БЛОК УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ КОМПРЕССОРА

Настоящая полезная модель относится к блоку управления для компрессора, в частности, для VSD-электродвигателя (электродвигателя с переменной скоростью вращения), обеспечивающего привод рабочего элемента компрессора.
Блоки управления обычно используют в компрессоре для управления рабочими характеристиками VSD-электродвигателя.
Обычно такой компрессор снабжен основным блоком управления, принимающим входной сигнал от пользователя, соответствующий требованиям, предъявляемым к сжатому газу на выходе компрессора, и другим блоком управления, обычно связанным с основным блоком управления и регулирующим рабочие характеристики электродвигателя для получения требуемых параметров сжатого газа.
Если компрессор дополнительно содержит другие компоненты, такие как охладитель или осушитель и т.п., каждый из используемых компонент обычно будет снабжен отдельным блоком управления, предпочтительно связанным с основным блоком управления.
В результате компрессоры могут стать сложными системами, в состав которых входит множество блоков управления со всеми необходимыми линиями связи, кабелями и коннекторами, потенциально необходимыми трубопроводами и соединительной арматурой для трубопроводов.
Сложность системы увеличивается в случае использования компрессоров, содержащих рабочие элементы (более чем один рабочий элемент), соединенные последовательно или параллельно, при этом каждый рабочий элемент компрессора может быть снабжен своим собственным электродвигателем.
Другой недостаток существующих компрессоров заключается в сложности эксплуатации и обслуживания, поскольку, если один из блоков управления будет обнаруживать неисправность, вся система будет приведена в состояние вынужденной остановки, и оператор, осуществляющий обслуживание, должен будет проверять все имеющиеся блоки управления и их кабельные соединения до тех пор, пока не обнаружит неисправный компонент. Это может означать, что такой компрессор не будет функционировать в течение длительного периода времени, что обуславливает дополнительные затраты для пользователя такой системы, причем не только из-за процедур обслуживания, но также вследствие того, что компрессор в течение длительного периода времени не работает, что может привести систему пользователя в состояние остановки.
Принимая во внимание отмеченные выше недостатки, задача настоящей полезной модели заключается в обеспечении намного более простого блока управления, способного управлять одновременно несколькими электродвигателями.
Другая задача полезной модели заключается в обеспечении блока управления, для которого требуется намного более легкое и быстрое обслуживание.
Ещё одна задача полезной модели состоит в обеспечении значительно более компактного решения, требующего меньшего количества внешних линий связи, таких как кабели и коннекторы, что уменьшает возможность появления ошибок в измерениях и уменьшает стоимость изготовления.
Другая задача настоящей полезной модели заключается в повышении энергетической эффективности такого компрессора, сохраняя в то же время эффективность охлаждения.
Настоящая полезная модель решает по меньшей мере одну из отмеченных выше и/или других задач посредством обеспечения блока управления для компрессора, включающего в себя рабочий элемент компрессора с VSD-электродвигателем, предназначенным для приведения в действие рабочего элемента, и охлаждающий вентилятор с VSD-электродвигателем, предназначенным для привода охлаждающего вентилятора. Блок управления содержит корпус блока управления, в котором размещены следующие компоненты: выпрямитель, звено постоянного тока с шиной постоянного тока и первый и второй инвертеры, оба соединенные с указанной шиной постоянного тока, при этом первый инвертер выполнен с возможностью управления указанным VSD-электродвигателем, предназначенным для приведения в действие рабочего элемента компрессора, а второй инвертер выполнен с возможностью управления указанным VSD-электродвигателем, предназначенным для привода вентилятора.
Поскольку в корпусе блока управления размещены два инвертера, такой блок управления будет выполнять функции по меньшей мере двух блоков управления, по сравнению с блоками управления известного компрессора.
Предложенный блок управления намного легче для изготовления, представляет собой намного более компактное решение, и его значительно легче включить в состав компрессора. Кроме того, требуется меньшее число каналов связи, таких как кабели и коннекторы.
Поскольку блок управления содержит необходимые компоненты, размещенные внутри одного и того же корпуса, вероятность ошибок при обмене данными между такими компонентами минимизирована, если не исключена совсем. Кроме того, намного легче техническое обслуживание компрессора, и уменьшается количества часов, в течение которых компрессор не функционирует.
