DE4211191C2 - Verfahren zur Steuerung des elektromotorischen Antriebs eines Verdichters - Google Patents
Verfahren zur Steuerung des elektromotorischen Antriebs eines VerdichtersInfo
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- F04B49/022—Stopping, starting, unloading or idling control by means of pressure
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des
elektromotorischen Antriebs eines Verdichters, abhängig
von den Druckverhältnissen in einem dem Verdichter nach
geordneten Druckspeicher, bei dem der Antrieb in den
Stillstand geschaltet wird, wenn unter anderem die im
ersten Teil des Anspruch 1 aufgeführten Bedingungen er
füllt sind.
Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (DE-PS 32 37 251)
ist die Steuerung so ausgebildet, daß der Antrieb
des Verdichters in den Leerlauf oder in den Stillstand
geschaltet wird, wenn ein oberer Druckgrenzwert im Druck
speicher erreicht bzw. überschritten worden ist. Das Set
zen des Antriebs in den Stillstand kommt hierbei jedoch
nur in Frage, wenn zu erwarten ist, daß innerhalb einer
bestimmten Zeitspanne ein Wiederanlaufen des Antriebs des
Verdichters nicht zu erwarten ist. Für den Fall einer
relativ großen Druckentnahme aus dem Druckspeicher be
steht nämlich die Gefahr, daß der Antrieb des Verdichters
in kurzen Zeitabständen abgeschaltet und wieder ange
schaltet wird, wobei die daraus resultierende hohe
Schalthäufigkeit u. a. zu einem hohen Verschleiß des
Verdichters führen kann. Zur Vermeidung dieses Nachteils
wird bei dem bekannten Verfahren die momentane
Druckabfallgeschwindigkeit erfaßt und unter Einbeziehung
des aktuellen Druckwerts und des unteren Druckgrenzwertes
eine voraussichtliche Zeitspanne ermittelt, die mit einer
vorgegebenen Mindestzeitspanne verglichen wird.
Ein Abschalten, d. h. ein Stillstand des Antriebs des Ver
dichters, wird nach dem Stand der Technik nur zugelassen,
wenn die voraussichtliche Zeitspanne größer ist als die
vorgegebene Mindestzeitspanne. Die Steuerung nach diesem
bekannten Verfahren vermeidet zwar das Auftreten von re
lativ kurzen Stillstandzeiten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
der eingangs genannten Art so fortzubilden, daß die Be
dingung für den Stillstand des Antriebs optimiert wird.
Zur Lösung der Aufgabe weist ein Verfahren der eingangs
genannten Art die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs
1 auf.
In vorteilhafter Weise wird mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren erreicht, daß die Ermittlung der voraussichtli
chen Zeitspanne bis zum Erreichen der unteren Druckgrenze
dahingehend verbessert wird, daß zu jedem Zeitpunkt nach
dem Überschreiten der oberen Druckgrenze eine Korrektur
der Bedingung die zum Stillstand des Antriebs führen bzw.
aufrechterhalten, durchgeführt wird. Mit der erfindungs
gemäßen Lösung werden in vorteilhafter Weise optimal
kurze Leerlaufzeiten erreicht, wodurch ein minimaler En
ergieverbrauch erzielt werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur
dargestellt, die ein Zeitdiagramm der Druckverhältnisse
in einem Druckspeicher eines Antriebs eines Verdichters
zeigt.
Im oberen Teil der Figur ist ein Diagramm gezeigt, das
den Verlauf eines Druckes p in einem herkömmlichen,
hier nicht näher beschriebenen Druckspeicher über der
Zeit t dargestellt, wobei zunächst ein Anstiegs des
Drucks p von einem unteren Druckgrenzwert Punten und dann
ein Ansteigen auf einen oberen Druckgrenzwert Poben und
dann wiederum ein Absinken des Druckverlaufs mit der
Druckabfallgeschwindigkeit dp1/dt über einen aktuellen
Druckwert Pist hinaus auf den unteren Druckgrenzwert Punten.
Eine Zeitspanne zwischen dem letzten Anschalten ei
nes Antriebs des erfindungsgemäßen Verdichters beim Er
reichen des unteren Druckgrenzwertes Punten und dem aktu
ellen Druckwert Pist wird mit t2 bezeichnet.
