EP3472467A1 - Verfahren und einrichtung zur schwingungskompensation bei einem kolbenkompressor - Google Patents

Verfahren und einrichtung zur schwingungskompensation bei einem kolbenkompressor

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EP3472467A1
EP3472467A1 EP17728204.3A EP17728204A EP3472467A1 EP 3472467 A1 EP3472467 A1 EP 3472467A1 EP 17728204 A EP17728204 A EP 17728204A EP 3472467 A1 EP3472467 A1 EP 3472467A1
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EP
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piston compressor
torque
phase motor
crankshaft
frequency converter
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EP17728204.3A
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Thomas Merkel
Michael Hartl
Stefan Schneider
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Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
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Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
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    • F04B2203/00—Motor parameters
    • F04B2203/02—Motor parameters of rotating electric motors
    • F04B2203/0207—Torque

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for
  • the piston compressor is driven by means of crankshaft of a frequency converter controlled three-phase motor or the like. Furthermore, the invention also relates to a
  • Piston compressor equipped with such a device.
  • the field of application of the invention extends primarily to vehicles
  • Electric motor is driven.
  • the reciprocating compressor is over several
  • Anti-vibration wire rope springs are mounted upright on the chassis of the vehicle to reduce vibration transmission from the piston compressor to the vehicle.
  • the EP 1 242 741 A1 describes the problem of vibration excitation of reciprocating compressors by load torque M L and motor torque M M and measures to reduce vibration, the types of two-stage Kolbenkompessoren with lead to reduced vibration excitation.
  • inertia masses were used between the engine and the piston compressor to counteract the vibration excitation.
  • piston compressors are usually operated with three-phase motors, which is associated with a frequency converter.
  • the reciprocating compressor can be controlled variable speed, in particular to realize a demand-based compressed air generation within the framework of a corresponding regulation with consideration ofenteeinschalt initiatives, Aussetz Anlagenintervallen and the like.
  • auxiliary converters on rail vehicles supply not just a single electrical load, but several, such as air conditioners, traction fans, equipment fans,
  • the object is achieved on the basis of a method according to the preamble of claim 1 in conjunction with its characterizing features.
  • the invention includes the procedural teaching that the
  • Piston compressor is determined, and based on a frequency converter based on a torque MM is the driving three-phase motor that follows the load torque ML of the reciprocating compressor, so this corresponds to the
  • Torque M M of the driving motor and load torque ML is formed, can by a solution based on the solution of the invention the rule thereof
  • Flywheels between engine and reciprocating compressor can be downsized or it can be completely dispensed with.
  • three-phase motor is preferably a three-phase asynchronous motor or a
  • Synchronous reluctance motor understood. Preferably, this corresponds to the
  • Three-phase motor predetermined torque M M the load torque curve including a phase length.
  • the predetermined torque of the three-phase motor corresponds to the first order of the load torque curve.
  • a very simple but very effective vibration compensation method consists in just reproducing only the portion of the first order in the engine torque M M. Higher orders are neglected.
  • the basis for this is the elastic bearing of the reciprocating compressor. This bearing is designed so that excitations above a certain frequency are kept away from connecting constructions. This has proved adequate in these circumstances. Higher orders are largely kept away from the elastic bearings. For that reason, it is sufficient
  • the deviation of the torque MM following the torque MM for the three-phase motor load torque M L of the reciprocating compressor is set such that it is less than 30%. Within the scope of this deviation range, the torque M M of the three-phase motor only follows approximately the load torque ML of the
  • Piston compressor which still results in an effective vibration compensation.
  • the entire vibration behavior can be improved by up to 70% by the electronic compensation according to the invention, wherein the vibration paths of the reciprocating compressor are significantly reduced, especially at low rotational speeds.
  • the torque M generated by the three-phase motor is generated by a variation of the supply voltage and / or a variation of the pulse width in the converter.
  • an increase in the torque MM can be achieved by the pulse width is increased briefly.