Поскольку все элементы блока управления размещены в его корпусе, такой блок управления будет защищен от потенциально опасных воздействий окружающей среды, от потенциально высокой влажности и твердых частиц в атмосфере, а также от значительных изменений температуры.
При использовании указанного размещения компонентов блока управления в соответствии с настоящей полезной моделью электродвигатель, приводящий в действие вентилятор, фактически будет функционировать путем изменения скорости вращения, а не по принципу «включено-выключено», как это имеет место в существующих компрессорах. Благодаря этому энергетическая эффективность компрессора сохраняется высокой, и срок службы электродвигателя увеличивается.
В контексте настоящей полезной модели следует понимать, что преимущества, отмеченные выше в отношении контроллера, присущи также компрессору.
С целью лучшей иллюстрации характерных особенностей полезной модели некоторые предпочтительные варианты компоновки и комплектации, соответствующие настоящей полезной модели, описаны ниже с помощью примера, никаким образом не ограничивающего полезную модель, со ссылками на сопровождающие чертежи.
Фиг. 1 - схематическое изображение компрессора в соответствии с одним воплощением настоящей полезной модели.
Фиг. 2 - схематическое изображение блока регулирования в соответствии с воплощением настоящей полезной модели.
Фиг. 3 - схематическое изображение вакуумного насоса.
На фиг. 1 показан компрессор 1, содержащий рабочий элемент 2, с входным трубопроводом 3 для газа, через который всасывается окружающий воздух или газ, поступающий от внешнего источника (не показан), и с выходным трубопроводом 4 для сжатого газа, через который сжатый газ направляется в сеть 5 потребителей.
Рабочий элемент 2 компрессора приводится в действие первым VSD-электродвигателем 6 с переменной скоростью вращения. Кроме того, компрессор снабжен блоком 7 управления, способным управлять работой электродвигателя 6 с переменной скорость вращения. Предпочтительно такой компрессор дополнительно содержит послеохладитель 8, снабженный вентилятором 9, при этом указанный вентилятор 9 приводится в действие с помощью второго VSD-электродвигателя 10. Блок 7 управления выполнен с возможностью управления упомянутым вторым VSD-электродвигателем 10. В контексте настоящей полезной модели компрессор 1 следует понимать как полностью укомплектованную компрессорную установку, содержащую рабочий элемент 2 компрессора, все традиционные соединительные трубопроводы и клапаны, послеохладитель 8, корпус компрессора 1 и, во многих случаях, первый VSD-электродвигатель 6 и второй VSD-электродвигатель 10.
В случае настоящей полезной модели рабочий элемент 2 компрессора следует понимать как элемент компрессора, размещенный в корпусе, в котором происходит сжатие с помощью ротора или посредством возвратно-поступательного движения. В случае настоящей полезной модели упомянутый элемент 2 компрессора может быть любым элементом из группы элементов, включающей: винт, зубец, шестеренку, спираль, вращающуюся лопасть, крыльчатку (центробежного компрессора), поршень и т.д.
Управление электродвигателем с переменной скорость вращения следует понимать как осуществляемое следующим образом. Блок 7 управления генерирует сигнал, который поступает через проводное или беспроводное соединение к локальному блоку управления такого электродвигателя с переменной скорость вращения, при этом указанный сигнал приводит к изменению скорости вращения указанного электродвигателя с переменной скорость вращения при его увеличении или уменьшении. Другая возможность регулирования заключается в том, что указанный сигнал генерируется блоком 7 управления для непосредственного изменения скорости вращения указанного электродвигателя с переменной скорость вращения с использованием проводного или беспроводного соединения.
В случае проводного соединения такое соединение обычно включает провод с двумя коннекторами на каждом конце. Если используется беспроводное соединение, каждый из компонентов - блок 7 управления и электродвигатель с переменной скорость вращения - предпочтительно содержит беспроводной приемопередатчик, способный передавать и принимать беспроводной сигнал.
В одном воплощении в соответствии с настоящей полезной моделью блок 7 управления принимает данные относительно требований к сжатому газу с помощью графического интерфейса пользователя (не показан), являющегося частью упомянутого блока 7 управления, или посредством основного блока управления (не показан), который является частью указанного компрессора 1 и сообщается с упомянутым блоком управления 7.
