控制喷油压缩机驱动电机速度的控制器单元及控速方法与流程

本发明涉及控制器单元，用于控制驱动喷油压缩机的电机的速度，控制器包括：数据连接，其配置成将控制器单元与测量装置连接；第一模块，其配置成通过数据连接接收数据，数据包括压缩机工作压力和电机工作速度的测量值，第一模块还配置成接收测量的或取得的环境温度值。

背景技术：

喷油压缩机内的冷凝物形成是已知的问题。如果允许形成此类冷凝物，则冷凝物会由于其腐蚀作用而损害喷入压缩机的油的品质或甚至损害壳体或压缩机元件。

避免此类风险的一种提出的方法是通过经混合阀调节喷入油的流量来控制压缩机内的温度，如atlascopcoairpowernv作为申请人的wo2007/045,052a中所提出。该申请中所描述的方法旨在通过将润滑冷却油的油温设定在所需值并通过混合阀控制这种冷却油的分配来将压缩气体的温度维持在露点以上。

虽然这种提出的方法提供了克服问题的有效解决方案，但是压缩机的管道和整体结构必须根据设计来决定，这种解决方案不能在无需大量工作和成本的情况下适用于现有单元。

另一个值得考虑的方面是一旦实施这种方法后的整体设计复杂性，这种复杂性对维护过程的频率及其成本有影响。

技术实现要素：

考虑到上述缺点，本发明的目的是通过易于实施的解决方案提供一种用于避免在喷油压缩机的压缩气体内形成冷凝物的解决方案。

本发明的另一个目的是提供一种成本有效的解决方案，一旦实施这种解决方案就能够改进现有单元的工作原理，无需进行大量的干预并且没有增加维护成本的风险。

因此，所提出的解决方案旨在显著提高单元的效率，同时增加喷油压缩机及其部件以及所使用油的寿命。

本发明通过提供一种用于控制驱动喷油压缩机的电机的速度的控制器单元来解决上述和/或其他问题中的至少一个，控制器单元包括：

数据连接，配置成将控制器单元与测量装置连接；

第一模块，配置成通过数据连接接收数据，其中，数据包括：压缩机的工作压力和电机的工作速度的测量值；

第一模块还配置成接收测量的或取得的环境温度值；

其特征在于，控制器单元还包括：

处理单元，设置有算法，算法用于根据测量的工作压力、环境温度和露点温度来确定电机的最小工作速度；

比较器单元，配置成将确定的最小工作速度与取得的电机的工作速度进行比较；

处理单元还包括信号发生单元，配置成将信号发送到电机，以便如果取得的工作速度低于确定的最小工作速度则将电机的工作速度至少增加到确定的最小工作速度。

因为控制器单元采用工作压力和电机工作速度的测量值，所以这种控制器可以容易地安装在任何现有的单元上，无需用于引入附加管道或接头的主要干预。

通常，现有压缩机采用此类测量值来调整工作模式以满足用户网络的需求，因此，根据本发明的控制器单元可以简单地连接到现有控制器或简单地替换这种现有控制器，从而显著降低在现有运行单元内实施的复杂性。

根据本发明的控制器单元的另一个好处是对现有单元生产率的影响小，这是因为可以非常快速地完成对用于连接根据本发明控制器单元的干预，并且改进的现有单元可以在很短的时间间隔内启动并运行。

通过将电机工作速度维持在至少与确定的最小工作速度相同的值，控制器单元将系统的温度维持在高于或大致高于冷凝点，从而减少或甚至消除在喷油压缩机内形成冷凝物的风险。

因此，根据本发明的控制器单元为现有压缩机提供了非常容易实施且成本有效的解决方案，从而提高了此类单元的效率并增加了用于冷却和润滑的油的寿命。

还已知的是，如果在喷油压缩机内形成这种冷凝物，则甚至压缩机元件或其壳体也会受损坏，或者甚至会由于这种冷凝物的腐蚀作用而被破坏。通过使用根据本发明的控制器单元，最小化或甚至避免了此类风险，并且增加了喷油压缩机的寿命。

根据本发明的控制器单元的又一个好处是：通过采用测量的工作压力、测量的或取得的环境温度和电机工作速度，控制器单元主动性地定制工作参数，以便减少对喷油压缩机的调节。通过减少调节，增加了喷油压缩机的寿命并且维持了其效率。

