WO2000052337A1

WO2000052337A1 - Vorrichtung und verfahren zur regelung eines kompressors durch drosselung des ansaugvolumenstroms

Info

Publication number: WO2000052337A1
Application number: PCT/EP2000/001676
Authority: WO
Inventors: Andreas Foerster
Original assignee: Kaeser Kompressoren Gmbh
Priority date: 1999-03-04
Filing date: 2000-02-29
Publication date: 2000-09-08
Also published as: AU3553200A; DE19916768A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung eines Kompressors (1) durch Drosselung des Ansaugvolumenstroms, mit einem auf den Einlass des Kompressors (1) angebrachten Einlassventil (4), welches eine Drosseleinrichtung (5) mit einem Drosselorgan (6) aufweist, das an ein bewegbares Stellelement (7) gekoppelt ist, welches von einer elektronischen Steuervorrichtung (11) ansteuerbar ist, an der ein am Auslass des Kompressors (1) angebrachter elektronischer Drucksensor (12) zur Erfassung des Betriebsdrucks angeschlossen ist, wobei des Stellelement (7) des Drosselorgans (6) in Abhängigkeit vom durch den Drucksensor (12) erfassten Betriebsdruck-Istwert und einem an der Steuereinrichtung (11) voreinstellbaren Betriebsdruck-Sollwert ansteuerbar ist. Um eine Saugdrosselung zu ermöglichen, die die Probleme von pneumatischen und hydraulischen P-Reglern vermeidet, schlägt die Erfindung vor, dass das Drossellorgan (6) mit einem hydraulischen bzw. pneumatischen Stellelement (7) gekoppelt ist, welches über Steuerleitungen (8, 9) mit Steuermedium beaufschlagbar ist, wobei in die Steuerleitungen (8, 9) mindestens eine Drosselstelle (13) und mindestens ein elektrisches Steuerventil (10) eingegliedert ist, das an die elektronische Steuervorrichtung (11) angeschlossen und von dieser ansteuerbar ist.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Regelung eines Kompressors durch Drosselung des Ansaugvolumenstroms

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung eines Kompressors durch Drosselung des Ansaugvolumenstroms (Ansaugdrosselung), mit einem auf dem Einlaß des Kompressors angebrachten Einlaßventil, welches eine Drosseleinrichtung mit einem Drosselorgan aufweist, das an ein bewegbares Stellelement gekoppelt ist, welches von einer elektronischen Steuereinrichtung ansteuerbar ist, an der ein am Auslaß des Kompressors angebrachter elektronischer Drucksensor zur Erfassung des Betriebsdrucks angeschlossen ist, wobei das Stellelement des Drosselorgans in Abhängigkeit vom durch den Drucksensor erfaßten Betriebsdruck- Istwert und einem an der Steuereinrichtung voreinstellbaren Betriebsdruck-Sollwert ansteuerbar ist. Weiterhin ist ein Regelverfahren für Kompressoren durch Ansaugdrosselung Gegenstand der Erfindung.

Die Regelung der Fördermenge von Kompressoren und damit des am Ausgang anstehenden Betriebsdrucks durch Ansaugdrosselung ist ein relativ einfaches Regelverfahren. Durch die Drosseleinrichtung am Einlaßventil wird dabei der Ansaugvolumenstrom des Kompressors mehr oder weniger gedrosselt, und zwar abhängig davon, ob der vom Drucksensor gemessene Betriebsdruck- Istwert von dem vorgegebenen Sollwert nach oben oder unten abweicht. Bei schwankendem Liefermengenbedarf wird der Betriebsdruck auf diese Weise relativ konstant gehalten.

Insbesondere in stark gedrosselten Betriebszuständen ist diese Regelung durch Ansaugdrosseiung in der Energiebilanz anderen, technisch aufwendigeren Regelungsarten unterlegen. Dennoch wird sie wegen ihres geringen Aufwands und ihrer guten Regelungsdynamik nach wie vor häufig angewendet.

