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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verdichten von Gasen.
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Derartige
Vorrichtungen dienen beispielsweise als Druckluftkompressoren zum
Verdichten von Luft.
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Solche
Kompressoren weisen einen Verdichter, bei dem es sich um eine Kolben-Maschine
handeln kann, und einen Elektromotor zum Antrieb des Verdichters
auf. In bisherigen Kompressoren mit Kolbenverdichtern ist der Antrieb
durch einen elektrischen Asynchronmotor realisiert. Es ist somit
bekannt, bürstenbehaftete
Wechselstrommotoren, insbesondere Universalmotoren zu verwenden.
Allerdings sind diese Wechselstrommotoren nachteiligerweise wenig
energieeffizient. Außerdem
dreht sich bei einem Asynchronmotor der Rotor nicht synchron mit
der angelegten Frequenz, vielmehr entsteht ein Schlupf. Der Schlupf
kann je nach Belastung des Asynchronmotors größer oder kleiner werden. Wird der
Schlupf zu groß,
so „kippt" der Elektromotor
und bleibt sogar im Extremfall stehen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung zum Verdichten
von Gasen derart weiterzubilden, daß deren Energieeffizienz gesteigert
ist und/oder deren Betriebsverhalten verbessert ist.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zum Verdichten von Gasen durch
die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße vorrichtung
zum Verdichten von Gasen, die insbesondere in der Art eines Druckluftkompressors
für Luft
ausgestaltet ist, umfaßt
einen Verdichter, bei dem es sich bevorzugterweise um eine Kolben-Maschine,
einen Kolbenkompressor, einen Kolbenverdichter o. dgl. handelt,
und einen bürstenlosen,
elektronisch kommutierten Elektromotor (EC-Motor) zum Antrieb des
Verdichters.
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Bei
einem EC-Motor handelt es sich um eine permanentmagnetisch erregte
Synchronmaschine. Charakteristisch für einen Synchronmotor ist,
daß das
Drehfeld sich synchron mit dem Rotor dreht und es keinen Schlupf
gibt. Die Synchronität
wird durch ein Motorfeedbacksystem erreicht. Durch jenes ist die
Position des Rotors zu jeder Zeit bekannt und die Steuerung kann
erkennen, ob das Drehfeld noch synchron mit dem Rotor ist. Ist dies
nicht der Fall, so wird vom Regler nachgeregelt bis der Motor wieder
synchron dreht. Als Feedbacksystem läßt sich ein Absolutwertgeber,
ein sogenannter Resolver, oder auch Hall Sensoren verwenden. Bei
der letzteren Art des Feedbacksystems können drei Hall-Sensoren in
einem Winkel von 120° zueinander
angeordnet sein. Hall-Sensoren
haben gegenüber
den Resolver den Vorteil, daß sie
kostengünstiger
sind. Durch die auf die Rotorposition abgestimmte Kommutierung in
Verbindung mit dem Motorfeedbacksystem können solche Elektromotoren
vorteilhafterweise mit voller Kraft aus dem Stand starten.
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Beispielsweise
kann ein EC-Motor nach dem Prinzip eines Scheibenläufers aufgebaut
sein. Hierzu ist auf der Motorwelle eine Scheibe angebracht, in
die Permanentmagnete eingesetzt sind. Zusammen mit der Motorwelle
bildet die Scheibe den Rotor. Somit sind keine verschleißbehaftete
Kohlebürsten
zur Energieübertragung
notwendig. Der Stator besitzt Kupferwicklungen, wobei zur Kommutierung
eine Sinuswelle mit variabler Frequenz in die Motorwicklungen eingeprägt werden
kann. Alternativ können
die Motorwicklungen zur Kommutierung auch durch eine sinusbewertete
Blockkommutierung magnetisiert und umgeladen werden. Hierzu werden
Rechtecke mit einer unterschiedlichen Breite erzeugt, die dem Integral
der Sinuskurve entsprechen. Die Drehzahl des Elektromotors wird
dadurch bestimmt, daß die
Frequenz der Kommutierung geändert
wird. Die Blockkommutierung kann vorteilhafterweise mit Mikrocontroller
zu günstigen
Preisen realisiert werden.
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Selbstverständlich kann
statt der Blockkommutierung auch ein sogenanntes „Vectorcontrol"-Verfahren zur Ansteuerung
des EC-Motors Verwendung finden.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zweckmäßigerweise
umfaßt
die Vorrichtung zum Verdichten von Gasen einen Druckspeicher bzw.
einen Druckbehälter,
wobei der Verdichter mit dem Druckspeicher zur Aufnahme des verdichteten Gases
in Verbindung steht. Das verdichtete Gas ist aus dem Druckspeicher
zum Verbrauch bedarfsweise über
ein Leitungsnetz, an das die entsprechenden Verbraucher angeschlossen
werden können,
entnehmbar.
