具有调节工作范围的控制功能部的压缩机或泵和工作方法与流程

本发明涉及一种压缩机或泵，所述压缩机或泵配备有附加控制功能部，所述附加控制功能部用于根据一个或多个工作参数静态或动态地控制工作范围的极限值。

背景技术：

在下文中，本发明主要针对压缩机进行了描述，但完全类似，本发明还涉及泵，其中泵用于以与用于压缩气体或气体混合物的压缩机相同的方式对液体或液体混合物加压。

众所周知，这种压缩机和泵由至少一个压缩机元件或泵元件以及连接到压缩机元件或泵元件的马达组成，所述压缩机元件或泵元件用于将流体加压供应到这种加压流体的消费者网络。

因此，表述“工作参数”包括机器的每个参数及所述机器的对压缩机或泵的运行有影响的环境。压缩机的这种工作参数的示例是使用压缩机的海拔、外部温度、空气过滤器的污染、马达的负载、与所需功率相比的可用马达功率的功率富余等。

通常，压缩机配备有基本控制功能部，其中调节流量以维持设定的期望工作压力，或者其中调节工作压力以维持设定的期望流量。

因此，流量和工作压力将被称为主控制参数。

工作压力易于测量并因此可以调节。

然而，流量更难以测量，因此也更难直接调节。因此，为了调节流量，使用两个更容易测量和调节的基础控制参数，它们共同确定流量，即：

-一方面，转速；和，

-另一方面，压缩机的入口处的入口压力或用于控制压缩机中的某些辅助功能(例如润滑、入口阀的打开等)的控制压力。

主控制参数和基础控制参数统称为控制参数，每个控制参数具有在相应控制参数的最小值和最大值之间的一定调节范围。

工作范围由所有控制参数的最小极限和最大极限确定，更具体地说，标称工作范围由标称条件下控制参数的标称控制范围确定，标称条件由工作参数的特定选定的标称参考值(例如海拔、冷却和其他影响)确定。

工作点是工作范围内控制参数的一组特定值。

实际上，压缩机或泵在设计阶段的尺寸被确定并且被组装以便能够在一定标称工作范围内操作，该工作范围因此由压缩机或泵的控制参数的最大允许值和最小允许值确定。这些最大值和最小值一方面由由压缩机元件或泵元件的的工作参数确定，另一方面由马达的工作参数确定。

通常，这种压缩机或泵设置有基本控制功能部，所述基本控制功能部用于根据压缩机的位于在设计期间设定的压缩机的标称设定工作范围内的期望的设定工作点来调节一个或多个控制参数。

在实践中，这种基本调节作为所选控制参数的动态调节来执行，以使另一控制参数在标称工作范围内保持恒定。

在压缩机或可变流量泵中广泛应用的基本调节包括：通过改变压缩机或泵的可变流量，将压缩机元件的工作压力(或者换言之，消费者网络中的压力)维持尽可能恒定，不管消费者网络的消费情况如何。在实践中，通过两个基本控制参数(转速和入口压力或控制压力)来实现流量调节。

例如，如果在压缩空气网络的情况下，压缩空气的消耗增加，则会出现消费者网络中的压力将降低的趋势，但是由于基本调节，将通过经由在标称设定工作范围的限制内增加压缩机元件的转速和/或增加入口压力和/或降低控制压力来增加供应的压缩空气流来维持压力。

当压缩空气的消耗减少时，以类似的方式，消费者网络中的压力将具有增加的趋势，但是由于基本调节，通过经由在控制参数的最小极限和最大极限的标称设定工作范围的限制内降低压缩机元件的转速和/或降低入口压力和/或增加控制压力来减少供应的压缩空气流来维持压力。

