WO2009010048A1 - Druckluftkompressor - Google Patents

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WO2009010048A1
WO2009010048A1 PCT/DE2008/001158 DE2008001158W WO2009010048A1 WO 2009010048 A1 WO2009010048 A1 WO 2009010048A1 DE 2008001158 W DE2008001158 W DE 2008001158W WO 2009010048 A1 WO2009010048 A1 WO 2009010048A1
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WO
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pressure
compressor
accumulator
electronic
controller
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PCT/DE2008/001158
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Inventor
Ralf Ziegler
Peter Broghammer
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Marquardt Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B35/00—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for
    • F04B35/04—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for the means being electric
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B41/00—Pumping installations or systems specially adapted for elastic fluids
    • F04B41/02—Pumping installations or systems specially adapted for elastic fluids having reservoirs
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B49/00—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
    • F04B49/06—Control using electricity
    • F04B49/065—Control using electricity and making use of computers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B2203/00—Motor parameters
    • F04B2203/02—Motor parameters of rotating electric motors
    • F04B2203/0209—Rotational speed
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B2205/00—Fluid parameters
    • F04B2205/05—Pressure after the pump outlet

Definitions

  • the invention relates to a device for compressing gases.
  • Such devices serve as compressed air compressors for compressing air, for example.
  • Such compressors include a compressor, which may be a piston engine, and an electric motor for driving the compressor.
  • the drive is realized by an electric asynchronous motor. It is thus known to use brushed AC motors, in particular universal motors. However, these AC motors are disadvantageously less energy efficient.
  • the rotor does not rotate synchronously with the applied frequency, but instead creates a slip. The slip can be larger or smaller depending on the load of the asynchronous motor. If the slip is too large, the electric motor "tilts" and even stops in extreme cases.
  • the invention has the object of developing the device for compressing gases such that their energy efficiency is increased and / or their performance is improved.
  • the inventive device for compressing gases which is designed in particular in the manner of an air compressor for air, comprises a compressor, which is preferably a piston machine, a reciprocating compressor, a reciprocating compressor o. The like., And a brushless, Electronically commutated electric motor (EC motor) to drive the compressor.
  • a compressor which is preferably a piston machine, a reciprocating compressor, a reciprocating compressor o. The like.
  • EC motor Electronically commutated electric motor
  • An EC motor is a permanent-magnetically excited synchronous machine. Characteristic of a synchronous motor is that the rotating field rotates synchronously with the rotor and there is no slippage. The synchrony is achieved by a motor feedback system. By that, the position of the rotor is known at all times and the controller can detect whether the rotating field is still synchronous with the rotor. If this is not the case, the controller adjusts until the motor rotates synchronously again.
  • feedback system can be an absolute encoder, a so-called resolver, or Hall sensors use. In the latter type of feedback system, three Hall sensors can be arranged at an angle of 120 ° to each other. Hall sensors have the advantage over the resolvers that they are less expensive.
  • an EC motor can be constructed on the principle of a disc rotor.
  • a disc is mounted on the motor shaft, are inserted in the permanent magnets. Together with the motor shaft, the disc forms the rotor.
  • the stator has copper windings, whereby a sine wave with variable frequency can be impressed into the motor windings for commutation.
  • the motor windings for commutation can also be magnetized and transposed by a sine-valued block commutation. For this purpose, rectangles with a different width are generated, which correspond to the integral of the sine curve. The speed of the electric motor is thereby determined ⁇ that the frequency of the commutation is changed.
  • the block commutation can advantageously be realized with microcontrollers at low prices.
  • a so-called "vector control" method for controlling the EC motor can also be used.
  • the device for compressing gases comprises a pressure accumulator or a pressure vessel, wherein the compressor is in communication with the pressure accumulator for receiving the compressed gas.
  • the compressed gas is removed from the pressure accumulator for consumption as needed via a pipeline network to which the corresponding consumers can be connected, removed.
  • an electronic engine control controls the electric motor, in particular regulated in the manner of an electronic compressed air network control. It can thereby be readjusted consumption-dependent with the help of the electronic engine control within a narrow pressure band for the compressed gas, which is to be understood by pressure band, the difference between the pressure required in the piping network and the pressure stored in the pressure vessel.