  • the pulsating load torques usually generated by the reciprocating compressor are smoothed within the compressor, so that the vibration excitation emanating therefrom is further minimized.
  • torque compensation is achieved by counter-regulation of the motor current.
  • the torque peak can be compensated by a corresponding control of the IGBT pulse width and thus by a motor current changed at this moment.
  • a correspondingly fast control and stable intermediate circuit voltage are required for this so-called space vectoring modulation.
  • an increase of the torque M M for the three-phase motor can be performed by a corresponding increase in the operating voltage in a simple manner by the frequency converter.
  • Control unit can be advantageously integrated directly in the frequency converter with.
  • the frequency converter itself is preferably arranged directly on the three-phase motor, in order to ensure easy connection to the three-phase current source.
  • this electronic assembly may also have at least one sensor input, to this one arranged in the engine shaft or crankshaft
  • Position sensor to measure the current angular position to connect.
  • the nachzuregelnde depending on the speed torque requirement is stored in the logic of the implemented in the frequency converter control unit.
  • FIGS. shows a block diagram representation of a piston compressor with integrated therein vibration compensation device, a graph of the torsional vibrations generated by the engine and compressor according to the prior art, a graphical representation of the engine and compressor generated torsional vibrations according to the inventive solution in a first embodiment, and a graphical representation of the speed curve at the first
  • Fig. 5 is a graphical representation of the time course of the strand currents of a
  • Fig. 6 is a graphical representation of the engine and compressor generated
  • Fig. 7 is a graphical representation of the speed curve in the second
  • Fig. 8 is a graphical representation of the time course of the phase currents of a three-phase motor as a drive according to the second embodiment.
  • the reciprocating compressor 1 shows a piston compressor consisting essentially of reciprocating compressor 1 and three-phase motor 2.
  • the reciprocating compressor 1 is designed as a two-stage compressor unit and here has two low-pressure cylinders 3a, 3b and a high-pressure cylinder 4.
  • the compressed air is coming from the atmosphere initially precompressed in the low-pressure cylinder 3 a, 3 b and then from
  • High pressure cylinder 4 brought to an even higher pressure level before this generated compressed air is supplied to the further utilization in the vehicle.
  • the piston compressor 1 has for actuating the piston drive of - not shown - piston of the cylinder 3a, 3b and 4, a crankshaft 5, which is driven by the rotary current motor 2.
  • the electric three-phase motor 2 is equipped with a frequency converter 6, via which the connection to a three-phase system 7 takes place.
  • the frequency converter 6 is associated with an electronic control unit 8, which is structurally integrated herein.
  • the electrical side receives the input side
  • Control unit 8 the measurement signal of a arranged in the region of the crankshaft 5 position sensor 9, which the electronic control unit 8, the current
  • FIG. 2 shows a graph of the torque curve with respect to a total revolution of 0 to 360 ° of the crankshaft of a piston compressor of the prior art.
  • the average torque of the drive is about 50 Nm (dotted line).
  • the load torque M L can be seen that this has a maximum of about 140 N m due to a pressure peak at about 200 ° angular position of the crankshaft.
  • the illustrated profile of the load torque M L is characteristic of two-stage reciprocating compressors, as illustrated in FIG. The engine responds to the dominant pressure peak only delayed and builds the apparent
  • the three-phase drive responds to this pressure peak and builds up its torque M M of the course shown.
  • the area between the load torque M L and the torque M M of the engine is characterized here toned and represents a measure of the vibration excitation about the crankshaft of the reciprocating compressor. Because of the fairly large surface area of the tightened surface is to be assumed that a relatively high disadvantageous vibration excitation.
  • Fig. 3 shows the torque curve of the torque M M of the engine and the load torque M L of the piston compression for a full revolution of the crankshaft as a result of the vibration compensation invention.
