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Verfahren zur Steuerung des Betriebs
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eines Verdichters Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung
des Betriebs eines insbesondere elektromotorisch angetriebenen Verdichters nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei diesem gattungsgemäßen Verfahren bedeutet Entlastungsbetrieb des
Verdichters eine Betriebsart, bei der der Verdichter auf Leerlauf geschaltet oder
von dem Antrieb abgekuppelt ist. Ein Verfahren nach der eingangs genannten Gattung
läßt sich als eine der in der DE-OS 26 18 440 miteinander gekoppelten Betriebsarten
ableiten. Die betreffende bekannte Betriebsart weist einmal den Nachteil auf, daß
auch bei noch so niedrigem Luftverbrauch ein Abschalten des Antriebs aus dem Entlastungdbetrieb
heraus nach Überschreiten eines vorgegebenen Druckmaximums immer erst dann möglich
ist, wenn gerechnet ab dem Zeitpunkt dieses überschreitens der zur Einhaltung der
begrenzten Schalthäufigkeit erforderliche Zeitraum, in dem keine zwei aufeinander
folgenden Schaltungen erfolgen dürfen, abgelaufen ist. Zum anderen ist eine Änderung
des Druckverlaufs nur zwischen vorbestimmten Druckwerten innerhalb relativ großer
Zeitabschnitte möglich.
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Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Verbrauchsmenge
bzw. die Druckabfallgeschwindigkeit über den Verlauf der Druckkurve möglichst frühzeitig
nach Überschreiten des Druckmaximums zu erfassen, um gegebenenfalls so
schnell
wie möglich auf den im Energiebedarf gegenüber dem Entlastungsbetrieb günstigeren
Aussetzerbetrieb, bei dem der Verdichterantrieb zwischendurch jeweils abgestellt
wird, umschalten zu können.
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Gelöst wird diese Aufgabe im Prinzip durch eine Steuerung nach dem
kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1.
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Der entscheidende Vorteil dieser Lösung besteht darin, daß unmittelbar
bei Beginn des Entlastungsbetriebes durch kontinuierliche überprüfung der jeweils
herrschenden Druckabfallsgeschwindigkeit mit Hilfe analoger Druckwertgeber frühest
möglich festgestellt werden kann, wann eine Druckabfallsgeschwindigkeit, d.h. ein
Luftverbrauch, gegeben ist, bei dem der Antrieb des Verdichters abgeschaltet werden
kann, der hinter dem Verdichter nicht unterschritten werden soll, bei entsprechendem
weiteren Druckverlauf erst nach einem Zeitintervall erreicht wird, das ein Abschalten
des Verdichters wünschenswert macht.
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Um die nach Umschalten auf Entlastungsbetrieb bei Erreichung des oberen
Druckgrenzwertes auftretenden Druckschwankungen bei der Aufnahme der Druckabfallgeschwindigkeitskurve
auszugleichen, erfolgt nach Anspruch 2 eine Glättung der effektiven Meßwerte.
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Zweckmäßige Ausgestaltungen geben die weiteren Unteransprüche wieder.
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Nach Anspruch 3 sind einzelnen Druckwerten zwischen dem oberen Grenzdruck,
bei dem auf Entlastungsbetrieb geschaltet wird, und dem unteren Grenzwert, bei dem
der Verdichter durch Einschalten des Antriebs auf "Fördern" geschaltet werden muß,
unterschiedliche Grenzwerte A (p) zugeordnet, bei deren Unterschreitunq
der
Antrieb abgeschaltet wird.
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Zweckmäßigerweise nehmen die Werte der Grenzwerte A dabei entsprechend
Anspruch 4 mit fallenden Druckwerten ab. Dadurch wird erreicht, daß bei einem Druckverlauf,
bei dem nach Beginn des Entlastungsbetriebes bereits über einen relativ langen Zeitraum
Druckabfallsgeschwindigkeiten herrschten, bei denen der Antrieb noch nicht abgestellt
werden konnte, noch kurz vor Erreichen des unteren Grenzdruckes, bei dem durch Einschalten
des Antriebs wieder auf Förderbetrieb geschaltet werden muß, der Antrieb dennoch
abgeschaltet werden kann, wenn die Druckabfallsgeschwindigkeit den dortigen niedrigeren
Grenzwert A- unterschreitet.
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In diesem Sinne gibt Anspruch 5 eine besonders günstige Steuerungsart
wieder. Danach wird eine bestimmte Zeitd t limit vorgegeben und der Größe nach so
gewählt, daß nur dann der -Antrieb abgeschaltet wird, wenn bei der in einem Punkt
gemessenen Druckabfallsgeschwindigkeit unter der Voraussetzung, daß diese bis zum
Erreichen des unteren Druckgrenzwertes, bei dem der Antrieb wieder zum Fördern eingeschaltet
werden muß, aufrechterhalten bliebe, bis zum Erreichen des unteren Druckgrenzwertes
die vorgegebene Zeitspanne 4 t limit nicht unterschritten wird. Dadurch ist sichergestellt,
daß der Antrieb kurz vor Erreichen des unteren Druckgrenzwertes nicht mehr nach
dem gleichen Kriterium abgestellt wird wie in der Anfangsphase des Entlastungsbetriebes.
