DE2402423A1

DE2402423A1 - Verfahren zur ueberwachung eines antriebssystems sowie ueberwachungsschaltung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2402423A1
Application number: DE19742402423
Authority: DE
Inventors: Hermann Dipl Ing Mickal; Wolfgang Dipl Ing Dr I Weigand
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-01-18
Filing date: 1974-01-18
Publication date: 1976-04-15
Also published as: JPS5627200B2; JPS50107415A; GB1494202A; DE2402423B2; NL7405749A

Description

Verfahren zur Überwachung eines Antriebssystems sowie Überwachungsschaltung zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung eines Antriebssystems mit einer Anzahl von Drehfeldmaschinen, insbesondere von Hysteresemotoren, die jeweils zum Antrieb einer reibungsarmen Zentrifuge vorgesehen und gemeinsam aus einer Wechselspannungsquelle gespeist sind, sowie auf eine Überwachungsschaltung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bekannt (deutsche Offenlegungsschrift 2 132 179), eine größere Anzahl von Zentrifugen, die zur Trennung z. B. von Uranisotopen verwendet werden, jeweils durch einen synchron laufenden Hysteresemotor oder eine andere Drehfeldmaschine anzutreiben. Die Trennanlage kann je nach Größe bis zu 1 000 solcher Zentrifugen aufweisen. Die Hysteresemotoren, deren Antriebsleistung z. B. je 100 Watt beträgt, werden gruppenweise gemeinsam mit einer Frequenz, die beispielsweise 1 kHz oder mehr betragen kann, von einem gemeinsamen frequenzsteuerbaren Umrichter gespeist.

Bei einem solchen Antriebssystem ist es von Bedeutung, ein Meldesignal zu erhalten, das anzeigt, ob sich die einzelnen Drehfeldmaschinen und damit die angekoppelten Zentrifugen im richtigen Belastungszustand befinden, insbesondere ob sie sich mit der richtigen Drehzahl drehen. Bei Hysteresemotoren und Reluktanzmotoren ist es insbesondere von Interesse, ob sie sich im synchronen oder asynchronen Betriebszustand befinden.' Die Kenntnis der genauen Drehzahl einer jeden einzelnen Drehfeldmaschine und Zentrifuge ist dabei von untergeordneter Bedeutung. Ent-

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scheidend ist die Kenntnis, ob sich die betreffende Drehfeldmaschine in einem unerwünschten oder in einem erwünschten Betriebs- oder Belastungszustand befindet. Hiervon hängt es ab, ob weitere Steuermaßnahmen durchgeführt, ein Alarm ausgelöst, Schutzmaßnahmen eingeleitet und/oder Wartungs- oder Reparaturarbeiten durchgeführt werden müssen oder nicht.

Bei allen Überlegungen, die eine Überwachung der Drehzahlen der einzelnen Zentrifugen zum Ziel haben, muß der spezielle konstruktive Aufbau des Systems Drehfeldmaschine-Zentrifuge berücksichtigt werden. Zentrifuge und Drehfeldmaschine sind nämlich gemeinsam in einem Gehäuse eingekapselt, da^ mittels zweier Deckel vakuumdicht verschlossen ist und unter Unterdruck steht. Durch den einen Deckel sind lediglich die Zuleitungen der Drehfeldmaschine und eine Justiervorrichtung für das lager luftdicht hindurchgeführt. Die Konstruktion des Systems Drehfeldmaschine-Zentrifuge ist insgesamt so ausgeführt, daß das Gehäuse nur wenige verschließbare öffnungen besitzt. Bei einem Defekt der Zentrifuge, z. B. bei einem ■ Lagerschaden, könnte nämlich andernfalls wegen der hohen Drehzahl und des großen Trägheitsmoments ein verschließender Deckel zerstört werden und an dieser Stelle das Verfahrensgas entweichen. Ein solcher Unfall muß aber unter allen Umständen vermieden werden.

Die Erfindung beruht auf der Überlegung, daß man bei der Überwachung der Drehzahlen der einzelnen Zentrifugen nicht von einer direkten Drehzahlmessung ausgehen kann. Eine für die Praxis annehmbare lösung muß berücksichtigen, daß jedes System Drehfeldmaschine-Zentrifuge ein in sich geschlossenes, unter Außendruck stehendes Gebilde darstellt. Extern oder intern angeordnete mechanische Drehzahlgeber, die einen Eingriff in dieses System erfordern würden, scheiden von vornherein aus. Dasselbe gilt für intern angeordnete optische und induktive Drehzahlmesser, da sie wiederum die Durchführung von Meßleitungen erforderlich machen und darüber hinaus kostspielig sind und nicht immer zuverlässig arbeiten.

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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für das eingangs genannte Antriebssystem, das zum Antrieb einer größeren Anzahl von Zentrifugen vorgesehen ist, ein Verfahren zur Überwachung an- " zugeben, bei dem man ein Lauf- oder Meldesignal erhält, das den Laufzustand der einzelnen Zentrifugen charakterisiert. Das Verfahren soll dabei keine Nachteile für den konstruktiven Aufbau und den Betrieb der einzelnen Zentrifugen nachsichziehen. Weiterhin soll eine Überwachungsschaltung zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden, die kostengünstig herzustellen ist und auch im Dauerbetrieb zuverlässig arbeiten soll.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß nacheinander der Winkel zwischen Spannung und Strom jeder Drehfeldmaschine gemessen und mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird, und daß dann, wenn der Winkel unterhalb des vorgegebenen Grenzwerts liegt, ein Meldesignal für einen ersten Betriebszustand und/oder dann, wenn der Winkel oberhalb des vorgegebenen Grenzwerts liegt, ein Meldesignal für einen zweiten Betriebszustand der Drehfeldmaschine abgegeben wird.

