-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Fluidumpumpvorrichtung, wie eine Verdichtereinheit oder eine Pumpeneinheit.
-
Traditionell werden solche Fluidumpumpvorrichtungen von einem Antrieb angetrieben, entweder mit einer festen Drehzahl oder mit einer variablen Drehzahl.
-
Ein Antrieb mit fester Drehzahl ist billiger und einfacher zu implementieren als ein Antrieb mit variabler Drehzahl.
-
Ein Antrieb mit variabler Drehzahl hat jedoch eine Reihe von spezifischen Vorteilen.
-
Insbesondere können solche Antriebe mit variabler Drehzahl den Energieverbrauch z.B. der Verdichtereinheit reduzieren, da sie es ermöglichen, die Drehzahl an den unterschiedlichen Bedarf an Druckgas anzupassen. Auf diese Weise kann je nach Verdichtereinheit eine Verbrauchsreduzierung von bis zu 35% und noch mehr erreicht werden.
-
Obwohl ein Antrieb mit variabler Drehzahl wichtige Vorteile hat, ist er mit zusätzlichen Kosten und Komplexität verbunden, da ein Frequenzumrichter vorhanden ist, der einen bestimmten Leistungsverlust verursachen kann.
-
Aus diesem Grund wird oft ein Antrieb mit fester Drehzahl gewählt.
-
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, mindestens einen der oben genannten und/oder anderen Nachteile zu beheben, indem sie eine Fluidumpumpvorrichtung bereitstellt, wobei die Leistungsverluste und die Kosten des Frequenzumrichters drastisch reduziert werden können.
-
Zu diesem Zweck betrifft die vorliegende Erfindung eine Fluidumpumpvorrichtung nach Anspruch 1.
-
Nach der Erfindung beinhaltet eine solche Fluidumpumpvorrichtung sozusagen eine Kombination aus einem Motor mit fester Drehzahl und einem Motor mit variabler Drehzahl.
-
Die direkt mit der Festfrequenzstromversorgung verbundene Wicklung sendet vorzugsweise eine bestimmte Leistung Pgrid an den Rotor des Antriebs, während die mit dem Frequenzumrichter verbundene Wicklung eine variable Leistung Pcontrol an den Rotor sendet, wobei zunächst Pcontrol gleich Pgrid multipliziert mit dem Verhältnis der variablen Frequenz des Frequenzumrichters und der Festfrequenz ist.
-
Die beiden oben genannten Leistungen Pcontrol und Pgrid werden zur Gesamtleistung addiert.
-
Die maximale Drehzahl des Rotors hängt von dieser Endgesamtleistung ab, wobei das Verhältnis der Drehmomente der verschiedenen Wicklungen konstant bleibt.
-
Der Rotor kann mit der oben genannten Fluidumpumpe gekoppelt werden oder als Antriebswelle dieser Fluidumpumpe dienen.
-
Da die mit der Festfrequenzstromversorgung verbundene Wicklung immer eine konstante Frequenzleistung an den Rotor abgibt und damit einen konstanten Anteil an der Gesamtdrehzahl hat, kann dies als Festfrequenzmotor betrachtet werden.
-
Die Festfrequenzstromversorgung ist beispielsweise, aber nicht notwendigerweise, ein Stromnetz.
-
Andererseits stellt die mit dem Frequenzumrichter verbundene Wicklung einen variablen Teil der Gesamtdrehzahl dar, so dass sie als Motor mit variabler Drehzahl betrachtet werden kann.
-
Auf diese Weise ermöglicht eine Fluidumpumpvorrichtung nach der Erfindung das Prinzip der Kombination eines Motors mit fester Drehzahl mit einem Motor mit variabler Drehzahl, um eine Fluidumpumpe wie einen Verdichter oder eine Pumpe anzutreiben.
-
Der Hauptvorteil besteht darin, dass der Frequenzumrichter kleiner und damit kostengünstiger ist, als wenn die volle Leistung ausschließlich vom Frequenzumrichter geliefert würde.
-
Schließlich enthält der Stator bei einem konventionellen Antrieb mit Rotor und Stator nur eine Wicklung, die über den Frequenzumrichter mit dem Stromnetz verbunden ist. Der Frequenzumrichter muss die Leistung über den gesamten Leistungsbereich des Antriebs umwandeln können, um den Rotor über den gesamten Drehzahlbereich steuern zu können.
-
So muss beispielsweise bei einer Fluidumpumpvorrichtung nach der Erfindung der Frequenzumrichter über einen Bereich von nur 50% der Gesamtleistung einstellbar sein, um den vollen Drehzahlbereich zu erreichen, wenn es sich um einen bidirektionalen Frequenzumrichter handelt.