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In
einer weiteren Ausgestaltung steuert eine elektronische Motorsteuerung
den Elektromotor, insbesondere in der Art einer elektronischen Druckluftnetz-Steuerung
geregelt, an. Es kann dabei mit Hilfe der elektronischen Motorsteuerung
innerhalb eines schmalen Druckbandes für das verdichtete Gas verbrauchsabhängig nachgeregelt
werden, wobei unter Druckband die Differenz des benötigten Drucks
im Leitungsnetz und des im Druckbehälter gespeicherten Drucks zu
verstehen ist. Vorteilhafterweise ist dadurch die Konstanz der Druckluftversorgung
gesteigert. Um eine feinfühlige
Regelung zu gestatten, bietet es sich an, daß das Druckband sich so nahe
als möglich über dem
Druckband der Druckgas-Senken und/oder der Druckgas-Nachfrager und/oder
der Druckgas-Verbraucher befindet.
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In
einer einfachen Ausgestaltung weist die elektronische Motorsteuerung
einen Regler sowie ein Stellglied in der Art einer Leistungselektronik
zum Betrieb des Elektromotors auf. Dabei läßt sich in kostengünstiger
Weise ein programmierbarer Mikroprozessor als Regler verwenden.
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Die
Erfindung gestattet weiterhin ein Druckmanagement für den Kompressor
zu schaffen. Mit Hilfe des Druckmanagements ist es ermöglicht,
die Fördermenge über die
Drehzahl des Kompressors abhängig
von dem Verbrauch anzupassen, wobei der Verbrauch im wesentlichen über die
Druckdifferenz bestimmt wird. Hierfür befindet sich am Druckspeicher
ein Drucksensor, und zwar insbesondere ein elektronischer Drucksensor,
zur Erfassung des Speicherdrucks, wobei der Drucksensor mit der
elektronischen Motorsteuerung zur Weiterleitung des gemessenen Speicherdrucks
in Verbindung steht. Der Regler in der elektronischen Motorsteuerung
steuert die Verdichterleistung in Abhängigkeit vom Speicherdruck
und/oder der Zeit. Dies erfolgt beispielsweise durch entsprechende
Steuerung der Drehzahl und/oder des Drehmoments des Elektromotors
mittels des Stellglieds, so daß die
Fördermenge
des Verdichters dem Verbrauch aus dem Druckspeicher angepaßt ist.
Der Luftverbrauch wird also nicht direkt gemessen, sondern über den
Differenzdruck zwischen zwei Zeitpunkten kontinuierlich erfaßt. In Abhängigkeit
des Differenzdruckes wird die Drehzahl des Elektromotors entweder
erhöht
oder reduziert, wobei jedoch die Drehzahl nicht beliebig groß beziehungsweise
klein werden darf. Die Minimal- und Maximalwerte sind festgelegt
und die Drehzahlvariation findet zwischen diesen Grenzen statt.
Somit wird in Abhängigkeit
vom Luftverbrauch die Drehzahl des Elektromotors und somit die Verdichterleistung
gesteuert, mithin werden also die Regelparameter beim Druckmanagement
je nach Luftverbrauch in der Vergangenheit gewählt.
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Eine
besonders flexible und einfache Anpaßbarkeit an verschiedene Einsatzfälle ist
dadurch bewirkt, daß der
Regler in der elektronischen Motorsteuerung je nach absoluter Höhe der Drücke für den Verdichter
und/oder den Druckspeicher parametrierbar ist. Desweiteren kann
der Regler zum Betrieb der elektronischen Motorsteuerung programmierbar sein,
was sich besonders bei Verwendung eines Mikroprozessors anbietet.
Die Steuerung besitzt somit einen Bereich, welcher frei programmiert
werden kann. Damit kann dort auch der Regelalgorithmus für das Druckmanagement
implementiert werden, so daß das
Druckmanagement von der Steuerung des EC-Motors übernommen ist.
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Zusammenfassend
läßt sich
für eine
bevorzugte Ausgestaltung feststellen, daß mit Hilfe der Erfindung die
Konzeption eines Druckluftkompressors mit elektronisch kommutiertem
Motor, elektronischer Druckerfassung sowie intelligentem Druckmanagement
geschaffen ist. Durch entsprechende Versuche konnte ermittelt werden,
daß durch
das Druckmanagement Einsparungen dank einer Druckabsenkung im Speicher
möglich
sind, indem man weg von der 2-Punkt Regelung hin zu einer kontinuierlichen Regelung
geht. Alleine durch das Druckmanagement und die damit verbundene
Absenkung des Speicherdruckes wird Energie eingespart, ohne daß verbraucherseitig
eine Veränderung
stattfindet. Vergleicht man an dieser Stelle das Einsparpotential
im Vergleich zu der 2-Punkt Regelung, so ergibt sich ein Energieeinsparpotential
von ca. 4,2–7%.
