SE445759B - Anordning for reglering av gastrycket i en for leverering av tryckgas avsedd tryckgasvolym ansluten till en kompressor - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 ,s1o77se-2 , kompressorn under det att inget produktivt arbete utförs. I praktiken använder moderna kompressoranläggningar en kombination av ovannämnda kända metoder varvid motorn startas och stoppas på ett . kontrollerat sätt så att alltför ofta förekommande motorstarter undviks. Därutöver erforderlig reglering erhålles medelst avlastning.

Ett syfte* med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en kompressordirektdrift innefattande en borstlös växelströmsmotor varvid trycket i en gasvolym ansluten till kompressorn styrs medelst styrning av växelströmsmotorns hastighet.

Ett ytterligare ändamål med uppfinningen är att tillhandahålla medel -för att känna ett förinställt maximalvärde på det levererade gastrycket och för att sänka amplitud och frekvens på spänningen som tillförs växelströmsmotorn till noll, när _det_ förinställda maximaltrycket överskrids, för att stoppa motorn. l " Ännu ett ändamål med uppfinningen är att tillhandahålla en behållare med avlastningsventil på nedströmssidan om kompressorn för att avlasta behållaren när motorn stoppas. Detta gör.det möjligt att återstarta motorn utan mottryck på kompressorn.

Ett ytterligare ändamål med uppfinningen är att tillhandahålla medel för styrning av motorströmmen så strömen vid normal hastighet och fullast aldrig överskrids under motorstart, varigenom täta motorstarter kan tillåtas utan att motorn överhettas.

Med föreliggande uppfinning, som definieras av de efterföljande patentkraven, erhålles ett flertal fördelar.

Kompressorn kan drivas direkt av växelströmsmotorn med optimal hastighet utan användning av växellåda eller annan anordning som normalt erfordras för att ändra motorhastigheten till den optimala kompressozhastigheten. Eftersom sådana :nordningar är dyrbara, inför effektiärluster, utsätts för förslitning och kan orsaka buller, är det möjligt att göra kompressoranläggningen billigare, spara energi 10 15 20 25 30 35 8107756-2* och förbättra systemets tillförlitlighet medelst föreliggande uppfinning.

Möjligheten att köra växelströmsmotorn med högre hastigheter än de som uppnås vid nätfrekvens gör det möjligt att minska motorstorleken för en given effekt. Anledningen är att växelströmsmotorns storlek är proportionell mot drivmomentet, som är omvänt proportionellt mot _motorhastigheten vid en given uteffekt.

Eftersom en frekvensomvandlare kan leverera en spänning med praktiskt taget vilken frekvens som helst är det möjligt att välja antalet poler på växelströmsmotorn i syfte att minska kostnaderna för motorn. Det är känt att en fyrpolig motor har ett bättre förhållande mellan aktivt inaktivt material än en tvâpolig motor.

Den fyrpoliga motorn är därför billigare för ett givet märkmoment.

Eftersom amplituden och frekvensen på utgângsspänningen från frekvensomvandlaren kan ökas från noll till fullhastighetsvärden på ett kontrollerat sätt kan motorn accelereras med en ström som inte är större än strömen vid normal hastighet och full belastning.

P.g.a. den gradvisa uppbyggnaden av moment och hastighet erhålles en mycket mjuk motorstart utan mekaniska stötbelaštningar som uppträder när en växelströmsmotor startas vid nätfrekvens.

P.9.a. avsaknaden av överströmmar vid motorstart och p.g.a. den mycket mjuka motorstarten är antalet motorstarter per timma praktiskt taget obegränsat.

I de flesta kompressorinstallationer finns det en tryckmedium- behållare för att jämna ut variationer i efterfrågan på tryckmedium.

Eftersom kompressorkapaciteten enligt föreliggande uppfinning reg- leras inom ett stort område medelst hastighetsstyrning och p.g.a. det obegränsade antalet motorstarter är det möjligt att minska eller t.o.m. utesluta tryckmediumbehållaren. 10 15 20 25 30 »- aiovvse-2 4 e..

När kompressorkapaciteten minskas minskas energiförbrukningen proportionellt. Kompressorns effektivitet förbättras därför väsentligt i jämförelse med känd teknik vid dellast.

Eftersom kompressorkapaciteten regleras medelst hastighetsstyrning kan normala kapacitetsregleringsanordningar såsom inloppsstrypventiler på rotorkompressorer eller inloppsventillyftare på kolvkompressorer uteslutas.