Bereits vor der Einführung elektronischer Kompressorsteuerungen ist die Regelung durch Ansaugdrosselung über einen pneumatischen oder hydrauli- sehen Regelkreis bekannt gewesen. Dabei beaufschlagt ein an den Betriebsdruck angeschlossener, pneumatischer oder hydraulischer Proportionalregler (P-Regler) das meist in Form eines Stellzylinders ausgebildete Stellelement des Drosselorgans mit Steuermedium. Unter normalen Betriebsbedingungen arbeiten derartige Regelvorrichtungen relativ zuverlässig. Dem stehen allerdings die Nachteile gegenüber, daß pneumatische oder hydraulische P-Regler technisch aufwendig und daher kostspielig sind und wegen der relativ geringen Strömungsquerschnitte gegenüber Funktionsstörungen durch Verschmutzungen empfindlich sind. Darüber hinaus lassen sich integrierende Regelcharakteristiken, beispielsweise Pl (Proportional-Integral) oder PID (Proportional-Integral-Differential) nicht mit vertretbarem Aufwand umsetzen. Abgesehen von der bei P-Reglem auftretenden, prinzipbedingten bleibenden Regelabweichung kommt das weitere Problem hinzu, daß bei Einlaßventilen mit Drosselorganen in Form linear bewegter Ventilteller nichtlineare Stellkräfte auftreten, denen man im Stand der Technik, beispielsweise in der US-PS 5,533,873, durch Verwendung nichtlinearer Federelemente begegnet ist, ohne dieses Problem jedoch befriedigend zu lösen. Selbst bei dieser weiterentwickelten Ausführung ist zudem nach wie vor die Veränderung der Sollwert-Vorgabe durch mechanische Veränderung der Federvorspannung mittels einer Einstellschraube oder dergleichen erforderlich.

Die zunehmende Verbreitung elektronischer Kompressorsteuerungen hat im Stand der Technik bereits zu Ansätzen geführt, die Ansaugdrosselung darin ebenfalls zu integrieren. Derartige Regelvorrichtungen ergeben sich beispielsweise aus der US-PS 5,388,968 und US-PS 5,540,558.

Bei diesen Regelungseinrichtungen mit den eingangs erwähnten Merkmalen wird der Betriebsdruck-Istwert mit einem elektrischen Drucksensor gemessen und an den Eingang einer elektronischen Steuereinrichtung gegeben, die im wesentlichen eine elektronische Regelschaltung enthält. Diese Steuerein- richtung steuert mit ihrem Ausgang ein motorisch bewegbares Stellelement, welches das Drosselorgan öffnet bzw. schließt.

Der Einsatz elektronischer Steuerungen hat den grundsätzlichen Vorteil, daß die Realisierung von Pl- bzw. PID-Regelcharakteristiken ohne weiteres möglich ist. Außerdem kann der Betriebsdruck-Sollwert einfach an der elektronischen Steuereinrichtung eingestellt werden. Ein wesentliches Problem ergibt sich allerdings daraus, daß das Steuersignal der Steuervorrichtung naturgemäß ein elektrisches Signal ist, welches zur Ansaugdrosselung zunächst in eine Verstellung des Drosselorgans umgesetzt werden muß.

Im Stand der Technik wird hierzu beispielsweise in der US-PS 5,388,968 vorgeschlagen, eine lineare Positionierung eines Drosselorgans über einen Schrittmotor-Spindelantrieb vorzusehen. Aus der US-PS 5,5440,558 geht die Verwendung eines durch einen Gleichstrommotor angetriebenen Linearantriebs hervor. Die dabei eingesetzten Steuerventile weichen jedoch ganz erheblich von den üblicherweise verwendeten pneumatisch gesteuerten Einlaßventilen ab. Für Ausführungen mit bzw. ohne Ansaugdrosselung müssen folglich unterschiedliche Typen von Einlaßventilen bereitgehalten werden. Darüber hinaus sind die bekannten Ausführungen von elektrisch betätigten Einlaßventilen relativ kompliziert aufgebaut und damit entsprechend kostspielig und empfindlich.

Angesichts der vorangehend erläuterten Problematik liegt der Erfindung die Aufgabenstellung zugrunde, eine Ansaugdrosselung unter Verwendung einer elektronischen Steuereinrichtung zur Verfügung zu stellen, die zum einen die Probleme von pneumatischen und hydraulischen P-Reglem vermeidet und zum anderen eine weniger aufwendige Ausführung ermöglicht, als die im Stand der Technik vorbekannten elektronischen Ansaugdrosselregelungen.

Zur Lösung dieser Aufgabenstellung schlägt die Erfindung eine Regelvorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen vor, bei der das Drosselorgan mit einem hydraulischen bzw. pneumatischen Stellelement gekoppelt ist, welches über Steuerleitungen mit hydraulischem bzw. pneumatischem Steuermedium beaufschlagbar ist, wobei in die Steuerleitungen mindestens eine Drosselstelle und mindestens ein elektrisches Steuerventil eingegliedert ist, das an die elektronische Steuervorrichtung angeschlossen und von dieser ansteuerbar ist.

