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Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur Drehzahlsteuerung eines Kompressors, durch welches insbesondere die Drehzahl eines rotierenden Verdichtungselementes des Kompressors gesteuert wird. Im Weiteren betrifft die Erfindung einen Kompressor; beispielsweise einen Verdichter zum Erzeugen von Druckluft.
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Die
DE 603 13 320 T2 zeigt ein Verfahren zum Entlasten eines Schraubenkompressors, bei welchem Luft aus dem Schraubenkompressor bei einem geschlossenen Lufteinlass entfernt wird.
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Die
DE 10 2013 111 218 A1 lehrt eine elektronische Steuerungseinrichtung für eine Komponente zur Drucklufterzeugung. Die Steuerungseinrichtung greift auf Modelle für die Struktur und für das Verhalten der Komponente zur Drucklufterzeugung zurück.
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Aus der
DE 100 47 940 A1 ist ein Verfahren zur Betriebssteuerung einer Schraubenkompressionseinrichtung bekannt, bei welchem die Drehfrequenz eines Motors der Schraubenkompressionseinrichtung geregelt wird.
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Die
DE 601 18 088 T2 zeigt ein Verfahren zur Steuerung einer Verdichteranlage, bei welchem die Drehzahl eines geschmierten Verdichterelementes geregelt wird.
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Die
DE 601 15 671 T2 lehrt einen öleingespritzten Schraubenverdichter mit veränderlicher Drehgeschwindigkeit, die ausgehend von einer Messung der Geschwindigkeit und des Drehmomentes eines Verdichterantriebsmittels gesteuert wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, die Funktion eines Kompressors, dessen Ausgangsleistung durch Variation seiner Drehzahl veränderbar ist, dauerhaft zu gewährleisten und gleichzeitig einen effizienten Betrieb des Kompressors zu ermöglichen.
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Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch einen Kompressor gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 10.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Drehzahlsteuerung eines Kompressors. Bei dem Kompressor handelt es sich insbesondere um einen Verdichter, welcher bevorzugt der Erzeugung von Druckluft dient. Der Betrieb des Kompressors ist durch eine Drehzahl gekennzeichnet, bei welcher es sich insbesondere um die Drehzahl eines rotierbaren Verdichtungselementes des Kompressors handelt. Um die Funktion des Kompressors dauerhaft zu gewährleisten, ist der Kompressor während seines Betriebes mit einer Drehzahl zu betreiben, die einen Mittelwert aufweist, der mindestens so groß wie ein minimaler Mittelwert ist. Die Drehzahl ist zeitlich veränderlich. Bei dem Mittelwert handelt es sich um einen durchschnittlichen Wert der zeitlich veränderlichen Drehzahl. Die dauerhafte Funktion des Kompressors ist nur dann gewährleistet, wenn dessen Drehzahl im längerfristigen Durchschnitt mindestens so groß wie der minimale Mittelwert ist. Dies resultiert daraus, dass einzelne Vorgänge im Kompressor, wie insbesondere eine Ölabscheidung oder eine Schmierung, nur dann in einem ausreichenden Maße ablaufen, wenn die Drehzahl des Kompressors im längerfristigen Durchschnitt mindestens so groß wie der minimale Mittelwert ist.
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Bei einem Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Solldrehzahl des Kompressors bestimmt, die für eine vom Kompressor zu erzielende Ausgangsleistung notwendig ist. Die vom Kompressor zu erzielende Ausgangsleistung wird insbesondere durch einen anderen Prozess oder durch einen Bediener des Kompressors bestimmt und ist zeitlich veränderlich. Dementsprechend ist auch die Solldrehzahl zeitlich veränderlich.
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In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein zeitliches Mittel der zeitlich veränderlichen Solldrehzahl bestimmt. Bei dem zeitlichen Mittel handelt es sich um die durchschnittliche Solldrehzahl in der betrachteten Zeitdauer.