En utföringsform av uppfinningen beskrivs nedan med hänvisning till bifogade ritning på vilken fig 1 visar en kompressoranläggning med drivsystem enligt uppfinningen. Fig. 2 visar effektkretsarna för drivning av den borstlösal växelströmsmotorn. Fig. 3 visar styrenheten i fig. 2. Fig. 4 visar en regulator i styrenheten enligt fig. 3. Fig. 5 visar en överföringsfunktion för regulatorn i fig. 41 e----_ -v-'e _.

Kompressoranläggningen som visas i fig. 1 innefattar en kompressor 101 som medelst en axel 102 är direktkopplad till en borstlös växelströmsmotor 23, varigenom kompressorn drivs med sama hastighet som motorn. rKompressorn som visas på ritningen är av den 0 oljeinsprutade typen, företrädesvis en skruvkompressor, men kan vara av vilken typ som helst, exempelvis en kolvkompressor. Vid en skruvkompressor är axeln 102 antingen en av skruvaxlarna eller kopplad till en av dessa. Vid en kolvkompressor är axeln vevaxeln.

Gas som skall komprimeras komer in i kompressorn 101 via inloppsfiltret 113. Den komprimerade gasen some levereras av kompressorn 101 leds via backventilen 100 till oljeavskiljaren 104 där oljan avskiljs från gasen och samlas på botten.-0ljan_försf därefter tillbaka via oljekylaren 110, oljefiltret 111' och oljestoppventilen 112 till kompressorns 101 insprutningskammare.

Från den lilla tryckgasbehållaren 104 leds den komprimerade gasen via backventilen 105 till en tryckgasvolym 106, som normalt är ledningssystemet som leder till förbrukarna. Anläggningen är dessutom försedd med en säkerhetsventil 107 och en avlastningsventil 108. Avlastningsventilen styrs av trycket vid kompressorns 101 utlopp så att den intar det på ritningen visade läget när det trycket faller under en viss nivå efter det att motorn 23 stoppats. 10 15 20 25 30 35 5 1 siovvse-2 Behållaren 104 avlastas därvid så att en efterföljande motorstart kan göras utan något mottryck vid kompressorns 101 utlopp.

Den visade motorn 23 är en trefas borstlös växelströmsmotor, exempelvis en asynkronmotor. Motorn matas med effekt från en omvandlare 114 som är ansluten till ett trefasnät. Omvandlaren innefattar en trefaslikriktare, en likströmslänk, en sex switcñelement 31-36 och en styrenhet 10 såsom visat i fig. 2.

Styrenheten är försedd med en ingång 19 för en kontinuerligt varierbar hastighetsstyrsignal och en ingång 20 för en start/stopp-signal. Den visade kompressoranläggningen innefattar tryckavkännande medel 109 som avger en spänning som är proportionell mot trycket i tryckgasvolymen 106. Denna spänning, som är negativ, tillförs via motståndet 120 till en av ingângarna pä-operationsför- stärkaren 118. En referensspänning motsvarande det önskade maximi- trycket i volymen 106 ställs in på potentiometern 116 och tillförs via motståndet 117 till ingången på förstärkaren 118. Den âterkopplade förstärkningen på förstärkaren 118 ställs in på det variabla motståndet 119 och motsvarar den önskade skillnaden mellan maximitryck och minimitryck i volymen 106. Om den inverterande ingången på förstärkaren 118 används kommer spänningen som tillförs ingången 19 att ändras från noll volt, motsvarande minimihastighet för motorn, till ett förutbestämt negativt värde; motsvarande maximihastighet för motorn, när trycket i volymen 106 ändras från maximitryck till minimitryck. Utgångsspänningen från förstärkaren 118 tillförs också medel för avkänning av ett förinställt maximitryck i form av en komparator 115. Om trycket i volymen 106 överstiger det önskade maximitrycket, blir utgàngsspänningen från förstärkaren 118 posivit så att utgångsspänningen från komparatorn 115 ändras från maximalt positiv spänning till maximalt negativ spänning eller omvänt. Denna spänning tillförs ingången 20. Motorn 23 stoppas på detta sätt. Motorn återstartas när utgångsspänningen från förstärkaren 118 blir negativ igen. inverter med Drivsystemet som visas i fig. 2 innefattar en trefaslikriktare 22 som är ansluten till ett standardnät med fast frekvens. Likriktaren levererar likström med i huvudsak konstant spänning till ledningar 10 15 20 25 30 35 s1o71se-2 6 24, 25, som utgör en positiv, 24, och en negativ, 25, pol i en likströmskälla för en inverter. Invertern innefattar sex switchelement 31-36 för att efter varandra förbinda anslutningarna 28, 29, 30 på en borstlös växelströmsmotor 23 till den positiva polen 24 och den negativa polen 25 på likströmskällan.

