DE202005001746U1

DE202005001746U1 - Vorrichtung zum Steuern einer Strömungsarbeitsmaschine

Info

Publication number: DE202005001746U1
Application number: DE202005001746U
Authority: DE
Original assignee: Nash Elmo Industries GmbH
Current assignee: Gardner Denver Elmo Technology GmbH
Priority date: 2004-08-20
Filing date: 2005-02-04
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2015-02-05

Abstract

Vorrichtung zum Steuern einer Strömungsarbeitsmaschine (6),
– mit einer Prozessoreinrichtung (12) zur Ansteuerung einer Motor-Strömungsarbeitsmaschinen-Anlage (4),
– mit einem Speicherbaustein (14), in dem ein mathematisches Modell (14a, 14b) des Motors (8) und der Strömungsarbeitsmaschinen (6) hinterlegt ist, das anhand typspezifischer Betriebsparameter (19) des Motors (8) und der Strömungsarbeitsmaschine (6) einen Istwert (20) erzeugt, und
– mit einem Reglerbaustein (16), der anhand des Istwertes (20) und eines Referenzwertes (21) einen Stellwert (23) erzeugt, der sowohl einem Steuerbaustein (18) als auch einer Steuereinrichtung (10) zugeführt ist, wobei der Steuerbaustein (18) anhand des Stellwertes (23) eine dem Speicherbaustein (14) zugeführte Steuergröße (22A) erzeugt, und wobei die Steuereinrichtung (10) anhand des Stellwertes (23) eine der Motor-Strömungsarbeitsmaschinen-Einheit (8, 6) zugeführte Steuergröße (22B) erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft auf eine Vorrichtung zum Steuern einer motorisch angetriebenen Strömungsarbeitsmaschine, wie beispielsweise einer Pumpe oder eines Verdichters, insbesondere eines Seitenkanalverdichters.
Zur Druck- und Volumenstromregelung eines von der Strömungsarbeitsmaschine geförderten Mediums dient häufig ein an die Strömungsarbeitsmaschine gekoppelter Elektromotor mit verstellbarer Motordrehzahl. Dazu weist die im folgenden als Motor-Strömungsarbeitsmaschinen-Einheit bezeichnete Kopplung von Elektromotor und Strömungsarbeitsmaschine eine Prozessregelung auf, mittels der der gewünschte Druck- und/oder Volumenstrom über die Drehzahl am Elektromotor eingestellt wird.
In klassischer Ausführung umfasst die Prozessregelung eine Sensorik mit einzelnen Messsensoren, die in bestimmten Zeitabständen an der Strömungsarbeitsmaschine und/oder an dem an die Strömungsarbeitsmaschine angeschlossenen System unterschiedliche Regelgrößen, wie beispielsweise Druck, Volumenstrom oder Strömungsgeschwindigkeit, messen. Die jeweilige Regelgröße wird in ein elektrisches Signal umgewandelt und einem Regler zum Vergleich mit einem vorgegebenen Sollwert zugeführt. Der Regler stellt einem Stellglied zur Regulierung der Drehzahl des Motors eine Stellgröße zur Verfügung. Diese Art der Prozessregelung ist jedoch insbesondere in Bezug auf die Messgenauigkeit der durch die einzelnen Sensoren ermittelten Messwerte besonders aufwendig.
In der DE 196 30 384 A1 ist eine weitere Möglichkeit zur Druck- und Volumenstromregelung an einer Anlage mit einer von einem Elektromotor angetriebenen Strömungsarbeitsmaschine vorgeschlagen. Darin ist die Ansteuerung einer Strömungsarbeitsmaschine, beispielsweise eines Verdichters oder einer Pumpe, beschrieben, die nach Art einer Kennlinienfeld-Regelung arbeitet. Dazu ist in einem in der Anlage vorgesehenen Speicherelement eine charakteristische Kurve mit einem Zusammenhang zweier einen Frequenzumrichter zur Einstellung einer Motordrehzahl betreffenden Parameter gespeichert. Wenn die charakteristische Kurve den Zusammenhang zwischen Strom und Frequenz für den Frequenzumrichter darstellt, ist es erforderlich, den Strom innerhalb des Frequenzumrichters oder hinter dessen Wechselrichter zu messen.