Die Besonderheit der Erfindung liegt darin, daß ein hydraulisch oder pneumatisch verstellbares Einlaßventil verwendet wird, wie es beispielsweise von Kompressoren mit Las Leerlaufregelung her bekannt ist. Dessen Betätigung erfolgt hydraulisch bzw. pneumatisch über elektrisch zu schließende bzw. zu öffnende Steuerventile, die ihrerseits an die elektronische Steuereinrichtung angeschlossen sind. Dabei sind weder aufwendige elektrische Stellelemente, noch anfällige hydraulische oder pneumatische Druckumsetzer erforderlich.

Durch die erfindungsgemäße Kombination werden praktisch die Vorteile der bekannten hydraulischen bzw. pneumatischen Regelkreise mit denen moderner elektronischer Steuereinrichtungen kombiniert. So sind beliebige Reglercharakteristiken, beispielsweise P-, Pl- oder PID-Regler, mit beliebigen Parameterwerten mit geringem Aufwand einfach durch entsprechende Programmierung der elektronischen Steuereinrichtung realisierbar. Darüber hinaus ist die Einrichtung einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung unter Benutzung der bislang vielfach verwendeten, bewährten Einlaßventile von Kompressoren mit LasWLeerlaufregelung unter geringem Aufwand durchführbar, da diese Ventile einfach mit der erfindungsgemäßen elektronischen Steuerung über Steuerventile ausgerüstet werden können. Die dazu erforderlichen Bauteile sind insgesamt robuster und deutlich kostengünstiger als die bekannten elektrischen Stellvorrichtungen.

Im Gegensatz zu den pneumatischen/hydraulischen Regelkreisen sind die aufwendigen und empfindlichen hydraulischen oder pneumatischen P-Regler nun nicht mehr erforderlich. Die statt dessen eingesetzten Steuerventile haben zudem größere Strömungsquerschnitte, sind im Betrieb weniger anfällig und darüber hinaus kostengünstiger.

Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung sieht vor, daß ein Steuerventil in einer zum Stellelement führenden (Zufuhr-) Steuerleitung und eine Drosselstelle in einer vom Stellelement abführenden (Abfuhr-) Steuerleitung liegt. Alternativ kann das Steuerventil in einer vom Stellelement abführenden Steuerleitung und die Drosselstelle in der zum Stellelement führenden Steuerleitung liegen. Die Drosselstelle für das Steuermedium kann durch eine an sich bekannte Düse realisiert werden. Für das Steuerventil sind Ausführungen von elektrisch fernsteuerbaren Ventilen einsetzbar, wie sie im Stand der Technik in unterschiedlichen Ausführungen mit verschiedenen Schalteigenschaften bekannt sind.

Eine weitere Alternative zu den vorgenannten Ausführungen sieht vor, daß mindestens ein Steuerventil in einer sowohl zuführend als auch abführend schaltbaren Steuerleitung liegt. Das Stellelement der Drosseleinrichtung, beispielsweise ein hydraulischer oder pneumatischer Stelizylinder, verfügt dabei lediglich über einen einzigen Anschluß für das Steuermedium, an dem die Steuerleitung angeschlossen ist. Über diese wird das Stellelement je nach Stellung des Steuerventils alternierend, d. h. wahlweise mit Steuermedium beaufschlagt oder entlastet. Das Steuerventil ist hierzu als 3/2-Wegeventil (Umschaltventil) ausgebildet. Es ist eingangsseitig mit zuführenden und abführenden Steuerleitungen verbunden, während die Verbindung zum Stellelement über die besagte kombinierte schaltbare Steuerleitung erfolgt. Die Drosselstelle kann dabei entweder in der schaltbaren Steuerleitung oder vor dem Umschaltventil liegen.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß das Steuerventil ein elektrisches Pilotventil und einen daran angeschlossenen Volumenverstärker aufweist, wobei das Pilotventil an die Steuervorrichtung angeschlossen ist und der Volumenverstärker in die Steuerleitungen eingegliedert ist. Der besondere Vorteil dieser Ausführung liegt darin, daß durch den Volumenverstärker größere Strömungsquerschnitte des Steuermediums handhabbar sind, als dies mit handelsüblichen 2/2-Wegeventilen möglich wäre. Auf diese Weise ist eine schnelle Betätigung der Drosseleinrichtung mit größeren Steuermittel-Volumen ohne weiteres möglich.