在标称条件下，每个控制参数(例如工作压力、流量、转速、入口压力和控制压力)的控制范围将限制在最小值和最大值之间。

例如，最小入口压力由泵或压缩机及其入口阀的设计确定，以避免空化或高负力。

例如，最小速度由马达的扭矩曲线、马达与压缩机元件或泵元件之间的联接的临界转速以及启动和防止马达停止所需的最小转速确定。

例如，最小工作压力由压缩机中某些辅助功能(例如润滑、阀控制等)所需的最小压力确定。

最大入口压力由大气压和入口过滤器的污染确定。

最大转速应由马达的最大可用功率确定，该最大可用功率必须至少等于在施加的工作压力下压缩机元件或泵元件的最大吸收功率。设定工作压力越高，转速越低。

最大工作压力由压缩机的部件可承受的最大压力确定。

由于马达和压缩机元件或泵元件可用的功率和扭矩曲线的精度存在不确定性，实际上，在设计阶段，通常选择马达的功率富余，其中马达的功率通常比标称工作点的压缩机元件或泵元件的功率大3％至8％。

在设计中，选择标称工作参数，例如大气条件(大气压力和温度、海平面、湿度等)、用于冷却马达和/或压缩机元件或泵元件的可用冷却能力的某些条件以及马达和/或压缩机元件或泵元件的状态(新状态、清洁过滤器等)。

在实践中，工作参数当然可以偏离设计选择的标称工作条件，这可能导致上述功率富余下降或甚至变为负值，因此压缩机可能在最大转速处停止或压缩机可能难以或不能够以最小转速启动，这对于不总是意识到正在发生的事情以及经常遇到诸如不期望的缺陷的出现之类的情况的用户而言可能是令人沮丧的。

例如，与标称工作参数非常不同的大气条件(例如高海拔或极端寒冷或炎热条件)可能对马达的功率富余产生负面影响，在这些情况下甚至可能导致功率不足或者对压缩机或泵进行不可接受的快速和彻底的加热，结果可能造成损坏，或甚至导致马达或泵的不期望的停机。

这种极端情况尤其可能发生在需要能够在各种工作条件下运行的移动式压缩机中，尽管在固定安装中也可能发生变化的工作条件，这可能导致马达的性能(功率、扭矩)降低并且压缩机元件或泵元件的操作效率低下。

例如，当具有内燃机的移动式压缩机在具有更薄的空气的更高的海拔处部署时，马达和压缩机性能将发生很大变化，通常降低马达在最大转速下的功率，而压缩机吸收的功率量也将减少，但不一定达到相同的程度，这导致更低的功率溢出和启动问题的发生。

已知的压缩机和泵没有配备其基本控制功能部以解决这种偏离情况，这些偏离情况对用户可能造成所有可能的不利影响。

类似地，实际工作条件可能比设计期间应用的标称工作条件更有利，在这种情况下，马达的功率富余可能增加。

然而，对于通常的基本控制，该功率富余不能有效地利用，例如以允许更大的最大流量或增加的工作压力。

技术实现要素：

本发明旨在提供上述和其他缺点中的一个或多个的解决方案。

为此目的，本发明涉及一种压缩机或泵，所述压缩机或泵包括：至少一个压缩机元件或泵元件，所述压缩机元件或泵元件用于将流体加压输送到这种加压流体的消费者的网络；与压缩机元件或泵元件联接的马达，其中压缩机或泵设计成在一定标称工作范围内操作，所述标称工作范围由在标称工作条件下压缩机或泵的最大允许控制参数和最小允许控制参数之间的标称控制范围确定，并且压缩机或泵配备有控制功能部，所述控制功能部具有基本控制功能部，所述基本控制功能部用于根据压缩机的位于在设计期间设定的标称设定工作范围内的期望的设定工作点对一个或多个控制参数进行的标称调节，其特征在于，所述控制功能部还设置有附加控制功能部，所述附加控制功能部用于静态或动态调节工作范围极限值，其中所述一个或多个控制参数的标称控制范围根据压缩机的偏离标称工作条件的实际工作条件来调节。