在本发明的上下文中，调节应被理解为是喷油压缩机的性能，并且可以被定义为最小自由出气量与最大自由出气量之间的比率。

自由出气量应被理解为在1巴压力下计算的压缩空气出口处的空气量。最小自由出气量是在满足了用户网络需求时驱动压缩机元件的电机的最小速度下确定的；而最大自由出气量是在驱动压缩机元件的电机的最大速度下确定的。

本发明还涉及控制驱动喷油压缩机的电机的速度的方法，方法包括至少以下步骤：

测量喷油压缩机的工作压力并将测量值发送到控制器单元的第一模块；

将电机的速度和测量的或取得的环境温度发送到第一模块；

其特征在于，方法还包括以下步骤：

根据测量的工作压力、环境温度和露点温度来确定电机的最小工作速度；以及

将确定的最小工作速度与取得的电机的工作速度进行比较，并且如果取得的工作速度低于确定的最小工作速度则将电机的工作速度至少增加到确定的最小工作速度。

因为根据本发明的方法采用了标准测量值并采用了相对简单的算法，所以通过简单且易于实施的方法增加了喷油压缩机和所使用油的寿命，该方法不需要附加的计算能力或非标准电子部件。

本发明还涉及喷油压缩机，其配置成采用根据本发明的方法。

在本发明的上下文中应理解的是，关于用于控制驱动喷油压缩机的电机的速度的控制器单元所列举的好处也适用于控制驱动喷油压缩机的电机的速度的方法以及采用这种方法的喷油压缩机。

附图说明

为了更好地展示本发明的特征，下面参考附图通过非限制性示例的方式来描述根据本发明的一些优选配置，其中：

图1示意性地表示根据本发明实施例的喷油压缩机；并且

图2示意性地表示根据本发明实施例的控制器单元。

具体实施方式

图1示出喷油压缩机1，其至少包括由电机3驱动的压缩机元件2。压缩机元件2具有空气入口4和压缩空气出口5，大气压力下的空气通过空气入口4被吸入。

压缩空气出口5进一步与油分离器7的入口6流体连通，在油分离器7中从压缩空气中去除油。

油分离器7还包括出口导管8，净化的压缩空气通过出口导管8供应到用户网络(未示出)。

在油分离器7内从压缩空气中去除的油可以进一步再次喷入压缩机元件2中，以用于润滑和冷却。

喷油压缩机1还包括控制器单元9，用于从位于压缩空气出口5的测量装置10和11接收测量数据。

控制器单元9还优选地包括与电机3相连的数据连接12，用于接收关于电机3工作速度rpm的信息。

在本发明的上下文中应理解的是，喷油压缩机可以包括附加部件及其附加接头和管道，例如用于去除可能进入喷油压缩机的杂质的过滤器、用于在把从压缩空气中提取的油重新引导到压缩机元件2之前使之冷却的冷却器以及可选的用于在将压缩空气引导到用户网络之前使之干燥的干燥器。为了本发明的目的，在附图中仅示出最少数量的部件。

此外，在本发明的上下文中应理解的是，通过本文所包括的不同部件实现的功能也可以借助于其他部件来实现，本发明不应限于这种布局。

在本发明的上下文中，喷油压缩机1应被理解为完整的压缩机装置，包括压缩机元件2、所有典型的连接管和阀、压缩机单元壳体以及可选的驱动压缩机元件2的电机3。

在本发明的上下文中，压缩机元件2应被理解为压缩机元件壳体，在其中，压缩过程借助于转子或通过往复运动进行。

在本发明的上下文中，压缩机元件2可以从以下组中选择，包括：螺杆、齿、涡旋盘、旋转叶片等。

返回到图1的喷油压缩机，根据本发明的控制器单元9能够通过数据连接12来控制驱动喷油压缩机1的电机3的速度。

因此，应理解的是，数据连接12允许双向数据通信：一方面，控制器单元9接收关于电机3速度的数据，另一方面，控制器单元9能够将数据发送到电机3以便随后控制其速度。

为了从喷油压缩机1接收测量值，控制器单元9还至少包括第一数据连接13和第二数据连接14，从而允许测量装置10和11与控制器单元9之间的数据交换。

优选地，通过第一数据连接13和第二数据连接14，测量装置10和11分别提供工作压力pw的测量值和工作温度tw的测量值。

因此，测量装置10和11的形式可以分别为压力传感器10和温度传感器11，优选地位于压缩空气出口5的流动导管上。

此外，控制器单元9通过数据连接12接收电机3的工作速度rpm。

优选地，控制器单元9还采用测量的或取得的环境温度tambient。

如果要测量环境温度tambient，则控制器单元9还包括第三数据连接15，其连到位于喷油压缩机附近或位于空气入口4的第二温度传感器16或温度计。第三数据连接15是有线或无线数据连接。

