Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung, insbesondere kontaktlosen Ermittlung eines Betriebszustands eines Verdichters und/oder einer Drehzahl eines Verdichterantriebs. Auch betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Für die Überwachung, Analyse, Diagnose oder Ansteuerung von Verdichtern besteht bei vielen Fragestellungen das Problem, dass man unterschiedliche Parameter des Verdichters, wie beispielsweise den zeitlichen Verlauf des Betriebszustands (Stillstand, Leerlauf, Lastlauf), den Liefervolumenstrom und die elektrische Leistungsaufnahme, benötigt.

Die Informationen, die zur Ermittlung dieser Parameter benötigt werden, können beispielsweise durch die Steuerung des Verdichters über eine Kommunikationsschnittstelle, wie beispielsweise Ethernet, Modbus oder Profibus geliefert werden.

Dies ist jedoch bei bekannten Verdichtern häufig nicht der Fall, da beispielsweise Verdichter ohne Steuerung und/oder ohne eine entsprechende Kommunikationsschnittstelle eingesetzt werden. Auch kann die Kommunikationsschnittstelle mit einem proprietären und/oder verschlüsselten Protokoll arbeiten, welches die entsprechenden Daten nur für den Hersteller des Verdichters bereitstellt.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, durch Installation von Messequipment im oder am Verdichter Signale abzugreifen, auf deren Basis die benötigten Parameter abgeleitet werden.

Beispielsweise ist die Erfassung der Signale "Motor läuft" und „Last" bekannt. Hierfür werden über potentialfreie Kontakte in einem Schaltschrank eines Verdichters die Stellungen oder die Ansteuerbefehle für das Netzschütz, also die Information, ob der Verdichterantrieb mit elektrischer Energie versorgt wird und das Schütz für die Ansteuerung des Einlassventils, also die Information, ob Luft ungehindert in den Verdichter strömt, also Luft gefördert wird, abgegriffen. Aus der erkannten Stellung von Netzschütz und Schütz zur Ansteuerung des Einlassventils können in Kombination die Betriebszustände Stillstand, Leerlauf und Lastlauf des Verdichters unterschieden werden.

Diese aus dem Stand der Technik bekannte Art des Abgreifens der Signale hat mehrere Nachteile. Zum einen wird im Schaltschrank des Verdichters in die Elektrik eingegriffen, um die potenzialfreien Kontakte anzuschließen. Für diesen Eingriff ist ein speziell geschultes Personal notwendig, auch genannt ein elektrisch unterwiesenes Personal, da der Anschluss der Signale im Schaltschrank des Verdichters stattfindet. Auch kann die Installation zum Abgreifens der Signale nicht im laufenden Betrieb des Verdichters stattfinden, da die potenzialfreien Kontakte an spannungsführende Teile angeschlossen werden. Der Verdichter muss folglich vom elektrischen Netz getrennt werden. Auch kann bei Verdichtern mit drehzahlvariablem Verdichterantrieb die Drehzahl des Verdichterantriebs über die Signale „Motor läuft" und „Last" nicht ermittelt werden.

Aus dem Stand der Technik ist ebenfalls bekannt, für die Ermittlung der Drehzahl das Verfahren der Reflex-Impuls-Zählung einzusetzen. Bei der Reflex-Impuls- Zählung werden Reflexionsmarker auf der Welle zwischen Verdichterantrieb und Verdichter angebracht. Über einen optischen Sensor wird die Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit der drehenden Welle gezählt. Die Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit ist proportional zur Drehzahl der Welle. Damit kann aus der Anzahl der Impulse auf die Drehzahl der Welle und damit auf die Drehzahl des Verdichterantriebs geschlossen werden. Diese Art der Drehzahlermittlung hat jedoch den Nachteil, dass die Reflexionsmarker auf der Welle nur im Stillstand der Maschine angebracht werden können. Außerdem erfordert das Anbringen des optischen Sensors Zeit, da durch Vibrationen des Verdichters im laufenden Betrieb der optische Sensor verrutschen kann. Daher muss der optische Sensor über eine solide mechanische Befestigung angebracht werden. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass durch die Reflex- Impuls-Zählung zwar die Drehzahl des Verdichterantriebs ermittelt werden kann, allerdings kann nicht zwischen den Betriebszuständen „Stillstand", „Leerlauf' und „Lastlauf' unterschieden werden. Es ist lediglich möglich „Stillstand" (Drehzahl 0 Umdrehungen pro Minute) oder „Nicht-Stillstand" (Drehzahl größer als 0 Umdrehungen pro Minute) zu unterscheiden.

Ein weiteres aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren ist die Wirkstrommessung an der Zuleitung des Verdichterantriebs über eine Stromzange oder eine Rogowski-Spule. Die grundlegende Idee dieser Art der Signal-Erfassung ist es, an einer der Phasen LI, L2 oder L3 den Wirkstrom kontaktfrei durch Messung der Magnetfeldstärke zu ermitteln. Hierfür wird der Effekt genutzt, dass die Magnetfeldstärke rund um einen stromdurchflossenen Leiter proportional zur Stromstärke in dem Leiter ist. Die Position der Signalerfassung für einen Kompressor mit drehzahlstarrem und einen Kompressor mit drehzahlvariablen Antrieb sind in den Figuren 1 und 2 dargestellt.

Die Signalerfassung bei diesem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren geschieht so, dass aus dem an der Phase über die Magnetfeldstärke abgegriffenen Messwert der Stromstärke (Wechselstrom) der Effektivwert der Stromstärke über eine oder mehrere Wellen des Wechselstroms berechnet wird. Der Effektivwert der Stromstärke eines Wechselstroms steht für die äquivalente Stromstärke eines Gleichstroms. Anhand des Effektivwerts des Wechselstroms lassen sich durch Schwellwertbildung die Betriebszustände „Stillstand", „Leerlauf' und „Lastlauf' unterscheiden. Der Zusammenhang zwischen magnetischer Feldstärke, Effektivwert des Stroms und Betriebszustand ist beispielhaft in Figur 3 dargestellt.

In der aus dem Stand der Technik bekannten Beispiel der Figur 3 wurde für die Ableitung des Betriebszustands ein Schwellwert von 30A für die Erkennung des Betriebszustands „Leerlauf' und ein Schwellwert von 160A für die Erkennung des Betriebszustands „Lastlauf' angesetzt. Diese beiden Werte müssen aus dem Datenblatt des jeweiligen Verdichters entnommen werden oder basierend auf Werten des Datenblatts errechnet werden. Bei diesem Verfahren des Stands der Technik ist folglich eine sehr exakte Messung des Effektivwerts des Stroms notwendig.

Dieses aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren hat den zusätzlichen Nachteil, dass für die Installation der Stromzange bzw. der Rogowski-Spule der Schaltschrank des Verdichters geöffnet werden muss, da die Stromzange oder die Rogowski-Spule um eine einzelne Phase herum gelegt werden muss. Dies ist grundsätzlich nur im Schaltschrank möglich. Damit wird für die Installation ein elektrisch unterwiesenes Personal benötigt. Auch ist die Ermittlung der Drehzahl des Verdichterantriebs durch dieses Verfahren nicht möglich. Denn die Stromstärke hängt neben der Drehzahl auch noch vom Gegendruck am Austritt des Verdichters und der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung ab. Bei gleicher elektrischer Leistungsaufnahme kann durch eine unterschiedliche Phasenverschiebung ein unterschiedlicher Strom benötigt werden (ausgedrückt über den Wirkleistungsfaktor cos f).

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu konzipieren, das die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile behebt oder zumindest minimiert. Vor allem ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine zuverlässige, schnelle und kostengünstige Erfassung des Betriebszustands des Verdichters und/oder der Drehzahl des Verdichterantriebs, bereitzustellen.

Die gestellte Aufgabe wird von einem Verfahren nach Anspruch 1, von einer Vorrichtung nach Anspruch 22, von einer Verwendung nach Anspruch 24 und ebenso von einem computerlesbaren Speichermedium nach Anspruch 25, gelöst.

