DE3932982C2 - Verfahren zum Regeln der Luftabgabe eines Schraubenverdichters - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln der Luftabgabe eines Schraubenverdichters, bei dem während des Betriebes die durchschnittliche Luftabgabe des Verdichters dem Luftverbrauch angepaßt wird, indem der Saugluftstrom gedrosselt oder der Verdichter alter­ nierend auf die volle Luftabgabekapazität und die Leer­ laufkapazität geschaltet wird.

Schraubenverdichter werden häufig zum Zuführen von Druckluft in verschiedene Druckluftsysteme verwendet, mit denen Werkzeuge und verschiedenartige Einrichtungen verbunden sind. Wenn der Verdichter mit voller Kapa­ zität arbeitet, ist die vom Verdichter zugeführte Luft­ menge gewöhnlich größer als die über die Werkzeuge oder die sonstigen Einrichtungen aus dem Verteilernetz aus­ gestoßene Luft, wodurch eine Regelung der Luftabgabe des Verdichters nötig ist. Unter den vornehmlich ver­ wendeten Regeltechniken sind Zweipunkt-Regelung, Drossel-Regelung und Stopp-Regelung zu nennen.

Bei der Zweipunkt-Regelung werden ein oberer und ein unterer Druck-Grenzwert für das Druckluftsystem durch Druckschalter bestimmt. Wenn der Verdichter gestartet wird, ist ein Saugventil in seiner Saugleitung im voll geöffneten Zustand, und der Verdichter arbeitet mit voller Luftabgabekapazität, bis der voreingestellte obere Druck-Grenzwert erreicht wird. Dann schließt der Druckschalter das Saugventil, wobei er das Auslaßventil eines Ölseparatortanks öffnet, um diesen zu entleeren. In diesem Betriebszustand beträgt der Energiebedarf des Verdichters etwa 12 bis 20% des zum Erzielen der vollen Luftabgabe erforderlichen Energiebedarfs. Wenn der Druck auf den voreingestellten unteren Druck-Grenz­ wert abfällt, wird das Saugventil durch den Druck­ schalter als Antwort auf das Erreichen des unteren Grenzwertes voll geöffnet, und der Verdichter arbeitet wieder mit voller Luftabgabekapazität.

Bei der Drossel-Regelung arbeitet der Verdichter kon­ tinuierlich, und das Saugventil des Verdichters wird durch den Druckschalter derart geregelt, daß die durch den Verdichter dem Verteilernetz zugeführte Luftmenge dem Druckluftverbrauch entspricht. Wenn kein Luftver­ brauch erfolgt und das Saugventil durch die Drossel- Regelung geschlossen wird, beträgt der Energiebedarf des Verdichters etwa 70% des zum Erzielen der vollen Luftabgabe erforderlichen Energiebedarfs.

Bei der Stopp-Regelung wird der Verdichter bei dem unteren Druck-Grenzwert des Verteilernetzes gestartet und bleibt so lange in Betrieb, bis der obere Druck- Grenzwert erreicht ist, woraufhin der Verdichter durch den Druckschalter als Antwort auf das Erreichen des oberen Grenzwertes abgeschaltet wird.

Diese Regeltechniken werden oft in ein und demselbem Verdichter derart angewendet, daß die Drossel-Regelung verwendet wird, wenn der Luftverbrauch hoch ist und in dem Verteilernetz eine Tendenz zum Druckabfall besteht; und wenn der Luftverbrauch abnimmt und der Druck im Verteilernetz den voreingestellten oberen Grenzwert überschreitet, veranlaßt der Druckschalter, daß der Verdichter im Leerlauf arbeitet. Folglich wird bei einem Druckabfall auf den voreingestellten unteren Grenzwert veranlaßt, daß der Verdichter mit voller Kapazität arbeitet, und wenn der Verbrauch anschließend abnimmt, beginnt eine erneute Drosselung des Saugluft­ stroms. Diese Regelung kann zusätzlich mit einer Zeit­ funktion versehen sein, so daß, wenn der Verdichter, nachdem er für eine vorbestimmte Zeitdauer im Leerlauf gearbeitet hat, gestoppt wird, bis der Druck im Ver­ teilernetz auf einen voreingestellten unteren Grenzwert abgefallen ist, woraufhin der Druckschalter den Ver­ dichter startet und bewirkt, daß dieser unmittelbar mit voller Luftabgabekapazität arbeitet.