  • this increases the constancy of the compressed air supply.
  • the pressure belt is as close as possible above the pressure belt of the compressed gas sinks and / or the compressed gas demanders and / or the compressed gas consumers.
  • the electronic engine control on a controller and an actuator in the manner of a power electronics for operating the electric motor.
  • a programmable microprocessor can be used as a controller in a cost effective manner.
  • the invention further allows to provide pressure management for the compressor.
  • the pressure accumulator is a pressure sensor, in particular an electronic pressure sensor, for Detecting the accumulator pressure, wherein the pressure sensor with the electronic engine control for forwarding the measured accumulator pressure is in communication.
  • the controller in the electronic engine control controls the compressor power depending on the accumulator pressure and / or time. This is done for example by appropriate control of the speed and / or the torque of the electric motor by means of the actuator, so that the flow rate of the compressor is adapted to the consumption of the pressure accumulator.
  • the air consumption is therefore not measured directly, but continuously detected by the differential pressure between two times.
  • the speed of the electric motor is either increased or reduced, but the speed must not be arbitrarily large or small.
  • the minimum and maximum values are fixed and the speed variation takes place between these limits.
  • the control parameters are selected in the pressure management depending on the air consumption in the past.
  • a particularly flexible and easy adaptability to different applications is effected by the fact that the controller in the electronic engine control depending on the absolute level of pressures for the compressor and / or the accumulator is parameterized. Furthermore, the controller may be programmable to operate the electronic engine control, which is particularly useful when using a microprocessor. The controller thus has an area which can be freely programmed. Thus, the control algorithm for the pressure management can be implemented there, so that the pressure management is taken over by the control of the EC motor.
  • the concept of a pneumatic compressor with electronically commutated motor, electronic pressure sensing and intelligent pressure management is created.
  • the pressure management allows savings thanks to a pressure reduction in the storage by moving away from the 2-point control to a continuous control. Alone through the pressure management and the associated lowering of the Memory pressure energy is saved, without the consumer side, a change takes place. If one compares the savings potential at this point compared to the 2-point control, this results in an energy saving potential of approx. 4.2 - 7%.
  • the system efficiency is about 8% higher in energy consumption compared to a conventional system with a brushed AC (AC) asynchronous motor.
  • the device according to the invention therefore advantageously offers a high energy saving compared to previous compressors.
  • Fig. 1 is a schematic diagram for the air compressor
  • Fig. 2 is a flow chart for the pressure management of the air compressor.
  • FIG. 1 an industrially usable device for compressing gases in the manner of an air compressor 1 for air is shown as a block diagram.
  • the air compressor 1 comprises a designed as a piston machine compressor 2 and a brushless, electronically commutated electric motor, hereinafter EC (electronic Commutator) -Motor 3 called for driving the compressor 2.
  • EC electronic Commutator
  • the compressed air is filled in a communicating with the compressor 2 pressure accumulator 4 or pressure tank as a reservoir. From the pressure tank 4, the compressed air is then removed for further use and / or consumption of the compressed air consumers.
  • An electronic engine controller 5 controls the EC engine 3 in the manner of an electronic compressed air network controller for operating the piston engine 2 such that the pressure of the air in the pressure tank 4 is regulated.
  • an electronic compressed air network controller for operating the piston engine 2 such that the pressure of the air in the pressure tank 4 is regulated.
  • a Druckaufhehmer 6 for detecting the accumulator pressure, namely an electronic pressure sensor or a flow sensor, the pressure tank 4, wherein the Druckaufhehmer 6 communicates with the engine controller 5 for forwarding the measured accumulator pressure.
  • the pressure of the air in the pressure tank 4 can also be lowered.
  • the pressure valve 7 can serve for venting.
  • the engine control 5 operates in such a way that the pressure in the pressure tank 4 is readjusted as a function of consumption within a narrow pressure band for the compressed air.
  • the pressure belt is as close as possible above the pressure band of the compressed gas sinks and / or the compressed gas demanders and / or the compressed gas consumer.