在根据本发明的另一个实施例中，如果第三数据连接15是无线数据连接，则可以通过无线电、蓝牙或互联网连接来实现这种无线数据连接，以取得喷油压缩机1所在地理区域的测量的或甚至预测的环境温度tambient。

可替代地，控制器单元9还可以包括用户界面(未示出)，通过用户界面，喷油压缩机1的用户可执行环境温度tambient的手动输入。

优选地，控制器单元9可以包括四个主要模块：第一模块17，与之相连的有数据连接12、第一数据连接13、第二数据连接14和第三数据连接15；第二模块18，其包括用于处理所接收数据的处理单元18a(未示出)；第三模块19，其包括比较器单元19a；以及第四模块20，其包括信号发生单元20a。

处理单元18a还设置有算法，算法根据通过第一数据连接13接收的测量工作压力pw、通过第三数据连接15接收的环境温度tambient、和露点温度tdewpoint来确定电机3的最小工作速度rpmmin，露点温度tdewpoint根据测量工作压力pw和测量工作温度tw确定，测量工作温度tw通过第二数据连接14接收。

作为第三模块19组成部分的比较器单元19a将确定的最小工作速度rpmmin与电机3的取得工作速度rpm进行比较。因此，第一模块17优选地与第二模块18和第三模块19通信，以便发送所有相关所需细节。

如果在比较之后取得工作速度rpm低于所确定的最小工作速度rpmmin，则处理单元18a进一步与作为第四模块20组成部分的信号发生单元20a通信，用于将信号发送到电机3，以将电机3的工作速度rpm至少提高到确定的最小工作速度rpmmin。

在本发明的上下文中应理解的是，数据连接12、第一数据连接13、第二数据连接14和/或第三数据连接15中的任一个可以是有线或无线连接。

此外，电机3可以是定速电机，在这种情况下，电机3设置有位于空气入口4的逆变器或阀，以控制到达压缩机元件2的空气量并因此改变电机3的速度。

在根据本发明的优选实施例中，为了实现控制更容易的更简单设计，电机3是变速电机。

在根据本发明的另一个实施例中，控制器单元9可以是喷油压缩机1的组成部分，或者可以放置在喷油压缩机1附近，并通过有线或无线连接与作为喷油压缩机1组成部分的各个部件(例如：测量装置9和10以及电机3)通信。

在根据本发明的又一个实施例中，控制器单元9可以与作为喷油压缩机1组成部分的现有控制器(未示出)进行有线或无线通信。

此外，根据喷油压缩机1的使用者的要求并且可选地根据其老化因素，用于取得工作速度rpm、工作压力pw、测量工作温度tw和环境温度tambient的采样率可以是在0.5μhz(微赫兹)和60khz(千赫兹)之间的数值范围中选择的任何值。

作为示例并且不限于此，这种采样率可以选择为10赫兹和40赫兹之间的任何值，更优选地这种采样率可以选择为20赫兹和30赫兹之间的任何值，甚至更优选地这种采样率可以选择为约25赫兹。

应理解的是，对于不同的测量参数或取得参数来说这种采样率可以是不同的。例如，如果考虑环境温度的测量或取得，则由于不经常遇到这种参数的突然变化，所以采样率可以朝数值范围的起点选择，例如0.5μhz，或者甚至可以每天执行多次，例如每天两次。

在本发明的上下文中，采样率应该被理解为是执行测量的频率。换句话说，它应该被理解为是在两次相继测量之间的时间间隔。

在根据本发明的优选实施例中，控制器单元9实时接收工作压力pw、工作温度tw和电机3工作速度rpm的测量值。

为了更精确的计算，算法进一步配置成将测量的工作温度tw与确定的露点温度tdewpoint进行比较。

此外，算法可以配置成通过根据测量的工作压力pw、环境温度tambient和取得的或确定的相对湿度rh进行计算来确定露点温度tdewpoint。

工作原理非常简单，如下所述。

在喷油压缩机1运行期间，在压缩空气出口5处测量工作压力pw和工作温度tw。测量值被发送到控制器单元9的第一模块。

喷油压缩机包括：第一数据连接13，用于将测量的工作压力pw发送到控制器单元9；以及第二数据连接14，用于将测量的工作温度tw发送到控制器单元9。

此外，还识别电机3的工作速度rpm，并通过数据连接12发送到控制器单元9。

为了精确评估，控制器单元9还通过第三数据连接15接收测量的或取得的环境温度tambient。

优选地，上述识别的测量参数发送到作为控制器单元9组成部分的第一模块17。

如图2所示，根据本发明的控制器单元9可以包括接收测量参数的第一模块17、设置有用于处理接收数据的处理单元18a的第二模块18、包括比较器的第三模块19、以及包括信号发生单元20a的第四模块20。