Auch diese Prozessregelung ist eine Regelung mit Sensorik, für die eine Strommessung zur Ermittlung anlagenspezifischer Parameter über hinterlegte Kenn- oder Kennlinienfelder erforderlich ist. Bezüglich der Motor-Strömungsarbeitsmaschinen-Einheit ist diese Kennfeld-Regelung zudem nur anlagen- und typspezifisch anwendbar. Bei Einsatz verschiedener Bautypen der Strömungsarbeitsmaschine mit elektrischer Antriebstechnik, beispielsweise ein mittels Frequenzumrichter drehzahlgesteuerter Drehstromasynchronmotor, ist daher die Verwendung einer solchen Kennfeld-Regelung äußerst aufwendig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders vielseitig einsetzbare und insbesondere einfache Vorrichtung zur Steuerung oder Regelung einer Strömungsarbeitsmaschine anzugeben.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der hierauf rückbezogenen Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine Druck- und Volumenstromregelung oder -steuerung eines Anlagenprozesses mit prozessorgestützen Software-Modellen einer mittels eines Elektromotors angetriebenen Strömungsarbeitsmaschine, insbesondere eines Kompressors oder einer Vakuumpumpe. Dazu umfasst die Vorrichtung eine Prozessoreinrichtung zur Ansteuerung einer Motor-Strömungsarbeitsmaschinen-Anlage oder -Einheit sowie zusätzlich zu einem Speicherbaustein auch einen Reglerbaustein und einen Steuerbaustein. In dem Speicherbaustein ist ein mathematisches Modell des Motors und der Strö mungsarbeitsmaschine und hinterlegt. Mittels des mathematischen Modells bzw. der mathematischen Modelle wird anhand von vorgegebenen typspezifischen Betriebsparametern der jeweils in der Anlage eingesetzten Strömungsarbeitsmaschine und des Motors ein Istwert errechnet. Dieser Istwert wird als Istwertsignal dem Reglerbaustein zugeführt. Der Reglerbaustein vergleicht den Istwert mit einem Referenzwert, der entweder fest vorgegeben ist oder während des Betriebes der Strömungsarbeitsmaschine dem gewünschten Prozessablauf angepasst ermittelt wird. Anhand des Vergleichs zwischen dem Istwert und dem Referenzwert ermittelt der Reglerbaustein einen Stellwert und führt diesen sowohl einem Steuerbaustein als auch einer Steuereinrichtung zu. Der mit dem Speicherbaustein gekoppelte Steuerbaustein erzeugt anhand des Stellwertes vom Reglerbaustein eine dem Speicherbaustein zugeführte Steuergröße.
Zum Steuern der Strömungsarbeitsmaschine wird mittels eines diese und eines die Strömungsarbeitsmaschine betreibenden Motors beschreibenden mathematischen Modells anhand einer Anzahl von typspezifischen Betriebsparameten der Strömungsarbeitsmaschine und des Motors ein Istwert errechnet wird, der mit einem Referenzwert zur Erzeugung eines Stellwertes verglichen wird. Dieser wird der Steuereinrichtung zur Ansteuerung eines Stellgliedes des Motors, insbesondere eines Stromrichters, z. B. eines Frequenzumrichters, und/oder der Strömungsarbeitsmaschine, insbesondere eines saug- oder druckseitigen Stellventils, einer saug- bzw. druckseitigen Drosselklappe und/oder eines Lüfter, zugeführt.
Der Speicherbaustein umfasst dabei – oder ist unterteilt in – ein Speichermodul mit dem mathematischen Modell des Motors und zweckmäßigerweise ein weiteres Speichermodul mit dem mathematischen Modell der Strömungsarbeitsmaschine. Zwischen den Speichermodulen ist eine Schnittstelle zur Übergabe mindestens einer motorspezifischen Größe, insbesondere der Drehzahl und/oder des Drehmomentes, vom mathematische Modell des Motors an das mathematische Modell der Strömungsarbeitsmaschine vorgesehen.
