DE60004585T2 - Verfahren und Gerät zur Drehmomentsteuerung um den Leistungsbedarf beim Anfahren zu regulieren - Google Patents

Description

• Das Anlaufen eines Verdichters ist ein Übergangszustand, der aus zwei dynamischen Phasen besteht. Die erste Phase oder Anlaufbeschleunigung ist der Übergang vom Stillstand zur Betriebsdrehzahl. Für ein erfolgreiches Anlaufen des Verdichters, d.h. ein rampenförmiges Ansteigen vom Stillstand zur Betriebsdrehzahl, muss das von dem Motor verfügbare Drehmoment, den Drehmomentbedarf erfüllen oder übersteigen. Der Drehmomentbedarf umfasst das Drehmoment auf Grund eines Zylinderdrucks und das zur Beschleunigung benötigte Drehmoment. Während der anfänglichen Rotationsbeschleunigung der Kurbelwelle muss der Motor das Spitzendrehmoment überwinden, das über die gesamte Kurbelwellendrehung auftritt, und er muss genügend Drehmomentleistung übrig haben, um die Kurbelweile zu beschleunigen. Wird mit einem ausgeglichenen Druck über den Verdichter begonnen, beginnt das Drehmoment auf Grund eines Zylinderdrucks bei 0 foot-pound. Während der Verdichter rotationsmäßig beschleunigt, steigt die Drehmomentlast. Sobald jedoch die Kurbeldrehzahl die Betriebsdrehzahl erreicht, reduziert die Trägheit der bewegten Teile und des Rotors des Verdichters gewissermaßen die Schwankungen des Spitzendrehmoments. Wenn ein Entlasten durch Ansaugabschaltung angewendet wird, erfährt die Kurbel große Spitzendrehmomentwerte auf Grund extremer Druckänderungen in dem Zylinder. Da sich die Kurbel nicht bei voller Drehzahl befindet, ist die Trägheit des Systems nicht groß genug, um die Drehmomentanforderungen auszugleichen. Bei einer begrenzten Stromquelle kann diese extreme Drehmomentanforderung bei hohen Druckzuständen zu groß sein, um überwunden zu werden, beispielsweise solche in Folge einer hohen Umgebungstemperatur. Die zweite Phase umfasst den Übergang von dem Punkt, wenn eine Betriebsdrehzahl erreicht wird, zu einem Punkt, wenn normale Systembetriebsdrücke erzielt werden. Nachdem der Verdichter die Betriebsdrehzahl erreicht hat, muss er die niedrige Seite des Systems abpumpen, d.h, von der Verdichteransaugseite bis zu der Expansionsvorrichtung.
• Bei einem Kühlsystem, beispielsweise einem Transportkühlsystem, das durch einen Generator angetrieben wird, bringen Starts des Kühlverdichters bei hohem Druck/hoher Umgebungstemperatur auf den Generator eine hohe Last auf. Auf Grund von Größeneinschränkungen ist die Ausgangsleistung des Generators begrenzt und ist niedriger als der maximale Bedarf des Verdichters unter schweren Bedingungen. Ein Verdichterbedarf kann mit Verdichterleistungsvorrichtungen kontrolliert werden, welche typischerweise die Strömung von Ansauggas zu den Zylindern des Verdichters blockieren (Ansaugabschaltung) oder Abgabegas in dem Zylinderkopf zurück an die Ansaugung rezirkulieren (Überbrücken bzw. Kurzschließen von heißem Gas; hot gas bypass). Ein Überbrücken bzw. Kurzschließen des Abgabegases des gesamten Verdichters an die Ansaugung reduziert übermäßige Drehmomentschwankungen während der anfänglichen Phase des Anlaufens, aber läßt die zweite Phase des Anlaufens, wo die niedrige Seite des Systems ausgepumpt wird, nicht zu. Insbesondere liefert ein Überbrücken von heißem Gas des gesamten Verdichters kein komprimiertes Gas an das System und pumpt demgemäß das System nicht herunter. Die vorliegende Erfindung verwendet ein Entlasten durch Überbrücken von heißem Gas in Verbindung mit einem Drosseln der Saugleitung, um die Drehmomentanfordernungen des Verdichters von einer anfänglichen Kurbelbeschleunigung bis zum Herunterpumpen zu reduzieren.