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Erfindungsgemäß wird eine untere Drehzahlgrenze des Kompressors angehoben, falls das zeitliche Mittel der veränderlichen Solldrehzahl kleiner als der minimale Mittelwert der Drehzahl des Kompressors ist. Bei der unteren Drehzahlgrenze handelt es um einen Wert, der von der Drehzahl des Kompressors nicht zu unterschreiten ist. Erfindungsgemäß wird der Kompressor mit der Solldrehzahl betrieben, wobei jedoch die untere Drehzahlgrenze nicht unterschritten wird. Falls das zeitliche Mittel der veränderlichen Solldrehzahl dauerhaft kleiner als der minimale Mittelwert der Drehzahl des Kompressors wäre, so wäre die Funktion des Kompressors nicht mehr sichergestellt, weil beispielsweise eine Ölabscheidung nicht mehr ausreichend erfolgen würde, wodurch der Ölgehalt einer erzeugten Druckluft zu groß würde. Durch die Anhebung der unteren Drehzahlgrenze steigt daraufhin die durchschnittliche Drehzahl des Kompressors, wodurch die Funktion des Kompressors dauerhaft sichergestellt ist.
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Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass der Kompressor effizient betrieben werden kann, da er zeitweise auch mit kleinen Drehzahlen arbeiten kann, die unter einer entsprechenden statischen unteren Drehzahlgrenze liegen, wenn ein entsprechend geringer Leistungsbedarf besteht.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das zeitliche Mittel der zeitlich veränderlichen Solldrehzahl über ein zeitliches Überwachungsintervall hinweg ermittelt. Das zeitliche Mittel der Solldrehzahl stellt somit die durchschnittliche Solldrehzahl im Überwachungsintervall dar.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die untere Drehzahlgrenze nach Ablauf des Überwachungsintervalls angehoben, falls das zeitliche Mittel der veränderlichen Solldrehzahl kleiner als der minimale Mittelwert der Drehzahl des Kompressors ist. Besonders bevorzugt wird die untere Drehzahlgrenze unmittelbar nach Ablauf des Überwachungsintervalls angehoben, falls das zeitliche Mittel der veränderlichen Solldrehzahl kleiner als der minimale Mittelwert der Drehzahl des Kompressors ist. Dadurch ist sichergestellt, dass die mittlere Drehzahl des Kompressors kurzfristig steigt.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der zeitliche Verlauf der zeitlich veränderlichen Solldrehzahl des Kompressors während des Überwachungsintervalls aufgezeichnet. Somit liegt nicht lediglich der Mittelwert der Solldrehzahl, sondern auch der zeitliche Verlauf der Solldrehzahl vor.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die untere Drehzahlgrenze nach Ablauf des Überwachungsintervalls soweit angehoben, dass der aufgezeichnete zeitliche Verlauf der zeitlich veränderlichen Solldrehzahl bei einer Beschränkung durch die angehobene untere Drehzahlgrenze ein zeitliches Mittel über das Überwachungsintervall hinweg aufweist, welches mindestens so groß und besonders bevorzugt genauso groß wie der minimale Mittelwert der Drehzahl des Kompressors ist. Bei dieser Ausführungsform wird davon ausgegangen, dass der Kompressor im folgenden Überwachungsintervall mit einem gleichen Verlauf der zu erzielenden Ausgangsleistung betrieben wird. Ist dies tatsächlich so, so wird der Mittelwert der Drehzahl des Kompressors in diesem nächsten Überwachungsintervall mindestens so groß bzw. genauso groß wie der minimale Mittelwert der Drehzahl sein. Folglich ist einerseits die Funktion des Kompressors sichergestellt und andererseits wird die Drehzahl des Kompressors bei kleinen zu erzielenden Ausgangsleistungen deutlich sinken, was zu einem effizienten Betrieb des Kompressors führt. In dem häufigen Fall, dass der Kompressor immer wieder mit gleichen zeitlichen Verläufen der zu erzielenden Ausgangsleistung betrieben wird, wird die Drehzahl des Kompressors bei kleinen zu erzielenden Ausgangsleistungen soweit sinken, dass der Mittelwert der Drehzahl des Kompressors gerade den minimalen Mittelwert erreicht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren läuft bevorzugt periodisch ab, wobei die Perioden jeweils der Überwachungsdauer entsprechen. In jeder der Perioden erfolgt ein Bestimmen der zeitlich veränderlichen Solldrehzahl des Kompressors, ein Bestimmen des zeitlichen Mittels der zeitlich veränderlichen Solldrehzahl, und ein Anheben der unteren Drehzahlgrenze, falls das zeitliche Mittel der veränderlichen Solldrehzahl kleiner als der minimale Mittelwert der Drehzahl des Kompressors ist.