CN106351836B - 关于螺杆压缩机的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及螺杆压缩机驱动器以及确定螺杆压缩机驱动器的操作特性的方法，所述方法包括：通过螺杆压缩机的可变旋转速度向螺杆压缩机的压力容器加压，螺杆压缩机的旋转速度具有速度包络，在该速度包络中旋转速度阶跃改变，以使得在阶跃改变之间螺杆压缩机的旋转速度在一段时间保持基本上恒定；重复速度包络直到压力容器的压力达到设定的压力值；当螺杆压缩机的旋转速度保持基本上恒定时，确定加压期间的压力容器的压力、螺杆压缩机驱动器的功耗和质量流率；基于所确定的压力容器的压力和螺杆压缩机驱动器的功耗来计算作为压力容器的压力和螺杆压缩机的旋转速度的函数的螺杆压缩机驱动器的能量效率。

Description

关于螺杆压缩机的方法和装置

技术领域

本发明涉及螺杆压缩机，特别是通过频率转换器驱动的螺杆压缩机

背景技术

螺杆压缩机是广泛应用的用于生成具有多种用途的加压气体的压缩机类型。例如，螺杆压缩机的用途之一是在加压空气系统中产生针对容器或类似的压力罐的加压空气，通过软管或管道使用来自该容器或相似的压力罐的加压空气。在这种系统中，螺杆压缩机被操作以向容器提供所需压力，并且在使用加压气体期间保持容器被加压。

通过电动机使螺杆压缩机旋转以产生压力。再者，常常采用频率转换器来以受控的和高效的方式驱动电动机。为了通过频率转换器高效地控制系统，应针对系统的不同操作点以及在这些操作点的特征功耗来识别系统。

在不同操作点的功耗可以通过大量测试过程来收集，在所述测试过程中在每个操作点收集功耗数据。然而，这种操作要花费很长时间。再者，螺杆压缩机系统的属性可能会发生改变，因此确定最高效的操作点的过程应定期重复以获得可靠的结果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种方法和用于实现该方法的装置，以便解决上述问题。本发明的目的通过根据本发明的方法和装置来实现。

本发明基于如下思想：填充螺杆压缩机系统的压力容器，使得在填充容器或对容器加压期间，能够确定系统的在期望操作点的效率或者功率。再者，可以基于容器的单次填充生成能耗图。这种图可以被用来根据容器的压力确定频率转换器的最佳旋转速度基准。

本发明的优点在于：在填充压力容器之后，仅使用频率转换器的内部测量就能够确定最佳旋转速度而不需要任何外部测量仪器。

附图说明

在下文中将参照附图借助于优选实施方案更加详细地描述本发明，在附图中：

图1示出了本发明的实施方案中使用的速度包络；

图2示出了通过图1的速度包络获得的质量流量包络；

图3示出了通过图1的速度包络获得的、作为旋转速度的函数的压力比率；

图4示出了作为压力比率的函数的能耗的图线；

图5示出了作为旋转速度的函数的能耗的图线；以及

图6示出了作为压力比率的函数的最佳旋转速度的路径。

具体实施方式

在本发明中，通过频率转换器驱动包括螺杆压缩机和频率转换器的螺杆压缩机驱动器。众所周知，频率转换器可以以可变的旋转速度驱动电动机。在与本发明相关联的系统中，频率转换器的输出连接到使螺杆压缩机旋转以产生加压气体的电动机。

频率转换器典型地包括具有计算能力的处理器和内部测量。所述测量涉及例如旋转速度，转矩和功率。这些测量可以被用在设备的处理器中用于进一步计算。

在本发明中，通过频率转换器驱动的螺杆压缩机的压力容器被填充或加压。根据本发明的实施方案，使用以定时方式改变速度的特定速度包络来进行加压。在该速度包络中，速度阶跃改变，并且在某一时间间隔内基本上保持恒定。同一个速度包络被重复直至系统的压力容器被加压至设定水平。速度包络在规定的时间间隔内保持恒定，以使得系统稳定用于精确测量。根据系统的属性，恒定速度操作的合适值在5到25秒的范围内。所提到的属性包括测量中的可能时间延迟和系统的建立时间。

根据本发明的实施方案，在压力容器的填充期间速度包络至少被重复三次。执行速度包络的重复，使得每当重复该包络时，旋转速度的改变基本上相同，并且在相同的水平处保持旋转速度基本上恒定。

图1示出了实施方案中使用的速度包络的示例。首先，速度被增加至2000rpm用于为将初始压力建立到压力容器。然后，速度被降低至大约700rpm，并且从700rpm在大约80s的时刻开始阶跃改变。在图1的示例中，速度以300rpm的步长增加，并且在10秒的时段内基本上保持恒定。

图2示出了通过图1的速度包络获得的质量流率，并且图3示出了通过图1的速度包络获得的、作为电机速度的函数的容器的压力比率。压力比率是容器的压力与周围环境的压力的比率。当周围环境的压力处在正常水平时，压力比率直接对应于容器的压力(即周围环境的压力为1bar)。从图2可以看到，质量流率相对于螺杆压缩机的旋转速度是线性的。因此，当螺杆压缩机的单个旋转速度的质量流率已知时，可以直接计算任合旋转速度的质量流率。典型地，具有额定旋转速度的质量流率是已知的。

