Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
POSITIVE DISPLACEMENT MACHINE WITH ELECTRONIC MOTOR SYNCHRONISATION
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1994/029596
Kind Code:
A1
Abstract:
In a positive displacement machine for compressible media with at least two rotors (14a-c) designed as profiled bodies whose profiles come into mesh when the rotors are rotated, the individual rotors are each driven by their own electric motor (9a-c) with the speed of rotation and angular position being synchronised by electronic regulating and/or control units (1; 25a-c) depending on the intensification ratio of the positive displacement stage. Electronics may be used to monitor other pump operating data, for adapting the pump output by changing the speed of rotation and also as a protection against overload. The speeds of rotation or angular positions of the rotors are individually and independently regulated, set values for the angular position being supplied to the individual regulating units (25a-c) by a main control unit (1).

Inventors:
STEFFENS RALF (DE)
SALMEN ANDREAS (DE)
Application Number:
PCT/EP1994/001818
Publication Date:
December 22, 1994
Filing Date:
June 03, 1994
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
SIHI GMBH & CO KG (DE)
STEFFENS RALF (DE)
SALMEN ANDREAS (DE)
International Classes:
F04C18/02; F04C28/08; F04C28/28; F04C29/00; G05D13/62; H02P5/50; (IPC1-7): F04C29/00; G05D13/62
Domestic Patent References:
WO1991018206A11991-11-28
Foreign References:
EP0502459A21992-09-09
EP0472933A21992-03-04
EP0558921A11993-09-08
Download PDF:
Claims:
P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verdrängermaschine für kompressible Medien, insbesondere eine trockenlaufende Evakuationspumpe, mit mindestens zwei Rotoren (14) die als Profilkörper ausgebildet sind und de¬ ren Profile bei der Drehung zahnradartig ineinander greifen und die berührungsfrei zueinander laufen, wobei die Rotoren (14) jeweils durch eigene Elektromotoren (9) angetrieben werden, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Motoren durch elektronische Regelungs und/oder Steuerungseinheiten (1, 3, 10) synchron in Winkelposition und Drehzahl gesteu¬ ert und/oder geregelt werden, daß jedem Motor (9) eine ei¬ gene Antriebsregeleinheit (3) zugeordnet ist, die unabhän¬ gig von den Antriebsregeleinheiten anderer Motoren (9) ar¬ beitet, und daß von einer HauptSteuervorrichtung (1) den Antriebsregeleinrichtungen Regelsollwerte zugeführt werden.
2. Verdrängermaschine nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Rotoren aus Werkstoffen bestehen bzw. die Rotoroberflächen mit Werk¬ stoffen beschichtet sind, die gute Notlaufeigenschaften be¬ sitzen.
3. Verdrängermaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Abstand der gegeneinander laufenden Flächen der Rotoren in Bereichen geringer Relativbewegungen gegeneinander geringer ist als in Bereichen höherer Relativbewegungen.
4. Verdrängermaschine nach einem der Ansprüche l bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß als Antriebsmo¬ toren Normmotore mit normalem Wellenstumpf verwendet wer¬ den.
5. Verdrängermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß als Antriebsmo¬ toren Einbaumotore in Bausatzspindelart verwendet werden.
6. Verdrängermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß als Antriebsmo¬ toren Spaltrohrmotore verwendet werden.
7. Verdrängermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß an die Pumpe (100) Überwachungsgeinheiten zur Überwachung von Drehzahl, relativer Winkelposition, Laufgenauigkeit, Temperaturen, Schlupf und Drehrichtung mit Übertragungsmöglichkeit der Daten an ein von außen zu überwachendes Anzeigegerät (17, 18) angeschlossen sind.
8. Verdrängermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Einstellung der jeweiligen Pumpenleistung über die vorhandene elektro¬ nische Steuerung/Regelung mittels DrehzahlVariation er¬ folgt.
9. Verdrängermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß in die Haupt¬ steuereinheit (1) Überlastschutz für die Motoren und Pumpe integriert ist mit optischer und/oder akustischer Signal gäbe als Vorwarnung und anschließender automatischer Motor¬ abschaltung oder Drehzahlreduzierung.
10. Verdrängermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß in die Rege¬ lungs und/oder Steuerungseinheit für die Anlaufphase der Pumpenrotoren ein AnlaufimpulsDrehmomentgeber eingebaut ist.
11. Verfahren zur Regelung einer Verdrängermaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß für jeden Motor (9) eine eigene, unabhängige Einzelregelung durchgeführt wird und daß die Regelung auf zentral vorgegebenen Regel Sollwerten basiert.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Regelsoll¬ wert ein Lagesollwert ist, aus dem in der Einzelregelung ein Drehzahlsollwert ermittelt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der RegelSoll¬ wert ein Lagesollwert ist, daß der Lagesollwert mit einem Lageistwert verglichen wird und daß ein Auslösesignal von der Antriebsregeleinheit abgegeben wird, wenn der Unter¬ schiedsbetrag zwischen Lagesollwert und Lageistwert einen vorgegebenen Differenzwert überschreitet.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß bei Erzeugung des Auslösesignals die Drehzahl der Maschine vermindert oder die Maschine abgestellt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Differenz wert drehzahlabhängig ist.
Description:
Verdrängermaschine mit elektronischer Motorsynchronisation

