CN101379294A - 气流压缩机控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种气体压缩系统可操作以向使用点传输压缩气体流。所述气体压缩系统包括压缩机，该压缩机可操作以产生第一压力的压缩气体流；电机，该电机可操作以以压缩机速度驱动压缩机；以及气体处理元件，该气体处理元件用于接收来自所述压缩机的压缩气体流并以第二压力传输所述压缩气体流至使用点。控制器，该控制器可操作以响应所述第一压力和所述第二压力的差值来改变所述压缩机速度。

Description

气流压缩机控制系统及方法

相关申请

本申请要求于2006年2月1日提交的共同待决的临时专利申请No.60/764243的优先权，其主题通过引用并入这里。

技术领域

本发明涉及气体压缩机系统。更具体地，本发明涉及一种用于气体压缩机系统的控制系统。

背景技术

压缩气体，特别是压缩空气，有很多应用，例如用于加工，车间所用压缩空气或者其它应用。压缩机系统一般包括放置在一个或多个外壳中的几个组件。这些系统中的范例组件包括组装在一起的电机和驱动器，压缩机模块，以及分离器系统(水分和/或油)。电机可以通过将能量从电机传输到压缩机模块的皮带和皮带轮系统驱动压缩机模块，或者通过(其它到其它)传动系统驱动压缩机模块，或者还可以直接驱动压缩机模块。

很多压缩空气系统中，空气带有一定量的水分并且在一些结构中，润滑剂也会作为压缩过程的一部分留在空气中。许多压缩机系统包括空气干燥器，用于去除所述空气中的大部分的水分。所述空气干燥器使用包括冷却，吸收，吸附等过程在内的干燥过程来干燥压缩空气。在空气干燥过程中，一般都会在压缩空气流中出现压力下降的情况。这样，空气干燥器降低了压缩机系统的整个效率。

发明内容

一种控制器，该控制器用于通过在所述系统的几个点监视压力值来增加气流系统的效率。增加的效率减小了能量消耗并且也减少了维护的必要性。特别地，所述控制器可以动态测量并监视多个压力点之间的压力差值。例如，所述控制器可以监视在或靠近压缩机排气口处的排气(冷却器后的)压力。类似地，所述控制器也可以监视在或靠近干燥器处或者在或靠近使用点处的系统排气压力。然后，所述控制器使用所述排气(冷却后)压力值和系统排气压力值之间的压力差值来动态改变或调整压缩机的速度以保持使用点处的所需压力下的所需空气流量，同时根据电机或者控制器的命令减小或者最小化能量或者电能消耗。

一种形式中，本发明提供了一种气体压缩系统，其可操作以向使用点传输压缩气体流。所述气体压缩系统包括压缩机，其可操作以产生第一压力的压缩气体；电机，其可操作以压缩机速度驱动压缩机；以及气体处理元件，其被放置用于接收来自所述压缩机的压缩气体流并传输第二压力的压缩气体流至使用点。控制器可操作以响应所述第一压力和所述第二压力之间的差值改变压缩机速度。

另一种形式中，本发明提供了一种控制由压缩机产生的气流的方法。该方法包括以下步骤：测量与压缩机相关的第一压力值；测量显示使用点处空气使用率的第二压力值；以及确定所述第一压力值和所述第二压力值之间的压力差值。该方法也包括至少部分地根据所述压力差值调整电机速度。

又一种形式中，本发明提供了一种气体压缩系统，该系统可操作以向使用点传输压缩气体流。所述气体压缩系统包括压缩机和变速电机，所述压缩机可操作以产生第一压力的压缩气体流，所述变速电机可操作以以在低速和高速之间的压缩机速度驱动压缩机。干燥器被设置用于接收来自所述压缩机的压缩气流并传输第二压力的干燥压缩气流至使用点。第一压力传感器被设置用以测量所述第一压力并产生表示所述第一压力的第一信号，第二压力传感器被设置用以测量所述第二压力并产生表示所述第二压力的第二信号。控制器可操作以接收所述第一信号和所述第二信号，并计算表示所述第一压力和所述第二压力之间压力差值的第三信号。控制器也可操作以响应所述第三信号改变压缩机速度。

