WO2022228703A1 - Verfahren zur kontaktlosen ermittlung eines betriebszustandes - Google Patents

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WO2022228703A1
WO2022228703A1 PCT/EP2021/066090 EP2021066090W WO2022228703A1 WO 2022228703 A1 WO2022228703 A1 WO 2022228703A1 EP 2021066090 W EP2021066090 W EP 2021066090W WO 2022228703 A1 WO2022228703 A1 WO 2022228703A1
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WO
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magnetic field
compressor
frequency
operating state
speed
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Application number
PCT/EP2021/066090
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English (en)
French (fr)
Inventor
Florian Wagner
Tobias Sprügel
Patrick Jahn
Original Assignee
Kaeser Kompressoren Se
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Publication date
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Priority to CA3213223A priority patent/CA3213223A1/en
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Priority to JP2023565935A priority patent/JP2024518895A/ja
Priority to US17/527,665 priority patent/US12061220B2/en
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/42—Devices characterised by the use of electric or magnetic means
    • G01P3/44—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
    • G01P3/48—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage

Definitions

  • the invention relates to a method for determining, in particular contactless determining, an operating state of a compressor and/or a speed of a compressor drive.
  • the invention also relates to a device for carrying out a method according to the invention.
  • the information required to determine these parameters can be supplied, for example, by controlling the compressor via a communication interface such as Ethernet, Modbus or Profibus.
  • compressors are used without a controller and/or without a corresponding communication interface.
  • the communication interface can also use a proprietary and/or encrypted Protocol working, which provides the relevant data only for the manufacturer of the compressor.
  • the detection of the "motor running" and "load” signals is known.
  • the positions or the control commands for the mains contactor i.e. the information as to whether the compressor drive is supplied with electrical energy and the contactor, are transmitted via potential-free contacts in a switch cabinet of a compressor for controlling the inlet valve, i.e. the information as to whether air is flowing unhindered into the compressor, i.e. air is being conveyed, is tapped.
  • the detected position of the mains contactor and contactor for controlling the inlet valve can be used to differentiate between the operating states of the compressor: standstill, no-load operation and running under load will.
  • reflex pulse count reflection markers are attached to the shaft between the compressor drive and the compressor.
  • the number of pulses per time unit of the rotating shaft is counted via an optical sensor.
  • the number of pulses per unit of time is proportional to the speed of the shaft.
  • the number of pulses can thus be used to determine the speed of the shaft and thus the speed of the compressor drive.
  • this type of speed determination has the disadvantage that the reflective markers can only be attached to the shaft when the machine is at a standstill.
  • the attachment of the optical sensor requires time, since the optical sensor can slip due to vibrations of the compressor during operation. Therefore, the optical sensor must be attached via a solid mechanical attachment.
  • the signal is recorded in such a way that the effective value of the current strength is calculated via one or more waves of the alternating current from the measured value of the current strength (alternating current) taken from the phase via the magnetic field strength.
  • the rms current of an alternating current represents the equivalent current of a direct current.
  • the operating states “standstill”, “idling” and “load operation” can be differentiated by threshold value formation.
  • the relationship between magnetic field strength, effective value of the current and operating state is shown in FIG. 3 as an example.
  • a threshold value of 30 A for the detection of the “idle” operating condition and a threshold value of 160 A for the detection of the “load run” operating condition were used for the derivation of the operating condition. These two values must be taken from the data sheet of the respective compressor or based on values of the data sheet are calculated. With this prior art method, a very precise measurement of the effective value of the current is consequently necessary.
  • the stated object is achieved by a method according to claim 1, by a device according to claim 22, by a use according to claim 24 and also by a computer-readable storage medium according to claim 25.
  • the object is achieved by a method for determining, in particular for determining without contact, an operating state of a compressor and/or a speed of a compressor drive, in particular a variable-speed or fixed-speed compressor drive, having the following method steps:
  • contactless is to be understood in particular as meaning that there is no electrical contact. There can certainly be mechanical contact.
  • the term “current” describes in particular an alternating current or three-phase current.
  • compressor refers in particular, but not exclusively, to compressors and related machines, such as fans and the like. It is also common for a compressor to have, among other things, a compressor block, where the compressor block is driven by a compressor drive, for example an electric motor, in particular an electric motor with one, two or more pole pairs.
  • power supply cable is understood in connection with the present invention in particular, but not exclusively, a cable for the power supply of the compressor and / or a cable for the power supply of the compressor drive. It is also possible that the power supply cable other electrical components of the compressor with electricity Such additional components could be, for example, fan motors, valves, a machine controller or the like.
  • motor supply line means all conductors in the immediate area of the compressor drive that are provided or arranged to drive the compressor drive.
  • the motor supply line can be conductors in the periphery of the compressor drive, on or in the housing of the compressor drive on or in the compressor drive itself include, including current-carrying coils that are provided to drive the compressor drive or support the drive of the compressor drive
  • a neutral conductor if it is current-loaded, is regarded as a phase.
  • detection of a magnetic field describes in connection with the present invention in particular, but not exclusively, the detection of one or more magnetic parameters.
  • This magnetic parameter can be an absolute value at a point in time or several absolute values in a time range. It is also It is possible that a development of the magnetic parameter over time is recorded within a time range.
  • detection of a magnetic field can also be understood to mean the ratio of absolute measured values to one another in a specific time range.
  • the physical variables of the magnetic field can also be recorded without units and, if necessary, further processed or specified (also in the representation in the figure part of the application).
  • the relation of the numerical values to one another is relevant.
  • a linear scaling of the axes is therefore preferably also used in the representation.
  • One advantage of the method according to the invention is that the speed of the compressor drive and/or the operating state of the compressor can be determined on the basis of the analysis of the frequency spectrum of the magnetic field.
  • a further advantage of the method according to the invention is that the exact value of the magnetic parameter and/or the fleas of the effective value of the current is not required in order to determine the speed of the compressor drive and/or the operating state of the compressor. In this respect, it is possible to work with recorded values for magnetic parameters and/or fleas of the effective value since their relative change over time appears to be sufficient for the analysis according to the invention. It is also not so important at which exact position of the generated magnetic field these values are recorded, since in this respect only their relative change over time is important.
  • the detection of the magnetic field includes the detection of a magnetic field strength, in particular using a Rogowski coil, and/or the detection of a magnetic flux density, in particular using a fall sensor or a magnetoresistive sensor.
  • One advantage of this embodiment is that devices known from the prior art and, in the case of the fall sensor, are inexpensive devices that can be combined with the method according to the invention. It is also possible for the direction of a magnetic vector and/or the amount of a magnetic vector to be detected.
  • the method according to the invention has the following method step:
  • the detection element can be variably attached to one phase of the power supply cable or the motor lead.
  • the detection element in the case of a compressor with a frequency converter, the detection element is fitted between the frequency converter and the compressor drive, in particular when a speed is determined.
  • the detection element can be attached anywhere in the power supply of the compressor drive.
  • the detection element can be installed in the supply line of the compressor or directly in front of the flap drive motor or anywhere in between. It is also possible to provide the detection element directly on or within the flap drive motor.
  • the method according to the invention comprises the following step:
  • the detection element can be variably attached to a number of, in particular all, phases of the power supply cable or the motor feed line. Consequently, the magnetic field generated by the current of the several phases of the power supply cable or the motor cable is measured. It is sufficient for the method according to the invention that the detection element is attached to several phases. There is no need for a mechanical separation of the individual phases of the power supply cable or the motor cable, which simplifies the attachment of the detection element in particular, since it does not have to be attached to a special phase.
  • the analysis of the frequency spectrum includes an analysis of the time profile of the magnetic field.
  • An advantage of this embodiment is that the method according to the invention can be used variably.
  • the frequency components contained in the course of the magnetic field over time are advantageously analyzed using a Fourier analysis and/or a wavelet analysis and/or a Görtzel algorithm.
  • An advantage of this embodiment is that the method according to the invention can be combined with mathematical methods known from the prior art. This is particularly advantageous in the light of a software implementation of the method according to the invention, since a reduction in the computing load and memory load can be achieved in this way. It has also been shown that the frequency resolution can be increased by using the Görtzel algorithm. It has also been shown that the Görtzel algorithm in particular can be efficiently implemented in digital signal processors.
  • the frequency of the magnetic field and the fundamental frequency are determined by analyzing the individual frequency components of the current of at least one phase of the power supply cable or the motor lead is determined based on the frequency of the magnetic field.
  • the term "fundamental frequency” means in particular, but not exclusively, the fundamental frequency of the alternating or three-phase current, in particular the frequency greater than 0 Hz with the highest amplitude.
  • An advantage of this embodiment is that the magnetic field strength and the r.m.s. current fleas need not be known exactly for the method according to the invention. It's all about finding out the frequency at which the magnetic field oscillates.
  • the frequency of the oscillation of the magnetic field is the same frequency with which the three-phase current of the compressor drive rotates.
  • the rotational speed of the compressor drive is determined from the determined fundamental frequency of the current, in particular by using a factor.
  • An advantage of this embodiment is that the speed of the compressor drive can be reliably determined.
  • the factor "1" is assumed for a compressor drive with one pair of poles, while the factor "2" is assumed for a compressor drive with two pairs of poles.
  • An advantage of this embodiment is that methods known in the art for attaching the sensing element can be used. As a result, no new staff training is required, which reduces the costs for a compressor operator.
  • phase in particular all phases of the power supply cable or the motor feed line
  • the magnetic field which is generated in total by several, in particular all, phases of the power supply cable or the motor feed line is detected.
  • the state of the art assumes that no magnetic field can be detected here, since in theory the magnetic fields of the individual currents in the symmetrically loaded phases cancel each other out.
  • the phases are not symmetrically loaded, which results in so-called leakage currents between the individual phases (and also any neutral conductor that may be present). These leakage currents also generate a magnetic field whose field strength can be recorded.
  • This magnetic field and in particular the magnetic parameters are orders of magnitude smaller than the magnetic field and the magnetic parameters when measuring a single phase.
  • the magnetic field and also the magnetic parameters and in particular their qualitative course over time can be reliably recorded. This makes it possible for the magnetic field to be detected at points on the power supply cable or the motor cable that do not require electrically trained personnel.
  • An example of such a location is the interior of the machine on the supply line to the compressor drive in front of the terminal box of the compressor drive.
  • the magnetic field can even be detected outside the compressor in an electrical supply line. It is also possible that not only the phases of the power supply cable of the compressor or the compressor drive are detected, but also a possibly present neutral conductor of the power supply cable.
  • a phase spectrum of the magnetic field is evaluated to determine the operating state and/or the rotational speed.
  • An advantage of this embodiment is that the determination of operating condition and/or speed is improved. The reason for this is that the phase spectra differ significantly from one another in the different operating states and/or the different speeds.
  • an amplitude spectrum of the magnetic field, in particular in a defined time range, is evaluated to determine the operating state and/or the rotational speed.
  • An advantage of this embodiment is that the determination of operating condition and/or speed is improved. This is due to the fact that the amplitude spectra differ significantly from one another in the different operating states and/or the different speeds.
  • the time range is 200 ms to 20 s, preferably 300 ms to 10 s, particularly preferably 500 ms to 5 s, in particular 750 ms to 3 s, in particular 1 s.
  • An advantage of this embodiment is that the time range can be chosen according to the requirements of the compressor and the implementation of the method according to the invention.
  • the phase spectrum of the magnetic field is automatically evaluated, in particular by forming the variance of the phase spectrum in a frequency range from 0 Hz to 10 kHz, preferably 0 Hz to 1 kHz, particularly preferably in a range around an excitation frequency.
  • One advantage of this embodiment is that, depending on the compressor drive, the frequency range in which the phase spectrum is evaluated can be adjusted accordingly. It has been shown that for a high-speed compressor drive a frequency range from 0 Hz to 10 kHz, for a non-high-speed compressor drive a frequency range from 0 to 1 kHz and for a fixed-speed compressor drive a frequency range around the excitation frequency, in particular around 50 Hz or 60 Hz with a variance of ⁇ 5 Hz is appropriate.
  • the amplitude spectrum of the magnetic field is automatically evaluated, in particular by forming the variance of the amplitude spectrum in a frequency range from 0 Hz to 10 kHz, preferably 0 Hz to 1 kHz, particularly preferably in a range around an excitation frequency.
  • a frequency range from 0 Hz to 10 kHz, preferably 0 Hz to 1 kHz, particularly preferably in a range around an excitation frequency.
  • the frequency range is a multiple, in particular a 2-fold to 10-fold, of the excitation frequency.
  • An advantage of this embodiment is that the frequency range can be chosen appropriately depending on the hardware or software available for the sampling.
  • the operating state of the compressor is determined based on the frequency spectrum of the magnetic field using a cluster method and/or a classification method.
  • An advantage of this embodiment is that it enables an automatic determination of the operating state of the compressor.
  • the cluster method and/or the classification method uses threshold values or a statistical method, in particular k-means and/or neural networks.
  • the determination of the operating state in the sense of the present invention can also be carried out with the support of artificial intelligence or machine learning
  • One advantage of the cluster method or the classification method is that largely automated methods can be used both in the cluster method and in the classification method. In particular, this means an improvement in the determination of the operating state of the compressor.
  • the classification method comprises three classifications, in particular the classifications standstill, idling and running under load.
  • a further embodiment describes that each classification is defined based on the level of a statistical parameter.
  • One advantage of this embodiment is that the statistical parameter, for example the variance, the average, the modal value and the like, can be calculated quickly and reliably, in particular when the method according to the invention is implemented using software.
  • the operating state of the compressor and/or the speed of the compressor drive is determined by analyzing the amplitude spectrum of the magnetic field in the frequency range of an excitation frequency.
  • An advantage of this embodiment is that an alternative method of determining the operating condition of the compressor and/or the speed of the compressor drive is provided.
  • a threshold value is formed during the analysis of the amplitude spectrum.
  • One advantage of this embodiment is that it allows the operating state to be recognized automatically.
  • a device for carrying out a method according to one of the preceding embodiments having the following: a detection element for attachment to at least one phase of a power supply cable or a motor feed line, the detection element being a Rogowski coil, a current clamp, a MEMS magnetometer, and/or a Hall sensor or a magnetoresistive sensor.
