DE69904522T2

DE69904522T2 - Steuerungsvorrichtung enthaltende Verdichtereinheit

Info

Publication number: DE69904522T2
Application number: DE69904522T
Authority: DE
Inventors: Stijn Johan Edmond Broucke
Original assignee: Atlas Copco Airpower NV
Current assignee: Atlas Copco Airpower NV
Priority date: 1998-03-10
Filing date: 1999-03-03
Publication date: 2003-11-13
Anticipated expiration: 2019-03-04
Also published as: BE1011782A3; JP3229862B2; EP0942173A1; JPH11294342A; US6146100A; EP0942173B1; DE69904522D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kompressoreinheit, die einen Motor zum Antrieb des Kompressorelements enthält, der mit einer Auslassleitung und einer Einlassleitung versehen ist, und einen Druckluftbehälter, an den die Auslassleitung angeschlossen ist, wobei in der Einlassleitung ein pneumatisch gesteuertes Drosselventil vorgesehen ist, während der Motor eine pneumatisch gesteuerte Geschwindigkeitsregelung hat und sowohl diese Geschwindigkeitsregelung als auch das Drosselventil mittels einer Druckluftleitung und einer Steuervorrichtung mit einem Steuerventil in der Druckluftleitung an den Druckluftbehälter angeschlossen sind.
Bei bekannten Kompressoreinheiten des obigen Typs enthält die Steuervorrichtung zwei parallel aufgestellte Ventile, nämlich ein pneumatisches Steuerventil und ein elektromechanisches Lastventil. Die mittels dieser zwei Ventile an den Druckluftbehälter angeschlossene Leitung ist zwischen der Geschwindigkeitsregelung und dem Drosselventil an die Verbindungsleitung angeschlossen. An diese Verbindungsleitung sind mit kleinen Luftlöchern versehene Abzweigungen angeschlossen.
Der Ausstoß des Kompressorelements hängt von der Drehzahl des Motors und somit von der Geschwindigkeitsregelung und dem Drosselventil in der Einlassleitung ab.
Die Drehzahl und das Drosselventil werden mittels des Regeldrucks, der vom pneumatischen Steuerventil auf Basis des Drucks im Druckluftbehälter aufgebaut wird, eingestellt.
Der Nominaldruck, d. h. der Betriebsdruck unter Volllast, wird mittels des Steuerventils manuell eingestellt. Ist der Luftbehälterdruck bei Belastung gleich dem Nominaldruck, so ist der Regeldruck null, das Drosselventil ist vollständig offen und die Drehzahl des Motors ist maximal.
Wenn jedoch der Luftbehälterdruck höher ist, insbesondere maximal, beispielsweise 2 bar über dem Nominaldruck, so ist die Drehzahl minimal und das Drosselventil ist vollständig geschlossen. Der Regeldruck ist proportional zur Differenz zwischen dem Luftbehälterdruck und dem Nominaldruck.
Zwischen keinem Regeldruck und dem maximalen Regeldruck kann jeder beliebige Ausstoß zwischen dem Maximum beziehungsweise Null vorgegeben werden.
Da das pneumatische Steuerventil nur in einer Richtung Luft durchläßt, sind die oben erwähnten Abblaslöcher erforderlich. Indem man durch diese Abblaslöcher Luft entweichen läßt, wird ermöglicht, dass der Regeldruck sinkt, wenn der Luftbehälterdruck gesenkt wird.
Mittals Leitungsbeschränkungen und zu füllenden Volumen nähert sich der Regeldruck dynamisch einem Prozess erster Ordnung. Bei einer abnehmenden und ansteigenden Last wird die Veränderung des Luftbehälterdrucks verlangsamt sein. Dies führt zu einer Überversorgung (Luftbehälterdruck zu hoch), wenn die Last abnimmt, und einer Unterversorgung (Luftbehälterdruck zu niedrig), wenn die Last ansteigt.
Das Lastventil ist erforderlich, um in der Lage zu sein, unter Nulllastbedingungen zu starten, bei einer minimalen Drehzahl und geschlossenem Drosselventil. Dieses Lastventil, das das Regelventil überbrückt, wird beim Starten geöffnet, sodass der Luftbehälterdruck direkt auf das Drosselventil und die Geschwindigkeitsregelung einwirken kann. Der Luftbehälterdruck beläuft sich dann beispielsweise auf 2 bar.
