DE60028801T2

DE60028801T2 - Mehrstufige verdichteranlage und verfahren zur regelung derselben

Info

Publication number: DE60028801T2
Application number: DE60028801T
Authority: DE
Inventors: Gustaaf Ken VERHAEGEN
Original assignee: Atlas Copco Airpower NV
Current assignee: Atlas Copco Airpower NV
Priority date: 1999-10-26
Filing date: 2000-10-24
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2020-10-25
Also published as: CN100348866C; ATE330125T1; EP1224395B1; WO2001031202A1; NO20021955L; DK1224395T3; NO20021955D0; AU1259401A; CN1402814A; PT1224395E; ES2265996T3; DE60028801D1; NO330343B1; US6802696B1; EP1224395A1; BE1012944A3; JP2003513200A

Description

Diese Erfindung betrifft eine mehrstufige Verdichteranlage, welche wenigstens zwei unterschiedliche Verdichterelemente und wenigstens zwei separate Elektromotoren mit regelbarer Geschwindigkeit umfasst, wobei besagte Verdichterelemente von besagten Elektromotoren angetrieben werden, wobei der Auslass eines Verdichterelements einer Stufe an den Einlass eines nachfolgenden Verdichterelements einer nachfolgenden Stufe angeschlossen ist.
Im Gegensatz zum Volumendurchsatz und dem Druckverhältnis ist der Massendurchsatz solcher mehrstufiger Verdichteranlage in jeder der Stufen konstant.
Aufgrund des unterschiedlichen Volumendurchsatzes und des unterschiedlichen Druckverhältnisses ist die Geschwindigkeit jedes Verdichterelements unterschiedlich und wird von dem Abgabedruck und dem letztendlichen Volumendurchsatz bestimmt.
Bei einigen bekannten Zweistufen-Verdichteranlagen mit variabler Geschwindigkeit umfassen die Mittel zum Antreiben der Verdichterelemente der zwei Stufen einen einzigen großen elektrischen Standardmotor, der mittels eines großen Wechselrichters oder Frequenzreglers angetrieben wird.
Dieser Motor treibt die Verdichterelemente durch Dazwischentreten eines großen Zahnrads an.
Die Verdichterelemente haben ein eingebautes Druckverhältnis und gehören zu einer Serie von Elementen, die so gestaltet wurden, dass sie sowohl in einer Stufe als auch in mehreren Stufen angewendet werden können, wobei dann eine Mindestanzahl von Verdichterelementen eine ganze Spanne von Luftleistungen erreicht.
Weiterhin ist die Trägheit eines größeren Motors mit einem großen Zahnrad relativ hoch, wodurch die Reaktion der Verdichteranlage relativ langsam ist, es sei denn, der Motor ist überdimensioniert.
Als Ergebnis des festen Geschwindigkeitsverhältnisses zwischen den Verdichterelementen der verschiedenen Stufen ist die Effizienz der Verdichteranlage über ihren gesamten Arbeitsbereich begrenzt. Die derzeitigen Verdichteranlagen haben nur eine optimale Effizienz für einen bestimmten Abgabedruck und Volumendurchsatz.
Aus JP 07158576 A auf den Namen von Kobe Steel Ltd. ist eine zweistufige Verdichteranlage bekannt, deren zwei Verdichterelemente von getrennten Motoren angetrieben werden, wobei die Geschwindigkeit der Motoren mittels eines Wechselrichters eingestellt wird. In einer Ausführung werden die zwei Wechselrichter mittels ein und derselben Steuervorrichtung in Funktion des Drucks zwischen den zwei Stufen gesteuert. In einer anderen Ausführungsform werden die Wechselrichter von getrennten Steuervorrichtungen gesteuert, in Funktion des Drucks zwischen den Stufen beziehungsweise dem Druck am Ausgang der Hochdruckstufe.