在本发明的上下文中，也不排除由第二模块18和第三模块19执行的功能集成在一个模块中。

也不排除这种控制器单元9可以仅包括一个模块，该模块具有处理单元18a和所有需要的电子接口，用于接收测量值、产生电信号、将计算的参数发送到喷油压缩机1的其他部件并最终可能影响它们的工作参数。

控制器单元9还使用所接收的测量参数(例如测量的工作压力pw和测量的工作温度tw)来计算露点温度tdewpoint。

计算的露点温度tdewpoint和测量的或取得的环境温度tambient进一步用于确定电机3的最小工作速度rpmmin。

控制器单元9进一步将电机3的取得的工作速度rpm与确定的工作速度rpmmin进行比较，并且如果取得的工作速度rpm低于确定的最小工作速度rpmmin，则控制器单元将优选地通过数据连接12产生电信号，并且将电机3的工作速度rpm至少增加到确定的最小工作速度rpmmin。

在根据本发明的另一个实施例中，为了更精确地确定最小工作速度rpmmin，控制器单元9还考虑喷入喷油压缩机1中的油的油温toil。因此，在这种情况下，最小工作速度rpmmin是根据工作温度tw、喷入喷油压缩机1中的油的油温toil和取得的或确定的相对湿度rh而确定，工作温度tw通过位于压缩机空气出口5的温度传感器11取得，或者工作温度tw可以通过采用已知的公式进一步计算。类似地，油温toil通过测量值确定或通过已知的公式计算。

在根据本发明的另一个实施例中，控制器单元9进一步将工作温度tw与计算的露点温度tdewpoint进行比较，并且如果工作温度tw低于计算的露点温度tdewpoint，则控制器单元9增加电机3的速度，以使得在喷油压缩机1内不允许形成冷凝物。

此外，允许喷油压缩机1在于压缩空气出口5处测量的压力和流量的整个较大范围内运行。

作为示例并且不限于此，公差可以是在例如约-5℃和约+5℃之间选择的任何值。应理解的是也可以采用其他值，取决于喷油压缩机1的要求和用户网络的需求。

在根据本发明的另一个实施例中，如果工作温度tw低于加上了公差的露点温度tdewpoint，则控制器单元9可以包括增加电机3的工作速度rpm的步骤。

在根据本发明的另一个实施例中，露点温度tdewpoint可以根据工作压力pw、环境温度tambient和相对湿度rh来计算。

作为示例并且不限于此，一种计算露点温度tdewpoint的方法是通过采用以下公式：

其中，q、m和tn是根据经验确定的常数，并且可以根据喷油压缩机1运行的具体温度范围从表1中选择。

表1：

这种根据经验确定的常数具有以下测量单位：q例如表示0℃的水蒸气压力并且在表1中的测量单位为百帕(hpa)，m是没有测量单位的调节常数，而tn也是以摄氏度(℃)为测量单位的调节常数。

来自等式1的pwpres表示换算为大气条件的水蒸气压力，并且可以通过采用以下公式计算：

其中，patm是大气压力，rh是取近似值或测量的相对湿度，并且pws表示水蒸气饱和压力。

如果喷油压缩机1不包括相对湿度传感器，则取近似值的相对湿度rh可以选择为约100％以下。另一方面，如果喷油压缩机1包括这种相对湿度传感器，则这种传感器将优选地安装在空气入口4(未示出)处，或者这种传感器可以安装在喷油压缩机1附近，用于将测量值发送到控制器单元9。

大气压力patm可以通过位于空气入口4的压力传感器(未示出)测量，或者这种大气压力patm可以通过控制器单元9从位于喷油压缩机1附近的压力传感器取得，或者这种大气压力patm可以取近似值。