Im Gegensatz zum Steuerbaustein steuert die Steuereinrichtung eine reell aufgebaute Motor-Strömungsarbeitsmaschinen-Einheit an. Die Steuereinrichtung ist zweckmäßigerweise ein Stromrichter oder ein Stellglied, insbesondere ein elektromechanisches Stellglied, z. B. ein saug- und/oder druckseitiges Stellventil, eine saug- bzw. druckseitige Drosselklappe und/oder ein Lüfter der Strömungsarbeitsmaschine. Ist die Einheit als Zusammenschaltung beispielsweise eines Drehstromasynchronmotors mit einem Seitenkanalverdichter als Strömungsarbeitsmaschine in einer Anlage mit gesteuertem oder geregeltem Anlagenprozess realisiert, so ist die Steuereinrichtung zweckmäßigerweise als Frequenzumrichter ausgeführt. Diesem Frequenzumrichter wird von der Prozessoreinrichtung, d. h. von dem Reglerbaustein der Stellwert zugeführt. Darauffolgend erzeugt der Frequenzumrichter eine Steuergröße in Abhängigkeit des Stellwertes. Mit dieser Steuergröße steuert die Steuereinrichtung den Motor an, der wiederum die Strömungsarbeitsmaschine antreibt.
Diese Steuergröße beinhaltet zweckmäßigerweise eine Änderung sowohl einer Ständerfrequenz als auch einer Ständerspannung des Drehstromasynchronmotors zur Veränderung der Motordrehzahl, z. B. nach dem Verfahren der U/f-Steuerung, mittels des Stromrichters bzw. Frequenzumrichters. Durch die Veränderung der Motordrehzahl wird der Druck und/oder der Volumenstrom des mittels der Strömungsarbeitsmaschine transportierten Mediums eingestellt.
In zweckmäßiger Weiterbildung beinhaltet der Reglerbaustein in der Prozessoreinrichtung einen reglerspezifischen Algorithmus, mit dem der Stellwert aus dem Vergleich des Referenzwertes mit dem Istwert ermittelt wird. Der Einsatz eines durch Software realisierten und den Regelalgorithmus anwendenden Programmes ist einem mittels Hardware realisierten Regler vorzuziehen, da durch Abänderung des Regelalgorithmus auf Softwarebasis besonders einfach und kostengünstig unterschiedliche Typen von Reglern einsetzbar sind.
Zum Steuern der Strömungsarbeitsmaschine erfolgt die Errechnung des Istwertes mittels des mathematischen Modells der Strömungsarbeitsmaschine und des die se betreibenden Motors anhand einer Anzahl von typspezifischen Betriebsparameten der Strömungsarbeitsmaschine und des Motors. Durch Vergleich des Istwertes mit dem Referenzwert wird ein Stellwert erzeugt, der der Steuereinrichtung zur Ansteuerung des Motors zugeführt wird.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die Regulierung des Druckes und/oder des Volumenstromes des von einer Strömungsarbeitsmaschine geförderten Mediums sowohl ohne Sensorik als auch ohne Kennfeld-Regelung anhand lediglich einer Anzahl von ein Verhalten eines spezifischen Typs einer Strömungsarbeitsmaschine beschreibenden Kenngrößen oder Betriebsparametern erfolgt. Das mathematische Modell für die Motor-Strömungsarbeitsmaschinen-Einheit beschreibt vorteilhafterweise Istwerte, die den Zusammenhang zwischen Eingangsgrößen des Motors und Ausgangsgrößen der Strömungsarbeitsmaschine kennzeichnen. Eingangsgrößen des Motors sind beispielsweise die Ständerfrequenz oder der Ständerspannung Motors, während Ausgangsgrößen der Strömungsarbeitsmaschine beispielsweise eine Gastemperatur, ein Differenzdruck oder ein Volumenstrom sind.
Das mathematische Modell ist unabhängig von den in einem System oder in einer Anlage vorgesehenen Typen des Motors und der Strömungsarbeitsmaschine, also typunabhängig. Erst durch die dem mathematischen Modell zugeführten Betriebsparameter, die kennzeichnend für die Typen des Motors und der Strömungsarbeitsmaschine sind, wird das mathematische Modell typspezifisch.
