BE1026762B1

BE1026762B1 - Aandrijving met een variabel toerental voor een fluïdumpomp en compressor-, vacuümpomp- en pompinrichting daarmee uitgerust

Info

Publication number: BE1026762B1
Application number: BE20185778A
Authority: BE
Inventors: Bart Maria M Raes; Peter Jozef Heirman; Yassine Benômar; Stijn Johan E Broucke
Original assignee: Atlas Copco Airpower Nv; Univ Brussel Vrije
Priority date: 2018-11-07
Filing date: 2018-11-07
Publication date: 2020-06-09
Also published as: WO2020095137A1; FR3088091B3; FR3088091A3; BE1026762A1

Abstract

Aandrijving met een variabel toerental voor een fluïdumpomp, daardoor gekenmerkt dat de aandrijving (3) een dubbelgevoede synchrone reluctantiemotor omvat met een rotor (10) en minstens één stator (11), waarbij de rotor (10) geconfigureerd is om een aangedreven as (9) aan te drijven of te vormen, waarbij de aandrijving verder voorzien is van minstens twee wikkelingen (12 en 13) waarvan minstens één wikkeling (12) verbonden is met een voeding met vaste frequentie (14) en minstens één andere wikkeling (13) is verbonden met een frequentieomvormer (15).

Description

Aandrijving met een variabel toerental voor een fluïdumpomp en compressor-, vacuümpomp- en pompinrichting daarmee uitgerust.

De huidige uitvinding heeft betrekking op een aandrijving met een variabel toerental voor een fluïdumpomp zoals bijvoorbeeld een compressor-, vacuümpomp- of pompinrichting.

Traditioneel worden dergelijke inrichtingen aangedreven door een aandrijving, ofwel met een vast toerental, ofwel met een variabel toerental.

Een aandrijving met een vast toerental is goedkoper en eenvoudiger te implementeren dan een aandrijving met een variabel toerental.

Een aandrijving met een variabel toerental heeft echter een aantal specifieke voordelen.

In het bijzonder zal dergelijke aandrijving met variabel toerental de energieconsumptie van bijvoorbeeld de compressorinrichting kunnen verminderen, aangezien zij het mogelijk maakt om het toerental aan te passen aan de variërende vraag naar samengeperst gas. Op deze manier kan een vermindering in het verbruik gerealiseerd worden van wel 35% en zelfs nog hoger, afhankelijk van het type compressorinrichting.

BE2018/5778

Alhoewel een aandrijving met een variabel toerental belangrijke voordelen heeft, brengt ze extra kosten en complexiteit met zich mee omwille van de aanwezigheid van een freguentieomvormer die een bepaald vermogensverlies kan teweeg brengen.

Daarom wordt er toch vaak gekozen voor een aandrijving met een vast toerental.

De huidige uitvinding heeft tot doel aan minstens één van de voornoemde en/of andere nadelen een oplossing te bieden doordat zij voorziet in een aandrijving met een variabel toerental, waarbij de vermogensverliezen en de kostprijs van de freguentieomvormer drastisch verminderd kunnen worden.

Hiertoe betreft de huidige uitvinding een aandrijving met een variabel toerental voor een fluïdumpomp als voorwerp, met als kenmerk dat de aandrijving een dubbel-gevoede synchrone reluctantiemotor omvat met een rotor en minstens één stator, waarbij de rotor geconfigureerd is om een aangedreven as aan te drijven of te vormen, waarbij de aandrijving verder voorzien is van minstens twee wikkelingen en waarbij minstens één voornoemde wikkeling is verbonden met een voeding met vaste freguentie en minstens één andere wikkeling is verbonden met een freguentieomvormer.

BE2018/5778

Dergelijke aandrijving volgens de uitvinding is als het ware een combinatie van een motor met vast toerental en een motor met variabel toerental.

De wikkeling die rechtstreeks verbonden is met de voeding met vaste frequentie zal een bepaald vermogen P_grid naar de rotor van de aandrijving sturen.

De wikkeling die met de frequentieomvormer verbonden is, zal een variabel vermogen Pcontroi naar de rotor sturen, waarbij in eerste orde geldt dat Pcontroi gelijk is aan P_grid vermenigvuldigd met de verhouding van de variable frequentie van de frequentieomvormer en de vaste frequentie.