Switchelementen visas på ritningen som transistorer men skulle naturligtvis vara kombinationer av tyristorer eller andra element.

En diod 27 är antiparallellt placerad över var och en av transistorerna för att ta hand om reaktiva strömmar vid avstängning av transistorn. För att styra invertern tillförs styrsignaler från utgångarna 11-16 på styrenheten 10 såsom visat i fig. 3. Dessa styrsignaler tillförs via förstärkare 26 till basen på respektive transistor. Styrenheten 10 är försedd med ingångar 17, 18 medelst vilka likströmmen i ledningen 24 avkänns. Styrenheten 10 är dessutom 'försedd med en utgång 39 och ingångar 19, 20, 21. Utgången 39 används endast om det under drift är önskvärt att ändra motorns rotationsriktning. Rotationsriktningen väljs genom att tillföra en logisk signal till ingången 21. Om rotation i endast en riktning önskas förbinds ingången 21 antingen med en positiv spänning eller jord. Motorns 23 hastighet kan ändras genom ändring av en spänning som tillförs ingången 19. Om, såsom exempelvis i en slipmaskin, det är önskvärt att driva motorn med en viss hastighet, ansluts ingången 19 till en lämplig spänning som motsvarar den önskade hastigheten.

Ingången 20 är avsedd för att ta emot en start/stopp-signal medelst vilken rotation eller icke rotation väljs.

Styrenheten 10, som visas mer i detalj i fig. 3, innefattar en avkänningsanordning 40 för avkänning av likströmmen i ledningen 24, Denna ström presenteras som en spänning mellan ingângarna 17 och 18.

Utgångssignalen från avkänningsanordningen 40 tillförs till en första toppvärdesavkännare 41, ett lågpassfilter 42, en andra toppvärdesavkännare 43 och en komparator 49. Toppvärdesavkännarna 41 ech 43 innefattar dioder för att reagera på positiva och negativa signaler respektive. Toppvärdesavkännarna innefattar dessutom lågpassfilter. Den första toppvärdesavkännaren 41 har företrädesvis en tidskonstant på cza 4/f där f är den maximala grundtonsfrekvensen hos strömmen som matas till motorn 23. övre gränsfrekvenscn, -3dB, 10 15 20 25 30 35 -,- 8107756-2 för toppvärdesavkännaren 41 är företrädesvis c:a 0,1 f. Lâgpass- filtret 42 har företrädesvis ungefär samma övre gränsfrekvens. Den andra toppvärdesavkännaren 43 har företrädesvis en tidskonstant på c:a 1/f och en övre gränsfrekvens på c:a 0,5 f. ' Toppvärdessignalen från toppvärdesavkännaren 41 tillförs en första regulator 45, som visas mer i detalj i fig. 4. Ingångssignaler från ingângarnà 19 och 20 tillförs medel 44 i form av en rampgenerator.

'Rampgeneratorn 44 innefattar en eller två operationsförstärkare kopplade som integratorer för att förse regulatorn 45 med en ökande rampspänning vid accelerationen vid motorstart och en avtagande rampspänning vid bromsning vid motorstopp. På detta sätt är det möjligt att undvika att strömmen vid normal hastighet och full last överskrids när motorn startas eller stoppas. En ändring av hastighetsbörsignalen vid ingången 19 integreras också av rampgeneratorn 44. Det tar således lite tid innan utgången på rampgeneratorn blir anpassad till ingångssignalerna.

Toppvärdessignalen från den första toppvärdesavkännaren 41 tillförs en av ingångarna på operationsförstärkaren 75 via motståndet 72.

Denna signal jämförs med en referenssignal som förinställts på det variabla motståndet 73 och matas till förstärkaren via motståndet 74. Förstärkaren är försedd med ett återkopplingsmotstånd 76.

Utgångssignalen från förstärkaren 75 tillförs via ett motstånd 77 till dioden 79. Utgångssignalen från rampgeneratorn 44 tillförs via motståndet 78 en av ingångarna på operationsförstärkaren 91.

Förstärkaren 91 är försedd med ett första återkopplingsmotstånd 92 och ett andra återkopplingsmotstånd 93 i serie med dioden 79.

Motståndet 93 har mycket lägre resistans än motståndet 92.

