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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des Betriebs eines insbesondere elektromotorisch angetriebenen Verdichters nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei diesem gattungsgemäßen Verfahren bedeutet Entlastungsbetrieb des Verdichters eine Betriebsart, bei der der Verdichter auf Leerlauf geschaltet oder von dem Antrieb abgekuppelt ist.
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Ein Verfahren nach der eingangs genannten Gattung ist aus DE-AS 10 83 478 bekannt. Bei jedem Verfahren wird als Maß für die Entscheidung, wann von Leerlauf- auf Aussetzregelung umgeschaltet werden soll, die Druckänderung dp/dt im Druckbehälter herangezogen. Dabei werden über ein Meßgerät, das als Variometer bezeichnet wird, feste Grenzwerte vorgegeben, bei deren Erreichung ein Wechsel der Betriebsart ausgelöst wird. Die Vorgabe fester Grenzwerte für die Druckänderung pro Zeit, bei der ein Betriebsartenwechsel erfolgt, berücksichtigt in keiner Weise die Höhe des absoluten Drucks im Druckbehälter. Dadurch kommt es unabhängig von dem absoluten Druck im Druckbehälter jeweils dann zu einem Betriebsartenwechsel, wenn die jeweiligen Grenzwerte erreicht sind. Dies bedeutet, daß der Verdichterantrieb z. B. auch dann, wenn der absolute Druck im Druckbehälter bereits auf einen Wert gefallen ist, der ganz nahe dem unteren Druckwert liegt, bei dem der Antrieb in jedem Fall in Betrieb gesetzt wird, noch abschaltet, falls der Grenzwert für die Druckänderung pro Zeiteinheit dort gerade zufällig erreicht wird. Dies ist selbstverständlich nicht erwünscht, da es ja sinnlos ist, den Antrieb in einem Betriebszustand abzuschalten, bei dem von vornherein klar ist, daß der Antrieb nicht über einen längeren Zeitraum ausgeschaltet bleiben kann.
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Diesen Nachteil bei jener vorbekannten Regelung auszuschalten, ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei der es darauf ankommt, den Antrieb nur dann abzuschalten, wenn sichergestellt ist, daß er bei dem zum Abstellzeitpunkt herrschenden Druckluftverbrauch über einen vorbestimmbaren nicht zu kurzen Zeitraum ausgeschaltet bleiben kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Steuerung nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1.
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Bei dieser erfindungsgemäßen Lösung sind die Grenzwerte, die für einen Wechsel der Betriebsart maßgeblich sind, variabel, und zwar in Abhängigkeit des sich jeweils verändernden absoluten Druckes hinter dem Verdichter. Damit stellen die Grenzwerte nach der Erfindung eine Funktion der Druckwerte p als Variablen dar. Die Funktion der Grenzwerte A (p) ist so ausgelegt, daß die Grenzwerte mit fallenden Druckwerten p der Größe nach abnehmen. Dadurch wird erreicht, daß der Antrieb des Verdichters immer nur dann abgestellt wird, wenn in dem Meßzeitpunkt bei Projizierung des gerade gemessenen Verbrauchs bis zur Erreichung des unteren Druckgrenzwertes p&sub1; der hierfür ermittelte Zeitraum einen fest vorgegebenen Wert Δ t limit übersteigt.
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Die Größe für den vorzugebenden Zeitwert Δ t limit ist beliebig wählbar, aber in der einmal gewählten Größe für alle Druckwerte gleich.
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Aus DE-OS 31 02 928 ist zwar auch bereits ein Verfahren zum Regeln der Fördermenge einer Verdichteranlage bekannt. Jedoch liegt jenem Verfahren eine von der vorliegenden Erfindung abweichende Problematik zugrunde. Denn bei jenem Regelverfahren geht es bei der Berücksichtigung des absoluten Druckes im Druckbehälter in Verbindung mit dem Meßwert der Druckänderung pro Zeiteinheit allein darum, die Trägheit des Verdichterantriebes durch ein Vorprojizieren extremer Druckänderungen dadurch wirkungslos zu machen, daß der Antrieb bereits früher ein Einschaltsignal erhält als es ohne Berücksichtigung des absoluten Speicherdruckes der Fall wäre. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist dies daher nicht vergleichbar.
