DE19738064A1 - Regelvorrichtung für eine Membranpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelvorrichtung für eine Membranpumpe nach dem Patentanspruch 1.

Membranpumpen werden vielseitig eingesetzt. Sie sind entweder mechanisch oder hydraulisch betrieben. Sie dienen etwa zur Beschickung von Filterpressen oder ähnli­ chen Verbrauchern, wie z. B. Sprühturmbeschickungen und dergleichen.

Bei der Beschickung einer Filterpresse nimmt deren Aufnahmefähigkeit während ei­ nes Filtrations-Zyklus ab in dem Maße, wie sich Kuchen aufbaut. In ähnlichem Maß steigt der Druck. Bei dem Betrieb der Pumpe ist daher auf dieses Verhalten Rücksicht zu nehmen. Es ist bekannt, mit ansteigendem Druck den Membranhub zu verringern, um eine Abnahme der Fördermenge bis gegen Null bei Erreichen eines vorher fixier­ ten Filtrationsdruckes vorzusehen.

Es ist ferner bekannt, den Antriebsmotor, beispielsweise einen Drehstrommotor, über einen Frequenzumrichter zu betreiben und die Anpassung der Fördermenge und des Pumpendruckes in Abhängigkeit vom gemessenen Druck vorzunehmen. Zu diesem Zweck wird der Leitung zwischen Pumpe und Filterpresse ein Druckineßumformer zugeordnet, dessen Ausgangssignal auf eine speicherprogrammierbare Steuerung ge­ geben wird. Diese erzeugt nach einem vorgegebenen Programm das entsprechende Stellsignal für den Frequenzumrichter zur Anpassung der Drehzahl des Antriebsmo­ tors an die Druckverhältnisse durch Veränderung der Ausgangsfrequenz des Umrich­ ters. Speicherprogrammierbare Steuerungen, wie sie für derartige Drehzahlregelungen erforderlich sind, sind verhältnismäßig aufwendig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Regelvorrichtung für eine Membranpumpe zu schaffen, welche mit einem minimalen apparativen Aufwand ar­ beitet.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Regelvorrichtung kennzeichnet folgende Merkmale:
Ein elektrischer Antriebsmotor für die Membranpumpe wird über einen in seiner Fre­ quenz veränderlichen Frequenzumrichter mit dem Versorgungsnetz verbunden, bei­ spielsweise einem 30 oder 60 Hz-Netz. Der Frequenzumrichter hat einen analogen Stelleingang für die Einstellung der Frequenz sowie einen analogen Ausgang, an dem ein dem jeweiligen Motormoment entsprechendes Ist-Signal erscheint. Im Frequenz­ umrichter kann die Stromaufnahme des Elektromotors ermittelt werden, welche be­ kanntlich dem Drehmoment proportional ist. Frequenzumformer heutigen Typs sind üblicherweise mit einem derartigen Ausgang ausgerüstet. Es ist jedoch ohne weiteres möglich, durch geringfügige Umbaumaßnahmen einen derartigen Ausgang bereitzu­ stellen, wenn er nicht von vornherein eingebaut ist.

Die erfindungsgemäße Regelvorrichtung sieht einen Drehzahlregler vor, vorzugsweise einen PID-Regler, auf den das Ist-Signal des Frequenzumformers gegeben wird, und zwar über einen Inverter. Das Ausgangssignal des Drehzahlreglers geht auf einen Drehzahlsollwertregler, auf den außerdem ein maximaler Drehzahlsollwert gegeben wird. Der maximale Drehzahlsollwert gibt die Drehzahl des Motors in einem Be­ triebsbereich vor, in dem eine Regelung noch nicht erforderlich ist. Dies ist beim An­ lauf der Pumpe zur Beschickung einer leeren Filterpresse der Fall. Bekanntlich baut sich ein Druck in der Filterpresse erst nach einer gewissen Zeit bzw. nach einer gewis­ sen Beschickungsmenge auf. Die Regelung beginnt, wenn das Ausgangssignal des Drehzahlreglers gleich oder kleiner ist als der maximale Drehzahlwert. Im Drehzahl­ sollwertregler ist eine abfallende Kurve gespeichert, welche einem gewünschten Ver­ lauf der Drehzahl in Abhängigkeit vom Verbraucherdruck entspricht. Nach Maßgabe der ermittelten Drehmomentwerte erfolgt mithin eine Verringerung der Drehzahlvor­ gabe für den Frequenzumrichter nach der charakteristischen, abfallenden Kurve, die vorzugsweise von einer Geraden gebildet ist.