• Kühlsysteme gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 3 sind bekannt, beispielsweise von EP-A-0 718 568.
• Es ist ein Ziel dieser Erfindung, ein Verdichterdrehmoment beim Anlaufen zu begrenzen.
• Gemäß der Erfindung wird dieses Ziel durch ein Verfahren und ein System mit den Merkmalen von Ansprüchen 1 bzw. 3 erreicht.
• Im Wesentlichen ist es während eines Anlaufens mindestens einer Gruppe von Zylindern eines Verdichters erlaubt, Gas zu komprimieren und das komprimierte Gas an das System zu liefern, während mindestens der Großteil der anderen Gruppen einem Heißgas-Überbrücken bzw. -Kurzschluss unterliegt. Der ge samte Verdichter unterliegt einer Ansaugmodulation, derart, dass die Gasmenge, die durch alle in Betrieb befindlichen Gruppen komprimiert und geliefert werden kann, kontrolliert werden kann, und dadurch wird der Leistungs- bzw. Strombedarf des Verdichters kontrolliert.
• Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung soll jetzt auf deren folgende detaillierte Beschreibung Bezug genommen werden, was in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung durchgeführt wird, wobei gilt:
• Die Figur ist eine schematische Darstellung eines Kühlsystems, das die vorliegende Erfindung anwendet.
• In der Figur bezeichnet das Referenzzeichen 100 generell ein Kühlsystem, beispielsweise ein Transportkühlsystem. Das Kühlsystem umfasst einen geschlossenen Kühlkreis, der in Serie einen Verdichter 10, eine Abgabeleitung 12, einen Kondensator 60, eine Expansionsvorrichtung 70, einen Verdampfer 80 und eine Saugleitung 14 aufweist. Der Verdichter 10 ist aus einer Mehrzahl von Gruppen gemacht, wobei drei Gruppen 10-1, 10-2 und 10-3 dargestellt sind. Der Verdichter 10 wird durch einen Motor 40 angetrieben, und der Motor 40 wird wiederum von einer Stromquelle 50, beispielsweise einem Generator, mit Strom versorgt. Das Kühlsystem 100 ist unter der Kontrolle eines Mikroprozessors 90, der eine Anzahl von Eingabewerten erhält, beispielsweise die erfasste Umgebungstemperatur, die Kondensatorluft-Eintrittstemperatur, die Zonentemperatur und den Zoneneinstellwert. Der Mikroprozessor 90 kontrolliert in Reaktion auf die erfassten Eingabewerte den Verdichter 10 und den Motor 40 und kann die Stromquelle 50 kontrollieren. Das bisher beschriebene System und der bisher beschriebene Betrieb sind allgemein üblich.
• Eine Ansaugleitung 14 zweigt in Pfade 14-1, 14-2 und 14-3 auf, die mit den Gruppen 10-1, 10-2 bzw. 10-3 verbunden sind. Ein ein Absperrventil 16 aufweisender Abgabepfad 12-1, ein Abgabepfad 12-2 bzw. ein ein Absperrventil 17 aufweisender Abgabepfad 12-3 verbinden die Gruppen 10-1, 10-2 und 10-3 mit der Abgabeeinrichtung 12. Die Gruppe 10-1 hat eine Überbrückung bzw. einen Kurzschluss 10-1a, die den Pfad 12-1 mit dem Pfad 14-1 verbin det und ein Ein/Aus-Solenoidventil 18 aufweist, das unter der Kontrolle des Mikroprozessors 90 steht. Ähnlich hat die Gruppe 10-3 eine Überbrückung bzw. einen Kurzschluss 10-3a, die den Pfad 12-3 mit dem Pfad 14-3 verbindet und ein Ein/Aus-Solenoidventil 19 aufweist, das unter der Kontrolle des Mikroprozessors 90 steht. Ein Ansaugmodulationsventil 20 kontrolliert die Strömung in einer Leitung 14 und steht unter der Kontrolle des Mikroprozessors 90. Das Ventil 20 ist zwischen geschlossen und vollständig offen stufenlos veränderbar und kann, wie dargestellt, ein Solenoidventil sein, welches gepulst wird, wobei die Rate der Impulse und der Dauer von offen/geschlossen variabel sind.