-
So liefert beispielsweise die direkt mit dem Stromnetz verbundene Wicklung eine konstante Leistung von 50% der gesamten maximalen Leistung. Die andere Wicklung hat eine variable oder einstellbare Leistung bis zu 50% der gesamten maximalen Leistung. Der Frequenzumrichter braucht daher nur einen Bereich von der Hälfte des klassischen Frequenzumrichters aufweisen.
-
Wenn der Frequenzumrichter auch ein regenerativer Frequenzumrichter ist, kann er „negative Leistung“ liefern oder Leistung aufnehmen und wieder ins Netz einspeisen.
-
Die vorgenannte andere Wicklung kann daher eine variable oder einstellbare Leistung von -50% bis +50% liefern, so dass die Summe der Leistung beider Wicklungen von 0 bis 100% der Gesamtleistung variiert.
-
Durch die Halbierung des Regelbereichs des Frequenzumrichters wird beispielsweise auch der Einstandspreis stark reduziert. Das bedeutet auch, dass die Leistungsverluste geringer ausfallen werden.
-
Es wird aber auch möglich sein, einen Antrieb zu realisieren, bei dem die Leistung des Rotors in einem begrenzteren Regelbereich variieren kann, zum Beispiel zwischen 30% und 100%.
-
Das heißt, während ein herkömmlicher Frequenzumrichter immer von 0 bis zur maximalen Leistung oder Drehzahl einstellbar ist, hat der Antrieb in dieser Ausführungsform nach der Erfindung eine einstellbare Leistung oder Drehzahl von einem bestimmten Minimum bis zur maximalen Leistung oder Drehzahl, wobei dieses Minimum größer als Null ist, so dass beispielsweise ein Bereich, in dem die Leistung oder Drehzahl einstellbar ist, von 30% bis 100% möglich ist.
-
Nach der Erfindung kann dies beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Wicklung direkt mit der Festfrequenzstromversorgung verbunden ist und eine konstante Leistung von 65 % der gesamten maximalen Leistung liefert und die Leistung der anderen Wicklung, die mit dem Frequenzumrichter verbunden ist, durch Steuerung der Frequenz, von -35 % bis +35 % der gesamten maximalen Leistung variiert wird. Die Kombination beider Wicklungen führt dann zu einer möglichen Variation der Leistung und damit der Geschwindigkeit von 30% bis 100% der gesamten maximalen Leistung oder Geschwindigkeit.
-
In diesem Fall sollte der Frequenzumrichter eine Variation von nur 35% ermöglichen.
-
Dieser engere Bereich hat keine Nachteile gegenüber einem Regelbereich zwischen 0% und 100%.
-
Schließlich benötigen Verbraucher oft keine variable Drehzahl über den gesamten Betriebsbereich.
-
Unterhalb einer bestimmten Mindestdrehzahl verhält sich beispielsweise eine Verdichtervorrichtung mit einem Antrieb mit variabler Drehzahl wie ein lade-/entladegeregelter Verdichter, da der Wirkungsgrad der Verdichteranlage bei niedriger Drehzahl abnimmt. In diesem Fall wird die Verdichteranlage zwischen zwei Druckeinstellpunkten betrieben.
-
Daher ist es in diesem Fall eine einstellbare Drehzahl unter 30% der maximalen Drehzahl nicht erforderlich, und ist eine einstellbare Drehzahl im Bereich zwischen 30% und 100% ist in der Praxis ausreichend.
-
Gemäß der Erfindung ist die Fluidumpumpeinheit mit einem Regler ausgestattet, die mit einem Sensor und dem vorgenannten Frequenzumrichter verbunden ist; und umfasst der vorgenannte Regler einen Algorithmus zum Steuern des Verdichterelements auf der Grundlage einer Messung des vorgenannten Sensors.
-
Der vorgenannte Sensor ist nach der Erfindung ein Drucksensor, der konfiguriert ist, um den Druck des Fluidums stromabwärts des Fluidumpumpenelements und stromabwärts des Auslasses des Fluidumpumpenelements zu messen.
-
Der vorgenannte Algorithmus ist konfiguriert um den vorgenannten Druck des Fluids stromabwärts des Fluidpumpenelements:
- - auf einen Sollwert zu regeln; oder
- - innerhalb eines gegebenen Druckbereichs zu halten, der durch eine Ober- und Untergrenze des entsprechenden Fluiddrucks definiert ist, z.B. den Druck in einem Behälter, der mit dem Auslass des obengenannten Fluidpumpenelements verbunden ist.