Die Systemeffizienz ist in Bezug auf die Energieaufnahme um ca. 8%
höher im
Vergleich zu einem herkömmlichen
System mit einem bürstenbehafteten
AC(Wechselstrom)-Asynchronmotor. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
bietet folglich vorteilhafterweise eine hohe Energieeinsparung gegenüber bisherigen
Kompressoren.
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Die
mit der Erfindung erzielten weiteren Vorteile bestehen insbesondere
darin, daß nachfolgende Vorteile
beim verwendeten EC-Motor gegenüber dem
bisher verwendeten AC(Wechselstrom)-Asynchronmotor gegeben sind:
- – Hoher
Wirkungsgrad,
- – Kompakte
Bauart bei hoher Leistungsdichte,
- – Lineare
Kennlinie über
einen großen
Bereich von Drehzahl zu Drehmoment und
- – Hohes
Anfahrtsmoment.
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Wie
herausgefunden wurde ist insbesondere im Bereich von Kompressorleistungen
kleiner als 1,5 bis 3 kW ein Kompressor mit einem bürstenlosen EC-Motor
wegen des hohen Wirkungsgrades des EC-Motors energetisch weitaus
vorteilhafter als ein Kompressor mit AC-Motor.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit verschiedenen Weiterbildungen und Ausgestaltungen
ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen die
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1 eine
Prinzipskizze für
den Druckluftkompressor und
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2 (2a, 2b, 2c)
ein Flußdiagramm
für das
Druckmanagement des Druckluftkompressors.
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In
der 1 ist eine industriell einsetzbare Vorrichtung
zum Verdichten von Gasen in der Art eines Druckluftkompressors 1 für Luft als
Blockschaltbild gezeigt. Der Druckluftkompressor 1 umfaßt einen als
Kolben-Maschine ausgebildeten Verdichter 2 und einen bürstenlosen,
elektronisch kommutierten Elektromotor, nachfolgend EC(electronic commutator)-Motor 3 genannt
zum Antrieb des Verdichters 2. Mit Hilfe der Kolben-Maschine 2 wird
die verdichtete Luft in einem mit dem Verdichter 2 in Verbindung
stehenden Druckspeicher 4 oder Drucktank als Reservoir
aufgefüllt.
Aus dem Drucktank 4 ist die Druckluft dann zur weiteren
Verwendung und/oder zum Verbrauch von den Druckluft-Verbrauchern
entnehmbar.
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Eine
elektronische Motorsteuerung 5 steuert den EC-Motor 3 in
der Art einer elektronischen Druckluftnetz-Steuerung zum Betrieb
der Kolben-Maschine 2 derart an, daß der Druck der Luft im Drucktank 4 geregelt
ist. Hierzu befindet sich ein Druckaufnehmer 6 zur Erfassung
des Speicherdrucks, und zwar ein elektronischer Drucksensor oder
ein Flußsensor,
am Drucktank 4, wobei der Druckaufnehmer 6 mit
der Motorsteuerung 5 zur Weiterleitung des gemessenen Speicherdrucks
in Verbindung steht. Mittels eines ebenfalls von der Motorsteuerung 5 über eine
Schnittstelle 8 ansteuerbaren Druckventils 7 am
Drucktank 4 kann der Druck der Luft im Drucktank 4 auch
erniedrigt werden. Alternativ oder auch ergänzend kann das Druckventil 7 zur Entlüftung dienen.
Die Motorsteuerung 5 arbeitet derart, daß der Druck
im Drucktank 4 innerhalb eines schmalen Druckbandes für die verdichtete
Luft verbrauchsabhängig
nachgeregelt wird. Zweckmäßigerweise
befindet sich das Druckband so nahe als möglich über dem Druckband der Druckgas-Senken und/oder
der Druckgas-Nachfrager und/oder der Druckgas-Verbraucher.
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Wie
man weiter der 1 entnimmt, weist die elektronische
Motorsteuerung 5 einen Regler 9 und ein Stellglied 10 in
der Art einer Leistungselektronik zum Betrieb des Elektromotors 3 auf.
Zwecks Aufrechterhaltung des gewünschten
Druckbandes steuert der Regler 9 in der elektronischen
Motorsteuerung 5 die Verdichterleistung in Abhängigkeit
vom Speicherdruck und/oder der Zeit. Dies wird durch entsprechende
Steuerung der Drehzahl und/oder des Drehmoments des Elektromotors 3 mittels
des Stellglieds 10 erreicht, derart daß die Fördermenge des Verdichters 2 dem
Verbrauch aus dem Druckspeicher 4 angepaßt ist.
