswelle. Die Kupplung kann derartig ausgebildet sein, dass die beiden Wellen mit einem Befestigungsmittel starr miteinander verbunden sind. Um die Baulänge zu erniedrigen, kann bei achsenparalleler Anordnung der beiden Wellen auch vorgesehen sein, dass die Antriebswelle als Hohlwelle ausgebildet ist, in welche die Zerkleinerungswelle aufsteckbar ist. Durch den Aufsteckvorgang können komplementär zusammenwirkende Mittel der beiden Wellen zur Gestaltung eines Formschlusses in Eingriff geraten, derartig, dass die Zerkleinerungswelle von der Antriebswelle mitgenommen wird. Es ist jedoch auch möglich, die Übertragung des Drehmomentes zwischen der Hohlwelle des Motors und der Zerkleinerungswelle über einen Kraftschluss auszuführen oder eine Kombination aus Kraftschluss und Formschluss. Alle Ausführungen mit der Verbindung über eine Hohlwelle und die komplementär zur Hohlwelle ausgebildeten zweite Welle weisen ferner den Vorteil auf, dass eine starke axiale Führung der Zerkleinerungswelle sichergestellt ist.

Um zu verhindern, dass sich die Zerkleinerungswelle im Betrieb festfährt, können Mittel zur Erfassung des Laststromes sowie Mittel zur Erfassung der Drehung der Antriebswelle des Synchronmotors umfasst sein, an deren Ausgängen die Steuereinrichtung angeschlossen ist. Auf diese Weise kann die Steuereinrichtung sofort erfasst werden, wenn geänderte Betriebsbedingungen sich einstellen. Wird beispielsweise gerade ein Störstoff bear beitet, wodurch unter Umständen eine erhöhte Stromaufnahme resultiert, ist dies erfassbar und können Motorparameter, beispielsweise die Drehzahl auf die geänderte Betriebsbedingung eingestellt werden. Ferner kann nach der Verarbeitung des Störguts und dem Erfassen einer darauffolgenden verminderten Stromaufnahme die Vorrichtung wieder auf die vorhergehenden Sollparameter eingestellt werden. Wie obenstehend schon erläutert, kann durch die Kombination des an einen Frequenzumformer angeschlossenen Drehstrom-Synchronmotors mit einer direkten Kopplung ohne Getriebe an eine Zerkleinerungswelle erreicht werden, das sehr schnell, ohne wesentliche Verzögerung auf Veränderungen der Betriebsbedingungen reagiert werden kann, sodass in vielen Fällen eine Blockade vermieden werden kann. Aber auch beim Auftreten einer Blockade weist die erfindungsgemäße Zerkleinerungsvorrichtung aufgrund ihres niedrigen Trägheitsmomentes und aufgrund der Drehzahlvariabilität des gesamten Antriebes den Vorteil auf, dass die Blockade der Zerkleinerungswelle leicht dadurch aufgehoben werden kann, dass die Antriebswelle im Ansprechen auf den Ist-Laststrom und/oder die Ist-Drehlage in ein Schaukeln oder Rütteln versetzbar ist.

Um schwer zu zerkleinerndes Gut zu verarbeiten beziehungsweise um eine Vorrichtung mit einer höheren Durchsatzleistung bereitzustellen, kann vorgesehen sein, dass das Gegenmittel für die Werkzeuge an der Zerkleinerungswelle nicht durch ein starres Element, beispielsweise eine Traverse bereitgestellt wird, sondern durch eine weitere Zerkleinerungswelle, die an die Antriebswelle eines eigenen Drehstrom-Synchronmotors direkt, d.h. ohne Getriebe verbunden ist, wobei der Synchronmotor wie die erste Zerkleinerungswelle an den Ausgang eines von der Steuereinrichtung kontrollierten Frequenzumformers angeschlossen ist. Eine solche erfindungsgemäße Vorrichtung weist ferner den Vorteil auf, dass der Zerkleinerungsvorgang durch eine optimierte Anpassung der Drehzahlen der beiden Wellen optimiert werden kann. Beispielsweise können beide Zerkleinerungswellen mit der gleichen Drehzahl angetrieben werden, es ist jedoch auch mög lich, die Drehzahlen unterschiedlich einzustellen. Auch im Falle einer Blockade beziehungsweise einer zu befürchtenden Blockade während des Betriebes bietet die unabhängige Ansteuerung der beiden Zerkleinerungswellen eine hohe Flexibilität zur Anpassung der Vorrichtung an die jeweiligen Bedürfnisse.