Beide voornoemde vermogens Pcontroi en P_gr±d worden opgeteld en vormen het totale vermogen.

De maximale rotatiesnelheid van de rotor zal afhangen van dit uiteindelijke totale vermogen, waarbij de verhouding van de koppels die door de verschillende wikkelingen geleverd worden constant blijft.

De rotor zal gekoppeld kunnen worden met of dienst doen als de aandrijfas van de voornoemde fluïdumpomp.

Aangezien de wikkeling die met de voeding met vaste frequentie verbonden is steeds een vermogen met constante frequentie naar de rotor zal sturen en dus voor een

BE2018/5778 constant gedeelte van het totale toerental zal zorgen, kan dit beschouwd worden als een motor met vast toerental.

De voeding met vaste frequentie is bijvoorbeeld, doch niet noodzakelijk, een elektriciteitsnet.

De wikkeling die met de frequentieomvormer verbonden is, zal daarentegen voor een variabel gedeelte van het totale toerental zorgen, zodat deze kan beschouwd worden als een motor met variabel toerental.

Op deze manier laat een aandrijving volgens de uitvinding toe om het principe van de combinatie van een motor met vast toerental met een motor met variabel toerental toe te passen om een fluïdumpomp aan te drijven.

Het belangrijkste voordeel is dat de frequentieomvormer van een kleinere schaal en dus goedkoper zal zijn dan wanneer het volledige vermogen uitsluitend zou worden aangeleverd door de frequentieomvormer.

Immers, in een klassieke aandrijving met variabel toerental met een rotor en stator, zal de stator slechts één wikkeling bevatten welke via de frequentieomvormer verbonden is met het elektriciteitsnet. De frequentieomvormer zal over het volledige bereik van het vermogen van de aandrijving het vermogen moeten kunnen omvormen om de rotor over het volledige toerentalbereik te kunnen regelen.

BE2018/5778

In een aandrijving volgens de uitvinding dient de frequentieomvormer bijvoorbeeld slechts over een bereik van 50% van het totale vermogen regelbaar te zijn om het volledige bereik van het toerental te kunnen bereiken indien het een bi-directionele frequentieomvormer betreft.

De wikkeling die rechtstreeks verbonden is met het elektriciteitsnet zal bijvoorbeeld een constant vermogen leveren van 50% van het totale maximale vermogen. De andere wikkeling zal een variabel of regelbaar vermogen hebben tot 50% van het totale maximale vermogen. De frequentieomvormer dient dus slechts een bereik te hebben van de helft van de klassieke frequentieomvormer.

Indien de frequentieomvormer ook een regeneratieve frequentieomvormer is, kan hij een 'negatief vermogen' leveren of vermogen opnemen en terug in het elektriciteitsnet steken.

De voornoemde andere wikkeling zal dus een variabel of regelbaar vermogen kunnen leveren van -50% tot +50%, waardoor de som van het vermogen van beide wikkelingen dus zal variëren van 0 tot 100% van het totale vermogen.

Doordat het regelbereik van de frequentieomvormer bijvoorbeeld gehalveerd wordt, zal ook de kostprijs ervan sterk gereduceerd worden. Dit heeft ook tot gevolg dat de vermogensverliezen kleiner zullen zijn.

BE2018/5778

Maar het zal ook mogelijk zijn om een aandrijving te realiseren waarbij het vermogen van de rotor kan variëren in een beperkter regelbereik, bijvoorbeeld tussen 30% en 100%.

Dit wil zeggen, daar waar een traditionele aandrijving met variabel toerental steeds regelbaar is vanaf 0 tot het maximale vermogen of toerental, zal in deze uitvoeringsvorm de aandrijving volgens de uitvinding een regelbaar vermogen of toerental bezitten vanaf een bepaald minimum tot aan het maximale vermogen of toerental, waarbij dit minimum groter is dan nul, zodat bijvoorbeeld een bereik, waarbinnen het vermogen of toerental regelbaar is, mogelijk is van 30% tot 100%.