  • Embodiment takes place, the control of the motor such that its torque M M follows the load torque M L of the reciprocating compressor. It follows that the area of the surface between the load torque M L and motor torque MM is minimal compared to the above-described embodiment of the prior art, so that a very small vibration excitation occurs. Because of the control according to the invention, the driving motor builds its torque M M synchronously and to the extent demand-controlled for the load torque M L of the reciprocating compressor to be managed. Due to only minimal nonuniformities, there is an equally minimal
  • FIG. 4 illustrates a uniform course of the rotational speed n of the crankshaft over the entire revolution. This also corresponds approximately to the mean curve of the rotational speed n ⁇
  • Fig. 5 shows the time course of the phase currents with respect to the three phases of the three-phase motor, which also fails as a fairly uniform respective sinusoidal curve due to the almost complete control technology vibration compensation.
  • Fig. 6 illustrates with respect to the second embodiment, the torque curve of the torque M M and the load torque M L for a full revolution of Crankshaft, in contrast to the embodiment described above, only a compensation with respect to the first order of Lastmomentenverlaufs of the reciprocating compressor by the torque M M of the three-phase motor takes place. It follows that compared to the above-described prior art, a significantly lower and evenly distributed area between the curves of the curve of the engine torque M M of the engine speed and the load torque M L of the piston compressor contributes as a taut area to a vibrational excitation. The vibration compensation achieved thereby can be considered sufficient for the
  • Fig. 7 shows in consequence that the speed n of the crankshaft varies only slightly by the average speed n '.
  • Speed curve can thus be achieved here by the compensation of the first order of the load torque curve of the reciprocating compressor.
  • FIG. 8 illustrates the time course of the phase currents of the three phases of the three-phase motor, which, in contrast to the quasi-complete invention compensation discussed above, reveals a slight nonuniformity. Nevertheless, the strand current course keeps within narrow limits, which proves the effect of the solution according to the invention according to the second embodiment.

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Description

BESCHREIBUNG
Verfahren und Einrichtung zur Schwingungskompensation bei einem
Kolbenkom pressor
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur
Schwingungskompensation bei einem Kolbenkompressor, dessen Kolbenverdichter mittels Kurbelwelle von einem per Frequenzumrichter angesteuerten Drehstrommotor oder dergleichen angetrieben wird. Ferner betrifft die Erfindung auch einen
Kolbenkompressor, der mit einer solchen Einrichtung ausgestattet ist.
Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sieht vornehmlich auf Fahrzeuge,
insbesondere Schienenfahrzeuge. Da prinzipiell der Bauraum in Fahrzeugen begrenzt ist, kommen hierfür meist recht kompaktbauende Kolbenkompressoren zum Einsatz, an der meist mehrstufige Kolbenverdichter ein Elektromotor direkt angeflanscht ist, um den Kolbenverdichter anzutreiben. Das Lastmoment ML eines Kolbenverdichters erzeugt im Zusammenspiel mit dem Drehmoment MM eines antreibenden Motors ein
Erregermoment um die Drehachse des gesamten Kolbenkompressors, welches zu unerwünschten Drehschwingungen führt. Da bei den Kolbenkompressoren der hier interessierenden Art das Drehmoment MM des Motors dem Lastmoment ML des
Kolbenverdichtes zeitverzögert folgt, erhöht sich ungünstiger Weise das
Erregermoment.
Aus der DE 100 58 923 Algeht ein gattungsgemäßer Kolbenkompressor hervor, dessen mehrstufiger Kolbenverdichter mit einem direkt hieran angeflanschten
Elektromotor angetrieben wird. Der Kolbenkompressor ist über mehrere
schwingungsdämpfende Drahtseilfedern stehend an der Chassis des Fahrzeuges befestigt, um eine Schwingübertragung vom Kolbenkompressor zum Fahrzeug hin zu vermindern.