Zweckmäßigerweise sind die Steuerventile als Magnetventile ausgebildet, die ein elektrisches Steuersignal elektromagnetisch in einen mechanischen

Schaltvorgang umsetzen und technisch ausgereift und besonders zuverlässig sind. Die Schaltcharakteristik der Steuerventile richtet sich nach den Ausgangssignalen der Steuervorrichtung. Durch die Verwendung eines 2/2-Wegeventils, welches lediglich die Schaltpositionen "Offen" und "Geschlossen" hat, oder eines 3/2-Wegeventils für eine schaltbare Steuerleitung, läßt sich besonders einfach eine getaktete Beaufschlagung des Stellelements realisieren, was lediglich eine digitale Ansteuerung durch die Steuervorrichtung erfordert. Falls die Steuervorrichtung ein analoges Ausgangssignal abgibt, kann das Steuerventil als analog ansteuerbares, stufenlos verstellbares Stellventil ausgebildet sein. Dadurch wird eine besonders gleichmäßige Proportionaleinstellung möglich.

Vorzugsweise ist die Steuerleitung an den Ausgang des Kompressors angeschlossen, womit als Steuermedium ein Kompressor-Betriebsmedium eingesetzt wird. Als Steuermedium kann beispielsweise ein Teil des von dem Kompressor verdichteten Gases abgezweigt werden. Die Steuerleitung wird hierzu am Kompressorausgang angeschlossen und dadurch mit Betriebsdruck beaufschlagt. Alternativ kann Druckgas aus einer externen Druckmittelquelle als Steuermedium genutzt werden.

Ein hydraulisches Steuermedium ist ebenfalls einsetzbar. Dieses kann bei einem Kompressor mit Flüssigkeitseinspritzung, wie etwa einem Schraubenverdichter, ein Teil der nach dem Verdichtungsvorgang aus dem verdichteten Gas abgeschiedenen Einspritzflüssigkeit sein.

Bei der Flüssigkeitseinspritzung wird vor bzw. während des Verdichtungsvorgangs zur Schmierung und Kühlung Flüssigkeit eingespritzt, in der Regel Öl, welches nach der Verdichtung wieder aus dem Druckgas abgeschieden, rückgekühlt und im geschlossenen Kreislauf erneut eingespritzt wird. Aus diesem bereits vorhandenen Kreislauf wird nunmehr einfach ein Teil der Flüssigkeit als Steuermedium abgezweigt.

Vorzugsweise münden die ableitenden Steuerleitungen an einer Stelle in den Kompressor ein, wo im Betrieb bereits eine teilweise Verdichtung des Betriebsmediums vorliegt. Das Steuermedium wird dadurch nicht voll gegen Atmosphäre expandiert, so daß die bereits aufgewendete Verdichtungsarbeit nicht nutzlos verloren geht. In den größeren Kompressoranlagen können die Steuervolumenströme nämlich eine derartige Größe erreichen, daß dadurch eine merkliche Energieeinsparung möglich ist.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die das Steuermedium von der Stelleinrichtung ableitenden Steuerleitungen an den Kom- pressor angeschlossen sind. Das verbrauchte Steuermedium wird dabei der Kompressoranlage an einer Stelle mit niedrigerem Druck als dem Betriebsdruck wieder zugeführt, beispielsweise im Ansaugbereich des Kompressors. Daran ist vorteilhaft, daß kein Steuermedium in die Umgebung abgegeben wird.

Eine praktische Ausführung der Erfindung sieht vor, daß das Drosselorgan der Drosseleinrichtung als Ventilteller ausgebildet ist, der an der als Stelizylinder ausgebildeten Stelleinrichtung angebracht ist. Dabei handelt es sich um eine bewährte Konstruktion von Einlaßventilen, wie sie bereits bei Kompressoren mit LasWLeerlaufregelung oder mit Ansaugdrosselung durch pneumatische P-Regler zum Einsatz gelangen. Durch die Installation der erfindungsgemäßen Steuerung sind derartige Kompressoranlagen mit geringem technischen Aufwand auf Ansaugdrosselregelung umrüstbar. Die einfache Programmierbarkeit der elektronischen Steuervorrichtung sorgt dafür, daß das Betriebsverhalten eines derartigen Einlaßventils einfach durch entsprechende Programmierung vorgegeben werden kann.

Das Betriebsverfahren der vorangehend erläuterten, erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung zur Ansaugdrosselung ist ein erfindungsgemäßes Regelungsverfahren, bei dem in der Steuervorrichtung der vom Drucksensor gemessene Betriebsdruck-Istwert mit einem in der Steuervorrichtung vorgegebenen Betriebsdruck-Sollwert verglichen wird und bei einer Abweichung der Werte gemäß einer vorgegebenen Regelcharakteristik mindestens ein Steuerventil angesteuert wird, so daß das Stellelement mit Steuermedium unter Steuerdruck beaufschlagt wird, der durch Betätigung des Steuerventils eingestellt wird, um die Drosseleinrichtung weiter zu schließen, wenn der Betriebsdruck-Istwert größer ist als der Betriebsdruck-Sollwert und durch Betätigung des Steuerventils eingestellt wird, um die Drosseleinrichtung weiter zu öffnen, wenn der Betriebsdruck-Istwert kleiner ist als der Betriebsdruck-Sollwert. Die Besonderheit dieses Verfahrens liegt darin, daß von der Steuereinrichtung, anders als im Stand der Technik, nunmehr lediglich die Steuerventile angesteuert, d. h. betätigt werden. Dabei sind durch die erfindungsgemäße Kombination von elektrischen Steuerventilen und mit Steuermedium beaufschiagbaren Stellelementen der Drosselvorrichtung besondere Betriebsmöglichkeiten realisierbar.