Dit kan volgens de uitvinding bijvoorbeeld worden gerealiseerd door de wikkeling die rechtstreeks verbonden is met de voeding met vaste frequentie een constant vermogen te laten leveren van 65% van het totale maximale vermogen en het vermogen van de andere wikkeling die verbonden is met de frequentieomvormer te variëren van -35% tot +35% van het totale maximale vermogen door regeling van de frequentie. De combinatie van beide wikkelingen leidt dan tot een mogelijke variatie in vermogen, en dus toerental, van 30% tot 100% van het totale maximale vermogen of toerental.

In dit geval zal de f requentieomvormer een variatie van slechts 35% mogelijk moeten maken.

BE2018/5778

Dit beperktere bereik heeft geen nadelen ten opzichte van een regelbereik tussen 0% en 100%.

Immers, vaak vereisen verbruikers geen variabel toerental over het hele operationele bereik.

Onder een bepaald minimum toerental zal bijvoorbeeld een compressorinrichting met een aandrijving met variabel toerental zich gaan gedragen als een load/unload gecontroleerde compressor omwille van dalende efficiëntie van de compressorinstallatie bij lage toerentallen. Hierbij zal de compressorinstallatie in werking zijn tussen twee drukinstelpunten.

Als gevolg hiervan is er in zulk geval geen nood aan een regelbaar toerental lager dan 30% van het maximale toerental en is een regelbaar toerental in het bereik tussen 30% en 100% in de praktijk voldoende.

De uitvinding betreft ook een compressor-, vacuümpomp- en pompinrichting met één of meer compressor-, vacuümpomp-, of pompelementen, met als kenmerk dat zij voorzien is van een aandrijving volgens de uitvinding om het voornoemde minstens ene compressor-, vacuümpomp-, of pompelement aan te drijven.

Het is duidelijk dat de voordelen van dergelijke compressor-, vacuümpomp- of pompinrichting analoog zijn aan de voordelen van de aandrijving volgens de uitvinding.

BE2018/5778

In een praktische uitvoeringsvorm is de

compressorinrichting	voorzien	van	een	regelaar die
verbonden is met	een	sensor	en	met	de voornoemde
frequentieomvormer;	en	dat de	voornoemde	regelaar een
algoritme omvat voor	het	regelen	van	het compressorelement

op basis van een meetwaarde afkomstig van de voornoemde sensor.

De voornoemde sensor wordt bij voorkeur gevormd door een druksensor die geconfigureerd is om de druk te meten in een drukvat dat stroomafwaarts verbonden is met de uitlaat van het compressorelement.

Het voornoemde algoritme kan dan geconfigureerd zijn om de druk in het voornoemde drukvat :

- naar een wenswaarde te regelen; of

- binnen een bepaald drukbereik te houden, welk drukbereik wordt gedefinieerd door een onder- en een bovengrenswaarde van de druk in het drukvat.

Met het inzicht de kenmerken van de uitvinding beter aan te tonen, zijn hierna, als voorbeeld zonder enig beperkend karakter, enkele voorkeurdragende uitvoeringsvormen beschreven van een aandrijving met een variabel toerental volgens de uitvinding en een compressor-, vacuümpomp- en pompinrichting uitgerust met zulke aandrijving, met verwijzing naar de bijgaande tekeningen, waarin:

figuur 1 schematisch een fluïdumpomp volgens de uitvinding weergeeft;

BE2018/5778 figuur 2 schematisch de aandrijving volgens de uitvinding uit figuur 1 weergeeft.

De in figuur 1 schematisch weergegeven fluïdumpomp betreft in dit geval een compressorinrichting 1, welke hoofdzakelijk een compressorelement 2 omvat dat wordt aangedreven door een aandrijving 3 volgens de uitvinding.

Dit compressorelement 2 is in dit geval een schroefcompressorelement, doch dit is niet noodzakelijk voor de uitvinding. Het kan bijvoorbeeld ook een zuigercompressor of scroll-compressor betreffen.

Het compressorelement 2 is voorzien van een behuizing 4 met een inlaat 5 om gas aan te zuigen en een uitlaat 6 voor samengeperst gas.