Auch die EP 1 242 741 A1 beschreibt die Problematik der Schwingungsanregung von Kolbenkompressoren durch Lastmoment ML und Motormoment MM und Maßnahmen zur Schwingungsreduzierung, die zu Bauarten von zweistufigen Kolbenkompessoren mit reduzierter Schwingungserregung führen. Um den Motoreinfluss auf die Schwinungungserregung zu minimieren, wurden zwischen Motor und Kolbenverdichter Schwungmassen verwendet, welche der Schwingungserregung entgegenwirken.
Allerdings verursacht diese technische Lösung einen entsprechenden Materialaufwand und erzeugt eine hiermit verbundene Gewichtssteigerung.
In der Praxis werden Kolbenverdichter meist mit Drehstrommotoren betrieben, welchen ein Frequenzumrichter zugeordnet ist. Mit Hilfe des Frequenzumrichters lässt sich der Kolbenverdichter drehzahlvariabel ansteuern, um insbesondere eine bedarfsgerechte Drucklufterzeugung im Rahmen einer entsprechenden Regelung mit Berücksichtigung von Mindesteinschaltzeiten, Aussetzbetriebintervallen und dergleichen zu realisieren.
Bislang waren Frequenzumrichter, insbesondere solche, die für den
Schienenfahrzeugbetrieb ausgelegt wurden, recht aufwendig konstruiert und vor allem recht großbauend. Außerdem versorgen diese sogenannten Hilfsbetriebeumrichter auf Schienenfahrzeugen nicht nur einen einzigen elektrischen Verbraucher, sondern mehrere, wie beispielsweise auch Klimaanlagen, Traktionslüfter, Gerätelüfter,
Kompressoren und dergleichen. Deshalb konnte bislang ein solcher gebräuchlicher Hilfsbetriebeumrichter nicht auf einen einzelnen Verbraucher abgestimmt werden.
Durch Weiterentwicklungen der Umrichtertechnik und eine hohe Verfügbarkeit von hierin zum Einsatz kommenden Leistungselektronikbauteilen liegen aktuell
Randbedingungen vor, welche es ermöglichen, Frequenzumrichter direkt einem Antrieb zuzuordnen und diese dort auch zu platzieren.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren sowie eine
Einrichtung zur Schwingungskompensation bei einem Kolbenkompressor zu schaffen, das/die mit einfachen technischen Mitteln eine wirksame Schwingungsunterdrückung in jeder Betriebssituation des Kolbenkompressors ermöglicht.
Die Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst.
Einrichtungstechnisch wird die Aufgabe nach Anspruch 7 gelöst. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung wieder.
Die Erfindung schließt die verfahrenstechnische Lehre ein, dass zur
Schwingungskompensation zunächst die aktuelle Position der Kurbelwelle des
Kolbenverdichters ermittelt wird, und durch einen Frequenzumrichter hierauf basierend ein Drehmoment MM den antreibenden Drehstrommotor vorgegeben wird, dass dem Lastmoment ML des Kolbenverdichters folgt, diesem also entspricht, um die
Schwingungsanregung des gesamten Kolbenkompressors zu reduzieren. Da die Schwingungsanregung des Kolbenkompressors aus der Differenz zwischen
Drehmoment MM des antreibenden Motors und Lastmoment ML entsteht, kann durch eine auf der erfindungsgemäßen Lösung basierende Regelung die hieraus
resultierende Schwingungsanregung eliminiert werden. Schwungmassen zwischen Motor und Kolbenverdichter können verkleinert werden oder es kann gänzlich hierauf verzichtet werden.