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt weiterhin ein Überwachen, wie oft die zeitlich veränderliche Solldrehzahl zwischen einer oberen Solldrehzahl und einer unteren Solldrehzahl wechselt. Die obere Solldrehzahl ist bevorzugt durch die maximale Drehzahl des Kompressors gebildet und entspricht einem Volllastbetrieb. Die obere Solldrehzahl beträgt alternativ bevorzugt 80% der maximalen Drehzahl des Kompressors. Die untere Solldrehzahl ist bevorzugt durch eine Leerlaufdrehzahl gebildet. Die untere Solldrehzahl beträgt alternativ bevorzugt 50% der maximalen Drehzahl des Kompressors. Bei dem beschriebenen Überwachen wird gezählt, wie oft die zeitlich veränderliche Solldrehzahl zwischen der oberen Solldrehzahl und der unteren Solldrehzahl wechselt, wobei lediglich die Wechsel von der oberen Solldrehzahl zur unteren Solldrehzahl oder lediglich die Wechsel von der unteren Solldrehzahl zur oberen Solldrehzahl gezählt werden müssen. Bei diesen Ausführungsformen erfolgt weiterhin ein Absenken einer oberen Drehzahlgrenze, falls die Wechsel zwischen der unteren Solldrehzahl und der oberen Solldrehzahl eine vordefinierte Maximalanzahl übersteigt. Die abgesenkte obere Drehzahlgrenze ist dabei kleiner als die obere Solldrehzahl. Erfindungsgemäß wird der Kompressor mit der Solldrehzahl betrieben, wobei jedoch die obere Drehzahlgrenze nicht überschritten wird. Das Absenken der oberen Drehzahlgrenze führt dazu, dass der Kompressor weniger oft zwischen einer sehr hohen Drehzahl, nämlich insbesondere der maximalen Drehzahl, und einer geringen Drehzahl, nämlich insbesondere der Leerlaufdrehzahl wechselt. Insofern die zu erzielende Ausgangsleistung des Kompressors oft zwischen einer hohen Leistung und einer geringen Leistung wechselt, so führt dies ebenso zu einem häufigen Wechsel zwischen der oberen Solldrehzahl und der unteren Solldrehzahl. Durch die Absenkung der oberen Drehzahlgrenze wird die Drehzahl des Kompressors diesen Wechseln aber nicht im gleichen Maße folgen, sondern in einem mittleren Bereich schwanken. Hierdurch wird der Verschleiß des Kompressors gemindert. Die vordefinierte Maximalanzahl der Wechsel ist so bemessen, dass der Kompressor effizient betrieben wird.
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Das beschriebene Überwachen, wie oft die zeitlich veränderliche Solldrehzahl zwischen der oberen Solldrehzahl und der unteren Solldrehzahl wechselt, erfolgt bevorzugt über das Überwachungsintervall hinweg. Das beschriebene Absenken der oberen Drehzahlgrenze, falls die Anzahl der Wechsel zwischen der unteren Solldrehzahl und der oberen Solldrehzahl die vordefinierte Maximalanzahl übersteigt, erfolgt bevorzugt unmittelbar nach dem Ablauf des Überwachungsintervalls.
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Der Kompressor ist bevorzugt zum Verdichten eines Mediums ausgebildet, sodass erfindungsgemäß ein Verdichten des Mediums erfolgt. Das Medium ist bevorzugt durch ein Gas gebildet. Das Gas ist bevorzugt durch Luft gebildet, sodass der Kompressor zur Erzeugung von Druckluft ausgebildet ist, die vom Kompressor ausgegeben wird. Bei dem Gas kann es sich aber beispielsweise auch um Kohlendioxid oder Sauerstoff handeln. Bei dem zu verdichtenden Medium kann es sich beispielsweise auch um ein Aerosol handeln.
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Das Verdichten des Mediums erfolgt innerhalb des Kompressors bevorzugt mit ineinandergreifenden Schraubenrotoren, welche die Verdichtungselemente bilden. Die oben beschriebene Drehzahl des Kompressors stellt die Drehzahl des Schraubenrotors dar. Der Kompressor kann aber auch mit andersartigen Verdichtungselementen, wie beispielsweise Zahnrädern oder Kolben ausgebildet sein.
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Der Kompressor wird bevorzugt mit einem Fluid als Schmiermittel und/oder mit einem Fluid als Kühlmittel betrieben. Das Fluid ist bevorzugt durch Öl und/oder Wasser gebildet.
