RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP 2181266 (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego: 07.08.2008 08788262.7 (13) (51) T3 Int.Cl. F04D 27/02 (2006.01) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (97) O udzieleniu patentu europejskiego ogłoszono: 31.10.2012 Europejski Biuletyn Patentowy 2012/44 EP 2181266 B1 (54) Tytuł wynalazku: Usprawnienia w sterowaniu sprężarką (30) Pierwszeństwo: 29.08.2007 GB 0716789 (43) Zgłoszenie ogłoszono: 05.05.2010 w Europejskim Biuletynie Patentowym nr 2010/18 (45) O złożeniu tłumaczenia patentu ogłoszono: 29.03.2013 Wiadomości Urzędu Patentowego 2013/03 (73) Uprawniony z patentu: Gardner Denver Deutschland GmbH, Bad Neustadt, DE (72) Twórca(y) wynalazku: PL/EP 2181266 T3 GEOFFREY GEORGE POWELL, Kidlington, GB (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Izabela Ludwicka PATPOL KANCELARIA PATENTOWA SP. Z O.O. ul. Nowoursynowska 162 J 02-776 Warszawa Uwaga: W ciągu dziewięciu miesięcy od publikacji informacji o udzieleniu patentu europejskiego, każda osoba może wnieść do Europejskiego Urzędu Patentowego sprzeciw dotyczący udzielonego patentu europejskiego. Sprzeciw wnosi się w formie uzasadnionego na piśmie oświadczenia. Uważa się go za wniesiony dopiero z chwilą wniesienia opłaty za sprzeciw (Art. 99 (1) Konwencji o udzielaniu patentów europejskich).
V7139PL00/SKO EP 2 181 266 B1 Usprawnienia w sterowaniu sprężarką Opis [0001] Wynalazek dotyczy usprawnień w sprężarkach, a w szczególności usprawnień sposobu sterowania sprężarkami dynamicznymi o zmiennej prędkości dla zapobiegania przeciążeniu silnika w wyniku dławienia. [0002] Sprężarki dynamiczne o zmiennej prędkości, takie jak sprężarki odśrodkowe, są stosowane do sprężania powietrza lub innych gazów od lat 1960-tych. Sprężarki odśrodkowe, które zawierają cylindryczny zespół łopatek sprężarki zamontowany na osi, są stosowane w bardzo różnych obszarach z kilku powodów. Są one w ogólności sprawne energetycznie, łatwe w utrzymaniu, jako że mają mało ruchomych części, i zwykle dają większy przepływ powietrza niż podobnej wielkości sprężarka tłokowa. [0003] Charakterystyki pracy sprężarki są ogólnie określone przez zależność pomiędzy stosunkiem ciśnień a objętościowym lub masowym natężeniem przepływu. Ich użyteczny zakres pracy jest jednak ograniczony przez pracę niestateczną (ang. surge), dławienie (ang. choke) i maksymalną dopuszczalną prędkość sprężarki. [0004] W sprężarkach dynamicznych o zmiennej prędkości pracujących przy danym ciśnieniu po stronie tłocznej, natężenie przepływu powietrza przez sprężarkę może być zwiększone przez zwiększenie prędkości sprężarki. Warunek dławienia występuje przy dużych przepływach, gdy zwiększenie prędkości sprężarki daje malejący wzrost natężenia przepływu. Gdy przepływ w którymkolwiek punkcie wewnątrz sprężarki osiąga warunek dławienia, nie jest możliwy dalszy wzrost natężenia przepływu. Ten warunek odzwierciedla maksymalne objętościowe natężenie przepływu sprężarki w funkcji stosunku ciśnień. Projektanci sprężarek próbowali znaleźć sposoby zapobiegania dławieniu podczas działania sprężarki dla maksymalizacji sprawności sprężarki. [0005] Wlotowa temperatura powietrza (lub innego gazu poddawanego sprężaniu) determinuje ilość mocy wymaganej do sprężenia powietrza do danego stosunku ciśnień, ponieważ większa moc może być potrzebna do sprężenia danej objętości zimnego, gęstszego powietrza niż ciepłego, mniej gęstego powietrza. Dlatego moc wyjściowa napędu sprężarki jest funkcją jej