从图3可以看到，旋转速度的阶跃改变引起压力的阶跃改变。再者，当速度包络被重复时，容器以相同的旋转速度通过不同的压力被加压。

根据本发明，螺杆压缩机系统的功耗在压力容器的加压期间被确定。优选地，确定整个系统的功耗以便找到作为容器的压力的函数的最佳旋转速度。可以通过已知的方式基于频率转换器的输出电压和输出电流来计算频率转换器的输出功率，输出电压和输出电流二者在频率转换器处是容易获知的。因此，还将功率因数考虑在内，可以通过已知的方式将频率转换器的输出功率P_fc,output计算为输出电流和输出电压的积。可以使用下式估计频率转换器的损耗P_fc,loss：

其中f是频率转换器的输出频率，f_n是频率转换器的额定频率，T是电机转矩，T_n是额定电机转矩，并且P_{fc,loss，nom}是频率转换器在额定点的损耗。与旋转速度类似，在频率转换器的控制系统中容易获得转矩。

针对频率转换器的输入功率P_in可以被计算为频率转换器的损耗与频率转换器的输出功率的和。

上面给出的式是频率转换器的损耗的可能近似的示例。可以使用其他可能的过程计算或确定损耗。甚至可以使用频率转换器的内部测量来直接测量对频率转换器的输入功率。

每当在速度包络的阶跃改变之后，确定输入功率或功耗。在频率转换器中螺杆压缩机的压力也是已知的。甚至可以对频率转换器进行压力控制，以使得通过改变针对系统的压力基准来获得速度包络。

从图3的示例可以看到，当根据本发明操作时，螺杆压缩机以同一旋转速度操作至少三个不同的压力比率。这意味着通过同一旋转速度，获得与不同的压力比率相关的至少三个能耗值。如前所述，在所述过程中改变旋转速度，因此通过多个旋转速度，针对每个旋转速度利用多个压力比率，获得功耗测量结果。如果在频率转换器的恒定速度操作期间压力比率略微变化，则在恒定速度操作期间可以计算压力比率的平均值。这样，使用压力比率的平均值表示该恒定速度操作中的压力比率。类似地，如果功耗在恒定速度操作期间变化，则可以计算功耗的平均值并且将其用作表示功耗的值。

这样确定的功耗不能指示与压缩机操作相关的效率。压缩机驱动器的能量效率可以被计算为：

其中P_in是对压缩机驱动器(即频率转换器的输入功率)的输入功率，并且q_m是质量流率(kg/s)。上式表明为了获得加压空气的质量流率必须消耗多少能量，并且所获得的效率单位是kWh/kg。

所获得的能耗数据被存储并且用于计算在一个或更多个操作点的效率或能耗。使用所收集的数据的一种可能是建立作为压力比率的函数的最佳旋转速度曲线。可以根据压力比率从该曲线读取频率转换器的最佳旋转速度。下面呈现形成该曲线的一种可能方法。

基于图3和所计算的能耗，能量效率E_s可以被绘制成具有固定旋转速度n的压力比率pr的函数。就是说，对于其中测量功耗的旋转速度，能量效率被绘制成压力比率的函数。图4中示出了关于旋转速度n＝1000和n＝2000这种图线的示例。

图4的图线中的特定样本被示出为点。此外，基于这些取样值形成二阶多项式拟合曲线，并且其也呈现在图4中。该拟合曲线对压力比率改变时的能耗的行为进行近似。换言之，限定了关于压力比率和关于选定的旋转速度的特定能耗的至少二阶的多项式拟合曲线。

接下来能耗被绘制成具有恒定压力比率pr的旋转速度的函数。也就是说，对于不同的压力比率，能耗被绘制成电机的旋转速度的函数。图5中示出了关于压力比率2和3的这些图线的示例。从图4的曲线读取图5中的关于特定压力比率的能量效率的值(点)，即对于压力比率＝2的图线，从n＝1000的图表以及从n＝2000的图表读取压力比率为2的值。因此形成关于压力比率的向量，并且针对旋转速度和特定能耗或者关于固定压力比率的效率来计算至少二阶的多项式拟合曲线。

图5还示出了对所呈现的值进行二阶多项式拟合。在图5中仅示出了两个数据点，并且拟合曲线是直线。然而，利用更多的数据点，二阶曲线拟合产生对能量效率随旋转速度的改变进行近似的曲线。

当压力比率已知时，从图5的图线中呈现的值以及从拟合曲线可以读取电机的最佳旋转速度。图5的图线可以组合成矩阵以呈现作为旋转速度和压力比率的函数的能量效率。旋转速度可以从曲线中选择，并且不需要与初始测量中使用的旋转速度相同。再者，最低的能耗，即具有不同压力比率的最佳效率可以被收集到单个图表，该图表呈现作为压力比率的函数的最佳旋转速度曲线。这些值通过多项式拟合呈现在图6中。当基于压力比率遵从该曲线时，系统的能耗被最小化。