Die Erfindung betrifft eine Verdrängermaschine für kompres- sible Medien, insbesondere eine trockenlaufende Evakuati- onspumpe, mit mindestens zwei Rotoren, die als Profilkörper ausgebildet sind und deren Profile bei der Drehung zahnrad¬ artig ineinander greifen und die berührungsfrei zueinander laufen, wobei die Rotoren jeweils durch eigene Elektromoto¬ ren angetrieben werden.

Bei diesen Verdrängermaschinen handelt es sich stets um Mehrwellenmaschinen. Die auf diesen Wellen angeordneten Ro¬ torprofilkörper laufen in einem Gehäuse, und zwar mit sehr engem Spiel sowohl der Flanken der Profilkörper gegeneinan¬ der als auch gegenüber den die Profilkörper umgebenden Ge¬ häusewänden an den Stirnseiten und am Außenumfang. Durch die Rotation der Profilkörper werden dann zwischen den Flanken der einzelnen Rotoren und der Gehäuseinnenwand Räume freigegeben wieder verengt, wobei der Freigabe des Raumes durch entsprechend angeordnete Steuerkanten/Schlitze Fördermedium in diesen Raum einströmen kann und bei der Verengung des Raumes durch entsprechende andere Steuerkan¬ ten/Schlitze das verdichtete Medium wieder austritt.

Um die Förderfunktion optimal erfüllen zu können, d.h. ho¬ hen Wirkungsgrad und Betriebssicherheit zu erzielen, sind einmal die oben erwähnten engen Spiele zwischen den Profil- körperflanken gegeneinander und gegenüber den Gehäusewan¬ dungen notwendig, da durch die sich ergebenden Spalte die Räume unterschiedlichen Druckes innerhalb der Pumpe gegen¬ einander abgedichtet werden und Verlustströme durch diese Spalte direkt den Wirkungsgrad der Pumpe beeinflussen. Zum

anderen müssen die Rotoren gegeneinander trotz sehr gerin¬ gen Spieles aber dennoch berührungsfrei laufen, d.h. sie müssen zu jedem Zeitpunkt in einem genau definierten Dreh¬ zahlverhältnis und einer exakt festgelegten Winkellage bzw. Winkelposition zueinander rotieren.

Eine Möglichkeit, diese Synchronisation sicherzustellen, ist der Einsatz von Zahnrädern. Diese sind parallel zu den Verdrängerköpfen fest auf den Rotorwellen angeordnet und in seitlich liegenden Getriebekästen untergebracht. Dabei wer¬ den an die Genauigkeit der Zahnräder und an das Verdreh¬ flankenspiel sehr hohe Anforderungen gestellt, um den oben beschriebenen genauen Lauf der Rotoren zueinander zu ge¬ währleisten. Das gleiche gilt für die Fixierung der Zahnrä¬ der im Hinblick auf die Stellung der Profile der Rotoren, d.h. um diese Synchronisation der verschiedenen Rotoren zu erreichen, muß ein sehr hoher Aufwand an Fertigungs- und Montagegenauigkeit betrieben werden. Weitere Nachteile die¬ ser bekannten Lösung liegen in dem relativ hohen Bauvolumen und Gewicht, sowie in der notwendigen Abdichtung zwischen Getriebekästen und Pumpenförderraum, da die Zahnräder na¬ türlich mit entsprechender Ölschmierung laufen müssen und kein Öl bzw. Ölnebel in das Fördermedium gelangen darf. Insbesondere bei Vakuumverdrängermaschinen ist der Mehrauf¬ wand durch die erforderliche Abdichtung zwischen dem ölge- schmierten Zahnrad-Synchronisationsgetriebe und dem wün- schenswerterweise ölfreien Förderraum wegen der geringen Absolutdrücke und der gleichzeitig hohen Druckverhältnisse sehr aufwendig und nie vollkommen zufriedenstellend lösbar, weil die Wellenabdichtungen entweder eine merkliche Leckage aufweisen oder einem recht hohen Verschleiß unterliegen.

