-
Faßpumpe mit elektrischem Antriebsmotor
-
Die Erfindung betrifft eine Faß pumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
-
Derartige Faßpumpen bekannter Bauart haben ein angeflanschtes langes
Rohr; in dem die Antriebswelle der Pumpe gelagert ist.
-
Die Antriebswelle trägt an ihrem vorderen Ende ein Pumpenrad, das
die Flüssigkeit in einem das Rohr koaxial umgebenden Steigrohr zu einem im Bereich
des oberen Endes vorgesehenen Abfluß fördert. Derartige Antriebswellen innerhalb
eines Rohres haben eine Länge von bis zu 3 m bei einem Wellendurchmesser von ca.
-
6 mm. Beim Einschalten einer mit dem Rohrstutzen in einer Flüssigkeit
eingetauchten Faßpumpe treten aufgrund der großen Anzugsmomente des Elektromotors
Torsionskräfte an der Antriebswelle auf, die neben einem kurzzeitigen Verkürzen
der Antriebswelle eine enorme Materialbeanspruchung bedeuten. Diese Beanspruchung
ist um so höher, je geringer die Viskosität der zu fördernden r l.üs;sigkeit isl-.
-
Da das die Antriebswelle führende Rohr absolut dicht gegen Eindringen
von Flüssigkeiten ausgebildet sein muß - die Flüssigkeit kann sonst bis in das Gehäuse
der Faßpumpe dringen und die Antriebseinheit schädigen - , was zur Verwendung der
Faßpumpe bei
aggressiven. Medien ohnehin Vorbedingung ist, sind
am Austrittsende der Antriebswelle aus dem Rohr Gleitringdichtungen vorgesehen,
die ihrerseits jedoch bei kurzzeitgen Verkürzungen der Antriebswelle bem Starten
der Faßpumpe von der zugeordneten Diclfläche abheben und undicht werden. Insbesondere
beim Fördern aggressiver Medien in der chemischen Industrie schädigt die in das
Rohr eindringende Flüssigkeit die Lager der Antriebswelle sowie die Antriebswelle
selber. Dies führt zu Schwergangigkeit, mitunter frißt die Welle beim Betrieb der
Faßpumpe fest. Weiterhin besteht Gefahr, daß die Flüssigkeit bis zur Antriebseinheit
aufsteigt und die Faßpumpe unbrauchbar macht.
-
Insbesondere beim Fördern explosiver Medien sind die Faßpumpe durch
allpolige Motorschutzschalter elektrisch abgesichert, um bei Uberlast des Motors
den Netzanschluß zu unterbrechen, und um eine gefährliche Erwärmung zu vermeiden.
Beim Anlauf der Faßpumpe zum Fördern zähflüssiger Medien spricht der Motorschutzschalter
jedoch sofort an, da beim Anlauf die Faßpumpe kurzzeitig überlastet ist. Es ergeben
sich daher Probleme bei der Inbetriebnahme von Faßpumpen, die in zähflüssigen Medien
eingetaucht sind.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Faßpumpe derart auszubilden,
daß die Materialbelastung der Faßpumpenteile beim Anlauf verringert sind, die Dichtigkeit
der vorgesehenen Dichtungen gewährleistet ist und eine störungsfreie Inbetriebnahme
einer in eine zu fördernde Flüssigkeit eingetauchte FaB-pumpe sichergestellt ist.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichenden Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst.
-
Durch den "Sanftanlauf" wird die Faßpumpe langsam auf die gewünschtrt
I"örderleistung hochcJt!Eahrcn, ohne daß (lroßc Torsionsbelastungen der Pumpenrohrwelle
auftreten. Die Dichtungen werden weniger belastet, so daß deren Abdichtung gewährleistet
bleibt.
-
Ebenso werden die Lager, der Motor und andere mitbewegte Teile
wesentlich
geringer beansprucht.
-
Die Steuervorrichtung ist vorteilhafterweise in einen Leistungsteil
und einen Steuerteil aufgeteilt, die miteinander vorzugsweise durch einen Optokoppler
gekoppelt sind. Diese Aufteilung gewährleistet bei Ausfall des einen oder anderen
Teils ein Stillsetzen des Motors, so daß eine Überlastung und unzulässige Erwärmung
vermieden ist.