在上文中，在不同的图线中利用所收集的数据。图线和示图仅被用来使可被遵从以获得最佳操作点的过程可视化。显然诸如曲线拟合的计算可以在不需要绘制这些信息的情况下完成。

此外，当仅有少数压力比率需要最佳操作旋转速度时，可以从上述过程简化计算。上述示例中呈现的曲线拟合也可以被另一近似替代。所述另一近似可以是例如，两个连续测量点之间的内插或更高阶多项式拟合。

图4和图5的示例示出了有限数目个数据点。然而，显然当如图1至3所示在遍及旋转速度范围内确定能量效率时，收集更多数据点。

当根据本发明的过程被重复时，如果最佳点彼此偏离，则会检测到系统的可能的磨损或故障。就是说，如果重复测量给出的结果表明关于一个或多个压力比率的最佳频率改变，则可以推断系统的一些属性已经改变。例如，无油压缩机系统易于机械磨损，并且这种磨损可以通过监控最佳操作点的改变来检测。

本发明可以被实现到现有系统中。现有设备包括可以被利用以实现本发明的实施方案的功能的处理器和存储器。因此实现本发明的实施方案所需的所有改变和配置可以由软件程序执行，继而可以被实现为添加的或更新的软件程序。如果本发明的功能通过软件实现，则该软件可以被设置为包括计算机程序代码的计算机程序产品，当该计算机程序代码在计算机上运行时，使得计算机或类似的设备执行上述本发明的功能。计算机程序代码可以被存储在计算机可读介质上，诸如合适的存储器部件，例如，闪速存储器或盘式存储器，执行程序代码的单元可以从该计算机可读介质读取计算机程序代码。此外，程序代码可以通过合适的数据网络加载至执行程序代码的单元，并且可以替代或更新可能存在的计算机代码。

对于本领域的技术人员明显的是，随着技术发展，本发明的构思可以以不同的方式实现。本发明及其实施方案不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (8)

1.一种确定螺杆压缩机驱动器的操作特性的方法，所述螺杆压缩机驱动器包括通过频率转换器驱动的螺杆压缩机，其中所述方法包括：

通过所述螺杆压缩机的可变旋转速度向所述螺杆压缩机的压力容器加压，所述螺杆压缩机的旋转速度具有速度包络，在所述速度包络中所述旋转速度阶跃改变，以使得在阶跃改变之间所述螺杆压缩机的旋转速度在一段时间内保持基本上恒定，

重复所述速度包络直到所述压力容器的压力达到设定的压力值，

当所述螺杆压缩机的旋转速度保持基本上恒定时，确定加压期间的所述压力容器的压力、所述螺杆压缩机驱动器的功耗和质量流率，

基于所确定的所述压力容器的压力和所述螺杆压缩机驱动器的功耗，计算作为所述压力容器的压力和所述螺杆压缩机的旋转速度的函数的所述螺杆压缩机驱动器的能量效率。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括：

选择作为所述压力容器的压力的函数的、所述频率转换器的最佳旋转速度。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中计算能量效率包括：

选择多个旋转速度，

对于所选择的旋转速度，计算关于压力比率和能量效率的至少二阶的多项式拟合曲线，

选择多个压力比率，

对于所选择的压力比率，计算关于旋转速度和能量效率的至少二阶的多项式拟合曲线，以及

对于每个所选择的压力比率，根据所计算的关于旋转速度和能量效率的多项式拟合曲线来确定具有最佳能量效率的旋转速度。

4.根据权利要求3所述的方法，其中在确定具有最佳能量效率的旋转速度之后，基于压力比率选择在所述频率转换器的控制中使用的旋转速度。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中基于所述频率转换器的输出功率和所述频率转换器的内部损耗来估算所述螺杆压缩机驱动器的功耗。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中基于电机的转矩、所述电机的额定转矩、所述频率转换器的输出频率、所述频率转换器的额定输出频率以及所述频率转换器在额定操作点的损耗来计算所述频率转换器的内部损耗。

7.一种螺杆压缩机驱动器，包括通过频率转换器驱动的螺杆压缩机，其中所述螺杆压缩机驱动器包括：

用于通过所述螺杆压缩机的可变旋转速度向所述螺杆压缩机的压力容器加压的部件，所述螺杆压缩机的旋转速度具有速度包络，在所述速度包络中旋转速度阶跃改变，以使得在阶跃改变之间所述螺杆压缩机的旋转速度在一段时间内保持基本上恒定，

用于重复所述速度包络直到所述压力容器的压力达到设定的压力值的部件，

用于在所述螺杆压缩机的旋转速度保持基本上恒定时，确定加压期间的所述压力容器的压力、所述螺杆压缩机驱动器的功耗和质量流率的部件，

用于基于所确定的所述压力容器的压力和所述螺杆压缩机驱动器的功耗来计算作为所述压力容器的压力和所述螺杆压缩机的旋转速度的函数的所述螺杆压缩机驱动器的能量效率。

8.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序代码，其中所述计算机程序代码在计算机上运行时使得所述计算机执行根据权利要求1至6中任一项所述的方法的步骤。