Besonders vorteilhaft ist, daß das Steuerventil von der Steuereinrichtung mit digitalen Signalen angesteuert wird. Die Steuerventile können dabei als einfache, robuste und kostengünstige 2/2- oder 3/2-Wegeventile ausgebildet sein, deren Schaltstellungen "Geöffnet" bzw. "Geschlossen" den digitalen Schaltzuständen "An" bzw. "Aus" entsprechen. Die digitale Taktung des Steuermedienflusses wird am Stellelement, beispielsweise einem Stelizylinder über die Zeit integriert. Die dabei prinzipbedingt auftretenden periodischen Schwankungen des Steuerdrucks sind ausgesprochen vorteilhaft, da sie Stick-Slip-Effekten aufgrund mechanischer Reibung im Stellelement entgegenwirken. Damit wird die Regelungsgüte verbessert.

Die digitale Ansteuerung der Steuerventile wird dadurch optimiert, daß sie mit pulsweitenmodulierten Signalen angesteuert werden. Dadurch wird eine präzise Einstellbarkeit gegeben, ohne daß aufwendige und kostspielige Analogumsetzer erforderlich wären. Durch einfache Variation der Pulsweiten wird im Stellelement ein mittlerer Steuerdruck vorgegeben, der sich aus dem Verhältnis der Zu- und Abfuhr des Steuermediums über die Steuerventile ergibt. Je nach Einstellung des Tastverhältnisses der Schaltimpulse ist dieser mittlere Steuerdruck höher oder niedriger, so daß eine Einstellung gemäß den Vorgaben der Regelung erfolgt.

Vorzugsweise liegt die Frequenz der pulsweitenmodulierten Steuersignale im Bereich von 2Hz bis 50Hz.

Vorteilhafterweise bestehen die Steuersignale aus Ein-Signalen und

Aus-Signalen jeweils konstanter oder variabler Dauer und konstanter oder variabler Frequenz. Dadurch sind technisch einfache und zuverlässige Frequenzsteuerung bzw. Impulssteuerungen mit konstantem oder variablem Tastverhältnis realisierbar.

Alternativ zur digitalen Ansteuerung ist es ebenfalls denkbar, daß das Steuerventil analog angesteuert wird. Das elektrische Steuergerät gibt dabei ein analoges elektrisches Signal ab, wodurch das als Proportionalventil ausgebildete Steuerventil entsprechend stufenlos geöffnet oder geschlossen wird.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, daß ohne Probleme Regelungsverfahren mit integrierenden Komponenten vorgegeben werden können. Durch die Realisierung von Pl- oder PID-Reglern werden die prinzipbedingten Regelabweichungen vermieden, die bei den bekannten pneumatischen oder hydraulischen P-Reglern unvermeidlich sind.

Ausführungsbeispiele werden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierzu zeigen im einzelnen:

Fig. 1 : eine schematische Darstellung eines Kompressors mit einer erfindungsgemäßen Ansaugdrosselregelung in einer ersten Ausführungsform;

Fig. 1a: einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1 ;

Fig. 2: einen Kompressor wie in Fig. 1 in einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 2a: ein vergrößerter Ausschnitt aus Fig. 2;

Fig. 3: ein Kompressor wie in Fig. 1 in einer dritten Ausführungsform;

Fig. 3a: ein vergrößerter Ausschnitt aus Fig. 3; Fig. 4: ein Kompressor wie in Fig. 1 in einer vierten Ausführungsform;

Fig. 4a: ein vergrößerter Ausschnitt aus Fig. 4;

Fig. 5: einen Kompressor wie in Fig. 1 in einer fünften Ausführungsform;

Fig. 5a: einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 5.

Fig. 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Kompressor, der als Ganzes mit sämtlichen Bestandteilen mit dem Bezugszeichen 1 versehen ist. Dieser enthält ein Kompressorelement, bzw. einen Verdichter 2, mit einem Antriebsmotor 3.

