Zentrifuge für Laborzwecke

Abstract

 Zentrifuge für Laborzwecke, bestehend aus wenigstens einem Rotor und einem als Drehstrommotor (1) ausgebildeten Elektroantrieb nebst einer zumindest Funktionselemente zur Frequenz-und Spannungsregelung aufweisenden Steuereinheit (2), mittels welcher unterhalb eines durch Drehmoment und Drehzahl definierten Nennbetriebszustands ein konstantes Drehmoment und oberhalb desselben eine konstante Leistung vorgebbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (2) zusätzlich Funktionselemente zur Stern-Dreieck-Umschaltung umfaßt welche unterhalb des Nennbetriebszustands schaltbar sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Zentrifuge entspre­chend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Bei einigen, für den Laborbereich konzipierten, für einen diskontinuierlichen Betrieb ausgelegten Zentrifu­gen befinden sich die zu zentrifugierenden Stoffe in Bechern, Glasröhrchen oder dergleichen, welch letztere einzeln oder gruppenweise in besondere Aufnahmeeinrich­tungen eines Rotors eingesetzt sind. Lediglich beispiel­haft seien in diesem Zusammenhang Schwenkbecherrotoren, bei denen das jeweilige Glasröhrchen während des Zentri­fugierens in eine radiale Richtung frei ausschwenken kann und Winkelrotoren genannt, bei denen die Längsachse des Glasröhrchens während des Zentrifugierens stets unter einem festen Winkel zur Achse des Rotors angeord­net ist. Entsprechend ihrem Verwendungszweck, insbesonde­ re den Eigenschaften der zu zentrifugierenden Stoffe werden diese Rotoren in unterschiedlichen Drehmoment- und Drehzahlbereichen eingesetzt.

[0003] Zum Antrieb der Rotoren, insbesondere zur Drehzahlrege­lung sind eine Reihe von Systemen bekannt, die jedoch entsprechend den auszusteuernden Drehmoment-und Drehzahl­bereichen unterschiedlich ausfallen. So werden Schwenk­becherrotoren im allgemeinen in einem niedertourigen Bereich bei hohem Drehmoment und Winkelrotoren bei vergleichsweise geringem Drehmoment in einem hochtouri­gen Bereich betrieben. Der niedertourige Bereich umfaßt in etwa den Bereich von 4.000 bis 6.000 Umdrehungen pro­Minute und der hochtourige Bereich den Bereich von 10.000 bis 20.000 Umdrehungen pro Minute.

[0004] Bekannt als Antriebssysteme sind Gleichstrommotoren, bei denen eine Drehzalregelung durch Feldschwächung erfolgen kann. Ausgehend von den dieser Regelungsart zugrunde liegenden technischen Grenzen läßt sich bei üblichen Antrieben etwa eine Verdoppelung einer Nenndrehzahl erreichen. Der ohne Zwischenschaltung eines Getriebes aussteuerbare Drehzahlbereich ist damit im Vergleich zu den obengenannten 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.

[0005] Bekannt sind weiterhin Drehstromantriebe, bei denen eine Drehzahlregelung über eine Veränderung der Netzfrequenz bzw. der Synchrondrehzahl erfolgt. So ist beispielsweise aus DE-OS 37 14 627 ein Drehstromantrieb für einen Zentrifugalseparator größerer Leistung bekannt, bei dem ein serienmäßiger Drehstrom-Asynchronmotor in Verbindung mit einem Frequenzumrichter drehzahlsteuerbar ausgebildet ist. Die durch den Frequenzumrichter bewirk­te Schlupfsteuerung ist unterhalb eines Nennbetriebszu­stands mit Hinblick auf ein konstantes motorisches bzw. generatorisches Drehmoment ausgelegt. Diese Antriebssy­steme, die im übrigen oberhalb eines Nennbetriebszu­stands mit konstanter Leistung, somit sinkendem Drehmo­ment betrieben werden können, gelten jedoch für kleine oder Laborzentrifugen zumindest dann als verhältnismäßig kostenaufwendig, wenn die oben aufgeführten Drehzahlbe­reiche ausgesteuert werden müssen. Andererseits zeichen sich Drehstromantriebe aufgrund des Fortfalls von Kommu­tierungseinrichtungen durch eine wesentlich geringere Störanfälligkeit aus. Gegenüber Gleichstromantrieben ergibt sich darüber hinaus insbesondere in den oberen Drehzahlbereichen der Vorteil einer geringeren Geräusch­entwicklung.

[0006] Es ist darüber hinaus bekannt, die Drehzahl von Dreh­strommotoren - wenn auch stufenweise - durch Polumschal­tung zu bewirken. Schließlich sind auch Stern-Dreieck-­Umschalteinrichtungen bekannt, durch welche die jeweili­ge Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik, insbesondere die Stromaufnahme veränderbar ist, welche bei Drehstrommoto­ren häufig als Mittel zur Strombegrenzung in der Anlauf­phase benutzt werden.

[0007] Für die Auslegung des Antriebssystems von Laborzentrifu­gen ergibt sich aus alledem sowohl mit Hinblick auf den zu überdeckenden Drehzahlbereich als auch auf die Kosten­situation, daß entsprechend dem Verwendungsbereich der Zentrifugen unterschiedliche Antriebssysteme verwendet werden müssen.

[0008] 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.