  • the electronic engine control 5 has a regulator 9 and an actuator 10 in the form of power electronics for operating the electric motor 3.
  • the controller 9 in the electronic engine control unit 5 controls the compressor capacity as a function of the accumulator pressure and / or the time. This is achieved by appropriate control of the speed and / or torque of the electric motor 3 by means of the actuator 10, so that the flow rate of the compressor 2 is adapted to the consumption of the pressure accumulator 4.
  • the controller 9 is designed as a programmable microprocessor. Then, the controller 9 in the electronic engine control 5 in a particularly simple manner depending on the desired absolute level of pressures for the compressor 2 and / or the accumulator 4 can be parameterized, the interface 8 of the corresponding input and / or output of the data for the controller 9 is used. In addition, the controller 9 is then programmable to operate the electronic engine control 5.
  • the flowchart for a corresponding program for the engine control 5 can be seen in FIG. As can be seen from this, the electric motor 3 is operated to reach the printing belt at maximum speed while within the printing belt, the operation of the electric motor 3 with minimum speed is sufficient. If no air is removed from the pressure accumulator 4, the electric motor 3 is switched off until an air is removed. Within the pressure band, sensitively, by increasing the speed by increments Y and / or decreasing the speed by increments Z, respectively, to the maximum or minimum speed, respectively, can be regulated to the desired desired value.
  • the engine controller 5 it is possible with the help of the engine controller 5 to perform a corresponding pressure management for the air compressor 1.
  • the aim of this pressure management is to adjust the flow rate over the speed of the air compressor 1 depending on the consumption of compressed air from the pressure tank 4. Consumption is determined by the pressure difference.
  • the pressure management is also taken over by the engine control 5 of the EC engine 3.
  • the motor controller 5 has an area which is freely programmable, with which the desired control algorithm can be implemented there.
  • the pressure in the pressure accumulator 4 via, the pressure sensor 6 is continuously detected and it is controlled depending on the air consumption, the speed of the EC motor 3 and thus the compressor power.
  • the air consumption from the pressure accumulator 4 need not be measured directly, but can be detected by the differential pressure between two times.
  • the speed of the EC motor 3 is either increased or reduced, the speed may not be arbitrarily large or small.
  • the Mimmal- and maximum values are set accordingly and the speed variation takes place between these limits. Due to such a pressure management savings are possible thanks to a pressure reduction in the pressure accumulator 4 by a continuous control is used instead of a conventional two-point control.
  • energy in the amount of For example, 4 to 7% saved without the consumer side a change takes place.
  • the pressure belt of the consumer up to about 7 bar and the pressure difference about 1 bar, the pressure difference of the pneumatic losses between the air compressor 1 and the consumers depends.
  • the pressure band for readjustment is then in about 8 to 9 bar instead of 8 to 10 bar in a conventional electromechanical control.
  • the invention is not limited to the described and illustrated embodiment of a piston compressor for compressed air in the industry. Rather, it also encompasses all expert developments within the scope of the invention defined by the claims. Thus, the invention can also be used in compressors with lower performance, for example in the home improvement sector.
  • Air Compressor Piston Machine / Compressor: EC Motor / Electric Motor: Pressure Tank / Accumulator: Engine Control: Pressure Absorber / Pressure Sensor: Pressure Valve: Interface: Regulator 0: Actuator

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verdichten von Gasen in der Art eines Druckluftkompressors (1) für Luft. Der Druckluftkompressor (1) umfaßt eine Kolben-Maschine (2) und einen bürstenlosen, elektronisch kommutierten Elektromotor (3) zum Antrieb der Kolben-Maschine (2).

Description

Druckluftkompressor
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verdichten von Gasen.
Derartige Vorrichtungen dienen beispielsweise als Druckluftkompressoren zum Verdichten von Luft.