In de behuizing 4 zijn in dit geval twee schroef rotoren 7 roteerbaar aangebracht, waarbij, in dit voorbeeld, elke schroefrotor 7 een as 8 omvat, en waarbij de assen 8 gelagerd zijn in de behuizing 4.

In dit voorbeeld reikt één van de assen 8 door de behuizing 4 naar de aandrijving 3. Deze as 8 is in dit geval de aangedreven as 9 van het compressorelement 2.

De aandrijving 3 volgens de uitvinding omvat hoofdzakelijk een rotor 10 en minstens één stator 11; zoals weergegeven in figuur 2.

BE2018/5778

In dit geval doet de rotor 10 dienst als de aangedreven as 9, dit wil zeggen: een verlengd gedeelte van de rotor 10 vormt de aangedreven as 9, maar het is ook mogelijk dat de rotor 10 of een verlengd gedeelte ervan rechtstreeks of onrechtstreeks via tandwielen of een andere vorm van mechanische koppeling, gekoppeld is met de aangedreven as 9.

Naast de rotor 10 en minstens één stator 11, omvat de aandrijving 6 in dit geval twee wikkelingen 12 en 13.

In dit geval, maar niet noodzakelijk, zijn de twee wikkelingen 12 en 13 aangebracht op één stator 11 en is de rotor 10 vrij van wikkelingen.

Het is niet uitgesloten dat er twee statoren 11 zijn en dat elke stator 11 voorzien is van één of minstens één wikkeling 12 of 13.

Tevens is de rotor 10 in dit voorbeeld vervaardigd uit een materiaal met een lage magnetische reluctantie, zoals bijvoorbeeld ijzer.

Het is ook mogelijk dat één of minstens één wikkeling 12 of 13 is aangebracht op de rotor 10 en één of minstens één wikkeling is aangebracht op de stator 11.

Het is tevens mogelijk dat in dergelijke opstelling de rotor 10 voorzien is van permanente magneten of deels

BE2018/5778 vervaardigd is uit koper, aluminium of een ander elektrisch geleidend materiaal.

Volgens de uitvinding is één wikkeling 12 rechtstreeks gekoppeld met een voeding met vaste freguentie, bijvoorbeeld een elektriciteitsnet 14 en is één wikkeling 13 verbonden met een f reguentieomvormer 15 die op zijn beurt op het elektriciteitsnet 14 kan zijn aangesloten.

De freguentieomvormer 15 zal ervoor zorgen dat het vermogen geleverd door de betreffende wikkeling 13 aan de rotor 10 gevarieerd kan worden.

De freguentieomvormer 15 is bij voorkeur, doch niet noodzakelijk, een regeneratieve freguentieomvormer 15, dit wil zeggen dat deze ook zal toelaten om vermogen terug in het elektriciteitsnet 14 op te nemen.

Verder is de aandrijving 3 bij voorkeur een borstelloze aandrijving, zonder koolborstels of sleepringen. Dit heeft als voordeel dat de aandrijving 3 zeer betrouwbaar is en slechts minimaal onderhoud vereist.

Naast het compressorelement 2 en de aandrijving 3, kan de compressorinrichting 1 ook voorzien zijn van een oliecircuit voor het injecteren van olie of een andere vloeistof in het compressorelement 2 of de aandrijving 3 voor de koeling en/of smering.

BE2018/5778

Ook kan de compressorinrichting 1 voorzien zijn van een vloeistofafscheider, een drukvat, één of meer sensoren, zoals bijvoorbeeld druk- of temperatuursensoren en/of andere randapparatuur.

In dit geval is de compressorinrichting 1 voorzien van een drukvat 16 waarop de uitlaat 6 uitkomt en een druksensor 17 welke de druk p meet in het drukvat.

Het is niet uitgesloten dat de druksensor 17 geplaatst is aan de uitlaat 6 van het compressorelement 2.

De druksensor 17 is in dit geval verbonden met een regelaar 18, welke op zijn beurt is verbonden met de voornoemde aandrijving 3, één en ander zodanig dat het signaal van de druksensor 17 naar de regelaar 18 gaat, die op basis daarvan de aandrijving 3 kan aansturen.