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Es
bietet sich an, daß der
Regler 9 als ein programmierbarer Mikroprozessor ausgestaltet
ist. Dann ist der Regler 9 in der elektronischen Motorsteuerung 5 in
besonders einfacher Weise je nach der gewünschten absoluten Höhe der Drücke für den Verdichter 2 und/oder
den Druckspeicher 4 parametrierbar, wobei die Schnittstelle 8 der
entsprechenden Eingabe und/oder Ausgabe der Daten für den Regler 9 dient.
Außerdem
ist der Regler 9 dann zum Betrieb der elektronischen Motorsteuerung 5 programmierbar.
Das Flußdiagramm
für ein
entsprechendes Programm für
die Motorsteuerung 5 ist in 2 zu
sehen. Wie man daraus entnimmt, wird der Elektromotor 3 zum
Erreichen des Druckbandes mit maximaler Drehzahl betrieben während innerhalb
des Druckbandes der Betrieb des Elektromotors 3 mit minimaler
Drehzahl genügt.
Wird keine Luft aus dem Druckspeicher 4 entnommen, so wird
der Elektromotor 3 solange abgeschaltet bis eine Luftentnahme
erfolgt. Innerhalb des Druckbandes kann feinfühlig durch Erhöhung der
Drehzahl um Inkremente Y und/oder Erniedrigung der Drehzahl um Inkremente
Z jeweils bis zur maximalen bzw. minimalen Drehzahl auf den gewünschten
Sollwert geregelt werden.
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Wie
man sieht, gelingt es mit Hilfe der Motorsteuerung 5 ein
entsprechendes Druckmanagement für
den Druckluftkompressor 1 durchzuführen. Ziel dieses Druckmanagements
ist es, die Fördermenge über die
Drehzahl des Druckluftkompressors 1 abhängig von dem Verbrauch an Druckluft
aus dem Drucktank 4 anzupassen. Der Verbrauch wird über die
Druckdifferenz bestimmt. Das Druckmanagement wird auch von der Motorsteuerung 5 des
EC-Motors 3 übernommen.
Die Motorsteuerung 5 weist einen Bereich auf, welcher frei
programmierbar ist, womit der gewünschte Regelalgorithmus dort
implementiert werden kann.
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Wie
die 1 zeigt, wird der Druck im Druckspeicher 4 über den
Drucksensor 6 kontinuierlich erfaßt und es wird in Abhängigkeit
vom Luftverbrauch die Drehzahl des EC-Motors 3 und somit die Verdichterleistung
gesteuert. Der Luftverbrauch aus dem Druckspeicher 4 muß nicht
direkt gemessen werden, sondern kann über den Differenzdruck zwischen
zwei Zeitpunkten erfaßt
werden. In Abhängigkeit
des Differenzdruckes wird die Drehzahl des EC-Motors 3 entweder
erhöht
oder reduziert, wobei die Drehzahl nicht beliebig groß beziehungsweise
klein werden darf. Die Minimal- und Maximalwerte sind entsprechend festgelegt
und die Drehzahlvariation findet zwischen diesen Grenzen statt.
Aufgrund eines solchen Druckmanagements sind Einsparungen dank einer Druckabsenkung
im Druckspeicher 4 möglich,
indem anstelle einer herkömmlichen
Zwei-Punkt Regelung eine kontinuierliche Regelung zum Einsatz kommt. Mit
Hilfe des Druckmanagements und der damit verbundenen Absenkung des
Speicherdruckes wird Energie in Höhe von beispielsweise 4 bis
7% eingespart, ohne daß verbraucherseitig
eine Veränderung stattfindet.
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Beispielsweise
kann das Druckband der Verbraucher bis in etwa 7 bar sowie die Druckdifferenz ca.
1 bar betragen, wobei die Druckdifferenz von den pneumatischen Verlusten
zwischen dem Druckluftkompressor 1 und den Verbrauchern
abhängt.
Das Druckband zur Nachregelung beträgt dann in etwa 8 bis 9 bar
anstatt von 8 bis 10 bar bei einer herkömmlichen elektromechanischen
Steuerung.
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Die
Erfindung ist nicht auf das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel
eines Kolbenkompressors für
Druckluft in der Industrie beschränkt. Sie umfaßt vielmehr
auch alle fachmännischen
Weiterbildungen im Rahmen der durch die Patentansprüche definierten
Erfindung. So kann die Erfindung auch bei Kompressoren mit geringerer
Leistungsfähigkeit,
beispielsweise im Heimwerkerbereich Verwendung finden.
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- 1
- Druckluftkompressor
- 2
- Kolben-Maschine/Verdichter
- 3
- EC-Motor/Elektromotor
- 4
- Drucktank/Druckspeicher
- 5
- Motorsteuerung
- 6
- Druckaufnehmer/Drucksensor
- 7
- Druckventil
- 8
- Schnittstelle
- 9
- Regler
- 10
- Stellglied