DE19802711C2 - Leistungsreduzierung einer Doppelturbine in Schmutzsaugern - Google Patents

Description

Bei Schmutzsaugern mit erhöhter Leistungsanforderung reicht es speziell für Industriegeräte nicht mehr aus, eine einzige Turbine mit einem zugeordneten Antriebsmotor zu verwenden, weil ein bestimmtes Luftvolumen gefordert wird, welches durch einen einzigen Antriebsmotor nicht mehr erbracht werden kann. Ein einziger Antriebsmotor ist nämlich begrenzt durch seine Stromaufnahme von maximal 10 bis 12 Ampere aus dem zur Verfügung stehenden Netz. Es handelt sich in der Regel um Kollektormotoren, welche eine höhere Strombelastung nicht verkraften. Drehstrommotoren werden hier nicht berücksichtigt, weil aus Kostengründen ein Drehstrommotor nicht verwendet werden kann, obwohl hohe Luftvolumina gefordert werden.

Die Leistungsgrenze bei Kollektormotoren liegt bei etwa 1500 Watt aufgrund der vorgenannten Strombegrenzung (Strombelastung des Kollektors).

Bei Industriegeräten werden aber Leistungen von 2,5 bis maximal 3 KW verlangt, die ohne weiteres aus einem zweiphasigen Wechselstromnetz nicht mehr abgerufen werden können. In der Regel wird das Netz mit einer 16 Ampere-Sicherung abgesichert, die nicht überlastet werden darf. Es ist hierbei bekannt, einen Schmutzsauger mit zwei Turbinen zu betreiben, die parallel nebeneinander geschaltet sind und für sich jeweils das erforderliche Luftvolumen ansaugen. Der Betrieb eines Schmutzsaugers mit parallel geschalteten Turbinen stößt aber auf große Schwierigkeiten. Es besteht nämlich das Problem, dass beim Einschalten des Schmutzsaugers und beim Hochlaufen dieser beiden Turbinen innerhalb von wenigen Millisekunden beide Turbinen von null auf ca. 25000 Umdrehungen pro Minute beschleunigt werden müssen.

Hierbei wird der Motor sehr stark belastet und es ist ein Nachteil, dass bei diesem Doppelturbinen-Betrieb in Schmutzsaugern relativ oft die Netzsicherung auslöst, weil eben beide Antriebsmotoren der Turbinen parallel an der Netzsicherung hängen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde einen Doppelturbinen-Antrieb für Schmutzsauger der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass eine Auslösung der Netzsicherung beim Anlauf einer derartigen Doppelturbine vermieden wird.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Anspruches 1 gekennzeichnet.

Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass zur Regelung der Stromaufnahme der parallel nebeneinander betriebenen Turbinen diese derart mittels eines Leistungsstellers, insbesondere in Form einer Phasenanschnittsteuerung von einem Mikroprozessor angesteuert werden, dass durch eine zeitversetzte Stromzufuhr zunächst die erste Turbine, und danach zeitlich verzögert die zweite Turbine solange angesteuert wird, bis beide Turbinen sich auf ihrem jeweiligen maximalen Leistungswert befinden.

Bei einem einphasigen Wechselstromnetz wird bevorzugt jede Turbine von einem Triac versorgt, welches Gate des Triac von einem Mikroprozessor angesteuert wird und mittels dieser Phasenanschnittsteuerung wird die Stromzufuhr zu dem ersten Motor zunächst zugeführt und dann nach einer gewissen Anlaufzeit des ersten Motors verzögert der zweite Motor angesteuert, solange, bis beide Motoren sich auf ihrem maximalen Leistungswert sich befinden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass zunächst die erste Turbine auf ihre Volldrehzahl gefahren wird, um danach dann innerhalb einer variabel vorgegebenen Zeit die zweite Turbine ebenfalls auf ihre Volldrehzahl zu bringen.

Diese variable vorgebbare Zeit liegt etwa im Bereich von einer halben Sekunde bis maximal 3 Sekunden, welches als Verzögerungszeit zu bezeichnen ist, die vergeht, bevor von der ersten Turbine auf die zweite Turbine umgeschaltet wird.