De sensor die eventueel kan worden gebruikt voor het, via de regelaar 18, regelen van het compressorelement 2, hoeft volgens de uitvinding geen druksensor te zijn, doch, kan tevens een ander type van sensor zijn zoals bijvoorbeeld een temperatuursensor, een debietsensor of dergelijke.

In het geval van een temperatuursensor kan bijvoorbeeld in de regelaar 18 een algoritme worden voorzien dat ervoor zorgt dat het compressorelement 2 bij elke omgevingstemperatuur optimaal functioneert, zonder schade aan het compressorelement 2.

BE2018/5778

De regelaar 18 is bijvoorbeeld, doch niet noodzakelijk, een PID-regelaar.

De werking van de compressorinrichting 1 en in het bijzonder de aandrijving 3 is zeer eenvoudig en als volgt.

Tijdens de werking van de compressorinrichting 1 zal de aandrijving 3 het compressorelement 2 aandrijven, waarbij de schroefrotoren 7 zullen roteren en op de gekende wijze gas, aangezogen via de inlaat 5, zullen samenpersen. Het samengeperste gas zal het compressorelement 2 verlaten via de uitlaat 6.

De rotatie van de rotor 10 van de aandrijving 3 wordt, via de aangedreven as 9, aan het compressorelement 2 doorgegeven.

Het toerental van de rotor 10 wordt bepaald door het vermogen dat door de twee wikkelingen 12 en 13 aan de rotor 10 wordt geleverd.

De wikkeling 12 zal een vermogen Pgrid leveren aan de rotor

10. Dit vermogen Pgrid is constant, voor zover de belasting van het compressorelement constant is.

De wikkeling 13 zal een variabel vermogen Pcontroi leveren aan de rotor 10, dat gecontroleerd wordt door de frequentieomvormer 15.

BE2018/5778

In dit geval doch niet noodzakelijk volgens de uitvinding, zal de wikkeling 13 ook een 'negatief' vermogen kunnen leveren, dit wil zeggen dat er vermogen terug naar het elektriciteitsnet 14 kan worden gestuurd.

De som van beide vermogens P_grid + Pcontroi geeft het totale vermogen P van de rotor 10 weer, dat op haar beurt een maat zal zijn voor het toerental van de rotor 10.

Het is duidelijk dat door de wikkeling 12 vijftig procent van het totale maximale vermogen te laten leveren en de wikkeling 13 regelbaar te maken over een bereik van -50% tot +50% van het totale maximale vermogen, een regelbereik mogelijk is van 0% tot 100% van het totale maximale vermogen van de aandrijving 3.

Dit wil dus zeggen dat het toerental van de rotor 10
gevarieerd zal kunnen worden maximale toerental.	van	0%	tot 100%	van	het
De regeling van de frequentie	van	de	spanning	over	de
wikkeling 13 of dus de regeling	door	de	frequentieomvormer

zal gebeuren met behulp van de regelaar 18 die hiertoe met de voornoemde frequentieomvormer 15 verbonden is.

Op basis van de meting van de druksensor 17, zal de regelaar 18 de frequentieomvormer 15 aansturen zodat het vermogen dat deze wikkeling 13 levert aan de rotor 10, en dus het toerental van de rotor 10 stijgt of daalt, zodanig dat een gewenste druk in het drukvat 16 bekomen wordt.

BE2018/5778

Alternatief is het ook mogelijk dat de regelaar 18 de frequentieomvormer 15 zodanig aanstuurt dat de druk in het drukvat 16 binnen een bepaald drukbereik blijft, welk drukbereik wordt gedefinieerd door een onder- en een bovengrenswaarde van de druk in het drukvat 16.

Alhoewel in de hierboven weergegeven en beschreven voorbeelden en uitvoeringsvormen, de regelaar 18 op basis van de druksensor 17 de f requentieomvormer 15 zal aansturen, is het niet uitgesloten dat in plaats van de druksensor 17 een debietsensor of dergelijke wordt voorzien welke het debiet van samengeperst gas kan bepalen dat wordt afgenomen door verbruikers. De regeling zal dan gebeuren op basis van het debiet, zodanig dat het afgenomen debiet overeenstemt met het geleverde debiet.