水蒸气饱和压力pws可以通过采用以下公式计算：

其中，q、m和tn是表1中根据经验确定的常数。

在本发明的上下文中，上述计算露点温度tdewpoint的方法不应该认为是限制性的，而是应理解为在不脱离本发明范围的情况下可以采用任何其他计算方法。

在根据本发明的又一个实施例中，为了更精确的确定，控制器单元9包括根据喷油压缩机1的工作温度tw、功率p和油质量流量计算油温toil的步骤。

优选地但不限于此，喷油压缩机1的功率p作为电机3的工作速度rpm和工作压力pw的函数来计算。

此外，油质量流量可以作为工作压力pw的函数来计算。

通常，喷油压缩机1的功率可以表达为工作速度rpm和工作压力pw的函数，并且可以进一步限定为需要抽空的热量。因此，喷油压缩机的功率可以通过以下等式表示：

其中，cp表示油的热容量。

在本发明的上下文中应理解，还可以测量功率p和/或油质量流量

在本发明的上下文中，热容量应被理解为可测量的物理量，等于添加到油中或从油中去除的热量与所导致温度变化的比率。换句话说，热容量cp可以表达为将油温升高1度所需的热量。

取决于所使用的油，热容量cp可以从通常由制造公司提供的特定表中取得。

此外，油质量流量可以表达为工作压力pw的函数。

在本发明的上下文中，油质量流量应被理解为每单位时间流动的油的质量，单位时间优选为1秒。

作为示例并且不限于此，可以通过求解表达为工作压力pw的函数的二次数学表达式来计算油质量流量

其中，a1、b1和c1是根据经验确定的常数，代表压缩机元件2的特性。

此外，喷油压缩机1的功率p可以通过求解作为工作速度rpm和工作压力pw的函数的二次数学表达式来计算：

其中，参数a2至i2是根据经验确定的常数，代表压缩机元件2的特性。

因此，油温toil可以通过重写等式4来确定：

其中，为了进一步计算，可以使用来自等式6的p的表达式，并且可以使用来自等式5的的表达式。

在根据本发明的另一个实施例中，控制器单元9可以进一步根据所接收的测量值来对油温toil取近似值。

作为示例并且不限于此，当喷油压缩机1停止时，控制器单元9可以使油温toil取近似值为与工作温度tw大致相同的值，或者，如果喷油压缩机1正在运行，则可以作为工作速度rpm和工作压力pw的函数来计算油温，如前所说明。

然而应理解，可以实施计算油温toil的任何其他方法，并且本发明不应限于所给出的示例。

在根据本发明的又一个实施例中，油分离器7还可以包括温度传感器(未示出)，温度传感器可位于油管21上或油分离器7内在油管21附近。这种温度传感器的测量值被进一步发送到控制器单元9。

油管21允许从压缩空气中分离出的油被重新喷入压缩机元件2内。

如果油分离器7包括这种温度传感器，则控制器单元9可以进一步考虑其测量值为油温toil。

在根据本发明的另一个实施例中，为了确定最小工作速度，控制器单元可以进一步将工作温度tw表达为工作速度rpm、工作压力pw、环境温度tambient、油温toil和相对湿度rh的函数。

因此，工作温度tw可以具有以下数学表达式：

其中，参数a3至h3是根据经验确定的常数，代表压缩机元件2的特性。

如果随后考虑：

tw＝tdewpoint+公差(等式9)；

并在等式8中引入等式9，则等式8变为：

g3·rpm²+b3·rpm+(a3+c3·pw+d3·tambient+e3·toil+f3·rh+h3·pw²-tdewpoint-公差＝0(等式10)。

通过求解该等式，计算出工作速度rpm的两个值。在这两个计算值中，最小工作速度rpmmin优选地选择为最低值，优选为最低正值。

在本发明的上下文中应理解，参数a3至h3是常数，代表压缩机元件2的特性，此类常数对于不同排气量的压缩机元件或者对于不同类型的不同压缩机来说具有不同的值。此类值通常由此类压缩机元件2的设计者确定。

作为示例并且不限于此，对于具有120升/秒自由出气量的变速喷油压缩机，等式5的常数a1至c1、等式6的常数a2至i2和等式8的常数a3至h3可以具有以下值：

表2：

即使已经提出了本发明适合于在喷油压缩机1中实施，也不应排除实施在真空泵内控制电机速度的方法的可能性或者在真空泵内集成如本文所限定的控制器单元9的可能性。

在真空泵的情况下，如图1所示的系统将是类似的，唯一的差异在于：压缩机元件2将由真空元件代替，空气入口4将连接到用户网络，并且出口导管8将连接到大气或外部网络。

测量和处理将以与喷油压缩机1的情况相同的方式进行。

本发明决不是仅限于作为示例描述并在附图中示出的实施例，而是这种控制器单元9可以在不脱离本发明范围的情况下以各种变型实现。类似地，本发明不是仅限于作为示例描述的控制用于驱动喷油压缩机1的电机3的速度的方法，而是本方法可以以不同方式实现但仍然在本发明的范围内。