本发明的其它方面通过对详细的说明和附图加以理解即可明了。

附图说明

图1是实施本发明的气流系统

图2是本发明一些实施例中实施的过程的流程图。

具体实施方式

在具体说明本发明的任何实施例之前，应该明白本发明在其应用上不限于下面说明中或附图展示中所阐述的结构细节以及组件放置。本发明可以用于其它实施例并且用不同的方式进行实践或实施。也必须明白这里使用的语言和术语是用于说明而不能认为是限制。

图1是以图解的形式展示气流系统100。气流系统100包括被控制器108控制的压缩机模块104。压缩机模块104包括引擎或电机112以及压缩机116。所述压缩机包括容纳一个或多个移动组件的外壳，所述组件用于在压缩机116内部压缩流体。在一种结构中，使用了旋转式螺杆压缩机，而其它结构中使用其它类型的压缩机(比如，离心式，往复式，齿轮式，摆线式等等)。

电机112包括输出轴118，其与压缩机116连接来驱动单个或多个移动组件并产生压缩空气。在一种结构中，电机112以固定速度运行。在更优选的结构中，可变速度驱动器，例如变频驱动器120控制电机112并在要求速度范围内运行电机112和压缩机116。通过改变压缩机116的速度，驱动器120能够改变在压缩机排气口122处排出的压缩空气的量以及其压力。

压缩机排气压力传感器128放置在压缩机排气口122附近或者在排气口122下游的管道124中来测量所述压缩空气的排气压力。压力传感器128能够连续地测量排气压力或周期地对排气压力进行取样。排气传感器128产生表示所测量的排气压力的电信号并传输此信号给控制器108来使用。

气流系统100也包括空气干燥器132，其接收来自压缩机模块104通过管道124传输的压缩空气。空气干燥器132干燥压缩空气来减小所述空气的露点温度并抑制冷凝。例如，在一种结构中，干燥器132首先在压缩气流中冷却空气流来产生冷凝。然后直接使其流向去除冷凝水的水分分离器。然后加热压缩气流使其温度远远高于露点温度，这样减少了在使用所述空气过程中发生水冷凝的可能性。在另外结构中，使用了干燥剂干燥系统。在所述干燥器干燥系统中，使压缩气流通过吸水物质来移除压缩气流中的水分。另外，空气干燥器132可以根据当前应用包括循环或非循环干器132。本领域普通技术人员会知道，使用任何空气干燥系统都会在在压缩气流中产生压力下降。另外，在任何给定系统中流量越大，压力下降得越大。

干燥器模块132通过管道136排出干燥空气至使用点138.如果需要，可以在使用点138处安装隔离阀139。在干燥器排气142附近或者干燥器132下游的管道136中放置干燥器排气压力传感器140来测量干燥器排气压力。干燥器排气压力传感器140可以连续地测量干燥器排气压力或者可以周期地对干燥器排气压力进行取样。干燥器排气压力传感器140产生表示测量的干燥器排气压力的电信号并传输该信号给控制器108来使用。

控制器108接收排气压力传感器信号和干燥器排气压力传感器信号并使用这两个信号与参考值一起产生控制信号。具体地，控制器108使用上述两个传感器信号来计算压力差值。然后比较计算得到的数值与参考值来产生控制信号。然后传输所述控制信号给变频驱动器120来控制电机112和压缩机116的速度。

图2是流程图200，进一步展示在本发明一些实施例中发生的过程包括可以用软件，固件，或硬件实施的过程。应注意的是，在图2方块204中，压缩机排气压力传感器128动态地监视或感应由压缩机模块104在压缩机模块排气口122处产生的压力。在图2方块208中，干燥器排气压力传感器140也动态地监视或测量在干燥器模块排气口142处与干燥器模块132相关的压力。