Solche Kompressoren weisen einen Verdichter, bei dem es sich um eine Kolben-Maschine handeln kann, und einen Elektromotor zum Antrieb des Verdichters auf. In bisherigen Kompressoren mit Kolbenverdichtern ist der Antrieb durch einen elektrischen Asynchronmotor realisiert. Es ist somit bekannt, bürstenbehaftete Wechselstrommotoren, insbesondere Universalmotoren zu verwenden. Allerdings sind diese Wechselstrommotoren nachteiligerweise wenig energieeffizient. Außerdem dreht sich bei einem Asynchronmotor der Rotor nicht synchron mit der angelegten Frequenz, vielmehr entsteht ein Schlupf. Der Schlupf kann je nach Belastung des Asynchronmotors größer oder kleiner werden. Wird der Schlupf zu groß, so „kippt" der Elektromotor und bleibt sogar im Extremfall stehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung zum Verdichten von Gasen derart weiterzubilden, daß deren Energieeffizienz gesteigert ist und/oder deren Betriebsverhalten verbessert ist.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zum Verdichten von Gasen durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verdichten von Gasen, die insbesondere in der Art eines Druckluftkompressors für Luft ausgestaltet ist, umfaßt einen Verdichter, bei dem es sich bevorzugterweise um eine Kolben-Maschine, einen Kolbenkompressor, einen Kolbenverdichter o. dgl. handelt, und einen bürstenlosen, elektronisch kommutierten Elektromotor (EC-Motor) zum Antrieb des Verdichters.
Bei einem EC-Motor handelt es sich um eine permanentmagnetisch erregte Synchronmaschine. Charakteristisch für einen Synchronmotor ist, daß das Drehfeld sich synchron mit dem Rotor dreht und es keinen Schlupf gibt. Die Synchronität wird durch ein Motorfeedbacksystem erreicht. Durch jenes ist die Position des Rotors zu jeder Zeit bekannt und die Steuerung kann erkennen, ob das Drehfeld noch synchron mit dem Rotor ist. Ist dies nicht der Fall, so wird vom Regler nachgeregelt bis der Motor wieder synchron dreht. Als Feedbacksystem läßt sich ein Absolutwertgeber, ein sogenannter Resolver, oder auch Hall Sensoren verwenden. Bei der letzteren Art des Feedbacksystems können drei Hall-Sensoren in einem Winkel von 120° zueinander angeordnet sein. Hall- Sensoren haben gegenüber den Resolvern den Vorteil, daß sie kostengünstiger sind. Durch die auf die Rotorposition abgestimmte Kommutierung in Verbindung mit dem Motorfeedbacksystem können solche Elektromotoren vorteilhafterweise mit voller Kraft aus dem Stand starten.
Beispielsweise kann ein EC-Motor nach dem Prinzip eines Scheibenläufers aufgebaut sein. Hierzu ist auf der Motorwelle eine Scheibe angebracht, in die Permanentmagnete eingesetzt sind. Zusammen mit der Motorwelle bildet die Scheibe den Rotor. Somit sind keine verschleißbehaftete Kohlebürsten zur Energieübertragung notwendig. Der Stator besitzt Kupferwicklungen, wobei zur Kommutierung eine Sinuswelle mit variabler Frequenz in die Motorwicklungen eingeprägt werden kann. Alternativ können die Motorwicklungen zur Kommutierung auch durch eine sinusbewertete Blockkommutierung magnetisiert und umgeladen werden. Hierzu werden Rechtecke mit einer unterschiedlichen Breite erzeugt, die dem Integral der Sinuskurve entsprechen. Die Drehzahl des Elektromotors wird dadurch < bestimmt, daß die Frequenz der Kommutierung geändert wird. Die Blockkommutierung kann vorteilhafterweise mit Mikrocontrollern zu günstigen Preisen realisiert werden. Selbstverständlich kann statt der Blockkommutierung auch ein sogenanntes „Vectorcontrol"- Verfahren zur Ansteuerung des EC-Motors Verwendung finden.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zweckmäßigerweise umfaßt die Vorrichtung zum Verdichten von Gasen einen Druckspeicher bzw. einen Druckbehälter, wobei der Verdichter mit dem Druckspeicher zur Aufnahme des verdichteten Gases in Verbindung steht. Das verdichtete Gas ist aus dem Druckspeicher zum Verbrauch bedarfsweise über ein Leitungsnetz, an das die entsprechenden Verbraucher angeschlossen werden können, entnehmbar.
