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Stand der Technik
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Es ist bereits eine Turboverdichtervorrichtung mit zumindest einem Turboverdichter, mit zumindest einer drehzahlgeregelten Invertereinheit zur Ansteuerung zumindest eines Elektromotors des Turboverdichters und mit zumindest einer Pumpschutzeinheit, welche zumindest dazu vorgesehen ist, ein Pumpen des Turboverdichters zu erkennen, vorgeschlagen worden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einer Turboverdichtervorrichtung mit zumindest einem Turboverdichter, mit zumindest einer drehzahlgeregelten Invertereinheit zur Ansteuerung zumindest eines Elektromotors des Turboverdichters und mit zumindest einer Pumpschutzeinheit, welche zumindest dazu vorgesehen ist, ein Pumpen des Turboverdichters zu erkennen.
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Es wird vorgeschlagen, dass die Pumpschutzeinheit dazu vorgesehen ist, ein Pumpen des Turboverdichters anhand zumindest einer niederfrequenten periodischen Schwingung in der Invertereinheit zu erkennen.
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Unter einer „Turboverdichtervorrichtung“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein, insbesondere funktionstüchtiger, Bestandteil, insbesondere eine Konstruktions- und/oder Funktionskomponente und/oder eine Unterbaugruppe, eines Turboverdichtersystems verstanden werden. Unter einem „Turboverdichter“, auch Kreiselverdichter oder Turbokompressor genannt, soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Verdichter verstanden werden, welcher dazu vorgesehen ist, einen statischen Druck durch Umwandlung von kinetischer Energie in statische Druckenergie zu erzeugen. Insbesondere weist der Turboverdichter zumindest ein Laufrad als energieübertragendes Element auf, welches dazu vorgesehen ist, mit hoher Drehzahl zu rotieren. Abhängig von einer Laufradform kann der Turboverdichter als Radialverdichter oder Axialverdichter ausgebildet sein.
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Unter einer „Invertereinheit“ soll in diesem Zusammenhang eine leistungselektronische Einheit mit zumindest einem Frequenzumrichter verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, eine zumindest im Wesentlichen sinusförmige Wechselspannung eines speisenden elektrischen Netzes in eine Wechselspannung mit veränderlicher Frequenz und Amplitude zum Antrieb zumindest eines Elektromotors des Turboverdichters umzuwandeln. Frequenz und Amplitude der von der Invertereinheit bereitgestellten Wechselspannung dienen als Stellgrößen für zumindest einen angeschlossenen Elektromotor des Turboverdichters. Der angeschlossene Elektromotor kann insbesondere als Synchron- oder Asynchronmotor ausgebildet sein. Der Frequenzumrichter der Invertereinheit ist insbesondere als ein Strom- oder Spannungszwischenkreisumrichter ausgebildet.
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Unter einem „Pumpen“ des Turboverdichters soll insbesondere ein Betriebszustand des Turboverdichters verstanden werden, in welchem Betriebspunkte des Verdichters durch eine Verminderung einer Fördermenge und/oder durch einen Anstieg eines Enddruckes in einen instabilen Bereich des Verdichterkennfelds verschoben sind. Ein Pumpen des Turboverdichters ist insbesondere durch ein zyklisches Fördern und Rückströmen eines komprimierten Mediums, begleitet von hohen Vibrationen, Druckstößen und schnellem Temperaturanstieg innerhalb des Turboverdichters, gekennzeichnet. Mögliche Folgen eines Pumpens des Turboverdichters sind Lager-, Anstreif-, Laufrad- und/oder Schaufelschäden, welche zu Betriebsausfällen führen können. Unter einer „Pumpschutzeinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine elektronische Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, während eines Betriebs des Turboverdichters ein Auftreten eines Pumpens zu erkennen. Die Pumpschutzeinheit ist insbesondere dazu vorgesehen, ein Eintreten eines Pumpens des Turboverdichters anhand einer für ein Pumpen des Turboverdichters charakteristischen niederfrequenten periodischen Schwingung einer Kenngröße, insbesondere einer Motorsteuerungskenngröße, innerhalb der Invertereinheit zu erkennen. Unter einer „niederfrequenten periodischen Schwingung“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine periodische Schwingung mit einer Frequenz von maximal 10 Hz verstanden werden. Insbesondere tritt die niederfrequente periodische Schwingung ausschließlich bei einem Pumpen des Turboverdichters auf.