Die Arbeitsweise des Verdichters wird u. a. durch die Betriebsbedingungen beeinflußt, etwa durch die Nenn­ abgabe des Verdichters in Relation zum Luftverbrauch, das Verteilernetzvolumen, das eventuelle Vorhandensein eines im Verteilernetz vorgesehenen Luftspeichertanks, und andere mit dem Verteilernetz verbundene Verdichter. Bekannterweise erfolgt bei den gegenwärtig verwendeten Lösungen das Umschalten von einem Betriebszustand in den anderen lediglich auf der Basis des voreingestell­ ten Druckwertes des Druckschalters, während die oben­ genannten Betriebsbedingungen vollkommen ignoriert werden. Folglich ist die Arbeitsweise des Verdichters insgesamt unwirtschaftlich und sein Energiebedarf unnötig hoch. Dieser Nachteil ließe sich vermeiden, wenn in jeder Betriebssituation die für den jeweiligen Zweck am besten geeignete Regelung erfolgen könnte.

Bei einer aus der DE-OS 27 17 224 bekannten Regelung eines Schrauben­ verdichters ist der Regelbetrieb (Teillastregelung) von einer Aussetzregelung überlagert, die den Verdichter bei einem be­ stimmten Grenzwert des Luftdurchsatzes des Verdichters zu­ nächst auf Vollast steuert, damit er dadurch abgestellt oder auf Leerlauf umgestellt wird.

Aus der DE-OS 26 18 440 ist eine Regelung eines Verdichters bzw. Schraubenverdichters bekannt, bei der die Betriebsarten Durch­ laufbetrieb, Aussetzbetrieb und Regelbetrieb in Abhängigkeit von Zeitgliedern und Drücken des Netzes (Maximaldruck und Mi­ nimaldruck) eingestellt werden.

Bei der Regelung einer Verdichteranlage gemäß der DE-PS 7 64 179 wird der Verdichter abwechselnd auf Leerlaufregelung und Aussetzre­ gelung geschaltet. Ist die Druckabfallrate gering, dann wird von der Leerlaufregelung auf die Aussetzregelung umgeschaltet. Ist die Druckanstiegsrate im Druckluftspeicher gering (weil der Luftverbrauch hoch ist), dann wird von Aussetzregelung auf Leerlaufregelung geschaltet. Die bekannte Regelung weist hier­ zu wie die Regelung gemäß DE-26 18 440 Zeitglieder und Druck­ schalter für den oberen und unteren Druck des Netzes auf.

Aus der US 4 502 842 ist schließlich eine Regelung einer Druck­ luftanlage mit mehreren Verdichtern unterschiedlicher Leistung bekannt. Zur Anpassung der Fördermenge der Verdichter an den Verbrauch des Netzes werden in einer Kalibrierphase das Sy­ stemvolumen und die Systemleckrate und verschiedene Parameter der einzelnen Verdichter bestimmt. Durch Zeitmessung werden dabei u. a. auch die Druckanstiegsrate und die Druckabfallrate des Netzes errechnet. Neben einer Handsteuerung sind zwei automatische Regelungen möglich, eine sog. Folgeregelung und eine sog. Berechnungs- und Auswahlregelung. Bei der Auswahl­ regelung wählt der Regler einen oder eine Gruppe von Verdich­ tern aus mit einem Durchsatz, der dem Verbrauch des Druckluft­ netzes entspricht.

Als zusätzliche Funktion kann eine Messung des Druckes in der Saugleitung vorgesehen sein, um die Teillastfördermenge fest­ zustellen und die Verdichter mit der geringsten Abdrosselung auszuwählen.

Dem Stand der Technik ist kein Verfahren zu entnehmen, mit welchem der Schraubenverdichter in die Betriebsart gebracht wird, die bei einem bestimmten Zustand des Druckluftnetzes den geringsten Energieverbrauch des Verdichters zur Folge hat.

Diese Aufgabe liegt der Erfindung zugrunde und sie wird mit einem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.

Das Verfahren basiert auf der Messung des Luftver­ brauchs und auf den Eigenschaften des betreffenden Verteilernetzes, d. h. der Fähigkeit des Verteilernetzes zur Luftspeicherung und Druckaufrechterhaltung. Die erforderliche Luftmenge im Moment des Messens ist auf der Basis dieser Messungen errechenbar, und ausgehend vom Energiebedarf des Verdichters bei jeder Regel­ technik läßt sich somit bestimmen, welche Regeltechnik am zweckmäßigsten ist. Der Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß der Energieverbrauch des Verdichters unter Berücksichtigung der jeweiligen Betriebsbedin­ gungen minimiert werden kann, wodurch Kosten gespart werden und unnötige Start- und Stoppvorgänge sowie andere größere Änderungen in den Regelabläufen ver­ mieden werden. Dadurch werden die Betriebslebensdauer und die Betriebszuverlässigkeit des Verdichters erhöht.