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Im Kompressor erfolgt bevorzugt ein Trennen des verdichteten Gases vom Fluid, wofür ein Abscheider verwendet wird. Das erfindungsgemäße Anheben der unteren Drehzahlgrenze, falls das zeitliche Mittel der veränderlichen Solldrehzahl kleiner als der minimale Mittelwert der Drehzahl des Kompressors ist, erfolgt bevorzugt um das Trennen des komprimierten Gases vom Fluid mithilfe des Abscheiders dauerhaft zu gewährleisten, d. h. um die die Funktion des Abscheiders dauerhaft zu gewährleisten.
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Die zu erzielende, zeitlich veränderliche Ausgangsleistung ist bevorzugt durch einen Volumenstrom des vom Kompressor verdichteten Mediums repräsentiert. Die Drehzahl des Kompressors und der Volumenstrom sind unmittelbar voneinander abhängig. Die zu erzielende, zeitlich veränderliche Ausgangsleistung kann aber auch durch einen Druck repräsentiert sein.
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Der erfindungsgemäße Kompressor dient zum Verdichten eines Mediums. Er umfasst mindestens ein rotierbares Verdichtungselement und einen Motor zum Antrieb des mindestens einen rotierbaren Verdichtungselementes. Der Kompressor ist während seines Betriebes mit einer Drehzahl zu betreiben, welche einen Mittelwert aufweist, der mindestens so groß wie ein minimaler Mittelwert ist, um die Funktion des Kompressors zu gewährleisten. Der Kompressor umfasst weiterhin eine Drehzahlsteuerung, die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert ist. Die Drehzahlsteuerung ist bevorzugt zur Ausführung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert. Im Übrigen weist der erfindungsgemäße Kompressor bevorzugt auch solche Merkmale auf, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind.
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Der Kompressor ist bevorzugt durch einen Schraubenverdichter gebildet, wofür er mindestens zwei der rotierbaren Verdichtungselemente umfasst, welche durch ineinandergreifende Schraubenrotoren gebildet sind.
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Der Kompressor ist bevorzugt dazu ausgebildet, mit einem Fluid als Schmiermittel und/oder einem Fluid als Kühlmittel betrieben zu werden. Das Fluid ist bevorzugt durch Öl und/oder Wasser gebildet.
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Der Kompressor umfasst bevorzugt einen Abscheider zum Trennen des Fluides vom verdichteten Gas. Der Abscheider ist bevorzugt durch einen Vorabscheider und/oder durch einen Feinabscheider gebildet.
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Die Steuerung ist bevorzugt durch einen Mikrokontroller gebildet, welcher die einzelnen Steuerschritte umsetzt und die Steuersignal generiert.
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Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist durch einen öleingespritzten Schraubenkompressor zur Verdichtung von Luft gebildet. Die verdichtete Luft wird als Druckluft ausgegeben.
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Der Schraubenkompressor umfasst eine Verdichterstufe, in welche Öl zur Schmierung und Kühlung eingespritzt wird und nach der Verdichtung der Luft auf einer Druckseite des Schraubenkompressors aus der Druckluft abgeschieden wird. Der Schraubenkompressor umfasst hierfür einen Vorabscheider, mit welchem die Druckluft vom Öl getrennt wird, wobei das abgeschiedene Öl in einem Kreislauf wieder zu einer Saugseite des Schraubenkompressors zurückgeführt wird.
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Die vorabgeschiedene Druckluft durchströmt weiterhin einen Feinabscheider des Schraubenkompressors, um die Druckluft auch von feinsten Ölteilchen zu reinigen. Diese durch den Feinabscheider gereinigte Druckluft besitzt nur noch einen geringen Anteil an Ölteilchen, welcher als Restfluidgehalt bezeichnet wird. Der Restfluidgehalt liegt bei etwa 1 bis 5 mg Fluid je Kubikmeter angesaugtem Volumenstrom.
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Der Feinabscheider funktioniert nur in einem begrenzten Volumenstromfenster in einem ausreichenden Maße. Wird dieses Volumenstromfenster verlassen, äußert sich dies nach kurzer Zeit in einem signifikanten Anstieg des Restfluidgehaltes. Bei Volumenströmen, die größer als der durch die Bauart und Größe bedingte maximale Volumenstrom des jeweils verwendeten Feinabscheiders sind, kommt es zu einem Mitreißen von Ölpartikeln aus dem Feinabscheider. Bei Volumenströmen, die kleiner als der minimale Volumenstrom des jeweils verwendeten Feinabscheiders sind, kommt es zu einer Behinderung der Abscheidung durch mangelnden Kontakt des Öls mit dem Feinabscheider.