Auf dem Einlaß des Kompressorelements 2 ist ein Einlaßventil 4 mit einer Ansaugdrosselvorrichtung 5 angebracht. Diese wird im wesentlichen gebildet durch einen linear zwischen einer Öffnungs- und einer Schließstellung verstellbaren Ventilteller 6, der an einem pneumatischen oder hydraulischen Element 7, beispielsweise einem Stelizylinder, angebracht und mit diesem verstellbar ist.

Vom Ausgang des Kompressorelements 2 führt eine Zufuhr-Steuerleitung 8 zum Stellelement 7. Vom Stellelement 7 geht eine Abfuhr-Steuerleitung 9 ab.

In die Zufuhr-Steuerleitung 8 ist als Steuerventil 10 ein Magnet-Wegeventil eingegliedert, hier ein 2/2-Wegeventil. Dieses ist an eine elektronische Steuervorrichtung 11 angeschlossen, dies ist die Kompressorsteuerung. Diese Steuervorrichtung enthält unter anderem einen elektronischen Regler, der seine Betriebsdruck-Istwert-Vorgabe von einem elektronischen Drucksensor 12 erhält, der am Ausgang des Kompressorelements 2 angeordnet ist.

In der vom Stellelement 7 abführenden Steuerleitung 9 ist eine Drosselstelle 13 in Form einer Arbeitsdüse installiert. Fig. 1a zeigt den in Fig. 1 gestrichelt eingezeichneten Ausschnitt mit der Ansaugdrosselvorrichtung 5 in vergrößerter Darstellung, wobei dieselben Bezugszeichen Verwendung finden. Besonders deutlich ist darin das als Kolben-Zylinder-Einheit ausgebildete Stellelement 7 erkennbar, welches über das Steuerventil 10 getaktet, d. h. digital über die Zufuhr-Steuerleitung 8 mit Steuerdruck beaufschlagbar ist.

Im Betrieb des Kompressors 1 gemäß dem erfindungsgemäßen Regelungsverfahren wird das Steuerventil 10 von der elektronischen Steuervorrichtung 11 mit einem digitalen, pulsweitenmodulierten Signal angesteuert, wie dies rechts unten in Fig. 1a angedeutet ist. Über die Drosselstelle 13 wird das Steuermedium von dem Stellelement 7 abgeführt. In Abhängigkeit von der Pulsweite des Steuersignals stellt sich in dem Stellelement 7 ein mittlerer Steuerdruck ein, bei dem die Zufuhr des Steuermediums der Abfuhr entspricht. Der Drosselzustand, d. h die Position des Ventiitellers 6, ist mit dem Steuerdruck korreliert. Die Ansaugdrosselregelung erfolgt in Abhängigkeit des vom Drucksensor 12 erfaßten Betriebsdrucks. Liegt dieser oberhalb des an der elektronischen Steuervorrichtung 11 vorgegebenen Betriebsdruck-Sollwerts, wird die Pulsweite des Steuersignals verringert. Dadurch fällt der mittlere Steuerdruck in dem Stellelement 7, so daß der Ventilteller 6 der Ansaugdrosselvorrichtung 5 in Richtung auf die Schließstellung bewegt wird, so daß die Ansaugung gedrosselt wird. Im umgekehrten Fall, d. h. wenn der gemessene Betriebsdruck-Istwert unter dem vorgegebenen Betriebsdruck- Sollwert liegt, wird die Pulsweite des Signals erhöht. Dadurch steigt der mittlere Steuerdruck in dem Stellelement 7, so daß der Ventilteller 6 der Ansaugdrosselvorrichtung 5 weiter geöffnet wird, so daß die Ansaugung weniger gedrosselt wird.

Ein besonderer Vorteil der dargestellten Ausführung der Erfindung liegt darin, daß an der elektronischen Steuervorrichtung 11 beliebige Kennlinien vorgebbar sind, beispielsweise Pl- oder PID-Regiercharakteristiken. Die Anlage ist robust und zuverlässig. Darüber hinaus ist an praktisch allen modernen Kompressoren 1 ein Einlaßventil 4 sowie eine elektronische Kompressorsteuerung 11 vorhanden, so daß mit lediglich geringem zusätzlichen technischem Aufwand eine erfindungsgemäße Ansaugdrosselung eingerichtet werden kann. Fig. 2 und Fig. 2a zeigen in derselben Darstellung wie Fig. 1 und Fig. 1 a einen Kompressor 1 in der einer zweiten Ausführungsform, wobei dieselben Bezugszeichen verwendet werden. Der Unterschied zu Fig. 1 besteht im wesentlichen darin, daß sich das Steuerventil 10 nunmehr in der abführenden Steuerleitung 9 befindet, während die Drosselstelle 13 in der zuführenden Steuerleitung 8 liegt. Die Funktionsweise ist im wesentlichen gleich, außer daß zur Erhöhung des mittleren Drucks nunmehr das Steuerventil 10 geschlossen wird und umgekehrt.