Как показано на фиг. 2, блок управления 7 содержит выпрямитель 11, подключенный к линии 12 магистральной электросети, проходящей от территории предприятия пользователя, который принимает переменный ток (АС) из указанной линии электросети и преобразует переменный ток в постоянный ток (DC).
Звено постоянного тока (DC) с шиной DC обеспечивает соединение двух инвертеров с двумя электродвигателями с переменной скорость вращения, при этом первый инвертер 13 соединен с первым электродвигателем 6 с переменной скорость вращения, а второй инвертер 14 соединен со вторым электродвигателем 10 с переменной скорость вращения. Указанная шина DC является общей шиной для двух упомянутых инвертеров. Первый и второй инвертеры, 13 и 14, предпочтительно преобразуют ток DC в ток АС и будут также регулировать частоту и напряжение сигнала, поступающего на первый электродвигатель 6 с переменной скорость вращения и второй электродвигатель 10 с переменной скорость вращения. За счет управления частотой и напряжением скорость вращения двух упомянутых электродвигателей с переменной скорость вращения можно изменять таким образом, чтобы удовлетворить потребность сети потребителя.
В предпочтительном воплощении в соответствии с настоящей полезной моделью каждый из указанных инверторов, первый и второй инвертеры, 13 и 14, содержит по меньшей мере один IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором), который соединен с указанной шиной DC.
Для более плавного регулирования блок 7 управления, кроме того, содержит конденсатор 15 звена DC, включенный между выпрямителем 11 и первым и вторым инвертерами, 13 и 14, при этом указанный конденсатор 15 сглаживает форму электрической волны так, что первый и второй инвертеры, 13 и 14, будут принимать сигнал гладкой формы.
В другом воплощении, соответствующем полезной модели, блок 7 управления может дополнительно содержать отдельный охлаждающий вентилятор 26 для охлаждения силовой электроники указанного блока 7 управления.
За счет использования такого отдельного охлаждающего вентилятора 26 блок 7 управления будет защищен от перегрева, и компрессор 1 не будет принудительно выключен из-за повышенной температуры в зоне размещения указанного блока 7 управления.
Согласно другому воплощению в соответствии с настоящей полезной моделью блок 7 управления дополнительно содержит первый датчик 17 тока для измерения электрического тока, протекающего через обмотку первого VSD-электродвигателя 6, приводящего в действие элемент 2 компрессора.
Указанный первый датчик 17 тока представляет собой датчик тока любого типа, например: токоизмерительные клещи, интегральная схема ИС с датчиком Холла, резистор, волоконно-оптический датчик тока, пояс Роговского (приведенные примеры выполнения датчика не являются ограничивающими).
Предпочтительно в качестве первого датчика 17 тока выбирают токоизмерительные клещи, при этом указанные токоизмерительные клещи замыкают по меньшей мере вокруг двух фаз первого электродвигателя 6 с переменной скорость вращения и второго электродвигателя 10 с переменной скорость вращения, соответственно. Кроме того, возможно, чтобы токоизмерительные клещи были сомкнуты вокруг трех фаз упомянутых первого электродвигателя 6 с переменной скорость вращения и второго электродвигателя 10 с переменной скорость вращения, соответственно.
Такой первый датчик 17 тока измеряет ток, протекающий через обмотки первого электродвигателя 6 с переменной скорость вращения и второго электродвигателя 10 с переменной скорость вращения, соответственно, и направляет измеренные величины в блок 19 обработки данных, составляющий часть блока 7 управления.
Блок 19 обработки данных предпочтительно сравнивает полученные результаты измерений с предварительно заданной предельной величиной тока, и в случае измеренного тока, равного или большего предварительно заданной предельной величины, блок управления будет останавливать компрессор 1, защищая тем самым первый электродвигатель 6 с переменной скорость вращения и второй электродвигатель 10 с переменной скорость вращения от тока перегрузки.
Кроме того, можно сравнивать измеренный ток с первой предварительно заданной предельной величиной тока и, если измеренный ток равен или превышает указанную первую предварительно заданную предельную величину тока, но меньше второй предварительно заданной предельной величины тока, блок 7 управления генерирует сигнал тревоги, поступающий на графический интерфейс пользователя. Однако если измеренный ток равен или превышает указанную вторую предварительно заданную предельную величину тока, блок 7 управления останавливает компрессор 1.