  • one advantage of the device according to the invention is that, based on the analysis of the frequency spectrum of the magnetic field, the speed of the compressor drive and/or the operating state of the compressor can be determined.
  • a further advantage of the device according to the invention is that the exact value of the magnetic parameter and/or the level of the effective value of the current is not required in order to determine the speed of the compressor drive and/or the operating state of the compressor. Consequently, these parameters do not have to be determined with great design effort, as is usual in the prior art. Rather, it is possible, for example, to determine an operating state of the compressor and/or determine a speed of the compressor drive by comparing the magnetic parameters detected within a time range with one another.
  • the device according to the invention enables a simpler determination of the rotational speed of the compressor drive and/or a simplified determination of the operating state of the compressor.
  • the device according to the invention enables the rotational speed of the compressor drive and/or the operating state of the compressor to be determined without precise knowledge of the characteristic values of the compressor or the compressor drive.
  • the device according to the invention is consequently also suitable for already installed compressors or compressor drives.
  • the detection element has at least one sensor unit, the sensor unit including at least two of the following sensors: a sensor for detecting a magnetic field strength in an X direction, a sensor for detecting a magnetic field strength in a Y direction, or one Sensor for detecting a magnetic field strength in the Z direction.
  • One advantage of this embodiment is that the at least two sensors enable the magnetic field to be detected independently of the position of the respective sensor unit.
  • the object is also achieved by using a device according to the previous embodiments for determining a speed of a compressor drive and/or for determining an operating state of a compressor.
  • the advantages of the device are achieved by the use according to the invention.
  • the object is also achieved by the computer-readable medium according to the invention with instructions which, when executed on one or more computing units, implement a method according to one of the preceding embodiments.
  • the computer-readable medium according to the invention including computer-executable instructions, results in improved IT handling of the method according to the invention.
  • Fig. 1 a known in the prior art detection of
  • Fig. 2 a known in the prior art detection of
  • Fig. 3 a relationship known from the prior art between the magnetic field strength, the effective value of the current and the operating state
  • Fig. 7 an inventive evaluation of a time segment
  • FIG. 8 an example of a phase spectrum of a compressor with a fixed-speed compressor drive under load (Fig. 8a), idle (Fig. 8b) and standstill (Fig. 8c)
  • Fig. 9 the detection of the operating state from the variance of
  • FIG. 10 the detection of the operating state from the detected magnetic flux density (FIG. 10a) in the operating mode “load run” (FIG. 10b) and in the operating mode “idle run” (FIG. 10c).
  • Fig. 12 detection of the operating state based on the values of the
  • the present invention is based on detecting the current-induced magnetic field of phases LI, L2, L3.
  • the evaluation of the magnetic field strength as an indicator of the current strength or the effective value of the current is dispensed with.
  • the Method according to the invention by analyzing the frequency range, for example using Fourier analysis, wavelet analysis, or the Görtzel algorithm, analyzes the time profile of the magnetic field strength with regard to the frequency components contained therein. By analyzing the individual frequency components, the frequency of the magnetic field is identified, which can be traced back to the fundamental frequency of the three-phase current with which the compressor drive is driven. An example of such a frequency analysis for a time segment from the magnetic field strength signal is shown in FIG.
  • FIG. 1 shows a known state of the art for detecting the current intensity at a compressor 1, for example a compressor with a fixed-speed compressor drive 2.
  • the compressor 1 has a compressor drive 2, which is, for example, an electric motor and has a corresponding motor winding 8.
  • a terminal box 9 is fitted in front of the compressor drive. Both the compressor drive 2 and part of the power supply cable 4 and the terminal box 9 are housed in a machine interior 5 .
  • a detection element 3 is attached to one of the phases of the power supply cable 4 after the mains contactor 7, ie in the area of the control cabinet 6. As can be seen from FIG. 1, part of the power supply cable 4 extends between the machine interior 5 and the switch cabinet 6.
  • FIG. 1 shows how the detection element 3 is attached to the phase LI.
  • Figure 2 shows schematically a known in the prior art detection of the current at a compressor 1, for example a compressor, with a variable-speed compressor drive 2.
  • the detection of the current at the compressor 1 with a variable-speed compressor drive 2 differs from the detection of the current at a compressor 1 with a fixed-speed compressor drive 2 in that the detection element 3 is attached to one of the phases of the power supply cable 4 after a frequency converter 10 .
  • the frequency converter 10 is a component that is separate from the compressor drive 2 .
  • the active current measurement takes place on the power supply cable 4 of the compressor drive 2 via a detection element 3, for example a Current clamp or a Rogowski coil.
  • a detection element 3 for example a Current clamp or a Rogowski coil.
  • the active current can be determined contact-free by measuring the magnetic field strength. For this, the effect is used that the magnetic field strength around the phase LI is proportional to the current strength in the phase LI.
  • FIG. 1 The possible positioning of the detection element 3 for a compressor with a fixed-speed compressor drive is shown in FIG. 1, while the possible positioning for a compressor with a variable-speed compressor drive is shown in FIG.
  • FIG. 3 shows the relationship known from the prior art between the magnetic field strength, the effective value of the current and the operating state.
  • the magnetic field strength is shown over time (in seconds).
  • the lower diagram in FIG. 3 shows the effective value of the current and the operating state that can be derived from it.
  • the signal is recorded in such a way that the effective value of the current strength is calculated via one or more waves of the alternating current from the measured value of the current strength (alternating current) taken from the phase via the magnetic field strength.
  • the rms current of an alternating current represents the equivalent current of a direct current.
  • the operating states “standstill”, “idling” and “load operation” can be differentiated by threshold value formation.
  • the relationship between magnetic field strength, effective value of the current and operating state is shown in FIG. 3 as an example.
  • a threshold value of 30 A for the detection of the “idle” operating condition and a threshold value of 160 A for the detection of the “load run” operating condition were used for the derivation of the operating condition. These two values must be taken from the data sheet of the respective compressor or calculated based on the data sheet values.
  • FIG. 4 shows a detection of the magnetic field in a compressor 1 with a fixed-speed compressor drive 2 according to a method according to the invention.
  • An embodiment of the method according to the invention is shown here, in which the detection element 3 detects all phases LI, L2 and L3 of the power supply cable 4 .
  • the detection element 3 can be mounted in such a way that only one phase, for example phase LI, or phase L2, or phase L3, or a live neutral conductor (not shown) is detected.
  • the position of the detection element 3 differs fundamentally from the positioning in FIG. 1. In the embodiment in FIG. This has the advantage that the detection element 3 can also be fitted by personnel who have not been trained in electrical engineering.
  • FIG. 5 shows a detection of the magnetic field in a compressor 1 with a fixed-speed compressor drive 2 according to a further method according to the invention.
  • the compressor 1 in FIG. 5 has the same elements and/or components as the compressor 1 in FIG.
  • the compressor drive 2, in particular the motor winding 8 of the compressor drive 2 can be supplied with current via a motor feed line 11.
  • An embodiment of the method according to the invention is shown here, in which the detection element 3 detects all phases LI, L2 and L3 of the motor cable 11 .
  • the detection element 3 can be mounted in such a way that only one phase, for example phase LI, or phase L2, or phase L3, or a live neutral (not shown) is detected.
  • FIG. 6 shows a detection of the magnetic field in a compressor 1 with a variable-speed compressor drive 2 according to a method according to the invention.
  • the detection element 3 detects all phases L1, L2, L3 and a possibly present neutral conductor (not shown in FIG. 6) of the power supply cable 4.
  • the detection element 3 can be attached in such a way that only one phase, for example the phase LI, or the phase L2, or the phase L3, or a neutral conductor which is not shown in Figure 6 and which may be present, is detected becomes.
  • the magnetic field and also the magnetic field strength and in particular their qualitative course over time can be reliably recorded.
  • An example of such a position is the machine interior 5 on the supply line to the compressor drive 2 in front of the terminal box 9 of the compressor drive 2, as shown in FIG. 6, for example.
  • the detection element 3 can even be fitted outside the compressor 1 in an electrical supply line, represented by the power supply cable 4 in FIG.
  • FIG. 7 shows an evaluation according to the invention of a time section of the magnetic field strength in the frequency range, the so-called amplitude spectrum.
  • FIG. 7 shows an example of a frequency analysis for a time section from the signal of the magnetic field strength.
  • the time segment is indicated at the top of FIG. 7 with dashed bars.
  • FIG. 7 shows the magnetic field strength and the amplitude spectrum for a compressor 1 with a variable-speed compressor drive 2 as an example.
  • the strength of the magnetic field and/or the level of the effective value of the current are irrelevant for the method according to the invention. Rather, the method according to the invention determines the frequency at which the magnetic field oscillates. This Frequency of the oscillation of the magnetic field is the same frequency at which the three-phase current of the compressor drive 2 rotates.
  • FIG 8 shows an example of a phase spectrum of a compressor 1 with a fixed-speed compressor drive 2 in the operating states “standstill”, “idling” and “loaded".
  • the operating state "loaded” of the compressor 1 with a fixed-speed compressor drive 2 is shown in Figure 8a.
  • FIG. 8b shows the “idling” operating state of the compressor 1 with the compressor drive 2 having a fixed speed.
  • FIG. 8c shows the “standstill” operating state of the compressor 1 with a fixed-speed compressor drive 2.
  • phase spectra differ significantly in the individual operating states. It is also possible for the phase spectrum of the magnetic field to be evaluated in a defined time range, for example in a time range of 200 ms to 20 s, preferably 300 ms to 10 s, particularly preferably 500 ms to 5 s, in particular 750 ms to 3 s, in particular 1s, to identify the operating state (not shown in Figure 8).
  • An automatic evaluation of the phase spectrum is carried out, for example, by forming the variance of the phase spectrum in the range from 0 Hz to 80 Hz (not shown in FIG. 8).
  • This variance is fed to an algorithm for cluster formation.
  • the clustering algorithm defines clusters using threshold values or using statistical methods such as k-means or neural networks.
  • a classification method is carried out, with each cluster being assigned an operating state based on the fleas of the variance. For example, the “standstill” operating state is assigned a very high variance, the “load” operating state a medium variance and the “idling” operating state a very low variance. It is also possible for the classification method to be carried out without prior clustering.
  • the spectrum range from 240 Hz to 260 Hz is also suitable for cluster formation and thus identification of the operating state.
  • the range from 240 Hz to 260 Hz corresponds to the frequency range which corresponds to the chamber frequency of a block with 5 compression chambers. Consequently, it is also possible that the repercussions of the densification process on the power grid can also be analyzed via the analysis of the magnetic field.
  • FIG. 9 shows a detection of the operating state from the variance of the amplitude in the frequency range in an interval ⁇ 2 Hz around an excitation frequency of 50 Flz.
  • the operating state is detected by forming a threshold value.
  • a variance greater than 10000 is defined for the identification of the “idle” operating state and a variance greater than 100000 is defined for the identification of the “load run” operating state.
  • the variance was normalized to the mean of the examined amplitude spectrum in the respective time window. In FIG. 9, this time window is one second.
  • FIG. 10 shows the underlying data for detecting the operating state using two different procedures from the detected magnetic flux density (FIG. 10a).
  • FIG. 10a two time ranges are defined in FIG. 10a.
  • the amplitude spectrum after a Fourier analysis (here Fast Fourier Transform FFT) is shown for these two time ranges in FIG. 10b and FIG. 10c.
  • the two time ranges differ with regard to the operating state of the compressor: "load run” (FIG. 10b) and "idle run” (FIG. 10c).
  • FIG. 10 shows a further possibility for detecting the operating state, with the magnetic field of all phases L1, L2, L3 of the power supply cable 4 being detected.
  • This method is suitable both for compressor 1 with a frequency converter 10 (see, for example, FIG. 2 or FIG. 6) and for compressor 1 without a frequency converter 10 (see, for example, FIG. 1 or FIG. 4).
  • the amplitude spectrum can be calculated for certain time segments. This is shown as an example for a ls time interval in the load run in FIG. 10b and for a ls time interval when idling in FIG. 10c.
  • the operating state (shown as an example in FIG. 11b) is determined by means of threshold values. Since this application example is a fixed-speed compressor that is connected to a power grid with a 50Hz grid frequency is operated, the amplitude values of the frequency 50Hz are particularly relevant for this application example.
  • the operating status at a point in time of the measurement must be known (e.g. "idle” at 530s in Figure 10 or 11).
  • the amplitude value of the frequency at 50 Hz is known for this point in time. This amplitude value is multiplied by a first safety factor (e.g. 0.8) to obtain the lower threshold.
  • the upper threshold value is defined by multiplying by a second safety factor (e.g. 1.5). If at any point in time the amplitude value of the frequency at 50Hz is greater than both threshold values, the "load run” operating state is present. If at any point in time the amplitude value of the frequency at 50Hz is less than both threshold values, the operating state is "off”. If at any point in time the amplitude value of the frequency at 50Hz is between the two threshold values, the operating state is "idle".
  • the operating status for each magazine can be determined from the two threshold values, this is shown in FIG. 11b.
  • the second procedure for determining the threshold values runs automatically and therefore does not require any information about an operating state at a specific point in time.
  • the excitation frequency of the magnetic field is more than 6 Hz both in the "idle” operating state and in the "load run” operating state.
  • the "Off" operating state on the other hand, excitation frequencies are detected that are below 6Hz. Therefore, points in time with an excitation frequency of less than 6Hz can be defined as the "Off" operating state.
  • the "idling" operating state is run through for a few seconds. A similar behavior occurs when the compressor is started from “off” via "idling" to "loaded”.
  • This phenomenon can be used to obtain the amplitude value of the frequency at 50Hz for an 'idle' operating condition.
  • the mean value of the amplitude value of the frequency at 50Hz from 4 magazines before a known operating state "off" is formed.
  • This mean value is multiplied by a first safety factor (e.g. 0.8) to obtain the lower threshold value.