-
Das Leistungsteil besteht vorteilhafterweise aus einer Phasenanschnittssteuerung,
die zusätzlich mit einem die Steuerung beeinflussenden Regelwiderstand verbunden
ist. Der Regelwiderstand ist durch ein Potentiometer gebildet, dessen Drehachse
aus dem Gehäuse herausragt und mit einem Drehknopf versehen ist. Dem Drehknopf wird
eine Skala, vorzugsweise mit Drehzahleinteilung zugeordnet, so daß ein Benutzer
je nach abzufüllender Menge die Förderleistung der Pumpe anpassen kann. Dies ist
insbesondere beim Abfüllen aggressiver Medien in kleine Behälter vorteillaft, da
der Druck und das Volumen des Förderstrahls angepaßt werden können und ein überschwappen
bzw. IIerausspritzen von Flüssigkeitsteilchen vermieden ist. Mit dem Drehknopf ist
zudem die Faßpumpe an die Viskosität der zu fördernden Flüssigkeiten anpaßbar.
-
Der Optokoppler besteht vorzugsweise aus einem mit dem Leistungsteil
verbundenen Photowiderstand und aus einer vom Steuerteil gespeisten Leuchtdiode,
wobei parallel zur Leuchtdiode ein Ladekondensator geschaltet ist, der über eine
Diode und vorzugsweise einen Widerstand vom Netz gespeist ist. Beim Einschalten
der Netzspannung wird die Spannung am Ladekondensator langsam ansteigen, so daß
auch die Spannung an der Leuchtdiode sowie der Strom ansteigt und die Leuchtdiode
aufylimmtl wodurch das Leisingsteil aufgrund der Verringerung des ohmschen Widerstandes
des Photoelementes den* Vorteilhafterweise ist der Motorschutzschalter gleichzeitig
in das Steuerteil integriert. Hierzu ist ein in Durchflußrichtung zur Lcuchtdiöde
parallel geschalteter Steuertransistor vorgesehen, dessen Basis über einen Kondensator
mit dem positiven Pol und über ein temperaturabhängiges Bauelement mit dem negativen
Pol der Speisespannung verbunden ist. Ändert sich der Widerstand * Motor anlaufen
läßt.
-
des temperaturabhängiges Bauelementes, das vorteilhafterweise ein
NTC-Widerstand ist, so wird der Steuertransistor leiten. und tlie ie Leuchtdiode
kurzschließen, so daß s (1.Rß sie 1 ertisc}} nfgrund der Rückwirkung über den Photowiderstand
wird das Leistungsteil der Phasenanschnittssteuerung auf Null zurücksteuern, so
daß der Motor-langsamer läuft bzw. stillsteht.
-
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der
Beschreibung und den Zeichnungen.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist -in den Zeichnungen dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch eine
erfindungsgemäße Faßpumpe mit angeflanschtem Pumpenrohrsatz, Fig. 2 einen skizzierten
Schaltplan einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung.
-
Die in Fig. 1 gezeigte Faßpumpe besteht aus der elektrischen Antriebseinheit
1 mit angeflanschtem Pumpenrohrsatz 2. Die Arbeitseinheit aus einem elektrischen
Motor 3 ist über eine erfindungsgemäße Steuervorrichtung 4 und einer entsprechend
ausgeführten Anschlußleitung 5 mit dem Netz 27 (Fig. 2) verbunden.
-
Der Motor 3 und die Steuervorrichtung 4 sind in einem druckdichten
Gehäuse 6 angeordnet, so daß die Kühlung des Motors 3 nur über einen Wärmeaustausch
des Gehäuses 6 mit der umgebenden Luft erzielt werden kann. Zur Förderung der Kühlung
sind am Gehäuse 6 Kühlrippen 7 vorgesehen, an denen bei iiiricb des Motors 3 ein
zwangsweise Kühlluftstrom vorbeigeführt wird. Dieser Kühlluftstrom wird durch ein
auf dem Gehäuse 6 angeordnetes Lüftungsrad 10 erzielt, das auf dem oberen Ende 9
der Antriebswelle 8 aufgesetzt ist, die dichtend aus dem Gehäuse 6 herausragt. Das
Lüftungsrad 10 wird durch eine mit dem Gehäuse 6 verbundene Kappe 11 abgedeckt,
um die Wirkung des Lüftungsrads 10 zu erhöhen und die rotierenden Teile gegen Fremdeinfluß
abzusichern.
