DE10258540A1 - Schraubenverdichteraggregat mit Drehzahl-Drehmoment-Regelung - Google Patents

Abstract

Durch die Aufgabe der Erfindung wird gewährleistet, dass ein automatisierter energieverbrauchsoptimierter Betrieb eines Schraubenverdichteraggregates mit einem ölüberfluteten Schraubenverdichter für alle Anwendungen in der Prozessgas-, Luft- und der Kälte- und Klimatechnik sowie im Wärmepumpenbetrieb möglich ist. DOLLAR A Die Anordnung wird realisiert im Wesentlichen über die Hinterlegung oder online Erfassung von Betriebszuständen.

Description

• Nach dem Stand der Technik sind Schraubenverdichteraggregate für den Betrieb mit ölüberfluteten Schraubenverdichtern bekannt, die mit einer internen Bypaßregelung, das heißt einer Volumenstromregelung arbeiten. Sie sind zumeist mit festen oder auch mit variablen inneren Volumen/Verdichtungsverhältnissen ausgerüstet und werden von Asynchronmotoren 1 Poolpaar /2-polig mit feststehenden Drehzahlen angetrieben. Eine weitere Volumenstromregelung wird realisiert durch die Veränderung der Drehzahl von Asynchronmotoren über Frequenzumrichter mit üblicher Spannungs/Frequenz-Kennliniensteuerung. Die lineare Spannungs Frequenz-Kennliniensteuerung hat ihre Begrenzung im Drehzahlregelbereich. Dieser liegt im gesteuerten Bereich bei ca. 1:20. Bei niedrigen Drehzahlen ist eine alternative Steuerungsstrategie, eine Kompensation des Spannungsabfalls notwendig, um das erforderliche Drehmoment insbesondere für den Start zu erbringen. Der Energiebedarf des Verdichters für die zu erbringende Leistung zum Beispiel. Kälteleistung einer Kälte-/Klimaanlage, das erforderliche Drehmoment und die Drehzahl des Elektroantriebsmotores, ist neben dem erforderlichen Kältemittelvolumenstrom unter anderem auch abhängig vom Druckverhältnis in der Anlage. In Abhängigkeit vom Betriebspunkt, der durch Verdampfungstemperatur/-druck und Verflüssigungstemperatur/-druck festgelegt ist, ergeben sich auch für einen gleichen Verdichtertyp unterschiedliche Antriebsleistungen. Für die Auswahl der Leistungsgröße des Elektroantriebsmotores und des Frequenzumrichters ist das erforderliche Drehmoment bei Maximaldrehzahl bestimmend. Entsprechend den speziellen Bedingungen von Kälte- und Klimaanlagen kann es im Stillstand und im Betrieb eines Schraubenverdichters zu unterschiedlichen Druckverhältnissen in der Anlage kommen. Liegt beim Start des Schraubenverdichters der Ausgleichsdruck im Schraubenverdichteraggregat, im Verdichtersatz oder in der Anlage über dem des projektierten – betriebsmässig erforderlichen – Betriebsdruckes, kann der Leistungsbedarf zum Start des Verdichteraggregates summiert mit Losbrech- und Beschleunigungsleistung den Maximalleistungsbedarf bestimmen. Eine energie-optimierte Auslegung des Antriebssystems mit feststehender Drehzahl und Volumenstromregelung oder mit Drehzahlregelung über übliche Spannungs-/Frequenz-Kennliniensteuerung mit konstantem und weitgehendem Überdrehmoment des Motors im größten Teil des Drehzahlbereiches ist auch bei Einsatz verschiedener Anlaufentlastungseinrichtungen nicht möglich.
• Mit der Aufgabe der Erfindung wird gewährleistet, dass ein automatischer energieverbrauchsoptimierter Betrieb eines Schraubenverdichteraggregates mit einem ölüberflutetem Schraubenverdichter für alle Anwendungen in der Prozessgas-, Luft- und auch der Kältetechnik für Kälte-, Klima- oder auch für Wärmepumpenbetrieb möglich ist.
• Erfindungsgemäß wird eine Anordnung zur automatischen online-Optimierung des Energieverbrauchs für die jeweilige Istlast verwendet. Zunächst erfolgt über die Messung der Betriebsdrücke auf der Saug- und Enddruckseite des Schraubenverdichters die Erfassung des Druckverhältnisses und damit die Regelung des inneren Volumenverhältnisses des Schraubenverdichters. Parallel dazu erfolgt die Regelung der Förderleistung über die Drehzahl auf Grund der Regelgrößenabweichung zum Beispiel des Saugdruckes beim Betrieb des Schraubenverdichters in einer Kälteanlage. Dabei wird der Sollwert so in der Steuerung des Frequenzumrichters angepasst, dass er die erforderliche Magnetfeldstärke für die Istlast liefert. Als Kompromiss zwischen höchstmöglicher Energieeinsparung und den realen Applikationsanforderungen des Mindestdrehmomentes für das Anlauf-/Losbrechmoment der Arbeitsmaschine sowie zur Beschleunigung der rotierenden Baugruppen der Kraft- und Arbeitsmaschine – Rotoren, Kupplung und E-Motorenläufer – wird, damit der Asynchronmotor genügend robust ist, eine untere Grenzwertstrategie festgelegt. Die Einstellungen beruhen ausschließlich auf Daten, die in der Steuerung hinterlegt sind bzw. die über zum Beispiel Drehmomentgeber online bereitgestellt werden, so dass für diese Funktion keine zusätzlichen Abstimmungen oder Parameter notwendig sind. Im Gegensatz zum üblichen drehzahlgesteuerten Betrieb mit magnetischer Bemessungsfeldstärke verringert die Energieoptimierung die Verluste im Asynchronmotor und man spart dadurch Energie. Bei Anwendungen in Schraubenverdichteraggregaten mit ölüberfluteten Schraubenverdichtern bei unterschiedlichsten Betriebsbedingungen/Belastungen und Lastzyklen kann während des Betriebes mit geringeren Belastungen durch Reduzierung der Magnetfeldstärke Energie eingespart werden. An Hand der Kenntnis oder der online-Messung des Drehmoment-Drehzahl-Profiles der verschiedenen Schraubenverdichter mit verschiedenen festen inneren Volumenverhältnissen oder mit innerer Volumenverhältnisregelung können für die drehmomentveränderlichen Lasten zu den zugehörigen Drehzahlen Spannungs Frequenzeigenschaften in der Steuerung des Frequenzumrichters hinterlegt werden. Das durchschnittliche Einsparpotential für Schraubenverdichter-Antriebssysteme mit Frequenzumrichter und automatischer online Energieverbrauchsoptimierung und zugehörigem Asynchronmotor, beträgt bis 5% der Nennleistung beim Betrieb in Teillastbereichen.
• Als sehr wichtiger Nebeneffekt kann bis in niedrige Teillastbereiche der volumenverhältnisgeregelte Schraubenverdichter und der Asynchronmotor, bis zu mittleren Schaltfrequenzen, mit äußerst niedrigen Schwingungs-, Körperschall- und Luftschallemissionen betrieben werden.