Unter einem im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung zum Einsatz kommenden Drehstrommotor wird vorzugsweise ein Drehstromasynchronmotor oder ein
Synchronreluktanzmotor verstanden. Vorzugsweise entspricht das dem
Drehstrommotor vorgegebene Drehmoment MM dem Lastmomentenverlauf inklusive einer Phasenlänge. Es ist jedoch auch denkbar, dass das dem Drehstrommotor vorgegebene Drehmoment der ersten Ordnung des Lastmomentenverlaufs entspricht. Versuche haben ergeben, dass eine recht einfach umzusetzende aber sehr wirksame Schwingungskompensationsmethode darin besteht, eben nur den Anteil der ersten Ordnung im Motormoment MM nachzubilden. Höhere Ordnungen werden dabei vernachlässigt. Grundlage hierfür stellt die elastische Lagerung des Kolbenkompressors dar. Diese Lagerung ist so ausgelegt, dass Anregungen oberhalb einer bestimmten Frequenz von Anschlusskonstruktionen ferngehalten werden. Dies hat sich unter diesen Umständen als hinreichend erwiesen. Höhere Ordnungen werden von den elastischen Lagerungen weitgehend ferngehalten. Aus diesem Grunde ist es ausreichend,
Schwingungsanregungen bis einschließlich der ersten Ordnung mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren zu eliminieren. Ebenso hinreichend ist es wenn die Abweichung des dem Drehmoment MM für den Drehstrommotor folgende Lastmoment ML des Kolbenverdichters derart eingestellt ist, dass dieses kleiner als 30% ist. Im Rahmen dieses Abweichungsbereichs folgt das Drehmoment MM des Drehstrommotors nur annähernd dem Lastmoment ML des
Kolbenverdichters, was dennoch eine wirksame Schwingungskompensation ergibt. Im Rahmen aller konstruktiver Randbedingungen hat sich gezeigt, dass das gesamte Schwingungsverhalten durch die erfindungsgemäße elektronische Kompensation um bis zu 70% verbessert werden kann, wobei die Schwingwege des Kolbenkompressors insbesondere bei kleinen Drehzahlen deutlich reduziert werden.
Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass zur Kompensation von Drehzahlschwankungen das vom Drehstrommotor generierte Drehmoment M durch eine Variation der Speisespannung und/oder eine Variation der Pulsbreite im Umrichter erzeugt wird. Somit kann beispielsweise eine Erhöhung des Drehmoments MM erreicht werden, indem die Pulsbreite kurzzeitig vergrößert wird. Hierdurch werden die gewöhnlich vom Kolbenverdichter erzeugten pulsierenden Lastmomente innerhalb des Kompressors geglättet, so dass die hiervon ausgehende Schwingungsanregung weiter minimiert wird. Da das Drehmoment MM des Drehstrommotors proportional zum Motorstrom ist, wird eine Momentenkompensation durch eine Gegenregelung des Motorstroms erreicht. Die Drehmomentspitze kann durch eine entsprechende Ansteuerung der IGBT-Pulsbreite und somit durch einen in diesem Moment veränderten Motorstrom kompensiert werden. Eine entsprechend schnelle Steuerung und stabile Zwischenkreisspannung sind für diese sogenannte «Space Vectoring Modulation» erforderlich.
Vorzugsweise kann eine Erhöhung des Drehmoments MM für den Drehstrommotor durch eine entsprechende Erhöhung der Betriebsspannung in einfacher Weise vom Frequenzumrichter durchgeführt werden. Eine zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens zur Schwingungskompensation vorgesehene
Steuereinheit kann vorteilhafterweise direkt im Frequenzumrichter mit integriert werden. Der Frequenzumrichter selbst ist vorzugsweise direkt am Drehstrommotor angeordnet, um einen einfachen Anschluss an die Drehstromquelle zu gewährleisten. Außerdem kann diese elektronische Baueinheit auch mindestens einen Sensoreingang aufweisen, um hieran einen im Bereich der Motorwelle oder der Kurbelwelle angeordneten
Positionssensor zur Messung der aktuellen Winkelstellung anzuschließen.