Naturgemäß ergeben sich durch das hohe Bauvolumen und das Gewicht dieser Lösung hohe Kosten bei der Anschaffung bzw. auch bei der Montage und Demontage - also bei Reparatur - einer solchen Pumpe.

Um die genannten Nachteile zu vermeiden, können die einzel¬ nen Rotoren jeweils durch eigene Elektromotoren angetrieben werden und diese durch elektronische Regelungs- und/oder Steuerungseinheiten entsprechend dem Übersetzungsverhältnis der Verdrängerstufe synchron in Winkelposition und Drehzahl gesteuert und/oder geregelt werden. Durch die elektronische Messung der einzelnen Rotorstellungen und dem Vergleich der Drehzahl- und der Winkelposition und Korrektur der Daten, zumindest eines oder ggf. beider Motoren, lassen sich zu jedem Zeitpunkt genau definierte Winkel-Relativlagen und Absolutpositionen der Rotoren zueinander einhalten. Voraus¬ setzung dabei ist natürlich die Einhaltung einer maximal zulässigen Winkeldifferenz. Es ist leicht einzusehen, daß bei einer solchen elektronischen Steuerung und/oder Rege¬ lung der gesamte Aufwand zur mechanischen Synchronisation entfallen kann. Es kommen zwar an zusätzlichem Aufwand min¬ destens ein Elektromotor sowie die elektronischen Rege¬ lungs- und/oder Steuerungseinheiten hinzu, jedoch ist der Gesamtaufwand an der Pumpe insgesamt deutlich geringer als bei der bekannten mechanischen Steuerung. Die Leistungen der bei der erfindungsgemäßen Regelung und/oder Steuerung verwendeten Motoren können dann natürlich im einzelnen ent¬ sprechend geringer sein als die Motorleistung nur eines einzigen Motors bei herkömmlicher mechanischer Steuerung. Außerdem sind die Regelungs- und/oder Steuerungseinheiten sowie auch die Motoren weniger verschleißanfällig, ge¬ räuschärmer und zuverlässiger als die konventionellen Zahn¬ radgetriebe.

Aus "Patents Abstracts of Japan", M-838, 15. Juni 1989, Vol. 13/Nr. 258, ist ein Schraubenverdichter mit zwei Schraubenrotoren bekannt, wobei die Rotoren über einzelne Motoren angetrieben und elektronisch synchronisiert werden. Dazu werden die Drehphasen und die Drehzahlen der Motoren aufgenommen und ggf. aneinander angepaß .

Die WO 91/18206 zeigt eine zweiwellige Verdrängermaschine, bei der über ein Resolver-Meßsystem die Winkelpositionen und die Geschwindigkeiten der Rotoren ermittelt werden, um die Rotoren mit einem externen Regelgerät zu synchronisie¬ ren.

Diese beiden bekannten Systeme sind zwar vorteilhaft, da sie kein Synchronisationsgetriebe verwenden, andererseits müssen bedingt durch die Bauart der Vorrichtung und der Sensoren relativ große Toleranzen zugelassen werden (bei der Vorrichtung gemäß WO 91/18206 sind das beispielsweise ± 4°), so daß die Vorrichtungen lediglich zum Fördern von Flüssigkeiten geeignet sind.