Ein besonderer Vorteil bei der genannten Phasenanschnittsteuerung mit verzögerter Ansteuerung der ersten und der zweiten Turbine ist, dass diese neuartige Schaltung auch die sogenannte Flickernorm (EN 61000-3-3) erfüllt.

In der neu definierten und ab 01.06.98 gültigen "Flickernorm" (EN 61000-3-3) werden Netzeinbrüche beim Anlaufen von Geräten gemessen. Die Spannungsversorgung (Netzspannung) darf nur um einen fest definierten Prozentsatz (5,32%) und eine bestimmte Zeit (200 ms) einbrechen. Erfahrungsgemäß liegt die maximal zulässige Motorenleistung für Direktanlauf bei ca. 1200 Watt.

• - Durch einen zeitlich versetzten Sanftanlauf ist es möglich zwei 1400 W Turbinen anlaufen zu lassen, ohne dass die Netzsicherung auslöst.
• - Man erfüllt alle gültigen Normen (speziell: Flicker-Norm)
• - Materialschonung (= Lebensdauererhöhung)

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die zweite Turbine bereits schon anläuft, während die erste Turbine sich beispielsweise nur auf der Hälfte ihrer Drehzahl befindet.

Der überlappende Betrieb beider Turbinen ist also ebenfalls von der vorliegenden Erfindung umfasst.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Mikroprozessor mit der Netzfrequenz synchronisiert wird, weil eben bei dieser Synchronisierung dafür gesorgt wird, dass relativ wenig Oberschwingungen (insbesondere die disharmonischen Oberschwingungen) entstehen und deshalb in nachteiliger Weise in das Netz zurückgespeist werden. Wenn also der Mikroprozessor mit der Netzfrequenz synchronisiert wird, werden derartige disharmonische Oberschwingungen von vornherein vermieden.

Wichtig ist ferner, dass aufgrund der Synchronisierung mit der Netzfrequenz es gleichgültig ist, ob eine Netzfrequenz mit 50 oder mit 60 Hz verwendet wird; beide Netzfrequenzen werden störungsfrei von der erfindungsgemäßen Schaltung verarbeitet.

Ebenso ist es nach der Erfindung vorgesehen, dass das Gerät nicht nur mit 230 Volt Netzwechselspannung arbeitet, sondern auch mit üblichen weltweit vorhandenen Netzwechselspannungen wie z. B. 100, 110, 120, 140 oder 240, unabhängig von der jeweils wirkenden Frequenz.

Es wird noch darauf hingewiesen, dass bei der vorliegenden Erfindung nicht wesentlich ist, dass eine Phasenanschnittsteuerung vorhanden ist, denn es können auch andere Leistungssteller zur Regelung der Stromaufnahme der parallelen nebeneinander betriebenen Turbinen verwendet werden. So sind beispielsweise geschaltete Stromversorgungen möglich, wie sie bisher bei Netzteilen für Computer oder auch für die geregelte Stromversorgung von Kompaktleuchtstofflampen bekannt sind. Auch ein derartiger Leistungssteller erfüllt die Zwecke der vorliegenden Erfindung.

Es zeigen:

Fig. 1: Beispiel einer elektrischen Schaltung zur Leistungsreduzierung einer Doppelturbine in Schmutzsaugern.

Fig. 2: Diagramme bezüglich den Spannungs-/Stromverläufen als Funktion der Zeit.

Fig. 3: Beispiel des Hochfahrens einer Turbine auf maximale Drehzahl (Motordrehzahl als Funktion der Zeit).

Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellende Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer elektrischen Schaltung zur Leistungsreduzierung einer Doppelturbine in Schmutzsaugern, wobei das Herzstück dieser Erfindung durch den Mikroprozessor (IC1) gebildet wird, der über die Widerstände (R1, R2, R3, R4) und den Triacs (V1, V2) mit den Turbinen (M1, M2) verbunden ist. Dieser Mikroprozessor (IC1) arbeitet mit einer internen Zykluszeit von 1 MHz (= 1 Million Befehle pro Sekunde). Über die zwei Widerstände (R1) und (R2) wird der Mikroprozessor (IC1) direkt auf die Netzfrequenz (50 oder 60 Hz) synchronisiert. Er erkennt an dem Eingang (E1) den Nulldurchgang der Netzspannung (Triggersignal) und misst gleichzeitig die Frequenz. Er trifft die Entscheidung, ob der Anlauf für 50 oder 60 Hz gemacht werden soll. Bei 50 Hz ist die Dauer eine Halbwelle 10 ms, bei 60 Hz 8,33 ms.