-
Das andere, freie Ende der Antriebswelle 15 ist auf der anderen Seite
des Ankers 12 aus dem Gehäuse 6 dichtend herausgeführt und steht mit einer Kupplung
20 in Verbindung, die mit einer Welle 21 des angeflanschtes Rohrsatzes 2 zusammenwirkt.
Die Welle 21 ist in einem umgebenden Rohr 13 zentral gelagert, wobei das untere
Ende 22 der Welle 21 mit einzel Gleitringdichtung 14 abgedichtet aus dem Rohr 13
herausragt und ein Pumpenrad 16 trägt.
-
Die Welle 21 wird in Längen bis zu 3 m bei einem Durchmesser von ca.
6 mm ausgeführt. Die Gleitringdichtung 14 ist vorgesehen, um das Innere des Rohrs
13 gegen Eindringen von Flüssigketten abzudichten, was mit anderen Dicl1ttlngen
nicht zufriedenstellend erzielt werden kann. So muß beim Fördern aggressiver Flüssigkeiten
sichergestellt sein, daß diese nicht in das Innere des Rohrs 13 eindringt und die
Welle 21 schädigt oder ggf. bis zur Antriebseinheit 1 aufsteigt und die Kupplung
20 bzw. die Antriebseinheit selbst und somit die Faßpumpe zerstört.
-
Das-Pumpenrad 16 läuft in einem das Rohr 13 koaxial umgebenden Steigrohr
17, wobei der Außendurchmesser des Pumpenrads 16 dem Innendurchmesser des Steigrohrs
17 etwa entspricht. Das Steigrohr 17 weist an seinem unteren Ende Zuflußöffnungen
18 auf; im Bereich seines oberen Endes ist ein Abfluß 19 vorgesehen.
-
Bei Betrieb der Faßpumpe fördert das Pumpenrad 16 die durch die Zuflußöffnung
18 nachfließende Flüssigkeit durch das Steigrohr 17 zum Abfluß 19.
-
Zur Belastungsverringerung der Welle, deren Dichtungen, der Kupplung
und der Antriebseinheit ist erfindungsgemäß eine elektrische Steuervorrichtung 4
vorgesehen, die das Anfahrmoment
des elektrischen Antriebsmotors
3 durch phasenanschnittsgesteuerte Strombegrenzung vermindert und vorzugsweise stetig
bis zu einem vorgebbaren Fördermoment hochfährt. Durch diese Begrenzung des Anfahrmoments
werden die Torsionskräfte der Welle erheblich vermindert, eine durch Torsion bedingte
Wellenverkürzung und damit verbunden auftretende Undichtigkeiten der Gleitringdichtung
werden vermieden. Weiterhin wird die Kupplung, die Antriebseinheit sowie die Lagerung
erheblich geringer beansprucht, so daß die Lebensdauer der Faßpumpe erhöht ist und
beim Betrieb Störungen weitgehend vermieden werden. Vorteilhafterweise wird durch
die Steuervorrichtung 4 der inaxirnale Betriebsstrom des Motors 3 etwa auf den Nennstrom
bc'renzt.
-
In Fig. 2 ist der Aufbau einer derartigen Steuervorrichtung 4 gezeigt.
Sie besteht im wesentlichen aus einem Steuerteil 30 und einem Leistungsteil 31,
die durch eine nicht elektrische Verbindung, vorzugsweise durch einen Optokoppler
32 miteinandern wirkverbunden sind.
-
Der Leistungsteil 31, der im wesentlichen eine Phasenanschnittssteuerung
darstellt, besteht aus einem in Reihe mit dem Motor 3 am Netz 27 liegenden, leistungsstarken
Triac 36, wobei parallel zum Triac 36 eine Reihenschaltung aus einem Kondensator
37, einem Photowiderstand 38 und einem hochohmigem Widerstand 33 liegt. Zwischen
dem r>llotowiderstand 38 und dem Kondensator 37 ist ein Abgriff für die Gate-Spannung
des Triacs 36 vorgesehen, in dessen Zweig in Reihenschaltung ein niederohmiger Widerstand
41 mit einem selbstzündenden Triac 42 vorgesehen ist.
