DE3805876A1

DE3805876A1 - CENTRIFUGE FOR LABORATORY PURPOSES

Info

Publication number: DE3805876A1
Application number: DE19883805876
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Sigma Laborzentrifugen GmbH
Current assignee: Sigma Laborzentrifugen GmbH
Priority date: 1988-02-25
Filing date: 1988-02-25
Publication date: 1989-08-31
Also published as: EP0330162A3; DE3805876C2; EP0330162A2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zentrifuge ent sprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a centrifuge speaking the preamble of claim 1.

Bei einigen, für den Laborbereich konzipierten, für einen diskontinuierlichen Betrieb ausgelegten Zen trifugen befinden sich die zu zentrifugierenden Stoffe in Bechern, Glasröhrchen oder dergleichen, welch letztere einzeln oder gruppenweise in beson dere Aufnahmeeinrichtungen eines Rotors eingesetzt sind. Lediglich beispielhaft seien in diesem Zusammen hang Schwenkbecherrotoren, bei denen das jeweilige Glasröhrchen während des Zentrifugierens in eine radiale Richtung frei ausschwenken kann und Winkel rotoren genannt, bei denen die Längsachse des Glas röhrchens während des Zentrifugierens stets unter einem festen Winkel zur Achse des Rotors angeordnet ist. Entsprechend ihrem Verwendungszweck, insbesondere den Eigenschaften der zu zentrifugieren den Stoffe werden diese Rotoren in unterschiedlichen Drehmoment- und Drehzahlbereichen eingesetzt.For some, designed for the laboratory area, for a discontinued operation designed Zen centrifuges are the centrifuges Substances in cups, glass tubes or the like, which the latter individually or in groups in particular used receiving devices of a rotor are. In this context are only exemplary hang swivel cup rotors, where the respective Glass tube during centrifugation in a radial direction can swing freely and angle called rotors, in which the longitudinal axis of the glass always under the tube during centrifugation arranged at a fixed angle to the axis of the rotor is. According to their purpose, especially the properties of the centrifuge these rotors are made of different materials Torque and speed ranges used.

Zum Antrieb der Rotoren, insbesondere zur Drehzahlregelung sind eine Reihe von Systemen bekannt, die jedoch ent sprechend den auszusteuernden Drehmoment- und Drehzahl bereichen unterschiedlich ausfallen. So werden Schwenk becherrotoren im allgemeinen in einem niedertourigen Bereich bei hohem Drehmoment und Winkelrotoren bei ver gleichsweise geringem Drehmoment in einem hochtourigen Bereich betrieben. Der niedertourige Bereich umfaßt in etwa den Bereich von 4000 bis 6000 Umdrehungen pro Minute und der hochtourige Bereich den Bereich von 10 000 bis 20 000 Umdrehungen pro Minute.For driving the rotors, especially for speed control a number of systems are known, but ent speaking of the torque and speed to be controlled areas are different. So be pan cup rotors generally in a low-speed Range with high torque and angular rotors with ver equally low torque in a high-speed Area operated. The low-speed area includes in about the range of 4000 to 6000 revolutions per minute and the high-speed range the range from 10,000 to 20,000 revolutions per minute.

Bekannt als Antriebssysteme sind Gleichstrommotoren, bei denen eine Drehzahlregelung durch Feldschwächung erfolgen kann. Ausgehend von den dieser Regelungsart zugrunde liegenden technischen Grenzen läßt sich bei üblichen An trieben etwa eine Verdoppelung einer Nenndrehzahl erreichen. Der ohne Zwischenschaltung eines Getriebes aussteuerbare Drehzahlberich ist damit im Vergleich zu den obenge nannten unterschiedlichen Drehzahlbereichen begrenzt und es kann auf diesem Wege insbesondere nicht der gesamte, für Laborzentrifugen benötigte Drehzahlbereich überdeckt werden. Außerdem gelten die Kommutierungseinrichtungen von Gleichstrommaschinen als störanfällig und damit wartungsaufwendig.DC motors are known as drive systems which are speed controlled by field weakening can. Based on the basis of this type of regulation lying technical limits can be with usual An driven to achieve a doubling of a nominal speed. The one that can be controlled without the interposition of a transmission Speed range is thus compared to the above named different speed ranges limited and in particular not all of the speed range required for laboratory centrifuges is covered will. The commutation devices also apply of DC machines as prone to failure and therefore maintenance-intensive.