prędkości i momentu obrotowego, przy czym moment obrotowy jest funkcją ciśnienia po stronie tłocznej sprężarki i wlotowej temperatury powietrza. [0006] Zwiększenie prędkości silnika napędzającego sprężarkę wymaga zwiększenia mocy silnika, co prowadzi do zwiększenia temperatury uzwojenia silnika. Jeden z problemów napotykanych przy próbach chronienia sprężarek przed dławieniem i zapobiegania zbyt wysokim temperaturom uzwojenia silnika jest taki, że trudno jest mierzyć moc bezpośrednio. Jedno podejście ze stanu techniki polega w związku z tym na pracy sprężarki w ustalonych granicach prędkości i mocy. W sytuacji naruszenia tych granic potrzebna jest interwencja, a maksymalna ochrona jest zapewniana przez zatrzymanie urządzenia, gdy osiągnięte zostaną ograniczenia. Jest to jednak nie do przyjęcia przy normalnej pracy komercyjnych sprężarek. [0007] W dokumencie US 5284026, w którym ujawniono wszystkie właściwości z części przedznamiennej zastrz. 1, opisano system sterowania dla klimatyzacji lub systemu chłodniczego, który jest stosowany ze sprężarką o zmiennej prędkości. System sterowania mierzy przyspieszenie sprężarki i temperaturę lub ciśnienie wychodzącego z niej czynnika chłodniczego; określa szybkość zmian temperatury lub ciśnienia
- 2 - czynnika chłodniczego i zmniejsza przyspieszenie sprężarki jeśli szybkość zmian ciśnienia płynu roboczego wskazuje na niestateczną pracę sprężarki. [0008] W dokumencie US 4405290 opisano pneumatyczny system zasilania, w którym stosuje się sprężarkę napędzaną wałem. Wydatek sprężarki jest zmieniany przez zmianę geometrii wylotowej kierownicy sprężarki. W rezultacie można zaspokoić zmiany zapotrzebowania obciążenia na przepływ, przy jednoczesnym dostarczaniu powietrza z maksymalnym ciśnieniem przy minimalnej mocy wejściowej wału. [0009] W dokumencie EP 1555438 opisano pętle sterowania dla ograniczenia zmiennych w procesach takich jak te wykorzystujące turbosprężarki i turbiny. Kombinacja otwartych i zamkniętych sterujących pętli ograniczających może zapobiegać przechodzeniu do niekorzystnego sposobu pracy. [0010] Dlatego celem przedmiotowego wynalazku jest zapewnienie sposobu sterowania mocą przez zastosowanie pomiaru innych parametrów w charakterze środka zapobiegającego dławieniu przez unikanie przeciążenia silnika. [0011] Dlatego wynalazek zapewnia sposób sterowania sprężarką dla zapewnienia sprężonego gazu przy docelowym ciśnieniu po stronie tłocznej i zapobiegania nadmiernemu zużyciu mocy przez silnik, przy czym sprężarka jest napędzana przez silnik o zmiennej prędkości, który ma uzwojenia silnika, w którym; temperatura wlotowa gazu, wyjściowe ciśnienie gazu po stronie tłocznej, prędkość silnika i temperatura uzwojenia silnika są stale mierzone podczas pracy sprężarki; temperatura wlotowa gazu jest wykorzystywana do określenia określonego z góry ograniczenia maksymalnej temperatury uzwojenia silnika; maksymalna temperatura uzwojenia silnika jest wykorzystywana do ustawienia ograniczenia maksymalnej prędkości silnika; i maksymalna prędkość silnika, ciśnienia docelowe oraz cisnienie wyjściowe gazu po stronie tłocznej są wykorzystywane do sterowania aktualną prędkością silnika poniżej ograniczenia maksymalnej prędkości silnika. [0012] Korzystny przykład realizacji przedmiotowego wynalazku zostanie teraz opisany, jedynie jako przykład, w odniesieniu do figur rysunku, na którym: Fig. 1 jest schematycznym przedstawieniem podwójnej pętli PID wykorzystywanej przez jednostkę sterującą według przedmiotowego wynalazku