如附图2的方块212所示的过程中，控制器108动态地确定由压缩机排气压力传感器128和干燥器排气压力传感器140测量的压力值之间的差值。如附图2中方块214所示的过程中，控制器108将计算得到的压力差值和参考值148例如所要求的压力差值相比较。然后控制器108根据比较的结果动态地改变或调整控制信号，并传输该控制信号至变频驱动器120。变频驱动器120根据所述压力差值调整在图2方块216中的电机112的驱动频率。如图2方块220所示的过程中，控制器108传输驱动频率信号至压缩机模块104中来驱动电机112，电机112依次驱动压缩机116。在一些结构中，控制器108也根据在图2方块224过程中计算得到的压力差值驱动干燥模块132。这样，在压缩机模块104中的电机112的运行速度以及压缩机116的速度被保持在一定的速度以产生所在所需压力下的所需空气量，从而减少电机112和/或变频驱动器120的电能消耗。

在运行气流系统100的过程中，电机112用于旋转压缩机116。压缩机116响应电机112的旋转输出处于一定压力的一定量的压缩空气。压缩机排气传感器128测量压缩机排气口122处压缩空气的压力，并传输表示该数值的信号给控制器108。然后所述压缩空气流动通过空气干燥器132，在干燥器132中去除了压缩空气中包含的部分水分。由于压缩空气通过了空气干燥器132，产生了压力下降。压力下降的大小很大程度上是通过空气干燥器132的质量流量或流速的函数，高质量流量或高流速产生了较大的压力下降。通过空气干燥器132之后，干燥器排放压力传感器140测量压缩空气的压力并传输表示该测量得到的数值的信号至控制器108。然后压缩空气流到使用点138，例如歧管或者分配中心。同时，控制器108计算测量得到的压力值之间的差值并将此差值和参考值比较来产生控制信号。

在没有空气使用的期间，使用点138处的空气流量降至零或非常接近零。因为通过空气干燥器132的流速降低了，压力的降低变小并且压缩机排气压力和空气干燥器排气压力之间的差值接近零。因为压力差值减小，控制器108产生的控制信号继续指示变频驱动器120减慢电机运行以减少来自压缩机116的流量。在一些结构中，达到压力差阈值并且控制器108给变频驱动器120发出停止压缩机116运行的信号。

当有高空气使用期间，在使用点138处的空气被快速地从系统中抽出。因为空气移出，通过空气干燥器132的流速增大以代替用过的空气，从而压缩机排气口122和空气干燥器排气口142之间产生更大的压力下降。因为压力差值增大，控制器108产生的控制信号作用以增加电机112的速度。增加的速度导致相应的压缩机116速度的增加，压缩机116空气输出的量也因此增加。增加的气流通过空气干燥器132并帮助保持空气干燥器排气口142处的压力。这样，控制系统能够用压力差值来控制压缩机116的输出和速度。

应注意，本控制系统可以用于控制多个压缩机系统也可以用于控制如上所述的单个压缩机系统。在多个压缩机系统中，控制器可以控制几个并联的变频驱动器，可以控制一个变频驱动器和一个或多个定速压缩机，可以控制几个串联的变频驱动器，或可以控制几个串联的定速驱动器。

此外，当前面所描述的和展示的结构包括空气干燥器132时，其它的结构可以额外地使用其它的附件，或者代替空气干燥器132。例如另一个结构在空气干燥器132之外使用油分离器。仍然，其它结构可以只包括油分离器并且可以移除空气干燥器132。如这些所述，本发明不应限于单独使用空气干燥器。

尽管参考一些描述的结构本发明进行了详细地描述，在本发明的范围和本意内可以有改变和修改。

Claims (21)