Bekannt sind weiterhin Drehstromantriebe, bei denen eine Drehzahlregelung über eine Veränderung der Netzfrequenz bzw. der Synchrondrehzahl erfolgt. Diese Antriebssysteme, bei denen unterhalb einer Nenndrehzahl Spannung und Frequenz mit Hinblick auf ein konstantes Drehmoment aus gesteuert werden und die oberhalb der Nenndrehzahl bei weiterer Frequenzerhöhung mit konstanter Leistung, somit sinkendem Drehmoment betrieben werden, gelten jedoch für kleine oder Laborzentrifugen zumindest dann als verhält nismäßig kostenaufwendig, wenn die oben aufgeführten Drehzahlbereiche ausgesteuert werden müssen. Andererseits zeichnen sich Drehstromantriebe aufgrund des Fortfalls von Kommutierungseinrichtungen durch eine wesentlich geringere Störanfälligkeit aus. Gegenüber Gleichstrom antrieben ergibt sich darüber hinaus insbesondere in den oberen Drehzahlbereichen der Vorteil einer geringeren Geräuschentwicklung.Three-phase drives are also known, in which one Speed control via a change in the network frequency or the synchronous speed. These drive systems, at those below a nominal speed voltage and Frequency with a view to a constant torque can be controlled and the above the nominal speed at further frequency increase with constant power, thus sinking torque are operated, but apply to small or laboratory centrifuges at least then behave as costly if the above listed Speed ranges must be controlled. On the other hand stand out three-phase drives due to the failure of commutation devices through an essential less susceptibility to failure. Compared to direct current drives also result in particular in the upper speed ranges the advantage of a lower Noise.

Es ist darüber hinaus bekannt, die Drehzahl von Dreh strommotoren durch Schlupfsteuerung bzw. - wenn auch stufenweise - durch Polumschaltung zu bewirken. Schließ lich sind auch Stern-Dreieck-Umschalteinrichtungen bekannt, durch welche die Drehzahl-Drehmoment-Charak teristik, insbesondere die Stromaufnahme veränderbar ist, welche häufig als Mittel zur Strombegrenzung in der Anlaufphase benutzt werden.It is also known the speed of rotation current motors through slip control or - if also gradually - to effect by pole switching. Close Lich star-delta switching devices are also known through which the speed-torque character teristics, especially the current consumption changeable which is often used as a means of limiting current in the Start-up phase.

Für die Auslegung des Antriebssystems von Laborzentrifugen ergibt sich aus alledem sowohl mit Hinblick auf den zu überdeckenden Drehzahlbereich als auch auf die Kosten situation, daß entsprechend dem Verwendungsbereich der Zentrifugen unterschiedliche Antriebssysteme verwendet werden müssen.For the design of the drive system of laboratory centrifuges arises from all of this both with regard to the overlapping speed range as well as on costs situation that corresponds to the scope of the Centrifuges used different drive systems Need to become.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Zentrifuge der eingangs bezeichneten Gattung dahingehend auszugestalten, daß in einfacher und kostengünstiger Weise mit einem Antriebssystem der Drehzahlbereich zumindest von 0 bis 20 000 Umdrehungen pro Minute aussteuerbar ist. Gelöst ist diese Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Zentrifuge durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1.It is the object of the invention to provide a centrifuge to design the genre described at the outset in such a way that in a simple and inexpensive way with a Drive system of the speed range at least from 0 to 20,000 revolutions per minute is controllable. Solved is this task in a generic centrifuge by the features of the characterizing part of the claim 1.

Wesentlich ist, daß zumindest zwei Eingriffsmöglichkeiten, und zwar einander ergänzend bzw. gleichzeitig oder nach einander benutzt werden können, um in Verbindung mit der jeweiligen Lastcharakteristik des Zentrifugenrotors eine bestimmte Drehzahl einzustellen. Bei Laborzentri fugen ist das zu aufwendende Drehmoment ungefähr pro portional zur dritten Potenz der Drehzahl. Als Elektro antrieb kann erfindungsgemäß ein herkömmlicher Drehstrom motor eingesetzt werden, dessen an den Wicklungssystemen des Stators anliegende Spannung von einer Sternpunkt- auf eine Phasenspannung und umgekehrt schaltbar ist, wobei zu dieser Umschaltmöglichkeit die Möglichkeit einer Frequenzwandlung bzw. Änderung der Synchrondrehzahl hinzutritt. Praktisch ist durch diese Zusammenfassung in kostengünstiger Weise erreichbar, daß beispielsweise bei den im Laborbereich eingesetzten Zentrifugen mit einem Antriebssystem hochtourige und niedertourige Dreh zahlen erreichbar sind.It is essential that at least two intervention options, in addition to each other or simultaneously or after can be used to connect with each other the respective load characteristics of the centrifuge rotor set a certain speed. At Laborzentri the torque to be applied is approximately pro proportional to the third power of the speed. As an electric According to the invention, a conventional three-phase current can drive it motor are used, its on the winding systems of the stator applied voltage from a star point can be switched to a phase voltage and vice versa, the possibility of a switch to this Frequency conversion or change in synchronous speed joins. This summary is practical in achievable in a cost-effective manner, for example with the centrifuges used in the laboratory area a drive system high-speed and low-speed rotation numbers are achievable.