  • a second safety factor e.g. 1.5
  • the upper threshold value Should at a time the amplitude value of the frequency at 50Hz be greater than both be threshold values, the operating status "load run" is present. If at any point in time the amplitude value of the frequency at 50Hz is less than both threshold values, the operating state is "off”. If at any point in time the amplitude value of the frequency at 50Hz is between the two threshold values, the operating state is "idle". With the two threshold values, the operating state can be determined for each time step, this is shown in FIG. 11b.
  • FIGS. 12a and 12b show a further possibility for detecting the operating state, with the magnetic field of all phases L1, L2, L3 of the power supply cable 4 being detected.
  • This method is suitable both for compressor 1 with a frequency converter 10 (see, for example, FIG. 2 or FIG. 6) and for compressor 1 without a frequency converter 10 (see, for example, FIG. 1 or FIG. 4).
  • phase spectrum in the frequency range between 1 and 80 Hz can be summed up.
  • threshold values for a change in the operating states "idle”, "load” and “standstill” can be defined.
  • This time series of the differences is referred to as the distance in the phase spectrum.
  • Figure 12a This course of the path in the phase spectrum and the associated threshold values are shown in Figure 12a.
  • Figure 12b The operating state of the compressor determined from this is shown in Figure 12b.
  • FIG. 13 shows a possible course of the method according to the invention.
  • a first step S1 the measurement is started.
  • the magnetic field values are detected by scanning and stored.
  • the measurement is then stopped in a third step, S3.
  • S4 the time series of the magnetic field values is read out.
  • S5 the rotational speed and the operating state are analyzed in intervals of one second by means of a frequency analysis determined.
  • S6 time series of speed and operating state are created.
  • FIG. 14 shows a first possible implementation of the method according to the invention.
  • a first step S101
  • the measurement is started.
  • a second step S102
  • the magnetic field values are scanned and stored.
  • a third step S103
  • the measurement is stopped.
  • S104 the time series of the magnetic field values is read out.
  • the X, Y and Z values of the magnetic flux density (present as a time series) are further used. For each point in time in the time series, the X, Y and Z values are combined into a vector and this vector is mapped to a scalar for this point in time.
  • the frequency spectrum is then determined on the time series of the scalars by carrying out a frequency analysis with the Gortzel algorithm for each ls section of the above-mentioned time series, S106. Then the variance of the amplitudes of the frequency spectrum between 48Flz and 52Flz is formed. In addition, the variance value is normalized by means of the average of the amplitudes, S107. The normalized variance values are shown in FIG. 9, the time window is one second. Finally, threshold values for the normalized variance values are defined in order to distinguish between the operating states "load run', "idle run' and "off", S108. In the embodiment illustrated in FIG Variance greater than 100000 is defined for the detection of the "Load run" operating state.
  • Application example 2
  • FIG. 15 shows a second possible implementation of the method according to the invention.
  • a first step S201
  • the measurement is started.
  • a second step S202
  • the magnetic field values are scanned and stored.
  • the measurement is stopped.
  • a third step S203
  • the measurement is stopped.
  • the time series of the magnetic field values is read out.
  • the X, Y and Z values of the magnetic flux density (present as a time series) are further used. For each point in time in the time series, the X, Y and Z values are combined into a vector and this vector is mapped to a scalar for this point in time. The values of this scalar are shown in Figure 10a.
  • the frequency spectrum is determined on the time series of the scalars by performing a frequency analysis using Fourier analysis (FFT) for each ls section of the above-mentioned time series and calculating the amplitude spectrum. Values of the amplitude spectrum are shown in Fig. 10b and 10c for one second "load run” and one second "idle run”. The amplitude is then extracted at 50 Hz (excitation frequency) for each ls interval, S207. The amplitude values at 50 Hz are shown in Fig 11a as a time series. After that, a point in time with the operating state "idling" of the compressor can be identified by manual specification, S208. In FIG.
  • FFT Fourier analysis
  • the threshold value SW1 is formed by multiplication with a safety factor (e.g. 0.8) and the threshold value SW2 by means of a second safety factor (e.g. 1.5), S209.
  • the safety factors are determined by measuring and analyzing a group of compressors.These two threshold values are shown as dashed lines in Fig. 11a Finally, all magnitude values of the amplitudes of the Fourier analysis at 50 Hz those above the two threshold values are assigned to the “load run” operating state, all values below the two threshold values are assigned to the “off” operating state and all values between the two threshold values are assigned to the “idle” operating state, S210. This results in the curve of the operating states of the compressor shown in FIG. 11b.
  • Application example 3 is
  • FIG. 16 shows a third possible implementation of the method according to the invention.
  • a first step, S301 the measurement is started.
  • the magnetic field values are scanned and stored.
  • a third step, S303 the measurement is stopped.
  • the time series of the magnetic field values is read out.
  • S305 the X, Y and Z values of the magnetic flux density (here as a time series) are further used. For each point in time in the time series, the X, Y and Z values are combined into a vector and this vector is mapped to a scalar for this point in time. The values of this scalar are shown in Figure 10a.
  • the frequency spectrum is determined on the time series of the scalars by performing a frequency analysis with Fourier analysis (here using FFT) for each ls section of the above-mentioned time series and calculating the amplitude spectrum. Values of the amplitude spectrum are shown in Fig. 10b and 10c for one second "load run” and one second "idle run”. The amplitude is then extracted at 50 Hz (excitation frequency) for each ls interval, S307. The amplitude values at 50 Hz are shown in Fig 11a shown as a time series In step S308, the operating state “off” of the compressor can be detected.
  • FFT Fourier analysis
  • the Fourier analysis supplies very low frequencies ( ⁇ 6Hz) as frequencies with a maximum amplitude greater than 0Hz (DC component). Time intervals in which this is the case can be automatically assigned to the "Off" operating state.
  • a time interval is searched for in which the compressor has just changed to the known "off" operating state determined by the above method step (e.g. time 680s in FIG. 10a). A few seconds before the determined time interval, compressors can switch from the "idle” operating state Therefore, in step S310, the mean value of the magnitude values of the amplitude of the Fourier analysis at 50 Hz over 4 seconds before the time interval in which the system is safely in the "off" state is formed.
  • the threshold value SW1 is formed by multiplying it by a safety factor (eg 0.8) and the threshold value SW2 is formed by means of a second safety factor (eg 1.5), S311.
  • the safety factors are determined by measuring and analyzing a group of compressors. These two thresholds are shown in Figure 11a.
  • all magnitude values of the amplitudes of the Fourier analysis at 50Hz are those above the two threshold values are assigned to the "load run” operating state, all values below the two threshold values are assigned to the "off” operating state and all values between the two threshold values are assigned to the "idle” operating state, S312. This results in the curve of the operating states shown in FIG. 11b.
  • FIG. 17 shows a fourth possible implementation of the method according to the invention.
  • a first step S401, the measurement is started.
  • a second step S402
  • the magnetic field values are scanned and stored.
  • a third step S403, the measurement is stopped.
  • the time series of the magnetic field values is read out.
  • S405 the X, Y and Z values of the magnetic flux density (here as a time series) are further used. For each point in time in the time series, the X, Y and Z values are combined into a vector and this vector is mapped to a scalar for this point in time.
  • the frequency spectrum is determined on the time series of the scalars by performing a frequency analysis with Fourier analysis (here using FFT) for each ls section of the above-mentioned time series and calculating the argument/phase in rad .
  • S407 the difference between two adjacent values of the arguments is formed. If this difference is > 0.1 rad, this difference is limited to 0.1 rad. A new time series of differences is created.
  • S408 the sum of all differences of the arguments in radians is formed in the frequency range of 1-80 Hz, this is referred to as the distance in the phase spectrum.
  • the curve of the segment in the phase spectrum is smoothed (for example by averaging 3 values of the segment in the phase spectrum).
  • This path in the phase spectrum is shown in Figure 12a.
  • threshold values are defined in order to differentiate between the operating states. Threshold values are shown as a dashed line in FIG. 12a.
  • S411 all values of the path in the phase spectrum that are above the two threshold values are assigned to the "load run” operating state, all values below the two threshold values are assigned to the "off” operating state and all values between the two threshold values are assigned to the "idle” operating state. This results in the curve of the operating states as a time series of the compressor in FIG. 12b. reference list

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Ermittlung, insbesondere zur kontaktlosen Ermittlung, eines Betriebszustands eines Verdichters (1) und/oder einer Drehzahl eines Verdichterantriebs (2), insbesondere eines drehzahlvariablen oder drehzahlstarren Verdichterantriebs (2), aufweisend die folgenden Verfahrensschritte vorgeschlagen: - Erfassen eines Magnetfeldes über einen Zeitbereich mittels eines Erfassungselements (3), wobei das Magnetfeld durch einen Strom mindestens einer Phase (L1, L2, L3) eines Stromversorgungskabels (4) oder einer Motorzuleitung (11) erzeugt wird; - Ermitteln des Frequenzspektrums des Magnetfeldes über den Zeitbereich; - Analyse des Frequenzspektrums des Magnetfeldes zur Bestimmung eines Betriebszustands des Verdichters (1) und/oder zur Bestimmung einer Drehzahl des Verdichterantriebs (2).

Description

Verfahren zur kontaktlosen Ermittlung eines Betriebszustandes
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung, insbesondere kontaktlosen Ermittlung eines Betriebszustands eines Verdichters und/oder einer Drehzahl eines Verdichterantriebs. Auch betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Für die Überwachung, Analyse, Diagnose oder Ansteuerung von Verdichtern besteht bei vielen Fragestellungen das Problem, dass man unterschiedliche Parameter des Verdichters, wie beispielsweise den zeitlichen Verlauf des Betriebszustands (Stillstand, Leerlauf, Lastlauf), den Liefervolumenstrom und die elektrische Leistungsaufnahme, benötigt.
Die Informationen, die zur Ermittlung dieser Parameter benötigt werden, können beispielsweise durch die Steuerung des Verdichters über eine Kommunikationsschnittstelle, wie beispielsweise Ethernet, Modbus oder Profibus geliefert werden.
Dies ist jedoch bei bekannten Verdichtern häufig nicht der Fall, da beispielsweise Verdichter ohne Steuerung und/oder ohne eine entsprechende Kommunikationsschnittstelle eingesetzt werden. Auch kann die Kommunikationsschnittstelle mit einem proprietären und/oder verschlüsselten Protokoll arbeiten, welches die entsprechenden Daten nur für den Hersteller des Verdichters bereitstellt.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, durch Installation von Messequipment im oder am Verdichter Signale abzugreifen, auf deren Basis die benötigten Parameter abgeleitet werden.
Beispielsweise ist die Erfassung der Signale "Motor läuft" und „Last" bekannt. Hierfür werden über potentialfreie Kontakte in einem Schaltschrank eines Verdichters die Stellungen oder die Ansteuerbefehle für das Netzschütz, also die Information, ob der Verdichterantrieb mit elektrischer Energie versorgt wird und das Schütz für die Ansteuerung des Einlassventils, also die Information, ob Luft ungehindert in den Verdichter strömt, also Luft gefördert wird, abgegriffen. Aus der erkannten Stellung von Netzschütz und Schütz zur Ansteuerung des Einlassventils können in Kombination die Betriebszustände Stillstand, Leerlauf und Lastlauf des Verdichters unterschieden werden.
Diese aus dem Stand der Technik bekannte Art des Abgreifens der Signale hat mehrere Nachteile. Zum einen wird im Schaltschrank des Verdichters in die Elektrik eingegriffen, um die potenzialfreien Kontakte anzuschließen. Für diesen Eingriff ist ein speziell geschultes Personal notwendig, auch genannt ein elektrisch unterwiesenes Personal, da der Anschluss der Signale im Schaltschrank des Verdichters stattfindet. Auch kann die Installation zum Abgreifens der Signale nicht im laufenden Betrieb des Verdichters stattfinden, da die potenzialfreien Kontakte an spannungsführende Teile angeschlossen werden. Der Verdichter muss folglich vom elektrischen Netz getrennt werden. Auch kann bei Verdichtern mit drehzahlvariablem Verdichterantrieb die Drehzahl des Verdichterantriebs über die Signale „Motor läuft" und „Last" nicht ermittelt werden.
Aus dem Stand der Technik ist ebenfalls bekannt, für die Ermittlung der Drehzahl das Verfahren der Reflex-Impuls-Zählung einzusetzen. Bei der Reflex-Impuls- Zählung werden Reflexionsmarker auf der Welle zwischen Verdichterantrieb und Verdichter angebracht. Über einen optischen Sensor wird die Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit der drehenden Welle gezählt. Die Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit ist proportional zur Drehzahl der Welle. Damit kann aus der Anzahl der Impulse auf die Drehzahl der Welle und damit auf die Drehzahl des Verdichterantriebs geschlossen werden. Diese Art der Drehzahlermittlung hat jedoch den Nachteil, dass die Reflexionsmarker auf der Welle nur im Stillstand der Maschine angebracht werden können. Außerdem erfordert das Anbringen des optischen Sensors Zeit, da durch Vibrationen des Verdichters im laufenden Betrieb der optische Sensor verrutschen kann. Daher muss der optische Sensor über eine solide mechanische Befestigung angebracht werden. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass durch die Reflex- Impuls-Zählung zwar die Drehzahl des Verdichterantriebs ermittelt werden kann, allerdings kann nicht zwischen den Betriebszuständen „Stillstand", „Leerlauf' und „Lastlauf' unterschieden werden. Es ist lediglich möglich „Stillstand" (Drehzahl 0 Umdrehungen pro Minute) oder „Nicht-Stillstand" (Drehzahl größer als 0 Umdrehungen pro Minute) zu unterscheiden.
Ein weiteres aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren ist die Wirkstrommessung an der Zuleitung des Verdichterantriebs über eine Stromzange oder eine Rogowski-Spule. Die grundlegende Idee dieser Art der Signal-Erfassung ist es, an einer der Phasen LI, L2 oder L3 den Wirkstrom kontaktfrei durch Messung der Magnetfeldstärke zu ermitteln. Hierfür wird der Effekt genutzt, dass die Magnetfeldstärke rund um einen stromdurchflossenen Leiter proportional zur Stromstärke in dem Leiter ist. Die Position der Signalerfassung für einen Kompressor mit drehzahlstarrem und einen Kompressor mit drehzahlvariablen Antrieb sind in den Figuren 1 und 2 dargestellt.