本发明提供的优点是，当实际工作条件比设计时的标称工作条件更不利时，压缩机或泵的控制范围可以就地调节，例如，通过限制最大转速和/或增加最小转速。

在上述具有内燃机的压缩机的情况下，通过增加转速的控制范围的最小速度可以解决或减少高海拔的启动问题，并且可以通过减少最大转速和/或最大工作压力来解决功率富余不足的问题。

以这种方式，即使具有降低的性能，例如更小的输送流量或更低的工作压力，压缩机也可以继续运行。

另一方面，如果工作条件比设计时更有利，则可以通过本发明增加控制范围(例如通过增加最大转速来增加控制范围)，使得可以实现的更大的功率富余根据控制设定能够被有效地应用以例如实现更大的流量或更高的工作压力。

附加控制功能部应优选地设计成使得当实际工作条件偏离标称工作条件时通过减小该控制参数的标称控制范围的最大极限和/或通过增加所述标称控制范围的最小极限来减小至少一个控制参数的控制范围，而在没有此附加控制功能的情况下则：

-压缩机或泵将由于马达缺乏能够驱动压缩机元件或泵元件的动力而停止，或者无法启动；

-或者压缩机或泵可能在其允许的工作范围之外运行。

在实践中，基本控制功能部通常基于在由最小流量和最大流量限定的控制范围内调节流量以将工作压力保持恒定和/或基于在由最小工作压力和最大工作压力界定的控制范围内调节工作压力以将流量保持恒定从而保持流动恒定。

根据一个特定方面，压缩机或泵的控制功能部可以设置有用于设定或测量不是控制参数的至少一个工作参数(例如相对于海平面的海拔)的设定装置，并且附加控制功能部使得一个或多个控制参数(例如流量、转速、入口压力、控制压力和/或工作压力)的控制范围根据所述工作参数的设定或测量值在所述工作参数的设定或测量值偏离标称工作条件的情况下被静态地或动态地调节以防止：

-压缩机或泵将由于马达缺乏能够驱动压缩机元件或泵元件的动力而停止，或者无法启动；

-或者压缩机或泵可能在其允许的工作范围之外运行。

因此，控制功能部可以考虑在更高的海拔下工作的影响，例如可以通过设定按钮、键盘、触摸屏等设定海拔，或者可以例如通过大气的原地测量来测量海拔。

除了海拔测量之外，控制功能部还可以监测可能影响功率富余的许多其他工作参数或其组合，例如：

-其他大气参数，如温度、空气湿度等；

-用于冷却压缩机或泵的可用冷却能力；

-压缩气体的温度；

-马达的冷却温度；

-在配备涡轮的内燃机的情况下，内燃机的涡轮的温度；

-马达和压缩机元件的空气过滤器的污染；

-用于驱动压缩机或泵的可用的一个或多个能源；

-该一个或多个能源的可用容量；

-马达的负载；

-电力富余。

上面的列表不是限制性的。

海拔是一个工作参数，在移动式压缩机或泵中如果机器从一个车间移动到另一个车间则海拔可能更改。在压缩机或泵的运行期间，海拔不会改变。因此，可以在启动机器时确定海拔对工作范围的影响。在操作期间不再需要调整控制范围的最小值和最大值。我们将海拔称为静态工作参数。

还有一些可能会在运行期间发生变化的工作参数，例如马达的冷却或负载。因此，需要在运行期间调整这些参数对工作范围的影响。因此，必须连续调整一个或多个控制参数的最小值和最大值。我们将这些称为动态工作参数。

针对每个静态工作参数，优选地，该静态工作参数对压缩机或泵的运行的影响是预先已知的，例如，通过计算或通过实验确定，并且该影响以允许的工作范围的表格或曲线的形式引入到控制功能部中，这允许控制功能部根据设定值或测量值确定控制范围的必要调整。

在动态工作参数的情况下，附加控制功能部被编程成使得其能够根据这些动态工作参数(例如冷却能力)的实际值调整一个或多个控制参数(例如流量、转速、入口处负压、控制压力或工作压力)的设定的标称控制范围。