Demgegenüber besteht jedoch der Bedarf nach sog. "trocken¬ laufenden" Vakuumpumpen. Dabei bezieht sich die Bezeichnung "trockenlaufend" auf den völligen Verzicht auf Öl in der gesamten Vorrichtung, also neben der Ölfreiheit im Schöpf¬ raum auch der Verzicht auf Öl in Seitenräumen zur Schmie¬ rung von Wälzlagern, Wellendichtungen, Zahnrädern, etc.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verdrän¬ gungsmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine hohe Synchronisationsgenauigkeit aufweist und die mit zwei oder mehr Rotoren ausgebildet werden kann, wobei die Rotordrehzahlen deutlich erhöht werden können und die Ma¬ schine als trockenlaufende Vakuumpumpe ausgelegt werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei der eingangs genann¬ ten Verdrängermaschine dadurch, daß die Motoren durch elek¬ tronische Regelung- und/oder Steuerungseinheiten synchron in Winkelposition und Drehzahl gesteuert und/oder geregelt werden, sowie ein Regelverfahren dafür, daß jedem Motor eine eigene Antriebsregeleinheit zugeordnet ist, die unab¬ hängig von den Antriebsregeleinheiten anderer Motoren ar-

beitet, und daß von einer HauptSteuervorrichtung den An¬ triebseinrichtungen Regelsollwerte zugeführt werden.

In weiterer Ausführung der Erfindung wird vorgeschlagen, die Rotoren aus Werkstoffen herzustellen bzw. die Roto¬ roberflächen mit Werkstoffen zu beschichten, die gute Not¬ laufeigenschaften besitzen. Das hat den Vorteil, daß, falls eine Steuerung oder Regelung in der Startphase oder bei Netzausfall nicht oder noch nicht optimal ausgerichtet ist, bei gegenseitiger Berührung die Flanken der Rotoren keinen Schaden nehmen.

Weiter ist es vorteilhaft, den Abstand der gegeneinander- laufenden Flanken der Rotoren in Bereichen geringer Rela¬ tivbewegungen auszuführen als in Bereichen höherer Relativ¬ bewegungen. Auch das dient, wie die vorher erwähnte Ma߬ nahme, dem Ziel, bei einer evtl. Berührung der Rotorflanken Schaden zu vermeiden oder ihn jedenfalls klein zu halten.

Als kostengünstige Lösung bieten sich als Antriebsmotoren Normmotoren mit normalen Wellenstumpf an.

Für einen leckagefreien Antrieb, bei dem ein Fördermedium- Austritt vermieden werden sollte, lassen sich für den An¬ trieb der einzelnen Rotoren völlig nach außen gekapselte Einbaumotore verwenden. Eine besonders vorteilhafte Form stellen die bekannten Bausatzspindelmotoren dar.

Als Alternative zu den eben erwähnten Einbaumotoren lassen sich bei beispielsweise aggressiven Medien erfindungsgemäß auch Spaltrohrmotore zum Antrieb der Rotoren einsetzen. Da¬ durch vermeidet man, daß die Statorwicklungen angegriffen werden, bzw. erspart man sich den vorher aufzubringenden, aufwendigen, notwendigen Korrosionsschutz für die Stator¬ wicklungen.

Um die einwandfreie Funktion der Pumpe von außen überprüfen zu können, wird erfindugsgemäß weiter vorgeschlagen, an die Pumpe Überwachungseinheiten anzuschließen, die Drehzahl, relative Winkelposition, Laufgenauigkeit, Temperaturen, Schlupf- und Drehrichtung messen und diese Daten an ein daran angeschlossenes, von außen zu überwachendes Anzei¬ gegerät weitergeben.

Desweiteren kann man vorteilhafterweise über die vorhandene elektronische Steuerung/Regelung mittels Drehzahlvariation die Pumpenleistung an die jeweilige geforderte Leistung op¬ timal anpassen.

Zum Schutz der Anlage kann vorteilhafterweise in die elek¬ tronische Regelungs- und/oder Steuerungseinheit ein Über¬ lastschutz für die Motoren und die Pumpe integriert sein, der mit optischer und/oder akustischer Signalgabe eine Vor¬ warnung gibt und nach einer vorher festlegbaren Zeitspanne automatisch die Anlage abschaltet oder die Drehzahl vermin¬ dert. Dadurch lassen sich in der Regel schwerere Schäden an der Anlage vermeiden.