Die Signalerfassung bei diesem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren geschieht so, dass aus dem an der Phase über die Magnetfeldstärke abgegriffenen Messwert der Stromstärke (Wechselstrom) der Effektivwert der Stromstärke über eine oder mehrere Wellen des Wechselstroms berechnet wird. Der Effektivwert der Stromstärke eines Wechselstroms steht für die äquivalente Stromstärke eines Gleichstroms. Anhand des Effektivwerts des Wechselstroms lassen sich durch Schwellwertbildung die Betriebszustände „Stillstand", „Leerlauf' und „Lastlauf' unterscheiden. Der Zusammenhang zwischen magnetischer Feldstärke, Effektivwert des Stroms und Betriebszustand ist beispielhaft in Figur 3 dargestellt.
In der aus dem Stand der Technik bekannten Beispiel der Figur 3 wurde für die Ableitung des Betriebszustands ein Schwellwert von 30A für die Erkennung des Betriebszustands „Leerlauf' und ein Schwellwert von 160A für die Erkennung des Betriebszustands „Lastlauf' angesetzt. Diese beiden Werte müssen aus dem Datenblatt des jeweiligen Verdichters entnommen werden oder basierend auf Werten des Datenblatts errechnet werden. Bei diesem Verfahren des Stands der Technik ist folglich eine sehr exakte Messung des Effektivwerts des Stroms notwendig.
Dieses aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren hat den zusätzlichen Nachteil, dass für die Installation der Stromzange bzw. der Rogowski-Spule der Schaltschrank des Verdichters geöffnet werden muss, da die Stromzange oder die Rogowski-Spule um eine einzelne Phase herum gelegt werden muss. Dies ist grundsätzlich nur im Schaltschrank möglich. Damit wird für die Installation ein elektrisch unterwiesenes Personal benötigt. Auch ist die Ermittlung der Drehzahl des Verdichterantriebs durch dieses Verfahren nicht möglich. Denn die Stromstärke hängt neben der Drehzahl auch noch vom Gegendruck am Austritt des Verdichters und der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung ab. Bei gleicher elektrischer Leistungsaufnahme kann durch eine unterschiedliche Phasenverschiebung ein unterschiedlicher Strom benötigt werden (ausgedrückt über den Wirkleistungsfaktor cos f).
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu konzipieren, das die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile behebt oder zumindest minimiert. Vor allem ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine zuverlässige, schnelle und kostengünstige Erfassung des Betriebszustands des Verdichters und/oder der Drehzahl des Verdichterantriebs, bereitzustellen.
Die gestellte Aufgabe wird von einem Verfahren nach Anspruch 1, von einer Vorrichtung nach Anspruch 22, von einer Verwendung nach Anspruch 24 und ebenso von einem computerlesbaren Speichermedium nach Anspruch 25, gelöst.
Insbesondere wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Ermittlung, insbesondere zur kontaktlosen Ermittlung, eines Betriebszustands eines Verdichters und/oder einer Drehzahl eines Verdichterantriebs, insbesondere eines drehzahlvariablen oder drehzahlstarren Verdichterantriebs, gelöst, aufweisend die folgenden Verfahrensschritte:
- Erfassen eines Magnetfeldes über einen Zeitbereich mittels eines Erfassungselements, wobei das Magnetfeld durch einen Strom mindestens einer Phase eines Stromversorgungskabels oder einer Motorzuleitung erzeugt wird;
- Ermitteln des Frequenzspektrums des Magnetfeldes über den Zeitbereich;
- Analyse des Frequenzspektrums des Magnetfeldes zur Bestimmung eines Betriebszustands des Verdichters und/oder zur Bestimmung einer Drehzahl des Verdichterantriebs.
Unter dem Begriff „kontaktlos" ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung insbesondere zu verstehen, dass kein elektrischer Kontakt besteht. Ein mechanischer Kontakt kann durchaus bestehen.
Der Begriff „Strom" beschreibt im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung insbesondere einen Wechselstrom oder Drehstrom.
Unter dem Begriff „Verdichter" sind im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung insbesondere, aber nicht ausschließlich, Kompressoren und damit verwandte Maschinen, wie beispielsweise Gebläse und der Gleichen, zu verstehen. Auch ist es üblich, dass ein Verdichter unter anderem einen Verdichterblock aufweist, wobei der Verdichterblock durch einen Verdichterantrieb, beispielsweise einen elektrischen Motor, insbesondere einen elektrischen Motor mit einem, zwei oder mehreren Polpaaren, angetrieben wird.
Unter dem Begriff „Stromversorgungskabel" wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung insbesondere, aber nicht ausschließlich ein Kabel zur Stromversorgung des Verdichters und/oder ein Kabel zur Stromversorgung des Verdichterantriebs verstanden. Auch ist es möglich, dass das Stromversorgungskabel weitere elektrische Komponenten des Verdichters mit Strom versorgt. Solche weiteren Komponenten könnten beispielsweise Lüftermotoren, Ventile, eine Maschinensteuerung oder Ähnliches sein.
Unter dem Begriff „Motorzuleitung" sind alle Leiter im unmittelbaren Bereich des Verdichterantriebs, die zum Antrieb des Verdichterantriebs vorgesehen oder angeordnet sind, zu verstehen. Dabei kann die Motorzuleitung Leiter in der Peripherie des Verdichterantriebs, an oder im Gehäuse des Verdichterantriebs an oder im Verdichterantrieb selbst umfassen, einschließlich stromdurchflossenen Spulen, die zum Antrieb des Verdichterantriebs vorgesehen sind oder den Antrieb des Verdichterantriebs unterstützen
Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ein Nullleiter, wenn dieser strombelastet ist, als Phase angesehen wird. Der Begriff „Erfassen eines Magnetfeldes" beschreibt im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung insbesondere, aber nicht ausschließlich, das Erfassen einer oder mehrerer magnetischer Kenngrößen. Diese magnetische Kenngröße kann ein absoluter Wert zu einem Zeitpunkt oder mehrere absolute Werte in einem Zeitbereich sein. Auch ist es möglich, dass eine zeitliche Entwicklung der magnetischen Kenngröße innerhalb eines Zeitbereichs erfasst wird. Ebenso kann unter dem Begriff „Erfassen eines Magnetfeldes" das Verhältnis absoluter Messwerte zueinander in einem bestimmten Zeitbereich, verstanden werden. Insbesondere können nach einem vorteilhaften Gedanken der Erfindung die physikalischen Größen des Magnetfeldes auch ohne Einheiten erfasst und ggf. weiterverarbeitet werden bzw. angegeben werden (auch in der Darstellung im Figurenteil der Anmeldung). Relevant ist die Relation der Zahlenwerte zueinander. Daher wird bevorzugtermaßen in der Darstellung auch eine lineare Skalierung der Achsen eingesetzt.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass aufgrund der Analyse des Frequenzspektrums des Magnetfeldes die Drehzahl des Verdichterantriebs und/oder der Betriebszustand des Verdichters bestimmt werden kann. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass der exakte Wert der magnetischen Kenngröße und/oder die Flöhe des Effektivwerts des Stroms nicht benötigt wird, um die Drehzahl des Verdichterantriebs und/oder den Betriebszustand des Verdichters zu ermitteln. Insofern kann mit erfassten Werten für magnetische Kenngrößen und/oder Flöhe des Effektivwertes gearbeitet werden, da deren relative Veränderung über die Zeit für die erfindungsgemäße Analyse ausreichend erscheinen. Auch kommt es nicht so genau darauf an, an welcher genauen Position des erzeugten Magnetfeldes diese Werte erfasst werden, da es auch diesbezüglich lediglich auf deren relative Veränderung über die Zeit ankommt.
Diese Parameter müssen folglich nicht wie im Stand der Technik üblich, mit hohem konstruktiven Aufwand ermittelt werden. Vielmehr ist es möglich, dass beispielsweise durch einen Vergleich der innerhalb eines Zeitbereichs erfassten magnetischen Kenngrößen untereinander eine Bestimmung eines Betriebszustands des Verdichters und/oder eine Bestimmung einer Drehzahl des Verdichterantriebs durchgeführt wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist eine einfachere Drehzahlbestimmung des Verdichterantriebs und/oder eine vereinfachte Bestimmung des Betriebszustands des Verdichters möglich. Darüber hinaus ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine Bestimmung der Drehzahl des Verdichterantriebs und/oder eine Bestimmung des Betriebszustands des Verdichters ohne genaue Kenntnis der Kennwerte des Verdichters bzw. des Verdichterantriebs. Das erfindungsgemäße Verfahren ist folglich auch für bereits installierte Verdichter bzw. Verdichterantriebe geeignet.
In einer Ausführungsform umfasst das Erfassen des Magnetfeldes das Erfassen einer magnetischen Feldstärke, insbesondere unter Verwendung einer Rogowski- Spule, und/oder das Erfassen einer magnetischen Flussdichte, insbesondere unter Verwendung eines Flall-Sensors oder eines magnetoresistiven Sensors.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass aus dem Stand der Technik bekannte und im Falle des Flall-Sensors kostengünstige Vorrichtungen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kombinierbar sind. Ebenso ist es möglich, dass die Richtung eines magnetischen Vektors und/oder der Betrag eines magnetischen Vektors erfasst wird.
In einer weiteren Ausbildungsform weist das erfindungsgemäße Verfahren den folgenden Verfahrensschritt auf:
- Anbringen des Erfassungselements auf einer Phase des Stromversorgungskabels oder der Motorzuleitung.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass das Erfassungselement variabel an eine Phase des Stromversorgungskabels oder der Motorzuleitung angebracht werden kann. Beispielsweise wird bei einem Verdichter mit einem Frequenzumrichter das Erfassungselement zwischen dem Frequenzumrichter und dem Verdichterantrieb angebracht, insbesondere, wenn eine Drehzahl ermittelt wird. Im Falle eines drehzahlstarren Verdichters und ebenso bei der Betriebszustandsermittlung bei einem Verdichter mit Frequenzumrichter kann das Erfassungselement beliebig in der Stromversorgung des Verdichterantriebs angebracht werden. Beispielsweise kann das Erfassungselement in der Zuleitung des Verdichters oder direkt vor dem Flauptantriebsmotor oder beliebig dazwischen angebracht werden. Auch ist es möglich das Erfassungselement direkt am oder innerhalb des Flauptantriebsmotors vorzusehen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren den folgenden Schritt:
- Anbringen des Erfassungselements auf mehreren, insbesondere allen Phasen des Stromversorgungskabels oder der Motorzuleitung derart, dass das Magnetfeld gemessen wird, das durch den Strom der mehreren, insbesondere allen Phasen des Stromversorgungskabels oder der Motorzuleitung erzeugt wird.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass das Erfassungselement variabel an mehrere, insbesondere allen Phasen des Stromversorgungskabels oder der Motorzuleitung angebracht werden kann. Es wird folglich das Magnetfeld gemessen, das durch den Strom der mehreren Phasen des Stromversorgungskabels oder der Motorzuleitung erzeugt wird. Es ist für das erfindungsgemäße Verfahren ausreichend, dass das Erfassungselement an mehrere Phasen angebracht wird. Die Notwendigkeit einer mechanischen Trennung der einzelnen Phasen des Stromversorgungskabels oder der Motorzuleitung entfällt, wodurch insbesondere die Anbringung des Erfassungselements vereinfacht, da dies nicht an einer speziellen Phase angebracht werden muss.
In einer Ausführungsform umfasst die Analyse des Frequenzspektrums eine Analyse des zeitlichen Verlaufs des Magnetfeldes.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass das erfindungsgemäße Verfahren variabel eingesetzt werden kann.
Vorteilhafterweise werden die im zeitlichen Verlauf des Magnetfeldes enthaltenen Frequenzanteile unter Verwendung einer Fourieranalyse und/oder einer Wavelet- Analyse und/oder eines Görtzel-Algorithmus analysiert.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass das erfindungsgemäße Verfahren mit aus dem Stand der Technik bekannten mathematischen Methoden kombinierbar ist. Dies ist insbesondere im Lichte einer softwaretechnischen Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft, da hierdurch eine Reduzierung der Rechenbelastung und Speicherbelastung erreicht werden kann. Auch hat sich gezeigt, dass durch die Verwendung des Görtzel-Algorithmus die Frequenzauflösung erhöht werden kann. Ebenso hat sich gezeigt, dass insbesondere der Görtzel-Algorithmus effizient in digitalen Signalprozessoren implementiert werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform wird durch die Analyse der einzelnen Frequenzanteile die Frequenz des Magnetfeldes ermittelt, und die Grundfrequenz des Stroms der mindestens einen Phase des Stromversorgungskabels oder der Motorzuleitung wird basierend auf der Frequenz des Magnetfeldes ermittelt.
Unter dem Begriff „Grundfrequenz" ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung insbesondere, aber nicht ausschließlich die Grundfrequenz des Wechsel- oder Drehstroms gemeint, insbesondere die Frequenz größer als 0 Hz mit der höchsten Amplitude.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass die magnetische Feldstärke und die Flöhe des Effektivwerts des Stroms für das erfindungsgemäße Verfahren nicht exakt bekannt sein müssen. Es geht allein darum herauszufinden, mit welcher Frequenz das Magnetfeld schwingt. Die Frequenz der Schwingung des Magnetfelds ist dabei die gleiche Frequenz, mit der der Drehstrom des Verdichterantriebs rotiert.
In einer weiteren Ausführungsform wird aus der ermittelten Grundfrequenz des Stroms die Drehzahl des Verdichterantriebs ermittelt, insbesondere durch Verwendung eines Faktors.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass die Drehzahl des Verdichterantriebs zuverlässig ermittelt werden kann. So wird beispielsweise für einen Verdichterantrieb mit einem Polpaar der Faktor „1" angenommen, während bei einem Verdichterantrieb mit zwei Polpaaren der Faktor „2" angenommen wird. Allgemein lässt sich dieser Zusammenhang als Drehzahl = Frequenz / Polpaarzahl darstellen.