优选地，针对每个动态工作参数，控制功能部设置有附加的控制回路，通常是pid，所述控制回路根据相较于工作参数的期望值的偏差来动态地调节一个或多个控制参数的控制范围。

现代压缩机可以配备电子基本控制功能部，其能够原地确定或测量马达的实际功率富余。

直接确定功率富余的一个优点是，其不需要单独监测所有动态工作参数以便了解对功率富余的影响，并且由此不能确定或难以确定的某些参数的影响被考虑在内，所述不能确定或难以确定的某些参数例如为压缩机或泵的磨损、较低质量的燃料的使用、空气过滤器和/或燃料过滤器的污染、入口和出口的阻塞等。

在这种情况下，功率富余可以被视为全局动态工作参数，其允许控制附加控制功能部。

如果在高的流量的情况下实际功率富余很可能变得低于设定值或很可能变为负值，则附加控制功能部将优选地减小可调节流量和/或可控工作压力的最大极限。

如果在低的流量的情况下该功率富余很可能变得低于设定值，则附加控制功能部将优选地增加可调节流量的最小极限和/或减小工作压力的控制范围的最大极限。

本发明特别适用于移动式压缩机或泵，因为它们必须在高度可变的环境中使用。

对于术语“移动式”，这里表示的是旨在能够移动的压缩机或泵，例如从一个场地到另一个场地，即使这需要运输工具或提升设备。简而言之，压缩机不旨在在固定的地方固定地使用。

本发明还涉及一种用于控制压缩机或泵的方法，所述压缩机或泵包括：至少一个压缩机元件或泵元件，所述压缩机元件或泵元件用于将流体加压输送到这种加压流体的消费者的网络；与马达，其中压缩机或泵设计成在一定工作范围内运行，所述工作范围由压缩机或泵的控制参数的最大允许值和最小允许值确定，并且压缩机或泵配备有基本控制功能部，所述基本控制功能部用于根据压缩机或泵的位于在设计期间设定的标称工作范围内的期望的设定的控制参数(例如流量或工作压力)或期望的设定工作点在标称的设定的控制范围内对一个或多个控制参数进行的标称控制，其特征在于，当实际工作条件偏离标称工作条件或位于压缩机或泵的标称工作范围之外时，增加有附加控制步骤以用于根据压缩机或泵的实际工作条件对一个或多个控制参数的标称控制范围进行静态或动态调整。

附图说明

为了更好地显示本发明的特征，在下文中，作为示例并且没有任何限制特征，参考附图描述了根据本发明的压缩机的应用和一些优选实施例以及由此应用的工作方法，其中：

图1a示意性地示出了根据本发明的压缩机，其具有根据静态工作参数的控制部；

图1b示出了图1a的压缩机的替代实施例；

图2和图3以更大的比例分别示出了图1a和图1b中用f2和f3表示的两个图表；

图4示出了根据本发明的压缩机的工作图表；

图5示出了根据本发明的压缩机的替代实施例，在这种情况下用于根据动态工作参数进行控制。

具体实施方式

图1a作为示例示出了根据本发明的移动式压缩机1，其包括至少一个压缩机元件2，所述压缩机元件用于将气体压缩和输送到压缩气体4的消费者4的网络3；与压缩机元件2联接的具有可变速度n的马达5。

马达5例如是具有燃料储存器6和可调节喷射泵7的内燃机，利用该喷射泵可以通过控制功能部8控制马达5的转速n，以便能够在由工作参数(例如马达5的温度、压缩机元件2的温度、压缩机气体的温度、环境温度等)确定的额定工作条件下在设计施加的工作范围内运行，所述工作范围由控制参数(例如流量q和工作压力pw)的最小极限和最大极限确定。

控制功能部8包括基本控制功能部8a，所述控制功能部8a构造为根据设定的期望压力pwset或设定的流量qset控制压缩机或泵的主控制参数(例如分别为流量q和工作压力pw)。