Der Einsatz einer Prozessoreinrichtung mit einem mathematischen Modell der Motor-Strömungsarbeitsmaschinen-Einheit ist durch die vielseitige und typunabhängige Anwendungsmöglichkeit des mathematischen Modells besonders kostengünstig. Zudem ist die Prozessoreinrichung, in deren Speicherbaustein das mathematische Modell hinterlegt ist, schon aufgrund der Vermeidung des Einsatzes einer komplexen und reparaturanfälligen Sensorik vergleichsweise wartungsarm.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 schematisch eine Motor-Strömungsarbeitsmaschinen-Einheit und eine diese ansteuernde Prozessoreinrichtung,
2 ein schematische Darstellung der Prozessoreinrichtung nach 1 zur Erzeugung eines Stellwertes zur Ansteuerung der Motor-Strömungsarbeitsmaschinen-Einheit,
3 ein Funktionsschema eines Frequenzumrichters, dem der Stellwert der Prozessoreinrichtung gemäß 2 zur Einstellung einer Motordrehzahl zugeführt ist.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in schematischer Darstellung eine Strömungsarbeitsmaschine 6, die von einem Motor 8 angetrieben wird. Die Strömungsarbeitsmaschine 6 stellt beispielsweise einen Kompressor oder eine Vakuumpumpe dar, die in eine Anlage 4 integriert ist und beispielsweise zur Förderung eines Mediums dient, das mittels durch Rohrleitungen mit druck- und saugseitigen Stellgliedern 3, 5 gefördert werden. Die erforderliche Leistung der Strömungsarbeitsmaschine 6 ist nicht nur von der Kompressibilität des Mediums, z. b. Luft, sondern auch vom Druckverlust und vom Luftvolumenstrom innerhalb der Anlage 4 abhängig. Die steuerbaren Stellglieder oder Stelleinrichtungen 3, 5 können Stellventile oder Drosselklappen sein. Der Strömungsarbeitsmaschine 6 ist ein ansteuerbarer Lüfter 7 zugeordnet.
Zur Regulierung der Leistung der Strömungsarbeitsmaschine 6 und um einen besonders Material schonenden Förderprozess zu erreichen, ist es zweckmäßig, den mit Wechsel- oder Drehstrom betriebenen Motor 8 mit einer Drehzahlregulierung auszustatten, durch die der Volumenstrom der Strömungsarbeitsmaschine 6 geregelt ist. Für den Betrieb der Strömungsarbeitsmaschine 6, beispielsweise eines Verdichters, wird in der Regel für den Motor 8 ein Drehstromasynchronmotor verwendet. Dieser Motor 8 entnimmt über einen Frequenzumrichter 10 aus einem Stromnetz elektrische Energie und wandelt diese in mechanische Energie um. Über den Frequenzumrichter 10 wird die Drehzahl am Motor 8 derart eingestellt, dass an der Strömungsarbeitsmaschine 6 der gewünschte Druck und/oder Volumenstrom des geförderten Mediums erzeugt wird. Dadurch, dass am Motor 8 die Drehzahl mittels des Frequenzumrichters 10 besonders einfach verstellbar ist, ist zur Regulierung des Druckes und/oder des Volumenstromes des von der Strömungsarbeitsmaschine 6 geförderten Mediums ein besonders geringer Energieaufwand im Vergleich zu einem mit konstanter Drehzahl betriebenen Motor erforderlich.
Die bei höherer Drehzahl des Motors 8 ansteigenden Drossel- und Reibungsverluste in der Strömungsarbeitsmaschine 6 werden insbesondere bei einem als Strömungsarbeitsmaschine eingesetzten Seitenkanalverdichter vermieden. Ein Seitenkanalverdichter wirkt als Strömungsarbeitsmaschine derart, dass dieser ein Gas ansaugt und den Druck durch eine Reihe von Verwirbelungen erhöht, die durch die Zentrifugalkraft im Seitenkanal des Seitenkanalverdichters erzeugt werden. Ein Seitenkanalverdichter ist sowohl als Druckerzeuger als auch für den Saugbetrieb geeignet. Dabei treten bei der Rotation des Laufrades im Seitenkanal, wodurch das Gas einen Über- und/oder Unterdruck erfährt, keine Reibungen auf. Deshalb ist die dem Seitenkanalverdichter zugeführte Energie im Gegensatz zu anderen Strömungsarbeitsmaschinen bei vergleichbarer Leistung besonders gering.
Zur Einstellung der Drehzahl am Motor 8 wird dem Frequenzumrichter 10 von einer Prozessoreinrichtung 12 ein Stellwert 23a zur Verfügung gestellt. Dazu umfasst die Prozessoreinrichtung 12 einen Speicherbaustein 14, einen Reglerbaustein 16 und einen Steuerbaustein 18, die miteinander einen Regelkreis bilden. Dabei ist in dem Speicherbaustein 12 ein mathematisches Modell der aus dem Motor 8 und der Strömungsarbeitsmaschine Motor 6 gebildeten Einheit hinterlegt. Dieses mathematische Modell beschreibt den Zusammenhang zwischen den Eingangsgrößen des Motors 8, beispielsweise der Ständerspannung U_st oder der Ständerfrequenz f_st des Drehstromasynchronmotors 8, und den Ausgangsgrößen der Strömungsarbeitsmaschine 6, beispielsweise dem Volumenstrom V oder der Gastemperatur T.