In einer weiteren Ausführungsform wird im Schritt des Erfassens genau eine Phase des Stromversorgungskabels oder der Motorzuleitung erfasst.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass aus dem Stand der Technik bekannte Methoden zur Anbringung des Erfassungselements verwendet werden können. Flierdurch ist keine neue Schulung des Personals notwendig, was die Kosten für einen Betreiber eines Verdichters reduziert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden im Schritt des Erfassens mehrere, insbesondere alle Phasen des Stromversorgungskabels oder der Motorzuleitung erfasst. Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass das Magnetfeld, welche in Summe durch mehrere, insbesondere alle Phasen des Stromversorgungskabels oder der Motorzuleitung erzeugt wird, erfasst wird. Der Stand der Technik geht davon aus, dass sich hierbei kein Magnetfeld erfassen lässt, da sich in der Theorie die Magnetfelder der einzelnen Ströme in den symmetrisch belasteten Phasen gegenseitig aufheben. Es wurde jedoch festgestellt, dass die Phasen nicht symmetrisch belastet sind, wodurch sich sogenannte Leckströme zwischen den einzelnen Phasen (und ebenso einem eventuell vorhandenen Nullleiter) ergeben. Auch diese Leckströme erzeugen ein Magnetfeld, dessen Feldstärke erfasst werden kann. Dieses Magnetfeld und insbesondere die magnetischen Kenngrößen sind um Größenordnungen geringer, als das Magnetfeld und die magnetischen Kenngrößen bei Messung einer einzelnen Phase. Das Magnetfeld und ebenso die magnetischen Kenngrößen und insbesondere deren qualitativer zeitlicher Verlauf kann jedoch zuverlässig erfasst werden. Hierdurch ist es möglich, dass das Magnetfeld an Stellen des Stromversorgungskabels oder der Motorzuleitung erfasst wird, für die kein elektrisch unterwiesenes Personal notwendig ist. Ein Beispiel für eine derartige Stelle ist der Maschineninnenraum an der Zuleitung des Verdichterantriebs vor dem Klemmkasten des Verdichterantriebs. Bei einem Verdichter mit drehzahlstarrem Verdichterantrieb kann das Erfassen des Magnetfeldes sogar außerhalb des Verdichters in einer elektrischen Zuleitung erfolgen. Auch ist es möglich, dass nicht nur die Phasen des Stromversorgungskabels des Verdichters oder des Verdichterantriebs erfasst werden, sondern auch ein eventuell vorhandener Nullleiterdes Stromversorgungskabels. Weiterhin ist es auch möglich das Magnetfeld direkt am oder innerhalb des Verdichterantriebs zu erfassen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird zur Bestimmung des Betriebszustands und/oder der Drehzahl ein Phasenspektrum des Magnetfeldes, insbesondere in einem definierten Zeitbereich, ausgewertet.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass die Bestimmung des Betriebszustands und/oder der Drehzahl verbessert wird. Dies ist dadurch begründet, dass sich die Phasenspektren in den unterschiedlichen Betriebszuständen und/oder den unterschiedlichen Drehzahlen deutlich voneinander unterscheiden. In einer weiteren Ausführungsform wird zur Bestimmung des Betriebszustands und/oder der Drehzahl ein Amplitudenspektrum des Magnetfeldes, insbesondere in einem definierten Zeitbereich, ausgewertet.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass die Bestimmung des Betriebszustands und/oder der Drehzahl verbessert wird. Dies ist dadurch begründet, dass sich die Amplitudenspektren in den unterschiedlichen Betriebszuständen und/oder den unterschiedlichen Drehzahlen deutlich voneinander unterscheiden.
In einer Ausführungsform beträgt der Zeitbereich 200ms bis 20s, vorzugsweise 300ms bis 10s, besonders bevorzugt 500ms bis 5s, insbesondere 750ms bis 3s, insbesondere ls.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass der Zeitbereich gemäß den Anforderungen des Verdichters und der Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens gewählt werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform wird das Phasenspektrum des Magnetfeldes automatisch auswertet, insbesondere indem die Varianz des Phasenspektrums in einem Frequenzbereich von 0 Hz bis 10 kHz, bevorzugt 0 Hz bis 1 kHz, besonders bevorzugt in einem Bereich um eine Erregerfrequenz, gebildet wird.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass abhängig von dem Verdichterantrieb, der Frequenzbereich, in dem das Phasenspektrum ausgewertet wird, entsprechend angepasst werden kann. Hierbei hat es sich gezeigt, dass für einen Hochgeschwindigkeits-Verdichterantrieb ein Frequenzbereich von 0 Hz bis 10 kHz, für einen Nicht-Hochgeschwindigkeits-Verdichterantrieb ein Frequenzbereich von 0 bis 1 kHz und für einen drehzahlstarren Verdichterantrieb ein Frequenzbereich um die Erregerfrequenz, insbesondere um 50 Hz oder 60 Hz mit einer Varianz von ±5 Hz, geeignet ist.
In einer weiteren Ausführungsform wird das Amplitudenspektrum des Magnetfeldes automatisch auswertet, insbesondere indem die Varianz des Amplitudenspektrums in einem Frequenzbereich von 0 Hz bis 10 kHz, bevorzugt 0 Hz bis 1 kHz, besonders bevorzugt in einem Bereich um eine Erregerfrequenz, gebildet wird. Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass abhängig von dem Verdichterantrieb, der Frequenzbereich, in dem das Amplitudenspektrum ausgewertet werden kann, entsprechend angepasst werden kann. Hierbei hat es sich gezeigt, dass für einen Hochgeschwindigkeits-Verdichterantrieb ein Frequenzbereich von 0 Hz bis 10 kHz, für einen Nicht-Hochgeschwindigkeits- Verdichterantrieb ein Frequenzbereich von 0 bis 1 kHz und für einen drehzahlstarren Verdichterantrieb ein Frequenzbereich um die Erregerfrequenz, insbesondere um 50 Hz oder 60 Hz mit einer Varianz von ±5 Hz, geeignet ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Frequenzbereich ein Vielfaches, insbesondere ein 2-faches bis 10-faches der Erregerfrequenz.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass der Frequenzbereich in Abhängigkeit von der für die Abtastung vorhandenen Hardware oder Software entsprechend gewählt werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Betriebszustand des Verdichters basierend auf dem Frequenzspektrum des Magnetfeldes unter Verwendung eines Clusterverfahrens und/oder eines Klassifikationsverfahrens bestimmt.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass hierdurch eine automatische Betriebszustandsbestimmung des Verdichters möglich ist.
In einer weiteren Ausführungsform verwendet das Clusterverfahrens und/oder das Klassifikationsverfahren Schwellwerte oder ein statistisches Verfahren, insbesondere k-means und/oder neuronale Netze. Ganz generell kann die Betriebszustandsbestimmung im Sinne der vorliegenden Erfindung auch durch künstliche Intelligent bzw. maschinelles Lernen unterstützt durchgeführt werden
Ein Vorteil des Clusterverfahrens bzw. des Klassifikationsverfahrens besteht darin, dass sowohl beim Clusterverfahren, als auch beim Klassifikationsverfahren weitgehend automatisierte Verfahren angewendet werden können. Dies bedeutet insbesondere eine Verbesserung der Bestimmung des Betriebszustands des Verdichters.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Klassifikationsverfahren drei Klassifikationen, insbesondere die Klassifikationen Stillstand, Leerlauf und Lastlauf. Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass hierdurch eine konkrete Realisierung des Klassifikationsverfahrens zur Verfügung gestellt wird.
Eine weitere Ausführungsform beschreibt, dass jede Klassifikation anhand der Höhe einer statistischen Kenngröße definiert wird.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass die statistische Kenngröße, beispielsweise die Varianz, der Durchschnitt, der Modalwert und dergleichen, insbesondere bei einer softwaretechnischen Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens, schnell und zuverlässig berechenbar ist.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Betriebszustand des Verdichters und/oder die Drehzahl des Verdichterantriebs durch eine Analyse des Amplitudenspektrums des Magnetfeldes im Frequenzbereich einer Erregerfrequenz bestimmt.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass ein alternatives Bestimmungsverfahren für den Betriebszustand des Verdichters und/oder die Drehzahl des Verdichterantriebs bereitgestellt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird bei der Analyse des Amplitudenspektrums eine Schwellwertbildung durchgeführt.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass hierdurch eine automatisierte Erkennung des Betriebszustands durchgeführt werden kann.
Die Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ausführungsformen, gelöst, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist: ein Erfassungselement zum Anbringen auf mindestens einer Phase eines Stromversorgungskabels oder einer Motorzuleitung, wobei das Erfassungselement eine Rogowski-Spule, eine Stromzange, ein MEMS-Magnetometer, und/oder einen Hall-Sensor oder einen magnetoresistiven Sensor umfasst.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung werden die Vorteile des Verfahrens erzielt. Insbesondere besteht ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung darin, dass aufgrund der Analyse des Frequenzspektrums des Magnetfeldes die Drehzahl des Verdichterantriebs und/oder der Betriebszustand des Verdichters bestimmt werden kann. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass der exakte Wert der magnetischen Kenngröße und/oder die Höhe des Effektivwerts des Stroms nicht benötigt wird, um die Drehzahl des Verdichterantriebs und/oder den Betriebszustand des Verdichters zu ermitteln. Diese Parameter müssen folglich nicht wie im Stand der Technik üblich, mit hohem konstruktiven Aufwand ermittelt werden. Vielmehr ist es möglich, dass beispielsweise durch einen Vergleich der innerhalb eines Zeitbereichs erfassten magnetischen Kenngrößen untereinander eine Bestimmung eines Betriebszustands des Verdichters und/oder eine Bestimmung einer Drehzahl des Verdichterantriebs durchgeführt wird. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ist eine einfachere Drehzahlbestimmung des Verdichterantriebs und/oder eine vereinfachte Bestimmung des Betriebszustands des Verdichters möglich. Darüber hinaus ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Bestimmung der Drehzahl des Verdichterantriebs und/oder eine Bestimmung des Betriebszustands des Verdichters ohne genaue Kenntnis der Kennwerte des Verdichters bzw. des Verdichterantriebs. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist folglich auch für bereits installierte Verdichter bzw. Verdichterantriebe geeignet.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Erfassungselement mindestens eine Sensoreinheit auf, wobei die Sensoreinheit mindestens zwei der folgenden Sensoren umfasst: einen Sensor für eine Erfassung einer Magnetfeldstärke in einer X-Richtung, einen Sensor für eine Erfassung einer Magnetfeldstärke in einer Y-Richtung, oder einen Sensor für eine Erfassung einer Magnetfeldstärke in Z- Richtung, umfasst.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass durch die mindestens zwei Sensoren eine von der Lage der jeweiligen Sensoreinheit unabhängige Erfassung des Magnetfeldes ermöglicht wird.
Die Aufgabe wird auch durch eine Verwendung einer Vorrichtung nach den vorhergehenden Ausführungsformen zur Bestimmung einer Drehzahl eines Verdichterantriebs und/oder zur Bestimmung eines Betriebszustands eines Verdichters, gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Verwendung werden die Vorteile der Vorrichtung erzielt. Die Aufgabe wird auch durch das erfindungsgemäße computerlesbare Medium mit Anweisungen gelöst, die beim Ausfuhren auf einem oder mehreren Recheneinheiten ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ausführungsformen implementiert.
Durch das erfindungsgemäße computerlesbare Medium einschließlich computerausführbarer Anweisungen wird eine verbesserte informationstechnische Handhabung des erfindungsgemäßen Verfahrens bewirkt.
Nachfolgend wird die Erfindung mittels mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben, die anhand von Abbildungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
Fig. 1: eine im Stand der Technik bekannte Erfassung der
Stromstärke an einem Kompressor mit drehzahlstarrem Verdichterantrieb
Fig. 2: eine im Stand der Technik bekannte Erfassung der
Stromstärke an einem Kompressor mit drehzahlvariablem Verdichterantrieb
Fig. 3: einen aus dem Stand der Technik bekannten Zusammenhang zwischen der magnetischen Feldstärke, dem Effektivwert des Stroms und dem Betriebszustand
Fig. 4: eine Erfassung des Magnetfelds bei einem Verdichter mit drehzahlstarrem Verdichterantrieb gemäß eines erfindungsgemäßen Verfahrens
Fig. 5: eine Erfassung des Magnetfelds bei einem Verdichter mit d rehzahl starrem Verdichterantrieb gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren
Fig. 6: eine Erfassung des Magnetfelds bei einem Verdichter mit drehzahlvariablem Verdichterantrieb gemäß eines erfindungsgemäßen Verfahrens
Fig. 7: eine erfindungsgemäße Auswertung eines Zeitausschnitts der
Magnetfeldstärke im Frequenzbereich (Amplitudenspektrum) Fig. 8: ein Beispiel für ein Phasenspektrum eines Verdichters mit drehzahlstarrem Verdichterantrieb bei Lastlauf (Fig. 8a), Leerlauf (Fig. 8b) und Stillstand (Fig. 8c)
Fig. 9: die Erkennung des Betriebszustands aus der Varianz der
Amplitude im Frequenzbereich in einem Intervall ±2 Hz rund um die Erregerfrequenz von 50 Hz
Fig. 10: die Erkennung des Betriebszustands aus der erfassten magnetischen Flussdichte (Fig. 10a) im Betriebsmodus „Lastlauf' (Fig. 10b) und im Betriebsmodus „Leerlauf' (Fig. 10c).
Fig. 11: eine Erkennung des Betriebszustands auf Basis der Amplitude einer FFT für die Netzfrequenz.
Fig. 12: eine Erkennung des Betriebszustands auf Basis der Werte des
Phasenspektrums.