1.一种气体压缩系统，其可操作以向使用点传输压缩气体流，所述气体压缩系统包括：

压缩机，其可操作以产生第一压力的压缩气体流；

电机，其可操作以以压缩机速度驱动所述压缩机；

气体处理元件，其被设置以接收来自所述压缩机的压缩气体流并以第二压力将所述压缩气体流传输至所述使用点；

控制器，其可操作以响应所述第一压力和所述第二压力的差值改变所述压缩机速度。

2.如权利要求1所述的气体压缩系统，其中所述控制器包括变频驱动器。

3.如权利要求1所述的气体压缩系统，进一步包括第一压力传感器，其被设置以测量所述第一压力。

4.如权利要求3所述的气体压缩系统，进一步包括第二压力传感器，其被设置以测量所述第二压力。

5.如权利要求4所述的气体压缩系统，其中所述控制器计算所述第一压力和所述第二压力的差值。

6.如权利要求5所述的气体压缩系统，其中所述控制器至少部分响应所述差值与参考值之间的第二差值来改变所述压缩机速度。

7.如权利要求1所述的气体压缩系统，其中所述气体处理元件包括干燥器，该干燥器可操作以去除所述压缩气体流中的水分。

8.如权利要求1所述的气体压缩系统，其中所述第二压力响应所述使用点处的使用率变化。

9.一种控制由压缩机产生的气流的方法，所述方法包括以下步骤：

测量与所述压缩机相关的第一压力值；

测量表示使用点处的空气使用率的第二压力值；

确定所述第一压力值和所述第二压力值之间的压力差值；以及

至少部分地基于所述压力差值调整电机速度。

10.如权利要求9所述的方法，进一步包括将所述压力差值与参考值对比的步骤。

11.如权利要求10所述的方法，进一步包括当所述压力差值大于所述参考值时增大所述电机速度的步骤。

12.如权利要求10所述的方法，进一步包括当所述压力差值小于所述参考值时降低所述电机速度的步骤。

13.如权利要求10所述的方法，进一步包括如下步骤：在所述压缩机和所述使用点之间放置干燥器，以使得在所述干燥器的上游测量所述第一压力并在所述干燥器的下游测量所述第二压力。

14.如权利要求10所述的方法，进一步包括运行所述干燥器以去除包含在所述气流中的部分水分的步骤。

15.一种气体压缩系统，该气体压缩系统可操作以传输压缩气体流至使用点，所述气体压缩系统包括：

压缩机，其可操作以产生处于第一压力的压缩气体流；

变速电机，其可操作以在低速和高速之间以压缩机速度驱动所述压缩机；

干燥器，其被放置以接收来自所述压缩机的压缩气体流并且以第二压力将干燥的压缩气体流传输至所述使用点；

第一压力传感器，其被放置以测量所述第一压力并且产生表示所述第一压力的第一信号；

第二压力传感器，其被放置以测量所述第二压力并且产生表示所述第二压力的第二信号；

控制器，其可操作以接收所述第一信号和所述第二信号并且计算第三信号，所述第三信号表示所述第一压力和所述第二压力之间的压力差值，所述控制器可操作以响应所述第三信号改变所述压缩机速度。

16.如权利要求15所述的气体压缩系统，其中所述控制器包括变频驱动器。

17.如权利要求15所述的气体压缩系统，其中所述第一压力传感器基本上邻近压缩机排气口放置。

18.如权利要求15所述的气体压缩系统，其中所述第二压力传感器基本上邻近干燥器排气口放置。

19.如权利要求15所述的气体压缩系统，其中当所述第三信号大于参考值时所述控制器增大所述电机的驱动速度。

20.如权利要求15所述的气体压缩系统，其中当所述第三信号小于参考值时所述控制器降低所述电机的驱动速度。

21.如权利要求15所述的气体压缩系统，其中所述第二压力响应所述使用点处的使用率变化。

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