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Durch eine derartige Ausgestaltung kann eine gattungsgemäße Turboverdichtervorrichtung mit verbesserten Eigenschaften einer Erkennung eines Pumpens eines Turboverdichters bereitgestellt werden. Insbesondere kann ein Pumpen des Turboverdichters vorteilhaft unmittelbar basierend auf Kenngrößen einer Motorsteuerung des Turboverdichters erkannt werden. Hierdurch kann ein Pumpschutz ohne Kenntnisse eines Verdichterkennfelds des Turboverdichters realisiert werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Pumpschutzeinheit zumindest dazu vorgesehen ist, zumindest eine Kenngröße innerhalb der Invertereinheit auf niederfrequente periodische Schwingungen zu überwachen. Unter einer „Kenngröße“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Motorsteuerkenngröße, insbesondere eine Stromkenngröße und/oder eine Spannungskenngröße, verstanden werden. Insbesondere weist die Pumpschutzeinheit zumindest ein Sensorelement auf, welches dazu vorgesehen ist, die Kenngröße während eines Betriebs des Turboverdichters insbesondere kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich zu erfassen. Insbesondere weist die Pumpschutzeinheit zumindest eine Recheneinheit auf, welche dazu vorgesehen ist, die von der Sensoreinheit erfasste Kenngröße auf niederfrequente periodische Schwingungen zu überprüfen. Insbesondere kann eine Überprüfung der Kenngröße auf niederfrequente periodische Schwingungen anhand einer Frequenzanalyse, insbesondere einer schnellen Fourier-Transformation, und/oder anhand eines anderweitigen algorithmischen Verfahrens zu einer Erkennung von Signalspitzen, bei welchem eine Erkennung von periodisch auftretenden Überschreitungen von Grenzwerten über einen Durchschnittswert der erfassten Kenngröße und/oder einer zeitlichen Ableitungen der Kenngröße innerhalb eines gleitenden Messfensters detektiert wird, erfolgen. Hierdurch kann eine vorteilhaft einfache und/oder zuverlässige Erkennung eines Pumpens des Turboverdichters erreicht werden. Ferner kann vorteilhaft auf zusätzliche Druck- und/oder Massenstromsensorik zur Erkennung eines Pumpens des Turboverdichters verzichtet werden.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Pumpschutzeinheit zumindest dazu vorgesehen ist, zumindest eine Drehzahl des Elektromotors auf niederfrequente periodische Schwingungen zu überwachen. Vorzugsweise ist die Pumpschutzeinheit dazu vorgesehen, die Drehzahl des Elektromotors über eine induzierte Spannung des Elektromotors zu messen. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Pumpschutzeinheit zumindest dazu vorgesehen ist, zumindest eine Zwischenkreisspannung der Invertereinheit auf niederfrequente periodische Schwingungen zu überwachen. Alternativ oder zusätzlich wird vorgeschlagen, dass die Pumpschutzeinheit zumindest dazu vorgesehen ist, zumindest einen Zwischenkreisstrom der Invertereinheit auf niederfrequente periodische Schwingungen zu überwachen. Hierdurch kann eine vorteilhaft einfache und/oder zuverlässige Erkennung eines Pumpens des Turboverdichters erreicht werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Pumpschutzeinheit zumindest eine Kommunikationsschnittstelle aufweist, welche dazu vorgesehen ist, bei erkennen einer periodischen Schwingung zumindest ein Signal an eine Steuer- und/oder Regeleinheit zu übertragen. Unter einer „Kommunikationsschnittstelle“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Schnittstelle zur drahtlosen und/oder drahtgebundenen Übertragung von digitalen und/oder analogen Signalen und/oder Daten verstanden werden. Unter einer „Steuer- und/oder Regeleinheit“ soll insbesondere eine Einheit mit zumindest einer Steuerelektronik verstanden werden. Unter einer „Steuerelektronik“ soll insbesondere eine Einheit mit einer Prozessoreinheit und mit einer Speichereinheit sowie mit einem in der Speichereinheit gespeicherten Betriebsprogramm verstanden werden. Insbesondere ist die Steuer- und/oder Regeleinheit zu einer Steuerung und/oder Regelung der gesamten Turboverdichtervorrichtung vorgesehen. Insbesondere überträgt die Pumpschutzeinheit bei Erkennen eines Pumpens des Turboverdichters zumindest ein Signal an die Steuer- und/oder Regeleinheit, welches die Steuer- und/oder Regeleinheit dazu veranlasst, einen stabilen Betriebspunkt des Turboverdichters anzufahren. Bei einem länger anhaltenden Pumpen des Turboverdichters ist die Invertereinheit dazu vorgesehen, selbsttätig eine Abschaltung des Turboverdichters durchzuführen. Hierdurch kann vorteilhaft schnell und/oder effektiv auf ein Pumpen des Turboverdichters reagiert werden. Insbesondere können hierdurch Beschädigungen des Turboverdichters vorteilhaft vermieden werden.