Fig. 13: Möglicher Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 14: eine erste mögliche Implementierung des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
Fig. 15: eine zweite mögliche Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 16: eine dritte mögliche Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 17: eine vierte Implementierung des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung darauf basiert, dass das vom Strom induzierte Magnetfeld der Phasen LI, L2, L3 erfasst wird. Allerdings wird für die Ermittlung der Drehzahl des Verdichterantriebs auf die Auswertung der Magnetfeldstärke als Indikator der Stromstärke bzw. des Effektivwerts des Stroms verzichtet. Stattdessen wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren durch Analyse des Frequenzbereichs, beispielsweise unter Benutzung der Fourieranalyse, Waveletanalyse, oder des Görtzel-Algorithmus, der zeitliche Verlauf der Magnetfeldstärke hinsichtlich der darin enthaltenen Frequenzanteile analysiert. Durch die Analyse der einzelnen Frequenzanteile wird die Frequenz des Magnetfelds erkannt, das auf die Grundfrequenz des Drehstroms zurückzuführen ist, mit der der Verdichterantrieb angetrieben wird. Ein Beispiel einer solchen Frequenzanalyse für einen Zeitausschnitt aus dem Signal der Magnetfeldstärke ist in Figur 7 dargestellt.
In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleichwirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
Die Figur 1 zeigt einen bekannten Stand der Technik zur Erfassung der Stromstärke an einem Verdichter 1, beispielsweise einem Kompressor mit drehzahlstarrem Verdichterantrieb 2. Der Verdichter 1 weist einen Verdichterantrieb 2 auf, wobei dieser beispielsweise ein Elektromotor ist und eine entsprechende Motorwicklung 8 aufweist. Vor dem Verdichterantrieb ist ein Klemmkasten 9 angebracht. Sowohl der Verdichterantrieb 2, als auch ein Teil des Stromversorgungskabels 4 und der Klemmkasten 9 sind in einem Maschineninnenraum 5 untergebracht. Ein Erfassungselement 3 wird nach dem Netzschütz 7, also im Bereich des Schaltschrankes 6, an eine der Phasen des Stromversorgungskabels 4 angebracht. Wie aus der Figur 1 ersichtlich, erstreckt sich ein Teil des Stromversorgungskabels 4 zwischen dem Maschineninnenraum 5 und dem Schaltschrank 6. In der Figur 1 ist eine Anbringung des Erfassungselements 3 an der Phase LI dargestellt.
Die Figur 2 zeigt schematisch eine im Stand der Technik bekannte Erfassung der Stromstärke an einem Verdichter 1, beispielsweise einem Kompressor, mit drehzahlvariablem Verdichterantrieb 2. Die Erfassung der Stromstärke an dem Verdichter 1 mit drehzahlvariablem Verdichterantrieb 2 unterscheidet sich von der Erfassung der Stromstärke an einem Verdichter 1 mit drehzahlstarrem Verdichterantrieb 2 dadurch, dass das Erfassungselement 3 nach einem Frequenzumrichter 10 an eine der Phasen des Stromversorgungskabels 4 angebracht wird. Der Frequenzumrichter 10 ist insofern ein vom Verdichterantrieb 2 separates Bauteil.
Die Wirkstrommessung erfolgt an dem Stromversorgungskabel 4 des Verdichterantriebs 2 über ein Erfassungselement 3, beispielsweise eine Stromzange oder eine Rogowski-Spule. An einer Phase des Stromversorgungskabels 4, in den Figuren 1 und 2 an der Phase LI, wird der Wirkstrom kontaktfrei durch Messung der Magnetfeldstärke zu ermitteln. Hierfür wird der Effekt genutzt, dass die Magnetfeldstärke rund um die Phase LI proportional zur Stromstärke in der Phase LI ist. Die mögliche Positionierung des Erfassungselements 3 für einen Verdichter mit drehzahlstarrem Verdichterantrieb, ist in Figur 1 dargestellt, während die mögliche Positionierung für einen Verdichter mit drehzahlvariablen Verdichterantrieb in Figur 2 dargestellt ist.
In Figur 3 ist der aus dem Stand der Technik bekannte Zusammenhang zwischen der Magnetfeldstärke, dem Effektivwert des Stroms und dem Betriebszustand dargestellt. In dem oberen Diagramm der Figur 3 ist die Magnetfeldstärke über die Zeit (in Sekunden) abgebildet.
Das untere Diagramm der Figur 3 zeigt den Effektivwert des Stroms und den dadurch ableitbaren Betriebszustand. Die Signalerfassung bei diesem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren geschieht so, dass aus dem an der Phase über die Magnetfeldstärke abgegriffenen Messwert der Stromstärke (Wechselstrom) der Effektivwert der Stromstärke über eine oder mehrere Wellen des Wechselstroms berechnet wird. Der Effektivwert der Stromstärke eines Wechselstroms steht für die äquivalente Stromstärke eines Gleichstroms. Anhand des Effektivwerts des Wechselstroms lassen sich durch Schwellwertbildung die Betriebszustände „Stillstand", „Leerlauf' und „Lastlauf' unterscheiden. Der Zusammenhang zwischen magnetischer Feldstärke, Effektivwert des Stroms und Betriebszustand ist beispielhaft in Figur 3 dargestellt.
In der aus dem Stand der Technik bekannten Beispiel der Figur 3 wurde für die Ableitung des Betriebszustands ein Schwellwert von 30A für die Erkennung des Betriebszustands „Leerlauf' und ein Schwellwert von 160A für die Erkennung des Betriebszustands „Lastlauf' angesetzt. Diese beiden Werte müssen aus dem Datenblatt des jeweiligen Verdichters entnommen werden oder basierend auf Werten des Datenblatts errechnet werden.
Die Figur 4 zeigt eine Erfassung des Magnetfelds bei einem Verdichter 1 mit drehzahlstarrem Verdichterantrieb 2 gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren. Hierbei ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens abgebildet, bei der das Erfassungselement 3 alle Phasen LI, L2 und L3 des Stromversorgungskabels 4 erfasst. Es ist für den Fachmann jedoch verständlich, dass das Erfassungselement 3 derart angebracht werden kann, dass nur eine Phase, beispielsweise die Phase LI, oder die Phase L2, oder die Phase L3, oder ein nicht abgebildeter stromführender Nullleiter, erfasst wird. Die Position des Erfassungselements 3 unterscheidet sich jedoch grundlegend von der Positionierung der Figur 1. So ist in der Ausführungsform der Figur 4 das Erfassungselement 3 außerhalb des Schaltschrankes 6 und außerhalb des Maschineninnenraums 5 positioniert. Dies hat den Vorteil, dass das Erfassungselement 3 auch von einem nicht elektrisch unterwiesenen Personal angebracht werden kann.
Die Figur 5 zeigt eine Erfassung des Magnetfelds bei einem Verdichter 1 mit drehzahlstarrem Verdichterantrieb 2 gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren. Sofern nicht anders beschrieben, weist der Verdichter 1 der Figur 5 dieselben Elemente und/oder Komponenten wie der Verdichter 1 der Figur 4 auf. Es sei bemerkt, dass der Verdichterantrieb 2, insbesondere die Motorwicklung 8 des Verdichterantriebs 2, über eine Motorzuleitung 11 mit Strom versorgt werden kann. Es ist hierbei eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens abgebildet, bei der das Erfassungselement 3 alle Phasen LI, L2 und L3 der Motorzuleitung 11 erfasst. Es ist für den Fachmann jedoch verständlich, dass das Erfassungselement 3 derart angebracht werden kann, dass nur eine Phase, beispielsweise die Phase LI, oder die Phase L2, oder die Phase L3, oder ein nicht abgebildeter stromführender Nullleiter, erfasst wird.
Die Figur 6 zeigt eine Erfassung des Magnetfelds bei einem Verdichter 1 mit drehzahlvariablem Verdichterantrieb 2 gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren. Wiederum ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens abgebildet, bei der das Erfassungselement 3 alle Phasen LI, L2, L3 und einen gegebenenfalls vorhandenen, in der Figur 6 nicht abgebildeten Nullleiter, des Stromversorgungskabels 4 erfasst. Es ist für den Fachmann jedoch verständlich, dass das Erfassungselement 3 derart angebracht werden kann, dass nur eine Phase, beispielsweise die Phase LI, oder die Phase L2, oder die Phase L3, oder ein in der Figur 6 nicht abgebildeter gegebenenfalls vorhandener Nullleiter, erfasst wird.
Der Stand der Technik geht davon aus, dass in der in den Figuren 4,5 und 6 dargestellten Ausführungsformen kein Magnetfeld erfasst werden kann, da sich in der Theorie die Magnetfelder der einzelnen Ströme in den symmetrisch belasteten Phasen LI, L2, L3 gegenseitig aufheben. Die Anmelderin hat jedoch festgestellt, dass die Phasen LI, L2, L3 nicht symmetrisch belastet sind, wodurch sich sogenannte Leckströme zwischen den einzelnen Phasen LI, L2, L3 und/oder dem Nullleiter (nicht dargestellt in den Figuren 4,5 und 6) ergeben. Auch diese Leckströme erzeugen ein Magnetfeld, dessen Magnetfeldstärke erfasst werden kann. Dieses Magnetfeld und insbesondere die Magnetfeldstärke sind um Größenordnungen geringer, als das Magnetfeld und die Magnetfeldstärke bei Messung einer einzelnen Phase LI, L2, L3. Das Magnetfeld und ebenso die Magnetfeldstärke und insbesondere deren qualitativer zeitlicher Verlauf kann zuverlässig erfasst werden. Hierdurch ist es möglich, dass das Erfassungselement 3 an Positionen des Stromversorgungskabels 4 angebracht wird, für die kein elektrisch unterwiesenes Personal notwendig ist. Ein Beispiel für eine derartige Position ist der Maschineninnenraum 5 an der Zuleitung des Verdichterantriebs 2 vor dem Klemmkasten 9 des Verdichterantriebs 2, wie beispielsweise in der Figur 6 dargestellt. Bei einem Verdichter 1 mit drehzahlstarrem Verdichterantrieb 2 kann das Erfassungselement 3 sogar außerhalb des Verdichters 1 in einer elektrischen Zuleitung, in der Figur 4 durch das Stromversorgungskabel 4 dargestellt, angebracht werden.
In der Figur 7 ist eine erfindungsgemäße Auswertung eines Zeitausschnitts der Magnetfeldstärke im Frequenzbereich, das sogenannte Amplitudenspektrum, dargestellt. Durch die Analyse der einzelnen Frequenzanteile wird die Frequenz des Magnetfelds erkannt, die auf die Grundfrequenz des Drehstroms zurückzuführen ist, mit der der Verdichterantrieb angetrieben wird.
Das Ergebnis der Ermittlung der Magnetfeldstärke ist in der Figur 7 oben dargestellt. Die Figur 7 unten ein Beispiel einer Frequenzanalyse für einen Zeitausschnitt aus dem Signal der Magnetfeldstärke. Der Zeitausschnitt ist in der Figur 7 oben mit gestrichelten Balken angedeutet.
In der Figur 7 unten, also im Amplitudenspektrum, gibt es ein deutlich ausgeprägtes Maximum bei einer Frequenz von 23,1 Hz. Diese Frequenz ist genau die Frequenz des Drehstroms, welcher den Verdichterantrieb 2 über das Stromversorgungskabel 4 mit elektrischer Energie versorgt. In der Figur 7 ist beispielhaft die Magnetfeldstärke und das Amplitudenspektrum für einen Verdichter 1 mit drehzahlvariablen Verdichterantrieb 2 dargestellt. Die Stärke des Magnetfelds und/oder die Höhe des Effektivwerts des Stroms spielen für das erfindungsgemäße Verfahren keine Rolle. Das erfindungsgemäße Verfahren ermittelt vielmehr die Frequenz, mit welcher das Magnetfeld schwingt. Diese Frequenz der Schwingung des Magnetfelds ist dabei die gleiche Frequenz, mit der der Drehstrom des Verdichterantriebs 2 rotiert.
Die Figur 8 zeigt beispielhaft ein Phasenspektrum eines Verdichters 1 mit drehzahlstarrem Verdichterantrieb 2 in den Betriebszuständen „Stillstand", „Leerlauf' und „Lastlauf'. Hierbei ist in der Figur 8a der Betriebszustand „Lastlauf' des Verdichters 1 mit drehzahlstarrem Verdichterantrieb 2 abgebildet.
In der Figur 8b ist der Betriebszustand „Leerlauf' des Verdichters 1 mit drehzahlstarrem Verdichterantrieb 2 abgebildet. Schließlich ist in der Figur 8c der Betriebszustand „Stillstand" des Verdichters 1 mit drehzahlstarrem Verdichterantrieb 2 abgebildet.
Aus der Figur 8 ist erkennbar, dass sich die Phasenspektren in den einzelnen Betriebszuständen deutlich unterscheiden. Ebenso ist es möglich, dass für die Erkennung des Betriebszustands das Phasenspektrum des Magnetfelds in einem definierten Zeitbereich, beispielsweise in einem Zeitbereich von 200ms bis 20s, vorzugsweise 300ms bis 10s, besonders bevorzugt 500ms bis 5s, insbesondere 750ms bis 3s, insbesondere ls, ausgewertet wird (nicht abgebildet in der Figur 8).
Eine automatische Auswertung des Phasenspektrums wird beispielsweise dadurch durchgeführt, dass die Varianz des Phasenspektrums im Bereich von 0 Hz bis 80 Hz gebildet wird (nicht abgebildet in der Figur 8). Diese Varianz wird einem Algorithmus zur Clusterbildung zugeführt. Der Algorithmus zur Clusterbildung definiert Cluster unter Verwendung von Schwellwerten oder unter Verwendung von statistischen Verfahren wie beispielsweise k-means oder neuronale Netze. Basierend auf dieser Clusterbildung wird ein Klassifikationsverfahren durchgeführt, wobei hierbei jedem Cluster anhand der Flöhe der Varianz ein Betriebszustand zugeordnet wird. Beispielsweise wird dem Betriebszustand „Stillstand" eine sehr hohe Varianz, dem Betriebszustand „Lastlauf' eine mittlere Varianz und dem Betriebszustand „Leerlauf' eine sehr geringe Varianz zugeordnet. Auch ist es möglich, dass das Klassifikationsverfahren ohne eine vorherige Clusterbildung durchgeführt wird.