Vorzugsweise ist der je nach Drehzahl nachzuregelnde Drehmomentenbedarf in der Logik der im Frequenzumrichter implementierten Steuereinheit hinterlegt.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt eine Blockschaltbilddarstellung eines Kolbenkompressors mit hierin integrierter Einrichtung zur Schwingungskompensation, eine graphische Darstellung der von Motor und Verdichter erzeugten Drehschwingungen gemäß des Standes der Technik, eine graphische Darstellung der von Motor und Verdichter erzeugten Drehschwingungen gemäß der erfindungsgemäßen Lösung hinsichtlich einer ersten Ausführungsform, und eine graphische Darstellung des Drehzahlverlaufs bei der ersten
Ausführungsform,
Fig. 5 eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Strangströme eines
Drehstrommotors als Antrieb gemäß der ersten Ausführungsform,
Fig. 6 eine graphische Darstellung der von Motor und Verdichter erzeugten
Drehschwingungen gemäß der erfindungsgemäßen Lösung hinsichtlich einer zweiten Ausführungsform Fig. 7 eine graphische Darstellung des Drehzahlverlaufs bei der zweiten
Ausführungsform, Fig. 8 eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Strangströme eines Drehstrommotors als Antrieb gemäß der zweiten Ausführungsform.
Fig. 1 zeigt einen im Wesentlichen aus Kolbenverdichter 1 und Drehstrommotor 2 bestehenden Kolbenkompressor. Der Kolbenverdichter 1 ist als eine zweistufige Verdichtereinheit ausgebildet und weist hier zwei Niederdruckzylinder 3a, 3b sowie einen Hochdruckzylinder 4 auf. Die Druckluft wird von der Atmosphäre kommend zunächst im Niederdruckzylinder 3a, 3b vorkomprimiert und anschließend vom
Hochdruckzylinder 4 auf ein noch höheres Druckniveau gebracht, ehe diese erzeugte Druckluft der weiteren Verwertung im Fahrzeug zugeführt wird.
Der Kolbenverdichter 1 weist zur Betätigung des Kolbentriebs von - nicht weiter dargestellten - Kolben der Zylinder 3a, 3b und 4 eine Kurbelwelle 5 auf, welche vom Drehstrommotor 2 angetrieben wird. Der elektrische Drehstrommotor 2 ist mit einem Frequenzumrichter 6 ausgestattet, über welchen der Anschluss an ein Drehstromnetz 7 erfolgt. Dem Frequenzumrichter 6 ist eine elektronische Steuereinheit 8 zugeordnet, welche hierin baulich integriert ist. Eingangsseitig empfängt die elektronsiche
Steuereinheit 8 das Messsignal eines im Bereich der Kurbelwelle 5 angeordneten Positionssensors 9, welcher der elektronischen Steuereinheit 8 die aktuelle
Winkelstellung der Kurbelwelle 5 vorgibt.
Fig. 2 zeigt in graphischer Darstellung den Drehmomentenverlauf bezüglich einer gesamten Umdrehung 0 bis 360° der Kurbelwelle eines Kolbenverdichters des Standes der Technik. Das durchschnittliche Drehmoment des Antriebs liegt bei etwa 50 Nm (Punktlinie). Im Verlauf des Lastmoments ML ist zu erkennen, dass dieses aufgrund einer Druckspitze bei circa 200° Winkelstellung der Kurbelwelle ein Maximum von etwa 140 Nm aufweist. Der dargestellte Verlauf des Lastmoments ML ist charakteristisch für zweistufige Kolbenverdichter, wie in Figur 1 illustriert. Der Motor reagiert auf die dominierende Druckspitze erst zeitverzögert und baut ersichtlicherweise das
Motormoment MM erst phasenversetzt bei circa 0° Winkelstellung der Kurbelwelle auf. Somit kommt das maximale Motormoment M von circa 75 Nm erst dann zur Wirkung, wenn das Lastmoment ML des Kolbenverdichters bereits eingebrochen ist, hier sogar sein minimum erreicht hat. Durch diesen Effekt erhöhen Drehstrommotoren sogar bauartbedingt die Drehschwingungsanregung im Zusammenwirken mit den hiervon angetriebenen Kolbenverdichtern. Die dominierende Druckspitze des Lastmomentes ML von circa 150 Nm resultiert aus der Verdichtung der zweiten Stufe, nämlich dem
Hochdruckzylinder. Der Drehstromantrieb reagiert auf diese Druckspitze und baut sein Drehmoment MM des dargestellten Verlaufs auf. Die Fläche zwischen dem Lastmoment ML und dem Drehmoment MM des Motors ist hier straffiert gekennzeichnet und stellt ein Maß für die Schwingungsanregung um die Kurbelwelle des Kolbenverdichters dar. Wegen des recht großen Flächeninhaltes der straffierten Fläche ist von einer relativ hohen nachteilhaften Schwingungsanregung auszugehen.