Dies bedeutet, daß der Antrieb immer nur dann abgeschaltet wird, wenn bei weiterer
Aufrechterhaltung der in dem Meßpunkt ermittelten Druckabfallsgeschwindigkeit der
Verdichterantrieb zumindest noch während der Zeitspanne d t limit abgestellt bleiben
kann.
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Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung anhand von Diagrammen
dargestellt.
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Es zeigen Fig. 1 ein Diagramm mit dem idealisierten Druckverlauf in
dem Übergangsbereich nach Erreichen des Druckmaximums dargestellt über der Zeit,
Fig.2 ein Diagramm mit dem Verlauf der Kurve des Differentialquotienten der Druckkurve
nach Fig.1 wiederum über der Zeit dargestellt, Fig. 3 ein Diagramm mit in bestimmten
Punkten der Kurve nach Fig.1 zu erwartenden Stillstandszeiten des Verdichter-Antriebs
aufgetragen über der Zeit, Fig. 4 ein Diagramm über den Leistungsbedarf des Antriebsmotors
in dem Bereich nach den Fig. 1 und 2 wiederum dargestellt über der Zeit, Fig. 5
ein Diagramm mit verschiedenen Luftverbräuchen aufgetragen über bestimmten Zeitabschnitten,
Fig. 6 ein Diagramm der Druckverhältnisse zu den Luftverbrauchszuständen nach Fig.
5 aufgetragen über den Fig.5 entsprechenden Zeitabständen, Fig.7 ein Diagramm, in
dem der Leistungsbedarf zu den in Fig. 5 und 6 dargestellten Betriebszuständen angegeben
ist.
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Indem als Kenngröße für den Luftverbrauch der Augenblickswert der
Druckabfallsgeschwindigkeit über den Differentialquotienten herangezogen wird, ist
ein frühest mögliches Abschalten des Antriebs auch bei nicht linearem Druckverlauf
möglich. Ein solcher Druckverlauf ist über der Zeit in Fig.1 wiedergegeben. Mit
gleicher Abszisse ist in Fig.2 die erste Ableitung des Druckes nach der Zeit eingetragen.
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In Fig.1 sind auf der Druckkurve 3 Meßpunkte a, b, c eingetragen.
Die Zeitwerte d ta, d tbt a t sind bezüglich c der Kurvenpunkte a, b, c diejenigen
Zeiträume, innerhalb denen der untere Druckgrenzwert Pl unter der Voraussetzung
erreicht würde, daß die in den betreffenden Punkten ermittelten Druckabfallsgeschwindigkeiten
bis zur Erreichung des unteren Druckgrenzwertes Pl konstant blieben. Diese Zeitwerte
sind jeweils mit einer vorgegebenen Zeitdauer # tlimit zu vergleichen. a tlimit
gibt dabei denjenigen Mindestzeitraum an, in dem der Verdichterantrieb bei einem
Abschalten auch tatsächlich ausgeschaltet bleiben kann, wenn man unterste]lt, daß
die im Meßpunkt ermittelte Druckabfallsgeschwindigkeit bis zur Erreichung des unteren
Druckgrenzwertes P1 unverändert bleibt. Solange die sich für die einzelnen Meßpunkte
ergebenden Zeiträume d t kleiner als der vorgegebene Vergleichswert d limit sind,
wird der Antrieb noch nicht abgestellt. Ein Abstellen erfolgt erst dann, wenn ein
t-Wert erstmals gleich oder größer # tlimit ist.
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In dem dargestellten Beispiel wäre dies eigentlich in Punkt b der
Fall. Das Abschalten kann hier jedoch noch nicht erfolgen, da innerhalb des Zeitraumes
T der Antrieb aufgrund der nicht zu überschreitenden Schalthäufigkeit noch nicht
ausgeschaltet werden darf, um auf diese Weise ein vorzeitiges Wiedereinschalten
mit Sicherheit vermeiden zu können. Nach Ablauf der Sicherheitszeit T liegt bei
Punkt c eine Druckabfallsgeschwindigkeit vor, bei der # tc >#tlimit ist, d.h.
der Antrieb kann abgeschaltet werden.
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In Fig.2 ist die Kurve für die Druckabfallsgeschwindigkeit aufgezeichnet.
Zusätzlich sind auf der Ordinate die Grenzwerte A für die drei Meßpunkte a, b und
c eingetragen. In (p) dem Punkt a liegt die Druckabfallsgeschwindigkeit noch über
dem zugehörigen Grenzwert A , so daß ein Abschalten noch nicht erfolgt. Bei Pkt.
b entspricht die Druckabfallsgeschwindigkeit
genau dem Grenzwert
Ab, so daß bei Erfüllung der Schalthäufigkeitsbedingung der Antrieb abgeschaltet
werden könnte. Da diese Zusatzbedingung aber noch nicht erfüllt ist im Punkt b,
wird der Antrieb erst nach Ablauf der durch die Schalthäufigkeit vorgegebenen Zeit
T in Punkt c, in dem der betreffende Grenzwert Ac bereits unterschritten ist, abgestellt.