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Weiterhin ist ein mit der Gattung des Erfindungsgegenstandes vergleichbares Verfahren aus DE-OS 26 27 883 bekannt. Die erfindungsgemäße Lösung ist dort jedoch weder verwirklicht noch in irgendeiner Weise als mögliche Verbesserung angedeutet. Denn bei jenem bekannten Verfahren wird das Abschalten des Motors gerade nicht von einer Messung des Wertes dp/dt nach Erreichen eines oberen Druckgrenzwertes ausgelöst. Das Abschalten des Motors nach Erreichen des oberen Druckgrenzwertes wird dort vielmehr von der Zeitspanne abhängig gemacht, die notwendig war, um den oberen Druckwert zu erreichen. Bei langer Zeitspanne geht man davon aus, daß hoher Druckluftverbrauch gegeben ist und daher ein Abschalten des Motors nach Erreichen des oberen Druckwertes ungünstig ist, da durch hohen Druckluftverbrauch mit einem baldigen Erreichen des unteren Druckgrenzwertes gerechnet werden muß. Dort liegt also eine ganz andere Problematik vor, die keinen direkten Bezug auf das erfindungsgemäße Lösungsprinzip hat.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung anhand von Diagrammen dargestellt. Es zeigt
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Fig. 1 ein Diagramm mit dem idealisierten Druckverlauf in dem Übergangsbereich nach Erreichen des Druckmaximums dargestellt über der Zeit,
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Fig. 2 ein Diagramm mit dem Verlauf der Kurve des Differentialquotienten der Druckkurve nach Fig. 1 wiederum über der Zeit dargestellt,
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Fig. 3 ein Diagramm mit in bestimmten Punkten der Kurve nach Fig. 1 zu erwartenden Stillstandszeiten des Verdichter-Antriebs aufgetragen über der Zeit,
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Fig. 4 ein Diagramm über den Leistungsbedarf des Antriebsmotors in dem Bereich nach den Fig. 1 und 2 wiederum dargestellt über der Zeit,
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Fig. 5 ein Diagramm mit verschiedenen Luftverbräuchen aufgetragen über bestimmten Zeitabschnitten,
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Fig. 6 ein Diagramm der Druckverhältnisse zu den Luftverbrauchszuständen nach Fig. 5 aufgetragen über den Fig. 5 entsprechenden Zeitabständen,
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Fig. 7 ein Diagramm, in dem der Leistungsbedarf zu den in Fig. 5 und 6 dargestellten Betriebszuständen angegeben ist.
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Indem als Kenngröße für den Luftverbrauch der Augenblickswert der Druckabfallsgeschwindigkeit über den Differentialquotienten herangezogen wird, ist ein frühest mögliches Abschalten des Antriebs auch bei nicht linearem Druckverlauf möglich. Ein solcher Druckverlauf ist über der Zeit in Fig. 1 wiedergegeben. Mit gleicher Abszisse ist in Fig. 2 die erste Ableitung des Druckes nach der Zeit eingetragen.
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In Fig. 1 sind auf der Druckkurve 3 Meßpunkte a, b, c eingetragen. Die Zeitwerte Δ t a , Δ t b , Δ t c sind bezüglich der Kurvenpunkte a, b, c diejenigen Zeiträume, innerhalb denen der untere Druckgrenzwert P&sub1; unter der Voraussetzung erreicht würde, daß die in den betreffenden Punkten ermittelten Druckabfallsgeschwindigkeiten bis zur Erreichung des unteren Druckgrenzwertes P&sub1; konstant blieben. Diese Zeitwerte sind jeweils mit einer vorgegebenen Zeitdauer Δ t limit zu vergleichen. Δ t limit gibt dabei denjenigen Mindestzeitraum an, in dem der Verdichterantrieb bei einem Abschalten auch tatsächlich ausgeschaltet bleiben kann, wenn man unterstellt, daß die im Meßpunkt ermittelte Druckabfallsgeschwindigkeit bis zur Erreichung des unteren Druckgrenzwertes P&sub1; unverändert bleibt. Solange die sich für die einzelnen Meßpunkte ergebenen Zeiträume Δ t kleiner als der vorgegebene Vergleichswert Δ t limit sind, wird der Antrieb noch nicht abgestellt. Ein Abstellen erfolgt erst dann wenn ein t-Wert erstmals gleich oder größer Δ t limit ist.
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In dem dargestellten Beispiel wäre dies eigentlich in Punkt b der Fall. Das Abschalten kann hier jedoch noch nicht erfolgen, da innerhalb des Zeitraumes T der Antrieb aufgrund der nicht zu überschreitenden Schalthäufigkeit noch nicht ausgeschaltet werden darf, um auf diese Weise ein vorzeitiges Wiedereinschalten mit Sicherheit vermeiden zu können. Nach Ablauf der Sicherheitszeit T liegt bei Punkt c eine Druckabfallsgeschwindigkeit vor, bei der Δ t c >Δ t limit ist, d. h. der Antrieb kann abgeschaltet werden.
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In Fig. 2 ist die Kurve für die Druckabfallsgeschwindigkeit aufgezeichnet. Zusätzlich sind auf der Ordinate die Grenzwerte A (p) für die drei Meßpunkte a, b und c eingetragen. In dem Punkt a liegt die Druckabfallsgeschwindigkeit noch über dem zugehörigen Grenzwert A a , so daß ein Abschalten noch nicht erfolgt. Bei Pkt. b entspricht die Druckabfallsgeschwindigkeit genau dem Grenzwert A b , so daß bei Erfüllung der Schalthäufigkeitsbedingung der Antrieb abgeschaltet werden könnte. Da diese Zusatzbedingung aber noch nicht erfüllt ist im Punkt b, wird der Antrieb erst nach Ablauf der durch die Schalthäufigkeit vorgegebenen Zeit T in Punkt c, in dem der betreffende Grenzwert A c bereits unterschritten ist, abgestellt.