Die Merkmale der Ansprüche 2 und 3 bringen den Vorteil mit sich, daß über die Steuereinheit für eine vorge wählte Drehzahl eine beispielsweise unter Berücksichti gung des energetischen Wirkungsgrades optimale Einstellung der Parameter Spannung, Netzfrequenz wie der Stern-Drei eck-Umschaltung vorgenommen wird. Die Einstellung kann durch zahlreiche weitere Randbedingungen noch ergänzt werden. Genannt sei hier beispielsweise eine Begrenzung des Anlaufstromes, ein möglichst rascher Hochlauf, ein hohes Drehmoment im unteren Drehzahlbereich usw. Die optimale Auswahl der Parameter für den jeweiligen Einzel fall kann entsprechend der Vorgabe von Drehzahl, Dreh moment, Leistung oder sonstiger Randbedingungen pro zessorgesteuert erfolgen.The features of claims 2 and 3 bring the advantage with that over the control unit for a pre selected a speed, for example, taking into account optimal setting the parameters voltage, grid frequency as the star three corner switching is made. The setting can supplemented by numerous other boundary conditions will. A limitation is mentioned here, for example of the starting current, as fast as possible, a high torque in the lower speed range, etc. The optimal selection of parameters for each individual case can according to the specification of speed, rotation moment, performance or other boundary conditions per processor controlled.

Einem erfindungsgemäßen Sinne ausgestalteter Elektroan trieb ermöglicht in kostengünstiger Weise auch bei kleinen Zentrifugen bzw. bei Laborzentrifugen die Ver wendung von wartungsarmen und betriebssicheren Drehstrom motoren. Grundsätzlich können hier Asynchron- oder Synchronmaschinen verwendet werden. Im folgenden wird unter Bezugnahme auf das Schaltschema gemäß der Zeich nung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher er läutert werden.Elektroan designed in accordance with the invention drive also enables in a cost-effective manner small centrifuges or laboratory centrifuges, the Ver Use of low-maintenance and reliable three-phase current Engines. Basically, asynchronous or Synchronous machines are used. The following will with reference to the circuit diagram according to the drawing tion an embodiment of the invention he closer to be refined.

Mit 1 ist ein Elektromotor bezeichnet, welcher als Dreh strom-Asynchronmotor ausgebildet ist, welcher den An trieb einer Laborzentrifuge bildet, auf deren zeichnerische Darstellung jedoch verzichtet worden ist. Es steht dieser Elektromotor 1 über eine Steuereinheit 2 mit einer Wechselspannungsquelle 3 in Verbindung, welche als Ein- oder auch Drephasenanschluß ausgebildet sein kann. Es kann demzufolge die Steuereinheit 2 unter anderem auch Funktionselemente zur Erzeugung einer Dreiphasen-Wechsel spannung aufweisen. 1 with an electric motor is designated, which is designed as a three-phase asynchronous motor, which forms the drive to a laboratory centrifuge, but has not been shown in the drawing. This electric motor 1 is connected via a control unit 2 to an AC voltage source 3 , which can be designed as a single-phase or three-phase connection. Accordingly, the control unit 2 can also have functional elements for generating a three-phase AC voltage.

Erfindungsgemäß erfolgt die Drehzahlsteuerung des Elek tromotors 1 durch eine entsprechende Steuerung der an dessen Statorwicklungen gelegten Spannung und Frequenz, wobei erstere durch eine Stern-Dreieck-Umschaltmöglich keit ergänzt wird. Es können hier grundsätzlich die an sich bekannten Techniken zur Frequenz- und Spannungs wandlung eingesetzt werden, so daß auf eine detaillierte schaltungstechnische Darstellung verzichtet wird.According to the invention, the speed control of the electric motor 1 is carried out by a corresponding control of the voltage and frequency applied to its stator windings, the former being supplemented by a star-delta switching possibility. Basically, the techniques known per se for frequency and voltage conversion can be used here, so that a detailed circuit diagram is not used.

Beispielsweise kann die Steuereinheit derart ausgelegt sein, daß bei Frequenzen unterhalb eines durch Nenn frequenz und Nennspannung charakterisierten Nennbetriebes der Elektromotor 1 mit konstantem Drehmoment und bei Frequenzen oberhalb dieses Nennbetriebes mit konstanter Leistung, somit sinkendem Drehmoment betrieben wird. In Abweichung von dem einschlägigen Stand der Technik ist jedoch der Bereich unterhalb des Nennbetriebes aufgrund der Umschaltmöglichkeit von einer Sternpunkt- auf eine Phasenspannung erweiterbar, so daß der Bereich, inner halb welchem ein Betrieb mit konstantem Drehmoment mög lich ist, entsprechend groß ausfällt.For example, the control unit can be designed in such a way that at frequencies below a nominal operation characterized by nominal frequency and nominal voltage, the electric motor 1 is operated with constant torque and at frequencies above this nominal operation with constant power, thus decreasing torque. In deviation from the relevant prior art, however, the range below the nominal operation is expandable due to the possibility of switching from a star point to a phase voltage, so that the range within which operation with constant torque is possible is correspondingly large.