Insbesondere wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Ermittlung, insbesondere zur kontaktlosen Ermittlung, eines Betriebszustands eines Verdichters und/oder einer Drehzahl eines Verdichterantriebs, insbesondere eines drehzahlvariablen oder drehzahlstarren Verdichterantriebs, gelöst, aufweisend die folgenden Verfahrensschritte:

- Erfassen eines Magnetfeldes über einen Zeitbereich mittels eines Erfassungselements, wobei das Magnetfeld durch einen Strom mindestens einer Phase eines Stromversorgungskabels erzeugt wird;

- Ermitteln des Frequenzspektrums des Magnetfeldes über den Zeitbereich;

- Analyse des Frequenzspektrums des Magnetfeldes zur Bestimmung eines Betriebszustands des Verdichters und/oder zur Bestimmung einer Drehzahl des Verdichterantriebs.

Unter dem Begriff „kontaktlos" ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung insbesondere zu verstehen, dass kein elektrischer Kontakt besteht. Ein mechanischer Kontakt kann durchaus bestehen.

Der Begriff „Strom" beschreibt im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung insbesondere einen Wechselstrom oder Drehstrom.

Unter dem Begriff „Verdichter" sind im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung insbesondere, aber nicht ausschließlich, Kompressoren und damit verwandte Maschinen, wie beispielsweise Gebläse und der Gleichen, zu verstehen. Auch ist es üblich, dass ein Verdichter unter anderem einen Verdichterblock aufweist, wobei der Verdichterblock durch einen Verdichterantrieb, beispielsweise einen elektrischen Motor, insbesondere einen elektrischen Motor mit einem, zwei oder mehreren Polpaaren, angetrieben wird.

Unter dem Begriff „Stromversorgungskabel" wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung insbesondere, aber nicht ausschließlich ein Kabel zur Stromversorgung des Verdichters und/oder ein Kabel zur Stromversorgung des Verdichterantriebs verstanden. Auch ist es möglich, dass das Stromversorgungskabel weitere elektrische Komponenten des Verdichters mit Strom versorgt. Solche weiteren Komponenten könnten beispielsweise Lüftermotoren, Ventile, eine Maschinensteuerung oder Ähnliches sein.

Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ein Nullleiter, wenn dieser strombelastet ist, als Phase angesehen wird.

Der Begriff „Erfassen eines Magnetfeldes" beschreibt im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung insbesondere, aber nicht ausschließlich, das Erfassen einer oder mehrerer magnetischer Kenngrößen. Diese magnetische Kenngröße kann ein absoluter Wert zu einem Zeitpunkt oder mehrere absolute Werte in einem Zeitbereich sein. Auch ist es möglich, dass eine zeitliche Entwicklung der magnetischen Kenngröße innerhalb eines Zeitbereichs erfasst wird. Ebenso kann unter dem Begriff „Erfassen eines Magnetfeldes" das Verhältnis absoluter Messwerte zueinander in einem bestimmten Zeitbereich, verstanden werden. Insbesondere können nach einem vorteilhaften Gedanken der Erfindung die physikalischen Größen des Magnetfeldes auch ohne Einheiten erfasst und ggf. weiterverarbeitet werden bzw. angegeben werden (auch in der Darstellung im Figurenteil der Anmeldung). Relevant ist die Relation der Zahlenwerte zueinander. Daher wird bevorzugtermaßen in der Darstellung auch eine lineare Skalierung der Achsen eingesetzt.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass aufgrund der Analyse des Frequenzspektrums des Magnetfeldes die Drehzahl des Verdichterantriebs und/oder der Betriebszustand des Verdichters bestimmt werden kann. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass der exakte Wert der magnetischen Kenngröße und/oder die Flöhe des Effektivwerts des Stroms nicht benötigt wird, um die Drehzahl des Verdichterantriebs und/oder den Betriebszustand des Verdichters zu ermitteln. Insofern kann mit erfassten Werten für magnetische Kenngrößen und/oder Flöhe des Effektivwertes gearbeitet werden, da deren relative Veränderung über die Zeit für die erfindungsgemäße Analyse ausreichend erscheinen. Auch kommt es nicht so genau darauf an, an welcher genauen Position des erzeugten Magnetfeldes diese Werte erfasst werden, da es auch diesbezüglich lediglich auf deren relative Veränderung über die Zeit ankommt.

Diese Parameter müssen folglich nicht wie im Stand der Technik üblich, mit hohem konstruktiven Aufwand ermittelt werden. Vielmehr ist es möglich, dass beispielsweise durch einen Vergleich der innerhalb eines Zeitbereichs erfassten magnetischen Kenngrößen untereinander eine Bestimmung eines Betriebszustands des Verdichters und/oder eine Bestimmung einer Drehzahl des Verdichterantriebs durchgeführt wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist eine einfachere Drehzahlbestimmung des Verdichterantriebs und/oder eine vereinfachte Bestimmung des Betriebszustands des Verdichters möglich. Darüber hinaus ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine Bestimmung der Drehzahl des Verdichterantriebs und/oder eine Bestimmung des Betriebszustands des Verdichters ohne genaue Kenntnis der Kennwerte des Verdichters bzw. des Verdichterantriebs. Das erfindungsgemäße Verfahren ist folglich auch für bereits installierte Verdichter bzw. Verdichterantriebe geeignet.

In einer Ausführungsform umfasst das Erfassen des Magnetfeldes das Erfassen einer magnetischen Feldstärke, insbesondere unter Verwendung einer Rogowski- Spule, und/oder das Erfassen einer magnetischen Flussdichte, insbesondere unter Verwendung eines Hall-Sensors oder eines magnetoresistiven Sensors.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass aus dem Stand der Technik bekannte und im Falle des Hall-Sensors kostengünstige Vorrichtungen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kombinierbar sind. Ebenso ist es möglich, dass die Richtung eines magnetischen Vektors und/oder der Betrag eines magnetischen Vektors erfasst wird.

In einer weiteren Ausbildungsform weist das erfindungsgemäße Verfahren den folgenden Verfahrensschritt auf:

- Anbringen des Erfassungselements auf einer Phase des Stromversorgungskabels.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass das Erfassungselement variabel an eine Phase des Stromversorgungskabels angebracht werden kann. Beispielsweise wird bei einem Verdichter mit einem Frequenzumrichter das Erfassungselement zwischen dem Frequenzumrichter und dem Verdichterantrieb angebracht, insbesondere, wenn eine Drehzahl ermittelt wird. Im Falle eines drehzahlstarren Verdichters und ebenso bei der Betriebszustandsermittlung bei einem Verdichter mit Frequenzumrichter kann das Erfassungselement beliebig in der Stromversorgung des Verdichterantriebs angebracht werden. Beispielsweise kann das Erfassungselement in der Zuleitung des Verdichters oder direkt vor dem Hauptantriebsmotor oder beliebig dazwischen angebracht werden.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren den folgenden Schritt:

- Anbringen des Erfassungselements auf mehreren, insbesondere allen Phasen des Stromversorgungskabels derart, dass das Magnetfeld gemessen wird, das durch den Strom der mehreren, insbesondere allen Phasen des Stromversorgungskabels erzeugt wird.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass das Erfassungselement variabel an mehrere, insbesondere allen Phasen des Stromversorgungskabels angebracht werden kann. Es wird folglich das Magnetfeld gemessen, das durch den Strom der mehreren Phasen des Stromversorgungskabels erzeugt wird. Es ist für das erfindungsgemäße Verfahren ausreichend, dass das Erfassungselement an mehrere Phasen angebracht wird. Die Notwendigkeit einer mechanischen Trennung der einzelnen Phasen des Stromversorgungskabels entfällt, wodurch insbesondere die Anbringung des Erfassungselements vereinfacht, da dies nicht an einer speziellen Phase angebracht werden muss.

In einer Ausführungsform umfasst die Analyse des Frequenzspektrums eine Analyse des zeitlichen Verlaufs des Magnetfeldes.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass das erfindungsgemäße Verfahren variabel eingesetzt werden kann.

Vorteilhafterweise werden die im zeitlichen Verlauf des Magnetfeldes enthaltenen Frequenzanteile unter Verwendung einer Fourieranalyse und/oder einer Wavelet- Analyse und/oder eines Görtzel-Algorithmus analysiert.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass das erfindungsgemäße Verfahren mit aus dem Stand der Technik bekannten mathematischen Methoden kombinierbar ist. Dies ist insbesondere im Lichte einer softwaretechnischen Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft, da hierdurch eine Reduzierung der Rechenbelastung und Speicherbelastung erreicht werden kann. Auch hat sich gezeigt, dass durch die Verwendung des Görtzel-Algorithmus die Frequenzauflösung erhöht werden kann. Ebenso hat sich gezeigt, dass insbesondere der Görtzel-Algorithmus effizient in digitalen Signalprozessoren implementiert werden kann.

