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