do sterowania działaniem sprężarki; Fig. 2 jest wykresem przedstawiającym temperaturę uzwojenia silnika/moc dla różnych temperatur powietrza wlotowego; i Fig. 3 jest wykresem przedstawiającym temperaturę uzwojenia silnika/temperaturę powietrza wlotowego. [0013] W przedmiotowym wynalazku sprężarka dynamiczna, taka jak sprężarka odśrodkowa, jest napędzana przez silnik o zmiennej prędkości i jej działanie jest sterowane przez jednostkę sterującą. Aby umożliwić wstępne ustawienie pewnych parametrów zapewniony jest interfejs między człowiekiem a maszyną (HMI, ang. human - machine interface). [0014] Zadaniem sprężarki jest dostarczanie powietrza (lub innego gazu) przy danym ciśnieniu po stronie tłocznej P d z szybkością, która odpowiada zapotrzebowaniu na powietrze. Aby to osiągnąć, prędkość sprężarki, a tym samym jej przepływ wyjściowy, są zmienne. Dla ochrony sprężarki są ustawione pewne maksymalne ograniczenia temperatury uzwojenia, mocy i prędkości silnika napędzającego. Maksymalna prędkość V mmax jest to taka prędkość, która utrzymuje sprężarkę działającą w jej wstępnie ustawionych
- 3 - ograniczeniach, a minimalna prędkość V mmin jest stosowana, gdy sprężarka osiąga punkt niestatecznej pracy i sprężarka jest odciążona dla zmniejszenia ciśnienia po stronie tłoczenia P d. Należy zaznaczyć, że wartości te są podane jako roboczy przykład dla jednej określonej kombinacji sprężarki i silnika. Oczywiście będą się one zmieniały ze sprężarki na sprężarkę i z silnika na silnik. [0015] W przedmiotowym wynalazku jednostka sterująca jest zaprogramowana do stosowania podwójnej pętli proporcjonalno-całkująco-różniczkującej (PID), jak pokazano na Fig. 1, przy czym poszczególne pętle są opisane poniżej. Kontrola ciśnienia [0016] W pierwszej pętli PID stosuje się mierzone ciśnienie po stronie tłocznej P d jako zmienną wejściową sterowania i prędkość silnika V m jako jej zmienną wyjściową sterowania. Taka pętla PID jest reprezentowana przez dolną część Fig. 1. Człony P i I (człon D nie jest tu potrzebny) są ustawiane przez interfejs HMI, a mierzone ciśnienie po stronie tłocznej P d jest wielkością regulowaną, która jest porównywana z docelowym (żądanym) ciśnieniem P t (również ustawianym przez interfejs HMI). Jeżeli ciśnienie po stronie tłocznej P d przekracza docelowe ciśnienie P t, prędkość silnika V m jest zmniejszana zgodnie z równaniem PID. Jeżeli ciśnienie po stronie tłocznej P d spada poniżej docelowego ciśnienia P t, prędkość silnika V m jest zwiększana aż do maksymalnej prędkości silnika V mmax. Kontrola maksymalnej prędkości [0017] Mierzona temperatura uzwojenia silnika T mw jest używana jako zmienna wejściowa sterowania (wielkość regulowana) w drugiej pętli PID do regulacji ograniczenia maksymalnej prędkości V mmax silnika (zmienna wyjściowa sterowania) i w ten sposób do utrzymywania temperatury uzwojenia silnika T mw we wstępnie ustawionych granicach. Ta druga pętla jest reprezentowana przez górną część Fig. 1. Człony P, I i D również są ustawiane przez interfejs HMI, a mierzona temperatura uzwojenia silnika T mw jest wielkością regulowaną, która jest porównywana z maksymalną temperaturą uzwojenia silnika T mwmax. Pozwala to maksymalnej możliwej prędkości silnika V mmax utrzymywać żądane ciśnienie po stronie tłocznej P d. Kontrola maksymalnej mocy [0018] Jak stwierdzono wcześniej, moc silnika W m wymagana dla zaspokojenia konkretnego zapotrzebowania zależy od temperatury wlotowej powietrza T in. Jako że maksymalna temperatura uzwojenia silnika T