Das Verdichterelement der Niederdruckstufe ist größer als das Verdichterelement der Hochdruckstufe, und die Nenn-Drehgeschwindigkeiten der Verdichterelemente sind unterschiedlich. Daher wird das Verdichterelement der Hochdruckstufe ohne Getriebe mittels eines kleineren Motors angetrieben als das Verdichterelement der Niederdruckstufe, das mittels eines Zahnradgetriebes und durch einen größeren Motor angetrieben wird. Diese Konstruktion ist relativ kompliziert und kostspielig.
JP 02140477 A beschreibt ebenfalls eine zweistufige Verdichteranlage, wobei zwei gleichartige Verdichterelemente in einem Gehäuse installiert sind und direkt von Motoren angetrieben werden, deren Geschwindigkeit separat von einem Wechselrichter reguliert wird. Die Effizienz solcher Verdichteranlage ist jedoch nicht optimal.
Aus JP 10 082391 A auf den Namen von Ishikawajima Harima Heavy Ind. Co. LTD ist eine zweistufige Verdichteranlage bekannt, deren zwei Verdichterelemente von separaten Motoren angetrieben werden. Das Geschwindigkeitsverhältnis zwischen den Motoren wird einer Datenbank entnommen und wird auf Basis des gemessenen Auslassdrucks und der Abfuhrtemperatur der Luft der Verdichterstufen ausgewählt. Dies zur Ermöglichung eines effizienteren Betriebs.
Die Geschwindigkeitsverhältnisse der zwei Motoren werden im voraus berechnet und auf den Merkmalen des Verdichterelements zu diesem Zeitpunkt basiert.
Die Erfindung bezweckt eine mehrstufige Verdichteranlage, die die vorgenannten Nachteile nicht aufweist, relativ wirtschaftlich ist und auf einfache Weise mit einer optimalen Effizienz arbeiten kann.
Erfindungsgemäß wird dieses Ziel dadurch erreicht, dass in der Verdichteranlage, wie im ersten Abschnitt definiert, die Elektromotoren dadurch identisch sind, dass sie ein und dieselbe Nennleistung oder Kraft haben, während zwischen jedem Motor und dem davon angetriebenen Verdichterelement ein Zahnradgetriebe vorgesehen ist.
Trotz der Tatsache, dass die Verdichterelemente unterschiedlich sind, um in der Lage zu sein, auf optimale Weise zu arbeiten, sind die Motoren jedoch identisch. Daher können Motoren desselben Typs und mit derselben Leistung, die bereits auf dem Markt sind, verwendet werden, was eine Kostensenkung gestattet.
Wenn die Verdichteranlage zwei Stufen und daher zwei Verdichterelemente umfasst, kann dabei das eine Zahnradgetriebe, insbesondere das an der Niederdruckstufe, eine Geschwindigkeitsverringerung in Bezug auf die Drehgeschwindigkeit des entsprechenden Motors verursachen, während das andere Zahnradgetriebe, nämlich das an der Hochdruckstufe, einen Geschwindigkeitsanstieg in Bezug zur Drehgeschwindigkeit des entsprechenden Motors verursacht.
Durch eine effiziente Auswahl der Motoren können beide Zahnradgetriebe ein großes und ein kleines Zahnrad umfassen, die in dem einen Zahnradgetriebe in Bezug zu dem anderen Zahnradgetriebe ausgetauscht sind, wobei die kleinen Zahnräder identisch sind und die großen Zahnräder identisch sind.