Erfahrungsgemäß können beim Anfahren der Pumpe Schwierig¬ keiten durch ein teilweises Festsitzen der rotierenden Teile auftreten. Erfindungsgemäß läßt sich dies durch Inte¬ gration eines Anlaufimpuls-Drehmomentgebers in die elektro¬ nische Regelungs- und/oder Steuerungseinheit beheben. Dabei wird in vorher festlegbaren kurzen Zeitabständen ein in der Stärke vorgebbarer Drehimpuls ggf. mit unterschiedlicher Orientierung wiederholt an die Motoren der Pumpe gegeben, bis sich das festsitzende Rotorteil löst und die Pumpe ord¬ nungsgemäß betrieben werden kann.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Regelung der Verdrän¬ germaschine zeichnet sich dadurch aus, daß für jeden Motor eine eigene, unabhängige Einzelregelung durchgeführt wird,

und daß diese Regelung auf zentral vorgegebenen Regelsoll¬ werten basiert.

Dabei ist vorteilhaft als Regelsollwert ein Lagesollwert für den entsprechenden Rotor zu verwenden, der nach dem Prüfen der Lage des entsprechenden Rotors in einen Dreh¬ zahlsollwert umgesetzt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet zentral gesteuert mit dezentraler Regelung. Von einer zentral angeordneten Hauptsteuereinheit werden Vorgaben für das Betriebsverhal¬ ten der Einzelantriebe gemacht. Die Erzeugung dieser Vorga¬ ben (d.h. die Generierung der Sollwerte für die einzelnen Rotoren) könnte als "Virtueller Rotor" bezeichnet werden. Diese "ideale Maschine" weist keine Abweichungen der vorbe¬ rechneten Winkellagen auf.

Jede Antriebseinheit folgt mit ihrer eigenen Regelung der Vorgabe durch den entsprechenden Lagesollwert. Dies ge¬ schieht in jedem System unabhängig von den anderen paral¬ lelen Zweigen, so daß jede Antriebseinheit für sich genom¬ men nur das Ziel hat, die zum virtuellen Rotor passende Winkellage einzunehmen.

Aufgrund dieser Regelungsgestaltung führt die Maschine selbstständig das sog. "Homing" durch. Das bedeuted, daß die Rotoren beim Anlaufen bzw. während des Betriebes auto¬ matisch ihre Idealposition einnehmen. Anders als bei Ge¬ triebesynchronisierten Maschinenbei denen beim Zusammenbau die Synchronisation einmal eingestellt wird, ist dies er¬ findungsgemäß nicht erforderlich, da die Maschine selbst- synchronisierend ist und die Synchronisierung fortlaufend einstellt.

Zur Selbstdiagnose können ferner auch Mittel vorgesehen sein, um die Maschine etwas aus den Synchronlauf auszulen- ken. Es kann dann überprüft werden, wie schnell die Ma-

schine das "Homing" durchführt, und ob die Rotoren in Aus¬ gangsrelativlage zurückkehren oder eine neue, abweichende Relativlage einnehmen.

Da zu jedem Zeitpunkt verhindert werden muß, daß die Roto¬ ren während des Betriebs aneinanderschlagen, reicht es nicht aus, eine einfache Drehzahlregelung zu benutzen. Um die Soll-Lage jederzeit genauestmöglich einhalten zu kön¬ nen, ist in der Antriebsregeleinheit der Drehzahlregelung eine Lageregelung vorgeschaltet.

Dabei ist es vorteilhaft, die Differenz zwischen Lagesoll- wert und Lageistwert zu erfassen und ein Signal abzugeben, wenn sich die beiden Werte betragsmäßig um einen vorgegebe¬ nen Differenzwert unterscheiden. Das Signal kann dazu ver¬ wendet werden, die Drehzahl der gesamten Maschine zu ver¬ mindern oder die Maschine anzuhalten. In diesen Fällen kann ferner ein akustisches und/oder optisches Signal abgegeben werden. Da die Anforderungen an die Toleranzen mit der Drehzahl steigen, kann der Differenzwert drehzahlabhängig gestaltet sein.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der beige¬ fügten Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Verdrängermaschine mit einer elektroni¬ schen Regelung und Steuerung, bei der jeder Motor mit einem eigenen unabhängigen Regelkreis betrieben wird.

Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau einer mehrstufigen Ver¬ drängungsmaschine mit dem zugehörigen Steuer- und Regelsy¬ stem,

Fig. 3 zeigt schematisch den Aufbau der Antriebsregelein¬ heit für einen Motor.

Gemäß Fig. 1 umfaßt die Verdrängermaschine 100 zwei Ver¬ drängerrotoren mit den Rotorwellenansätzen 200 und 300, die

jeweils von getrennten Elektromotoren 9a und 9b angetrieben werden. An jedem der Elektromotoren ist an dem freien Wel¬ lenende ein Meßsystem installiert, das als Sensor 10a bzw. 10b für jede Motorwelle exakt die momentane Winkelposition mißt und mittels Differenziation nach der Zeit die jewei¬ lige Winkelgeschwindigkeit bestimmt. Diese Werte werden an Antriebregeleinheiten 3a bzw. 3b weitergeleitet. Diese Re¬ gelgeräte können beispielsweise von einer Versorgungsein- heit oder Hauptsteuereinheit 1, die direkt an die Netzver¬ sorgung angeschlossen sein kann, ihre elektrische Energie erhalten. Diese wird entsprechend der Sollwertvorgabe und den von den Meßsystemen 10a und 10b ständig eingehenden Ist-Meßwerten derartig von den Regelgeräten 3a und 3b an die einzelnen Elektromotoren 9a und 9b weitergegeben, daß die geforderte Genauigkeit hinsichtlich Winkelposition und Drehzahl zwischen den Verdrängerrotoren in der Verdränger¬ maschine ständig eingehalten werden kann. Dabei darf eine Positionsabweichung mit Sicherheit nur maximal wenige Winkelminuten betragen.

Fig. 2 zeigt den Aufbau eines Steuer- bzw. Regelsystems für eine zwei- bzw. dreistufige Verdrängungsmaschine, wobei die dritte Stufe gestrichelt dargestellt ist.

Über standardisierte Stromschnittstellen 20 werden Meßwerte aus dem Prozeß, beispielsweise mit Sensoren für Druck, ver¬ schiedene Temperaturen, 15a-c, Lagerzustand 13a-c, etc., aus der Verdrängereinheit erfaßt. Über eine Schnittstelle, die dem Antrieb zugeordnet ist, können weitere Betriebsda¬ ten wie Motorstrom, Drehzahl und Lagewinkel etc. erfaßt werden.

Zur Drehzahl- und Lagewinkelerfassung wird je nach Anwen- dungsfall ein optischer, vorzugsweise jedoch ein magne¬ tisch-induktiv arbeitender Inkrementalgeber lOa-c einge¬ setzt. Mit diesen Sensoren ist eine Genauigkeit im Bereich von Winkelsekunden oder bis zu maximal wenigen Winkelminu-

ten erreichbar. Durch diese hohe Genauigkeit der Sensoren kann die Genauigkeit des Regelsystems soweit gesteigert werden, daß eine trockenlaufende Vakuumpumpe realisierbar ist. Andere Sensorbauarten mit mindestens ähnlichem Auflö¬ sungsvermögen sind ebenfalls einsetzbar.

In der dargestellten Ausführungsform dient als Hauptsteuer¬ einrichtung ein Mikrokontroller l, der über die Schnitt¬ stelle 20 die entsprechenden Meßwerte von den Sensoren auf¬ nimmt. Desweiteren erzeugt der Mikrokontroller 1 Lagesoll¬ werte für Antriebsregeleinheiten 3a-c für die einzelnen Mo¬ toren 9a-c. Die Erzeugung der einzelnen Lagesollwerte für die Verdrängerrotoren 14a-c kann als Geήerierung eines "virtuellen Rotors" bezeichnet werden. Dieser virtuelle Ro¬ tor führt die Verdrängerrotoren und bestimmt die Drehzahl und die momentane Winkellage aller Rotoren zu jedem Zeit¬ punkt. Dieser virtuelle Rotor wird per Software im Mikro¬ kontroller 1 generiert.

Der Mikrokontroller 1 bestimmt aus den eingegebenen Meßwer¬ ten die optimalen Betriebsbedingungen für die Maschine und führt über den virtuellen Rotor die realen Rotoren.