Zur Einstellung des über die Rohrleitungen der Anlage 4 geförderten Volumenstroms kann den Stellgliedern 3 und/oder 5 von der Prozessoreinrichtung 12 ein Stellwert 23b bzw. 23c zur Verfügung gestellt werden. Auch kann dem Lüfter 5 von der Prozessoreinrichtung 12 ein Stellwert 23d zur Verfügung gestellt werden. Durch kann die Strömungsarbeitsmaschine 6 gesteuert gekühlt und eine Überhitzung vermieden werden.
Das mathematische Modell für die Motor-Strömungsarbeitsmaschinen-Einheit 6, 8 ist einerseits unabhängig vom Typ der eingesetzten Strömungsarbeitsmaschine 6 und des Motors 8, andererseits aber wirkspezifisch. Dies bedeutet, dass beispielsweise für die pneumatische Förderung von Kunststoffgranulat mit einer Vakuumpumpe als Strömungsarbeitsmaschine 6 lediglich ein einziges mathematisches Modell unabhängig vom Typ und damit der Größe und der Leistungsfähigkeit der eingesetzten Vakuumpumpe erforderlich ist.
Der das mathematische Modell enthaltenden Prozessoreinrichtung 12 sind eingangsseitig Betriebsparameter 19 der Strömungsarbeitsmaschine 6 und des Motors 8 zugeführt. Diese dienen dazu, das mathematische Modell an den jeweiligen Typ der Strömungsarbeitsmaschine 6 und des Motors 8 anzupassen. Diese Betriebsparameter 19 umfassen Werte aus den technischen Daten, wie beispielsweise Abmessungen der Strömungsarbeitsmaschine 6.
Um die Strömungsarbeitsmaschine 6 in optimalem Betrieb zu fahren, errechnet die Prozessoreinrichtung 12 in gewünschtem Zeitabstand mittels des mathematischen Modells und den vorgegebenen Betriebsparametern 19 bestimmte Istwerte 20. Der jeweilige Istwert, der einer Ausgangsgröße der Motor-Strömungsarbeitsmaschinen-Einheit 8, 6 entspricht, beispielsweise einer Gastemperatur oder einem Volumenstrom an der Strömungsarbeitsmaschine 6, wird dem Regler baustein 16 als Istwertsignal 20 zugeführt. Der Reglerbaustein 16 vergleicht den jeweiligen Istwert mit einem vorgegebenen Referenzwert 21 (2), der beispielsweise als Parameterwert 19 der Prozessoreinrichtung 12 zugeführt wird. Aus dem Vergleich von Istwert 20 und Referenzwert 21 erzeugt der Reglerbaustein 16 einen Stellwert 23 und führt diesen einem Steuerbaustein 18 zu, der seinerseits anhand des Stellwertes 23 eine Steuergröße erzeugt. Die Steuergröße ist in der Prozessoreinrichtung 12 dem Speicherbaustein 14 als Steuersignal 22A eingangsseitig zugeführt. Des Weiteren wird der vom Reglerbaustein 16 in der Prozessoreinrichtung 12 erzeugte Stellwert 23 – wie in 1 gezeigt – zusätzlich dem Frequenzumrichter 10 zur Einstellung der Drehzahl des Motors 8, den Stellgliedern 3, 5 und/oder dem Lüfter 7 zugeführt. Der angesteuerte Frequenzumrichter 10 erzeugt eine Steuergröße 22B in Abhängigkeit des Stellwertes 23, die dem Motor 8 zugeführt wird.
Hierbei entspricht in der Prozessoreinrichtung 12 die Kopplung des Steuerbausteins 18 mit dem Speicherbaustein 14, in der das mathematische Modell der Motor-Strömungsarbeitsmaschinen-Einheit 6, 8 hinterlegt ist, der Kopplung des Frequenzumrichters 10 mit der Motor-Strömungsarbeitsmaschinen-Einheit 8, 6 des reell aufgebauten Systems 24.
Die Steuerung der im reell aufgebauten System 24 angeordneten Strömungsarbeitsmaschine 6 erfordert nach dem in 1 gezeigten Verfahren mit der Prozessoreinrichtung 12 lediglich die mathematische Simulation der Motor-Strömungsarbeitsmaschinen-Einheit 8, 6 mit Vorgabe von Parametern 19.