Aus dem Spektrum der Figur 8 ist optisch erkennbar, dass auch der Spektrumsbereich von 240 Hz bis 260 Hz für eine Clusterbildung und damit eine Erkennung des Betriebszustands geeignet ist. Bei dem in der Figur 8 dargestellten Beispiel entspricht der Bereich von 240 Hz bis 260 Hz dem Frequenzbereich welcher Kammerfrequenz eines Blocks mit 5 Verdichtungskammern entspricht. Folglich ist es auch möglich, dass über die Analyse des Magnetfelds auch die Rückwirkungen des Verdichtungsprozesses auf das Stromnetz analysiert wird.
Die Figur 9 zeigt eine Erkennung des Betriebszustands aus der Varianz der Amplitude im Frequenzbereich in einem Intervall ±2 Hz rund um eine Erregerfrequenz von 50 Flz. Hierbei wird durch eine Schwellwertbildung eine Erkennung des Betriebszustands durchgeführt. In der in Figur 9 abgebildeten Ausführungsform wird eine Varianz größer 10000 für die Erkennung des Betriebszustands „Leerlauf' und eine Varianz größer als 100000 wird für die Erkennung des Betriebszustands „Lastlauf' definiert. In der Figur 9 wurde die Varianz auf den Mittelwert des untersuchten Amplitudenspektrums im jeweiligen Zeitfenster normiert. In der Figur 9 beträgt dieses Zeitfenster eine Sekunde.
Die Figur 10 zeigt die zugrundeliegenden Daten zur Erkennung des Betriebszustands mittels zwei unterschiedlicher Vorgehensweisen aus der erfassten magnetischen Flussdichte (Fig. 10a). Exemplarisch sind zwei Zeitbereiche in Fig. 10a definiert. Das Amplitudenspektrum nach einer Fourieranalyse (hier Fast Fourier Transform FFT) ist für diese beiden Zeitbereiche in Fig. 10b und Fig. 10c dargestellt. Die beiden Zeitbereiche unterscheiden sich bzgl. des Betriebszustands des Verdichters: „Lastlauf' (Fig. 10b) und „Leerlauf' (Fig. 10c).
Insbesondere zeigt die Figur 10 eine weitere Möglichkeit zur Erkennung des Betriebszustands, wobei hierbei das Magnetfeld aller Phasen LI, L2, L3 des Stromversorgungskabels 4 erfasst wird. Diese Methode eignet sich sowohl für Verdichter 1 mit Frequenzumrichter 10 (siehe beispielsweise Figur 2 oder Figur 6), als auch für Verdichter 1 ohne Frequenzumrichter 10 (siehe beispielsweise Figur 1 oder Figur 4). Ausgehend von der mittels des Erfassungselements 3 erfassten magnetischen Flussdichte (beispielhaft abgebildet in der Figur 10a) kann das Amplitudenspektrum für gewisse Zeitabschnitte berechnet werden. Dies ist für einen ls-Zeiti ntervall im Lastlauf in der Figur 10b und für ein ls- Zeitintervall im Leerlauf in der Figur 10c beispielhaft dargestellt. Anhand der Amplitudenwerte der Frequenz 50Hz (beispielhaft abgebildet in der Figur 11a) wird mittels Schwellwerten der Betriebszustand (beispielhaft abgebildet in der Figur 11b) ermittelt. Da es sich in diesem Anwendungsbeispiel um einen drehzahlstarren Verdichter, welcher in einem Stromnetz mit 50Hz Netzfrequenz betrieben wird handelt, sind die Amplitudenwerte der Frequenz 50Hz besonders relevant für dieses Anwendungsbeispiel.
Für die Ermittlung der Schwellwerte können zwei unterschiedliche Vorgehensweisen angewendet werden. Für die erste Vorgehensweise muss der Betriebszustand zu einem Zeitpunkt der Messung bekannt sein (z.B. „Leerlauf' bei 530s in Figur 10 bzw. 11). Für diesen Zeitpunkt ist der Amplitudenwert der Frequenz bei 50Hz bekannt. Dieser Amplitudenwert wird mit einem ersten Sicherheitsfaktor multipliziert (beispielsweise 0,8) um den unteren Schwellwert zu erhalten. Durch die Multiplikation mit einem zweiten Sicherheitsfaktor (beispielsweise 1,5) wird der obere Schwellwert definiert. Sollte zu einem Zeitpunkt der Amplitudenwert der Frequenz bei 50Hz größer als beide Schwellwerte sein, liegt der Betriebszustand „Lastlauf' vor. Sollte zu einem Zeitpunkt der Amplitudenwert der Frequenz bei 50Hz kleiner als beide Schwellwerte sein, liegt der Betriebszustand „Aus" vor. Sollte zu einem Zeitpunkt der Amplitudenwert der Frequenz bei 50Hz zwischen den beiden Schwellwerten liegen, liegt der Betriebszustand „Leerlauf' vor. Anhand dieser beiden Schwellwerte kann der Betriebszustand für jeden Zeitschrift ermittelt werden, dies ist in Fig. 11b dargestellt.
Die zweite Vorgehensweise zur Ermittlung der Schwellwerte läuft automatisiert ab und benötigt daher keine Information eines Betriebszustands bei einem bestimmten Zeitpunkt. Sowohl im Betriebszustand „Leerlauf' als auch im Betriebszustand „Lastlauf' beträgt die Erregerfrequenz des Magnetfelds mehr als 6Hz. Im Betriebszustand „Aus" werden dagegen Erregerfrequenzen erkannt, welche unterhalb von 6Hz liegen. Daher können Zeitpunkte mit einer Erregerfrequenz kleiner 6Hz als Betriebszustand „Aus" definiert werden. Bevor ein Verdichter in den Betriebszustand „Aus" wechselt wird für einige Sekunden der Betriebszustand „Leerlauf' durchfahren. Ein ähnliches Verhalten tritt auf beim Starten des Kompressors vom „Aus" über „Leerlauf' in „Lastlauf'. Dieses Phänomen kann genutzt werden, um Amplitudenwert der Frequenz bei 50Hz für einen Betriebszustand „Leerlauf' zu erhalten. In der zweiten Vorgehensweise wird der Mittelwert der Amplitudenwert der Frequenz bei 50Hz von 4 Zeitschriften vor einem bekannten Betriebszustand „Aus" gebildet. Dieser Mittelwert wird mit einem ersten Sicherheitsfaktor multipliziert (beispielsweise 0,8) um den unteren Schwellwert zu erhalten. Durch die Multiplikation mit einem zweiten Sicherheitsfaktor (beispielsweise 1,5) wird der obere Schwellwert definiert. Sollte zu einem Zeitpunkt der Amplitudenwert der Frequenz bei 50Hz größer als beide Schwellwerte sein, liegt der Betriebszustand „Lastlauf' vor. Sollte zu einem Zeitpunkt der Amplitudenwert der Frequenz bei 50Hz kleiner als beide Schwellwerte sein, liegt der Betriebszustand „Aus" vor. Sollte zu einem Zeitpunkt der Amplitudenwert der Frequenz bei 50Hz zwischen den beiden Schwellwerten liegen, liegt der Betriebszustand „Leerlauf' vor. Anhand dieser beiden Schwellwerte kann der Betriebszustand für jeden Zeitschritt ermittelt werden, dies ist in Fig. 11b dargestellt.
Die Figuren 12a und 12b zeigen eine weitere Möglichkeit zur Erkennung des Betriebszustands, wobei hierbei das Magnetfeld aller Phasen LI, L2, L3 des Stromversorgungskabels 4 erfasst wird. Diese Methode eignet sich sowohl für Verdichter 1 mit Frequenzumrichter 10 (siehe beispielsweise Figur 2 oder Figur 6), als auch für Verdichter 1 ohne Frequenzumrichter 10 (siehe beispielsweise Figur 1 oder Figur 4).
Ausgehend vom Phasenspektrum im Frequenzbereich zwischen 1 und 80 Hz (siehe Figur 8) können alle Werte des Phasenspektrums in Zeitbereichen von beispielsweise ls aufsummiert werden.
Es wird die Differenz dieser aufsummierten Werte der Argumente gebildet. Sollte diese Differenz > 0,1 rad sein, wird diese Differenz auf 0,1 rad begrenzt. Es entsteht eine neue Zeitreihe der Differenzen.
Nach einer Glättung der Zeitreihe der Differenzen (beispielsweise durch Bildung des Mittelwerts über drei benachbarte Werte) können Schwellwerte für einen Wechsel der Betriebszustände „Leerlauf', „Lastlauf' und „Stillstand" definiert werden. Diese Zeitreihe der Differenzen wird als Strecke im Phasenspektrum bezeichnet. Dieser Verlauf der Strecke im Phasenspektrum und die zugehörigen Schwellwerte sind in Figur 12a dargestellt. Der daraus ermittelte Betriebszustand des Verdichters ist in Figur 12b dargestellt.
Die Figur 13 zeigt einen möglichen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt, Sl, wird die Messung gestartet. Danach werden in einem zweiten Schritt, S2, die Magnetfeldwerte durch Abtastung erfasst und gespeichert. Anschließend wird in einem dritten Schritt, S3, die Messung gestoppt. In einem vierten Schritt, S4, wird die Zeitreihe der Magnetfeldwerte ausgelesen. In einem fünften Schritt, S5, wird jeweils in Abschnitten von einer Sekunde durch eine Frequenzsanalyse die Drehzahl und der Betriebszustand ermittelt. In einem sechsten Schritt, S6, werden Zeitreihen von Drehzahl und Betriebszustand erstellt.
Einzelne Anwendungsbeispiele werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren 14 bis 17 näher erläutert.
Anwendungsbeispiel 1:
Figur 14 zeigt eine erste mögliche Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt, S101, wird die Messung gestartet. Danach werden in einem zweiten Schritt, S102, die Magnetfeldwerte durch Abtastung erfasst und gespeichert. Anschließend wird in einem dritten Schritt, S103, die Messung gestoppt. In einem vierten Schritt, S104, wird die Zeitreihe der Magnetfeldwerte ausgelesen. In einem fünften Schritt, S105, werden die X-, Y- und Z-Werte der magnetischen Flussdichte (vorliegend als Zeitreihe) weiter genutzt. Für jeden Zeitpunkt der Zeitreihe werden die X-, Y- und Z-Werte zu einem Vektor zusammengefasst und dieser Vektor auf einen Skalar für diesen Zeitpunkt abgebildet. Anschließend erfolgt die Ermittlung des Frequenzspektrums auf der Zeitreihe der Skalare dadurch, dass für jeden ls-Abschnitt der o.g. Zeitreihe eine Frequenzanalyse mit dem Görtzel Algorithmus durchgeführt wird, S106. Danach erfolgt die Bildung der Varianz der Amplituden des Frequenzspektrums zwischen 48Flz und 52Flz. Es erfolgt zusätzlich eine Normierung des Varianzwerts mittels des Durchschnitts der Amplituden, S107. Die normierte Varianzwerte sind in Fig. 9 dargestellt, das Zeitfenster beträgt eine Sekunde. Schließlich werden Schwellwerte für die normierten Varianzwerte festgelegt, um die Betriebszustände „Lastlauf', „Leerlauf' und „Aus" zu unterscheiden, S108. In der in Figur 9 abgebildeten Ausführungsform wird eine Varianz größer 10000 für die Erkennung des Betriebszustands „Leerlauf' und eine Varianz größer als 100000 wird für die Erkennung des Betriebszustands „Lastlauf' definiert. Anwendungsbeispiel 2:
Figur 15 zeigt eine zweite mögliche Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt, S201, wird die Messung gestartet. Danach werden in einem zweiten Schritt, S202, die Magnetfeldwerte durch Abtastung erfasst und gespeichert. Anschließend wird in einem dritten Schritt, S203, die Messung gestoppt. In einem vierten Schritt, S204, wird die Zeitreihe der Magnetfeldwerte ausgelesen. In einem fünften Schritt, S205, werden die X-, Y- und Z-Werte der magnetischen Flussdichte (vorliegend als Zeitreihe) weiter genutzt. Für jeden Zeitpunkt der Zeitreihe werden die X-, Y- und Z-Werte zu einem Vektor zusammengefasst und dieser Vektor auf einen Skalar für diesen Zeitpunkt abgebildet. Die Werte dieses Skalars sind in Fig. 10a dargestellt. In einem sechsten Schritt, S206, erfolgt die Ermittlung des Frequenzspektrums auf der Zeitreihe der Skalare dadurch, dass für jeden ls-Abschnitt der o.g. Zeitreihe eine Frequenzanalyse mit der Fourieranalyse (FFT) durchgeführt wird und das Amplitudenspektrum berechnet wird. Werte des Amplitudenspektrums sind in Fig. 10b und 10c für eine Sekunde „Lastlauf" und eine Sekunde „Leerlauf' dargestellt. Anschließend erfolgt die Extraktion der Amplitude bei 50Hz (Erregerfrequenz) für jedes ls-Intervall, S207. Die Amplitudenwerte bei 50Hz sind in Fig. 11a als Zeitreihe dargestellt. Danach kann durch manuelle Vorgabe ein Zeitpunkt mit dem Betriebszustand „Leerlauf' des Verdichters identifiziert werden, S208. In Fig. 11a z.B. bei 530s. Ausgehend von dem Betragswert der Amplitude der Fourieranalyse bei 50Hz des bekannten Zeitpunkts „Leerlauf' wird mittels Multiplikation mit einem Sicherheitsfaktor (z.B. 0,8) der Schwellwert SW1 und mittels eines zweiten Sicherheitsfaktors (z.B. 1,5) der Schwellwert SW2 gebildet, S209. Die Ermittlung der Sicherheitsfaktoren erfolgt durch Messung und Analyse einer Schar an Verdichtern. Diese beiden Schwellwerte sind in Fig. 11a als gestrichelte Linien dargestellt. Schließlich werden alle Betragswerte der Amplituden der Fourieranalyse bei 50Hz die oberhalb der beiden Schwellwerte liegen dem Betriebszustand „Lastlauf', alle Werte unterhalb der beiden Schwellwerte dem Betriebszustand „Aus" und alle Werte zwischen den beiden Schwellwerten dem Betriebszustand „Leerlauf' zugewiesen, S210. Somit ergibt sich die Kurve der Betriebszustände des Verdichters, in Fig. 11b dargestellt. Anwendungsbeispiel 3:
Figur 16 zeigt eine dritte mögliche Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt, S301, wird die Messung gestartet. Danach werden in einem zweiten Schritt, S302, die Magnetfeldwerte durch Abtastung erfasst und gespeichert. Anschließend wird in einem dritten Schritt, S303, die Messung gestoppt. In einem vierten Schritt, S304, wird die Zeitreihe der Magnetfeldwerte ausgelesen. In einem fünften Schritt, S305, werden die X-, Y- und Z-Werte der magnetischen Flussdichte (vorliegend als Zeitreihe) weiter genutzt. Für jeden Zeitpunkt der Zeitreihe werden die X-, Y- und Z-Werte zu einem Vektor zusammengefasst und dieser Vektor auf einen Skalar für diesen Zeitpunkt abgebildet. Die Werte dieses Skalars sind in Fig. 10a dargestellt. In einem sechsten Schritt, S306, erfolgt die Ermittlung des Frequenzspektrums auf der Zeitreihe der Skalare dadurch, dass für jeden ls-Abschnitt der o.g. Zeitreihe eine Frequenzanalyse mit der Fourieranalyse (hier mittels FFT) durchgeführt wird und das Amplitudenspektrum berechnet wird. Werte des Amplitudenspektrums sind in Fig. 10b und 10c für eine Sekunde „Lastlauf" und eine Sekunde „Leerlauf' dargestellt. Anschließend erfolgt die Extraktion der Amplitude bei 50Hz (Erregerfrequenz) für jedes ls-Intervall, S307. Die Amplitudenwerte bei 50Hz sind in Fig. 11a als Zeitreihe dargestellt. In Schritt S308 kann der Betriebszustand „Aus" des Verdichters erkannt werden. Im Betriebszustand „Aus" des Verdichters liefert die Fourieranalyse sehr kleine Frequenzen (<6Hz) als Frequenz mit maximaler Amplitude größer 0Hz (Gleichanteil). Zeitintervalle in denen dies der Fall ist, können automatisch dem Betriebszustand „Aus" zugeordnet werden. In Schritt 309 wird ein Zeitintervall gesucht, bei dem der Verdichter gerade in den durch den obigen Verfahrensschritt ermittelten bekannten Betriebszustand „Aus" gewechselt ist (z.B. Zeitpunkt 680s in Fig. 10a). Wenige Sekunden vor dem ermittelten Zeitintervall kann bei Verdichtern vom Betriebszustand „Leerlauf' ausgegangen werden. Daher wird in Schritt S310 der Mittelwert der Betragswerte der Amplitude der Fourieranalyse bei 50Hz über 4 Sekunden vor dem Zeitintervall, in dem die Anlage sicher im Zustand „Aus" ist, gebildet. Dies ist in Fig. 11a der Mittelwert der Werte 676s-679s. Anschließend wird ausgehend von dem ermittelten Mittelwert mittels Multiplikation mit einem Sicherheitsfaktor (z.B. 0,8) der Schwellwert SW1 und mittels eines zweiten Sicherheitsfaktors (z.B. 1,5) der Schwellwert SW2 gebildet, S311. Die Ermittlung der Sicherheitsfaktoren erfolgt durch Messung und Analyse einer Schar an Verdichtern. Diese beiden Schwellwerte sind in Fig. 11a dargestellt. Schließlich werden alle Betragswerte der Amplituden der Fourieranalyse bei 50Hz die oberhalb der beiden Schwellwerte liegen dem Betriebszustand „Lastlauf", alle Werte unterhalb der beiden Schwellwerte dem Betriebszustand „Aus" und alle Werte zwischen den beiden Schwellwerten dem Betriebszustand „Leerlauf' zugewiesen, S312. Somit ergibt sich die Kurve der Betriebszustände, dargestellt in Fig. 11b.