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In Fig. 3 ist durch die Eintragung der vorgegebenen Mindeststillstandszeit Δ t limit recht anschaulich dargestellt, daß bei darüber liegenden in den einzelnen Meßpunkten zu erwartenden Stillstandszeiten der Antrieb abgestellt werden kann, sofern die Schalthäufigkeitsbedingung zusätzlich erfüllt ist.
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Fig. 4 gibt den Verlauf des Leistungsbedarfs des Antriebsmotors wieder, wobei der Verdichter zum Zeitpunkt t&sub2; auf Leerlauf und der Antriebsmotor zum Zeitpunkt t c ganz abgeschaltet wird.
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In den Fig. 5-7 ist dargestellt, wie bei Erreichen eines oberen Grenzdruckes P&sub2; nach Fig. 1 der Verdichter zunächst auf Leerlauf geschaltet wird. Bei Erreichen eines unteren Druckgrenzwertes P&sub1; wird der Verdichter wieder auf "Fördern" geschaltet. Während des Leerlaufs des Verdichters zwischen den Grenzdrücken P&sub2; und P&sub1; erfolgt bei Unterschreiten eines bestimmten Luftverbrauchs ein Stillsetzen des Verdichterantriebs, sofern die von der zulässigen Schalthäufigkeit des Antriebsmotors abhängige und jeweils ausschließlich mit jedem Einschalten des Motors gestartete Zeit T abgelaufen ist.
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Entsprechend dem Luftverbrauch gemäß Fig. 5 lassen sich fünf mit I bis V bezeichnete Zustandsbereiche unterscheiden.
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Abschnitt I gibt beginnend mit der Zeit t&sub1; das Anfahren des Verdichter-Antriebs gegen den zunächst leeren Speicherbehälter bei geschlossenem Ausgangsventil, d. h. ohne Luftverbrauch wieder.
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Zu Beginn des Abschnitts II (mit 20% Luftverbrauch) wird unmittelbar nach Erreichen des Druckmaximums P&sub2; zum Zeitpunkt t&sub2; der Antrieb abgeschaltet. Zum Zeitpunkt t&sub3; wird der untere Grenzdruck P&sub2; erreicht und der Verdichterantrieb gestartet. Zum Zeitpunkt t&sub4; wird wieder der obere Grenzdruck P&sub2; erreicht, der Antrieb jedoch nicht abgeschaltet, da die Zeit T noch nicht abgelaufen und somit ein Abschalten mit der Möglichkeit eines unmittelbar darauffolgenden Einschaltens nicht zulässig ist.
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Auch der Luftverbrauch in Abschnitt III mit 50% ergibt eine Druckabfallsgeschwindigkeit unterhalb der vorgegebenen Grenzwerte A (p) . Deshalb wird der Antrieb zum Zeitpunkt t&sub5; abgeschaltet. Im weiteren Verlauf erfolgt ein Abschalten erst bei t&sub6;, da erst zu diesem Zeitpunkt die Zeit T abgelaufen ist.
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Im Abschnitt IV mit Luftverbrauch 80% werden die Grenzwerte A (p) für die Druckabfallsgeschwindigkeit nicht unterschritten, so daß kein Abschalten des Antriebs erfolgt. Der Verdichter wird immer nach Erreichen von P&sub2; auf Leerlauf geschaltet (t&sub7;, t&sub8;), unabhängig davon, ob die Zeit T abgelaufen ist.
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Im Abschnitt V mit 20% Luftverbrauch (z. B. der Beginn einer Arbeitspause) wird zum Zeitpunkt t&sub9; unmittelbar nach Erreichen von P&sub2; der Antrieb abgeschaltet, da der entsprechende Grenzwert A (p) dort bereits unterschritten ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren beruht im wesentlichen darauf, daß durch analoge Erforschung der jeweiligen Steigung der Druckverlaufskurve Druckveränderungen momentan erfaßt und ausgewertet werden können. In Verbindung mit der jeweils herrschenden Druckhöhe, d. h. mit dem jeweiligen effektiven Druckwert, kann in jedem Augenblick unter der Voraussetzung, daß die gerade vorliegende Druckabfallsgeschwindigkeit unverändert bleibt, eine zu erwartende Stillstandszeit vorausgesagt werden. Bei Auswertung des Druckverlaufs direkt nach Überschreiten des oberen Druckgrenzwertes ist die erfindungsgemäß vorgeschlagene Glättung der Steigungswerte der Druckkurve wichtig. Denn erst hierdurch ist ein sinnvoller Vergleich der momentanen Steigung der Druckkurve mit einem vorgegebenen Grenzwert A (p) möglich.