Eine voraussichtliche Zeitspanne vom aktuellen Druckwert
Pist bis zum Erreichen des nächsten unteren Druckgrenz
wertes Punten ist mit t1 bezeichnet. Weiterhin ist auf
der Zeitachse t eine Zeitspanne 1/SH eingetragen, die dem
Kehrwert der zulässigen Schalthäufigkeit des Antriebs
entspricht. Diese Schalthäufigkeit SH wird in der Größen
ordnung von Schaltvorgängen pro Stunde angegeben
(Beispiel: 4 Schaltvorgänge pro Stunde entspricht 1/SH =
15 min).
Zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird
zunächst auf die prinzipielle Funktionsweise des
Ausführungsbeispiels mit der oben bereits erwähnten An
ordnung in Form eines Druckluftverdichters eingegangen.
Solche Druckluftverdichter werden üblicherweise in Zwei
punkt-Regelung betrieben, wobei nach Erreichen des oberen
Druckgrenzwert Poben, z. B. bei 10 bar, der Verdichter
aufhört, den Druck im Druckspeicher weiter zu erhöhen.
Der Druckluftverbrauch eines von der Anordnung versorg
ten druckluftbetriebenen Geräts wird dann anschließend
durch den Druckluftspeicher gedeckt. Während dieser Zeit
geht der Verdichter in den Leerlauf bzw. er wird unter
bestimmten Bedingungen in den Stillstand versetzt. Der
Antrieb wird wieder in den Förderbetrieb versetzt, wenn
der untere Druckgrenzwert Punten z. B. 8,0 oder 9,0 bar
unterschritten wird.
Bei einer Ausführungsform mit einem ölüberfluteten
Schraubenverdichter beträgt beispielsweise die Leerlauf
leistung etwa 15-30% der Lastlaufleistung; ein typischer
Wert ist hierbei 25%. Ein Hauptgrund, weshalb diese
Druckluftverdichter nicht sofort in den Stillstand ge
setzt werden sollen, sobald sie keine Druckluft mehr för
dern, ist eine nur begrenzt zulässige Anlaufhäufigkeit
bzw. Schalthäufigkeit SH des elektromotorischen Antriebs.
Wenn eine hohe Druckabfallgeschwindigkeit dp/dt im
Druckspeicher durch einen Verbraucher auftritt, müßte der
Verdichter in kurzer Zeit wieder anlaufen und die maximal
zulässige Schalthäufigkeit SH könnte überschritten wer
den.
Es wäre daher zunächst vorteilhaft, den Übergang in den
Stillstand des Antriebs des Verdichters nur dann zuzulas
sen, wenn seit dem letzten Anlauf des Antriebs wenigstens
eine Zeitspanne entsprechend dem Kehrwert der Schalthäu
figkeit SH (=1/SH) vergangen ist. Je länger sich der
Verdichter im Stillstand anstatt im Leerlauf befindet,
desto niedriger ist der Energiebedarf bei gleicher Menge
erzeugter Druckluft.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Verdichter
erst dann in den Stillstand gesetzt, wenn die folgenden
Bedingungen gleichzeitig erfüllt sind:
- 1) Der Verdichter muß keine Druckluft mehr fördern d. h. er befindet sich in Leerlauf nachdem der obere Druck grenzwert Poben erreicht worden ist.
- 2) Eine voraussichtliche Zeitspanne t1, die voraussicht
lich vergehen wird, bis wieder der untere Druckgrenzwert
Punten erreicht wird, d. h. die Zeit in der der Druckluft
verbrauch allein durch den Druckluftspeicher gedeckt
wird, ist größer als eine bestimmte vorgegebene Mindest
zeitspanne tmin, z. B. 1 Minute. Während dieser Zeit wird
vom Verdichter keine Druckluft gefördert.
Die Zeitspanne t1 wird wie folgt ermittelt: t1 = (Pistt-Punten)/(dp/dt)wobei
Pist den momentanen Druck,
Punten den unteren Druckgrenzwert und
dp/dt die Druckabfallgeschwindigkeit dar stellt. - 3) Eine bereits vergangene Zeitspanne t2 seit dem letzten Anlaufen des Antriebs ergibt, addiert zur Zeitspanne t1 eine Gesamtzeitspanne, die größer ist als der Kehrwert der Schalthäufigkeit (1/SH) des Antriebs.