Fig. 3 stellt den Drehmomentenverlauf des Drehmoments MM des Motors und des Lastmoments ML des Kolbenverdichtes für eine volle Umdrehung der Kurbelwelle in Folge der erfindungsgemäßen Schwingungskompensation dar. Bei dieser
Ausführungsform erfolgt die Ansteuerung des Motors derart, dass dessen Drehmoment MM dem Lastmoment ML des Kolbenverdichters folgt. Hieraus ergibt sich, dass der Flächeninhalt der Fläche zwischen Lastmoment ML und Motormoment MM gegenüber der vorstehend erläuterten Ausführungsform des Standes der Technik minimal ist, so dass eine sehr geringe Schwingungsanregung erfolgt. Denn der antreibende Motor baut aufgrund der erfindungsgemäßen Steuerung sein Drehmoment MM synchron und insoweit bedarfsgesteuert zum zu bewältigenden Lastmoment MLdes Kolbenverdichters auf. Aufgrund nur minimaler Ungleichförmigkeiten erfolgt eine ebenso minimale
Schwingungsanregung.
Fig. 4 illustriert in Konsequenz dessen einen gleichförmigen Verlauf der Drehzahl n der Kurbelwelle über die gesamte Umdrehung. Dieser entspricht auch in etwa dem mittleren Verlauf der Drehzahl n\
Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf der Strangströme bezüglich der drei Phasen des Drehstrommotors, welcher hier aufgrund der fast kompletten steuerungstechnischen Schwingungskompensation auch als recht gleichförmige jeweilige Sinuskurve ausfällt.
Fig. 6 illustriert hinsichtlich der zweiten Ausführungsform den Drehmomentenverlauf des Drehmoments MM sowie des Lastmoments MLfür eine volle Umdrehung der Kurbelwelle, wobei im Gegensatz zur vorstehend beschriebenen Ausführungsform hier lediglich eine Kompensation hinsichtlich der ersten Ordnung des Lastmomentenverlaufs des Kolbenverdichters durch das Drehmoment MM des Drehstrommotors erfolgt. Daraus ergibt sich, dass im Vergleich zum vorstehend erläuterten Stand der Technik ein deutlich geringerer und gleichmäßig verteilter Flächeninhalt zwischen den Kurven des Verlaufs des Motormoments MM des Drehzahlmotors und des Lastmoments ML des Kolbenverdichers als straffierte Fläche zu einer Schwingungsanregung beiträgt. Die hierdurch erzielte Schwingungskompensation kann als hinreichend für die
erfindungsgegenständliche Anwendung angesehen werden.
Fig. 7 zeigt in Konsequenz dessen, dass die Drehzahl n der Kurbelwelle nur geringfügig um die mittlere Drehzahl n' schwankt. Eine weitgehende Gleichförmigkeit des
Drehzahlverlaufs kann also hier durch die Kompensation der ersten Ordnung des Lastmomentenverlaufs des Kolbenverdichters erzielt werden.