2 zeigt vergleichsweise detailliert die in 1 schematisch dargestellte Prozessoreinrichtung 12 mit Parametervorgabe 19. Dazu ist der Speicherbaustein 14, in dem das mathematische Modell der Motor-Strömungsarbeitsmaschinen-Einheit 6, 8 hinterlegt ist, in ein erstes, nachfolgend auch als erster Speicherbaustein bezeichnetes Speichermodul 14a und ein zweites, nachfolgend auch als zweiter Speicherbaustein bezeichnetes Speichermodul 14b unterteilt. Die Speichermodule 14a, 14b bilden wiederum mit dem Reglerbaustein 16 und dem Steuerbaustein 18 einen Regelkreis. Dabei ist dem zweiten Speicherbaustein oder -modul 14b, in dem das mathematische Modell der Strömungsarbeitsmaschine 6 hinterlegt ist, eingangsseitig eine Eingabevorrichtung 30 vorgeschaltet, über die Betriebsparameter 19, wie beispielsweise technische Daten für den Typ der Strömungsarbeitsmaschine 6 zugeführt werden. Dem ersten Speicherbaustein oder -modul 14a, in dem das mathematische Modell des Motors 8 hinterlegt, ist eingangsseitig eine Eingabevorrichtung 32 vorgeschaltet, über die dem Speicherbaustein 14a typspezifische Betriebsparameter 19 des Motors 8 zur Verfügung gestellt werden.
Eine weitere Eingabevorrichtung 34 ist sowohl eingangsseitig an den Reglerbaustein 16 als auch eingangsseitig an den Steuerbaustein 18 angeschlossen. Über die Eingabevorrichtung 34 ist dem Reglerbaustein 16 zum Vergleich mit dem jeweiligen Istwert 20 ein Referenzwert 21 vorgegeben. Der Reglerbaustein 16 beinhaltet einen Regleralgorithmus zur Erzeugung des Stellwertes 23. Da ein PID-Regler besonders vielseitig einsetzbar ist und in der Erzeugung des Stellwertes 23 eine besonders hohe Genauigkeit aufweist, entspricht der Regleralgorithmus zweckmäßigerweise dem des PID-Reglers.
Der in der Prozessoreinrichtung 12 angeordnete Steuerbaustein 18 entspricht dem im reellen Systems 24 angeordneten Stromrichter bzw. Frequenzumrichter 10. Demnach beinhaltet das von dem Steuerbaustein 18 an den Speicherbaustein 14a abgegebene Steuersignal 22B eine Information über die Ständerfrequenz fst und/oder Ständerspannung U_Netz zur Einstellung der Drehzahl am Motor 8. Der Speicherbaustein 14a übergibt Informationen über die Drehzahl und/oder das Drehmoment bzw. die Drehfrequenz der Motorwelle des Motors 6 an den Speicherbaustein 14b.
Wie nachfolgend anhand von 3 näher beschrieben ist, umfasst der Frequenzumrichter 10 eine Steuereinrichtung 42 zur Steuerung einzelner im Frequenzumrichter 10 angeordneter Bausteine. Dadurch können ein Anlaufen und der Betrieb des Motors 8 vergleichsweise Energie sparend gestaltet werden.
Die Veränderung der Drehzahl des Drehstromasynchronmotors 8 ist durch Veränderung einer Netzfrequenz mittels des Frequenzumrichters 10 durchführbar. Um dabei den Drehmomentenverlauf am Motor 8 nicht zu verändern, ist die Ständerspannung U_st zum Drehmomentenverlauf proportional verstellbar. Diese Art der Ansteuerung des Motors 8 durch den Frequenzumrichter 10 wird als U/f-Steuerung bezeichnet.
Ein in 3 schematisch dargestellter Frequenzumrichter 10 weist einen Gleichrichter 36, einen Spannungszwischenkreis 38 und einen Wechselrichter 40 auf. Des Weiteren umfasst der Frequenzumrichter 10 die Steuereinrichtung 42, die mittels eines Mikrokontrollers oder eines digitalen Signalprozessors realisiert ist. Weiterhin weist der Frequenzumrichter 10 unterschiedliche Schnittstellen 44 und eine Eingabevorrichtung 46 auf. Zur Eingabe von Steuerungsparametern für die U/f-Steuerung des Motors 8 durch den Frequenzumrichter 10 dient die Eingabevorrichtung 46, die in 2 als Eingabevorrichtung 34 abgebildet ist. Die Steuereinrichtung 42 dient der Überwachung und Steuerung aller Bausteine im Frequenzumrichter 10.