Помимо этого, измеренный ток сравнивают также с минимальной заданной граничной величиной тока, и если измеренный ток равен или меньше такой минимальной предварительно заданной граничной величины тока, блок 7 управления останавливает компрессор 1.
Кроме того, не следует исключать, что блок 7 управления может сравнивать измеренный ток с более высокими предварительно заданными предельными величинами и передавать на графический интерфейс пользователя различные сообщения, или может сравнивать с меньшими предварительно заданными предельными величинами, и, возможно, предпримет незамедлительные действия и остановит компрессор 1.
В контексте настоящей полезной модели следует понимать, что предварительно заданная предельная величина тока, первая предельная величина тока, вторая предельная величина тока и минимальная предварительно заданная граничная величина тока могут иметь одинаковые величины для измерений в отношении первого VSD-электродвигателя 6, а также второго VSD-электродвигателя 10, или эти величины могут отличаться друг от друга.
Предпочтительно эти величины выбирают в соответствии с номинальными рабочими параметрами для каждого из первого VSD-электродвигателя 6 и второго VSD-электродвигателя 10.
В соответствии с ещё одним воплощением настоящей полезной модели блок 7 управления дополнительно содержит второй датчик 18 тока для измерения электрического тока, протекающего через обмотку второго VSD-электродвигателя 10, приводящего в действие вентилятор 9.
Указанным вторым датчиком 18 тока предпочтительно является модуль, определяющий электрический ток, протекающий через второй VSD-электродвигатель 10, с применением метода, использующего связь напряжения с частотой вращения. Соответственно, измеряют напряжение, находят частоту вращения второго VSD-электродвигателя 10 и затем определяют электрический ток. Не следует, однако, исключать, что второй датчик 18 тока может быть такого же типа, что и первый датчик 17 тока. Опыты показали, что за счет использования первого датчика 17 тока и второго датчика 18 тока блок 7 управления в соответствии с настоящей полезной моделью обеспечивает электрическую защиту от тока перегрузки с много большей безопасностью и надежностью по сравнению с существующими блоками управления, обычно имеющими механическую защиту для тока.
В другом воплощении, соответствующем настоящей полезной модели, блок управления дополнительно содержит датчик 20 напряжения для измерения величины напряжения на первом электродвигателе 6 с переменной скорость вращения, приводящем рабочий элемент 2 компрессора и/или на втором электродвигателе 10 с переменной скорость вращения, приводящем в действие вентилятор 9.
Предпочтительно, но не в качестве ограничения, датчик 20 напряжения установлен на шине DC, между выпрямителем 11 и конденсатором 15, измеряя напряжение как на первом VSD-электродвигателе 6, так на втором VSD-электродвигателе 10.
Блок 19 обработки данных в составе блока 7 управления предпочтительно сравнивает измеренное напряжение с предварительно заданным предельным напряжением, и если измеренная величина напряжения равна или больше предварительно заданной предельной величины напряжения, блок 7 управления будет останавливать компрессор 1.
Кроме того, блок 19 обработки данных может сравнивать измеренное напряжение с предварительно заданной граничной минимальной величиной напряжения и, если измеренная величина напряжения будет равна или меньше, чем предварительно заданная величина минимального напряжения, блок 7 управления будет останавливать компрессор 1.
Кроме того, не следует исключать, что блок обработки данных может сравнивать измеренное напряжение с другими предварительно заданными предельными величинами напряжения и в зависимости от этих предельных величин может подавать сигнал тревоги на графический интерфейс пользователя или останавливать компрессор 1.
В другом воплощении в соответствии с настоящей полезной моделью блок 7 управления дополнительно содержит модуль передачи данных (не показан), обеспечивающий установление линии (канала) связи с внешним устройством (не показано). Линию связи следует понимать как соединение между двумя точками подключения, обеспечивающее прохождение через это соединение сигнала.
Такая связь реализуется посредством проводного или беспроводного канала передачи сигнала.