In einer weiteren Ausgestaltung steuert eine elektronische Motorsteuerung den Elektromotor, insbesondere in der Art einer elektronischen Druckluftnetz-Steuerung geregelt, an. Es kann dabei mit Hilfe der elektronischen Motorsteuerung innerhalb eines schmalen Druckbandes für das verdichtete Gas verbrauchsabhängig nachgeregelt werden, wobei unter Druckband die Differenz des benötigten Drucks im Leitungsnetz und des im Druckbehälter gespeicherten Drucks zu verstehen ist. Vorteilhafterweise ist dadurch die Konstanz der Druckluftversorgung gesteigert. Um eine feinfühlige Regelung zu gestatten, bietet es sich an, daß das Druckband sich so nahe als möglich über dem Druckband der Druckgas-Senken und/oder der Druckgas-Nachfrager und/oder der Druckgas- Verbraucher befindet.
In einer einfachen Ausgestaltung weist die elektronische Motorsteuerung einen Regler sowie ein Stellglied in der Art einer Leistungselektronik zum Betrieb des Elektromotors auf. Dabei läßt sich in kostengünstiger Weise ein programmierbarer Mikroprozessor als Regler verwenden.
Die Erfindung gestattet weiterhin ein Druckmanagement für den Kompressor zu schaffen. Mit Hilfe des Druckmanagements ist es ermöglicht, die Fördermenge über die Drehzahl des Kompressors abhängig von dem Verbrauch anzupassen, wobei der Verbrauch im wesentlichen über die Druckdifferenz bestimmt wird. Hierfür befindet sich am Druckspeicher ein Drucksensor, und zwar insbesondere ein elektronischer Drucksensor, zur Erfassung des Speicherdrucks, wobei der Drucksensor mit der elektronischen Motorsteuerung zur Weiterleitung des gemessenen Speicherdrucks in Verbindung steht. Der Regler in der elektronischen Motorsteuerung steuert die Verdichterleistung in Abhängigkeit vom Speicherdruck und/oder der Zeit. Dies erfolgt beispielsweise durch entsprechende Steuerung der Drehzahl und/oder des Drehmoments des Elektromotors mittels des Stellglieds, so daß die Fördermenge des Verdichters dem Verbrauch aus dem Druckspeicher angepaßt ist. Der Luftverbrauch wird also nicht direkt gemessen, sondern über den Differenzdruck zwischen zwei Zeitpunkten kontinuierlich erfaßt. Ln Abhängigkeit des Differenzdruckes wird die Drehzahl des Elektromotors entweder erhöht oder reduziert, wobei jedoch die Drehzahl nicht beliebig groß beziehungsweise klein werden darf. Die Minimal- und Maximalwerte sind festgelegt und die Drehzahlvariation findet zwischen diesen Grenzen statt. Somit wird in Abhängigkeit vom Luftverbrauch die Drehzahl des Elektromotors und somit die Verdichterleistung gesteuert, mithin werden also die Regelparameter beim Druckmanagement je nach Luftverbrauch in der Vergangenheit gewählt.
Eine besonders flexible und einfache Anpaßbarkeit an verschiedene Einsatzfälle ist dadurch bewirkt, daß der Regler in der elektronischen Motorsteuerung je nach absoluter Höhe der Drücke für den Verdichter und/oder den Druckspeicher parametrierbar ist. Desweiteren kann der Regler zum Betrieb der elektronischen Motorsteuerung programmierbar sein, was sich besonders bei Verwendung eines Mikroprozessors anbietet. Die Steuerung besitzt somit einen Bereich, welcher frei programmiert werden kann. Damit kann dort auch der Regelalgorithmus für das Druckmanagement implementiert werden, so daß das Druckmanagement von der Steuerung des EC-Motors übernommen ist.