In einer weiteren Ausführungsform wird durch die Analyse der einzelnen Frequenzanteile die Frequenz des Magnetfeldes ermittelt, und die Grundfrequenz des Stroms der mindestens einen Phase des Stromversorgungskabels wird basierend auf der Frequenz des Magnetfeldes ermittelt.

Unter dem Begriff „Grundfrequenz" ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung insbesondere, aber nicht ausschließlich die Grundfrequenz des Wechsel- oder Drehstroms gemeint, insbesondere die Frequenz größer als 0 Hz mit der höchsten Amplitude.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass die magnetische Feldstärke und die Flöhe des Effektivwerts des Stroms für das erfindungsgemäße Verfahren nicht exakt bekannt sein müssen. Es geht allein darum herauszufinden, mit welcher Frequenz das Magnetfeld schwingt. Die Frequenz der Schwingung des Magnetfelds ist dabei die gleiche Frequenz, mit der der Drehstrom des Verdichterantriebs rotiert.

In einer weiteren Ausführungsform wird aus der ermittelten Grundfrequenz des Stroms die Drehzahl des Verdichterantriebs ermittelt, insbesondere durch Verwendung eines Faktors.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass die Drehzahl des Verdichterantriebs zuverlässig ermittelt werden kann. So wird beispielsweise für einen Verdichterantrieb mit einem Polpaar der Faktor „1" angenommen, während bei einem Verdichterantrieb mit zwei Polpaaren der Faktor „2" angenommen wird. Allgemein lässt sich dieser Zusammenhang als Drehzahl = Frequenz / Polpaarzahl darstellen.

In einer weiteren Ausführungsform wird im Schritt des Erfassens genau eine Phase des Stromversorgungskabels erfasst.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass aus dem Stand der Technik bekannte Methoden zur Anbringung des Erfassungselements verwendet werden können. Flierdurch ist keine neue Schulung des Personals notwendig, was die Kosten für einen Betreiber eines Verdichters reduziert.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden im Schritt des Erfassens mehrere, insbesondere alle Phasen des Stromversorgungskabels erfasst.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass das Magnetfeld, welche in Summe durch mehrere, insbesondere alle Phasen des Stromversorgungskabels erzeugt wird, erfasst wird. Der Stand der Technik geht davon aus, dass sich hierbei kein Magnetfeld erfassen lässt, da sich in der Theorie die Magnetfelder der einzelnen Ströme in den symmetrisch belasteten Phasen gegenseitig aufheben. Es wurde jedoch festgestellt, dass die Phasen nicht symmetrisch belastet sind, wodurch sich sogenannte Leckströme zwischen den einzelnen Phasen (und ebenso einem eventuell vorhandenen Nullleiter) ergeben. Auch diese Leckströme erzeugen ein Magnetfeld, dessen Feldstärke erfasst werden kann. Dieses Magnetfeld und insbesondere die magnetischen Kenngrößen sind um Größenordnungen geringer, als das Magnetfeld und die magnetischen Kenngrößen bei Messung einer einzelnen Phase. Das Magnetfeld und ebenso die magnetischen Kenngrößen und insbesondere deren qualitativer zeitlicher Verlauf kann jedoch zuverlässig erfasst werden. Hierdurch ist es möglich, dass das Magnetfeld an Stellen des Stromversorgungskabels erfasst wird, für die kein elektrisch unterwiesenes Personal notwendig ist. Ein Beispiel für eine derartige Stelle ist der Maschineninnenraum an der Zuleitung des Verdichterantriebs vor dem Klemmkasten des Verdichterantriebs. Bei einem Verdichter mit drehzahlstarrem Verdichterantrieb kann das Erfassen des Magnetfeldes sogar außerhalb des Verdichters in einer elektrischen Zuleitung erfolgen. Auch ist es möglich, dass nicht nur die Phasen des Stromversorgungskabels des Verdichters oder des Verdichterantriebs erfasst werden, sondern auch ein eventuell vorhandener Null leiterdes Stromversorgungskabels.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird zur Bestimmung des Betriebszustands und/oder der Drehzahl ein Phasenspektrum des Magnetfeldes, insbesondere in einem definierten Zeitbereich, ausgewertet.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass die Bestimmung des Betriebszustands und/oder der Drehzahl verbessert wird. Dies ist dadurch begründet, dass sich die Phasenspektren in den unterschiedlichen Betriebszuständen und/oder den unterschiedlichen Drehzahlen deutlich voneinander unterscheiden.

In einer weiteren Ausführungsform wird zur Bestimmung des Betriebszustands und/oder der Drehzahl ein Amplitudenspektrum des Magnetfeldes, insbesondere in einem definierten Zeitbereich, ausgewertet.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass die Bestimmung des Betriebszustands und/oder der Drehzahl verbessert wird. Dies ist dadurch begründet, dass sich die Amplitudenspektren in den unterschiedlichen Betriebszuständen und/oder den unterschiedlichen Drehzahlen deutlich voneinander unterscheiden.

In einer Ausführungsform beträgt der Zeitbereich 200ms bis 20s, vorzugsweise 300ms bis 10s, besonders bevorzugt 500ms bis 5s, insbesondere 750ms bis 3s, insbesondere ls.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass der Zeitbereich gemäß den Anforderungen des Verdichters und der Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens gewählt werden kann. In einer weiteren Ausführungsform wird das Phasenspektrum des Magnetfeldes automatisch auswertet, insbesondere indem die Varianz des Phasenspektrums in einem Frequenzbereich von 0 Hz bis 10 kHz, bevorzugt 0 Hz bis 1 kHz, besonders bevorzugt in einem Bereich um eine Erregerfrequenz, gebildet wird.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass abhängig von dem Verdichterantrieb, der Frequenzbereich, in dem das Phasenspektrum ausgewertet wird, entsprechend angepasst werden kann. Hierbei hat es sich gezeigt, dass für einen Hochgeschwindigkeits-Verdichterantrieb ein Frequenzbereich von 0 Hz bis 10 kHz, für einen Nicht-Hochgeschwindigkeits-Verdichterantrieb ein Frequenzbereich von 0 bis 1 kHz und für einen drehzahlstarren Verdichterantrieb ein Frequenzbereich um die Erregerfrequenz, insbesondere um 50 Hz oder 60 Hz mit einer Varianz von ±5 Hz, geeignet ist.

In einer weiteren Ausführungsform wird das Amplitudenspektrum des Magnetfeldes automatisch auswertet, insbesondere indem die Varianz des Amplitudenspektrums in einem Frequenzbereich von 0 Hz bis 10 kHz, bevorzugt 0 Hz bis 1 kHz, besonders bevorzugt in einem Bereich um eine Erregerfrequenz, gebildet wird.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass abhängig von dem Verdichterantrieb, der Frequenzbereich, in dem das Amplitudenspektrum ausgewertet werden kann, entsprechend angepasst werden kann. Hierbei hat es sich gezeigt, dass für einen Hochgeschwindigkeits-Verdichterantrieb ein Frequenzbereich von 0 Hz bis 10 kHz, für einen Nicht-Hochgeschwindigkeits- Verdichterantrieb ein Frequenzbereich von 0 bis 1 kHz und für einen drehzahlstarren Verdichterantrieb ein Frequenzbereich um die Erregerfrequenz, insbesondere um 50 Hz oder 60 Hz mit einer Varianz von ±5 Hz, geeignet ist.

In einer weiteren Ausführungsform ist der Frequenzbereich ein Vielfaches, insbesondere ein 2-faches bis 10-faches der Erregerfrequenz.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass der Frequenzbereich in Abhängigkeit von der für die Abtastung vorhandenen Hardware oder Software entsprechend gewählt werden kann. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Betriebszustand des Verdichters basierend auf dem Frequenzspektrum des Magnetfeldes unter Verwendung eines Clusterverfahrens und/oder eines Klassifikationsverfahrens bestimmt.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass hierdurch eine automatische Betriebszustandsbestimmung des Verdichters möglich ist.