In Fig. 2 sind die Spannungs- bzw. Stromverläufe des Versorgungsnetzes (Diagramm 1), des Triggersignals (Diagramm 2) der Turbine (M1) in der Anlaufphase (Diagramm 3), der Turbine (M1) in der Hochlaufphase (Diagramm 4) und einer Leistungshalbierung der Turbinen (M1, M2), über der Zeit aufgetragen:
In Diagramm 1 ist als Beispiel die Netzfrequenz 50 Hz (1) und die Netzfrequenz 60 Hz (2) als Funktion der Zeit dargestellt, wobei die Nulldurchgänge für 50 Hz (5) nach jeweils 10 ms (3) erreicht werden, und die Nulldurchgänge für 60 Hz (6) nach jeweils 8.33 ms (4) erreicht werden.

Diagramm 2 stellt das Triggersignal (7) über der Zeit dar, wobei die Nullwerte (8) jeweils nach einer bestimmten Zeit (9) erreicht werden und dort jeweils eine positive Flanke (10) oder eine negative Flanke (11) des Triggersignals (7) bilden.

Diagramm 3 zeigt die Spannung über der ersten Turbine während der Anlaufphase (12):
Nach der Identifikation der Frequenz wartet der Mikroprozessor (IC1) auf die positive Flanke des Triggersignals (10). Hat er diese erkannt, so wartet er eine bestimmte Zeit (13) bis der Triac (V1) gezündet wird. Bei 50 Hz wartet er ca. 8 ms, während er bei 60 Hz ca. 6 ms verweilt. Diese Verweilzeit ist mittels der Software veränderbar. Für die Zeitdauer von 1 ms wird nun der Triac (V1) gezündet. Der Triac (V1) bleibt bis zum nächsten Nulldurchgang der Netzspannung (5, 6) eingeschaltet, wo er sich selbständig wieder löscht.

Bei der darauffolgenden negativen Halbwelle der Netzspannung wird identisch verfahren. In der Software werden die Nulldurchgänge (5, 6) nun gezählt und mittels einer Variable 1 kann nun deren Anzahl verändert werden. Die Variable wird abhängig vom Motoranlauf programmiert. Bei einem Motor der besonders schwer anläuft ist die Variable 1 höher eingestellt, als bei einem leichtgängigen Motor (Verlängerung der Anlaufphase).

Diagramm 4 zeigt die Spannung über der ersten Turbine während der Hochlaufphase (14):
Nach der Anlaufphase nach Diagramm 3 arbeitet der Motor mit einer geringen Drehzahl. Nun folgt die Erhöhung der Motordrehzahl, indem die Phasenanschnittzeit (16), ca. 8 ms bei 50 Hz, und ca. 6 ms bei 60 Hz, schrittweise reduziert wird. Mit der Variable 2 (15) kann man nun programmieren, in welchen Schritten die Phasenanschnittzeit (16) reduziert wird.

Mögliche Alternativen: 0,1 ms-1 ms und mehr.

Mit der Variable 3 kann eingestellt werden, nach wieviel Nulldurchgängen die Phasenanschnittzeit um die in Variable 2 definierten Zeit reduziert wird. Nachdem die voreingestellten Durchgänge für die Variable 3 durchlaufen sind, wird der Triac ganz eingeschaltet, der Motor läuft auf voller Drehzahl.

Die zweite Turbine wird anschließend identisch wie Turbine 1 gestartet.

Im Diagramm 3 ist die Anlaufphase über den Motor 1 dargestellt, wo man sieht, dass der Motor 1 in der Anlaufphase ein geringerer Strom zugeführt wird, als während der Hochlaufphase.

Es ist nicht dargestellt, dass der Motor (M2) in gleicher Weise angesteuert wird, nur dass diese Ansteuerung gemäß der Anlaufphase und der Hochlaufphase etwa im Bereich zwischen einer halben Sekunde bis 2 Sekunden nach dem Start des ersten Motors erfolgt.