Der Strom wird hierbei jeweils in einer Anschlußleitung der Drehfeldmaschinen gemessen. Die Spannung kann (bei einer dreiphasigen WeohselspannungscLuelle) als Phasenspannung zwischen einem Phasenleiter und dem Mittelpunktleiter abgegriffen werden. Als Winkel erhält man dann den Phasenwinkel zwischen Strom und Phasenspannung. Häufig isj/jedoch die Phasenspannung einer Messung nicht zugänglich. In diesem Fall sollte als Spannung die verkettete Spannung zwischen zwei Phasenleitern gemessen werden. Als Winkel erhält man dann den Verschiebungswinkel zwischen Strom und Phasenspannung. Ein solches Vorgehen hat d^n Vorzug, daß - da der Verschiebungswinkel kleiner als der Phasenwinkel ist - eine genauere Messung möglich ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren, das sowohl für Asynchron- als auch für Synchronmaschinen geeignet ist, beruht auf einer schrittweise vorgenommenen indirekten Drehzahlmessung aus der Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom einer jeden Drehfeldmaschine.

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Die Ermittlung der Meßwerte erfolgt dabei außerhalb des Systems Drehfeldmaschine-Zentrifuge. Dadurch werden Durchführungen durch das Gehäuse nicht benötigt. Weiterhin treten bei diesem-Verfahren unerwünschte Rückwirkungen auf den lauf der einzelnen Zentrifugen nicht auf. Das Verfahren eignet sich auch für besonders hohe Drehzahlen, die bei Gas-Ultrazentrifugen üblich sind. Weiterhin ermöglicht es eine Drehzahlüberwachung sowohl im Dauerbetrieb als auch im gemeinsamen Anlauf der einzelnen Drehfeldmaschinen.

Bei einem Hysteresemotor, einer Reluktanzmaschine oder einem fremderregten synchronen Maschine wird der Grenzwert, mit dem der jeweilige Winkel verglichen wird, bevorzugt gleich demjenigen Grenzwinkel gewählt, der den asynchronen vom synchronen Betriebszustand trennt. Zu diesem Grenzwinkel kann allerdings noch ein geringer Sicherheitszuschlag treten.

Prinzipiell kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren so vorgegangen werden, daß zuerst der betreffende Winkel (Phasenoder Verschiebungswinkel)"durch Zeitdifferenzmessung der Nulldurchgänge von Spannung (Phasenspannung bzw. verkettete Spannung) und Strom gemessen und daß dann dieser Winkel subtraktiv mit dem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird. Es ist aber auch möglich, zunächst eine Verschiebung der Nulldurchgänge der Spannung um einen vorgegebenen Betrag, der dem Grenzwert entspricht, durchzuführen, danach durch Zeitdifferenzmessung der Nulldurchgänge der verschobenen Spannung mit den Nulldurchgängen des Stroms den Winkel (Phasenwinkel bzw. Verschiebungswinkel) zu ermitteln und schließlich eine Vorzeichenbestimmung dieses Winkels vorzunehmen. Von dieser letzteren Möglichkeit macht eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens Gebrauch. Diese Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, daß nacheinander für jede Drehfeldmaschine der Winkel zwischen der um einen vorgegebenen Grenzwert phasenverschobenen Spannung der Drehfeldmaschine und dem Strom der Drehfeldmaschine bestimmt wird, und daß dann, wenn dieser Winkel negativ ist, das Meldesignal für den ersten Betriebszustand und/oder dann, wenn dieser Winkel positiv ist, das Meldesignal für den zweiten Betriebszu-

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stand der Drehfeldmaschine abgegeben wird.

Hierbei kann insbesondere so vorgegangen werden, daß aus der Spannung der Drehfeldmaschine ein erstes digitales Signal abgeleitet wird, bei dem stets pro Periode mindestens eine Planke um den vorgegebenen Wert gegenüber einem Nulldurchgang dieser Spannung phasenverschoben ist, daß jeweils aus dem Strom der Drehfeldmaschine ein zweites digitales Signal gewonnen wird, bei dem pro Periode mindestens eine Planke mit den Nulldurchgängen dieses Stroms zeitlich übereinstimmt, daß das erste und das zweite digitale Signal logisch miteinander zu e:,nem resultierenden Signal UND- verknüpft werden, und daß aus liesem resultierenden Signal das Meldesignal für den ersten und/oder zweiten Betriebszustand hergeleitet wird.

Eine Überwachungsschaltung zur Durchführung des Verfahrens ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß ein Abgriff, der die Spannung der Wechselspannungsquelle abgreift, mit dem ersten Eingang einer Winkel-Vergleichsschaltung verbunden ist, daß eine Umschalteinrichtung, die wahlweise einen der durch Stromwandler erfaßten Ströme der Drehfeldmaschinen an ihrem Ausgang abgibt, mit dem zweiten Eingang der Winkel-Vergleichsschaltung verbunden ist, und daß die Winkel-Vergleichsschaltung mit ernem Grenzwertgeber zur Vorgabe eines Grenzwerts für den Winkel ausgerüstet ist.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen der erfindungsgemäßen Überwachungsschaltung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von fünf Piguren näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Überwachungsschaltung mit Winkel-Vergleichsschaltung zur Überwachung eines Antriebssystems mit einer Anzahl von Drehfeldmaschinen, die zum Antrieb von Zentrifugen vorgesehen sind, in schematischer Darstellung,

Figur 2 ein Zeigerdiagramm, in dem Strom, Spannung, Verschiebungswinkel und Phasenwinkel einer Drehfeldmaschine eingetragen sind, „. ^_-

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Figur 3 eine bevorzugte weitere Winkel-Vergleichsschaltung für die in Figur 1 gezeigte Überwachungsschaltung,

Figur 4 den zeitlichen Verlauf von Signalen, die bei der Winkel-Vergleichsschaltung nach Figur 3 dann auftreten, wenn sich die gerade betrachtete Drehfeldmaschine im ersten Betriebszustand befindet, und

Figur 5 den zeitlichen Verlauf von Signalen, die bei der Winkel-Vergleichsschaltung nach Figur 3 dann auftreten, wenn sich die gerade betrachtete Drehfeldmaschine im zweiten Betriebszustand befindet.