Geht man davon aus, daß in dem erstgenannten Drehzahl bereich Spannung und Frequenz mit Hinblick auf ein kon stantes Drehmoment ausgesteuert werden, ergibt sich aufgrund der Stern-Dreieckumschaltung eine Drehzahl steigerung gegenüber einer Nennspannung in der Stern punktschaltung um 173%. Durch Frequenzerhöhung über die Nennfrequenz hinaus kann bei sinkendem Drehmoment eine weitere Drehzahlsteigerung um 200% erreicht werden, so daß - bezogen auf die Nenndrehzahl bei Sternpunkt spannung insgesamt nahezu eine Vervierfachung der Dreh zahl erreichbar ist.Assuming that in the first speed range voltage and frequency with regard to a con constant torque are controlled a speed due to the star-delta switchover increase compared to a nominal voltage in the star point switching by 173%. By increasing the frequency over the Nominal frequency can decrease with decreasing torque further speed increase of 200% can be achieved, so that - based on the nominal speed at the star point tension almost a fourfold increase in rotation number is achievable.

Da sich die Nennströme von Dreieck- und Sternschaltung wie 3 : 1 verhalten, besteht die Möglichkeit, in der Anlaufphase, somit in der Sternschaltung den Wert des Nennstroms der Dreieckschaltung als Strombegrenzung zu benutzen, so daß in dieser Anlaufphase ein diesem Strom entsprechend hohes Beschleunigungsmoment für den raschen Hochlauf zur Verfügung steht. Da die, die Steuereinheit 2 bildenden Funktionselemente der Leistungselektronik ohnehin zumindest entsprechend dem Nennstrom der Drei eckschaltung ausgelegt sein müssen, ergibt sich durch diese genannte Strombegrenzung während der Anlaufphase keine Überlastung der Steuereinheit.Since the rated currents of delta and star connection behave as 3: 1, there is the possibility to use the value of the nominal current of the delta connection as a current limitation in the start-up phase, thus in the star connection, so that in this start-up phase a high acceleration torque corresponding to this current rapid ramp-up is available. Since the functional elements of the power electronics forming the control unit 2 have to be designed at least in accordance with the nominal current of the delta connection, this current limitation does not result in an overload of the control unit during the start-up phase.

Da die Steuereinheit 2 entsprechend den verhältnismäßig hohen Nennströmen der Dreieckschaltung ausgelegt sein muß, ergibt sich jedoch auch der Vorteil, daß diese hohe Belastbarkeit dazu benutzt werden kann, um allgemein im unteren Drehzahlbereich hohe Drehmomente aufzubringen. Since the control unit 2 must be designed in accordance with the relatively high nominal currents of the delta connection, there is also the advantage that this high load capacity can be used to apply high torques generally in the lower speed range.

Es kann die Steuereinheit 2 ein prozessorgesteuertes Regelsystem umfassen, mittels welchem der Benutzer der Zentrifuge eine bestimmte Drehzahl, ggf. in Verbindung mit einem bestimmten Drehmoment oder eine dementsprechen den Leistung vorgibt, woraufhin die diesen Daten ent sprechende optimale Aussteuerung der genannten Parameter, nämlich Frequenz, Spannung und Stern-Dreieckumschaltung mittels entsprechender Regelkreise selbsttätig erfolgen kann.The control unit 2 can comprise a processor-controlled control system, by means of which the user of the centrifuge specifies a certain speed, possibly in connection with a certain torque or a corresponding output, whereupon the optimal control of the parameters mentioned, namely frequency, corresponding to these data. Voltage and star-delta switchover can take place automatically using appropriate control loops.

Claims

1. Centrifuge, in particular for laboratory purposes, consisting of at least one electric drive in addition to a control unit ( 2 ) and a receiving device for a rotor, characterized in that the control unit ( 2 ) comprises at least functional elements for frequency conversion and for star-delta switching and that Electric drive is a three-phase motor ( 1 ).

2. Centrifuge according to claim 1, characterized in that the control unit ( 2 ) additionally has functional elements for voltage conversion.

3. Centrifuge according to claim 1 or 2, characterized in that the control unit ( 2 ) additionally comprises logic elements for actuating the star-delta switchover or the frequency conversion as a function of at least one preselected speed.