Claims (3)

1. Anordnung zur automatischen online-Optimierung des Energieverbrauchs für die jeweilige Istlast in Schraubenverdichteraggregaten mit ölüberfluteten und inneren volumenverhältnisgeregelten Schraubenverdichtern mit Frequenzumrichtern und mit Elektro-Antriebsmotoren zur automatisierten Energieverbrauchsoptimierung und zur Schwingungs-, Körperschall-, und Luftschallemissionsminimierung, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzumrichter eine kombinierte Drehzahl/Drehmomentenregelung aufweist, die der hinterlegten berechneten oder gemessenen inneren volumenverhältnisoptimierten Drehzahl-Drehmomentencharakteristik entspricht oder die dem online ermittelten Ist-Drehmoment entspricht erhöht oder verringert mit einem Faktor der Regelabweichung in zusätzlicher Abhängigkeit vom momentanen Arbeitsdrehzahlbereich.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung der Förderleistung über die Drehzahl auf Grund der Regelgrößenabweichung des Verdampfungs-/Saugdruckes oder einer anderen Regelgröße – zum Beispiel einer Temperatur – der Sollwert so angepaßt wird, dass er die erforderliche zugeschnittene Magnetfeldstärke der Elektro-Antriebsmaschine für die Istlast liefert.
3. Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen höchstmöglicher Energieeinsparung und der realen Applikationsanforderung – ein Mindestdrehmoment für Start- und Beschleunigungsregime – für eine genügende Robustheit der E-Antriebsmaschine eine untere Grenzwertstrategie festgelegt wurde.