Die Erfindung geht von der Tatsache aus, daß der invertierte Momentenwert unmittel­ bar den Ist-Wert für die Drehzahlregelung bilden kann. Der charakteristische Kurven­ verlauf ist durch das jeweils gegebene Verbrauchersystem bestimmt. Es ist daher er­ forderlich, vor Inbetriebnahme die Kurve zu bestimmen. Dies kann durch entspre­ chende Versuche erfolgen. Es ist auch möglich, zunächst eine Kurve vorzugeben und durch Versuche eine Korrektur vorzunehmen. In jedem Fall ist es möglich, mit ein­ fachsten Regelungsmaßnahmen eine optimale Mengenanpassung an den Bedarf der Filterpresse oder eines sonstigen Verbrauchers vorzunehmen.

Es ist zweckmäßig, nach einer Ausgestaltung der Erfindung im Drehzahlsollwertgeber einen unteren Drehzahlwert zu speichern und das Ausgangssignal konstant zu halten, wenn ein unterer Drehzahlwert erreicht ist. Dieser Drehzahlwert ist abhängig von der Fähigkeit des Frequenzumformers bzw. der Regelvorrichtung, bei einem relativ hohen Druck eine untere Drehzahl noch halten zu können, bei der der Elektromotor noch rund läuft. Dies ist bei der Erfindung möglich bis z. B. einer Drehzahl von 0,5 U/min.

Um einen großen Regelbereich zu erhalten, ist es nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft, den oberen oder maximalen Drehzahlwert sehr hoch zu wählen. Dies geschieht dadurch, daß eine Frequenz höher als die Netzfrequenz beim maximalen Stellwert eingestellt wird. Der Stellwert wird üblicherweise in Stromwer­ ten vorgegeben, wobei der Regelbereich zwischen 0 und 20 mA liegen kann. Bei ei­ nem Stellwert von 0 mA wird der maximale Drehzahlwert erreicht, was z. B einer Frequenz von 130 Hz entspricht. Das hierbei vom Motor aufgebrachte Drehmoment ist relativ niedrig, reicht aber aus, das Volumen in die zunächst annähernd gegen­ drucklose Filterpresse zu fördern.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild der Vorrichtung nach der Erfindung.

Fig. 2 zeigt ein Kurvendiagramm der Drehzahl des Antriebsmotors bzw. der Pumpe in Abhängigkeit vom Betriebsdruck.

In Fig. 2 ist eine abfallende Gerade eingezeichnet, die mit 10 bezeichnet ist und die eine Kennlinie darstellt für den Betrieb einer Membranpumpe, die eine Filterpresse beschickt. Die Verhältnisse zwischen Drehzahl des Antriebsmotors und dem Pumpen­ druck sind hier linear dargestellt, was in den meisten Fällen auch der Realität annä­ hernd entspricht. Die Kennlinie ist jedoch empirisch zu ermitteln und für ein beste­ hendes System charakteristisch.

Für das noch zu beschreibende Regelsystem ist der Regelbereich zwischen n_max und n_min ausschlaggebend. n_max stellt die übliche Maximaldrehzahl eines Drehstroman­ triebsmotors dar, welche naturgemäß frequenzabhängig ist, d. h. wird eine höhere Fre­ quenz als z. B. 50 Hz verwendet, liegt die Motordrehzahl, die bei der Frequenz sich einstellt, entsprechend höher. Wird die Gerade 10 nach oben verlängert, wird ein Drehzahlwert erhalten, der (theoretisch) gefahren werden könnte, um die Filterpresse zu beschicken. Tatsächlich läßt sich jedoch dieser Drehzahlwert nicht erzielen oder nicht sinnvoll herbeiführen. Daher wird bei dem Betrieb einer Filterpresse zunächst mit der maximal möglichen Drehzahl gefahren, bis ein bestimmter Druck P_R erreicht ist. Erst ab diesem Druck (Regelpunkt) soll der Betrieb einer Membranpumpe nach der Kennlinie 10 vonstatten gehen, d. h. die Drehzahl sich an den sich aufbauenden Ge­ gendruck der Filterpresse anpassen. Es versteht sich, daß möglich ist, unterschiedliche Regelcharakteristiken zu wählen, beispielsweise bei einem kleineren Druckwert mit der Regelung zu beginnen, dafür jedoch die Kennlinie weniger steil zu wählen. Eine gestrichelt gezeichnete Kennlinie 12 deutet dies an. Sie beginnt mit n_max bei einem Druck Null.

Da nicht vollständig bis zur Drehzahl 0 bei einem Drehstrommotor heruntergeregelt werden kann, endet die Regelung beim Drehzahlwert n_min, welcher Wert, wie noch be­ schrieben werden soll, anschließend konstant gehalten wird, bis die Anlage abge­ schaltet wird.