Nach Figur 1 enthält ein Antriebssystem eine größere Anzahl von Drehfeldmaschinen, z. B. eine Gruppe von tausend Drehfeldmaschinen, von denen nur die drei Drehfeldmaschinen 2, 3 und 4 dargestellt sind. Es handelt sich hierbei speziell um Hysteresemotoren, die im Normalbetrieb synchron laufen. Sie sind jeweils zum Antrieb einer reibungsarmen Zentrifuge 6, 7 bzw. 8 vorgesehen und mit dieser mechanisch gekoppelt. Drehfeldmaschine 2, 3 und 4 sowie Zentrifuge 6, 7 ur<d 8 sind jeweils in einem vakuumdichten Gehäuse 10, 11 bzw. 12 untergebracht. Das Gehäuse 10, 11, 12 steht unter einem Druck von beispielsweise 1Ö Torr.

Die Drehfeldmaschinen 2, 3 und 4 sind an eine gemeinsame Wechselspannungsquelle 13 angeschlossen. Es handelt sich dabei um ein Mittelfrequenznetz mit den Phasenleitern U, V, W und dem Mittelpunktleiter M . Die Frequenz des Mittelfrequenznetzes liegt im Nennbetrieb beispielsweise bei 1 kHz. Das Mittelfrequenznetz wird von einem steuerbaren Umrichter 14 gespeist, der an ein übliches Drehstromnetz 15 mit den Phasenleitern R, S, T angeschlossen ist. Die Netzfrequenz dieses Drehstromnetzes 15 kann in üblicher Weise 50 oder 60 Hz betragen. Der steuerbare Umrichter 14 besteht insbesondere aus einem spannungssteuerbaren Gleichrichter und einem frequenzsteuerbaren Wechselrichter, die über einen Gleichstromzwischenkreis miteinander verbunden sind. Der Spannungs- oder Stromsteuereingang des Umrichters 14 ist mit 16, sein Frequenssteuereingang ist mit bezeichnet. Die Ausgangsfrequenz kann über den Frequenzsteuereingang 17 von einem Anfangswert bis Nennfrequenz gesteuert

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werden.

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Eine Großanlage zur Urananreicherung kann eine Vielzahl von Zentrifugen-Gruppen und insgesamt bis zu einer Million Zentrifugen aufweisen. Die Arbeitsdrehzahl dieser Zentrifugen 6, 7, 8, die z. B. als Gas-Ultrazentrifugen zur Trennung von gasförmigen Uranisotopenverbindungen wie Uranhexafluorid verwendet werden, beträgt bei der angegebenen Mittelfrequenz etwa 60 000 U/min. Jede Zentrifuge 6, 7 und 8 benötigt eine Antriebsleistung von etwa 100 Watt.

Um die Drehzahlen der Zentrifugen 6, 7, 8 einer Gruppe zu überwachen, ist eine elektronische Überwachungsschaltung vorgesehen. Diese fragt die Drehzahlen der einzelnen Zentrifugen 6, 7j 8 der.Gruppe nacheinander auf indirektem Wege ab. Sie gibt immer dann ein Meldesignal si ab, wenn sich die Drehfeldmaschine 2, 3, 4 der gerade abgefragten Zentrifuge 6, 7, 8 in einem ersten Betriebszustand befindet, und sie gibt immer dann ein Meldesignal s2 ab, wenn sich die Drehfeldmaschine 2, 3, 4 der gerade abgefragten Zentrifuge 6, 7, 8, ... in einem zweiten Betriebszustand befindet. Genauer gesagt: Da es sich bei den Drehfeldmaschinen 2, 3,4 speziell um Hysteresemotoren handeln soll, gibt die Überwachungsschaltung immer dann das Meldesignal si ab, wenn die gerade betrachtete Drehfeldmaschine 2, 3, 4 unerwünschtermaßen mit asynchroner Drehzahl läuft, und sie gibt immer dann das Meldesignal s2 ab, wenn die gerade betrachtete Drehfeldmaschine 2, 3, 4 unerwünschtermaßen synchron läuft.

Die Überwachungsschaltung macht sich die Tatsache zunutze, daß sich bei einem Hysteresemotor als Drehfeldmaschine 2, 3,4 der synchrone und der asynchrone Betriebszustand durch unterschiedliche Wirkleistungsaufnahme und damit unterschiedlichen Winkel zwischen aufgenommenem Strom und angelegter Spannung bemerkbar macht. Im folgenden wird zunächst als Winkel der Phasenwinkel -^ zwischen Strom und Phasenspannung betrachtet. Bei Hysteresemotoren und Reluktanzmaschinen gibt es einen Grenzwert -f* dieses Phasenwinkels -f zwischen Strom und Phasenspannung, der zwei verschiedene Betriebszustände oder Belastungszustände von-

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einander trennt. liegt der Phasenwinkel f oberhalb dieses Grenzwerts -f*, dann läuft die Maschine synchron, liegt er dagegen •unterhalb dieses Grenzwerts -f*_f dann läuft sie asynchron.