Um besonders große Drehmomente an der Zerkleinerungswelle bereitzustellen und diese im Hinblick auf Torsionskräfte möglichst wenig zu belasten, kann vorgesehen sein, zwei Drehstrom-Synchronmotoren einer einzelnen Zerkleinerungswelle zuzuordnen, wobei die Antriebswellen der Synchronmotoren jeweils wie vorstehend beschrieben ohne Getriebe direkt mit der Zerkleinerungswelle verbunden sind. Hierbei können die Antriebswellen jeweils an einem Ende der Zerkleinerungswelle an diese gekoppelt sein. Es versteht sich, dass beide Drehstrom-Synchronmotoren zur Abgabe eines identischen Drehmomentes sowie drehzahlgleich und phasengleich, beispielsweise in einer Anlaufphase, angesteuert sind.

Das Prinzip der erfindungsgemäßen Zerkleinerungsvorrichtung kann für Vorrichtungen mit sehr unterschiedlichen elektrischen Antriebsleistungen ausgelegt sein. Hiermit kann der Bedarf sowohl an mobilen als auch an stationären Zerkleinerungsvorrichtungen abgedeckt werden, mit elektrischen Antriebsleistungen von etwa 11 bis 450 kW.

Verfahrensseitig wird die angegebene Aufgabe durch ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Zerkleinerungsvorrichtung gelöst, wobei in einer Startbetriebsphase, ausgehend vom Stillstand des Synchronmotors die Drehzahl unter Ausnutzung einer vorgegebenen Laststromgrenze mit im wesentlichen konstanten Motordrehmoment auf eine vorgegebene Soll-Drehzahl geregelt wird. Im Ansprechen auf das Erfassen einer drohenden Blockade der Antriebswelle, beispielsweise durch das Erfassen eines Anstieges des Laststromes, wird der Antrieb rückwärts gesteuert, worauf nach dem Erfassen einer Rückwärtsbewegung der Antriebs welle diese über eine vorgegebene Zeitdauer oder bis zum Erreichen der eingestellten Reversierdrehzahl mit der Laststromgrenze rückwärts bewegt wird und nachfolgend wieder vorwärts. Der beschriebene Vorgang kann aufgrund des verminderten Trägheitsmomentes des Antriebes sofort nach der Erfassung eines erhöhten Laststromes eingeleitet werden, wodurch die Gefahr einer Blockade der Zerkleinerungswelle wirksam vermindert bzw. aufgehoben ist.

Um den Motor nicht zu überlasten, kann vorgesehen sein, dass nach dem Überschreiten einer vorgegebenen Laststromgrenze die Drehzahl erniedrigt wird und nach der Beendigung der Überlast-Betriebsphase die Motordrehzahl wieder auf einen Soll-Wert geregelt wird.

Grundsätzlich können für bestimmte Betriebsbedingungen vorgegebene Abläufe für die Motoransteuerung vorgesehen sein, um einerseits sicherzustellen, dass die Zerkleinerungswelle nicht festläuft und andererseits der Motor nicht überlastet. Insbesondere beim Einsatz der erfindungsgemäßen Zerkleinerungsvorrichtung in einer Prozesskette kann es notwendig sein, den Durchsatz zu regeln, beispielsweise auf einen konstanten Wert zu halten. Hierzu kann eine das Zerkleinerungsgut betreffende Erfassungsgröße wie Gewicht, Volumen oder Feuchtigkeit mit einer entsprechenden Einrichtung erfasst und zum Steuern oder Regeln der Drehzahl des Synchronmotors verwendet werden.