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In Fig. 3 ist durch die Eintragung der vorgegebenen Mindeststillstandszeit
J tlimit recht anschaulich dargestellt, daß!; bei darüber liegenden in den einzelnen
Meßpunkten zu erwartenden Stillstandszeiten der Antrieb abgestellt werden kann,
sofern die Schalthäufigkeitsbedingung zusätzlich erfüllt ist.
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Fig.4 gibt den Verlauf des Leistungsbedarfs des Antriebsmotors wieder,
wobei der Verdichter zum Zeitpunkt t2 auf Leerlauf und der Antriebsmotor zum Zeitpunkt
tc ganz abgeschaltet wird.
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In den Fig. 5 - 7 ist dargestellt, wie bei Erreichen eines oberen
Grenzdruckes P2 nach Fig. 1 der Verdichter zunächst auf Leerlauf geschaltet wird.
Bei Erreichen eines unteren Druckgrenzwertes P1 wird der Verdichter wieder auf "Fördern"
geschaltet. Während des Leerlaufs des Verdichters zwischen den Grenzdrücken P2 und
P1 erfolgt bei Unterschreiten eines bestimmten Luftverbrauchs ein Stillsetzen des
Verdichterantriebs, sofern die von der zulässigen Schalthäufigkeit des Antriebsmotors
abhängige und jeweils ausschließlich mit jedem Einschalten des Motors gestartete
Zeit T abgelaufen ist.
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Entsprechend dem Luftverbrauch gemäß Fig.5 lassen sich fünf mit I
bis V bezeichnete Zustandsbereiche unterscheiden.
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Abschnitt I gibt beginnend mit der Zeit t1 das Anfahren des Verdichter-Antriebs
gegen den zunächst leeren Speicherbehälter bei geschlossenem Ausgangsventil, d.h.
ohne Luftverbrauch wieder.
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Zu Beginn des Abschnitt II (mit 20% Luftverbrauch) wird unmittelbar
nach Erreichen des Druckmaximums P2 zum Zeitpunkt t2, der Antrieb abgeschaltet.
Zum Zeitpunkt t3 wird der untere Grenzdruck P2 erreicht und der Verdichterantrieb
gestartet. Zum Zeitpunkt t4 wird wieder der obere Grenzdruck P2 erreicht, der Antrieb
jedoch nicht abgeschaltet, da die Zeit T noch nicht abgelaufen und somit ein Abschalten
mit der Möglichkeit eines unmittelbar darauf folgenden Einschaltens nicht zulässig
ist.
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Auch der Luftverbrauch in Abschnitt III mit 50% ergibt eine Druckabfallsgeschwindigkeit
unterhalb der vorgegebenen Grenzwerte A(p). Deshalb wird der Antrieb zum Zeitpunkt
t5 abge-(p) schaltet. Im weiteren Verlauf erfolgt ein Abschalten erst bei t6, da
erst zu diesem Zeitpunkt die Zeit T abgelaufen ist.
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Im Abschnitt IV mit Luftverbrauch 80% werden die Grenzwerte A für
die Druckabfallsgeschwindigkeit nicht unterschritten, (p) so daß kein Abschalten
des Antriebs erfolgt. Der Verdichter wird immer nach Erreichen von P2 auf Leerlauf
geschaltet (t7 , t8), unabhängig davon, ob die Zeit T abgelaufen ist.
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Im Abschnitt V mit 20% Luftverbrauch (z.B. der Beginn einer Arbeitspause,
wird zum Zeitpunkt tg unmittelbar nach Erreichen von P2 der Antrieb abgeschaltet,
da der entsprechende Grenzwert A dort bereits unterschritten ist.
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(p) Das erfindungsgemäße Verfahren beruht im wesentlichen darauf,
daß durch analoge Erforschung der jeweiligen Steigung der Druckverlaufskurve Druckveränderungen
momentan erfaßt und
ausgewertet werden können. In Verbindung mit
der jeweils herrschenden Druckhöhe, d.h. mit dem jeweiligen effektiven Druckwert,
kann in jedem Augenblick unter der Voraussetzung, daß die gerade vorliegende Druckabfallsgeschwindigkeit
unverändert bleibt, eine zu erwartende Stillstandszeit vorausgesagt werden. Bei
Auswertung des Druckverlaufs direkt nach Überschreiten des oberen Druckgrenzwertes
ist die erfindungsgemäß vorgeschlagene Glättung der Steigungswerte der Druckkurve
wichtig. Denn erst hierdurch ist ein sinnvoller Vergleich der momentanen Steigung
der Druckkurve mit einem vorgegebenen Grenzwert A möglich.
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