In Fig. 1 ist ein Elektromotor 16 gezeigt, der eine Membranpumpe 18 antreibt, die hy­ draulisch oder mechanisch angetrieben ist. Die Membranpumpe 18 arbeitet auf eine nicht dargestellte Filterpresse. Der Motor 16, beispielsweise ein Drehstrommotor her­ kömmlicher Bauart, wird über einen Umformer 20 vom 50 Hz-Netz gespeist. Mit Hilfe des Umformers, dessen Frequenz veränderbar ist, wird die Drehzahl des Motors 16 verändert. Der Frequenzumformer 20 hat einen analogen Ausgang 22, an dem ein Signal ansteht, das dem Drehmoment des Motors 16 entspricht. Dieses Signal wird im Frequenzumformer selbst erzeugt durch Messung der Stromaufnahme des Motors 16. Das Signal am Ausgang 22 wird über eine Leitung 24 auf den Eingang eines Dreh­ zahlreglers 26 gegeben, und zwar über einen Inverter 28. Das Ausgangssignal des Drehzahlreglers 26, der z. B. ein PID-Regler ist, gelangt auf einen Eingang eines Drehzahlsollwertreglers 30, auf dessen anderen Eingang über eine Leitung 32 ein ma­ ximaler wählbarer Drehzahlwert gegeben wird. Das Ausgangssignal des Drehzahl­ sollwertreglers 30 ist das Stellsignal für den Frequenzumformer 20. Im vorliegenden Fall erzeugt der Analogausgang 22 bei maximalem Drehmoment 20 mA und bei minimalem Drehmoment 0 mA.

Im Drehzahlsollwertregler 30 ist die charakteristische Kennlinie 10 gespeichert. Zu Beginn des Betriebes, in dem das Drehmoment des Motors 16 relativ klein ist, liegt das Ausgangssignal des Drehzahlreglers 26 oberhalb von der Drehzahl n_max, welche Drehzahl der maximalen Drehzahl des Motors 16 entspricht. In diesem Fall entspricht das Ausgangssignal des Drehzahlsollwertreglers dem Drehzahlwert n_max, und zwar so lange, bis sich ein bestimmter Gegendruck in der Filterpresse aufgebaut hat, der durch einen bestimmten Drehmomentwert charakterisiert ist. In dem Augenblick, in dem das Ausgangssignal des Drehzahlreglers 26 kleiner ist als n_max, beginnt der Drehzahlsoll­ wertregler das Ausgangssignal entlang der Kennlinie 10 zu bilden. Ist ein vorgegebe­ ner unterer Drehzahlwert n_min erreicht, wird mit einer konstanten Drehzahl, nämlich n_min, weitergefahren. Es ist dies die Mindestdrehzahl, bei der der Motor 16 noch rund läuft, 0,5 U/min.

Wie schon erwähnt, kann die Anfangsdrehzahl des Motors 16 höher sein als die bei 50 Hz-Frequenz erreichbare Drehzahl, indem eine höhere Ausgangsfrequenz am Umfor­ mer 20 eingestellt wird. Dadurch läßt sich der Regelbereich vergrößern.

Dem Frequenzumformer 20 wird ein minimaler Drehzahlwert n_min vorgegeben, um sicherzustellen, daß der Motor 16 in jedem Fall mit einer Mindestdrehzahl weiter läuft bis zur endgültigen Abschaltung.

Claims (5)

1. Regelvorrichtung für eine Membranpumpe zur Filterpressenbeschickung oder ähnlicher Verbraucher, mit

• - einem elektrischen Antriebsmotor (16) für die Pumpe (18), der über einen in seiner Frequenz veränderlichen Frequenzumrichter (20) mit dem Versorgungsnetz ver­ bunden ist, wobei der Frequenzumformer (20) einen analogen Stelleingang für die Einstellung der Frequenz und einen analogen Ausgang (22) aufweist, an dem ein dem jeweiligen Motormoment entsprechendes Ist-Signal scheint,
• - einem Drehzahlregler (26), auf den das Ist-Signal über einen Inverter (28) gegeben wird und
• - einem Drehzahlsollwertregler (30), auf dessen einen Eingang der Ausgang des Drehzahlreglers (26) und auf dessen zweiten Eingang ein wählbarer maximaler Drehzahlsollwert (n_max) gegeben wird derart, daß das Ausgangssignal des Dreh­ zahlsollwertreglers (30) durch den maximalen Drehzahlwert (n_max) bestimmt ist, bis das Ausgangssignal des Drehzahlreglers (26) einen vorgegebenen Wert erreicht (Regelpunkt) und danach entlang einer abfallenden im Drehzahlsollwertregler (30) gespeicherten Kurve (10) bis aufeinen minimalen Drehzahlwert verläuft, die einem gewählten Verlauf der Drehzahl in Abhängigkeit vom Verbraucherdruck (P) entspricht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurve (10) eine Gerade ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Drehzahl­ sollwertregler (30) ein unterer Drehzahlwert (n_min) gespeichert ist und das Aus­ gangssignal konstant gehalten wird, wenn der untere Drehzahlwert (n_min) erreicht ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Drehzahlwert (n_max) einer Frequenz des Frequenzumrichters (20) entspricht, die oberhalb der Netzfrequenz liegt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzahlregler (26) ein PID-Regler ist.