專利名稱：用于調(diào)節(jié)噴油壓縮機(jī)設(shè)備的工作壓力的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于調(diào)節(jié)噴油壓縮機(jī)設(shè)備的工作壓力的裝置。
背景技術(shù)：
在同一申請人的EP0 942 173中已經(jīng)7>開了一種用于調(diào)節(jié)噴油壓縮機(jī)設(shè)備的工作壓力的裝置，所述噴油壓縮機(jī)設(shè)備設(shè)有壓縮機(jī)元件，所述壓縮機(jī)元件由馬達(dá)驅(qū)動，所述馬達(dá)受到控制模塊控制且其轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)，其中所述噴油壓縮機(jī)元件設(shè)有空氣進(jìn)入口和壓縮空氣出口，所述壓縮空氣出口與油分離器相連，所述油分離器具有用于供應(yīng)壓縮氣體的壓縮空氣管，其中所述裝置設(shè)有與上述空氣進(jìn)入口相連的受控制的進(jìn)入閥和具有排放管的排放機(jī)構(gòu)，所述排放管連接油分離器和進(jìn)入閥，并且可通過排放閥封閉。
在這種已知裝置中，壓縮機(jī)元件的進(jìn)入閥受到氣動控制。
這種氣動控制系統(tǒng)的缺陷在于存在連續(xù)的壓縮空氣損失，這對于這種控制系統(tǒng)的良好操作是必然的。
這種已知?dú)鈩涌刂葡到y(tǒng)的另 一缺陷在于壓縮機(jī)設(shè)備在卸載時的工作壓力總是高于加載時的工作壓力，由此在壓縮機(jī)設(shè)備處于卸載狀態(tài)時，工作壓力要求從發(fā)動機(jī)獲得更多的功率。
已知的氣動控制系統(tǒng)的另一缺陷在于調(diào)節(jié)壓力管和空氣室形成較大的時間常數(shù)，從而使得在壓縮機(jī)設(shè)備的輸出流突然出現(xiàn)波動時，在工作壓力上將會出現(xiàn)"過沖"或者"下沖"，因此，工作壓力分別將突然表現(xiàn)出非常高或者非常低的值。
與之相關(guān)的缺陷是在調(diào)節(jié)壓力管的尺寸發(fā)生改變時(例如由于進(jìn)行了更換或修理)，上述時間常數(shù)將具有不同的數(shù)值，這不利于調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。已知裝置的附加缺陷在于在氣動控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)壓力管中將會形成冷凝物，它在設(shè)備運(yùn)行期間會通過空氣孔排出，但是在壓縮機(jī)設(shè)備已被關(guān)閉時會留在管中且可能積聚于此。
在溫度低于零度的情況下，調(diào)節(jié)壓力管還會發(fā)生凍結(jié)，且因此阻礙氣動控制系統(tǒng)形成良好的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。
另一附加缺陷是在已知的裝置中，所需要的工作壓力是通過擰緊氣動調(diào)節(jié)閥而進(jìn)行手動設(shè)定的。而且，這種設(shè)定只能發(fā)生在壓縮機(jī)設(shè)備工作期間。
已知裝置的另一缺陷在于進(jìn)入閥通常具有活塞閥的形式，這是不利的，因?yàn)樗脑O(shè)計(jì)會造成較大的輸入損失。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在彌補(bǔ)上述和其它缺陷中的一種或幾種。
為此，本發(fā)明涉及一種用于調(diào)節(jié)噴油壓縮機(jī)設(shè)備的工作壓力的裝置，噴油壓縮機(jī)設(shè)備設(shè)有壓縮機(jī)元件，所述壓縮才幾元件受到馬達(dá)的驅(qū)動，所述馬達(dá)受到控制模塊的控制且具有可調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)速，其中所述壓縮機(jī)元件設(shè)有空氣進(jìn)入口和壓縮空氣出口 ，所述壓縮空氣出口與油分離器相連，所述油分離器具有用于供應(yīng)壓縮氣體的壓縮空氣管，其中所述裝置設(shè)有與上述空氣進(jìn)入口相連的受控制的進(jìn)入閥和具有排放管的排放機(jī)構(gòu)，所述排放管連接油分離器和進(jìn)入閥，并且可借助排放閥來封閉，其中所述裝置的特征在于上述進(jìn)入閥、排放閥以及控制模塊都是與用于調(diào)節(jié)油分離器中的工作壓力的電子控制單元相連的電控部件，其中所述工作壓力由工作壓力傳感器測量，所述工作壓力傳感器也與所述電子控制單元相連。
根據(jù)本發(fā)明的裝置的優(yōu)點(diǎn)在于壓縮機(jī)設(shè)備的效率得到極大改善，因?yàn)椴辉倬哂惺褂脷鈩涌刂葡到y(tǒng)時所具有的壓縮空氣損失。
根據(jù)本發(fā)明的裝置的另一優(yōu)點(diǎn)在于能夠在壓縮機(jī)設(shè)備加載和卸載時恒定地維持工作壓力，在卸載時要求從發(fā)動機(jī)中獲得更少的功率。