Fig. 3 und Fig. 3a zeigen eine dritte Ausführungsform des Kompressors 1. Dabei ist das Steuerventil nunmehr als 3/2-Wegeventil ausgebildet, an das sowohl die zuführende Steuerleitung 8 als auch die abführende Steuerleitung 9 angeschlossen ist. Der Anschluß an das Stellelement 7 erfolgt über eine kombinierte Steuerleitung 14, in welche die Drosselstelle 13 eingegliedert ist. Dadurch, daß die kombinierte Steuerleitung 14 über das Steuerventil 7 alternierend mit Steuermedium beaufschlagt wird, stellt sich wiederum in dem Stellelement 7 ein mittlerer Steuerdruck ein, der durch die Pulsweite des von der elektronischen Steuervorrichtung 11 abgegebenen Steuersignals abhängt.

In der Ausführung gemäß Fig. 4 bzw. Fig. 4a ist verglichen mit der Ausführung aus Fig. 1 bzw. Fig. 1 a das Steuerventil 10 ersetzt worden durch eine Kaskadierung eines an die elektronische Steuervorrichtung angeschlossenen Pilotventils 10a, welches einen in der Steuerleitung 8 liegenden Volumenverstärker 10b betätigt. Die Funktionsweise entspricht derjenigen der Vorrichtung gemäß Fig. 1. Der Vorteil ist, daß der Volumenverstärker 10b einen größeren Durchtrittsquerschnitt hat als ein übliches 2/2-Wegeventil, so daß sehr große Ströme von Steuermedium für eine schnelle Betätigung großer Stelleinrichtungen zur Verfügung stehen.

Eine fünfte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt. Der Aufbau entspricht im wesentlichen dem aus Fig. 1 bzw. Fig. 1a bekannten. Im Unterschied dazu ist das Steuerventil nunmehr als analog angesteuertes Magnetventil 15 ausgebildet, welches in Abhängigkeit von einem von der elektronischen Steuervorrichtung 11 abgegebenen analogen Steuersignal, welches schematisch rechts unten in der Darstellung angedeutet ist, den Strömungsquerschnitt stufenlos öffnet oder schließt. Ansonsten ist die Funktionsweise mit den vorangehenden Ausführungsformen im wesentlichen gleich.

Auf sämtlichen vorangehend erläuterten Ausführungen von Kompressoren 1 wird bevorzugt das erfindungsgemäße Regelungsverfahren durchgeführt. Die Regelcharakteristik ist durch einfache Umprogrammierung des elektronischen Steuergeräts 11 realisierbar. Verglichen mit dem vorbekannten Stand der Technik vereinigt die Erfindung damit erstmals die Vorteile hydraulisch- pneumatischer Regler mit denen moderner elektronischer Steuer- und Regelvorrichtungen.