• Wenn ein Kühlsystem abgeschaltet wird, ist es übliche Praxis, den Druck über das System als ein Teil der Abschaltprozedur auszugleichen. Wenn das System abrupt gestoppt wurde, beispielsweise durch einen Fehler der Stromversorgung, verhindert eine Zeitverzögerung einen sofortigen Wiederanlauf, derart, dass ein Druckausgleich stattfinden kann. Der Grund, dass der Druckausgleich gewünscht wird, ist, dass sich die Abgabeventile des Verdichters gegen den Systemdruckeinfluss auf die Ventile plus einer jeglichen Vorspannung an der Ventilstruktur öffnen müssen. Wie oben beschrieben, kann eine Verdichterleistung beim Anlaufen sowie während eines normalen Betriebs kontrolliert werden, aber die Verwendung von Ansaugmodulation und ein Überbrücken von heißem Gas bzw. Heißgas-Kurzschluss werden bei Verdichtern nicht seriell verwendet.
• Angenommen, das Kühlsystem 100 ist abgeschaltet und der Druck über den Verdichter 10 ist ausgeglichen, so wird das Anlaufen des Verdichters 10 in Reaktion auf Zonen-Eingabewerte an den Mikroprozessor 90 oder auf Grund eines Inbetriebbringens des Kühlsystems 100 mit dem Öffnen der Ventile 18 und 19 und mit dem begrenzten Öffnen des Ventils 20 beginnen. Man sollte erkennen, dass die Ventile 18 und 19 nicht geöffnet würden, bis der Systemdruck, wie er durch den Verdichter 10 erfahren wird, niedrig genug ist, um einen Verdichterstrom auf akzeptable Grenzen zu begrenzen. So wird verfahren, weil genügend Kühlmittel zwischen dem Verdichter 10 und der Expansionsvorrichtung 70 sein kann, um den Verdichter 10 zu überlasten, falls er mit drei Gruppen, sechs Zylindern, unter hohen Systemdrücken arbeitet. Bei geöffneten Ventilen 18 und 19 ist die Druckdifferenz über die Gruppen 10-1 und 10-3 nominal null, wobei keine Arbeit/Verdichtung stattfindet, aber ein Erwärmen des Kühlmittels auf Grund von Reibung und Strömungsverlusten. Die Gruppe 10-2 saugt in dem durch das Öffnen des Ventils 20 und der Leistung der Gruppe 10-2 zugelassene Ausmaß Kühlmittelgas von der Ansaugleitung durch den Pfad 14-2 an, komprimiert das Gas und gibt das komprimierte Gas über den Pfad 12-2 an die Abgabeleitung 12 und von dort an den Kondensator 60, etc., ab. Während die Gruppe 10-2 Gas von der Ansaugleitung 14 ansaugt und es an die Abgabeleitung 12 liefert, beginnt das Druckdifferential über den Verdichter 10 auf Grund des Abfallens des Ansaugdrucks sowie auf Grund des Aufbauens eines Abgabedrucks zu steigen. Wenn der Motor 40 auf Drehzahl kommt, d.h., die Kurbelwelle beschleunigt anfänglich rotationsmäßig, und falls der Ansaugdruck niedrig genug ist, um den Verdichterstrom zu begrenzen, werden die Ventile 18 und 19 geschlossen, aber das Ventil 20 ist unverändert. Andernfalls läuft der Verdichter 10 weiterhin mit den geöffneten Ventilen 18 und 19, bis der Ansaugdruck genügend reduziert ist. Demgemäß, wenn die Ventile 18 und 19 geschlossen sind, komprimieren die Gruppen 10-1, 10-2 und 10-3 zusammen die gleiche Gasmasse, wie es die Gruppe 10-2 alleine tat, unter der Annahme, dass das Ventil 20 eine ausreichend begrenzte Strömung aufwies. Die Drehmomentanforderungen ändern sich auf Grund des Schließens der Ventile 18 und 19 nicht wesentlich, da die Gruppe 10-2 weniger Arbeit verrichtet. Bei in Betrieb befindlichen Gruppen 10-1, 10-2 und 10-3 erhöht das Ventil 20 graduell die Kühlmittelmenge, die an den Verdichter 10 geliefert, nachfolgend komprimiert und an das System geliefert wird. Während mehr Kühlmittel verdichtet und an das System abgegeben wird, werden normale Betriebsdrücke erreicht. Das Ventil 20 kann in Reaktion auf eine Anzahl von Zuständen kontrolliert werden. Wie gezeigt, wird der Strom in dem Motor 40 durch einen Stromsensor 42 erfasst, der mit dem Mikroprozessor 90 verbunden ist. Der Mikroprozessor 90 kontrolliert das Ventil 20, um so das Kühlmittel zu begrenzen, mit dem der Verdichter 10 während des Anlaufens versorgt wird, um so den Strombezug des Motors 40 zu begrenzen, der durch die Stromquelle 50 mit Strom versorgt wird und den Verdichter 10 antreibt. Das Ventil 20 kann auch basierend auf den erfassten Druck gesteuert werden, wo es eine Korrela tion zwischen dem Druck und dem Strom gibt, oder es kann zeitlich aufeinander folgend sein, um so einen übermäßigen Strombedarf zu verhindern.