Die Überwachungsschaltung kann demgemäß so konstruiert sein, daß sie nacheinander die Phasenwinkel f 1, ^2, *f3 zwischen Phasenspannung u und Strom i1, i2, i3 jeder Drehfeldmaschine 2, 3 bzw. 4 mißt. Sie gibt immer dann, wenn der gerade gemessene Phasenwinkel ^f 1, *f2, *P3 unterhalb eines vorgegebenen gemeinsamen Grenzwerts ~f* liegt, das Meldesignal si zur Charakterisierung des ersten Betriebszustandes ab. Dieser erste Betriebszustand ist wegen der getroffenen Wahl des Grenzwerts -f * identisch mit dem asynchronen Betriebszustand der betreffenden Drehfeldmaschine 2, 3 oder 4. Die Überwachungsschaltung gibt auch immer dann, wenn der gerade gemessene Phasenwinkel «p 1, -f2 oder -f3 oberhalb des vorgegebenen Grenzwerts

-f* liegt, das Meldesignal s2 zur Charakterisierung des zweiten Betriebszustande ab. Dieser zweite Betriebszustand ist identisch mit dem synchronen Betriebszustand der betreffenden Drehfeldmaschine 2, 3 oder 4.

Die Meldesignale si und s2 können, gegebenenfalls versehen mit einer Kennziffer für die gerade abgefragte Drehfeldmaschine 2, 3 oder 4> zur weiteren Verarbeitung z. B. in eine Datenverarbeitungsanlage, eine Anzeigeeinrichtung oder eine Alarmeinrichtung gegeben werden. Die Laufmeldung kann somit in ein Steuersignal, ein Anzeigesignal bzw. ein Alarmsignal umgewandelt werden.

Nach Figur 1 könnte hierzu mittels eines Abgriffs 18p als Spannung die Phasenspannung u zwischen dem Phasenleiter U und dem MittelpunktIeiter M abgegriffen werden. Das ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht vorgesehen. Die Überwachungsschaltung enthält vielmehr einen Abgriff 18, mit dem die verkettete Spannung u zwischen den beiden Phasenleitern U und W erfaßt wird. Diese verkettete Spannung u wird dem ersten Eingang einer Winkel-Vergleichsschaltung 19 zugeführt. Die Winkel-Vergleichsschaltung 19 besteht im wesentlichen aus digitalen Bausteinen. Am

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ersten Eingang befindet sich eine Signalformerstufe 20. Sie gibt eine zeitlich rechteckige Ausgangsspannung f ab, deren Nulldurchgänge mit den Nulldurchgängen der verketteten Spannung u übereinstimmen. Diese Ausgangsspannung f wird in den ersten Eingang eines Winkelmeßgliedes 21 gegeben.

In je einer Anschlußleitung der Drehfeldmaschinen 2,3,4 ist jeweils ein Stromwandler 22, 23 bzw. 24 angeordnet. Es handelt sich dabei jeweils um diejenige Anschlußleitung, welche die Verbindung mit dem Phasenleiter U herstellt. Durch die spezielle Anordnung des Abgriffs 18 und der Stromwandler 22, 23, 24 ist gewährleistet, daß jeweils ein Winkel kleiner sls 90° gemessen wird. Die Stromwandler 22, 23, 24 erfassen die Ströme i1, i2, i3 der Drehfeldmaschinen 2, 3 bzw. 4. Die gemessenen Signale werden über eine Umschalteinrichtung 25, die wahlweise eines .dieser Signale an ihrem Ausgang abgibt, an den zweiten Eingang der Winkel-Vergleichsschaltung 19 gelebt.

Die UmschaIteinrichtung 25 besteht aus einer Anzahl von Schaltgliedern 26, 27 und 28 sowie einem Taktgeber 29 zn deren Ansteuerung. Die Schaltglieder 26, 27» 28 sind abweichend von der Darstellung in Figur 1 bevorzugt kontaktlose elektronische Schaltglieder, z. B. Transistoren, insbesondere Feldeffek-Transistoren. Sie verbinden die einzelnen Stromwandler 22, 23, 24 mit einer Sammelleitung 30, die am zweiten Eingang der Winkel-Vergleichsschaltung 19 angeordnet ist. Der Taktgeber 29 schließt nacheinander durch Taktsignale, die über nicht näher bezeichnete Steuerleitungen auf die Steuereingänge der Schaltglieder 26, 27 und 28 gegeben werden, je eines dieser Schaltglieder 26, 27 und 28. Die Taktfrequenz des Taktgebers 29 ist abhängigk von der abzufragenden Zentrifugenanzahl und liegt hier einige Zehnerpotenzen unterhalb der Mittelfrequenz der Wechselspannungsquelle 13. Für eine Zeitdauer, die gleich dem Reziproken der Taktfrequenz ist, stehen die Meßsignale für die Ströme i1, i2, i3 nacheinander am zweiten Eingang der Winkel-Vergleichsschaltung 19 an. In Figur 1 ist durch den Taktgeber 29 gerade das Schaltglied 27 geschlossen, so daß das Meßsignal für den Strom 12 der Drehfeldmaschine 3 weiterverarbeitet wird.

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Am zweiten Eingang der Winkel-Vergleichsschaltung 19 liegt eine weitere Signalformerstufe 32. Diese Signalformerstufe 32 gibt eine rechteckförmige Ausgangsspannung f2 ab, deren Nulldurchgänge mit den Nulldurchgängen des Meßsignals an ihrem Eingang übereinstimmen, im vorliegenden Fall also mit den Nulldurchgängen des Stroms i2. Die Ausgangsspannung f2 wird in den anderen Eingang des Winkelmeßgliedes 21 gegeben.

Als Signalformerstufen 20, 32 können insbesondere Grenzwertmelder verwendet werden, die das eingegebene sinusförmige Meßsignal u bzw. i1, i2 oder i3 mit einem Nullsignal vergleichen. Sie sind so aufgebaut, daß sie nur solange, als der Wert des Meßsignals positiv ist, auch ein positives Ausgangssignal f bzw. f2 abgeben. Ein negativer Wert des Meßsignals u bzw. i1, 12, i3 wird nicht berücksicntigt.