Ist das Kompressorelement belastet, wird das Lastventil geschlossen und der Regeldruck wird durch die Abblaslöcher abgeblasen, wonach die oben beschriebene Einstellung unter Last stattfindet.
Eine Kompressoreinheit, die die Eigenschaften der Einleitung von Anspruch 1 und insbesondere einerseits ein pneumatisches Steuerventil in der Druckluftleitung zwischen dem Luftbehälter oder Kompressorauslass und andererseits das Ventil in der Einlassleitung aufweist, ist auch in US-A-4.998.862 offenbart. Dieses druckregulierende pneumatische Steuerventil enthält zwei mittels eines starren Verbindungsgliedes miteinander verbundene bewegbare Membranen. Der Kompressorauslassdruck wird der ersten Seite der ersten Membran ausgesetzt. Der Luftbehälterdruck wird sowohl auf die zweite Seite der ersten Membran als auch auf die erste Seite der zweiten Membran ausgeübt. Eine regelbare Federkraft und die belüftete Atmosphäre wirken auf die zweite Seite der zweiten Membran ein.
Die vorliegende Erfindung bezweckt eine Kompressoreinheit, die die oben erwähnten und andere Nachteile nicht aufweist und die eine bessere Einstellung gestattet, insbesondere mit weniger oder keinerlei Abweichung zwischen dem Nominaldruck und dem Luftbehälterdruck unter verschiedenen Belastungen, wobei der Luftbehälterdruck nicht so sehr ansteigt, wenn die Belastung gesenkt wird (geringere Überversorgung).
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Steuerventil ein elektropneumatisches Ventil ist, das an eine elektronische Steuerung gekoppelt ist, während ein Manometer an den Druckluftbehälter angeschlossen ist, das den Druck im Druckluftbehälter in ein elektrisches Signal umwandelt, und dass ein Manometer in der Druckluftleitung zwischen dem elektropneumatischen Ventil und der Geschwindigkeitsregelung und dem Drosselventil aufgestellt ist, um den auf diese Geschwindigkeitsregelung und das Drosselventil ausgeübten Regeldruck rückzumelden und ihn in ein elektrisches Signal umzuwandeln, wobei die Steuerung elektrisch mit beiden Manometern verbunden ist und Mittel zum Steuern des elektropneumatischen Ventils in Funktion sowohl des gemessenen Luftbehälterdrucks und des rückgemeldeten gemessenen Regeldrucks, als auch eines elektronisch eingestellten Nominaldrucks enthält.
EP-A-0.294.072 offenbart eine Pneumatikkreisdrucksteuerungsvorrichtung, umfassend eine elektronische Steuerung, die auf zwei Regelventile einwirkt. Diese Ventile sind ein an den Kreislauf angeschlossenes Ablassventil, das, wenn es ausgelöst wird, den Druck darin verringert, und ein an eine Druckquelle und den Kreislauf angeschlossenes Druckventil, das, wenn es ausgelöst wird, den Kreislaufdruck erhöht. Die Steuervorrichtung erfasst Daten von einem Druckmesswandler im Kreislauf und von einem eventuellen Druckzufuhrgenerator.
Erfindungsgemäß enthält die Steuerung vorzugsweise Mittel zum Vergleichen des gemessenen Luftbehälterdrucks mit dem elektronisch eingestellten Nominaldruck, Mittel zum Bestimmen des erforderlichen Regeldrucks auf Basis der Abweichung des Luftbehälterdrucks in Bezug zum Nominaldruck, und Mittel zum Vergleichen dieses erforderlichen Regeldrucks mit dem gemessenen Regeldruck, und zum Übertragen eines Signals in Funktion des Ergebnisses dieses Vergleichs zur Steuerung des elektropneumatischen Ventils.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Steuervorrichtung, die deutlich zur Verwendung in einer Kompressoreinheit gemäß einer der vorgenannten Ausführungen entworfen ist.
Zur besseren Erläuterung der Merkmale der Erfindung sind hiernach eine Kompressoreinheit und eine dabei verwendete Steuervorrichtung gemäß der Erfindung beschrieben, nur als Beispiel, ohne in irgendeiner Weise einschränkend zu sein, unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, worin:
Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Kompressoreinheit darstellt;
Fig. 2 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung der Kompressoreinheit in Fig. 1 darstellt.