Fig. 8 stellt dementsprechend den zeitlichen Verlauf der Strangströme der drei Phasen des Drehstrommotors dar, welche zwar im Gegensatz zu der vorstehend erörterten quasi vollständigen Erfindungskompensation eine geringfügige Ungleichförmigkeit erkennen lässt. Gleichwohl hält sich der Strangstromverlauf in engen Grenzen, was die Wirkung der erfindungsgemäßen Lösung gemäß der zweiten Ausführungsform belegt.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, anstelle eines zweistufigen Kolbenkompressors auch einen einstufigen Kolbenkompressor mit der erfindungsgemäßen
steuerungstechnischen Schwingungskompensation auszurüsten. BEZUGSZEICHENLISTE
1 Kolbenverdichter
2 Drehstrommotor
3 Niederdruckzylinder
4 Hochdruckzylinder
5 Kurbelwelle
6 Frequenznumrichter
7 Drehstromquelle
8 Steuereinheit
9 Positionssensor
ML Lastmoment Kolbenverdichter
MM Drehmoment Drehstrommotor n Drehzahl
n' durchschnittliche Drehzahl

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Schwingungskompensation bei einem Kolbenkompressor, dessen Kolbenverdichter (1) mittels Kurbelwelle (5) von einem per Frequenzumrichter (6) angesteuerten Drehstrommotor (2) angetrieben wird,
dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Position der Kurbelwelle (5) des
Kolbenverdichters (1 ) ermittelt wird, und durch den Frequenzumrichter (6) hierauf basierend ein Drehmoment (MM) für den Drehstrommotor (2) vorgegeben wird, das dem Lastmoment (ML) des Kolbenverdichters (1 ) folgt, um die Schwingungsanregung des gesamten Kolbenkompressors zu reduzieren.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass das dem Drehstrommotor (2) vorgegebene
Drehmoment (MM) der Phasenlage und dem Lastmomentenverlauf des
Kolbenverdichters (1 ) entspricht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass das dem Drehstrommotor (2) vorgegebene
Drehmoment (MM) der ersten Ordnung des Lastmomentenverlaufs des
Kolbenverdichters (1 ) entspricht.
4. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Winkelstellung der Kurbelwelle (5) des Kolbenverdichters (1 ) sensortechnisch als aktuelle Kurbelwellenposition ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die die Abweichung des dem Drehmoment (MM) für den Drehstrommotor (2) folgende Lastmoment (ML) des Kolbenverdichters (1 ) derart eingestellt ist, dass dieses kleine als 30% ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Erhöhung des Drehmoments (MM) für den Drehstrommotor (2) durch eine entsprechende Erhöhung dessen Betriebsspannung vom Frequenzumrichter (6) durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation von Drehzahlschwankungen das vom Drehstrommotor (2) generierte Drehmoment (MM) durch eine Variation der
Speisespannung und/oder eine Variation der Pulsbreite vom Frequenzumrichter (6) erzeugt wird.
8. Einrichtung zur Schwingungskompensation bei einem Kolbenkompressor, dessen Kolbenverdichter (1 ) mittels Kurbelwelle (5) von einem per Frequenzumrichter (6) angesteuerten Drehstrommotor (2) angetrieben wird,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (8) die aktuelle Position der Kurbelwelle (5) des Kolbenverdichters (1) ermittelt, und dass der Frequenzumrichter (6) hierauf basierend ein Drehmoment (MM) für den Drehstrommotor (2) vorgibt, das dem Lastmoment (ML) des Kolbenverdichters (1) entspricht, um die Schwingungserregung des gesamten Kolbenkompressors zu reduzieren.
9. Einrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Motorwelle oder der Kurbelwelle (5) ein Positionssensor (9) angeordnet ist, der dessen aktuelle Winkelstellung misst, um den Messwert der Steuereinheit (8) zur Verfügung zu stellen.
10. Einrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (8) im Frequenzumrichter (6) integriert ist, welcher in oder am Drehstrommotor (2) angeordnet ist.
1 1 . Kolbenkompressor zur Erzeugung von Druckluft, insbesondere für ein Fahrzeug, umfassend einen Kolbenverdichter (1 ), den ein hieran angeflanschter Drehstrommotor (2) antreibt, und eine Einrichtung zur Schwingungskompensation nach einem der vorstehenden Ansprüche 7 bis 9.
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