Vorzugsweise sind die Elektromotoren an ihren eigenen Frequenzregler gekoppelt, sodass die Frequenz und daher die Geschwindigkeit getrennt per Motor reguliert werden kann.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Regelung einer mehrstufigen Verdichteranlage, wie oben beschrieben, die einen Elektromotor per Verdichterelement umfasst, welcher mittels eines zugehörigen Frequenzreglers gespeist wird, sodass die Frequenz und daher die Geschwindigkeit getrennt per Motor reguliert und das Geschwindigkeitsverhältnis zwischen den Motoren stufenlos verstellt werden kann, wobei Motoren mit ein und derselben Nennleistung oder Kraft verwendet werden und wobei ein Zahnradgetriebe verwendet wird, das zwischen jedem Motor und dem davon angetriebenen Verdichterelement vorgesehen ist Energieeinsparung wird erzielt durch Anpassen des Geschwindigkeitsverhältnisses der Stufen und daher des Druckverhältnisses zwischen den unterschiedlichen Stufen, auf solche weise, dass, außer einem gewünschten Abgabedruck, eine optimale Gesamteffizienz der Verdichteranlage erhalten wird.
Die optimale Effizienz der Verdichtereinheit wird durch Optimieren der Geschwindigkeit jeder Stufe und daher des Druckverhältnisses über jeder Stufe erhalten.
Während dieses Anpassens des Geschwindigkeitsverhältnisses wird der Abgabedruck gemessen und wird in Funktion davon die Geschwindigkeit eines der Motoren unmittelbar angepasst. Dieser Motor, meistens "Master" genannt, kann entweder der Motor der Niederdruckstufe oder der Motor der Hochdruckstufe sein.
Die optimale Geschwindigkeit und daher das optimale Druckverhältnis an jeder Stufe ist bekannt und liegt in einer Datenbank vor oder kann mittels eines Algorithmus, beispielsweise einer Fuzzyregelung, in Echtzeit berechnet werden.
Nach Ändern der Geschwindigkeit dieses Motors wird das optimale Geschwindigkeitsverhältnis mittels einer Datenbank oder eines Algorithmus in Funktion der Geschwindigkeit besagten Motors und des gemessenen Abgabedrucks berechnet, um dadurch die Geschwindigkeit der anderen Motoren anzupassen.
Vorzugsweise wird das Geschwindigkeitsverhältnis zwischen den Motoren für jeden Zustand der Verdichteranlage in Funktion des gemessenen Abgabedrucks ermittelt und wird aus einer Datenbank entnommen oder wird mittels eines Echtzeitalgorithmus berechnet.
Mit der Absicht, die Merkmale der Erfindung besser darzustellen, ist hiernach, als Beispiel ohne jeden einschränkenden Charakter, eine bevorzugte Ausführungsform einer mehrstufigen Verdichteranlage und eines Verfahres zur Regelung solcher mehrstufiger Verdichteranlage gemäß der Erfindung beschrieben, unter Verweis auf die begleitende Zeichnung, die schematisch solche Verdichteranlage darstellt.
In der Figur ist eine zweistufige Verdichteranlage dargestellt, die im Wesentlichen ein größeres Verdichterelement 1 für die Niederdruckstufe und ein kleineres Verdichterelement 2 für die Hochdruckstufe und zwei Elektromotoren 3 und 4, die von Frequenzreglern 5 beziehungsweise 6 gespeist werden, umfasst.
Beide Verdichterelemente 1 und 2 sind volumetrische Verdichterelemente, nämlich Elemente vom Schraubenverdichtertyp.
In einer Variante jedoch können sie auch andere volumetrische Verdichterelemente sein, wie etwa Spiralverdichterelemente, oder können sogar dynamische Verdichterelemente sein.
Das Verdichterelement 1 umfasst einen Einlass 7 und einen Niederdruckauslass 8, der mittels eines Kühlers 9 an den Einlass 10 des Verdichterelements 2 angeschlossen ist, das mit einem Hochdruckauslass 11 versehen ist.
In dem dargestellten Beispiel ist ein Nachkühler 12 in diesem Auslass installiert.
Beide Motoren 3 und 4 sind Hochgeschwindigkeitsmotoren und identisch zueinander, mit anderen Worten, sie haben dieselbe Nennleistung.
Somit haben sie normalerweise auch denselben Rotor, denselben Stator und dieselben Lager. In der Tat können sie vollständig identisch und daher vom gleichen kommerziellen Typ sein.