Die in Fig. 1 dargestellte Kompressoreinheit enthält ein von einem Motor 3 mittels eines Getriebeelements 2 angetriebenes Kompressorelement 1.
Dieser Motor 3 ist ein Verbrennungsmotor, dessen Kraftstoffzufuhr 4 mittels einer mechanischen Kupplung 5 mit einer pneumatischen Geschwindigkeitsregelung 6 verbunden ist.
An das Kompressorelement 1 ist eine Einlassleitung 7 angeschlossen, die über ein oder mehrere Filter 8 in die Umgebung mündet. In dieser Einlassleitung 7 ist ein pneumatisch gesteuertes Drosselventil 9 vorgesehen.
Dieses Drosselventil 9 enthält ein Gehäuse 10, wovon ein Teil einen Teil der Einlassleitung 7 bildet, und ein Ventilelement 11, das in besagtem Gehäuse 10 verschoben werden kann.
Dieses Ventilelement 11 wird durch eine Feder 12 aufgedrückt.
An der anderen Seite der Feder 12, zwischen dem Ventilelement 11 und dem Gehäuse 10, ist eine geschlossene Kammer 13 ausgebildet, deren Volumen variieren kann.
Natürlich kann das oben erwähnte Ventil auch von anderer Art sein und kann es beispielsweise ein Flügelhahn sein, wobei das Ventilelement 11 dann rotierbar statt verschiebbar ist.
Die Kompressoreinheit enthält auch einen Druckluftbehälter 14, der gleichzeitig als Ölabscheider fungiert und der mittels der Auslassleitung 15 an das Kompressorelement 1 angeschlossen ist. Der Druckluftbehälter 14 selbst ist mit einer Auslassleitung 16 ausgestattet, in der ein Ventil 17 vorgesehen ist.
Die Kompressoreinheit enthält weiter eine Steuervorrichtung 18 zur Steuerung der Geschwindigkeitsregelung 6 und des Drosselventils 9.
Diese Steuervorrichtung 18 besteht hauptsächlich aus einem elektropneumatischen Ventil 19, einer daran angeschlossenen elektronischen Steuerung 20- und zwei Manometern 21 und 22, die einen Druck messen und ihn in ein elektrisches Signal umwandeln und die mittels Leitungen 23 und 24 elektrisch mit der elektronischen Steuerung 20 verbunden sind. Mittels 25 kann der Steuerung 20 ein elektronisches Signal zugeführt werden, das dem Nominaldruck entspricht.
Das elektropneumatische Ventil 19 ist in einer Druckluftleitung 26 angebracht, die einerseits an den Druckluftbehälter 14 angeschlossen ist und die sich andererseits verzweigt und an die Kammer 13 des Drosselventils 9 und den Zylinder des Ansaugmechanismus, der die Geschwindigkeitsregelung 6 bildet, angeschlossen ist.
Das Manometer 22 ist ebenfalls in der Druckluftleitung 26 vorgesehen, zwischen dem elektropneumatischen Ventil 19 und der Gabelung dieser Druckluftleitung 26.
Das Manometer 21 ist mittels einer Leitung 27 an den Druckluftbehälter 14 angeschlossen.
Im Gehäuse 10, stromabwärts vom Drosselventil 9, ist auch ein Abblasventil 28 eingebaut, das mittels einer Abblasleitung 29 in der Umgebung des Druckluftbehälters 14 mit der Leitung 26 verbunden ist.
Wie in Fig. 2 dargestellt, kann die elektronische Steuerung 20 eine PLC-Steuerung sein, die Mittel 30 zum Vergleichen des vom Manometer 21 gemessenen und in elektronischer Form mittels der Leitung 23 übertragenen Luftbehalterdrucks mit dem elektronisch mittels 25 eingestellten Nominaldruck enthält, und Mittel 31, die das Ausgangssignal in einen erforderlichen Regeldruck umwandeln, Mittel 32 zum Vergleichen diese erforderlichen Regeldrucks mit dem vom Manometer 22 gemessenen und in elektronischer Form mittels der Leitung 24 übertragenen tatsächlichen Regeldruck, und Mittel 33 zum Übertragen eines Signals zum elektropneumatischen Ventil 19 in Funktion des Ergebnisses dieses Vergleichs.