Anwendungsbeispiel 4:
Figur 17 zeigt eine vierte mögliche Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt, S401, wird die Messung gestartet. Danach werden in einem zweiten Schritt, S402, die Magnetfeldwerte durch Abtastung erfasst und gespeichert. Anschließend wird in einem dritten Schritt, S403, die Messung gestoppt. In einem vierten Schritt, S404, wird die Zeitreihe der Magnetfeldwerte ausgelesen. In einem fünften Schritt, S405, werden die X-, Y- und Z-Werte der magnetischen Flussdichte (vorliegend als Zeitreihe) weiter genutzt. Für jeden Zeitpunkt der Zeitreihe werden die X-, Y- und Z-Werte zu einem Vektor zusammengefasst und dieser Vektor auf einen Skalar für diesen Zeitpunkt abgebildet. In einem sechsten Schritt, S406, erfolgt die Ermittlung des Frequenzspektrums auf der Zeitreihe der Skalare dadurch, dass für jeden ls- Abschnitt der o.g. Zeitreihe eine Frequenzanalyse mit der Fourieranalyse (hier mittels FFT) durchgeführt wird und das Argument/die Phase in rad berechnet wird. In einem siebten Schritt, S407, wird die Differenz von zwei benachbarten Werten der Argumente gebildet. Sollte diese Differenz > 0,1 rad sein, so wird diese Differenz auf 0,1 rad begrenzt. Es entsteht eine neue Zeitreihe der Differenzen. Anschließend, S408, erfolgt die Bildung der Summe aller Differenzen der Argumente in rad im Frequenzbereich von l-80Hz, dies wird als Strecke im Phasenspektrum bezeichnet. Im neunten Schritt, S409, wird die Kurve der Strecke im Phasenspektrum geglättet (beispielsweise durch Bildung des Mittelwerts von 3 Werten der Strecke im Phasenspektrum). Diese Strecke im Phasenspektrum ist in Fig. 12a dargestellt. Anschließend erfolgt die Festlegung von Schwellwerten um die Betriebszustände zu unterscheiden, Schwellwerte sind in Fig. 12a als gestrichelte Linie dargestellt. Im letzten Schritt, S411, werden alle Werte der Strecke im Phasenspektrum die oberhalb der beiden Schwellwerte liegen dem Betriebszustand „Lastlauf", alle Werte unterhalb der beiden Schwellwerte dem Betriebszustand „Aus" und alle Werte zwischen den beiden Schwellwerten dem Betriebszustand „Leerlauf' zugewiesen. Somit ergibt sich die Kurve der Betriebszustände als Zeitreihe des Verdichters in Fig. 12b. Bezugszeichen liste
LI Phase 1
L2 Phase 2
L3 Phase 3
1 Verdichter
2 Verdichterantrieb, beispielsweise Elektromotor
3 Erfassungselement
4 Stromversorgungskabel
5 Maschineninnenraum
6 Schaltschrank
7 Netzschütz
8 Motorwicklung
9 Klemmkasten des Elektromotors
10 Frequenzumrichter
11 Motorzuleitung

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Ermittlung, insbesondere zur kontaktlosen Ermittlung, eines Betriebszustands eines Verdichters (1) und/oder einer Drehzahl eines Verdichterantriebs (2), insbesondere eines drehzahlvariablen oder drehzahlstarren Verdichterantriebs (2), aufweisend die folgenden Verfahrensschritte:
- Erfassen eines Magnetfeldes über einen Zeitbereich mittels eines Erfassungselements (3), wobei das Magnetfeld durch einen Strom mindestens einer Phase (LI, L2, L3) eines Stromversorgungskabels (4) oder einer Phase (LI, L2, L3) einer Motorzuleitung (11) erzeugt wird;
- Ermitteln des Frequenzspektrums des Magnetfeldes über den Zeitbereich;
- Analyse des Frequenzspektrums des Magnetfeldes zur Bestimmung eines Betriebszustands des Verdichters (1) und/oder zur Bestimmung einer Drehzahl des Verdichterantriebs (2).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erfassen des Magnetfeldes das Erfassen einer magnetischen Feldstärke, insbesondere unter Verwendung einer Rogowski-Spule, und/oder das Erfassen einer magnetischen Flussdichte, insbesondere unter Verwendung eines Flall-Sensors, umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, aufweisend den folgenden Verfahrensschritt:
- Anbringen des Erfassungselements (3) auf einer Phase (LI, L2, L3) des Stromversorgungskabels (4) oder der Motorzuleitung (11).
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, aufweisend den folgenden Verfahrensschritt:
- Anbringen des Erfassungselements (3) auf mehreren, insbesondere allen Phasen (LI, L2, L3) des Stromversorgungskabels (4) oder der Motorzuleitung (11) derart, dass das Magnetfeld gemessen wird, das durch den Strom der mehreren, insbesondere allen Phasen (LI, L2, L3) des Stromversorgungskabels (4) erzeugt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dad u rch geken nzeich net, dass die Ermittlung des Frequenzspektrums eine Analyse des zeitlichen Verlaufs des Magnetfeldes umfasst.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dad u rch geken nzeich net, dass die im zeitlichen Verlauf des Magnetfeldes enthaltenen Frequenzanteile unter Verwendung einer Fourieranalyse und/oder einer Wavelet-Analyse und/oder einem Görtzel-Algorithmus analysiert werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 6, dad u rch geken nzeich net, dass durch die Analyse der einzelnen Frequenzanteile die Frequenz des
Magnetfeldes ermittelt wird, und die Grundfrequenz des Stroms der mindestens einen Phase (LI, L2,
L3) des Stromversorgungskabels (4) oder der Motorzuleitung (11) basierend auf der Frequenz des Magnetfeldes ermittelt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dad u rch geken nzeich net, dass aus der ermittelten Grundfrequenz des Stroms die Drehzahl des Verdichterantriebs (2) ermittelt wird, insbesondere durch Verwendung eines Faktors.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dad u rch geken nzeich net, dass im Schritt des Erfassens genau eine Phase (LI, L2, L3) des Stromversorgungskabels (4) oder der Motorzuleitung (11) erfasst wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dad u rch geken nzeich net, dass im Schritt des Erfassens mehrere, insbesondere alle Phasen (LI, L2, L3) des Stromversorgungskabels (4) oder der Motorzuleitung (11) erfasst werden.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dad u rch geken nzeich net, dass zur Bestimmung des Betriebszustands und/oder der Drehzahl ein Phasenspektrum des Magnetfeldes, insbesondere in einem definierten Zeitbereich, ausgewertet wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, dad u rch geken nzeich net, dass zur Bestimmung des Betriebszustands und/oder der Drehzahl ein Amplitudenspektrum des Magnetfeldes, insbesondere in einem definierten Zeitbereich, ausgewertet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dad u rch geken nzeich net, dass der Zeitbereich 200ms bis 20s, vorzugsweise 300ms bis 10s, besonders bevorzugt 500ms bis 5s, insbesondere 750ms bis 3s, insbesondere ls, beträgt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 13, dad u rch geken nzeich net, dass das Phasenspektrum des Magnetfeldes automatisch ausgewertet wird, insbesondere indem die Varianz des Phasenspektrums in einem Frequenzbereich von 0 Hz bis 10 kHz, bevorzugt 0 Hz bis 1 kHz, besonders bevorzugt in einem Bereich um eine Erregerfrequenz, gebildet wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dad u rch geken nzeich net, dass das Amplitudenspektrum des Magnetfeldes automatisch ausgewertet wird, insbesondere indem die Varianz des Amplitudenspektrums in einem Frequenzbereich von 0 Hz bis 10 kHz, bevorzugt 0 Hz bis 1 kHz, besonders bevorzugt in einem Bereich um eine Erregerfrequenz, gebildet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dad u rch geken nzeich net, dass der Frequenzbereich ein Vielfaches, insbesondere ein 2-faches bis 10- faches der Erregerfrequenz ist.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dad u rch geken nzeich net, dass der Betriebszustand des Verdichters basierend auf dem Frequenzspektrum des Magnetfeldes unter Verwendung eines Clusterverfahrens und/oder eines Klassifikationsverfahrens bestimmt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dad u rch geken nzeich net, dass das Clusterverfahren und/oder das Klassifikationsverfahren Schwellwerte oder ein statistisches Verfahren, insbesondere k-means und/oder neuronale Netze, verwendet.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dad u rch geken nzeich net, dass das Klassifikationsverfahren drei Klassifikationen, insbesondere die Klassifikationen Stillstand, Leerlauf und Lastlauf, umfasst.
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dad u rch geken nzeich net, dass der Betriebszustand des Verdichters (1) und/oder die Drehzahl des Verdichterantriebs (2) durch eine Analyse des Amplitudenspektrums des Magnetfeldes im Frequenzbereich einer Erregerfrequenz bestimmt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dad u rch geken nzeich net, dass bei der Analyse des Amplitudenspektrums eine Schwellwertbildung durchgeführt wird.
22. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist: ein Erfassungselement (3) zum Anbringen auf mindestens einer Phase (LI, L2, L3) eines Stromversorgungskabels (4) oder einer Motorzuleitung (11), wobei das Erfassungselement (3) eine Rogowski-Spule, eine Stromzange, ein MEMS-Magnetometer, und/oder einen Hall-Sensor umfasst.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei das Erfassungselement (3) mindestens eine Sensoreinheit aufweist, wobei die Sensoreinheit mindestens zwei der folgenden Sensoren umfasst: einen Sensor für eine Erfassung einer Magnetfeldstärke in einer X- Richtung, einen Sensor für eine Erfassung einer Magnetfeldstärke in einer Y-Richtung, oder einen Sensor für eine Erfassung einer Magnetfeldstärke in Z-Richtung.
24. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23 zur Bestimmung einer Drehzahl eines Verdichterantriebs (2) und/oder zur Bestimmung eines Betriebszustands eines Verdichters (1).
25. Computerlesbares Speichermedium, welches Instruktionen enthält, die mindestens einen Prozessor dazu veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21 zu implementieren, wenn die Instruktionen durch mindestens einen Prozessor ausgeführt werden.
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