Företrädesvis är förhållandet ungefär 1/20. Om utgângssignalen från förstärkaren 75, mätt vid dioden 79, utgângssignalen från förstärkaren 91, mätt vid dioden 79, är positiv, är dioden 79 backspänd. Förstärkarens 91 återkopplade förstärkning är då hög. Regulatorn 45 arbetar då enligt linjen 94 i fig. 5, varvid antages att signalen från rampgeneratorn 44 är konstant. Om signalen från den första toppvärdesavkännaren 41 öka-, blir utgångssignalen från förstärkaren 75 mindre negativ och vid en är mer negativ än _ 10 15 20 25 30 35 _divisionskrets 46, exempelvis Analog Devices AD 534. 8107756-2 viss signalnivå, nivå 95 i fig. 5, som är förinställd på motståndet 73, blir dioden 79 ledande. Förstärkarens 91 återkopplade förstärkning reduceras nu drastiskt så att den första regulatorn 45 avger en frekvensstyrningssignal enligt linjen 96 i fig. 5. Denna signal blir noll vid ungefär 120 Z av signalen vid nivå 95.

Frekvensstyrningssignalen från utgången på förstärkaren 91 tillförs en spänningsstyrd oscillator 47, utgången 39 _och en analog Den spänningsstyrda oscillatorn avger en utgångssignal vars frekvens är proportionell mot ingångsspänningen.

Den likriktade medelvärdessignal som erhålles från lågpassfiltret 42 motsvarar effekten som tillförs motorn 23 eftersom spänningen på likströmskällan 24, 25 är i huvudsak konstant. Denna signal tillförs divisionskretsen 46 där den divideras med frekvensstyrningssignalen, som är börvärdessignal för motorns 23 rotationshastighet.

Utgângssignalen från divisionskretsen 46 motsvarar således momentkravet från motorn 23. Denna utgângssignal, första spänningsstyrningssignal, tillförs en andra regulator 48. Den negativa toppvärdessignalen, andra spänningsstyrningssignal, som erhålles från den andra toppvärdesavkännaren 43 tillförs också regulatorn 48 så att utgångssignalen från regulatorn 48 blir proportionell mot skillnaden mellan den första och den andra spänningsstyrningssignalen. Den negativa toppvärdessignalen från toppvärdesavkännaren 43 motsvarar graden av magnetisering av motorn 23. Denna signal erhålles från negativa pulser som matas tillbaka till likströmskällan när transistorerna 31-36 stängs av. Genom att styra nivån på dessa negativa pulser är det möjligti att erhålla en förutbestämd magnetiseringsnivå på motorn vilket tillåter ett högt förhållande mellan effekt och vikt och undvikandet av övermättning, vilket skulle ge oacceptabla förluster.

Om signalen från avkänningsmedlet 40 överskrider en förutbestämd nivå blir utgången från komparatorn 49 låg. Som resultat blir OCH-grindarnas 82, 84 och 86 utgångar 12, 14 och 16 låga. Detta innebär att de undre transistorerna 32, 34 och 36 i invertern stärçs av så att motoranslutningarna 28, 29 och 30 avskiljs från _15 20 25 30 9 s1n77se-2 likströmskällans negativa pol 25. Denna frånskiljning fungerar således som transientströmskydd för invertern.

Utgångssignalen från den spänningsstyrda oscillatorn 47 tillförs en timer 51, företrädesvis en industriell timer av standardtyp 555, och till en divisionskrets 50. Divisionskretsen 50 är företrädesvis en programmerbar räknare som avger ett pulståg som har en frekvens som är lika med frekvensen hos ingångssignalen dividerad med en vald konstant. Timern 51 avger ett pulståg vars frekvens är lika med frekvensen pâ utgångssignalen från den spänningsstyrda oscillatorn 47. Pulsbredden styrs av utgångssignalen från den andra regulatorn 48. Detta pulståg tillförs OCH-grindarna 81, 83 och 85. Pulståget från divisionskretsen 50 tillförs som klocksignal ringräknaren 52. I ringräknaren lagras en etta och fem nollor. Ettan skiftas runt av pnlståget från utgången 53 till utgången 58 och tillbaka till 53.

