Verfahren und Einrichtung zur Schwingungskompensation bei einem

Kolbenkom pressor

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur

Schwingungskompensation bei einem Kolbenkompressor, dessen Kolbenverdichter mittels Kurbelwelle von einem per Frequenzumrichter angesteuerten Drehstrommotor oder dergleichen angetrieben wird. Ferner betrifft die Erfindung auch einen

Kolbenkompressor, der mit einer solchen Einrichtung ausgestattet ist.

Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sieht vornehmlich auf Fahrzeuge,

insbesondere Schienenfahrzeuge. Da prinzipiell der Bauraum in Fahrzeugen begrenzt ist, kommen hierfür meist recht kompaktbauende Kolbenkompressoren zum Einsatz, an der meist mehrstufige Kolbenverdichter ein Elektromotor direkt angeflanscht ist, um den Kolbenverdichter anzutreiben. Das Lastmoment ML eines Kolbenverdichters erzeugt im Zusammenspiel mit dem Drehmoment M _M eines antreibenden Motors ein

Erregermoment um die Drehachse des gesamten Kolbenkompressors, welches zu unerwünschten Drehschwingungen führt. Da bei den Kolbenkompressoren der hier interessierenden Art das Drehmoment MM des Motors dem Lastmoment ML des

Kolbenverdichtes zeitverzögert folgt, erhöht sich ungünstiger Weise das

Erregermoment.

Aus der DE 100 58 923 Algeht ein gattungsgemäßer Kolbenkompressor hervor, dessen mehrstufiger Kolbenverdichter mit einem direkt hieran angeflanschten

Elektromotor angetrieben wird. Der Kolbenkompressor ist über mehrere

schwingungsdämpfende Drahtseilfedern stehend an der Chassis des Fahrzeuges befestigt, um eine Schwingübertragung vom Kolbenkompressor zum Fahrzeug hin zu vermindern.

Auch die EP 1 242 741 A1 beschreibt die Problematik der Schwingungsanregung von Kolbenkompressoren durch Lastmoment M _L und Motormoment M _M und Maßnahmen zur Schwingungsreduzierung, die zu Bauarten von zweistufigen Kolbenkompessoren mit reduzierter Schwingungserregung führen. Um den Motoreinfluss auf die Schwinungungserregung zu minimieren, wurden zwischen Motor und Kolbenverdichter Schwungmassen verwendet, welche der Schwingungserregung entgegenwirken.

Allerdings verursacht diese technische Lösung einen entsprechenden Materialaufwand und erzeugt eine hiermit verbundene Gewichtssteigerung.

In der Praxis werden Kolbenverdichter meist mit Drehstrommotoren betrieben, welchen ein Frequenzumrichter zugeordnet ist. Mit Hilfe des Frequenzumrichters lässt sich der Kolbenverdichter drehzahlvariabel ansteuern, um insbesondere eine bedarfsgerechte Drucklufterzeugung im Rahmen einer entsprechenden Regelung mit Berücksichtigung von Mindesteinschaltzeiten, Aussetzbetriebintervallen und dergleichen zu realisieren.

Bislang waren Frequenzumrichter, insbesondere solche, die für den

Schienenfahrzeugbetrieb ausgelegt wurden, recht aufwendig konstruiert und vor allem recht großbauend. Außerdem versorgen diese sogenannten Hilfsbetriebeumrichter auf Schienenfahrzeugen nicht nur einen einzigen elektrischen Verbraucher, sondern mehrere, wie beispielsweise auch Klimaanlagen, Traktionslüfter, Gerätelüfter,

Kompressoren und dergleichen. Deshalb konnte bislang ein solcher gebräuchlicher Hilfsbetriebeumrichter nicht auf einen einzelnen Verbraucher abgestimmt werden.

Durch Weiterentwicklungen der Umrichtertechnik und eine hohe Verfügbarkeit von hierin zum Einsatz kommenden Leistungselektronikbauteilen liegen aktuell

Randbedingungen vor, welche es ermöglichen, Frequenzumrichter direkt einem Antrieb zuzuordnen und diese dort auch zu platzieren.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren sowie eine

Einrichtung zur Schwingungskompensation bei einem Kolbenkompressor zu schaffen, das/die mit einfachen technischen Mitteln eine wirksame Schwingungsunterdrückung in jeder Betriebssituation des Kolbenkompressors ermöglicht.

Die Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst.

Einrichtungstechnisch wird die Aufgabe nach Anspruch 7 gelöst. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der

Erfindung wieder.