Alhoewel in de hierboven beschreven en in de figuren weergegeven voorbeelden en uitvoeringsvormen steeds sprake is van een compressorinrichting 1, is het niet uitgesloten dat de fluïdumpomp een vacuümpompinrichting of pompinrichting betreft.

De aandrijving 3 volgens de uitvinding is immers geschikt om ook toegepast te worden in dergelijke vacuümpompinrichtingen of pompinrichtingen.

De huidige uitvinding is geenszins beperkt tot de als voorbeeld beschreven en in de figuren weergegeven uitvoeringsvormen, doch een aandrijving met een variabel

BE2018/5778 toerental volgens de uitvinding en een compressor-, vacuümpomp- en pompinrichting daarmee uitgerust, kunnen in allerlei vormen en afmetingen worden verwezenlijkt zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.

Claims

1. - Aandrijving met een variabel toerental voor een fluïdumpomp, daardoor gekenmerkt dat de aandrijving (3) een dubbelgevoede synchrone reluctantiemotor omvat met een rotor (10) en minstens één stator (11), waarbij de rotor (10) geconfigureerd is om een aangedreven as (9) aan te drijven of te vormen, waarbij de aandrijving verder voorzien is van minstens twee wikkelingen (12 en 13) waarvan minstens één wikkeling (12) verbonden is met een voeding met vaste frequentie (14) en minstens één andere wikkeling (13) is verbonden met een frequentieomvormer (15) .

2. - Aandrijving volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de voornoemde twee of meer wikkelingen (12 en 13) zijn aangebracht op de stator (11).

3. - Aandrijving volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat er twee statoren (11) zijn en dat elke stator (11) voorzien is van minstens één wikkeling (12, 13).

4. - Aandrijving volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat minstens één wikkeling (12, 13) is aangebracht op de stator (11) en minstens één wikkeling (12, 13) is aangebracht op de rotor (10).

5.- Aandrijving volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de rotor (10) voorzien is van

BE2018/5778 permanente magneten en/of een elektrisch geleidend materiaal.

6.- Aandrijving volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de frequentieomvormer (15) een reqeneratieve frequentieomvormer (15) is.

7.- Aandrijving volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de frequentieomvormer (15) qeconfiqureerd is om minder dan 50% van het vermogen te leveren.

8.- Aandrijving volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de voornoemde voeding met vaste frequentie (14) een elektriciteitsnet is.

9.- Compressorinrichting met één of meerdere compressorelementen (2) , daardoor gekenmerkt dat zij voorzien is van een aandrijving (3) volgens één van de voorgaande conclusies om de voornoemde één of meer compressorelementen (2) aan te drijven.

10.- Compressorinrichting volgens conclusie 9, daardoor gekenmerkt dat zij voorzien is van een regelaar (18) die verbonden is met een sensor en met de voornoemde frequentieomvormer (15) en dat de voornoemde regelaar (18) een algoritme omvat voor het regelen van het compressorelement (2) op basis van een meetwaarde afkomstig van de voornoemde sensor.

BE2018/5778

11. - Compressorinrichting volgens conclusie 10, daardoor gekenmerkt dat de voornoemde sensor wordt gevormd door een druksensor (17) die geconfigureerd is om de druk te meten in een drukvat (16) dat stroomafwaarts verbonden is met de uitlaat (6) van het compressorelement (2).

12. - Compressorinrichting volgens conclusie 11, daardoor gekenmerkt dat het voornoemde algoritme geconfigureerd is om de druk in het voornoemde drukvat (16):

- naar een wenswaarde te regelen; of

- binnen een bepaald drukbereik te houden, welk drukbereik wordt gedefinieerd door een onder- en een bovengrenswaarde van de druk in het drukvat (16).

13. - Vacuümpompinrichting met één of meerdere vacuümpompelementen, daardoor gekenmerkt dat zij voorzien is van een aandrijving (3) volgens één van de voorgaande conclusies 1 tot 8 om de voornoemde één of meer vacuümpompelementen aan te drijven.

14.- Pompinrichting met één of meerdere pompelementen, daardoor gekenmerkt dat zij voorzien is van een aandrijving (3) volgens één van de voorgaande conclusies 1 tot 8 om de voornoemde één of meer pompelementen aan te drijven.