mwmax jest także funkcją temperatury wlotowej powietrza T in, moc silnika W m może być sterowana z użyciem temperatury uzwojenia silnika T mw. [0019] W przedmiotowym wynalazku maksymalną temperaturę uzwojenia silnika T mwmax dla dowolnej temperatury wlotowej T in wyprowadza się z jednostki dowodu koncepcji (POC, ang. proof of concept), przy czym została ona wykorzystana do wykreślenia wykresu przedstawionego na Fig. 2 z wykorzystaniem pomiarów stanów ustalonych przy różnych warunkach ciśnień i temperatury. Wykres ten pokazuje, że dla danej temperatury wlotowej powietrza T in występuje liniowa zależność między mocą silnika W m i temperaturą uzwojenia silnika T mw. Ponadto wymagana moc W m zmniejsza się liniowo z
- 4 - temperaturą wlotową powietrza T in. [0020] Występują także dwa stałe ograniczenia przedstawione na Fig. 2. Są one określone przez fizyczną konstrukcję urządzenia i są to konstrukcyjna maksymalna temperatura uzwojenia silnika T mwdes i konstrukcyjna maksymalna moc silnika W mdes. [0021] Wykres przedstawiony na Fig. 2 został wykorzystany do narysowania krzywej przedstawionej na Fig. 3, która powstała przez wykreślenie mt w funkcji T in przy maksymalnej konstrukcyjnej mocy W mdes. Przy temperaturach wlotowych powyżej przecięcia maksymalnej konstrukcyjnej temperatury i mocy, maksymalna temperatura mt jest ograniczona przez maks. konstrukcyjną temperaturę T mwdes, a temperatura wlotowa T in nie ma wpływu. Dlatego wartość maksymalnej temperatury uzwojenia T mwmax może być obliczona dla T in poniżej K t z poniższego równania: T mwmax = m.t in + c gdzie m jest nachyleniem krzywej i jest zależne od temperatury wlotowej powietrza T in, a c jest stałą zależną od przecięcia maks. konstrukcyjnej temperatury i temperatury wlotowej K t na Fig. 2. m = (T mwdes T mw0 C ) / K t = (150 130)/13 = 1.548 (w tym przykładzie) c = T mw0 C = 130 (w tym przykładzie) [0022] Na Fig.3 można zauważyć, że dla utrzymania się we wstępnie ustawionych ograniczeniach parametrem ograniczającym powyżej K t (13 C) jest temperatura uzwojenia T mw, podczas gdy poniżej K t (13 C) parametrem ograniczającym jest moc W m. Jednak przy prawie liniowej naturze krzywych i danej temperaturze przecięcia T mw /W m K t (13 C) można zauważyć, że maksymalna temperatura uzwojenia silnika T mwmax przy niskich temperaturach może być zmniejszana proporcjonalnie do temperatury wlotowej powietrza T in, przy utrzymywaniu absolutnego maksimum przy innych temperaturach. Dlatego: Jeżeli T in < K t, T mwmax = m.t in + T mw0 C w przeciwnym wypadku T mwmax = T setmax [0023] Wynalazek jest zatem oparty na zasadzie, że zmniejszenie maksymalnej temperatury uzwojenia T mwmax będzie powodowało zmniejszenie maksymalnej prędkości V mmax, skutkujące zmniejszeniem aktualnej prędkości silnika V m i zatem sterowaniem aktualną temperaturą uzwojenia T mw, którego skutkiem jest sterowanie mocą W m. Stąd pętle sterowania PID są powiązane, jak pokazano na Fig. 1, dla uzyskania całkowitej kontroli nad mocą silnika W m, która umożliwia operatorowi unikanie dławienia. Pierwsza pętla steruje prędkością silnika, a więc prędkością sprężarki V m, aż do maksymalnego ograniczenia prędkości V max, obliczonego przez pętlę drugą. Mierzona temperatura uzwojenia silnika T MW jest podawana do drugiej pętli, która porównuje ją z maksymalną temperaturą uzwojenia silnika T mwmax obliczoną w oparciu o mierzoną temperaturę wlotową T in dla uzyskania maksymalnej prędkości pracy V max, która jest podawana z powrotem do pierwszej pętli.