在图1a的示例中，流量q是主控制参数，其至少在最小流量qmin和最大流量qmax的一定极限内被调节以获得并维持恒定的工作压力pwset，所述一定极限根据待获得的期望工作压力pwset是已知的并且被输入到基本控制功能部8a，例如，如图2所示的图表9的形式。

期望的工作压力pwset可以例如由用户通过设定按钮10设定。

然后通过调节一个或多个基础控制参数(例如转速n和入口压力pi或控制压力pr)来实现待设定的流量q。

基本控制功能部8a例如通过调节来实现，在所述调节中例如通过压力传感器18等测量工作压力pw，其中经由控制器q-pid将测量的工作压力pw与设定压力pwset进行比较并且通过所述比较确定期望流量qset，通过所述控制器q-pid经由第一算法q/n确定期望的转速nset，并通过第二算法q/pi,pr经由期望的入口压力piset或期望的控制压力prset。

基于期望的转速nset和期望的入口压力或控制压力值，通过调节n-pid调节马达5的转速，并且使用控制pi,pr-pid调节入口压力pi或控制压力pr，所述调节n-pid例如介入喷射泵7，所述控制pi,pr-pid例如通过入口阀的控制体20影响入口阀19的位置。

因此，基本控制功能部8将增加或减少流量q，直到测量的工作压力pw等于设定的工作压力pwset为止，至少能够在流量q或转速n的允许控制范围11内进行调节。

该控制范围11由图2的图表9表示，其中qmin和qmax可以根据期望的工作压力pw的设定点pwset被读取，其中例如针对期望的工作压力pwset，控制范围11可以推导为曲线qmax和曲线qmin之间的差值，在该控制范围11内可以控制流量q。

曲线qmax例如由以下事实确定：在qmax下，压缩机元件2在设定工作压力pwset下吸收的功率低于可由马达5输送的最大功率(更具体地说是期望的功率富余)通常为3％-8％。

图表9在设计时确定(例如在海平面的高度h0处)，其偏离在标称工作条件下马达5和压缩机元件2的理论曲线。

除了基本控制功能部8a之外，控制功能部8还设有根据本发明的用于进行附加控制步骤的附加控制功能部8b。

当压缩机1在高于海平面的更高海拔h(通常观察到更低的环境压力和温度)使用时，这导致马达5的实际功率在该海拔下下降，就像由压缩机元件2吸收的功率将减小，但不一定达到相同的程度，因此功率富余将减少或甚至是负的。

这可能随后导致马达5由于达到海平面h0处的图表9的最大流量q而在达到最大转速时停止，并且由于达到图表9的最小流量qmin而难以或者无法以最小转速启动压缩机1。

为了防止这种情况，根据本发明，在控制功能部8中集成了附加控制功能部8b，其将通过减小最大流量qmax和/或增加最小流量qmin来调节图表9的控制范围11，由此nmax或nmin将随着被调整。也可以不干预流量q的极限，而是可选地，基于针对给定压缩机或泵流量q与转速n的转换直接调节转速n的控制范围。

附加控制功能部8b例如使用如图3所示的图表12，其给出校正因子fq，图表9的qmax、qmin分别需要乘以该校正因子fq以得出如图2的图表9中的虚线所示的高度h和期望的工作压力pwset下待应用的最大流量和最小流量。

图3的图表12示出了针对最小流量qmin待应用的校正因子fqmin、以及待应用的校正因子fqmax，所述校正因子fqmin针对高于海平面h0的高度h大于1并且随着海拔而增加，所述校正因子fqmax小于1并且随着海拔h减小。