-
Um die Eigenschaften der Erfindung besser darzustellen, werden im Folgenden als Beispiel ohne einschränkenden Charakter einige bevorzugte Ausführungsformen einer Fluidumpumpvorrichtung mit variabler Drehzahl gemäß der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
- schematisch eine Fluidumpumpe gemäß der Erfindung zeigt;
- schematisch einen Antrieb einer Fluidumpumpvorrichtung gemäß der Erfindung zeigt.
-
Die in schematisch dargestellte Fluidumpumpe betrifft eine Verdichtereinheit 1, die hauptsächlich ein Verdichterelement 2 umfasst, das von einem Antriebt 3 angetrieben wird.
-
Dieses Verdichterelement 2 ist in diesem Fall ein Schraubenverdichterelement, aber dies ist für die Erfindung nicht notwendig. Es kann auch ein Kolbenverdichter oder ein Scrollverdichter sein.
-
Das Verdichterelement 2 ist mit einem Gehäuse 4 mit einem Einlass 5 zum Ansaugen von Gas und einem Auslass 6 für Druckgas ausgestattet.
-
Im Gehäuse 4 sind in diesem Fall zwei Schraubenrotoren 7 drehbar montiert; wobei in diesem Beispiel jeder Rotor 7 eine Achse 8 umfasst, und wobei die Achsen 8 im Gehäuse 4 montiert sind.
-
In diesem Beispiel fährt eine der Achsen 8 durch das Gehäuse 4 zum Antrieb 3. In diesem Fall ist die Achse 8 die angetriebene Welle 9 des Verdichterelements 2.
-
Der Antrieb 3 besteht im Wesentlichen aus einem Rotor 10 und mindestens einem Stator 11, wie in dargestellt.
-
In diesem Fall dient der Rotor 10 als angetriebene Welle 9, d.h. ein verlängerter Abschnitt des Rotors 10 bildet die angetriebene Welle 9, aber es ist auch möglich, dass der Rotor 10 oder ein verlängerter Abschnitt des Rotors 10 direkt oder indirekt über Zahnräder oder eine andere Form der mechanischen Kupplung mit der angetriebenen Welle 9 verbunden ist.
-
Neben dem Rotor 10 und mindestens einem Stator 11 umfasst der Antrieb 6 in diesem Fall zwei Wicklungen 12 und 13.
-
In diesem Fall, aber nicht unbedingt, sind die beiden Wicklungen 12 und 13 auf einem Stator 11 montiert und ist der Rotor 10 frei von Wicklungen.
-
Es ist nicht ausgeschlossen, dass es zwei Statoren 11 gibt und dass jeder Stator 11 eine oder mindestens eine Wicklung 12 oder 13 aufweist.
-
In diesem Beispiel ist der Rotor 10 ebenfalls aus einem Material mit geringer magnetischer Reluktanz, wie beispielsweise Eisen, hergestellt.
-
Es ist auch möglich, dass eine oder mindestens eine Wicklung 12 oder 13 am Rotor 10 und eine oder mindestens eine Wicklung am Stator 11 montiert ist.
-
Es ist auch möglich, dass in einer solchen Anordnung der Rotor 10 mit Permanentmagneten ausgestattet ist oder teilweise aus Kupfer, Aluminium oder einem anderen elektrisch leitfähigen Material hergestellt ist.
-
Nach der Erfindung ist eine Wicklung 12 direkt an ein Festfrequenzstromversorgung angeschlossen, z.B. ein Stromnetz 14 und eine Wicklung 13 an einen Frequenzumrichter 15, der wiederum an das Stromnetz 14 angeschlossen sein kann.
-
Der Frequenzumrichter 15 stellt sicher, dass die von der entsprechenden Wicklung 13 dem Rotor 10 zugeführte Leistung variiert werden kann.
-
Der Frequenzumrichter 15 ist vorzugsweise, aber nicht unbedingt, ein regenerativer Frequenzumrichter 15, d.h. er ermöglicht auch die Rückführung von Strom in das Stromnetz 14.
-
Darüber hinaus ist der Antrieb 3 vorzugsweise ein bürstenloser Antrieb, ohne Kohlebürsten oder Schleifringe. Dies hat den Vorteil, dass der Antrieb 3 sehr zuverlässig ist und nur minimale Wartung erfordert.
-
Neben dem Verdichterelement 2 und dem Antrieb 3 kann die Verdichtereinheit 1 auch mit einem Ölkreislauf zum Einspritzen von Öl oder einer anderen Flüssigkeit in das Verdichterelement 2 oder den Antrieb 3 zum Kühlen und/oder Schmieren versehen sein.
-
Die Verdichtereinheit 1 kann auch mit einem Flüssigkeitsabscheider, einem Druckbehälter, einem oder mehreren Sensoren, wie Druck- oder Temperatursensoren und/oder anderen Peripheriegeräten ausgestattet sein.