- 4) Die bereits vergangene Zeitspanne t2 seit dem letzten Anlauf des Antriebs ist größer als das Produkt aus dem Kehrwert der Schalthäufigkeit (1/SH) und dem Risikofaktor k, wobei k Wert zwischen größer 0 und kleiner 1 ist.
Die Bedingung 1) ist hierbei zunächst selbstverständlich,
d. h. ein Stillstand des Antriebs kommt nur in Frage, wenn
der Verdichter keine Druckluft mehr fördern muß.
Die Bedingung 2) ist wesentlicher Bestandteil der Opti
mierung hinsichtlich der Vermeidung kurzer Stillstands
zeiten des Antriebs, wie es aus dem Stand der Technik be
kannt ist.
Die Bedingung 3) und 4) werden im Folgenden gemeinsam be
trachtet. Die Bedingung 3) besagt, daß die maximale
Schalthäufigkeit SH (beispielsweise 4 pro Stunde) des An
triebs wahrscheinlich nicht übertroffen wird. Vollkommene
Sicherheit, daß dies der Fall ist, gewährleistet diese
Bedingung allerdings nicht. Es kann nämlich passieren,
daß eine plötzliche Erhöhung des Druckluftverbrauches
einen Einbruch des Luftdruckes hervorruft, so daß der un
tere Druckgrenzwert Punten früher erreicht wird, als die
Trendberechnung gemäß Bedingung 2) ergeben hat. In diesem
Fall würde der Verdichter wieder anlaufen, ohne daß die
Zeitspanne zwischen zwei Anläufen größer wäre als die
Zeitspanne (1/SH). Die Bedingung 4) sorgt nun dafür, daß
dies keine gravierende Folgen haben kann, weil durch den
Risikofaktor k immer eine obere Grenze für die Schalthäu
figkeit gegeben ist, d. h. es liegt immer eine vorgebbare
Mindestzeitspanne zwischen zwei Anläufen des Verdichter
antriebs vor. Wählt man z. B. k=0,7, so beträgt diese
Mindestzeitspanne 70% des Kehrwerts der Schalthäufigkeit.
In Fällen, in denen der Druckluftverbrauch keinen großen
Schwankungen unterworfen ist, bzw. in denen das Druck
speichervolumen groß ist, kann der Risikofaktor k klei
ner gemacht werden und umgekehrt.
Das anhand des vorangehend beschriebenen Ausführungsbei
spiels angewendete Verfahren zur Steuerung von Antrieben
für Verdichter ist insbesondere für Druckluftkompresso
ren und Schraubenkompressoren aller Art geeignet.
Claims (3)
1. Verfahren zur Steuerung des elektromotorischen Antriebs
eines Verdichters, mit einem dem Verdichter nachgeord
neten Druckspeicher, wobei der Antrieb des Verdichters
zwischen Stillstand, Leerlauf und Laststufe umschaltbar
ist und das Umschalten zwischen Laststufe und Leerlauf
in Abhängigkeit der oberen und unteren Druckgrenzwerte
im Druckspeicher erfolgt, der Druckabfall ΔP/Δt und
ein aktueller Druck pi nach dem Umschalten von der Last- auf
die Leerlaufstufe gemessen und durch eine lineare
Extrapolation des Druckes eine erste Zeitspanne t₁ be
rechnet wird, bei welcher der Druck voraussichtlich den
unteren Druckgrenzwert erreicht, dadurch gekennzeich
net, daß der Antrieb dann auf Stillstand umgeschaltet
wird, wenn folgende Bedingungen gleichzeitig vorliegen:
- a) die erste Zeitspanne t₁ ist größer als eine vorgegebene Mindestzeitspanne von t min
- b) die aktuelle voraussichtliche Einschalthäu
figkeit des Antriebs ist kleiner als eine
vorgegebene zulässige maximale Einschalthäu
figkeit SH des Antriebs mit
T = t₁ + t₂
0 < K < 1 (K = Risikofaktor)
t min = ca. 1 Minute.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß
- - der Risikofaktor (k) zwischen mindestens 0,5 und 0,9 liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß
- - der Risikofaktor (k) maximal 0,8 beträgt.
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