理论上，如图3的图表12中的虚线所示，曲线fqmax和fqmin可以延伸到海平面以下的海拔，从而理论上可以使流量的控制范围11大于海平面h0。

例如，使用压缩机1的高度h可以由用户使用设定按钮13或其他装置设定海拔h来设定。

替代地，可以从大气压力测量值测量或推导出海拔。

在压缩机1的开发期间，可以预先实验上计算或确定图表12。

除了如图表12中所示的连续曲线之外，还可以使用具有校正因子的离散值的表格，所述校正因子的离散值对应于海拔的离散值，例如，每次具有100米的高度差。

如果偏离标称工作条件，则可以设定或测量可能影响马达5和压缩机元件2的性能的其他静态工作参数而不是海拔。

针对每个静态工作参数和每个控制参数，针对校正因子f的图形或表格可以被输入控制功能部8中。

在图1b的实施例中，代替调节流量q的控制范围，直接调节基础控制参数的控制范围，例如转速n和入口压力pi或控制压力pr，其中，类似于图1a的实施例中的用于流量的控制范围的图表9，根据工作压力以图形或表格9’和9”的形式在基本控制功能部8a中输入基础控制参数的标称控制范围。

在图1b的实施例中，附加控制功能部8b包括校正图表12’以用于根据海拔h调节转速n的控制范围并且还包括校正图表12”以调节入口压力pi或控制压力pr的控制范围，以直接与基础控制参数n和pi或pr交互。

图表12’和12”包括针对图表9’中的转速的控制范围的校正因子fn和针对图表9”中的入口压力pi或控制压力pr的控制范围的校正因子fp，并且这与海拔有关。

代替流量q的控制，借助于转速n和入口压力pi或控制压力pr来保持工作压力pw恒定，也可以应用类似的控制，其中调节工作压力pw以实现恒定转速n或流量q。在这种情况下，校正系数f可以应用于最大压力pmax和最小压力pmin，所述最大压力pmax和最小压力pmin可以在偏离设计的工作条件下改变。

控制功能部还可以包括上述两个调节，使用者选择留下其希望应用的两个调节中的哪一个，流量q或工作压力pw。

在具有电子控制部的现代压缩机1中，甚至可以如图4的图表15所示设定期望的工作点14，该工作点14由设计下的标称条件(例如在海平面h0)下的期望流量qset和期望的工作压力pwset限定。

在海平面h0处，通过仅借助于基本控制功能部8a的控制(换句话说没有附加控制功能部8b)，工作点14将遵循图4中加粗的曲线16并且这位于由qmax和qmin限定的流量q的标称设定控制范围11内。用户可以通过在由pwmax和pwmin限定的工作压力pw的施加标称控制范围17内改变期望的工作压力pwset来改变工作点。

在高海拔下使用压缩机的情况下，附加控制功能部8b将调节控制范围11的这些极限值qmin、qmax和控制范围17的pwmin、pwmax，如图4中的箭头s所示。结果，工作范围以及因此期望的工作点的选择将减少。

在根据图5的压缩机1的变型实施例中，流量q的控制范围根据动态工作参数动态地控制，该动态工作参数可以不断变化并且不能应用预定义的校正曲线(例如在海拔的情况下)。

在图5的情况下，作为示例，根据功率富余δp作为工作参数来应用动态控制，该功率富余δp是马达5的可用功率与压缩机元件2的所需功率之间的差，并且可以使用其中信号被链接回附加控制功能部8b的装置21来确定。

在附加控制功能部8b中，设定功率富余δp的期望值δpset，例如δpset为2％。

然后，附加控制功能部8b将来自装置21的实际功率富余δp与期望值δpset进行比较，并且如果该值与期望值不同，则附加控制功能部8b将调整一个或多个控制参数的极限值以实现期望的功率富余。

在这种情况下，附加控制功能部8b将使用调节(通常是pid)，以通过改变压缩机工作范围的极限值(例如调节流量的控制范围11)将功率富余维持在一定水平。

本发明不限于作为示例描述并在附图中示出的实施例，而是可以以各种形式和尺寸应用根据本发明的压缩机或泵和方法，而不超出本发明的范围。