-
Zur vorgebbaren Beeinflussung des Leistungsteils 31 ist ein regelbarer
Widerstand 40 parallel zum hochohmigen Widerstand 33 geschaltet. Dieser Widerstand
40 ist bei im Pumpengehäuse 6 eingebautem Steuerteil 4 durch ein Potentiometer gebildet,
-dessen Achse 25 aus dem Gehäuse 6 herausragt und einen Drehknopf 26 trägt (Fig.
1). Durch diese Ausbildung kann ein Benutzer entsprechend den Einsatzbedingungen
der Faßpumpe, z. B. bei unterschiedlich viskosen Flüssigkeiten das Drehmoment des
Motors durch Beeinflussung der Phasenanschnittssteuerung des Leistungsteils 31 beeinflussen
und so auch die Fördermenge der Faßpumpe regeln.
-
Das Steuerungsteil 30 besteht im wesentlichen aus einer Leuchtdiode
39, die in Reihe mit einem Widerstand 49 in Durchlaßrichtung parallel zu einem Kondensator
46 liegt, der über einen Widerstand 48 und eine Diode 47 vom Netz 27 gespeist wird.
-
Der Widerstand 49 liegt auf der Kathodenseite der Leuchtdiode 39.
-
Parallel zur Leuchtdiode 39 ist ein pnp-Steuertransistor 43 geschaltet,
dessen Emitter mit der Anode und dessen Kollektor mit der Kathode der Leuchtdiode
39 verbunden ist (Durchlaßrichtung). Die Basis des Steuertransistors 43 liegt über
einen Kondensator 45 an der Kathode der Diode 47.
-
Parallel zum Kondensator 45 ist ein Transistor 44 in Durchlaßrichtung
geschaltet, wobei im Kollektor 2 ein Abgleichswiderstand 28 angeordnet ist. Die
Basis des Transistors 44 ist über einen Widerstand mit dem Kollektor des Steuertransistors
43, also mit der Kathode der Leuchtdiode 39 verbunden. Die Basis des Steuertransistors
43 liegt weiterhin über einen temperaturabhängigen Widerstand 50 (Heißleiter) an
einem negativen PXgriff des Kondensators 46.
-
Vorteilhafterweise ist das Leistungsteil 31, das Steuerteil 30 und
der Optokoppler 32 in einem Gehäuse angeordnet, wobei der regelbare Widerstand 40
als Potentiometer im Gehäuse bzw. am Gehäuse befestigt ist. Eine derart zusammengesetzte
Steuervorrichtung wird vorteilhafterweise mit Steckverbindungen 29 innerhalb eines
Gehäuses 6 (Fig. 1) einer Faßpumpe mit den Polen des Netzes 27 bzw. des Motors 3
verbunden. Zum Schutz der Steuerungseinrichtung sowie des Motors sind in Reihe zum
Motor Sicherungen 34 in den Netzleitungen vorgesehen, weiterhin ist zum Ein- bzw.
Ausschalten der Faßpumpe ein allpoliger Netzschalter 35 vorgesehen, der gleichzeitig
die .Steuervorrichtung 4 an das Netz anlegt bzw. vom Netz trennt.
-
Selbstverständlich sind auch andere Schaltungsanordnungen innerhalb
des Leistungsteils 31 bzw. des Steuerteils 30 möglich.
-
So können npn-Transistor-cn oder andere, ähnliche Wirkungen
aufweisende
Bauelemente verwendet werden.
-
Beim Einschalten der Netzspannung durch Schließen des Hauptschalters
35 wird gleichzeitig an den Motor 3 sowie an die Steuervorrichtung 4 Spannung angelegt.
Die Phasenanschnittssteuerung des Leistungsteils 31 bleibt unwirksam, da aufgrund
des noch hochohmigen Zustandes des Photowiderstandes 38 am Gate des Triacs 36 keine
Zündspannung anliegt, der Triac 36 somit gesperrt bleibt und der Motor 3 nicht anläuft.
-
Im Steuerteil 30 lädt sich der Kondensator 46 langsam auf, wodurch
die Leuchtdiode 39 langsam heller wird, worauf der Photowiderstand 38 langsam niederohmig
wird. Nunmehr liegt eine entsprechende Zündspannung am Gate des Triacs 36 an und
der Motor läuft langsam an und wird schneller. Ist der Ladekondensator 46 vollständig
geladen, so erreicht die Leichtdiode 39 die maximale Helligkeit, so das der Photowiderstand
38 am niederohmigsten ist. Das Triac 36 ist nun je nach Stellung des Regelwiderstands
40 aufgesteuert, der Motor 3 dreht entsprechend schnell, die Faßpumpe erreicht die
am Regelwiderstand 40 eingestellte Leistung.