Das Winkelmeßglied 21, das z. B. als Zeit-Differenz-Glied ausgeführt sein kann, gibt ein Ausgangssignal ab, das ein Maß für die zeitliche Differenz zwischen den Anstiegsflanken der AusgangsSpannungen f und f2 ist. Infolge der getroffenen Anordnung des Abgriffs 18 zwischen den Phasenleitern U und W und der Anordnung des Stromwandlers 23 in der Anschlußleitung zu dem Phasenleiter U erhält man vom Winkelmeßglied 21 ein Ausgangssignal, das ein Maß ist für den Verschiebungswinkel Ύ2· Dieser Verschiebungswinkel Ύ2 ist der Winkel zwischen der verketteten Spannung u einerseits und dem Strom i2 der gerade ausgewählten Drehfeldmaschine 3 andererseits. Er unterscheidet sich um 30° von dem Phasenwinkel -f2. Es gilt also "γ2 = ^f2 - 30°. Das Ausgangssignal ist wie der Verschiebungswinkel mit Ύ2 bezeichnet.

Das Ausgangssignal Ύ2 des Winkelmeßgliedes 21 ist einem Vergleichsglied 33 zugeführt. Dieses Vergleichsglied 33 vergleicht es mit einem vorgegebenen Grenzwert f*, der von einem Grenzwertgeber 34 geliefert wird. Der Grenzwertgeber 34, der an den Vergleichseingang des Vergleichsgliedes 33 angeschlossen ist, ist beispielsweise als Potentiometer eingezeichnet. Der vorgegebene Grenzwert ~γ*_; der fest eingestellt wird, ist am Grenz-

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wertgeber 34 so eingestellt, daß er hier speziell die Grenze zwischen dem asynchronen und dem synchronen Betriebszustand jeder Drehfeldmaschine 2, 3, 4 bezeichnet. Der Grenzwert ~ψ* kann dabei um einen geringen Sicherheitszuschlag im synchronen Bereich liegen. Unterschreitet der Verschiebungswinkel *~Ϋ2 den Grenzwert -ψ*, so ist das ein Anzeichen dafür, daß die betreffende Drehfeldmaschine 3 vom ersten in den zweiten Betriebszustand, im vorliegenden Pail also vom synchronen in den asynchronen Betriebszustand übergeht.

Das Vergleichsglied 33 ist als Grenzwertmelder anzusehen. Es gibt im vorliegenden Pail dann, wenn der Verschiebungswinkel

^Y2. unterhalb des vorgegebenen Grenzwertes Ή** liegt, ein Meldesignal si für den asynchronen Betriebszustand der Drehfeldmaschine 3 an einen Ausgang 38 ab. Liegt jedoch der Verschiebungswinkel ~f2 oberhalb dieses Grenzwerts ~ψ*, so gibt es ein Meldesignal s2 für den synchronen Betriebszustand der Drehfeldmaschine 3 an einen Ausgang 39 ab. Entsprechendes gilt bei einer anderen Schaltstellung der TJmschalteinrichtung 25 auch für/äie Betriebszustände der Drehfeldmaschinen 2 und 4. Das Meldesignal si kann einer Anzeigeeinrichtung 35 zugeführt werden, die z. B. mit einem optischen oder mechanischen Zeiger ausgerüstet ist. Die Anzeigeeinrichtung 35 besitzt im eingezeichneten Pail als optischen Zeiger eine Lampe. Diese leuchtet auf, wenn ein Meldesignal si ansteht. Anstelle oder zusätzlich zu der Anzeigeeinrichtung 35 kann der Winkel-Vergleichsschaltung 19 auch eine Alarmednrichtung 36, z. B. akustischer Art, und/oder eine Datenverarbeitungsanlage 37 nachgeschaltet sein. Das Meldesignal si kann aber auch einem (nicht gezeigten) Speicherglied zugeführt werden. Das Ausgangssignal dieses Speichergliedes würde dann anzeigen, daß eine aus einer größeren Anzahl von Zentrifugen 6, 7, 8 nicht mit der gewünschten Drehzahl läuft. Auf diese Weise ist eine blockweise Überwachung der Zentrifugen 6, 7, 8 einer Gruppe möglich.

Aus Figur 1 ist weiter ersichtlich, daß an den Taktgeber 29 ein Zähler 9 angeschlossen ist. Dieser Zähler 9 zählt im Takte

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der Taktsignale weiter. Der Zähler 9 zeigt eine Kennzahl an, welche die gerade von der Umschalteinrichtung 25 eingenommene "Schaltstellung und damit die gerade abgefragte Drehstrommaschine 2, 3 oder 4 charakterisiert. Anstelle des Zählers 9 kann auch eine digitale Codiereinrichtung verwendet werden, deren Ausgangssignal zusammen mit dem Meldesignal si weiterverarbeitet, z. B. in die Datenverarbeitungsanlage 37 eingegeben wird. Dasselbe gilt auch für das Meldesignal s2.

Die in Figur 1 gezeigte Ausführungsform einer Überwachungsschaltung ermöglicht es also, die unerwünschte Drehzahl einer beliebigen der Zentrifugen 6, 7, 8 indirekt und ohne äußere Eingriffe in eines der Gehäuse 10, 11 bzw. 12 festzustellen.