Die Mittel 31 und 33 können PID-Regler sein, wie schematisch in Fig. 2 dargestellt, wobei der die Mittel 31 formende PID-Regler die Master-Steuerung vorsieht und wobei der andere PID-Regler eine Slave-Steuerung ist. Beide arbeiten gemäß dem üblichen PID-Algorithmus:
YK = K·(XK·R + TI· X&sub1; + TD·XK - Td·XK-1)
wobei: R, TI und TD die Parameter des PID-Reglers sind;
X die Differenz zwischen dem eingestellten Nominaldruck und dem gemessenen Luftbehälterdruck an der Master-Steuerung ist, und die Differenz zwischen dem erforderlichen Regeldruck und dem gemessenen Regeldruck an der Slave-Steuerung;
K eine Konstante ist, die an der Master-Steuerung -1 und an der Slave-Steuerung +1 beträgt.
Am Auslass der Slave-Steuerung und somit der Mittel 33 kann bei 34 ein Ausgleich zugefügt werden, der mit der Spannung zusammenfällt, bei der das elektropneumatische Ventil 19 geschlossen wird, beispielsweise 5 Volt.
Einer Variante gemäß kann die Funktion des zweiten PID- Reglers oder der Slave-Steuerung auf eine Verstärkung des Ausgangssignals der Master-Steuerung beschränkt werden.
Die Arbeitsweise der Kompressoreinheit und der Steuervorrichtung 18 ist wie folgt.
Die elektronische Steuervorrichtung 18 bestimmt, welche Spannung am elektropneumatischen Ventil 19 angelegt ist, und somit den Durchgangsquerschnitt dieses elektropneumatischen Ventils 19 mittels des vom Manometer 21 gemessenen Luftbehälterdrucks, des vom Manometer 22 gemessenen rückgemeldeten Regeldrucks und des bei 25 manuell eingestellten Nominaldrucks.
Sobald der Druck im Druckluftbehälter 14 den Nominaldruck übersteigt, übertragen die Mittel 30 ein Signal zu den Mitteln 31, die einen erforderlichen Regeldruck in Funktion der gemessenen Differenz erzeugen, der dann mit dem tatsächlichen rückgemeldeten Regeldruck, der von den Mitteln 32 auf die Geschwindigkeitsregelung 6 und das Drosselventil 9 ausgeübt wird, verglichen wird. In Funktion der letztgenannten Differenz legt die Steuerung 20 eine Spannung an das elektropneumatische Ventil 19 an, das die Druckluftleitung 26 weiter öffnet, sodass das Drosselventil 9 sich weiter schließt und die Drehzahl des Motors 3 verringert wird.
Bei einem Regeldruck von zwei bar ist die Drehzahl minimal und ist das Drosselventil 9 vollständig geschlossen.
Wenn der Druck im Druckluftbehälter 14 niedriger ist als der Nominaldruck, werden auf analoge Weise die Mittel 30 ebenfalls ein Signal an die Mittel 31 übertragen, und, in Funktion der Differenz zwischen dem von diesen Mitteln 31 erzeugten erforderlichen Regeldruck und dem rückgemeldeten Regeldruck, wird das elektropneumatische Ventil 19 mittels der Steuerung 20 die Druckluftleitung 26 weiter schließen, wodurch das Drosselventil 9 sich weiter öffnet und die Geschwindigkeit des Motors 3 zunimmt.
Beträgt der Regeldruck null bar, was beinhaltet, dass der Druck im Druckluftbehälter 14 und somit in der Auslassleitung 15 gleich dem Nominaldruck ist, so ist die Drehzahl maximal und ist das Drosselventil 9 vollständig offen.
Ist das Drosselventil 9 vollständig geschlossen, so drückt das Ventilelement 11 das Abblasventil 28 offen, sodass Luft über die Abblasleitung 29 aus dem Druckluftbehälter 14 entweichen kann.
Im Leerlauf ist der Nominaldruck gleich null, und die Steuerung 20 wird das elektropneumatische Ventil 19 in diejenige Position versetzen, wobei der mit der Geschwindigkeitssteuerung 6 und dem Drosselventil 9 verbundene Teil der Leitung 26 mit dem Druckluftbehälter verbunden ist.