Внешнее устройство следует понимать как устройство любого типа, способное принимать и передавать сигнал через такую линию связи, например, выбранное из группы, включающей: персональный компьютер, портативный компьютер, телефонный аппарат, планшетный ПК, удаленный сервер или любое другое устройство. Блок 7 управления, помимо этого, может быть выполнен с возможностью получения через такую линию связи данных инициализации.
Соответственно, пользователь компрессора 1 в соответствии с настоящей полезной моделью может подключить блок 7 управления дистанционно и направлять данные, такие как, например, но не в качестве ограничения: заданная предельная величина тока, первая предельная величина тока и вторая предельная величина тока, минимальная заданная граничная величина тока, максимальное и минимальное напряжение, заданная предельная величина напряжения, заданная минимальная граничная величина напряжения и, возможно, дополнительные предельные величины тока и напряжения.
Кроме того, блок управления может принимать информацию, касающуюся максимальной и минимальной скорости вращения первого VSD-электродвигателя 6 и второго VSD-электродвигателя 10.
В другом воплощении, соответствующем настоящей полезной модели, компрессор 1 может дополнительно содержать сушильное устройство 21, при этом указанное сушильное устройство обычно содержит третий электродвигатель (не показан) и четвертый электродвигатель для привода вентилятора.
Третий электродвигатель и четвертый электродвигатель предпочтительно подключены каждый к блоку управления посредством твердотельного (полупроводникового) реле SSR 22 и 23. Каждое реле SSR соединено с каждым из третьего и четвертого электродвигателей с помощью трехфазного соединения. При этом упомянутые третий и четвертый электродвигатели управляются с помощью блока 7 управления по принципу «включено-выключено».
По сравнению с известными блоками управления такое решение обладает преимуществом, которое заключается в том, что блок 7 управления в соответствии с настоящей полезной моделью придает компрессору 1 большую надежность и долговечность, и оперативное техническое обслуживание может быть осуществлено через более длительные интервалы времени.
В другом воплощении в соответствии с настоящей полезной моделью блок 7 управления содержит линию связи, ведущую к датчику 24 температуры, при этом указанный датчик 24 температуры находится на первом VSD-электродвигателе или вблизи первого VSD-электродвигателя 6. Датчик температуры направляет сигнал, соответствующий измеренной температуре, в блок обработки данных, где он сравнивается с минимальной пороговой величиной и максимальной пороговой величиной.
Если измеренная величина равна или ниже минимальной пороговой величины, блок 7 управления может остановить компрессор 1, или указанный блок 7 управления может прервать связь с электрической сетью 5 пользователя и поддерживать первый VSD-электродвигатель 6 функционирующим до тех пор, пока измеренная температура, по меньшей мере, не будет равна указанной минимальной пороговой величине, что соответствует моменту времени восстановления блоком 7 управления соединения с сетью 5 пользователя.
В том случае, если измеренная температура равна или превышает максимальную пороговую величину температуры, блок управления может остановить компрессор 1.
Такие меры предотвращают функционирование первого VSD-электродвигателя 6 с высокой нагрузкой, хотя он и находится при очень низкой температуре, и, помимо того, защищают электродвигатель от перегрева.
Кроме того, следует понимать, что могут быть также использованы дополнительные пороговые значения температуры, которые выбирают между минимальной пороговой величиной и максимальной пороговой величиной. При достижении таких пороговых величин температуры блок 7 управления может увеличить или уменьшить скорость вращения VSD-электродвигателя 6, например, для регулирования температуры.
Согласно другому воплощению в соответствии с настоящей полезной моделью блок 7 управления дополнительно содержит внутренний источник 25 электрической энергии. Указанный внутренний источник 25 электрической энергии, получающий энергию посредством шины DC и обеспечивающий подвод энергии к первому VSD-электродвигателю 6 и второму VSD-электродвигателю 10, может, кроме того, снабжать электрической энергией основной блок управления, и возможно другие компоненты в составе компрессора 1, такие как клапаны и т.д. Если блок 7 управления содержит большое количество печатных плат (PCB), как показано в примере на фиг. 2, источник 25 электрической энергии может обеспечивать необходимую энергию для каждой из PCB посредством внутренних источников энергии 25а и 25b. Не следует исключать, что могут быть использованы также другие датчики температуры, такие, например, как (но не в качестве ограничения): датчик температуры для каждого из биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), датчик температуры для внутреннего источника 25 электрической энергии, датчик температуры для печатной платы блока 7 управления и даже датчик температуры окружающей среды и т.д.