Figur 2 zeigt ein Zeigerdiagramm, in dem die charakteristischen Größen der Drehfeldmaschine 3 eingetragen sind. Dabei wurde wieder angenommen, daß als Drehfeldmaschinen 2, 3 und 4 Hysteressmotoren eingesetzt sind. Der Strom i = i1, i2 oder i3 dieser Hysteresemotoren ist komplex dargestellt; er besitzt einen in Richtung der Abzisse im gemessenen imaginäj^ren Anteil und einen in Richtung der Ordinate re gemessenen reellen Anteil. Die Spitze des Stromzeigers i' liegt auf einer Kurve k. Der Stromzeiger i schließt mit dem Zeiger der Phasensyannung u , der in Richtung der reellen Achse re liegt, den Phasenwinkel -P ein. Ein vorgegebener Grenzwert *-f * trennt einen ersten Betriebszustand von einem zweiten Betriebszustand des Hysteresemotors. Dabei ist angenommen, daß der erste Betriebszustand, bei dem der Phasenwinkel >f unterhalb des vorgegebenen Grenzwerts *f* liegt, unerwünscht ist. Erwünscht ist ein zweiter Betriebszustand, bei ■ dem der Phasenwinkel f oberhalb des vorgegebenen Grenzwerts >p* liegt.

Der Grenzwert -f* ist speziell so gewählt, daß er den asynchronen vom synchronen Arbeitsbereich trennt. Der Punkt P, auf der Kurve bezeichnet wiederum den Kippunkt, der Punkt P₀ einen asynchronen Betriebspunkt und der Punkt P_a einen synchronen Arbeitspunkt des Hysteresemotors.

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Me in Figur 1 gezeigte Überwachungsschaltung hat wegen der speziellen Anordnung des Abgriffs 18 (Messung der verketteten Spannung u) und der Stromwandler 22, 23, 24 die Eigenschaft, daß nicht der Phasenwinkel -f , sondern der Verschiebungswinkel ^f gemessen wird. Die Messung erfolgt in Bezug auf den verketteten Spannungszeiger u, der um 30 gegenüber dem Zeiger der Phasenspannung u gedreht ist. Gemessen wird also der kleinere Verschiebungswinkel N'= -f - 30 . Demzufolge wird auch nicht der Grenzwert -f* vorgegeben, sondern ein kleinerer Grenzwert "t* = f* - 30°. Es gilt: (f - f*) = (^- f*).

In Figur 3 ist eine bevorzugte andere Ausführungsforai der Winkel-Vergleichsschaltung 19 von Figur 1 dargestellt. Diese Winkel-Vergleichsschaltung trägt das Bezugszeichen 19a. Sie enthält an ihrem ersten und zweiten Eingang gleichfalls Signalformerstufen 20 bzw. 32. Die Signalformerstufe 20 gibt ein binäres Ausgangssignal a an ein nachgeschaltetes Verzögerungsglied 40 ab. Bei diesem Ausgangssignal a stimmen pro Periode die Anstiegsflanke und die Abfallflanke mit den Nulldurchgängen der Spannung u überein. Der Verzögerungseingang des Verzögerungsgliedes 40 ist an einen Grenzwertgeber 41 angeschlossen, der als Potentiometer dargestellt ist. An diesem Grenzwertgeber wird eine zeitliche Verzögerung eingestellt, die dem Grenzwert *γ* entspricht. Am Ausgang des Verzögerungsgliedes 40 erscheint ein erstes digitales Signal c, bei dem stets pro Periode T die Anstiegsflanke um den vorgegebenen Grenzwert *ψ* gegenüber einem Nulldurchgang der Spannung u phasenverschoben ist. Dieses erste digitale Signal c wird dem ersten Eingang eines Vergleichsgliedes 42 zugeführt. Als Vergleichsglied 42 dient ein logisches UND-Glied, insbesondere ein NAND-Glied. Die Verwendung eines NAND-Gliedes hat den Vorzug, daß man bei der logischen Verknüpfung mit einem einzigen Bauelement auskommt.

Mittels der Signalformerstufe 32 wird aus dem Strom i2 der Drehfeldmaschine 3 ein zweites digitales Signal b gewonnen. Bei diesem Signal b stimmt pro Periode die Anstiegs- und Abfallflanke mit den Nulldurchgängen des Stroms -i2 überein. Das zweite digitale Signal b wird dem zweiten Eingang des Vergleichsgliedes

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zugeführt. Das Vergleichsglied 42 sorgt dafür, daß das erste und das zweite digitale Signal c bzw. b logisch miteinander zu einem resultierenden Signal d UHD- verknüpft werden. Die logische Funktion dieses Vergleichsgliedes 42 ist also gegeben durch d = c Ä b. Der Ausgang des Vergleichsgliedes 42 zeigt somit nur dann ein L-Signal (Null-Signal), wenn seine beiden Eingänge gleichzeitig auf H-Signal (Hoch-Signal) liegen, sonst immer ein H-Signal.

Aus dem resultierenden Signal d werden das Meldesignal si für den ersten und/oder das Meldesignal s2 für den zweiten Betriebszustand hergeleitet. Das Meldesignal si ist dabei direkt am Ausgang des Vergleichsgliedes 42 aogegriffen und an den Ausgang 38 gelegt. Zur Ableitung des Meldesignals s2 ist dem Vergleichsglied 42 ein Halteglied 43 nachgeschaltet, dessen Ausgang an den Ausgang 39 gelegt ist. -^ieses Falteglied 43 hat die Eigenschaft, daß es das resultierende Signal d, welches im zweiten Betriebszustand als kurzzeitiges L-Signal periodisch auftritt, über eine Zeitdauer, die über eine Periode T der Spannung u hinausgeht, verlängert und anschließend wieder löscht, wenn kein neuer Impuls eintrifft. Es kann sich bei dem Halteglied 43 also insbesondere um eine monostabile Kippstufe mit Impulsverlängerung handeln.