Die Erfindung wird im Folgenden durch das Beschreiben einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beiliegende Figur erläutert, die in einer Prinzipskizze eine beispielhafte, erfindungsgemäß ausgebildete Zerkleinerungsvorrichtung zeigt.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Zerkleinerungsvorrichtung 1 für Abfälle und/oder Produktionsreste. Die Vorrichtung weist eine einzelne Zerkleinerungswelle 3 auf, an welche über einen vorgegebenen Arbeitsbereich Zerkleinerungswerkzeuge 4 ange bracht sind. An beiden Enden der Zerkleinerungswelle 3 ist jeweils ein Torque-Motor 2a, 2b angebracht. Die nicht dargestellten Antriebswellen der Synchronmotoren sind jeweils als Hohlwelle ausgebildet und zusammen mit dem Rest des Motors auf die Zerkleinerungswelle aufgesteckt. Die Zerkleinerungswelle und die Antriebswelle der beiden Motoren sind jeweils über eine nicht dargestellte Wellen-Nabenverbindung starr aneinander befestigt. Beide Torque-Motoren sind als 32-polige Drehstrom-Synchronmotoren ausgebildet, die an einen Frequenzumformer 8 angeschlossen sind, der von einer SPS-Einheit 7 gesteuert wird. In der Zeichnung nicht dargestellte Drehgeber sind in den Motoren integriert und übermitteln den Drehzustand der Motoren und damit den Drehzustand der Zerkleinerungswelle angebende Informationen an den Frequenzumwandler bzw. die Steuereinrichtung. Während die Stromversorgung jeweils über zugeordnete Stromversorgungsleitungen 10a, 10b zwischen einem Netzanschluss 12 und der Vorrichtung realisiert ist, werden die den Betriebszustand des jeweiligen Motors wiedergebende Daten beziehungsweise deren Anforderungen vom Frequenzumformer über zugeordnete Datenleitung 11a beziehungsweise 11b an die Motoren übermittelt. Die Steuerung erhält über zugeordnete Eingangsleitungen Informationen von einer Waage 9a, Volumenmessung 9b beziehungsweise einem Feuchtigkeitssensor 9c über den Zustand des aktuellen zu verarbeitenden Zerkleinerungsguts, ferner ist an die Steuerung eine Eingabeeinrichtung 9d angeschlossen, über die der Benutzer anwenderspezifische Betriebsparameter vorgeben kann.
Beide Motoren sind als 3-phasiger bürstenloser Synchronmotor mit Permanent-Magneterregung ausgebildet. Der Frequenzumformer arbeitet auf herkömmlicher Art, indem er aus den 3-Phasen-Wechselstrom aus dem Netzanschluss 12 mit Hilfe einer Gleichrichterbrücke Gleichstrom erzeugt und diesen dann mit Hilfe eines Wechselrichters in einen 3-Phasen-Wechselstrom mit variabler Frequenz und Spannung umwandelt, mit denen die beiden Motoren 2a, 2b gespeist werden. Da die angerissene Arbeitsweise des Frequenzumformers wohlbekannt ist, wird darauf im Folgenden nicht näher eingegangen. Wesentlich ist nur, dass die Steuereinrichtung 6 den Frequenzumformer zum Einstellen einer bestimmten Ausgangsspannung, einem zugehörigen Ausgangsstrom und/oder Frequenz ansteuert und dieser den Befehl umsetzt. Da die Motoren z.B. 32-polig ausgeführt sind, werden diese mit der Netzfrequenz angesteuert zum Einstellen einer Drehzahl von 187,5 U/min. Beide Motoren sind mit dem Frequenzumformer zum Betrieb bei einer Drehzahl zwischen 0 und 500 U/min. eingerichtet. Wie in der Figur gezeigt, wird das Zerkleinerungsgut über einen Transportboden 6 der Zerkleinerungswelle 3 mit den daran angebrachten Werkzeugen 4 zugeführt.
Im folgenden wird der Betrieb der in 1 dargestellten Zerkleinerungsvorrichtung erläutert. Über die Eingabeeinrichtung 9d können die maximale Stromaufnahme und damit das maximale Drehmoment sowie die Drehzahl und damit der Durchsatz der Zerkleinerungsmaschine eingestellt werden. Nach dem Start werden ein Motor oder beide Motoren mit dem maximalen Strom bis zur gewählten Motordrehzahl beschleunigt. Im Unterschied zum lastfreien Anlauf dauert die Startbetriebsphase beim Anlaufen unter Last länger, da nicht nur die Zerkleinerungswelle mit den daran angebrachten Werkzeugen sowie die Antriebswelle zu beschleunigen sind, sondern gleichzeitig auch noch das sich in der Vorrichtung befindliche Material zu zerkleinern ist. Auch in diesem Fall wird die Vorrichtung aus der Ruhelage heraus bis zum Erreichen der Nenndrehzahl mit dem maximalen Strom, d.h. dem