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Regelung eines Kompressors (1 ) durch Drosselung des Ansaugvolumenstroms, mit einem auf den Einlaß des Kompressors (2) angebrachten Einlaßventil (4), welches eine Drosseleinrichtung (5) mit einem Drosselorgan (6) aufweist, das an ein bewegbares Stellelement (7) gekoppelt ist, welches von einer elektronischen Steuervorrichtung (11 ) ansteuerbar ist, an der ein am Auslaß des Kompressors (1 ) angebrachter elektronischer Drucksensor (12) zur Erfassung des Betriebsdrucks angeschlossen ist, wobei das Stellelement (7) des Drosselorgans (6) in Abhängigkeit vom durch den Drucksensor (12) erfaßten Betriebsdruck-Istwert und einem an der Steuereinrichtung (11 ) voreinstellbaren Betriebsdruck-Sollwert ansteuerbar ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Drosselorgan (6) mit einem hydraulischen bzw. pneumatischen Stellelement (7) gekoppelt ist, welches über Steuerleitungen (8, 9) mit Steuermedium beaufschlagbar ist, wobei in die Steuerleitungen (8, 9) mindestens eine Drosselstelle (13) und mindestens ein elektrisches Steuerventil (10, 15) eingegliedert ist, das an die elektronische Steuervorrichtung (11 ) angeschlossen und von dieser ansteuerbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuerventil (10, 15) in einer zum Stellelement (7) führenden Steuerleitung (8) und eine Drosselstelle (13) in einer vom Stellelement (7) abführenden Steuerleitung (9) liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuerventil (10, 15) in einer vom Stellelement (7) abführenden Steuerleitung (9) und eine Drosselstelle (13) in einer zum Stellelement (7) führenden Steuerleitung (8) liegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Steuerventil (10, 15) in einer sowohl zuführend als auch abführend schaltbaren Steuerleitung (14) liegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuerventil ein elektrisches Pilotventil (10a) und einen daran angeschlossenen Voiumenverstärker (10b) aufweist, wobei das Pilotventil (10a) an die Steuervorrichtung (11 ) angeschlossen ist und der Volumenverstärker (10b) in die Steuerleitungen (8, 9) eingegliedert ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerventile (10, 15) als Magnetventile ausgebildet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuerventil (10) als 2/2-Wegeventil oder als 3/2-Wegeventil ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuerventil (15) als analog ansteuerbares, stufenlos verstellbares Stellventil ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerleitung (8) an den Ausgang des Kompressors (2) angeschlossen ist und als Steuermedium ein Kompressor-Betriebsmedium eingesetzt wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein gasförmiges Steuermedium eingesetzt wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuermedium von dem vom Kompressor (2) verdichteten Gas abge- zweigt wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein hydraulisches Steuermedium eingesetzt wird.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Kompressor (2)mit Flüssigkeitseinspritzung als hydraulisches Steuermedium ein Teil der nach dem Verdichtungsvorgang aus dem verdichteten Gas abgeschiedenen Einspritzflüssigkeit aus dem verdichteten Gas verwendet wird.

14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, daß die das Steuermedium von der Stelleinrichtung (7) ableitenden Steuerleitungen (9) an den Kompressor (2) angeschlossen sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die ableitenden Steuerleitungen (9) im Ansaugbereich des Kompressors (2) münden.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die ableitenden Steuerleitungen (9) an einer Stelle in den Kompressor (2) einmünden, wo im Betrieb bereits eine teilweise Verdichtung des Betriebsmediums vorliegt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselorgan als Ventilteller (6) ausgebildet ist, der an der als Stelizylinder (7) ausgebildeten Steileinrichtung angebracht ist.

18. Regelverfahren für Kompressoren durch Ansaugdrosselung mit einem auf dem Einlaß des Kompressors angebrachten Einlaßventil, welches eine Drosseleinrichtung mit einem Drosselorgan aufweist, das an ein verstellbares Stellelement gekoppelt ist, welches von einer elektronischen Steuereinrichtung ansteuerbar ist, an der ein elektronischer Drucksensor zur Erfassung des Betriebsdrucks angeschlossen ist, wobei das Stellelement zur Verstellung über Steuerleitungen mit Steuermedium beaufschlagbar ist, und in die Steuerleitungen mindestens eine Drosselstelle und ein elektrisches, an die Steuereinrichtung angeschlossenes Steuerventil eingegliedert ist - insbesondere bei einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16 - dadurch gekennzeichnet, daß in die Steuervorrichtung der vom Drucksensor gemessene Betriebsdruck-Istwert mit einem in der Steuervorrichtung vorgegebenen Betriebsdruck-Sollwert verglichen wird und bei einer Abweichung der Werte voneinander gemäß einer vorgegebenen Regelcharakteristik ein Steuerventil angesteuert wird, so daß das Stellelement mit Steuermedium unter Steuerdruck beaufschlagt wird, der durch Ansteuerung des Steuerventils eingestellt wird, um die Drosseleinrichtung weiter zu schließen, wenn der Betriebsdruck-Istwert größer ist als der Betriebsdruck- Sollwert und durch Betätigung des Steuerventils eingestellt wird, um die Drosseleinrichtung weiter zu öffnen, wenn der Betriebsdruck-Istwert kleiner ist als der Betriebsdruck-Sollwert.

19. Regelverfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuerventil von der Steuereinrichtung mit digitalen Steuersignalen angesteuert wird.

20. Regelverfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuerventil mit pulsweitenmodulierten Steuersignalen angesteuert wird.

21. Regelverfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des pulsweitenmodulierten Steuersignals bevorzugt im Bereich von 2 Hz bis 50 Hz liegt.

22. Regelverfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeich- net, daß die Steuersignale aus Ein-Signalen und Aus-Signalen konstanter oder variabler Dauer und konstanter oder variabler Frequenz bestehen.

23. Regelverfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil analog angesteuert wird.

24. Regelverfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der aus Drucksensor, Steuereinrichtung und Drosseleinrichtung gebildete Regelkreis P- oder Pl- oder PID-Regelcharakteristik hat.