Der Energieverbrauch des Verdichters läßt sich mittels der gemessenen Werte einfach berechnen. Für die Betriebsart Regel­ betrieb muß lediglich der jeweiligen Teillast, die durch Mes­ sung des Unterdruckes in der Saugleitung ermittelt wird, der zugehörige Strom- oder Energieverbrauch des Verdichters zuge­ ordnet werden. Für den Wechselbetrieb ergibt sich der Ener­ gieverbrauch des Verdichters durch eine Summation des Ener­ gieverbrauches bei Vollast und des Energieverbrauches bei Leerlauf unter Berücksichtigung der Zeiten, die der Verdichter bei Vollast und in Leerlauf läuft.

Diese Zeiten ergeben sich aus der gemessenen Druckanstiegs- und Druckabfallrate und der vorgegebenen unteren und oberen Druckgrenze des Druckluftspeichers.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung genauer erläutert.

Die einzige Figur ist eine schematische Schnittansicht des Schraubenverdichters, der mit einer Regeleinrich­ tung zum Durchführen des Verfahrens versehen ist.

Die Figur zeigt einen Schraubenverdichter 1, in dem Verdichtungsrotoren 2 und 3 angeordnet sind. Der Ver­ dichter weist eine Saugleitung 4 und eine mit dem Druckluftsystem verbundene Auslaßleitung 5 auf. Die Saugleitung 4 ist mit einem Drosselventil 6 zum Drosseln des die Saugleitung passierenden Saugstroms versehen. Zudem weist die Saugleitung 4 einen Druck­ messer 7 auf, der den in der Saugleitung herrschenden Unterdruck im Vergleich mit dem atmosphärischen Druck mißt. Die Auslaßleitung 5 ihrerseits weist einen Druck­ messer 8 auf, der den Druck in dem Druckluftnetz mißt. Der Druckmesser 7 der Saugleitung 4 und der Druckmesser 8 der Auslaßleitung 5 sind mit einer Regeleinrichtung 9 verbunden, die die Druckwerte für beide Leitungen mißt. Die Regeleinrichtung 9 regelt das Drosselventil 6 über eine Regelleitung 10 und schaltet den Verdichter 1 über eine Regelleitung 11 an oder ab.

Beim Anlaufen des Verdichters 1 veranlaßt die Regel­ einrichtung 9 ein vollständiges Öffnen des Saugventils 6, so daß der Verdichter 1 im wesentlichen ohne Unter­ druck Luft durch die Saugleitung 4 ansaugt und durch die Auslaßleitung 5 in das Druckluftnetz einführt. Wenn der Druck in dem Druckluftnetz auf einen voreingestell­ ten Druckwert ansteigt, gewöhnlich einen für das Ver­ teilernetz vorgesehenen unteren Grenzwert, gibt der Druckmesser 8 ein Regelsignal an die Regeleinrichtung 9 ab, welche das Drosselventil 6 zu schließen beginnt, bis der Druck auf dem voreingestellten Wert verbleibt, d. h. die vom Verdichter 1 zugeführte Luftmenge der Luftmenge gleich ist, die von den Werkzeugen oder anderen Einrichtungen in dem Verteilernetz verbraucht wird. In dieser Situation registriert die Regelein­ richtung 9 den von dem Druckmesser 7 der Saugleitung 4 im Vergleich zum atmosphärischen Druck gemessenen Unterdruck und errechnet basierend auf diesem Unter­ druck den Luftverbrauch des Verteilernetzes. An­ schließend schaltet die Regeleinrichtung 9 den Ver­ dichter auf Zweipunkt-Regelung um, wodurch das Drossel­ ventil 6 weit geöffnet wird und der Druck im Verteiler­ netz zu steigen beginnt. Von dem Augenblick an, in dem der Verdichter in die Zweipunkt-Regelung übergeht, beginnt die Regeleinrichtung 9 die Zeitdauer zu messen, die benötigt wird, damit der Druck in dem Druckluftnetz auf den voreingestellten oberen Grenzwert ansteigt, was durch den Druckmesser 8 ermittelt wird; daraufhin schließt die Regeleinrichtung 9 das Drosselventil, d. h. das Saugventil 6, und mißt erneut die Abfallzeit, d. h. die Zeitdauer, die benötigt wird, bis der Druck im Verteilernetz von dem zulässigen oberen Grenzwert auf den unteren Grenzwert abfällt. Auf der Basis der so gemessenen Werte und der Energieverbrauchseigenschaften des Verdichters 1 errechnet ein in der Regeleinrichtung 9 vorgesehener Mikroprozessor, welche der Regeltechniken bei der vorherrschenden Last die geringste Energie verbraucht. Dann wird diese günstigste Regeltechnik verwendet, bis sich die Betriebsbedingungen ändern. Damit die jeweils optimale Regeltechnik so effizient wie möglich benutzt werden kann, wird der Meßvorgang in vorbestimmten Intervallen wiederholt, so daß bei einer Änderung der Betriebsbedingungen auch die Regeltechnik geändert wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform errechnet der Mikroprozessor basierend auf den Eigenschaften des Verteilernetzes den Luftverbrauchs-Grenzwert, bei dem der Energiebedarf beider Regelungstechniken im wesentlichen gleich ist. Dann errechnet die Regeleinrichtung den Luftverbrauch, und wenn der Luftverbrauch diesen Grenzwert überschreitet, setzt die Drossel-Regelung ein. Wenn der Luftverbrauch unter den genannten Wert abfällt, wird der Verdichter auf die Zweipunkt-Regelung umgeschaltet. In vorbestimmten Intervallen schaltet die Regeleinrichtung auf die Drossel-Regelung um und mißt erneut wie oben beschrie­ ben den Wert, der die Betriebsbedingungen angibt, wodurch der Verdichter in Hinblick auf den Energie­ verbrauch stets auf die effizienteste Art arbeitet.