maximalen Drehmoment angefahren. Reicht dieses Nennmoment jedoch beim Anfahren des Motors nicht aus, die Zerkleinerungswelle anzutreiben, erkennt die Steuerung dies aufgrund des Signals vom Drehgeber. Im Ansprechen auf das Erkennen dieser Blockade wird der Motor durch die Steuereinrichtung über den Frequenzumformer zur Rückwärtsdrehung angesteuert. Erfasst die Steuerung in dieser Phase eine Drehung des Motors, wird über eine vorgegebene Zeitdauer oder Drehzahl die Rückwärtsbewegung beibehalten und nachfolgend wieder in Vorwärtsrichtung geschaltet. Wird über den Drehgeber keine Rückwärtsbewegung erfasst, wird ohne Zeitverzögerung wieder in die Vorwärtsrichtung geschaltet und dies in kürzesten Zeitabständen so häufig, dass eine Drehschwingung (Rütteln) erzeugt wird, wodurch der Rotor nahezu in allen betriebsbedingten Blockaden zum Laufen kommt. Bei konventionellen Antrieben ist es aufgrund von deren hohen Trägheitsmomenten kaum oder nur sehr eingeschränkt möglich, eine solche Drehschwingung zu erzeugen und damit die Zerkleinerungswelle freizubekommen. Aufgrund der geringen drehenden Massen der Antriebselemente in der erfindungsgemäß ausgebildeten Zerkleinerungsvorrichtung sind solche Bewegungsrichtungsumkehrungen jedoch sehr schnell möglich und dadurch besonders wirkungsvoll.
Die beschriebene Reversierbetriebsart kommt bei der erfindungsgemäßen Zerkleinerungsvorrichtung auch zum Tragen, wenn in normalem Betrieb das Trägheitsmoment des gesamten Antriebes sowie das Drehmoment des Motors nicht ausreichen, beispielsweise zäh-elastische Stoffe zu zerkleinern, und der Rotor dadurch zum Stillstand kommt. Durch das Reversieren des Motors lösen sich in der Regel auf der Zerkleinerungswelle aufgewickelte Fasern und zwischen Rotor und dem feststehenden Gegenmesser 5 festgeklemmte Fasern.
Die beschriebene erfindungsgemäße Zerkleinerungsvorrichtung kann in einer Normalbetriebsphase zum Beibehalten einer vorgegebenen Soll-Motordrehzahl für beide Motoren angesteuert sein, d.h. zur Beibehaltung eines konstanten Durchsatzes, da die Durchsatzleistung im wesentlichen linear mit der Wellendrehzahl verläuft. Diese Konstanz wird so lange beibehalten, wie die vorgegebene Laststromgrenze nicht überschritten wird. Ist das Zerkleinerungsgut ein zäh-elastischer Stoff, wie beispielsweise Schnüre, Netze oder Textilien, kann es vorkommen, dass kurzzeitig höhere Drehmomente abverlangt werden, als es die eingestellte maximale Stromaufnahme zulässt. Erfindungsgemäß regelt die Steuerung in diesem Fall den Frequenzumformer zur Erniedrigung der Drehzahl unter Beibehaltung des maximalen Stromwertes an. Für die Zerkleinerung des zähen Stoffes wird die kinetische Energie der Zerkleinerungswelle mit den daran angebrachten Werkzeugen sowie der Antriebswelle der Motoren und das durch den maximalen Strom festgelegte Drehmoment des Motors genutzt. Nach der Freidrehung der Zerkleinerungswelle, was durch die Steuereinrichtung mittels der erfassten Stromaufnahme festgestellt werden kann, steuert diese das System wieder auf die Nenndrehzahl, d.h. auf eine vorgegebene Durchsatzleistung der Anlage.
Ferner ist es mit der beschriebenen erfindungsgemäßen Zerkleinerungsvorrichtung auch möglich, permanent durch eine ständige Drehzahlanpassung den Durchsatz der Zerkleinerungsvorrichtung auf den jeweiligen Bedarf einzustellen. Dies ist besonders bei einem Einsatz der Zerkleinerungsvorrichtung in einer Prozesskette wünschenswert, da die Steuereinrichtung ohne Zeitverzögerung den Durchsatz an die vorhergehenden und/oder die nachfolgenden Schritte in der Prozesskette anpassen kann.
Je nach Bedarf kann die erfindungsgemäße Zerkleinerungsvorrichtung auch auf einen konstanten Durchsatz unabhängig von bestimmten Eigenschaften des zu zerkleinernden Guts eingestellt werden. Durchsatzgrößen können z.B. Masse, Volumen oder Feuchtigkeit sein. Entweder wird über ein handverstellbares Poti oder über eine automatische Drehzahlansteuerung über den Frequenzumformer die Drehzahl der Synchronmotoren geregelt. Der Durchsatz der Maschine ist von meist ständig schwankendem Input abhängig, der Feuchtigkeit des Materials und dem jeweiligen Zustand der Rotorwerkzeuge.