Die oben beschriebene Steuervorrichtung 18 ist effizienter als eine rein pneumatische Steuervorrichtung. Die Abweichung des Luftbehälterdrucks in Bezug auf den Nominaldruck unter verschiedenen Lasten ist ausgeschlossen. Verringert sich die Last, so ist der Überschuss oder der zeitweilige überschüssige Druck im Druckluftbehälter niedriger. Auch die Stabilität ist besser.
Wird längere Zeit keine Luft abgeblasen, so kann der Luftbehälterdruck automatisch auf einen niedrigeren Wert eingestellt werden, was Kraftstoffeinsparungen ergibt.
Die elektronische Steuerung 20 muss nicht notwendigerweise so zusammengesetzt sein, wie oben beschrieben. Statt das oben beschriebene Master-/Slave-Prinzip anzuwenden, kann man auch andere Steuerungsstrategien anwenden, wie etwa eine Fuzzy Logic oder modellbasiertes Steuerungssystem.
Die Erfindung ist keineswegs auf die oben beschriebene, in den begleitenden Zeichnungen dargestellte Ausführung begrenzt; vielmehr kann eine solche Kompressoreinheit und Steuerungsvorrichtung in allen Arten von Varianten verwirklicht werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Kompressoreinheit, die ein Kompressorelement (1) enthält, einen Motor (3) zum Antrieb des Kompressorelements (1), welches Element (1) mit einer Auslassleitung (15) und einer Einlassleitung (7) versehen ist, und einen Druckluftbehälter (14), an den die Auslassleitung (15) angeschlossen ist, wobei in der Einlassleitung (7) ein pneumatisch gesteuertes Drosselventil (9) vorgesehen ist, während der Motor (3) eine pneumatisch gesteuerte Geschwindigkeitsregelung (6) hat und sowohl diese Geschwindigkeitsregelung (6) als auch das Drosselventil (9) mittels einer Druckluftleitung (26) und einer Steuervorrichtung (18) mit einem Steuerventil in der Druckluftleitung (26) an den Druckluftbehälter (14) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil ein elektropneumatisches Ventil (19) ist, das an eine elektronische Steuerung (20) gekoppelt ist, während ein Manometer (21) mit dem Druckluftbehälter (14) verbunden ist, das den Druck im Druckluftbehälter (14) in ein elektrisches Signal umwandelt, und dass ein Manometer (22) in der Druckluftleitung (26) zwischen dem elektropneumatischen Ventil (19) und der Geschwindigkeitsregelung (6) und dem Drosselventil (9) aufgestellt ist, um den auf diese Geschwindigkeitsregelung (6) und das Drosselventil (9) ausgeübten Regeldruck rückzumelden und ihn in ein elektrisches Signal umzuwandeln, wobei die Steuerung (20) elektrisch mit beiden Manometern (21 und 22) verbunden ist und Mittel zum Steuern des elektropneumatischen Ventils (19) in Funktion des gemessenen Luftbehälterdrucks und des rückgemeldeten gemessenen Regeldrucks, sowie eines elektronisch eingestellten Nominaldrucks enthält.

2. Kompressoreinheit gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (20) Mittel (30) zum Vergleichen des gemessenen. Luftbehälterdrucks mit dem elektronisch eingestellten Nominaldruck enthält, Mittel (31) zum Bestimmen des erforderlichen Regeldrucks auf Basis der Abweichung des Luftbehälterdrucks in Bezug zum Nominaldruck, und Mittel (32) zum Vergleichen dieses erforderlichen Regeldrucks mit dem gemessenen Regeldruck, und zum Übertragen eines Signals in Funktion des Ergebnisses dieses Vergleichs zum Steuern des elektropneumatischen Ventils (19).

3. Kompressoreinheit gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (20) eine elektronische Steuerung ist, beispielsweise eine PLC-Steuerung, und dass die Mittel (31) zum Bestimmen des erforderlichen Regeldrucks auf Basis der Abweichung des Luftbehälterdrucks in Bezug zum Nominaldruck einen PID-Regler umfassen.

4. Kompressoreinheit gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (33) zum Übertragen eines Signals in Funktion des Vergleichs zwischen dem erforderlichen Regeldruck und dem gemessenen Regeldruck ebenfalls einen PID-Regler umfassen.

5. Kompressoreinheit gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (33) zum Übertragen eines Signals in Funktion des Vergleichs zwischen dem erforderlichen Regeldruck und dem gemessenen Regeldruck eine Steuerung mit einer Verstärkungsfunktion umfassen.