- 5 - [0024] Sposób według przedmiotowego wynalazku jest oparty na pomiarach stanów ustalonych i nie może być zastosowany w warunkach rozbiegu. Gdyby jednak ograniczenie mocy było przede wszystkim dla kontroli temperatury uzwojenia silnika lub warunków dławienia, nie stanowiłoby to problemu. Jeżeli występuje inne ograniczenie ze względu na przyspieszenie, nie objęte ograniczeniem prądowym przemiennika częstotliwości VFD (ang. variable frequency drive), wówczas mogłaby być potrzebna regulacja czasu narastania w przemienniku częstotliwości. Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób sterowania sprężarką, dla zapewnienia sprężonego gazu przy docelowym ciśnieniu po stronie tłocznej i zapobiegania nadmiernemu zużyciu mocy przez silnik, przy czym sprężarka jest napędzana przez silnik o zmiennej prędkości, który ma uzwojenia silnika, w którym; temperatura wlotowa gazu, wyjściowe ciśnienie gazu po stronie tłocznej i prędkość silnika są stale mierzone podczas pracy sprężarki; znamienny tym, że temperatura uzwojenia silnika jest również stale mierzona podczas pracy sprężarki; i tym, że temperatura wlotowa gazu jest wykorzystywana do określenia określonego z góry ograniczenia maksymalnej temperatury uzwojenia silnika; maksymalna temperatura uzwojenia silnika jest wykorzystywana do ustawienia ograniczenia maksymalnej prędkości silnika; i tym, że maksymalna prędkość silnika, ciśnienia docelowe i wyjściowe gazu po stronie tłocznej, są wykorzystywane do sterowania bieżącą prędkością silnika poniżej ograniczenia maksymalnej prędkości silnika. 2. Sposób według zastrz. 1, w którym podwójna pętla PID jest stosowana do określenia ograniczenia maksymalnej prędkości silnika. 3. Sposób według zastrz. 2, w którym wyjściowe ciśnienie gazu po stronie tłocznej jest podawane jako zmienna wejściowa sterowania do pierwszej pętli podwójnej pętli PID, której wyjściową zmienną sterowania jest prędkość silnika. 4. Sposób według któregokolwiek z zastrz. 2 i 3, w którym mierzona temperatura uzwojenia silnika jest podawana jako zmienna wejściowa sterowania do drugiej pętli podwójnej pętli PID, której wyjściową zmienną sterowania jest maksymalna prędkość silnika.
- 6 -
- 7 -
- 8 -
- 9 - ODNOŚNIKI CYTOWANE W OPISIE Cytowaną przez zgłaszającego listę odnośników zamieszczono jedynie dla wygody czytającego. Nie stanowi ona części dokumentu Patentu Europejskiego. Nawet przy dużej staranności w zestawieniu listy odnośników, nie można wykluczyć błędów i pominięć i EPO zrzeka się odpowiedzialności w tym względzie. Dokumenty patentowe cytowane w opisie US 5284026 A [0007] EP 1555438 A [0009] US 4405290 A [0008]