Если измеряется температура биполярных транзисторов IGBT, при достижении температуры предварительно заданной предельной величины блок 7 управления незамедлительно может увеличить или уменьшить скорость вращения первого VSD-электродвигателя 6 и/или второго VSD-электродвигателя 10. В качестве альтернативы или с совмещением можно увеличить или уменьшить скорость вращения или крутящий момент первого VSD-электродвигателя 6 и/или второго VSD-электродвигателя 10, или можно остановить первый VSD-электродвигатель 6 и/или второй VSD-электродвигатель 10.
Если используется датчик температуры окружающей среды, и если измеренная температура окружающей среды достигает предварительно заданной пороговой величины, блок 7 управления может уменьшить скорость вращения первого VSD-электродвигателя 6 для того, чтобы обеспечить его защиту от перегрева, или может увеличить скорость вращения для поддерживания минимальной температуры в компрессоре 1. Кроме того, блок 7 управления может быть снабжен датчиком влажности окружающей среды. Измеренная влажность окружающей среды может быть использована, чтобы избежать образования конденсата в одном или более компонентах из числа следующих: первый VSD-электродвигатель 6, второй VSD-электродвигатель 10 и блок 7 управления. Соответственно, если измеренная влажность окружающей среды превышает предельную величину влажности, блок 7 управления может поддерживать функционирование первого VSD-электродвигателя 6 и/или второго VSD-электродвигателя 10 таким образом, чтобы их температура сохранялась относительно высокой, и конденсат не мог образоваться.
Для сохранения температуры блока 7 управления на безопасных уровнях блок 7 управления дополнительно содержит устройство для отвода тепла (не показано), первый вентилятор 16 для создания внутреннего потока воздуха внутри корпуса и второй вентилятор 27, размещенный внутри упомянутого корпуса, для охлаждения устройства для отвода тепла.
В предпочтительном воплощении в соответствии с настоящей полезной моделью, не ограничивающем полезную модель, выпрямитель 11, звено DC с шиной DC и два инвертера размещены на одной печатной плате.
При использовании такой схемы блок 7 управления в соответствии с настоящей полезной моделью будет ещё более компактным и более легким для замены в случае его повреждения.
Блок 7 управления в соответствии с настоящей полезной моделью не только реализует эффективную защиту компрессора 1, но также увеличивает срок службы компонентов, входящих в состав компрессора 1.
Для дополнительной защиты блок 7 управления, кроме того, содержит дроссель переменного тока (АС) и фильтр 26 электромагнитной совместимости (ЕМС), включенные между входным коннектором, посредством которого блок 7 управления соединен с линией 12 электросети пользователя и выпрямителем 11.
В предпочтительном варианте компрессор 1 не оборудован релейным щитом.
Благодаря этому компрессор 1 является гораздо менее сложным.
Не следует, однако, исключать того, что блок 7 управления, соответствующий настоящей полезной модели, может быть также использован в вакуумным насосе 101, как показано на фиг. 3.
Если таким блоком 7 управления снабжен вакуумный насос 101, образованная система может быть такой же, как и в случае компрессора 1. Единственное различие может заключаться в том, что во входной трубопровод 103 поступает газ из сети 105 пользователя, а выходной трубопровод 104 соединен с окружающей средой или подключен к внешней трубопроводной сети 111.
Аналогично компрессору 1, представленному на фиг. 1, вакуумный насос 101 содержит рабочий вакуумирующий элемент 102, приводимый в действие первым электродвигателем 106 с переменной скорость вращения. Вакуумный насос 101 дополнительно содержит датчик 124 температуры. Аналогичным образом вакуумный насос 101 дополнительно содержит сушилку 121 и послеохладитель 108, содержащий вентилятор 109, приводимый в действие вторым электродвигателем 110 с переменной скорость вращения.
Настоящая полезная модель никаким образом не ограничивается воплощениями, описанными выше лишь в качества примера и иллюстрируемыми на чертежах, и такой блок 7 управления может быть реализован во всех видах вариантов без выхода за пределы объема полезной модели.