Das Verdichterelement 1 ist mittels eines ersten kleinen Zahnradgetriebes 13 an den Motor 3 gekoppelt, während das Verdichterelement 2 mittels eines zweiten kleinen Zahnradgetriebes 14 an den Motor 4 gekoppelt ist.
Das Zahnradgetriebe 13 besteht aus zwei in einem Getriebegehäuse montierten Zahnrädern, nämlich einem kleinen Zahnrad 13A auf der Welle des Motors 3, das in ein großes Zahnrad 13B eingreift, das auf der Antriebswelle des Verdichterelements 1 befestigt ist und daher eine Geschwindigkeitsverminderung verursacht.
Das Zahnradgetriebe 14 ist identisch zu dem Zahnradgetriebe 13 und umfasst somit auch ein kleines Zahnrad 14A, das in ein großes Zahnrad 14B eingreift, jedoch sind die Zahnräder 14A und 14B ausgetauscht, mit anderen Worten, nun ist das kleine Zahnrad 14A an der Antriebswelle des Verdichterelements 2 befestigt, während das große Zahnrad 14B mit der Welle des Motors 4 mitdreht.
Das Zahnradgetriebe 14 verursacht somit einen Geschwindigkeitsanstieg.
Die Nennleistung der Motoren 3 und 4 ist somit praktisch dieselbe und ist gleich der maximalen Leistung gewählt, die notwendig ist, um das Verdichterelement anzutreiben, das die größte Leistung erfordert.
Dadurch, dass in dieser Installation das kleinste Verdichterelement 2 schneller rotiert als das größte Verdichterelement 3, ist die Entwurfs-Drehgeschwindigkeit der Motoren 3 und 4 zwischen den maximalen Drehgeschwindigkeiten der zwei Verdichterelemente 1 und 2 gewählt, und vorzugsweise in der Mitte zwischen diesen Drehgeschwindigkeiten.
Die präzisen maximalen Drehgeschwindigkeiten dieser Verdichterelemente 1 und 2 werden mittels der Zahnradgetriebe 13 und 14 erhalten.
Nicht nur die Motoren 3 und 4 sind identisch, sondern auch die Frequenzregler 5 und 6 können identisch sein und daher dieselbe Leistung haben.
Weiter umfasst die Verdichtereinheit eine Steuervorrichtung 15, besipielsweise eine PLC-Steuerung, die einerseits mit ihren Ausgängen an die zwei Frequenzregler 5 und 6 angeschlossen ist, mittels elektrischer Leitungen 16 und 17, und andererseits mit einem ersten Eingang, mittels einer Leitung 18, an eine Druckmessvorrichtung 19 am Auslass 11 des Verdichterelements 2 angeschlossen ist, und mit einem zweiten Eingang, mittels einer Leitung 20, an Mittel 21 zum Einstellen des gewünschten Abgabedrucks angeschlossen ist.
In einer Variante ist ein dritter Eingang der Steuervorrichtung 15 mit der Verbindung zwischen den Verdichterelementen 1 und 2 verbunden, mittels einer Leitung 22 mit einer Druckmessvorrichtung 23, beispielsweise, wie bei dem Kühler 9 dargestellt.
Durch Antreiben jedes Verdichterelements 1 und 2 durch einen zugehörigen Motor 3 oder 4 kann die Drehgeschwindigkeit jedes dieser Verdichterelemente 1 und 2 getrennt reguliert werden.
Die Regulierung kann durch die Steuervorrichtung 15 stattfinden, die, in Funktion des durch die Druckvorrichtung 19 in dem Auslass 11 gemessenen Drucks und des von den Mitteln 21 angepassten gewünschten oder angeforderten Abgabedrucks, auf die Frequenzregler 5 und 6 wirkt, beispielsweise mittels eines Algorithmus, beispielsweise einer Fuzzyregelung, sodass, mittels einer kontinuierlichen, optimalen Anpassung des Geschwindigkeitsverhältnisses der Motoren 3 und 4 der Stufen, stets eine optimale Effizienz der Verdichteranlage erzielt werden kann.