Vergleichsglied 42 und Halteglied 43 können bevorzugt so ausgeführt sein, daß als Vergleichsglied 42 eine NAND-Stufe mit externem Basiseingang vorgesehen ist, daß an den Ausgang dieser NAND-Stufe die Basis eines Transistors in Verstärkerschaltung geschaltet ist, der das Ausgangssignal der NAND-Stufe invertiert, und daß der Basiseingang über ein Zeitglied, insbesondere ein RG-Glied, vom invertierten Ausgangssignal der NAND-Stufe, also vom Signal des Transistors, gesteuert wird. Durch geeignete Bemessung dieses Zeitgliedes wird eine Selbsthaltung des Vergleichsgliedes 42 erreicht, die über eine Periodendauer T hinausgeht. Die Winkel-Vergleichsschaltung 19 hat dadurch die Eigenschaft, daß sich dann, wenn sich die Drehfeldmaschine 3 im ersten Betriebszustand befindet ( Υ<Ύ*), am Ausgang 38 als Meldesignal si ein H-Dauersignal und am Ausgang 39

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als Meldesignal s2 ein L-Dauersignal erscheint, und daß dann, wenn sich die Drehfeldmaschine 3 im zweiten Betriebszustand ("Y? γ*-) befindet, am Ausgang 38 als Meldesignal si ein I-Dauersignal und am Ausgang 39 als Meldesignal s2 ein H-Dauersignal erscheint.

In Figur 4 ist für den ersten (oder asynchronen) Betriebszustand der zeitliche Verlauf verschiedener Signale der Winkel-Vergleichs schaltung 19a dargestellt. Figur 4 gilt also für den Fall, daß der Verschiebungswinkel Y kleiner als der vorgegebene Grenzwert Y* ist.

Das geformte Ausgangssignal a der Signalforme^stufe 20 erstreckt sich über eine Halbperiode T/2 der Spannung u. Im Verzögerungsglied 40 wird eine .Phasenverschiebung der Anstiegsflanke um den Betrag Y* durchgeführt. Die Abfallflanke bleibt zeitlich unverändert erhalten. Das erste digitale Ausgangssignal c ist somit verkürzt, seine zeitliche Dauer ist kleiner als eine Halbperiode T/2. Das zweite digitale Signal b ist mit seiner Abfallflanke um den Verschiebungs-Winkel Ύ gegenüber der Anstiegsflanke des Ausgangssignals a phasenverschoben. Die NAND-Verknüpfung im Vergleichsglied 42 ergibt ein resultierendes Signal d in Form eines Dauersignals. Dieses resultierende Signal d kann direkt als Meldesignal si verwendet werden.

In Figur 5 ist ebenfalls der zeitliche Verlauf von Signalen der Winkel-Vergleichsschaltung 19a aufgetragen. Die eingetragenen Signalverläufß treten dann auf, wenn sich die gerade abgefragte Drehfeldmaschine 2, 3 oder 4 im zweiten Betriebszustand befindet, wenn also der Verschiebungswinkel Y größer als der vorgegebene Grenzwert Ύ* ist.

Das Ausgangssignal a der Signalformerstufe 20 besteht wiederum pro Periode T aus einem positiven Spannungsbalken der Dauer T/2. Seine Anstiegs- und Abfallflanke stimmt wiederum zeitlich mit zwei aufeinander folgenden Nulldurchgängen der Spannung u überein. Das erste digitale Ausgangs signal c des Verzögerungsgliedes 40 besitzt wiederum eine Anstiegsflanke, die um den vorgegebenen

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Betrag -vf* gegenüber der Anstiegsflanke des Ausgangssignals a phasenverschoben ist. Die Abfallflanken sind zeitgleich. Das zweite digitale Signal b ist mit seiner Abfallflanke um den Verschiebungswinkel *¥ gegen die Anstiegsflanke des Ausgangssignals a phasenverschoben. Der Verschiebungswinkel Yist größer als der vorgegebene Betrag ^f*.

Die NAND-Verknüpfung im Vergleichsglied 42 ergibt als resultierendes Signal d ein Signal mit einem L-Impuls pro Periode T. Bei einer/aer Wechselspannungsquelle 13 von 1 kHz enthält das resultierende Signal d demnach 1000 L-Impulse pro Sekunde. Das Auftreten dieser Impulse am Ausgang 38 ist charakteristisch für den zweiten Betriebszustand, bei einem Hysteresemotor also charakteristisch für seinen synchronen Betriebszustand. Das Halteglied 43'sorgt dafür, daß aus diesem Signal d als Meldesignal s2 für den zweiten zweiten Betriebszustand am Ausgang 39 ein Dauer signal wird.

Es sei noch erwähnt, daß die Winkel-Vergleichsschaltung 19a auch so konstruiert sein kann, daß sich jeweils die inversen Signale ergeben. ·

5 Figuren

18 Patentansprüche

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Claims

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Patentansprüche

Verfahren zur Überwachung eines Antriebssystems mit einer Anzahl von Drehfeldmaschinen, insbesondere von Hysteresemotoren, die jeweils zum Antrieb einer reibungsarmen Zentrifuge vorgesehen und gemeinsam aus einer Wechselspannungsquelle gespeist sind, dadurch gekennzeichnet, daß nacheinander der Winkel (*f,"f) zwischen Spannung (u , u) und Strom (i1, i2, ±3) jeder Drehfeldmaschine (2, 3, 4) gemessen und mit einem vorgegebenen Grenzwert (-^f*, *Ϋ*) verglichen wird, und daß dann, wenn der Wink3l ( ^f, "f)' unterhalb des vorgegebenen Grenzwerts (^f*, Ύ*) liegt, ein Meldesignal (si) für einen ersten Betriebszustand und/oder dann, wenn der Winkel ( -f , "Ύ ) oberhalb des vorgegebenen Grenzwerts ( f*, f*) liegt, ein Meldesignal (s2) für einen zweiten Betriebszustand der Drehfeldmaschine (2, 3, 4) abgegeben wird.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,'daß nacheinander für jede Drehfeldmaschine (2, 3, 4) der Winkel ( *? ~ -f*j "Ϋ - Ύ*) zwischen der um einen vorgegebenen Grenzwert ( <f*, Ή**) phasenverschobenen Spannung (u , u) der Drehfeldmaschine (2, 3, 4) und dem Strom (i1, i2, i3) der Drehfeldmaschine (2, 3, 4) bestimmt wird, und daß dann, wenn dieser Winkel ( -f¹ - -f*, Ύ- *f*) negativ ist, das Meldesignal (si) für den ersten Betriebszustand und/oder dann, wenn dieser Winkel ( ^f- ^f*, 'ψ- y*) positiv ist, das Meldesignal (s2) für den zweiten Betriebszustand der Drehfeldmaschine (2, 3, 4) abgegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Spannung (u , u) der Drehfeldmaschine (2, 3, 4) ein erstes digitales Signal (c) abgeleitet wird, bei dem stets