Zusammenfassend läßt sich für eine bevorzugte Ausgestaltung feststellen, daß mit Hilfe der Erfindung die Konzeption eines Druckluftkompressors mit elektronisch kommutiertem Motor, elektronischer Druckerfassung sowie intelligentem Druckmanagement geschaffen ist. Durch entsprechende Versuche konnte ermittelt werden, daß durch das Druckmanagement Einsparungen dank einer Druckabsenkung im Speicher möglich sind, indem man weg von der 2-Punkt Regelung hin zu einer kontinuierlichen Regelung geht. Alleine durch das Druckmanagement und die damit verbundene Absenkung des Speicherdruckes wird Energie eingespart, ohne daß verbraucherseitig eine Veränderung stattfindet. Vergleicht man an dieser Stelle das Einsparpotential im Vergleich zu der 2-Punkt Regelung, so ergibt sich ein Energieeinsparpotential von ca. 4,2 - 7 %. Die Systemeffizienz ist in Bezug auf die Energieaufnahme um ca. 8 % höher im Vergleich zu einem herkömmlichen System mit einem bürstenbehafteten AC(Wechselstrom)- Asynchronmotor. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet folglich vorteilhafterweise eine hohe Energieeinsparung gegenüber bisherigen Kompressoren.
Die mit der Erfindung erzielten weiteren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß nachfolgende Vorteile beim verwendeten EC-Motor gegenüber dem bisher verwendeten AC(Wechselstrom)- Asynchronmotor gegeben sind:
- Hoher Wirkungsgrad,
- Kompakte Bauart bei hoher Leistungsdichte,
- Lineare Kennlinie über einen großen Bereich von Drehzahl zu Drehmoment und Hohes Anfahrtsmoment.
Wie herausgefunden wurde ist insbesondere im Bereich von Kompressorleistungen kleiner als 1 ,5 bis 3 kW ein Kompressor mit einem bürstenlosen EC-Motor wegen des hohen Wirkungsgrades des EC-Motors energetisch weitaus vorteilhafter als ein Kompressor mit AC-Motor.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit verschiedenen Weiterbildungen und Ausgestaltungen ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen die
Fig. 1 eine Prinzipskizze für den Druckluftkompressor und
Fig. 2 ein Flußdiagramm für das Druckmanagement des Druckluftkompressors.
In der Fig. 1 ist eine industriell einsetzbare Vorrichtung zum Verdichten von Gasen in der Art eines Druckluftkompressors 1 für Luft als Blockschaltbild gezeigt. Der Druckluftkompressor 1 umfaßt einen als Kolben-Maschine ausgebildeten Verdichter 2 und einen bürstenlosen, elektronisch kommutierten Elektromotor, nachfolgend EC(electronic commutator)-Motor 3 genannt zum Antrieb des Verdichters 2. Mit Hilfe der Kolben- Maschine 2 wird die verdichtete Luft in einem mit dem Verdichter 2 in Verbindung stehenden Druckspeicher 4 oder Drucktank als Reservoir aufgefüllt. Aus dem Drucktank 4 ist die Druckluft dann zur weiteren Verwendung und/oder zum Verbrauch von den Druckluft- Verbrauchern entnehmbar.
Eine elektronische Motorsteuerung 5 steuert den EC-Motor 3 in der Art einer elektronischen Druckluftnetz- Steuerung zum Betrieb der Kolben-Maschine 2 derart an, daß der Druck der Luft im Drucktank 4 geregelt ist. Hierzu befindet sich ein Druckaufhehmer 6 zur Erfassung des Speicherdrucks, und zwar ein elektronischer Drucksensor oder ein Flußsensor, am Drucktank 4, wobei der Druckaufhehmer 6 mit der Motorsteuerung 5 zur Weiterleitung des gemessenen Speicherdrucks in Verbindung steht. Mittels eines ebenfalls von der Motorsteuerung 5 über eine Schnittstelle 8 ansteuerbaren Druckventils 7 am Drucktank 4 kann der Druck der Luft im Drucktank 4 auch erniedrigt werden. Alternativ oder auch ergänzend kann das Druckventil 7 zur Entlüftung dienen. Die Motorsteuerung 5 arbeitet derart, daß der Druck im Drucktank 4 innerhalb eines schmalen Druckbandes für die verdichtete Luft verbrauchsabhängig nachgeregelt wird. Zweckmäßigerweise befindet sich das Druckband so nahe als möglich über dem Druckband der Druckgas-Senken und/oder der Druckgas-Nachfrager und/oder der Druckgas- Verbraucher.