Der Frequenzumrichter 10 ist eingangsseitig an das Wechselstromnetz 48 mit der Spannung U_Netz und der Netzfrequenz f_Netz angeschlossen. Nach Gleichrichtung der Wechselspannung U_Netz in eine Gleichspannung U_ZK wird diese dem Gleichspannungszwischenkreis 38 zugeführt. Der Gleichspannungs-Zwischenkreis 38 entkoppelt zum einen den Eingangsgleichrichter 36 vom Wechselgleichrichter 40 und dient zum anderen als Energiepuffer und Filter. Abhängig von dem durch den Reglerbaustein 16 erzeugten und dem Frequenzumrichter 10 zugeführten Stellwert 23 steuert die Steuereinrichtung 42 den Wechselrichter 40 derart an, dass der Wechselrichter 40 die Gleichspannung U_ZK zur Erzeugung der gewünschten Ständerfrequenz fst wechselrichtet und ausgangsseitig 50 dem Motor 8 zuführt.
Der Einsatz einer Strömungsarbeitsmaschinen 6, insbesondere eines Verdichters, eines Kompressors oder einer Pumpe, in besonders viele Bereichen der Antriebstechnik zur Förderung von beispielsweise Gasen oder Flüssigkeiten, erfor dert ein besonders vielseitig einsetzbares Steuersystem zur Ansteuerung der Strömungsarbeitsmaschine 6. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern einer Strömungsarbeitsmaschine 6 mit einem mathematischen Modell, mit welchem eine Motor-Strömungsarbeitsmaschinen-Einheit 6, 8 in einer Prozessoreinrichtung 12 simuliert ist, ist ein aufgrund der vielseitigen Anwendbarkeit des Verfahrens besonders kostengünstiges, vom Typ der Strömungsarbeitsmaschine 6 und des Motors 8 unabhängiges System bereitgestellt.

Claims

Vorrichtung zum Steuern einer Strömungsarbeitsmaschine (6), – mit einer Prozessoreinrichtung (12) zur Ansteuerung einer Motor-Strömungsarbeitsmaschinen-Anlage (4), – mit einem Speicherbaustein (14), in dem ein mathematisches Modell (14a, 14b) des Motors (8) und der Strömungsarbeitsmaschinen (6) hinterlegt ist, das anhand typspezifischer Betriebsparameter (19) des Motors (8) und der Strömungsarbeitsmaschine (6) einen Istwert (20) erzeugt, und – mit einem Reglerbaustein (16), der anhand des Istwertes (20) und eines Referenzwertes (21) einen Stellwert (23) erzeugt, der sowohl einem Steuerbaustein (18) als auch einer Steuereinrichtung (10) zugeführt ist, wobei der Steuerbaustein (18) anhand des Stellwertes (23) eine dem Speicherbaustein (14) zugeführte Steuergröße (22A) erzeugt, und wobei die Steuereinrichtung (10) anhand des Stellwertes (23) eine der Motor-Strömungsarbeitsmaschinen-Einheit (8, 6) zugeführte Steuergröße (22B) erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, mit einer Schnittstelle zur Übergabe mindestens einer motorspezifischen Größe zwischen einem das mathematische Modell des Motors (8) enthaltenden ersten Speichermodul (14a) und einem das mathematische Modell der Strömungsarbeitsmaschine (6) enthaltenden zweiten Speichermodul (14b).
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Reglerbaustein (16) zur Erzeugung des Stellwertes (23) einen Regleralgorithmus für einen PID-Regler umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuereinrichtung (10) zur Einstellung der Drehzahl des Motors (8) die Ständerspannung (U_st) und/oder die Ständerfrequenz (f_st) des Motors (8) in Abhängigkeit vom Stellwert (23) einstellt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Steuerbaustein (18) ein Stromrichter, insbesondere Frequenzumrichter, ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der als Strömungsarbeitsmaschine (6) ein Seitenkanalverdichter vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem Ansprüche 1 bis 6, bei der der Motor (8) ein Elektromotor, insbesondere ein Asynchronmotor, ist.