[0009] Wesentlich ist, daß zumindest zwei Eingriffsmöglichkei­ten, und zwar einander ergänzend bzw. gleichzeitig oder nacheinander benutzt werden, um in Verbindung mit der jeweiligen Lastcharakteristik des Zentrifugenrotors unterhalb eines Nennbetriebszustands eine bestimmte Drehzahl einzustellen. Durch die, der Stern-Dreieck-­Umschaltung dienenden Funktionselemente wird in einfach­ster Weise der Aussteuerungsbereich der Spannung und in Verbindung mit einer Frequenzregelung auch der Drehzahl erreicht. Bei Laborzentrifugen ist das aufzuwendende Drehmoment ungefähr proportional zur dritten Potenz der Drehzahl. Als Elektroantrieb wird erfindungsgemäß ein herkömmlicher Drehstrommotor eingesetzt, dessen an den Wicklungssystemen des Stators anliegende Spannung mit­tels der Steuereinheit von einer Sternpunkt- auf eine Phasenspannung und umgekehrt schaltbar ist, wobei zu dieser Umschaltmöglichkeit eine Frequenzwandlung bzw. Änderung der Synchrondrehzahl hinzutritt. Praktisch ist durch diese erfindungsgemäße Zusammenfassung von Span­nungs- und Frequenzregelung in kostengünstiger Weise erreichbar, daß bei den im Laborbereich eingesetzten Zentrifugen mit einem Antriebssystem hochtourige und niedertourige Zahlen erreichbar sind. Über die Steuerein­heit wird für eine vorgewählte Drehzahl eine beispiels­weise unter Berücksichtigung des energetischen Wirkungs­grades optimale Einstelung der Parameter Spannung, Netzfrequenz sowie der Stern-Dreieck-Umschaltung vorge­nommen. Diese 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 Einzelfall kann entspre­chend der Vorgabe von Drehzahl, Drehmoment, Leistung und sonstige Randbedingungen prozessorgesteuert erfolgen.

[0010] Ein im erfindungsgemäßen Sinne ausgestalteter Elektroan­trieb ermöglicht in kostengünstiger Weise auch bei kleinen Zentrifugen bzw. bei Laborzentrifugen die Ver­wendung von wartungsarmen und betriebssicheren Drehstrom motoren. Grundsätzlich können hier Asynchron-oder Syn­chronmaschinen verwendet werden. Im folgenden wird unter Bezugnahme auf das Schaltschema gemäß der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert wer­den.

[0011] Mit 1 ist ein Elektromotor bezeichnet, welcher als Dreh­strom-Asynchronmotor ausgebildet ist, welcher den An­trieb 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 Dreiphasenanschluß ausgebildet sein kann. Es kann demzufolge die Steuereinheit 2 unter anderem auch Funktionselemente zur Erzeugung einer Dreiphasen-Wechsel­spannung aufweisen.

[0012] Erfindungsgemäß erfolgt die Drehzahlsteuerung des Elek­tromotors 1 durch eine entsprechende Steuerung der an dessen Statorwicklungen gelegten Spannung und Frequenz, wobei erstere durch eine Stern-Dreieck-Umschaltmöglich­keit ergänzt wird. Es können hier grundsätzlich die an sich bekannten Techniken zur Frequenz- und Spannungs­wandlung eingesetzt werden, so daß auf eine detaillierte schaltungstechnische Darstellung verzichtet wird.

[0013] Beispielsweise kann die Steuereinheit derart ausgelegt sein, daß bei Frequenzen unterhalb eines durch Nenn­frequenz und Nennspannung charakterisierten Nennbetriebes der Elektromotor 1 mit konstantem Drehmoment und bei Frequenzen oberhalb dieses Nennbetriebs 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, inner­halb welchem ein Betrieb mit konstantem Drehmoment mög­lich ist, entsprechend groß ausfällt.

[0014] Geht man davon aus, daß in dem erstgenannten Drehzahl­bereich Spannung und Frequenz mit Hinblick auf ein kon­stantes Drehmoment ausgesteuert werden, ergibt sich aufgrund der Stern-Dreieckumschaltung eine Drehzahl­steigerung gegenüber einer Nennspannung in der Stern­punktschaltung 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 Sternpunkt­spannung insgesamt nahezu eine Vervierfachung der Dreh­zahl erreichbar ist.

[0015] 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 Drei­eckschaltung ausgelegt sein müssen, ergibt sich durch diese genannte Strombegrenzung während der Anlaufphase keine Überlastung der Steuereinheit.

[0016] 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.

[0017] 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 dementsprechen­den Leistung vorgibt, woraufhin die diesen Daten ent­sprechende optimale Aussteuerung der genannten Parameter, nämlich Frequenz, Spannung und Stern-Dreieckumschaltung mittels entsprechender Regelkreise selbsttätig erfolgen kann.

Ansprüche

Zentrifuge für Laborzwecke, bestehend aus wenigstens einem Rotor und einem als Drehstrommotor (4) ausgebil­deten Elektroantrieb nebst einer zumindest Funktions­elemente zur Frequenz- und Spannungsregelung aufwei­senden Steuereinheit (7), mittels welcher unterhalb eines durch Drehmoment und Drehzahl definierten Nennbetriebszustands ein konstantes Drehmoment und oberhalb desselben eine konstante Leistung vorgebbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (7) zusätzlich Funktionselemente zur Stern-Dreieck-­Umschaltung umfaßt welche unterhalb des Nennbetriebs­zustands schaltbar sind.

Zeichnung