Wie man weiter der Fig. 1 entnimmt, weist die elektronische Motorsteuerung 5 einen Regler 9 und ein Stellglied 10 in der Art einer Leistungselektronik zum Betrieb des Elektromotors 3 auf. Zwecks Aufrechterhaltung des gewünschten Druckbandes steuert der Regler 9 in der elektronischen Motorsteuerung 5 die Verdichterleistung in Abhängigkeit vom Speicherdruck und/oder der Zeit. Dies wird durch entsprechende Steuerung der Drehzahl und/oder des Drehmoments des Elektromotors 3 mittels des Stellglieds 10 erreicht, derart daß die Fördermenge des Verdichters 2 dem Verbrauch aus dem Druckspeicher 4 angepaßt ist.
Es bietet sich an, daß der Regler 9 als ein programmierbarer Mikroprozessor ausgestaltet ist. Dann ist der Regler 9 in der elektronischen Motorsteuerung 5 in besonders einfacher Weise je nach der gewünschten absoluten Höhe der Drücke für den Verdichter 2 und/oder den Druckspeicher 4 parametrierbar, wobei die Schnittstelle 8 der entsprechenden Eingabe und/oder Ausgabe der Daten für den Regler 9 dient. Außerdem ist der Regler 9 dann zum Betrieb der elektronischen Motorsteuerung 5 programmierbar. Das Flußdiagramm für ein entsprechendes Programm für die Motorsteuerung 5 ist in Fig. 2 zu sehen. Wie man daraus entnimmt, wird der Elektromotor 3 zum Erreichen des Druckbandes mit maximaler Drehzahl betrieben während innerhalb des Druckbandes der Betrieb des Elektromotors 3 mit minimaler Drehzahl genügt. Wird keine Luft aus dem Druckspeicher 4 entnommen, so wird der Elektromotor 3 solange abgeschaltet bis eine Luftentnahme erfolgt. Innerhalb des Druckbandes kann feinfühlig durch Erhöhung der Drehzahl um Inkremente Y und/oder Erniedrigung der Drehzahl um Inkremente Z jeweils bis zur maximalen bzw. minimalen Drehzahl auf den gewünschten Sollwert geregelt werden.
Wie man sieht, gelingt es mit Hilfe der Motorsteuerung 5 ein entsprechendes Druckmanagement für den Druckluftkompressor 1 durchzuführen. Ziel dieses Druckmanagements ist es, die Fördermenge über die Drehzahl des Druckluftkompressors 1 abhängig von dem Verbrauch an Druckluft aus dem Drucktank 4 anzupassen. Der Verbrauch wird über die Druckdifferenz bestimmt. Das Druckmanagement wird auch von der Motorsteuerung 5 des EC-Motors 3 übernommen. Die Motorsteuerung 5 weist einen Bereich auf, welcher frei programmierbar ist, womit der gewünschte Regelalgorithmus dort implementiert werden kann.
Wie die Fig. 1 zeigt, wird der Druck im Druckspeicher 4 über, den Drucksensor 6 kontinuierlich erfaßt und es wird in Abhängigkeit vom Luftverbrauch die Drehzahl des EC- Motors 3 und somit die Verdichterleistung gesteuert. Der Luftverbrauch aus dem Druckspeicher 4 muß nicht direkt gemessen werden, sondern kann über den Differenzdruck zwischen zwei Zeitpunkten erfaßt werden. In Abhängigkeit des Differenzdruckes wird die Drehzahl des EC-Motors 3 entweder erhöht oder reduziert, wobei die Drehzahl nicht beliebig groß beziehungsweise klein werden darf. Die Mimmal- und Maximalwerte sind entsprechend festgelegt und die Drehzahlvariation findet zwischen diesen Grenzen statt. Aufgrund eines solchen Druckmanagements sind Einsparungen dank einer Druckabsenkung im Druckspeicher 4 möglich, indem anstelle einer herkömmlichen Zwei-Punkt Regelung eine kontinuierliche Regelung zum Einsatz kommt. Mit Hilfe des Druckmanagements und der damit verbundenen Absenkung des Speicherdruckes wird Energie in Höhe von beispielsweise 4 bis 7 % eingespart, ohne daß verbraucherseitig eine Veränderung stattfindet.