Gegenüber dem physikalischen Aufbau eines Führungsrotors hat dieses Verfahren den Vorteil, daß SchwingungsVorgänge und Instabilitäten eines technischen Gebildes praktisch nicht auftreten und hohe Synchronität in der Bewegung der Rotoren zueinander gewährleistet ist. Die Einstellung des Synchronlaufes und der konstanten Winkelstellung der Motor¬ rotoren zueinander geschieht zentral geführt und dezentral geregelt. Nach einem Abgleich der Koordinatensysteme der Rotoren untereinander nehmen sie während der Drehung stets eine relative Winkellage ein, die ein Anschlagen der Ver¬ dränger 14a-c ausschließt und somit ein mechanisches Ge¬ triebe ersetzt.

Für die Übertragung der Sollwerte zu den Rotoren 14a-c wird ein echtzeitfähiges Bussystem verwendet. Mit seiner festen Zykluszeit und der garantierten Antwortzeit aller ange¬ schlossenen Teilnehmer wird ein exakt zeitgesteuertes Ver¬ halten realisiert. Aufgrund des Buskonzeptes mit einer Ma¬ ximalzahl von Teilnehmern deutlich größer als 3 (eine Hauptsteuereinrichtung und zwei Antriebsregeleinheiten) ist es möglich, die Zahl der Rotoren zu erhöhen und eine mehr¬ stufige Verdrängermaschine aufzubauen. Hier zeigt sich auch ein wesentlicher Vorteil der zentralen Steuerung und der dezentralen Regelung, da auf diese Weise gleichzeitig alle Rotoren geführt werden können; die Rotoren werden unabhän¬ gig voneinander geregelt und folgen dem Lagesollwert, so daß Einschwingvorgänge oder eine Destabilisierung des Sy¬ stems, die auftreten kann, wenn die Lage von Rotoren höhe¬ rer Stufen abhängig von der Lage eines vorhergehenden Ro¬ tors gesteuert werden, vermieden werden können.

Ferner ist ein Gleichstrom - Zwischenkreis 6 vorgesehen, der es bei Wahl einer geeigneten Versorgungseinheit 5 er¬ möglicht, daß eine frei wählbare Anzahl von Antriebseinhei¬ ten angeschlossen werden kann, so daß auch hierdurch ein mehrrotoriger Pumpenaufbau unterstützt wird. Ein Teil der Meßwerte der Sensoren lOa-c, 12a-c, 15a-c wird im internen Datenspeicher des MikroControllers 1 zu Diagno¬ sezwecken abgelegt. Aus diesen Meßwerten werden Rück¬ schlüsse über den Zustand der Pumpe gezogen, so daß eine ständige Selbstkontrolle durchgeführt werden kann. Bei Er¬ kennung eines möglichen Defektes (beispielsweise Tempera¬ turanstieg, Schaden am Wälzlager 12a-c) kann adäquat rea¬ giert werden.

Den Antriebsregeleinheiten 3a-c sind Frequenzumformer 4a-c nachgeschaltet, und mittels des Mikrocontrollers 1 und den schnellen digitalen Reglern 3a-c kann das Verhalten des Sy¬ stems optimal an die Erfordernisse des jeweiligen Einsatz¬ prozesses angepaßt werden.

Über eine Schnittstelle 23 (RS 232) kann ein Bedienungs¬ panel 17 angeschlossen werden, um Meßwerte abzufragen oder über eine Tastatur Betriebsdaten zu ändern. Zu Service¬ oder Diagnosezwecken kann über eine weitere Schnittstelle 22 bei Bedarf ein Personalcomputer (PC) 19 angeschlossen werden. Zur Fernüberwachung ist eine Feldbusschnittstelle 24 eingerichtet. Neben den Eingriffen, die über das Panel 17 und den PC 19 vorgenommen werden können, werden über die Schnittstelle 24 Daten über den Feldbus 16 an einen Leit¬ stand übergeben.

Über parallel geführte, digital arbeitende Eingabe- /Ausgabe-Kanäle können vom Mikrocontroller 1 sowohl binäre Sensorsignale 18 aufgenommen werden und Signale ausgegeben werden. Mit Hilfe dieser Einheit können beispielsweise Si¬ cherheitsschalter überwacht oder Leuchtdioden zur Benut¬ zerinformation angesteuert werden.