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pro Periode (T) mindestens eine Planke um den vorgegebenen Grenzwert ( -?*, Ύ*) gegenüber einem Nulldurchgang dieser Spannung (u , u) phasenverschoben ist, daß jeweils aus dein Strom (i1, i2, i3) der Drehfeldmaschine (2, 3, 4) ein zweites digitales Signal (b) gewonnen wird, bei dem pro Periode (T) mindestens eine Planke mit den Nulldurchgängen dieses Stroms (i1, i2, i3) zeitlich übereinstimmt, daß das erste und das zweite digitale Signal (c bzw. b) logisch miteinander zu einem resultierenden Signal (d) UND- verknüpft werden, und daß aus diesem resultierenden Signal (d) das Meldesignal (si, s2) für den ersten und/oder zweiten Betriebszustand hergeleitet wird.

4. Überwachungsschaltung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abgriff (18p, 18), der die Spannung (u , u) der Wechselspannungsquelle (13) abgreift, mit dem ersten Eingang einer Winkel-Vergleichsschaltung (19» 19a) verbunden ist, daß eine Umsehalteinrichtung (25), die wahlweise einen der durch Stromwandler (22, 23, 24) erfaßten Ströme (i1, i2, i3) der Drehfeldmaschinen (2, 3, 4) an ihrem Ausgang abgibt, mit dem zweiten Eingang der Winkel-Vergleichsschaltung (19; 19a) verbunden ist, und daß die Winkel-Vergleichsschaltung (19; 19a) mit einem Grenzwertgeber (34; 41) zur Vorgabe eines Grenzwerts ( -f*_f "γ*) für den Winkel ( *f, Ύ") ausgerüstet ist.

5. Überwachungeschaltung nach Anspruch 4,.dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel-Vergleichssehaltung (19; 19a) aus digitalen Bausteinen besteht.

6. Überwachungsschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Abgriff (18p, 18) und der Umsehalteinrichtung (25) jeweils eine Signalformerstufe (20, 32) nachgeschaltet ist, die ein zeitlich rechteckiges Ausgangssignal (f, ±2) abgibt, dessen Planken zeitlich mit den Nulldurchgängen ihrer Eingangsspannung übereinstimmen.

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7. Überwachungsschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel-Vergleichsschaltung (19; 19a) eine Anzeigeeinrichtung (35), Alarmeinrichtung (36) oder Datenverarbeitungsanlage (37) nachgeschaltet ist.

8. Überwachungsschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel-Vergleichsschaltung (19) ein vom ersten und zweiten Eingang gespeistes Winkelmeßglied (21) enthält, dem ein Vergleichsglied (33) nachgeschaltet ist, dessen Vergleichseingang an den Grenzwertgeber (34) angeschlossen ist (Fig. 1).

9. Überwachungsschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Winke!-Vergleichsschaltung (19a) ein vom ersten Eingang gespeistes Verzögerungsglied (40), dessen Verzögerungseingang an den Grenzwertgeber (41) angeschlossen ist, und ein logisches Vergleichsglied (42), das eingangsseitig einerseits an den Ausgang des Verzögerungsgliedes (40) und andererseits an den zweiten Eingang der Winkel-Vergleichsschaltung (19a) angeschlossen ist, enthält (Fig. 2).

10. Überwachungsschaltung nach Anspruch 91 dadurch gekennzeichnet, daß als logisches Vergleichsglied (42) ein NAND-Glied vorgesehen ist.

11. Überwachungsschaltung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Vergleichsglied (42) ein Halteglied (43) nachgeschaltet ist.

12. Überwachungsschaltung nach einem der Ansprüche.4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsehalteinrichtung (25) steuerbare Schaltglieder (26, 27, 28) enthält, die je einen Stromwandler (22, 23, 24) mit einer Sammelleitung (30) verbinden, welche am zweiten Eingang der Winkel-Vergleichsschaltung (19; 19a) angeordnet ist.

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13. Überwachungsschaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als steuerbare Schaltglieder (26, 27, 28) kontaktlose Schaltglieder vorgesehen sind.

14. Überwachungsschaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als steuerbare Schaltglieder (26, 27, 28) Transistoren,insbesondere Feldeffekt-Transistoren, vorgesehen sind.

15. Überwachungsschaltung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Betätigung der Schaltglieder (26, 27, 28) in vorgegebener Reihenfolge ein Taktgeber (29) vorgesehen ist.

16. Überwachungsschaltung nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, daß an den Taktgeber (29) ein Zähler (."<) angeschlossen ist.

17. Überwachungsschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgriff (18p) so angeordnet ist, daß er die Phasenspannung (u ) der Wechselspannungsquelle (13) abgreift.

18. Überwachungsschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgriff (18) so angeordnet ist, daß er die verkettete Spannung (u) der Wechselspannungsquelle (13) abgreift.

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