In einer weiteren Ausführungsform verwendet das Clusterverfahrens und/oder das Klassifikationsverfahren Schwellwerte oder ein statistisches Verfahren, insbesondere k-means und/oder neuronale Netze.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass sowohl beim Clusterverfahren, als auch beim Klassifikationsverfahren weitgehend automatisierte Verfahren angewendet werden können. Dies bedeutet insbesondere eine Verbesserung der Bestimmung des Betriebszustands des Verdichters.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Klassifikationsverfahren drei Klassifikationen, insbesondere die Klassifikationen Stillstand, Leerlauf und Lastlauf.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass hierdurch eine konkrete Realisierung des Klassifikationsverfahrens zur Verfügung gestellt wird.

Eine weitere Ausführungsform beschreibt, dass jede Klassifikation anhand der Höhe einer statistischen Kenngröße definiert wird.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass die statistische Kenngröße, beispielsweise die Varianz, der Durchschnitt, der Modalwert und dergleichen, insbesondere bei einer softwaretechnischen Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens, schnell und zuverlässig berechenbar ist.

In einer weiteren Ausführungsform wird der Betriebszustand des Verdichters und/oder die Drehzahl des Verdichterantriebs durch eine Analyse des Amplitudenspektrums des Magnetfeldes im Frequenzbereich einer Erregerfrequenz bestimmt. Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass ein alternatives Bestimmungsverfahren für den Betriebszustand des Verdichters und/oder die Drehzahl des Verdichterantriebs bereitgestellt wird.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird bei der Analyse des Amplitudenspektrums eine Schwellwertbildung durchgeführt.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass hierdurch eine automatisierte Erkennung des Betriebszustands durchgeführt werden kann.

Die Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ausführungsformen, gelöst, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist: ein Erfassungselement zum Anbringen auf mindestens einer Phase eines Stromversorgungskabels, wobei das Erfassungselement eine Rogowski-Spule, eine Stromzange, ein MEMS-Magnetometer, und/oder einen Hall-Sensor oder einen magnetoresistiven Sensor umfasst.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung werden die Vorteile des Verfahrens erzielt. Insbesondere besteht ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung darin, dass aufgrund der Analyse des Frequenzspektrums des Magnetfeldes die Drehzahl des Verdichterantriebs und/oder der Betriebszustand des Verdichters bestimmt werden kann. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass der exakte Wert der magnetischen Kenngröße und/oder die Höhe des Effektivwerts des Stroms nicht benötigt wird, um die Drehzahl des Verdichterantriebs und/oder den Betriebszustand des Verdichters zu ermitteln. Diese Parameter müssen folglich nicht wie im Stand der Technik üblich, mit hohem konstruktiven Aufwand ermittelt werden. Vielmehr ist es möglich, dass beispielsweise durch einen Vergleich der innerhalb eines Zeitbereichs erfassten magnetischen Kenngrößen untereinander eine Bestimmung eines Betriebszustands des Verdichters und/oder eine Bestimmung einer Drehzahl des Verdichterantriebs durchgeführt wird. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ist eine einfachere Drehzahlbestimmung des Verdichterantriebs und/oder eine vereinfachte Bestimmung des Betriebszustands des Verdichters möglich. Darüber hinaus ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Bestimmung der Drehzahl des Verdichterantriebs und/oder eine Bestimmung des Betriebszustands des Verdichters ohne genaue Kenntnis der Kennwerte des Verdichters bzw. des Verdichterantriebs. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist folglich auch für bereits installierte Verdichter bzw. Verdichterantriebe geeignet.

In einer weiteren Ausführungsform weist das Erfassungselement mindestens eine Sensoreinheit auf, wobei die Sensoreinheit mindestens zwei der folgenden Sensoren umfasst: einen Sensor für eine Erfassung einer Magnetfeldstärke in einer X-Richtung, einen Sensor für eine Erfassung einer Magnetfeldstärke in einer Y-Richtung, oder einen Sensor für eine Erfassung einer Magnetfeldstärke in Z- Richtung, umfasst.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass durch die mindestens zwei Sensoren eine von der Lage der jeweiligen Sensoreinheit unabhängige Erfassung des Magnetfeldes ermöglicht wird.

Die Aufgabe wird auch durch eine Verwendung einer Vorrichtung nach den vorhergehenden Ausführungsformen zur Bestimmung einer Drehzahl eines Verdichterantriebs und/oder zur Bestimmung eines Betriebszustands eines Verdichters, gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Verwendung werden die Vorteile der Vorrichtung erzielt.

Die Aufgabe wird auch durch das erfindungsgemäße computerlesbare Medium mit Anweisungen gelöst, die beim Ausführen auf einem oder mehreren Recheneinheiten ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ausführungsformen implementiert.

Durch das erfindungsgemäße computerlesbare Medium einschließlich computerausführbarer Anweisungen wird eine verbesserte informationstechnische Handhabung des erfindungsgemäßen Verfahrens bewirkt.

Nachfolgend wird die Erfindung mittels mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben, die anhand von Abbildungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:

Fig. 1: eine im Stand der Technik bekannte Erfassung der

Stromstärke an einem Kompressor mit drehzahlstarrem Verdichterantrieb Fig. 2: eine im Stand der Technik bekannte Erfassung der

Stromstärke an einem Kompressor mit drehzahlvariablem Verdichterantrieb

Fig. 3: einen aus dem Stand der Technik bekannten Zusammenhang zwischen der magnetischen Feldstärke, dem Effektivwert des Stroms und dem Betriebszustand

Fig. 4: eine Erfassung des Magnetfelds bei einem Verdichter mit drehzahlstarrem Verdichterantrieb gemäß eines erfindungsgemäßen Verfahrens

Fig. 5: eine Erfassung des Magnetfelds bei einem Verdichter mit drehzahlvariablem Verdichterantrieb gemäß eines erfindungsgemäßen Verfahrens

Fig. 6: eine erfindungsgemäße Auswertung eines Zeitausschnitts der

Magnetfeldstärke im Frequenzbereich (Amplitudenspektrum)

Fig. 7 ein Beispiel für ein Phasenspektrum eines Verdichters mit drehzahlstarrem Verdichterantrieb bei Lastlauf (Fig. 7a), Leerlauf (Fig. 7b) und Stillstand (Fig. 7c)

Fig. 8 die Erkennung des Betriebszustands aus der Varianz der

Amplitude im Frequenzbereich in einem Intervall ±2 Hz rund um die Erregerfrequenz von 50 Hz

Fig. 9 die Erkennung des Betriebszustands aus der erfassten magnetischen Flussdichte (Fig. 9a) im Betriebsmodus „Lastlauf" (Fig. 9b) und im Betriebsmodus „Leerlauf' (Fig.

9c).

Fig. 10 eine Erkennung des Betriebszustands auf Basis der Amplitude einer FFT für die Netzfrequenz.

Fig. 11 eine Erkennung des Betriebszustands auf Basis der Werte des Phasenspektrums. Fig. 12 Möglicher Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 13 eine erste mögliche Implementierung des erfindungsgemäßen

Verfahrens.

Fig. 14 eine zweite mögliche Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 15 eine dritte mögliche Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 16 eine vierte Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung darauf basiert, dass das vom Strom induzierte Magnetfeld der Phasen LI, L2, L3 erfasst wird. Allerdings wird für die Ermittlung der Drehzahl des Verdichterantriebs auf die Auswertung der Magnetfeldstärke als Indikator der Stromstärke bzw. des Effektivwerts des Stroms verzichtet. Stattdessen wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren durch Analyse des Frequenzbereichs, beispielsweise unter Benutzung der Fourieranalyse, Waveletanalyse, oder des Görtzel-Algorithmus, der zeitliche Verlauf der Magnetfeldstärke hinsichtlich der darin enthaltenen Frequenzanteile analysiert. Durch die Analyse der einzelnen Frequenzanteile wird die Frequenz des Magnetfelds erkannt, das auf die Grundfrequenz des Drehstroms zurückzuführen ist, mit der der Verdichterantrieb angetrieben wird. Ein Beispiel einer solchen Frequenzanalyse für einen Zeitausschnitt aus dem Signal der Magnetfeldstärke ist in Figur 6 dargestellt.

In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleichwirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.