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Zudem wird ein Verfahren zur Erkennung eines Pumpens eines Turboverdichters vorgeschlagen, bei welchem ein Pumpen des Turboverdichters anhand zumindest einer niederfrequenten periodischen Schwingung in einer Invertereinheit zur Ansteuerung zumindest eines Elektromotors des Turboverdichters detektiert wird. Vorzugsweise wird ein Pumpen des Turboverdichters anhand zumindest einer niederfrequenten periodischen Schwingung in einer Elektromotordrehzahl des Elektromotors des Turboverdichters detektiert. Hierdurch kann ein Pumpen des Turboverdichters vorteilhaft unmittelbar basierend auf Kenngrößen einer Motorsteuerung des Turboverdichters erkannt werden. Insbesondere kann ein Pumpschutz ohne Kenntnisse eines Verdichterkennfelds des Turboverdichters realisiert werden.
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Die erfindungsgemäße Turboverdichtervorrichtung soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Turboverdichtervorrichtung zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Turboverdichtervorrichtung mit einem Turboverdichter und einer Pumpschutzeinheit,
- 2 einen Drehzahlverlauf des Turboverdichters vor und nach einem Eintrittszeitpunkt eines Pumpens des Turboverdichters und
- 3 einen Frequenzgang des Drehzahlverlaufs aus 2.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Turboverdichtervorrichtung 10. Die Turboverdichtervorrichtung 10 umfasst einen Turboverdichter 12 und eine drehzahlgeregelte Invertereinheit 14 zur Ansteuerung zumindest eines Elektromotors 16 des Turboverdichters 12. Der Turboverdichter 12 kann insbesondere als Axial- oder Radialverdichter ausgebildet sein. Des Weiteren weist die Turboverdichtervorrichtung 10 eine Steuer und/oder Regeleinheit 34 auf, welche zumindest zu einer Steuerung- und/oder Regelung der Invertereinheit 14 vorgesehen ist. Insbesondere ist die Steuer- und/oder Regeleinheit 34 zu einer Drehzahlregelung des Turboverdichters 12 vorgesehen. Hierzu wird eine Soll-Drehzahl 54 von der der Steuer- und/oder Regeleinheit 34 an die Invertereinheit 14 übergeben. Eine Ist-Drehzahl 56 des Turboverdichters 12 wird von der Invertereinheit 14 an die Steuer- und/oder Regeleinheit 34 übertragen. Ferner weist die Turboverdichtervorrichtung 10 eine Pumpschutzeinheit 18 auf, welche zumindest dazu vorgesehen ist, ein Pumpen des Turboverdichters 12 zu erkennen. Ein Pumpen des Turboverdichters 12 ist insbesondere durch ein zyklisches Fördern und Rückströmen eines komprimierten Mediums, begleitet von hohen Vibrationen, Druckstößen und schnellem Temperaturanstieg innerhalb des Turboverdichters 12, gekennzeichnet. Mögliche Folgen eines Pumpens des Turboverdichters 12 sind Lager-, Anstreif-, Laufrad- und/oder Schaufelschäden, welche zu Betriebsausfällen führen können. Die Pumpschutzeinheit 18 ist dazu vorgesehen, ein Pumpen des Turboverdichters 12 anhand zumindest einer niederfrequenten periodischen Schwingung 20 in der Invertereinheit 14 zu erkennen.