Die Erfindung schließt die verfahrenstechnische Lehre ein, dass zur

Schwingungskompensation zunächst die aktuelle Position der Kurbelwelle des

Kolbenverdichters ermittelt wird, und durch einen Frequenzumrichter hierauf basierend ein Drehmoment MM den antreibenden Drehstrommotor vorgegeben wird, dass dem Lastmoment ML des Kolbenverdichters folgt, diesem also entspricht, um die

Schwingungsanregung des gesamten Kolbenkompressors zu reduzieren. Da die Schwingungsanregung des Kolbenkompressors aus der Differenz zwischen

Drehmoment M _M des antreibenden Motors und Lastmoment ML entsteht, kann durch eine auf der erfindungsgemäßen Lösung basierende Regelung die hieraus

resultierende Schwingungsanregung eliminiert werden. Schwungmassen zwischen Motor und Kolbenverdichter können verkleinert werden oder es kann gänzlich hierauf verzichtet werden.

Unter einem im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung zum Einsatz kommenden Drehstrommotor wird vorzugsweise ein Drehstromasynchronmotor oder ein

Synchronreluktanzmotor verstanden. Vorzugsweise entspricht das dem

Drehstrommotor vorgegebene Drehmoment M _M dem Lastmomentenverlauf inklusive einer Phasenlänge. Es ist jedoch auch denkbar, dass das dem Drehstrommotor vorgegebene Drehmoment der ersten Ordnung des Lastmomentenverlaufs entspricht. Versuche haben ergeben, dass eine recht einfach umzusetzende aber sehr wirksame Schwingungskompensationsmethode darin besteht, eben nur den Anteil der ersten Ordnung im Motormoment M _M nachzubilden. Höhere Ordnungen werden dabei vernachlässigt. Grundlage hierfür stellt die elastische Lagerung des Kolbenkompressors dar. Diese Lagerung ist so ausgelegt, dass Anregungen oberhalb einer bestimmten Frequenz von Anschlusskonstruktionen ferngehalten werden. Dies hat sich unter diesen Umständen als hinreichend erwiesen. Höhere Ordnungen werden von den elastischen Lagerungen weitgehend ferngehalten. Aus diesem Grunde ist es ausreichend,

Schwingungsanregungen bis einschließlich der ersten Ordnung mit dem

erfindungsgemäßen Verfahren zu eliminieren. Ebenso hinreichend ist es wenn die Abweichung des dem Drehmoment MM für den Drehstrommotor folgende Lastmoment M _L des Kolbenverdichters derart eingestellt ist, dass dieses kleiner als 30% ist. Im Rahmen dieses Abweichungsbereichs folgt das Drehmoment M _M des Drehstrommotors nur annähernd dem Lastmoment ML des

Kolbenverdichters, was dennoch eine wirksame Schwingungskompensation ergibt. Im Rahmen aller konstruktiver Randbedingungen hat sich gezeigt, dass das gesamte Schwingungsverhalten durch die erfindungsgemäße elektronische Kompensation um bis zu 70% verbessert werden kann, wobei die Schwingwege des Kolbenkompressors insbesondere bei kleinen Drehzahlen deutlich reduziert werden.

Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass zur Kompensation von Drehzahlschwankungen das vom Drehstrommotor generierte Drehmoment M durch eine Variation der Speisespannung und/oder eine Variation der Pulsbreite im Umrichter erzeugt wird. Somit kann beispielsweise eine Erhöhung des Drehmoments MM erreicht werden, indem die Pulsbreite kurzzeitig vergrößert wird. Hierdurch werden die gewöhnlich vom Kolbenverdichter erzeugten pulsierenden Lastmomente innerhalb des Kompressors geglättet, so dass die hiervon ausgehende Schwingungsanregung weiter minimiert wird. Da das Drehmoment MM des Drehstrommotors proportional zum Motorstrom ist, wird eine Momentenkompensation durch eine Gegenregelung des Motorstroms erreicht. Die Drehmomentspitze kann durch eine entsprechende Ansteuerung der IGBT-Pulsbreite und somit durch einen in diesem Moment veränderten Motorstrom kompensiert werden. Eine entsprechend schnelle Steuerung und stabile Zwischenkreisspannung sind für diese sogenannte «Space Vectoring Modulation» erforderlich.

Vorzugsweise kann eine Erhöhung des Drehmoments M _M für den Drehstrommotor durch eine entsprechende Erhöhung der Betriebsspannung in einfacher Weise vom Frequenzumrichter durchgeführt werden. Eine zur Durchführung des

erfindungsgemäßen Verfahrens zur Schwingungskompensation vorgesehene

Steuereinheit kann vorteilhafterweise direkt im Frequenzumrichter mit integriert werden. Der Frequenzumrichter selbst ist vorzugsweise direkt am Drehstrommotor angeordnet, um einen einfachen Anschluss an die Drehstromquelle zu gewährleisten. Außerdem kann diese elektronische Baueinheit auch mindestens einen Sensoreingang aufweisen, um hieran einen im Bereich der Motorwelle oder der Kurbelwelle angeordneten

Positionssensor zur Messung der aktuellen Winkelstellung anzuschließen.