1: Zerkleinerungsvorrichtung
2a,b: Torque-Motor
3: Zerkleinerungswelle
4: Werkzeuge
5: Gegenmesser
6: Transportboden
7: Steuereinrichtung
8: Frequenzumformer
9a: Waage
9b: Volumenmessgerät
9c: Feuchtefühler
9d: Eingabeeinrichtung
10a, 10b: Stromversorgungsleitung
11a, 11b: Datenleitung
12: Netzanschluss

Claims

Zerkleinerungsvorrichtung für Abfälle und/oder Produktionsreste umfassend eine Antriebseinheit mit zumindest einem Elektromotor, der eine Antriebswelle aufweist, die in Wirkverbindung mit einer Zerkleinerungswelle steht, welche an ihrem Umfang über ihre Arbeitsbreite Zerkleinerungswerkzeuge aufweist, wobei die Zerkleinerungswerkzeuge mit einem bezüglich seiner Form an die Rotationsfläche der Zerkleinerungswelle angepassten Gegenmittel zum Zerkleinern des zu bearbeitenden Guts zusammenwirken, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Elektromotor als 12 bis 32-poliger Drehstrom-Synchronmotor (2a, 2b) zum Betrieb bei einer Drehzahl zwischen 1 und 500 U/Minute ausgebildet ist, der elektrisch an den Ausgang eines von einer Steuereinrichtung (7) gesteuerten Frequenzumformers (8) angeschlossen ist, wobei die Antriebswelle ohne Getriebe direkt mit der Zerkleinerungswelle (3) verbunden ist und sich kein Drehmoment- und/oder Kraftübertragendes Antriebselement schneller als die Antriebswelle dreht.
Zerkleinerungsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Wellenkupplung zwischen Antriebswelle und Zerkleinerungswelle.
Zerkleinerungsvorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine starre Wellen-Nabenverbindung zwischen Antriebswelle und Zerkleinerungswelle.
Zerkleinerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle und die Zerkleinerungswelle achsenparallel angeordnet sind.
Zerkleinerungsvorrichtung nach der Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle als Hohlwelle ausgebildet, in welche die Zerkleinerungswelle aufsteckbar ist.
Zerkleinerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (7) an den Ausgang eines Mittels zur Erfassung des Laststromes und an den Ausgang eines Mittels zur Erfassung einer Drehung der Antriebswelle des Drehstrom-Synchronmotors angeschlossen ist und die Steuereinrichtung bei festgefahrener Zerkleinerungswelle (3) den Frequenzumformer (8) zum Hin- und Herbewegen der Antriebswelle im Ansprechen auf den Ist-Lastrom und/oder die Ist-Drehlage der Antriebswelle derart ansteuert, dass die festgefahrene Zerkleinerungswelle in ein Schaukeln versetzt ist.
Zerkleinerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenmittel durch eine weitere Zerkleinerungswelle bereitgestellt ist, welcher ein eigener Drehstrom-Synchronmotor zugeordnet ist, deren Antriebswelle ohne Getriebe direkt, insbesondere über einer Kupplung, mit der weiteren Zerkleinerungswelle verbunden ist, wobei dieser Drehstrom-Synchronmotor elektrisch an den Ausgang eines von der Steuereinrichtung gesteuerten Frequenzumformers angeschlossen ist.
Zerkleinerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass einer Zerkleinerungswelle (3) zwei Drehstrom-Synchronmotoren (2a, 2b) zugeordnet sind, deren Antriebswellen jeweils ohne Getriebe direkt, insbesondere über eine Kupplung, mit der zugeordneten Zerkleinerungswelle verbunden sind, wobei die Verbindung der Zerkleinerungswelle an den beiden Motoren jeweils an einem der beiden Enden der Zerkleinerungswelle erfolgt.
Zerkleinerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Synchronmotor (2a, 2b) eine elektrische Antriebsleistung von 11–450 KW aufweist.
Verfahren zum Betrieb einer Zerkleinerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Startbetriebsphase ausgehend vom Stillstand die Drehzahl des Synchronmotors (2a, 2b) unter Nutzung einer vorgegebenen Laststromgrenze mit im wesentlichen konstantem Motordrehmoment auf eine vorgegebene Soll-Drehzahl geregelt wird, wobei im Ansprechen auf das Erfassen einer drohenden Blockade der Antriebswelle der Antrieb rückwärts gesteuert wird, worauf nach dem Erfassen einer Rückwärtsdrehung der Antriebswelle diese über eine vorgegebene Zeitdauer oder Drehzahl mit der Laststromgrenze rückwärts bewegt wird und nachfolgend wieder vorwärts bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzumformer (8) in einer Normalbetriebsphase durch die Steuereinrichtung zum Beibehalten einer vorgegebenen Soll-Motordrehzahl des zugeordneten Synchronmotors (2a, 2b) angesteuert wird unter Einhaltung der vorgegebenen Laststromgrenze, wobei nach einem Überschreiten der Laststromgrenze die Drehzahl erniedrigt wird und nach der Beendigung der Überlastbetriebsphase die Motordrehzahl wieder auf den Soll-Wert geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Normalbetriebsphase im Ansprechen auf das Erfassen einer drohenden Blockade der Antriebswelle der Antrieb rückwärts geschaltet wird, worauf nach dem Erfassen einer Rückwärtsdrehung der Antriebswelle diese über eine vorgegebene Zeitdauer oder bis zum Erreichen der eingestellten Reversierdrehzahl auf der Laststromgrenze rückwärts bewegt wird und nachfolgend wieder vorwärts bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Erfassen eines Stillstandes bei der Rückwärtsdrehung der Antriebswelle, diese sofort wieder zur Vorwärtsdrehung angesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehrichtung der Antriebswelle mehrmals umgeschaltet wird, um unter Nutzung der Rotationsenergie der Zerkleinerungswelle und des Drehmomentes des zumindest einen Synchron-Motors (2a, 2b) ein Schaukeln oder Rütteln der Zerkleinerungswelle zu verursachen, damit diese wieder freigängig wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass über den gesamten Drehzahlbereich des zumindest einen Synchronmotors eine diesem zugeordnete Vorschubeinrichtung in Abhängigkeit der Stromaufnahme des Synchronmotors gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zum Konstanthalten einer Durchsatzgröße wie Volumen, Feuchtigkeit oder Masse des zu verarbeitenden Guts, die Drehzahl des Synchronmotors in Abhängigkeit zumindest einer Erfassungsgröße wie Gewicht, Volumen und/oder Feuchtigkeit des zu verarbeitenden Guts geregelt wird.