Wenn der Verdichter durch die Zweipunkt-Regelung geregelt wird, kann die Regeleinrichtung 9 auch die Dauer des Leerlaufzustandes messen. Wenn der Leerlauf­ zustand über eine vorbestimmte Zeitdauer hinaus herrscht, schaltet die Regeleinrichtung 9 den Ver­ dichter ab, weil der Luftverbrauch in dem Verteilernetz dadurch so gering ist, daß der durchschnittliche Energieverbrauch bei intermittierendem Stoppen der Maschine am niedrigsten ist. Bei normalem Luftverbrauch jedoch veranlaßt die Regeleinrichtung hauptsächlich die Verwendung der Drossel-Regelung und der Zweipunkt- Regelung gemäß dem beschriebenem Prinzip.

Claims (5)

1. Verfahren zum Regeln der Luftabgabe eines Schrauben­ verdichters, bei dem während des Betriebes die Luftabgabe des Verdichters dem Luftver­ brauch des Druckluftnetzes angepaßt wird, indem der Saugluftstrom gedros­ selt oder der Verdichter alternierend auf die volle Luftabgabekapazität und die Leerlaufkapazität ge­ schaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß
zuerst die Luftabgabe durch Drosseln des Saugluft­ stroms geregelt und gleichzeitig der Unterdruck in der Saugleitung (4) des Verdichters (1) gemessen wird,
daß anschließend der Verdichter (1) derart geregelt wird, daß er alternierend mit voller Luftabgabekapa­ zität und Leerlaufkapazität arbeitet,
daß die Druckanstiegsrate in dem Druckluftnetz gemes­ sen wird, wenn der Verdichter (1) mit voller Luft­ abgabekapazität arbeitet, und daß die Druckabfallrate gemessen wird, wenn der Verdichter (1) mit Leerlauf­ kapazität arbeitet,
daß auf der Basis der so gemessenen Werte der Luft­ verbrauch des Druckluftnetzes und der Energieverbrauch des Verdichters (1) bei jeder Regeltechnik für dieses bestimmte Luftver­ brauchsniveau des Druckluftnetzes errechnet werden und
daß der Verdichter (1) so betätigt wird, daß die Regeltechnik mit dem geringsten Energieverbrauch benutzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Basis der gemessenen Werte ein Luftver­ brauchs-Grenzwert errechnet wird, bei dem der Energie­ verbrauch bei beiden Regelungstechniken gleich ist, wobei die Luftabgabe des Verdichters (1) bei einem über dem Grenzwert liegenden Luftverbrauchsniveau durch Drosseln des Saugluftstroms und bei einem unter dem Grenzwert liegenden Luftverbrauchsniveau durch alter­ nierendes Schalten auf die volle Luftabgabekapazität und die Leerlaufkapazität geschaltet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Messung des Unterdrucks, der Druck­ anstiegsrate und der Druckabfallrate sowie die Berech­ nung der Werte, auf deren Basis die Wahl der Regel­ technik erfolgt, in vorbestimmten Intervallen durch­ geführt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckanstiegsrate und die Druckabfallrate durch Messen der Zeitdauer bestimmt werden, die für den Druckanstieg von einem vorein­ gestellten unteren Grenzwert auf einen voreingestellten oberen Grenzwert und für den Druckabfall von dem oberen Grenzwert auf den unteren Grenzwert erforderlich ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (1) gestoppt wird, wenn das Luftverbrauchsniveau unter einen vorbestimmten unteren Grenzwert fällt, wobei der Verdichter (1) nur neugestartet wird, wenn der Druck auf den unteren Grenzwert abfällt.