Diagramme 3 und 4 der Fig. 2 können also zeitversetzt dargestellt werden und haben Gültigkeit für den Motor 2 bei einer Zeitverschiebung auf der Achse zwischen einer halben Sekunde bis 2 Sekunden.

Das Diagramm 5 stellt noch einen zusätzlichen sogenannten Dimmerbetrieb der beiden Motoren dar, was mit dem Hochlaufbetrieb nichts zu tun hat. Hier ist dargestellt, dass bei einer reduzierten Leistungsaufnahme, wenn z. B. beide Turbinen (M1, M2)mit zwei Drittel Leistung arbeiten es möglich ist, den ersten Motor (M1) mit der oberen Halbwelle (17) der Netzwechselspannung und den zweiten Motor (M2) mit der unteren Halbwelle (18) zu versorgen. Dies führt dazu, dass eine absolut symmetrische Belastung des Entnahmenetzes vorhanden ist, so dass also schädliche Oberwellen oder sonstige Rückwirkungen auf das Entnahmenetz nicht stattfinden, weil hier eine absolut symmetrische Belastung beider Motoren (M1, M2) im reduzierten Drehzahlbetrieb erfolgt.

Durch einen Steuerkontakt am Hauptschalter erkennt der Mikroprozessor (IC1), sobald in den Modus Leistungsreduzierung umgeschaltet wird. Der Mikroprozessor (IC1) schneidet nun für Motor 1 die positive Halbwelle (17), und für den Motor (M2) die negative Halbwelle (18) heraus. Somit bekommen die Motoren nur die Energie einer Halbwelle. Die Leistung wird symmetrisch reduziert, dadurch kann man auch die EMV-Norm EN 61000-3-2 (Netzrückwirkungen) erfüllen.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel der Drehzahlkurve (19) von Turbine (M1), und der Drehzahlkurve (20) von Turbine (M2). Diese werden nacheinander auf maximale Drehzahl hochgefahren, wobei zuerst Turbine (M1) in der Anlaufphase (21) bis zu einer gewissen Teildrehzahl (22), und in der anschließenden Hochlaufphase (23) bis zur Maximaldrehzahl (24) hochgefahren wird. Sobald Turbine (M1) auf Maximaldrehzahl (24) ist, beginnt die Turbine (M2) analog mit ihrer Anlaufphase (25) bis auf ihren Teildrehzahlwert (26), um anschließend mittels ihrer Hochlaufphase (27) ihre Maximaldrehzahl (28) zu erreichen.

Der hier verwendete Mikroprozessor (IC1) kann auch noch für weitere Anwendungsfälle verwendet werden; dies ist ein Vorteil der hier verwendeten, durch den Mikroprozessor (IC1) gesteuerten Phasenanschnittsteuerung. Wenn nämlich ein Mikroprozessor verwendet wird, dann kann dieser auch z. B. für eine Füllstandsabschaltung verwendet werden, wenn - durch einen Sensor erfasst - der Füllstand im Schmutzbehälter einen bestimmten maximalen Wert überschreitet.

Dies gilt sowohl für nassen, als auch für trockenen Schmutz; ebenso kann es vorgesehen sein, diesen Mikroprozessor für die Abschaltung der Motoren der Doppelturbinen im Überlastungsfall (z. B. wenn sie heißlaufen) zu verwenden oder sie kann auch verwendet werden oder eine Abschaltung bewirken, wenn der Filter zugesetzt ist oder der Filtersack voll ist.

Zeichnungslegende

M1 Turbine

1

M2 Turbine

2

IC1 Mikroprozessor

1

V1 Triac

1

V2 Triac

2

R1 Widerstand

1

R2 Widerstand

2

R3 Widerstand

3

R4 Widerstand

4

E1 Eingang

1

A1 Ausgang

1

A2 Ausgang

2

1

Netzspannung bei 50 Hz

2

Netzspannung bei 60 Hz

3

halbe Periodendauer der Netzspannung (50 Hz)

4

halbe Periodendauer der Netzspannung (60 Hz)

5

Nullwerte der Netzspannung (50 Hz)

6

Nullwerte der Netzspannung (60 Hz)