Bei dieser Regulierung kann auch der von der Druckmessvorrichtung 23 gemessene Zwischendruck benutzt werden, wobei dieser Zwischendruck in Kombination mit dem von der Druckmessvorrichtung 19 gemessenen Abgabedruck verwendet wird.
Die Frequenzregler 5 und 6 haben dieselbe Leistung, die nur die Hälfte der Leistung beträgt, die erforderlich ist, wenn nur ein Motor vorhanden ist. Die Zahnradgehäuse 13 und 14 sind relativ klein, und auch die Motoren 3 und 4 können relativ klein sein, sodass die Verdichtereinheit sicherlich nicht größer oder schwerer ist als mit einem einzigen großen Motor mit einem großen und kostspieligen Getriebegehäuse.
Durch Verwendung von Hochgeschwindigkeitsmotoren, die kleiner und leichter sind als Standardmotoren mit derselben Leistung, kann die Verdichteranlage kompakter und leichter gebaut werden, wodurch weniger Material erforderlich ist und die Anlage weniger kostspielig wird, während weniger Stellfläche dafür erforderlich ist und die Transportkosten vermindert werden. Ein zusätzlicher Vorteil der Verwendung kompakterer Hochgeschwindigkeitsmotoren ist die geringere Trägheit, wodurch die Reaktion schneller ist.
Da die Verdichteranlage identische Motoren 3 und 4, identische Frequenzregler 5 und 6 und identische Zahnradgetriebe 13 und 14 umfasst, ist ihre Gestaltung relativ einfach und wirtschaftlich. Auch werden die Kosten für die Lagerung verringert.
Es sind weniger Motortypen erforderlich, wodurch ein kleineres Lager notwendig ist und die Motoren in größeren Serien und folglich weniger teuer hergestellt werden können.
Die Stufenzahl ist nicht auf zwei beschränkt. Für jede Stufe oder jedes Verdichterelement ist ein getrennter Motor mit regelbarer Geschwindigkeit vorhanden.
Die Verdichtereinheit muss nicht unbedingt einen Kühler 9 zwischen den Verdichterelementen 1 und 2 umfassen, und der Nachkühler 12 ist ebenfalls nicht unbedingt notwendig.
Die Erfindung ist keineswegs auf die hierin vorangehend beschriebene und in der begleitenden Zeichnung dargestellte Ausführungsform begrenzt, vielmehr kann eine solche mehrstufige Verdichteranlage und Verfahren zu deren Regelung in verschiedenen Varianten verwirklicht werden, ohne die Reichweite der beigefügten Ansprüche zu verlassen.

Claims

Mehrstufige Verdichteranlage, welche wenigstens zwei verschiedene Verdichterelemente (1 und 2) und wenigstens zwei getrennte Elektromotoren (3, 4) mit regelbarer Geschwindigkeit umfasst, wobei besagte Verdichterelemente (1, 2) von besagten Elektromotoren (3, 4) angetrieben werden, wobei der Auslass (8) eines Verdichterelements (1) einer Stufe an den Einlass eines nachfolgenden Verdichterelements (2) einer nachfolgenden Stufe angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromotoren (3, 4) darin identisch sind, dass sie dieselbe. Nennleistung haben, während zwischen jedem Motor (3, 4) und dem dadurch angetriebenen Verdichterelement (1, 2) ein Zahnradgetriebe (13, 14) vorgesehen ist.
Mehrstufige Verdichteranlage gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei Stufen umfasst und dass das eine Zahnradgetriebe (13), insbesondere das eine an der Niederdruckstufe, eine Geschwindigkeitsverringerung in Bezug auf die Drehgeschwindigkeit des entsprechenden Motors (3) verursacht, während das andere Zahnradgetriebe (14), nämlich dasjenige an der Hochdruckstufe, einen Geschwindigkeitsanstieg in Bezug auf die Drehgeschwindigkeit des entsprechenden Motors (4) verursacht.