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Die Pumpschutzeinheit 18 ist zumindest dazu vorgesehen, zumindest eine Kenngröße innerhalb der Invertereinheit 14 auf niederfrequente periodische Schwingungen 20 zu überwachen. Die Pumpschutzeinheit 18 weist insbesondere zumindest ein hier nicht näher dargestelltes Sensorelement auf, welches dazu vorgesehen ist, die Kenngröße während eines Betriebs des Turboverdichters 12 insbesondere kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich zu erfassen. Die Pumpschutzeinheit 18 weist eine Recheneinheit 36, insbesondere zumindest einen Mikrocontroller, auf, welche dazu vorgesehen ist, die von der Sensoreinheit erfasste Kenngröße auf niederfrequente periodische Schwingungen 20 zu überprüfen. Die erfasste Kenngröße wird der Recheneinheit 36 als Eingangssignal 38 zugeführt. Insbesondere kann eine Überprüfung der Kenngröße auf niederfrequente periodische Schwingungen 20 durch die Recheneinheit 36 anhand einer Frequenzanalyse, insbesondere einer schnellen Fourier-Transformation, und/oder anhand eines anderweitigen algorithmischen Verfahrens zu einer Erkennung von Signalspitzen, bei welchem eine Erkennung von periodisch auftretenden Überschreitungen von Grenzwerten über einen Durchschnittswert der erfassten Kenngröße innerhalb eines gleitenden Messfensters detektiert wird, erfolgen.
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Vorzugsweise ist die Pumpschutzeinheit 18 zumindest dazu vorgesehen, zumindest eine Drehzahl 22 des Elektromotors 16 auf niederfrequente periodische Schwingungen 20 zu überwachen. Die Pumpschutzeinheit 18 ist dazu vorgesehen, die Drehzahl 22 des Elektromotors 16 über eine induzierte Spannung 24 des Elektromotors 16 zu messen. 2 zeigt in einem Diagramm einen beispielhaften Drehzahlverlauf 42 des Elektromotors 16 des Turboverdichters 12. In dem Diagramm ist die Drehzahl 22 des Elektromotors 16 des Turboverdichters 12 über einer Zeit 40 aufgetragen. Das Diagramm zeigt den Drehzahlverlauf 42 des Elektromotors 16 des Turboverdichters 12 vor und nach einem Eintrittszeitpunkt 44 eines Pumpens des Turboverdichters 12. Vor dem Eintrittszeitpunkt 44 ist der Drehzahlverlauf 42 des Elektromotors 16 des Turboverdichters 12 frei von niederfrequenten periodischen Schwingungen. Nach dem Eintrittszeitpunkt 44 weist der Drehzahlverlauf 42 des Elektromotors 16 des Turboverdichters 12 eine für ein Pumpen des Turboverdichters 12 charakteristische niederfrequente periodische Schwingung 20 auf. 3 zeigt in einem weiteren Diagramm einen Frequenzgang 58 des Drehzahlverlaufs 42 des Elektromotors 16 des Turboverdichters 12. In dem weiteren Diagramm ist eine Amplitude 46 über einer Frequenz 48 aufgetragen. In dem Frequenzgang 58 des Drehzahlverlaufs 42 des Elektromotors 16 des Turboverdichters 12 ist ebenfalls eine charakteristische Frequenz 50 der niederfrequenten periodischen Schwingung 20 erkennbar. Über eine Analyse des Frequenzgangs 58 des Drehzahlverlaufs 42 des Elektromotors 16 des Turboverdichters 12 lässt sich somit ein Pumpen des Turboverdichters 12 sicher identifizieren. Alternativ oder zusätzlich kann die Pumpschutzeinheit 18 zumindest dazu vorgesehen sein, zumindest eine Zwischenkreisspannung 26 und/oder einen Zwischenkreisstrom 28 der Invertereinheit 14 auf niederfrequente periodische Schwingungen zu überwachen.
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Die Pumpschutzeinheit 18 weist eine Kommunikationsschnittstelle 30 auf, welche dazu vorgesehen ist, bei erkennen einer periodischen Schwingung 20 zumindest ein Signal 32 an die Steuer- und/oder Regeleinheit 34 zu übertragen. Insbesondere überträgt die Pumpschutzeinheit 18 bei Erkennen eines Pumpens des Turboverdichters 12 zumindest ein Signal 32 über die Kommunikationsschnittstelle 30 an die Steuer- und/oder Regeleinheit 34, welches die Steuer- und/oder Regeleinheit 34 dazu veranlasst, insbesondere durch Vorgabe einer veränderten Soll-Drehzahl 54, einen stabilen Betriebspunkt des Turboverdichters 12 anzufahren. Bei einem länger anhaltenden Pumpen des Turboverdichters 12 ist die Invertereinheit 14 dazu vorgesehen, selbsttätig eine Abschaltung des Turboverdichters 12 durchzuführen.