7

Triggersignal

8

Nullwerte des Triggersignals

9

halbe Periodendauer des Triggersignals

10

positive Flanke des Triggersignals

11

negative Flanke des Triggersignals

12

elektrische Spannung über M

1

während der Anlaufphase

13

Phasenanschnittzeit bei Anlaufphase

14

elektrische Spannung über M

1

während der Hochlaufphase

15

Variable

2

16

Phasenanschnittzeit bei Hochlaufphase

17

positive Halbwelle der Netzspannung

18

negative Halbwelle der Netzspannung

19

Drehzahlkurve von Turbine M

1

20

Drehzahlkurven von Turbine M

2

21

Anlaufphase M

1

22

Teildrehzahl M

1

23

Hochlaufphase M

1

24

Maximaldrehzahl M

1

25

Anlaufphase M

2

26

Teildrehzahl M

2

27

Anlaufphase M

2

28

Maximaldrehzahl M

2

Claims (11)

1. Verfahren zum Anfahren einer Doppelturbine (M1, M2) in Schmutzsaugern, bei dem zur Regelung der Stromaufnahme der parallel nebeneinander betriebenen Turbinen (M1, M2) diese derart mittels eines Leistungsstellers, insbesondere in Form einer Phasenanschnittsteuerung, von einem Mikroprozessor (IC1) angesteuert werden, dass durch eine zeitversetzte Stromzufuhr zunächst die erste Turbine (M1) und danach zeitlich verzögert die zweite Turbine (M2) solange angesteuert wird, bis beide Turbinen (M1, M2) sich auf ihrem jeweiligen maximalen Leistungswert befinden.

2. Verfahren zum Anfahren einer Doppelturbine in Schmutzsaugern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die erste Turbine (M1) auf die Hälfte der Volldrehzahl gefahren wird, und danach erst die zweite Turbine (M2) mit Strom beaufschlagt wird, um überlappend zeitversetzt zur ersten Turbine (M1) auf ihre Volldrehzahl gebracht zu werden.

3. Verfahren zum Anfahren einer Doppelturbine in Schmutzsaugern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die erste Turbine (M1) auf ihre Volldrehzahl gefahren wird, und danach erst, nach einer variabel vorgegebenen Verzögerungszeit, die zweite Turbine (M2) ebenfalls auf ihre Volldrehzahl gebracht wird.

4. Verfahren zum Anfahren einer Doppelturbine in Schmutzsaugern nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass diese variabel vorgebbare Verzögerungszeit zwischen 0,5 und maximal 3 Sekunden liegt.

5. Verfahren zum Anfahren einer Doppelturbine in Schmutzsaugern nach einem Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (IC1) mit der Netzfrequenz synchronisiert ist.

6. Verfahren zum Anfahren einer Doppelturbine in Schmutzsaugern nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Netzfrequenz 50 oder 60 Hz beträgt.

7. Verfahren zum Anfahren einer Doppelturbine in Schmutzsaugern nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Netzwechselspannung zwischen 100 V und 240 V, unabhängig von der jeweils wirkenden Frequenz, beträgt.

8. Verfahren zum Anfahren einer Doppelturbine in Schmutzsaugern nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei reduzierter Leistungsaufnahme die erste Turbine (M1) mit der oberen oder unteren Halbwelle der Netzwechselspannung versorgt wird, und die zweite Turbine (M2) mit der entsprechend anderen Halbwelle.

9. Verfahren zum Anfahren einer Doppelturbine in Schmutzsaugern nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (IC1) zusätzlich weitere Mess-, Steuer- und Regelaufgaben übernimmt.

10. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Anfahren einer Doppelturbine in Schmutzsaugern nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor den Turbinen (M1, M2) je ein Triac (V1, V2) geschaltet ist, die von einem Mikroprozessor (IC1) derart angesteuert werden, dass durch eine zeitversetzte Stromzufuhr zunächst die erste Turbine (M1) und danach zeitlich verzögert die zweite Turbine (M2) solange angesteuert wird, bis beide Turbinen (M1, M2) sich auf ihrem jeweiligen maximalen Leistungswert befinden.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Triacs (V1, V2) und dem Mikroprozessor (IC1) Widerstände (R1, R2, R3, R4) zur Netzfrequenzerkennung zwischengeschaltet sind.