Die Figur 1 zeigt einen bekannten Stand der Technik zur Erfassung der Stromstärke an einem Verdichter 1, beispielsweise einem Kompressor mit drehzahlstarrem Verdichterantrieb 2. Der Verdichter 1 weist einen Verdichterantrieb 2 auf, wobei dieser beispielsweise ein Elektromotor ist und eine entsprechende Motorwicklung 8 aufweist. Vor dem Verdichterantrieb ist ein Klemmkasten 9 angebracht. Sowohl der Verdichterantrieb 2, als auch ein Teil des Stromversorgungskabels 4 und der Klemmkasten 9 sind in einem Maschineninnenraum 5 untergebracht. Ein Erfassungselement 3 wird nach dem Netzschütz 7, also im Bereich des Schaltschrankes 6, an eine der Phasen des Stromversorgungskabels 4 angebracht. Wie aus der Figur 1 ersichtlich, erstreckt sich ein Teil des Stromversorgungskabels 4 zwischen dem Maschineninnenraum 5 und dem Schaltschrank 6. In der Figur 1 ist eine Anbringung des Erfassungselements 3 an der Phase LI dargestellt.

Die Figur 2 zeigt schematisch eine im Stand der Technik bekannte Erfassung der Stromstärke an einem Verdichter 1, beispielsweise einem Kompressor, mit drehzahlvariablem Verdichterantrieb 2. Die Erfassung der Stromstärke an dem Verdichter 1 mit drehzahlvariablem Verdichterantrieb 2 unterscheidet sich von der Erfassung der Stromstärke an einem Verdichter 1 mit drehzahlstarrem Verdichterantrieb 2 dadurch, dass das Erfassungselement 3 nach einem Frequenzumrichter 10 an eine der Phasen des Stromversorgungskabels 4 angebracht wird. Der Frequenzumrichter 10 ist insofern ein vom Verdichterantrieb 2 separates Bauteil.

Die Wirkstrommessung erfolgt an dem Stromversorgungskabel 4 des Verdichterantriebs 2 über ein Erfassungselement 3, beispielsweise eine Stromzange oder eine Rogowski-Spule. An einer Phase des Stromversorgungskabels 4, in den Figuren 1 und 2 an der Phase LI, wird der Wirkstrom kontaktfrei durch Messung der Magnetfeldstärke zu ermitteln. Hierfür wird der Effekt genutzt, dass die Magnetfeldstärke rund um die Phase LI proportional zur Stromstärke in der Phase LI ist. Die mögliche Positionierung des Erfassungselements 3 für einen Verdichter mit drehzahlstarrem Verdichterantrieb, ist in Figur 1 dargestellt, während die mögliche Positionierung für einen Verdichter mit drehzahlvariablen Verdichterantrieb in Figur 2 dargestellt ist.

In Figur 3 ist der aus dem Stand der Technik bekannte Zusammenhang zwischen der Magnetfeldstärke, dem Effektivwert des Stroms und dem Betriebszustand dargestellt. In dem oberen Diagramm der Figur 3 ist die Magnetfeldstärke über die Zeit (in Sekunden) abgebildet.

Das untere Diagramm der Figur 3 zeigt den Effektivwert des Stroms und den dadurch ableitbaren Betriebszustand. Die Signalerfassung bei diesem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren geschieht so, dass aus dem an der Phase über die Magnetfeldstärke abgegriffenen Messwert der Stromstärke (Wechselstrom) der Effektivwert der Stromstärke über eine oder mehrere Wellen des Wechselstroms berechnet wird. Der Effektivwert der Stromstärke eines Wechselstroms steht für die äquivalente Stromstärke eines Gleichstroms. Anhand des Effektivwerts des Wechselstroms lassen sich durch Schwellwertbildung die Betriebszustände „Stillstand", „Leerlauf' und „Lastlauf' unterscheiden. Der Zusammenhang zwischen magnetischer Feldstärke, Effektivwert des Stroms und Betriebszustand ist beispielhaft in Figur 3 dargestellt.

In der aus dem Stand der Technik bekannten Beispiel der Figur 3 wurde für die Ableitung des Betriebszustands ein Schwellwert von 30A für die Erkennung des Betriebszustands „Leerlauf' und ein Schwellwert von 160A für die Erkennung des Betriebszustands „Lastlauf' angesetzt. Diese beiden Werte müssen aus dem Datenblatt des jeweiligen Verdichters entnommen werden oder basierend auf Werten des Datenblatts errechnet werden.

Die Figur 4 zeigt eine Erfassung des Magnetfelds bei einem Verdichter 1 mit drehzahlstarrem Verdichterantrieb 2 gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren. Hierbei ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens abgebildet, bei der das Erfassungselement 3 alle Phasen LI, L2 und L3 des Stromversorgungskabels 4 erfasst. Es ist für den Fachmann jedoch verständlich, dass das Erfassungselement 3 derart angebracht werden kann, dass nur eine Phase, beispielsweise die Phase LI, oder die Phase L2, oder die Phase L3, oder ein nicht abgebildeter stromführender Nullleiter, erfasst wird. Die Position des Erfassungselements 3 unterscheidet sich jedoch grundlegend von der Positionierung der Figur 1. So ist in der Ausführungsform der Figur 4 das Erfassungselement 3 außerhalb des Schaltschrankes 6 und außerhalb des Maschineninnenraums 5 positioniert. Dies hat den Vorteil, dass das Erfassungselement 3 auch von einem nicht elektrisch unterwiesenen Personal angebracht werden kann.

Die Figur 5 zeigt eine Erfassung des Magnetfelds bei einem Verdichter 1 mit drehzahlvariablem Verdichterantrieb 2 gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren. Wiederum ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens abgebildet, bei der das Erfassungselement 3 alle Phasen LI, L2, L3 und einen gegebenenfalls vorhandenen, in der Figur 5 nicht abgebildeten Nullleiter, des Stromversorgungskabels 4 erfasst. Es ist für den Fachmann jedoch verständlich, dass das Erfassungselement 3 derart angebracht werden kann, dass nur eine Phase, beispielsweise die Phase LI, oder die Phase L2, oder die Phase L3, oder ein in der Figur 5 nicht abgebildeter gegebenenfalls vorhandener Nullleiter, erfasst wird.

Der Stand der Technik geht davon aus, dass in der in den Figuren 4 und 5 dargestellten Ausführungsformen kein Magnetfeld erfasst werden kann, da sich in der Theorie die Magnetfelder der einzelnen Ströme in den symmetrisch belasteten Phasen LI, L2, L3 gegenseitig aufheben. Die Anmelderin hat jedoch festgestellt, dass die Phasen LI, L2, L3 nicht symmetrisch belastet sind, wodurch sich sogenannte Leckströme zwischen den einzelnen Phasen LI, L2, L3 und/oder dem Nullleiter (nicht dargestellt in den Figuren 4 und 5) ergeben. Auch diese Leckströme erzeugen ein Magnetfeld, dessen Magnetfeldstärke erfasst werden kann. Dieses Magnetfeld und insbesondere die Magnetfeldstärke sind um Größenordnungen geringer, als das Magnetfeld und die Magnetfeldstärke bei Messung einer einzelnen Phase LI, L2, L3. Das Magnetfeld und ebenso die Magnetfeldstärke und insbesondere deren qualitativer zeitlicher Verlauf kann zuverlässig erfasst werden. Hierdurch ist es möglich, dass das Erfassungselement 3 an Positionen des Stromversorgungskabels 4 angebracht wird, für die kein elektrisch unterwiesenes Personal notwendig ist. Ein Beispiel für eine derartige Position ist der Maschineninnenraum 5 an der Zuleitung des Verdichterantriebs 2 vor dem Klemmkasten 9 des Verdichterantriebs 2, wie beispielsweise in der Figur 5 dargestellt. Bei einem Verdichter 1 mit drehzahlstarrem Verdichterantrieb 2 kann das Erfassungselement 3 sogar außerhalb des Verdichters 1 in einer elektrischen Zuleitung, in der Figur 4 durch das Stromversorgungskabel 4 dargestellt, angebracht werden.

In der Figur 6 ist eine erfindungsgemäße Auswertung eines Zeitausschnitts der Magnetfeldstärke im Frequenzbereich, das sogenannte Amplitudenspektrum, dargestellt. Durch die Analyse der einzelnen Frequenzanteile wird die Frequenz des Magnetfelds erkannt, die auf die Grundfrequenz des Drehstroms zurückzuführen ist, mit der der Verdichterantrieb angetrieben wird.