-
Durch diesen Sanftanlauf werden die einzelnen Teile der Faßpumpe nur
gering beansprucht, die Dichtigkeit der Gleitringdichtung (Fig. 1) ist sichergestellt.
-
Vorteilhafterweise ist die Motorschutzschaltung in die Steuerung für
den Sanftanlauf integriert. Hierzu ist der temperaturabhängige Widerstand 50 vorgesehen,
der außerhalb der Steuervorrichtung 4 am Gehäuse der Faßpumpe bzw. am Stator 23
des Motors 3 angeordnet werden kann. Je nach auftretender Wärmeverteilung in der
Antriebseinheit 1 der Faßpumpe wird der temperaturabgängige Widerstand 50 der Steuervorrichtung
4 in einen Bereich angeordnet, dessen Erwärmung eine vorgegebene Temperatur nicht
überschreiten darf* so z. B. im Bereich des Kollektors.
-
Erwärmt sich der temperaturabhängige Widerstand 50 und wird dadurch
dessen Widerstand geringer, so wird die Basis des Steuertransistors 43 langsam negativ,
wodurch der Steuertransistor 43 durchschaltet und einen Strompfad parallel zur Lechtdiode
39 freigibt, so daß die Leuchtdiode 39 entsprechend dem Fluß im parallelen Strompfad
(Steuertransistor 43) dunkler wird. Hierdurch wird wiederum der Photowiderstand
38.
-
hochohmiger, --so daß die Phasenan'schnittssteuerung der Leistung
stufe 31 den Leistungstriac 36 geringer aufsteuert, so daß.
-
die Leistung des Motors abnimmt bzw. dessen Drehzahl langsamer wird.
-
Erreicht die Erwärmung eine vorgebbare kritische Tcmperatur, so ist
der Steuertransistor 43 voll du-rchgeschaltet, wodurch der in den vorherigen Phasen
noch leitende Transistor.44 seinen zum KondensatOr 45 parallelen Strompfad sperrt,
womit die Spannung an der Basis des Steuertransistors 43 aufgrund der Auf ladung
des Kondensators 45 negativ bleibt, wodurch der -Steuertransstor 43 auch bei Abkühlung
des temperaturabhängigen Widerstandes 50 voll leitend bleibt. Die Leuchtdiode 39
wird bei voll'durchgeschaltetem Steuertransistor 43 dunkel'b1eiben',.
-
so daß der Photowiderstand 38 wieder hochohmig ist und der Triac
36 nicht mehr aufgesteuert wird, so daß im Stromkreis des Motors 3 der Stromfluß
unterbrochen ist. Der Motor steht still.
-
Diese elektronische Verriegelung des Leistungsteils 30 kanne nur
wieder aufgehoben werden, wenn der Hauptachalter 35 für einen kurzen Moment ausgeschaltet
wird, so daß die S-pannungsverhältnisse im Steuerteil 3.0 ihren Ausgangszustand
wieder einnehmen können Wird nun der Hauptschalter 35 erheut-geschlossen, so wird
der Motor 3 entsprechend dem vorher.berests beschriebenen Sanftanlauf anlaufen.
-
Vorteilhafterweise ist der NTC-Widerstand 50 mit der elektronischen-Schaltung
so abgeglichen, daß bei Überschreiten der Motorinnenraumtemperatur von 750 C der
Motor 3 abgeschaltet wird und erst nach Abkühlung des Widerstandes 50 um mindestens
100 C ein erneutes Starten der Faßpumpe möglich wird. Die elektronische Verriegelung
(Transistor 44) ist hierzu entsprechend abgeglichen.
-
Vorzugsweise ist der allpolige Netzschalter 35 über eine Nockenscheibe
durch Verdrehen einer Nockenwellc betätigbar.
-
ir wirc. wie die elektronischen Bautci1c auf- zwei Leiterplatten montiert,
die in einem geschlossenen Gehäuse angeordnet sind. Vorzugsweise ist der Netzschalter
im Gehäuse der Steuervorrichtung 4 integriert.