Beispielsweise kann das Druckband der Verbraucher bis in etwa 7 bar sowie die Druckdifferenz ca. 1 bar betragen, wobei die Druckdifferenz von den pneumatischen Verlusten zwischen dem Druckluftkompressor 1 und den Verbrauchern abhängt. Das Druckband zur Nachregelung beträgt dann in etwa 8 bis 9 bar anstatt von 8 bis 10 bar bei einer herkömmlichen elektromechanischen Steuerung.
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene und dargestellte Ausfiihrungsbeispiel eines Kolbenkompressors für Druckluft in der Industrie beschränkt. Sie umfaßt vielmehr auch alle fachmännischen Weiterbildungen im Rahmen der durch die Patentansprüche definierten Erfindung. So kann die Erfindung auch bei Kompressoren mit geringerer Leistungsfähigkeit, beispielsweise im Heimwerkerbereich Verwendung finden.
Bezugszeichen-Liste: : Druckluftkompressor : Kolben-Maschine / Verdichter: EC-Motor / Elektromotor: Drucktank / Druckspeicher: Motorsteuerung : Druckaufhehmer / Drucksensor: Druckventil : Schnittstelle : Regler 0: Stellglied

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e :
1. Vorrichtung zum Verdichten von Gasen, insbesondere in der Art eines Druckluftkompressors (1) für Luft, umfassend einen Verdichter (2), bevorzugterweise eine Kolben-Maschine, und einen bürstenlosen, elektronisch kommutierten Elektromotor (3) zum Antrieb des Verdichters (2).
2. Vorrichtung zum Verdichten von Gasen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Verdichter (2) ein Druckspeicher 4 zur Aufnahme des verdichteten Gases in Verbindung steht, und daß vorzugsweise das verdichtete Gas aus dem Druckspeicher (4) zum Verbrauch entnehmbar ist.
3. Vorrichtung zum Verdichten von Gasen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronischen Motorsteuerung (5) den Elektromotor (3), insbesondere in der Art einer elektronischen Druckluftnetz-Steuerung geregelt, ansteuert, vorzugsweise derart daß innerhalb eines schmalen Druckbandes für das verdichtete Gas verbrauchsabhängig nachgeregelt wird, und daß weiter vorzugsweise das Druckband sich so nahe als möglich über dem Druckband der Druckgas-Senken und/oder der Druckgas- Nachfrager und/oder der Druckgas- Verbraucher befindet.
4. Vorrichtung zum Verdichten von Gasen nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Motorsteuerung (5) einen Regler (9), der insbesondere als ein programmierbarer Mikroprozessor ausgestaltet ist, und ein Stellglied (10) in der Art einer Leistungselektronik zum Betrieb des Elektromotors (3) aufweist.
5. Vorrichtung zum Verdichten von Gasen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Druckspeicher (4) ein Drucksensor (6), insbesondere ein elektronischer Drucksensor, zur Erfassung des Speicherdrucks angeordnet ist, daß vorzugsweise der Drucksensor (6) mit der elektronischen Motorsteuerung (5) zur Weiterleitung des gemessenen Speicherdrucks in Verbindung steht, und daß weiter vorzugsweise der Regler (9) in der elektronischen Motorsteuerung (5) die Verdichterleistung in Abhängigkeit vom Speicherdruck und/oder der Zeit steuert, insbesondere durch entsprechende Steuerung der Drehzahl und/oder des Drehmoments des Elektromotors (3) mittels des Stellglieds (10), derart daß die Fördermenge des Verdichters (2) dem Verbrauch aus dem Druckspeicher (4) angepaßt ist.
6. Vorrichtung zum Verdichten von Gasen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (9) in der elektronischen Motorsteuerung (5) je nach absoluter Höhe der Drücke für den Verdichter (2) und/oder den Druckspeicher (4) parametrierbar ist, und daß vorzugsweise der Regler (9) zum Betrieb der elektronischen Motorsteuerung (5) programmierbar ist.
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