Das Ergebnis der Ermittlung der Magnetfeldstärke ist in der Figur 6 oben dargestellt. Die Figur 6 unten ein Beispiel einer Frequenzanalyse für einen Zeitausschnitt aus dem Signal der Magnetfeldstärke. Der Zeitausschnitt ist in der Figur 6 oben mit gestrichelten Balken angedeutet.

In der Figur 6 unten, also im Amplitudenspektrum, gibt es ein deutlich ausgeprägtes Maximum bei einer Frequenz von 23,1 Hz. Diese Frequenz ist genau die Frequenz des Drehstroms, welcher den Verdichterantrieb 2 über das Stromversorgungskabel 4 mit elektrischer Energie versorgt. In der Figur 6 ist beispielhaft die Magnetfeldstärke und das Amplitudenspektrum für einen Verdichter 1 mit drehzahlvariablen Verdichterantrieb 2 dargestellt. Die Stärke des Magnetfelds und/oder die Flöhe des Effektivwerts des Stroms spielen für das erfindungsgemäße Verfahren keine Rolle. Das erfindungsgemäße Verfahren ermittelt vielmehr die Frequenz, mit welcher das Magnetfeld schwingt. Diese Frequenz der Schwingung des Magnetfelds ist dabei die gleiche Frequenz, mit der der Drehstrom des Verdichterantriebs 2 rotiert.

Die Figur 7 zeigt beispielhaft ein Phasenspektrum eines Verdichters 1 mit drehzahlstarrem Verdichterantrieb 2 in den Betriebszuständen „Stillstand", „Leerlauf' und „Lastlauf'. FHierbei ist in der Figur 7a der Betriebszustand „Lastlauf' des Verdichters 1 mit drehzahlstarrem Verdichterantrieb 2 abgebildet. In der Figur 7b ist der Betriebszustand „Leerlauf' des Verdichters 1 mit drehzahlstarrem Verdichterantrieb 2 abgebildet. Schließlich ist in der Figur 7c der Betriebszustand „Stillstand" des Verdichters 1 mit drehzahlstarrem Verdichterantrieb 2 abgebildet.

Aus der Figur 7 ist erkennbar, dass sich die Phasenspektren in den einzelnen Betriebszuständen deutlich unterscheiden. Ebenso ist es möglich, dass für die Erkennung des Betriebszustands das Phasenspektrum des Magnetfelds in einem definierten Zeitbereich, beispielsweise in einem Zeitbereich von 200ms bis 20s, vorzugsweise 300ms bis 10s, besonders bevorzugt 500ms bis 5s, insbesondere 750ms bis 3s, insbesondere ls, ausgewertet wird (nicht abgebildet in der Figur 7).

Eine automatische Auswertung des Phasenspektrums wird beispielsweise dadurch durchgeführt, dass die Varianz des Phasenspektrums im Bereich von 0 FHz bis 80 FHz gebildet wird (nicht abgebildet in der Figur 7). Diese Varianz wird einem Algorithmus zur Clusterbildung zugeführt. Der Algorithmus zur Clusterbildung definiert Cluster unter Verwendung von Schwellwerten oder unter Verwendung von statistischen Verfahren wie beispielsweise k-means oder neuronale Netze. Basierend auf dieser Clusterbildung wird ein Klassifikationsverfahren durchgeführt, wobei hierbei jedem Cluster anhand der Flöhe der Varianz ein Betriebszustand zugeordnet wird. Beispielsweise wird dem Betriebszustand „Stillstand" eine sehr hohe Varianz, dem Betriebszustand „Lastlauf' eine mittlere Varianz und dem Betriebszustand „Leerlauf' eine sehr geringe Varianz zugeordnet. Auch ist es möglich, dass das Klassifikationsverfahren ohne eine vorherige Clusterbildung durchgeführt wird.

Aus dem Spektrum der Figur 7 ist optisch erkennbar, dass auch der Spektrumsbereich von 240 Hz bis 260 Hz für eine Clusterbildung und damit eine Erkennung des Betriebszustands geeignet ist. Bei dem in der Figur 7 dargestellten Beispiel entspricht der Bereich von 240 Hz bis 260 Hz dem Frequenzbereich welcher Kammerfrequenz eines Blocks mit 5 Verdichtungskammern entspricht. Folglich ist es auch möglich, dass über die Analyse des Magnetfelds auch die Rückwirkungen des Verdichtungsprozesses auf das Stromnetz analysiert wird.

Die Figur 8 zeigt eine Erkennung des Betriebszustands aus der Varianz der Amplitude im Frequenzbereich in einem Intervall ±2 Hz rund um eine Erregerfrequenz von 50 Hz. Hierbei wird durch eine Schwellwertbildung eine Erkennung des Betriebszustands durchgeführt. In der in Figur 8 abgebildeten Ausführungsform wird eine Varianz größer 10000 für die Erkennung des Betriebszustands „Leerlauf' und eine Varianz größer als 100000 wird für die Erkennung des Betriebszustands „Lastlauf' definiert. In der Figur 8 wurde die Varianz auf den Mittelwert des untersuchten Amplitudenspektrums im jeweiligen Zeitfenster normiert. In der Figur 8 beträgt dieses Zeitfenster eine Sekunde.

Die Figur 9 zeigt die zugrundeliegenden Daten zur Erkennung des Betriebszustands mittels zwei unterschiedlicher Vorgehensweisen aus der erfassten magnetischen Flussdichte (Fig. 9a). Exemplarisch sind zwei Zeitbereiche in Fig. 9a definiert. Das Amplitudenspektrum nach einer Fourieranalyse (hier Fast Fourier Transform FFT) ist für diese beiden Zeitbereiche in Fig. 9b und Fig. 9c dargestellt. Die beiden Zeitbereiche unterscheiden sich bzgl. des Betriebszustands des Verdichters: „Lastlauf' (Fig. 9b) und „Leerlauf' (Fig. 9c).

Insbesondere zeigt die Figur 9 eine weitere Möglichkeit zur Erkennung des Betriebszustands, wobei hierbei das Magnetfeld aller Phasen LI, L2, L3 des Stromversorgungskabels 4 erfasst wird. Diese Methode eignet sich sowohl für Verdichter 1 mit Frequenzumrichter 10 (siehe beispielsweise Figur 2 oder Figur 5), als auch für Verdichter 1 ohne Frequenzumrichter 10 (siehe beispielsweise Figur 1 oder Figur 4). Ausgehend von der mittels des Erfassungselements 3 erfassten magnetischen Flussdichte (beispielhaft abgebildet in der Figur 9a) kann das Amplitudenspektrum für gewisse Zeitabschnitte berechnet werden. Dies ist für einen ls-Zeiti ntervall im Lastlauf in der Figur 9b und für ein ls-Zeitintervall im Leerlauf in der Figur 9c beispielhaft dargestellt. Anhand der Amplitudenwerte der Frequenz 50Hz (beispielhaft abgebildet in der Figur 10a) wird mittels Schwellwerten der Betriebszustand (beispielhaft abgebildet in der Figur 10b) ermittelt. Da es sich in diesem Anwendungsbeispiel um einen drehzahlstarren Verdichter, welcher in einem Stromnetz mit 50Hz Netzfrequenz betrieben wird handelt, sind die Amplitudenwerte der Frequenz 50Hz besonders relevant für dieses Anwendungsbeispiel.

Für die Ermittlung der Schwellwerte können zwei unterschiedliche Vorgehensweisen angewendet werden. Für die erste Vorgehensweise muss der Betriebszustand zu einem Zeitpunkt der Messung bekannt sein (z.B. „Leerlauf' bei 530s in Figur 9 bzw. 10). Für diesen Zeitpunkt ist der Amplitudenwert der Frequenz bei 50Hz bekannt. Dieser Amplitudenwert wird mit einem ersten Sicherheitsfaktor multipliziert (beispielsweise 0,8) um den unteren Schwellwert zu erhalten. Durch die Multiplikation mit einem zweiten Sicherheitsfaktor (beispielsweise 1,5) wird der obere Schwellwert definiert. Sollte zu einem Zeitpunkt der Amplitudenwert der Frequenz bei 50Hz größer als beide Schwellwerte sein, liegt der Betriebszustand „Lastlauf' vor. Sollte zu einem Zeitpunkt der Amplitudenwert der Frequenz bei 50Hz kleiner als beide Schwellwerte sein, liegt der Betriebszustand „Aus" vor. Sollte zu einem Zeitpunkt der Amplitudenwert der Frequenz bei 50Hz zwischen den beiden Schwellwerten liegen, liegt der Betriebszustand „Leerlauf' vor. Anhand dieser beiden Schwellwerte kann der Betriebszustand für jeden Zeitschrift ermittelt werden, dies ist in Fig. 10b dargestellt.