• Von dem Vorangehenden sollte klar sein, dass die Stromaufnahme, die für ein Anlaufen unter Vollast benötigt wird, durch Anlaufen des Verdichters mit nur einer Gruppe, die Gas komprimiert, und in einer begrenzten Weise auf Grund dessen, dass die Gasversorgung einer Ansaugmodulation unterliegt, vermieden wird. Die anderen Gruppen haben eine Überbrückung von heißem Gas derart, dass die Abgabeventile bei einem Druck öffnen, der nominal gleich dem Ansaugdruck und der Vorspannung der Ventilelemente ist. Nur wenn der Verdichter 10 auf Drehzahl gekommen ist, komprimieren alle Gruppen unter den Begrenzungen der Ansaugmodulation Gas. Komprimieren alle Gruppen, wird die Ansaugmodulation abgeschaltet.
• Diese Erfindung begrenzt den Strom, der benötigt wird, um den Verdichter zu starten und um ihn in einen stationären Zustand zu bringen. Sie begrenzt auch den Strom, der beim Anlaufen unter hohen Umgebungstemperaturzuständen benötigt wird und kontrolliert die Stromanforderungen eines Verdichters in einer Weise, die den Strombedarf reduziert.

Claims (3)

1. Verfahren zur Drehmomentkontrolle, um den Leistungsbedarf beim Anlaufen eines Kühlsystems mit einem mehrere Gruppen aufweisenden Verdichter zu regulieren, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Begrenzen der Menge an Kühlmittel, die dem Verdichter zugeführt wird, und Überbrücken eines Großteils der Gruppen des Verdichters, derart, dass mindestens eine Gruppe immer zum Ansaugen und Abgeben angeschlossen ist, bevor der Verdichter mit Leistung beaufschlagt wird; Unterbinden des Überbrückens von allen Gruppen des Großteils von Gruppen, nachdem der Verdichter mit Leistung beaufschlagt ist und auf Betriebsdrehzahl gebracht wurde; Erhöhen der Menge an Kühlmittel, die dem Verdichter zugeführt wird, wenn alle Gruppen zum Ansaugen und Abgeben angeschlossen sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt des Unterbindens des Überbrückens aller Gruppen des Großteils von Gruppen nur erfolgt, nachdem ein Ansaugdruck genügend reduziert wurde, um den Leistungsbedarf des Verdichters zu reduzieren.
3. Kühlsystem, aufweisend: einen eine Mehrzahl von Gruppen aufweisenden Verdichter; eine Einrichtung zum Antreiben des Verdichters; eine Ansaugleitung zum Zuführen von Kühlmittel an den Verdichter; eine Abgabeleitung zum Liefern von komprimierten Kühlmittel von dem Verdichter an das System; eine Einrichtung zum Kontrollieren der Menge von Kühlmittel, die dem Verdichter zugeführt wird, derart, dass dem Verdichter eine begrenzte Menge von Kühlmittel zugeführt wird; gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum selektiven Überbrücken eines Großteils der Gruppen des Verdichters, derart, dass mindestens eine Gruppe immer mit der Ansaugleitung und der Abgabeleitung verbunden ist; und eine Einrichtung zur Drehmomentkontrolle, um den Leistungsbedarf während des Anlaufens zu regulieren, die eine Einrichtung zum Kontrollieren des Kühlsystems gemäß des Verfahrens von Anspruch 1 aufweist.