Da alle Antriebsregeleinheiten im wesentlichen gleich auf¬ gebaut sind, ist in Fig. 3 nur eine Antriebsregeleinheit beispielhaft dargestellt. Mit dem Rotor 9 ist eine Sen¬ soreinheit 10 verbunden, die den Lagezustand des Motors 9 und damit den Lagezustand des Rotors 14 ermittelt und einen Lage-Istwert 33 ausgibt. Dieser Lage-Istwert wird dem nega¬ tiven Eingang eines Subtrahiergliedes 32 zugeführt. Das Subtrahierglied 32 erhält an seinem positiven Eingang einen Lage-Sollwert 31 von der Hauptsteuereinheit 1 (vgl. Fig. 2) . Das Subtrahierglied bildet die Differenz zwischen Lage- Sollwert und Lage-Istwert und gibt das Differenzsignal an die Antriebsregeleinheit 3 aus.

In der Antriebsregeleinheit 3 erfolgt zunächst eine Lage¬ verarbeitung 36, bei der beispielsweise geprüft wird, ob die Lagedifferenz innerhalb einer vorgegebenen Toleranz liegt. Ist dies im Ausnahmefall nicht erfüllt, kann bei¬ spielsweise über eine (nicht dargestellte) Leitung ein Aus-

lösesignal an die Hauptsteuereinrichtung abgegeben werden. Die Hauptsteuereinrichtung kann dann ggf. die Drehzahl des "virtuellen Rotors" vermindern oder die Maschine abschal¬ ten. Ferner kann ein akustisches und/oder optisches Anzei¬ gesignal abgegeben werden. Aus der Lagedifferenz wird an¬ schließend in einer Einheit 37 ein Drehzahl-Sollwert 30 er¬ mittelt und dem positiven Eingang eines weiteren Subtra¬ hiergliedes 34 zugeführt. Dem negativen Eingang des Subtra¬ hiergliedes 34 wird ein Drehzahl-Istwert 35 zugeführt, der aus dem Lage-Istwert über ein Differenzierglied 40 erhalten wurde. Das Subtrahierglied 34 bildet die Differenz zwischen Drehzahl-Sollwert 30 und Drehzahl-Istwert 35 und führt das so erhaltene Drehzahl-Differenzsignal einer DrehzahlVerar¬ beitung 38 zu. Bei der Drehzahlverarbeitung 38 wird ge¬ prüft, ob die Drehzahldifferenz innerhalb vorgegebener Grenzen liegt. Gegebenenfalls kann auch hier die Erzeugung eines Auslösesignals wiebei der Lageverarbeitung vorgesehen sein. Anschließend wird die Drehzahldifferenz in einer Ein¬ heit 39 in ein Drehzahl-Änderungssignal bzw. ein Beschleunigungssignal umgesetzt (die Beschleunigung umfaßt dabei selbstverständlich Drehzahlerhöhungen oder Drehzahl- Verminderungen) . Das Beschleunigungssignal wird an¬ schließend der Maschinensteuerung 4 zugeführt, die den Mo¬ tor 9 entsprechend regelt. Der oben beschriebene Regelvor¬ gang wird fortlaufend in sehr kurzen Zeitabständen durch¬ geführt.

Bei der oben dargestellten Ausführungsform wurde davon aus¬ gegangen, daß die HauptSteuereinrichtung für jede Antriebs- regeleinheit einen unterschiedlichen Lagesollwert generiert und ausgibt. Da in der "idealen Maschine" die Relativlagen der Rotoren sich nicht verändern ist es aber auch möglich, allen Antriebsregeleinheiten denselben Lagesollwert zuzu¬ führen und die (konstante) Lagedifferenz für den betroffe¬ nen Rotor in der Lageverarbeitung 36 der jeweiligen An¬ triebsregeleinheit zu berücksichtigen.

Mit der erfindungsgemäßen Einzelregelung der Rotoren, die unabhängig voneinander mit Bezug auf einen "virtuellen Ro¬ tor" geregelt werden, ist der Aufbau einer schnellen und genauen Synchronregelung für mehrstufige Verdrängungsma¬ schinen möglich.