Die zweite Vorgehensweise zur Ermittlung der Schwellwerte läuft automatisiert ab und benötigt daher keine Information eines Betriebszustands bei einem bestimmten Zeitpunkt. Sowohl im Betriebszustand „Leerlauf' als auch im Betriebszustand „Lastlauf' beträgt die Erregerfrequenz des Magnetfelds mehr als 6Hz. Im Betriebszustand „Aus" werden dagegen Erregerfrequenzen erkannt, welche unterhalb von 6Hz liegen. Daher können Zeitpunkte mit einer Erregerfrequenz kleiner 6Hz als Betriebszustand „Aus" definiert werden. Bevor ein Verdichter in den Betriebszustand „Aus" wechselt wird für einige Sekunden der Betriebszustand „Leerlauf' durchfahren. Ein ähnliches Verhalten tritt auf beim Starten des Kompressors vom „Aus" über „Leerlauf' in „Lastlauf'. Dieses Phänomen kann genutzt werden, um Amplitudenwert der Frequenz bei 50Hz für einen Betriebszustand „Leerlauf' zu erhalten. In der zweiten Vorgehensweise wird der Mittelwert der Amplitudenwert der Frequenz bei 50Hz von 4 Zeitschriften vor einem bekannten Betriebszustand „Aus" gebildet. Dieser Mittelwert wird mit einem ersten Sicherheitsfaktor multipliziert (beispielsweise 0,8) um den unteren Schwellwert zu erhalten. Durch die Multiplikation mit einem zweiten Sicherheitsfaktor (beispielsweise 1,5) wird der obere Schwellwert definiert. Sollte zu einem Zeitpunkt der Amplitudenwert der Frequenz bei 50Hz größer als beide Schwellwerte sein, liegt der Betriebszustand „Lastlauf' vor. Sollte zu einem Zeitpunkt der Amplitudenwert der Frequenz bei 50Hz kleiner als beide Schwellwerte sein, liegt der Betriebszustand „Aus" vor. Sollte zu einem Zeitpunkt der Amplitudenwert der Frequenz bei 50Hz zwischen den beiden Schwellwerten liegen, liegt der Betriebszustand „Leerlauf' vor. Anhand dieser beiden Schwellwerte kann der Betriebszustand für jeden Zeitschrift ermittelt werden, dies ist in Fig. 10b dargestellt.

Die Figuren 11a und 11b zeigen eine weitere Möglichkeit zur Erkennung des Betriebszustands, wobei hierbei das Magnetfeld aller Phasen LI, L2, L3 des Stromversorgungskabels 4 erfasst wird. Diese Methode eignet sich sowohl für Verdichter 1 mit Frequenzumrichter 10 (siehe beispielsweise Figur 2 oder Figur 5), als auch für Verdichter 1 ohne Frequenzumrichter 10 (siehe beispielsweise Figur 1 oder Figur 4).

Ausgehend vom Phasenspektrum im Frequenzbereich zwischen 1 und 80 Hz (siehe Figur 7) können alle Werte des Phasenspektrums in Zeitbereichen von beispielsweise ls aufsummiert werden.

Es wird die Differenz dieser aufsummierten Werte der Argumente gebildet. Sollte diese Differenz > 0,1 rad sein, wird diese Differenz auf 0,1 rad begrenzt. Es entsteht eine neue Zeitreihe der Differenzen.

Nach einer Glättung der Zeitreihe der Differenzen (beispielsweise durch Bildung des Mittelwerts über drei benachbarte Werte) können Schwellwerte für einen Wechsel der Betriebszustände „Leerlauf', „Lastlauf' und „Stillstand" definiert werden. Diese Zeitreihe der Differenzen wird als Strecke im Phasenspektrum bezeichnet. Dieser Verlauf der Strecke im Phasenspektrum und die zugehörigen Schwellwerte sind in Figur 11a dargestellt. Der daraus ermittelte Betriebszustand des Verdichters ist in Figur 11b dargestellt.

Die Figur 12 zeigt einen möglichen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt, Sl, wird die Messung gestartet. Danach werden in einem zweiten Schritt, S2, die Magnetfeldwerte durch Abtastung erfasst und gespeichert. Anschließend wird in einem dritten Schritt, S3, die Messung gestoppt. In einem vierten Schritt, S4, wird die Zeitreihe der Magnetfeldwerte ausgelesen. In einem fünften Schritt, S5, wird jeweils in Abschnitten von einer Sekunde durch eine Frequenzsanalyse die Drehzahl und der Betriebszustand ermittelt. In einem sechsten Schritt, S6, werden Zeitreihen von Drehzahl und Betriebszustand erstellt.

Einzelne Anwendungsbeispiele werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren 13 bis 16 näher erläutert.

Anwendungsbeispiel 1:

Figur 13 zeigt eine erste mögliche Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt, S101, wird die Messung gestartet. Danach werden in einem zweiten Schritt, S102, die Magnetfeldwerte durch Abtastung erfasst und gespeichert. Anschließend wird in einem dritten Schritt, S103, die Messung gestoppt. In einem vierten Schritt, S104, wird die Zeitreihe der Magnetfeldwerte ausgelesen. In einem fünften Schritt, S105, werden die X-, Y- und Z-Werte der magnetischen Flussdichte (vorliegend als Zeitreihe) weiter genutzt. Für jeden Zeitpunkt der Zeitreihe werden die X-, Y- und Z-Werte zu einem Vektor zusammengefasst und dieser Vektor auf einen Skalar für diesen Zeitpunkt abgebildet. Anschließend erfolgt die Ermittlung des Frequenzspektrums auf der Zeitreihe der Skalare dadurch, dass für jeden ls-Abschnitt der o.g. Zeitreihe eine Frequenzanalyse mit dem Görtzel Algorithmus durchgeführt wird, S106. Danach erfolgt die Bildung der Varianz der Amplituden des Frequenzspektrums zwischen 48Flz und 52Flz. Es erfolgt zusätzlich eine Normierung des Varianzwerts mittels des Durchschnitts der Amplituden, S107. Die normierte Varianzwerte sind in Fig. 8 dargestellt, das Zeitfenster beträgt eine Sekunde. Schließlich werden Schwellwerte für die normierten Varianzwerte festgelegt, um die Betriebszustände „Lastlauf', „Leerlauf' und „Aus" zu unterscheiden, S108. In der in Figur 8 abgebildeten Ausführungsform wird eine Varianz größer 10000 für die Erkennung des Betriebszustands „Leerlauf' und eine Varianz größer als 100000 wird für die Erkennung des Betriebszustands „Lastlauf' definiert. Anwendungsbeispiel 2:

Figur 14 zeigt eine zweite mögliche Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt, S201, wird die Messung gestartet. Danach werden in einem zweiten Schritt, S202, die Magnetfeldwerte durch Abtastung erfasst und gespeichert. Anschließend wird in einem dritten Schritt, S203, die Messung gestoppt. In einem vierten Schritt, S204, wird die Zeitreihe der Magnetfeldwerte ausgelesen. In einem fünften Schritt, S205, werden die X-, Y- und Z-Werte der magnetischen Flussdichte (vorliegend als Zeitreihe) weiter genutzt. Für jeden Zeitpunkt der Zeitreihe werden die X-, Y- und Z-Werte zu einem Vektor zusammengefasst und dieser Vektor auf einen Skalar für diesen Zeitpunkt abgebildet. Die Werte dieses Skalars sind in Fig. 9a dargestellt. In einem sechsten Schritt, S206, erfolgt die Ermittlung des Frequenzspektrums auf der Zeitreihe der Skalare dadurch, dass für jeden ls-Abschnitt der o.g. Zeitreihe eine Frequenzanalyse mit der Fourieranalyse (FFT) durchgeführt wird und das Amplitudenspektrum berechnet wird. Werte des Amplitudenspektrums sind in Fig. 9b und 9c für eine Sekunde „Lastlauf" und eine Sekunde „Leerlauf' dargestellt. Anschließend erfolgt die Extraktion der Amplitude bei 50Hz (Erregerfrequenz) für jedes ls-Intervall, S207. Die Amplitudenwerte bei 50Hz sind in Fig. 10a als Zeitreihe dargestellt. Danach kann durch manuelle Vorgabe ein Zeitpunkt mit dem Betriebszustand „Leerlauf' des Verdichters identifiziert werden, S208. In Fig. 10a z.B. bei 530s. Ausgehend von dem Betragswert der Amplitude der Fourieranalyse bei 50Hz des bekannten Zeitpunkts „Leerlauf' wird mittels Multiplikation mit einem Sicherheitsfaktor (z.B. 0,8) der Schwellwert SW1 und mittels eines zweiten Sicherheitsfaktors (z.B. 1,5) der Schwellwert SW2 gebildet, S209. Die Ermittlung der Sicherheitsfaktoren erfolgt durch Messung und Analyse einer Schar an Verdichtern. Diese beiden Schwellwerte sind in Fig. 10a als gestrichelte Linien dargestellt. Schließlich werden alle Betragswerte der Amplituden der Fourieranalyse bei 50Hz die oberhalb der beiden Schwellwerte liegen dem Betriebszustand „Lastlauf', alle Werte unterhalb der beiden Schwellwerte dem Betriebszustand „Aus" und alle Werte zwischen den beiden Schwellwerten dem Betriebszustand „Leerlauf' zugewiesen, S210. Somit ergibt sich die Kurve der Betriebszustände des Verdichters, in Fig. 10b dargestellt. Anwendungsbeispiel 3:

Figur 15 zeigt eine dritte mögliche Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt, S301, wird die Messung gestartet. Danach werden in einem zweiten Schritt, S302, die Magnetfeldwerte durch Abtastung erfasst und gespeichert. Anschließend wird in einem dritten Schritt, S303, die Messung gestoppt. In einem vierten Schritt, S304, wird die Zeitreihe der Magnetfeldwerte ausgelesen. In einem fünften Schritt, S305, werden die X-, Y- und Z-Werte der magnetischen Flussdichte (vorliegend als Zeitreihe) weiter genutzt. Für jeden Zeitpunkt der Zeitreihe werden die X-, Y- und Z-Werte zu einem Vektor zusammengefasst und dieser Vektor auf einen Skalar für diesen Zeitpunkt abgebildet. Die Werte dieses Skalars sind in Fig. 9a dargestellt. In einem sechsten Schritt, S306, erfolgt die Ermittlung des Frequenzspektrums auf der Zeitreihe der Skalare dadurch, dass für jeden ls-Abschnitt der o.g. Zeitreihe eine Frequenzanalyse mit der Fourieranalyse (hier mittels FFT) durchgeführt wird und das Amplitudenspektrum berechnet wird. Werte des Amplitudenspektrums sind in Fig. 9b und 9c für eine Sekunde „Lastlauf' und eine Sekunde „Leerlauf' dargestellt. Anschließend erfolgt die Extraktion der Amplitude bei 50Hz (Erregerfrequenz) für jedes ls-Intervall, S307. Die Amplitudenwerte bei 50Hz sind in Fig. 10a als Zeitreihe dargestellt. In Schritt S308 kann der Betriebszustand „Aus" des Verdichters erkannt werden. Im Betriebszustand „Aus" des Verdichters liefert die Fourieranalyse sehr kleine Frequenzen (<6Hz) als Frequenz mit maximaler Amplitude größer 0Hz (Gleichanteil). Zeitintervalle in denen dies der Fall ist, können automatisch dem Betriebszustand „Aus" zugeordnet werden. In Schritt 309 wird ein Zeitintervall gesucht, bei dem der Verdichter gerade in den durch den obigen Verfahrensschritt ermittelten bekannten Betriebszustand „Aus" gewechselt ist (z.B. Zeitpunkt 680s in Fig. 10a). Wenige Sekunden vor dem ermittelten Zeitintervall kann bei Verdichtern vom Betriebszustand „Leerlauf' ausgegangen werden. Daher wird in Schritt S310 der Mittelwert der Betragswerte der Amplitude der Fourieranalyse bei 50Hz über 4 Sekunden vor dem Zeitintervall, in dem die Anlage sicher im Zustand „Aus" ist, gebildet. Dies ist in Fig. 10a der Mittelwert der Werte 676s-679s. Anschließend wird ausgehend von dem ermittelten Mittelwert mittels Multiplikation mit einem Sicherheitsfaktor (z.B. 0,8) der Schwellwert SW1 und mittels eines zweiten Sicherheitsfaktors (z.B. 1,5) der Schwellwert SW2 gebildet, S311. Die Ermittlung der Sicherheitsfaktoren erfolgt durch Messung und Analyse einer Schar an Verdichtern. Diese beiden Schwellwerte sind in Fig. 10a dargestellt. Schließlich werden alle Betragswerte der Amplituden der Fourieranalyse bei 50Hz die oberhalb der beiden Schwellwerte liegen dem Betriebszustand „Lastlauf", alle Werte unterhalb der beiden Schwellwerte dem Betriebszustand „Aus" und alle Werte zwischen den beiden Schwellwerten dem Betriebszustand „Leerlauf' zugewiesen, S312. Somit ergibt sich die Kurve der Betriebszustände, dargestellt in Fig. 10b.

Anwendungsbeispiel 4:

Figur 16 zeigt eine vierte mögliche Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt, S401, wird die Messung gestartet. Danach werden in einem zweiten Schritt, S402, die Magnetfeldwerte durch Abtastung erfasst und gespeichert. Anschließend wird in einem dritten Schritt, S403, die Messung gestoppt. In einem vierten Schritt, S404, wird die Zeitreihe der Magnetfeldwerte ausgelesen. In einem fünften Schritt, S405, werden die X-, Y- und Z-Werte der magnetischen Flussdichte (vorliegend als Zeitreihe) weiter genutzt. Für jeden Zeitpunkt der Zeitreihe werden die X-, Y- und Z-Werte zu einem Vektor zusammengefasst und dieser Vektor auf einen Skalar für diesen Zeitpunkt abgebildet. In einem sechsten Schritt, S406, erfolgt die Ermittlung des Frequenzspektrums auf der Zeitreihe der Skalare dadurch, dass für jeden ls- Abschnitt der o.g. Zeitreihe eine Frequenzanalyse mit der Fourieranalyse (hier mittels FFT) durchgeführt wird und das Argument/die Phase in rad berechnet wird. In einem siebten Schritt, S407, wird die Differenz von zwei benachbarten Werten der Argumente gebildet. Sollte diese Differenz > 0,1 rad sein, so wird diese Differenz auf 0,1 rad begrenzt. Es entsteht eine neue Zeitreihe der Differenzen. Anschließend, S408, erfolgt die Bildung der Summe aller Differenzen der Argumente in rad im Frequenzbereich von l-80Hz, dies wird als Strecke im Phasenspektrum bezeichnet. Im neunten Schritt, S409, wird die Kurve der Strecke im Phasenspektrum geglättet (beispielsweise durch Bildung des Mittelwerts von 3 Werten der Strecke im Phasenspektrum). Diese Strecke im Phasenspektrum ist in Fig. 11a dargestellt. Anschließend erfolgt die Festlegung von Schwellwerten um die Betriebszustände zu unterscheiden, Schwellwerte sind in Fig. 11a als gestrichelte Linie dargestellt. Im letzten Schritt, S411, werden alle Werte der Strecke im Phasenspektrum die oberhalb der beiden Schwellwerte liegen dem Betriebszustand „Lastlauf", alle Werte unterhalb der beiden Schwellwerte dem Betriebszustand „Aus" und alle Werte zwischen den beiden Schwellwerten dem Betriebszustand „Leerlauf' zugewiesen. Somit ergibt sich die Kurve der Betriebszustände als Zeitreihe des Verdichters in Fig. 11b. Bezugszeichen liste

LI Phase 1

L2 Phase 2

L3 Phase 3

1 Verdichter

2 Verdichterantrieb, beispielsweise Elektromotor

3 Erfassungselement

4 Stromversorgungskabel

5 Maschineninnenraum

6 Schaltschrank

7 Netzschütz

8 Motorwicklung

9 Klemmkasten des Elektromotors

10 Frequenzumrichter