Mehrstufige Verdichteranlage gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beide Zahnradgetriebe (13,14) identische Paare von Zahnrädern umfassen, wobei jedes Paar ein kleines und ein großes Zahnrad (13A, 13B) umfasst, die in dem einen Zahnradgetriebe (13) in Bezug auf das andere Zahnradgetriebe (14) ausgetauscht sind, wobei die kleinen Zahnräder (13A, 14A) identisch sind und die großen Zahnräder (13B, 14B) identisch sind.
Mehrstufige Verdichteranlage gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Entwurfs-Drehgeschwindigkeit der Motoren (3, 4) zwischen den maximalen Drehgeschwindigkeiten der zwei Verdichterelemente (1, 3), und vorzugsweise in der Mitte zwischen diesen Drehgeschwindigkeiten, gewählt ist.
Mehrstufige Verdichteranlage gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromotoren (3, 4) an ihren eigenen Frequenzregler (5, 6) gekoppelt sind, sodass die Frequenz und daher die Geschwindigkeit getrennt per Motor (3, 4) reguliert werden kann.
Mehrstufige Verdichteranlage gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Steuervorrichtung (15) umfasst, die an eine Druckmessvorrichtung (19) zum Messen des Drucks am Auslass (11) der letzten Stufe gekoppelt ist, und an Mittel (21) zum Einstellen des gewünschten Abgabedrucks, und die, in Funktion des von dieser Druckmessvorrichtung (19) und von dem mittels der Mittel (21) eingestellten gewünschten Abgabedrucks, die Frequenzregler (5 und 6) steuert.
Mehrstufige Verdichteranlage gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (15) mit einer Druckmessvorrichtung (23) zum Messen des Zwischendrucks zwischen den Verdichterelementen (1 und 2) gekoppelt ist.
Mehrstufige Verdichteranlage gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühler (9) zwischen den Verdichterelementen (1 und 2) installiert ist.
Mehrstufige Verdichteranlage gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Nachkühler (12) im Auslass des letzten Verdichterelements (2) installiert ist.
Verfahren zur Regelung einer mehrstufigen Verdichteranlage gemäß Anspruch 1, welche einen Elektromotor (3, 4) per Verdichterelement (1 und 2) umfasst, der mittels eines zugehörigen Frequenzreglers (5, 6) gespeist wird, sodass die Frequenz und daher die Geschwindigkeit getrennt per Motor reguliert werden kann und das Geschwindigkeitsverhältnis zwischen den Motoren (3 und 4) der verschiedenen Stufen stufenlos verstellt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass Motoren (3, 4) mit derselben Nennleistung verwendet werden und dass ein Zahnradgetriebe (13, 14) verwendet wird, das zwischen jedem Motor (3, 4) und dem davon angetriebenen Verdichterelement (1, 2) vorgesehen ist.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Geschwindigkeitsverhältnis zwischen den Motoren (3, 4) für jeden Zustand der Verdichteranlage in Funktion des gemessenen Abgabedrucks ermittelt wird und einer Datenbank entnommen wird oder in Echtzeit mittels eines Algorithmus oder einer Fuzzyregelung berechnet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Geschwindigkeitsverhältnis zwischen den Motoren (3, 4) auch in Funktion des zwischen zwei Stufen gemessenen Zwischendrucks bestimmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass, bei einem Druckunterschied zwischen dem gemessenen Abgabedruck und einem gewünschten Abgabedruck, unmittelbar die Geschwindigkeit eines der Motoren (3 und 4) angepasst wird, wobei, in Funktion der Geschwindigkeit dieses Motors und des gemessenen Abgabedrucks, das Geschwindigkeitsverhältnis angepasst wird, um die Geschwindigkeit der anderen Motoren zu ändern.