-
In diesem Fall ist die Verdichtereinheit 1 mit einem Druckbehälter 16, zu dem der Auslass 6 öffnet, und einem Drucksensor 17 versehen, der konfiguriert ist, um den Druck p des Fluidums stromabwärts des Fluidumpumpenelements, in diesem Fall den Druck im Druckbehälter, zu messen.
-
Es ist nicht ausgeschlossen, dass sich der Drucksensor 17 am Auslass 6 des Verdichterelements 2 befindet.
-
Der Drucksensor 17 ist mit einem Regler 18 verbunden, der wiederum mit dem vorgenannten Antrieb 3 verbunden ist, so dass das Signal vom Drucksensor 17 zum Regler 18 geht, der darauf basierend den Antrieb 3 steuern kann.
-
So ist beispielsweise, aber nicht unbedingt, der Regler 18 ein PID-Regler.
-
Die Bedienung der Fluidumpumpvorrichtung 1 gemäß der Erfindung ist sehr einfach und wie folgt.
-
Während des Betriebs der Fluidumpumpvorrichtung, in diesem Fall der Verdichtereinheit 1, treibt der Antrieb 3 das Fluidumpumpenelement (hier in Form des Verdichterelements 2) an, wobei die Schraubenrotoren 7 drehen und das über den Einlass 5 angesaugte Gas auf bekannter Weise verdichten. Das Druckgas verlässt das Verdichterelement 2 durch den Auslass 6.
-
Die Drehung des Rotors 10 des Antriebs 3 wird über die angetriebene Welle 9 auf das Verdichterelement 2 übertragen.
-
Die Drehzahl des Rotors 10 wird durch die dem Rotor 10 von beiden Wicklungen 12 und 13 zugeführte Leistung bestimmt.
-
Die Wicklung 12 liefert eine Leistung Pgrid an den Rotor 10. Diese Leistung Pgrid ist konstant, insoweit die Belastung des Verdichterelements konstant ist.
-
Die Wicklung 13 liefert dem Rotor 10, der durch den Frequenzumrichter 15 gesteuert wird, eine variable Leistung Pcontrol.
-
In diesem Fall, aber nicht unbedingt nach der Erfindung, liefert die Wicklung 13 auch eine „negative“ Leistung, d.h. die Leistung kann zurück in das Stromnetz 14 eingespeist werden.
-
Die Summe der beiden Leistungen Pgrid + Pcontrol stellt die Gesamtleistung P des Rotors 10 dar, die wiederum ein Maß für die Drehzahl des Rotors 10 ist.
-
Es ist klar, dass indem von Wicklung 12 fünfzig Prozent der gesamten maximalen Leistung erbracht wird und indem Wicklung 13 über einen Bereich von -50% bis +50% der gesamten maximalen Leistung einstellbar gemacht wird, ein Regelbereich von 0% bis 100% der gesamten maximalen Leistung des Antriebs 3 möglich ist.
-
Das bedeutet, dass die Drehzahl des Rotors 10 von 0% bis 100% der maximalen Drehzahl variiert werden kann.
-
Die Steuerung der Frequenz der Spannung über der Wicklung 13, oder damit die Steuerung durch den Frequenzumrichter 15, erfolgt über den Regler 18, der zu diesem Zweck mit dem obengenannten Frequenzumrichter 15 verbunden ist.
-
Basierend auf der Messung des Drucksensors 17 steuert der Regler 18 den Frequenzumrichter 15 so, dass die Leistung, die diese Wicklung 13 an den Rotor 10 abgibt, und damit die Drehzahl des Rotors 10, zu- oder abnimmt, so dass ein gewünschter Druck im Druckbehälter 16 erreicht wird.
-
Alternativ kann der Regler 18 auch den Frequenzumrichter 15 so steuern, dass der Druck im Druckbehälter 16 innerhalb eines bestimmten Druckbereichs bleibt, der durch einen unteren und einen oberen Grenzwert des Drucks im Druckbehälter 16 definiert ist.
-
Obwohl sich die oben beschriebenen und in den Abbildungen dargestellten Beispiele und Ausführungsformen im Allgemeinen auf eine Verdichtereinheit 1 beziehen, ist es nicht ausgeschlossen, dass es sich bei der Fluidumpumpvorrichtung um eine Pumpeinheit, zum Beispiel eine Flüssigkeitspumpeinheit, handelt.
-
Nach der Erfindung ist der Antrieb 3 auch zur Anwendung in solchen Pumpvorrichtungen geeignet.
-
Die vorliegende Erfindung ist keineswegs auf die als Beispiele beschriebenen und in den Abbildungen dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern eine Fluidumpumpvorrichtung nach der Erfindung kann in allen Formen und Größen realisiert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten.