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Der Feinabscheider ist so ausgelegt, dass der Volumenstrom des Schraubenkompressors bei einer maximalen Drehzahl des Schraubenkompressors mit einem maximalen Volumenstrom des Feinabscheiders übereinstimmt, damit die Abscheidung des Öls sichergestellt ist.
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Der Volumenstrom des Schraubenkompressors liegt bei einer minimalen Drehzahl des Schraubenkompressors unterhalb des minimalen Volumenstroms des Feinabscheiders. Würde der Schraubenkompressor dauerhaft mit seiner minimalen Drehzahl betrieben werden, würde dies zu einem erhöhten Restfluidgehalt führen, sodass die Funktion des Schraubenkompressors beeinträchtigt wäre bzw. die gewünschte Reinheit des abgegebenen Mediums (z. B. Druckluft) nicht den Anforderungen entspricht, was zur Beschädigung nachfolgender, versorgter Anlagenkomponenten führen kann.
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Bei dem erfindungsgemäßen Schraubenkompressor wird automatisch ein Drehzahl-Verbrauchsprofil über einen Algorithmus in einer Drehzahlsteuerung des Schraubenkompressors angefertigt. Ein Beispiel für dieses Drehzahl-Verbrauchsprofil ist nachfolgend angegeben:
25% Drehzahl–70% der Betriebszeit
50% Drehzahl–15% der Betriebszeit
75% Drehzahl–10% der Betriebszeit
100% Drehzahl–5% der Betriebszeit
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Die vom Schraubenkompressor zu liefernde Druckluftliefermenge kann vom Bediener ausgewählt und verändert werden. Die vom Schraubenkompressor zu liefernde Druckluftliefermenge repräsentiert dessen Ausgangsleistung, welche zeitlich veränderlich ist. Die Drehzahl des Schraubenkompressors und die Druckluftliefermenge, d. h. der Volumenstrom des Kompressors sind unmittelbar voneinander abhängig.
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Abhängig vom jeweiligen zeitlichen Verlauf der Druckluftliefermenge wird erfindungsgemäß anhand dieser Häufigkeitsverteilung automatisch Einfluss auf die Drehzahlgrenzen, d. h. auf eine untere Drehzahlgrenze und auf eine obere Drehzahlgrenze genommen. Die Drehzahl des Schraubenkompressors liegt nachfolgend zwischen der unteren und der oberen Drehzahlgrenze.
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Wird der Schraubenkompressor beispielsweise zunächst im größten Teil seiner Betriebszeit mit seiner minimalen Drehzahl betrieben, würde dies nachfolgend zu einem erhöhten Restölgehalt führen. Erfindungsgemäß wird jedoch die untere Drehzahlgrenze angehoben, sodass der dann größere Volumenstrom des Schraubenkompressors dazu führt, dass der Feinabscheider dauerhaft seine Funktion behält. Dadurch wird sichergestellt, dass der Restfluidgehalt nicht auf unerwünschte Werte ansteigt.
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Weiterhin wird erfindungsgemäß die Anzahl der Wechsel von einem Last- zu einem Leerlauf bestimmt. Steigt diese Anzahl über eine vordefinierte Maximalanzahl, erfolgt ein Absenken der oberen Drehzahlgrenze, sodass der maximale Volumenstrom kleiner wird, mit der Folge, dass der Schraubenkompressor weniger häufig von Last- nach Leerlauf wechselt. Ein häufiger Wechsel zwischen Last- und Leerlauf würde aufgrund von Druckentlastungsvorgängen zu einer Verringerung der Energieeffizienz führen, was erfindungsgemäß verhindert ist. Dies ist insbesondere für solche Kompressoren relevant, bei denen der zu erzielende Volumenstrom wesentlich geringer als der maximale Volumenstrom des Kompressors ist. Erfindungsgemäß wird ein ständiges Wechseln des Kompressors von Lastlauf in Leerlauf verhindert, sodass der erfindungsgemäße Kompressor eine hohe Lebensdauer aufweist.
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Die Drehzahlsteuerung erstellt in regelmäßigen Abständen neue Verbrauchsprofile, um bei einer Änderung des Druckluftbedarfes eine erneute Anpassung der Drehzahlgrenzen durchzuführen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 60313320 T2 [0002]
- DE 102013111218 A1 [0003]
- DE 10047940 A1 [0004]
- DE 60118088 T2 [0005]
- DE 60115671 T2 [0006]