Detta utgör en period för grundtonsfrekvensen på strömen som tillförs motorn 23. Utgângarna 53-58 på ringräknaren 52 avkodas medelst ELLER-grindarna 59, 60 och 61. Utgången på var och en av dessa grindar är hög hälften av tiden och låg hälften av tiden. En investerare 62 och NAND-grindar 63-68 finns till hands för att välja rotationsriktning på motorn 23. Utgångssignalerna från grindarna 59, 60 och 61 tillförs OCH-grindarna 81-86 för att styra switchtranssistorerna 31-36 i invertern. Ingàngarna på grindarna 82, 84 och 86 är försedda med inverterare 71, 70 och 69. - Eftersom pulsbredden på pulserna som lämnar timern 51 förblir konstant oberoende av frekvensen om signalen från regulatorn 48 är konstant, kommer medelvärdet över en halvperiod av grundtonen hos den spänning som tillförs godtycklig motoranslutning att ändras simultant med frekvensen i enlighet med grundläggande elektromagnetiska lagar. Tilläggsstyrning av medelvärdesspänningen erhålles genom att variera pulsbredden, som styrs av regulatorn 48.

Claims (6)

8107756-2- 10 Patentkrav:

1. Anordning för reglering av gastrycket i en för leverering av tryckgas avsedd tryckgasvolym (106) ansluten till en kompressor innefattande en kompressor (101) direktkopplad till en borstlös växelströmsmotor (23) för att drivas med samma hastighet som motorn samt en omvandlare (114) för att förse motorn med drivspänning med variabel amplitud och frekvens, k ä n n e t e c k n a d a v tryckavkännande medel (109) förbundet med sagda gasvolym (106) för avkänning av gastrycket däri, att sagda tryckavkännande medel är förbundet med omvandlaren (114) för att samtidigt ändra amplitud och frekvens på sagda drivspänning i en riktning som har ett tecken som är motsatt tecknet för ändringsriktningen för trycket i sagda gasvolym samt medel (44) för att styra amplitud och frekvens på sagda drivspänning så att strömmen vid normal hastighet och full last på motorn (23) aldrig överskrids under motorstart.

2. Anordning enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d a v medel 115 för avkänning av ett förinställt maximivärde på sagda gastryck och för att minska amplituden och frekvensen på sagda drivspänning till noll när sagda maximivärde överskrids , varigenom motorn (23) stoppas.

3. Anordning enligt patentkravet 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d a v en tryckgasbehâllare (104) ansluten till kompressorn (101) och en avlastningsventil (108) förbunden med behållaren, varvid sagda avlastningsventil styrs av trycket vid kompressorns utlopp sä att behållaren avlastas när motorn (23) stoppas.

4. Anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d a v att sagda omvandlare (114) innefattar switchmedel (31-36) för att i tur och ordning förbinda motoranslutningar (28,Z9,30) på den borstlösa växelströmsmotorn (23) med en positiv pol (24) och en 8107756-2 11 negativ pol (25) på en likströmskälla, avkänningsmedel (40) för att avkänna likströmmen, att sagda avkänninqsmedel är anslutet till en första Lonpvardesavkännare (41) med en förutbestämd tidskonstant, att sagda första toppvärdesavkännare avger en toppvärdessignal motsvarande den avkända strömmen, att sagda första toppvärdesavkännare är ansluten till en första regulator (45) för bildning av en frekvensstyrsignal för att styra till- och frånslag av sagda switchmedel (31-36) och att sagda första regulator har en sådan överföringsfunktion att sagda frekvensstyrsignal minskas av sagda första regulator när sagda toppvärdessignal överskrider ett förutbestämt värde.

5. Anordning enligt patentkravet 4, k ä n n e t e c k n a d a v ett lägpassfilter (42) som är anslutet till sagda avkänningsmedel (40), varvid sagda lågpassfilter avger en likriktad medelvärdessignal motsvarande den avkända strömmen, en divisionskrets (46) ansluten till sagda lågpassfilter och till sagda första regulator (45), varvid sagda divisionskrets bildar en första spänningsstyrningssignal genom att dividera den likriktade medelvärdessignalen med frekvensstyrningssignalen och att en andra regulator (48) är ansluten till sagda divisionskrets för att bilda en utgångssignal som ändrar sin amplitud i samma riktning som sagda första spänningsstyrningssignal, varvid sagda utgångssignal styr den tid som sagda switchmedel (31-36) är tillslagna.

6. Anordning enligt patentkravet 5, k ä n n e t e c k n a d a v en andra toppvärdesavkännare (43) som är ansluten till sagda avkänningsmedel (40), varvid sagda andra toppvärdesavkännare avger en andra spänningsstyrningssignal svarande mot negativa pulser som avkänns när sagda switchmedel (31-36) stängs av, att sagda andra toppvärdesavkännare är ansluten till sagda andra regulator (48) så att en ändring i amplituden på sagda andra spänningsstyrningssignal orsakar en ändring i amplituden på sagda utgångssignal som är motsatt mot den ändring som orsakas av sagda första spänningsstyrningssignal.