Vorzugsweise ist der je nach Drehzahl nachzuregelnde Drehmomentenbedarf in der Logik der im Frequenzumrichter implementierten Steuereinheit hinterlegt.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt eine Blockschaltbilddarstellung eines Kolbenkompressors mit hierin integrierter Einrichtung zur Schwingungskompensation, eine graphische Darstellung der von Motor und Verdichter erzeugten Drehschwingungen gemäß des Standes der Technik, eine graphische Darstellung der von Motor und Verdichter erzeugten Drehschwingungen gemäß der erfindungsgemäßen Lösung hinsichtlich einer ersten Ausführungsform, und eine graphische Darstellung des Drehzahlverlaufs bei der ersten

Ausführungsform,

Fig. 5 eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Strangströme eines

Drehstrommotors als Antrieb gemäß der ersten Ausführungsform,

Fig. 6 eine graphische Darstellung der von Motor und Verdichter erzeugten

Drehschwingungen gemäß der erfindungsgemäßen Lösung hinsichtlich einer zweiten Ausführungsform Fig. 7 eine graphische Darstellung des Drehzahlverlaufs bei der zweiten

Ausführungsform, Fig. 8 eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Strangströme eines Drehstrommotors als Antrieb gemäß der zweiten Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt einen im Wesentlichen aus Kolbenverdichter 1 und Drehstrommotor 2 bestehenden Kolbenkompressor. Der Kolbenverdichter 1 ist als eine zweistufige Verdichtereinheit ausgebildet und weist hier zwei Niederdruckzylinder 3a, 3b sowie einen Hochdruckzylinder 4 auf. Die Druckluft wird von der Atmosphäre kommend zunächst im Niederdruckzylinder 3a, 3b vorkomprimiert und anschließend vom

Hochdruckzylinder 4 auf ein noch höheres Druckniveau gebracht, ehe diese erzeugte Druckluft der weiteren Verwertung im Fahrzeug zugeführt wird.

Der Kolbenverdichter 1 weist zur Betätigung des Kolbentriebs von - nicht weiter dargestellten - Kolben der Zylinder 3a, 3b und 4 eine Kurbelwelle 5 auf, welche vom Drehstrommotor 2 angetrieben wird. Der elektrische Drehstrommotor 2 ist mit einem Frequenzumrichter 6 ausgestattet, über welchen der Anschluss an ein Drehstromnetz 7 erfolgt. Dem Frequenzumrichter 6 ist eine elektronische Steuereinheit 8 zugeordnet, welche hierin baulich integriert ist. Eingangsseitig empfängt die elektronsiche

Steuereinheit 8 das Messsignal eines im Bereich der Kurbelwelle 5 angeordneten Positionssensors 9, welcher der elektronischen Steuereinheit 8 die aktuelle

Winkelstellung der Kurbelwelle 5 vorgibt.

Fig. 2 zeigt in graphischer Darstellung den Drehmomentenverlauf bezüglich einer gesamten Umdrehung 0 bis 360° der Kurbelwelle eines Kolbenverdichters des Standes der Technik. Das durchschnittliche Drehmoment des Antriebs liegt bei etwa 50 Nm (Punktlinie). Im Verlauf des Lastmoments M _L ist zu erkennen, dass dieses aufgrund einer Druckspitze bei circa 200° Winkelstellung der Kurbelwelle ein Maximum von etwa 140 N _m aufweist. Der dargestellte Verlauf des Lastmoments M _L ist charakteristisch für zweistufige Kolbenverdichter, wie in Figur 1 illustriert. Der Motor reagiert auf die dominierende Druckspitze erst zeitverzögert und baut ersichtlicherweise das

Motormoment MM erst phasenversetzt bei circa 0° Winkelstellung der Kurbelwelle auf. Somit kommt das maximale Motormoment M von circa 75 N _m erst dann zur Wirkung, wenn das Lastmoment ML des Kolbenverdichters bereits eingebrochen ist, hier sogar sein minimum erreicht hat. Durch diesen Effekt erhöhen Drehstrommotoren sogar bauartbedingt die Drehschwingungsanregung im Zusammenwirken mit den hiervon angetriebenen Kolbenverdichtern. Die dominierende Druckspitze des Lastmomentes M _L von circa 150 N _m resultiert aus der Verdichtung der zweiten Stufe, nämlich dem

Hochdruckzylinder. Der Drehstromantrieb reagiert auf diese Druckspitze und baut sein Drehmoment M _M des dargestellten Verlaufs auf. Die Fläche zwischen dem Lastmoment M _L und dem Drehmoment M _M des Motors ist hier straffiert gekennzeichnet und stellt ein Maß für die Schwingungsanregung um die Kurbelwelle des Kolbenverdichters dar. Wegen des recht großen Flächeninhaltes der straffierten Fläche ist von einer relativ hohen nachteilhaften Schwingungsanregung auszugehen.

Fig. 3 stellt den Drehmomentenverlauf des Drehmoments M _M des Motors und des Lastmoments M _L des Kolbenverdichtes für eine volle Umdrehung der Kurbelwelle in Folge der erfindungsgemäßen Schwingungskompensation dar. Bei dieser

Ausführungsform erfolgt die Ansteuerung des Motors derart, dass dessen Drehmoment M _M dem Lastmoment M _L des Kolbenverdichters folgt. Hieraus ergibt sich, dass der Flächeninhalt der Fläche zwischen Lastmoment M _L und Motormoment MM gegenüber der vorstehend erläuterten Ausführungsform des Standes der Technik minimal ist, so dass eine sehr geringe Schwingungsanregung erfolgt. Denn der antreibende Motor baut aufgrund der erfindungsgemäßen Steuerung sein Drehmoment M _M synchron und insoweit bedarfsgesteuert zum zu bewältigenden Lastmoment M _L des Kolbenverdichters auf. Aufgrund nur minimaler Ungleichförmigkeiten erfolgt eine ebenso minimale

Schwingungsanregung.

Fig. 4 illustriert in Konsequenz dessen einen gleichförmigen Verlauf der Drehzahl n der Kurbelwelle über die gesamte Umdrehung. Dieser entspricht auch in etwa dem mittleren Verlauf der Drehzahl n\

Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf der Strangströme bezüglich der drei Phasen des Drehstrommotors, welcher hier aufgrund der fast kompletten steuerungstechnischen Schwingungskompensation auch als recht gleichförmige jeweilige Sinuskurve ausfällt.

Fig. 6 illustriert hinsichtlich der zweiten Ausführungsform den Drehmomentenverlauf des Drehmoments M _M sowie des Lastmoments M _L für eine volle Umdrehung der Kurbelwelle, wobei im Gegensatz zur vorstehend beschriebenen Ausführungsform hier lediglich eine Kompensation hinsichtlich der ersten Ordnung des Lastmomentenverlaufs des Kolbenverdichters durch das Drehmoment M _M des Drehstrommotors erfolgt. Daraus ergibt sich, dass im Vergleich zum vorstehend erläuterten Stand der Technik ein deutlich geringerer und gleichmäßig verteilter Flächeninhalt zwischen den Kurven des Verlaufs des Motormoments M _M des Drehzahlmotors und des Lastmoments M _L des Kolbenverdichers als straffierte Fläche zu einer Schwingungsanregung beiträgt. Die hierdurch erzielte Schwingungskompensation kann als hinreichend für die

erfindungsgegenständliche Anwendung angesehen werden.

Fig. 7 zeigt in Konsequenz dessen, dass die Drehzahl n der Kurbelwelle nur geringfügig um die mittlere Drehzahl n' schwankt. Eine weitgehende Gleichförmigkeit des

Drehzahlverlaufs kann also hier durch die Kompensation der ersten Ordnung des Lastmomentenverlaufs des Kolbenverdichters erzielt werden.

Fig. 8 stellt dementsprechend den zeitlichen Verlauf der Strangströme der drei Phasen des Drehstrommotors dar, welche zwar im Gegensatz zu der vorstehend erörterten quasi vollständigen Erfindungskompensation eine geringfügige Ungleichförmigkeit erkennen lässt. Gleichwohl hält sich der Strangstromverlauf in engen Grenzen, was die Wirkung der erfindungsgemäßen Lösung gemäß der zweiten Ausführungsform belegt.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, anstelle eines zweistufigen Kolbenkompressors auch einen einstufigen Kolbenkompressor mit der erfindungsgemäßen

steuerungstechnischen Schwingungskompensation auszurüsten. BEZUGSZEICHENLISTE

1 Kolbenverdichter

2 Drehstrommotor

3 Niederdruckzylinder

4 Hochdruckzylinder

5 Kurbelwelle

6 Frequenznumrichter

7 Drehstromquelle

8 Steuereinheit

9 Positionssensor

M _L Lastmoment Kolbenverdichter

MM Drehmoment Drehstrommotor n Drehzahl

n' durchschnittliche Drehzahl