根據(jù)本發(fā)明的這種裝置的另一優(yōu)點(diǎn)在于與已知的基于壓縮空氣的調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比，時間常數(shù)要小的多，這使得裝置能夠更快地對壓縮機(jī)設(shè)備的輸出流量上的變化作出反應(yīng)，從而得到更小的"過沖"和"下
沖，，；以及在于時間常數(shù)可得到更好地控制。
根據(jù)本發(fā)明的裝置的另一附加優(yōu)點(diǎn)是氣動的調(diào)節(jié)壓力管可被省略，這使得凍結(jié)問題被限制在排放閥中。
根據(jù)本發(fā)明的裝置的另一優(yōu)點(diǎn)是可通過控制面板輕易地輸入所需要的工作壓力。
根據(jù)本發(fā)明的裝置的附加優(yōu)點(diǎn)是電子控制系統(tǒng)更適用于額外的功能，諸如通過遠(yuǎn)程控制從遠(yuǎn)處輸入所需要的工作壓力。
上述進(jìn)入閥優(yōu)選地制成蝶形閥的形式，所述蝶形閥由步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動，所述步進(jìn)馬達(dá)附帶有步進(jìn)馬達(dá)電子卡，所述電子卡優(yōu)選地具有微步進(jìn)程序。
其優(yōu)點(diǎn)在于這種蝶形閥所造成的輸入損失遠(yuǎn)小于用在傳統(tǒng)氣動控制系統(tǒng)中的活塞閥。蝶形閥的非線性操作特性曲線可以電子方式輕易實(shí)現(xiàn)。
在根據(jù)本發(fā)明的裝置的優(yōu)選實(shí)施例中，上述控制單元設(shè)有工作壓力控制器，所述控制器被制成PID控制器的形式，其輸出信號代表設(shè)定馬達(dá)轉(zhuǎn)速、空氣進(jìn)入口處的入口壓力和通過排放閥的排放流量的所需要的輸出流量。
因此，輸出流量是通過壓縮空氣管的空氣質(zhì)量流量，而排放流量是流過排放閥的空氣質(zhì)量流量。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選特性，該裝置還設(shè)有與上述控制單元相連的入口壓力傳感器，此控制單元設(shè)有為具有增量(reinforcement)的PID控制器的形式的入口壓力控制器，其中所述增量是進(jìn)入閥位置的函數(shù)、或者壓縮機(jī)元件的空氣進(jìn)入口處的進(jìn)入閥后面的絕對壓力與進(jìn)入閥的
輸入側(cè)上的絕對壓力之間的關(guān)系的函數(shù)。


為了更好地解釋本發(fā)明的特性，下面僅以舉例而非限制性的方式，參考附圖給出根據(jù)本發(fā)明的用于噴油壓縮機(jī)設(shè)備的控制系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)
施例，在附圖中
圖1示意性地描繪了設(shè)有根據(jù)本發(fā)明的裝置的噴油壓縮機(jī)設(shè)備；圖2描繪了根據(jù)本發(fā)明的控制系統(tǒng)的技術(shù)控制模式圖；圖3描繪了圖1中的裝置的工作圖4描繪了為根據(jù)圖1的裝置的一部分的進(jìn)入閥的工作曲線；圖5描繪了入口壓力控制器的增量曲線。
具體實(shí)施例方式
圖1示意性地描繪了一種壓縮機(jī)設(shè)備1,其在這種情況下被制成噴油螺桿壓縮機(jī)的形式，所述壓縮機(jī)設(shè)有壓縮機(jī)元件2，所述壓縮機(jī)元件2通過傳動裝置3由具有可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的馬達(dá)4驅(qū)動。
壓縮機(jī)元件2設(shè)有用于經(jīng)由空氣過濾器6引入待壓縮氣體的空氣進(jìn)入口 5和通過止回閥8在管道9中打開的壓縮空氣出口 7，所述管道9被連接到已知類型的油分離器10上。
通過壓縮空氣管11 (其通過最小壓力閥12與上述油分離器10相連)，壓縮空氣的使用者可獲取具有一定工作壓力Pw的壓縮氣體，并且例如將其送入壓縮空氣網(wǎng)絡(luò)或類似物中。
上述油分離器IO通過噴射管(未在圖1中示出)與噴射閥相連，所述噴射閥設(shè)在壓縮機(jī)元件2上，以便將與壓縮空氣分開的油噴入所述壓縮才幾元件2以對其進(jìn)4亍潤滑和冷卻。
上述馬達(dá)4在這種情況下為熱力馬達(dá)(thermal motor )， 其設(shè)有電力起動機(jī)(未在圖1中示出)和用于控制轉(zhuǎn)速的電子控制模塊13。
上述馬達(dá)4還設(shè)有冷卻風(fēng)扇14。
另外，壓縮機(jī)設(shè)備l設(shè)有根據(jù)本發(fā)明的用于調(diào)節(jié)壓縮機(jī)設(shè)備l的工作壓力Pw的裝置15，所述裝置15設(shè)有與上述空氣進(jìn)入口 5相連的電動進(jìn)入閥16和在這種情況下制成排放管18形式的排放機(jī)構(gòu)17，其中所述排放管18連接油分離器IO和進(jìn)入閥16，且可通過電控排放閥19得到密封。在這種情況下，上述進(jìn)入閥16制成由步進(jìn)馬達(dá)20驅(qū)動的蝶形閥的形式，所述步進(jìn)馬達(dá)20能夠在進(jìn)入閥16的打開位置與關(guān)閉位置之間逐漸增加地設(shè)定進(jìn)入閥16的位置。
已知步進(jìn)馬達(dá)20設(shè)有附帶的步進(jìn)馬達(dá)電子卡21，其優(yōu)選地具有微步進(jìn)程序(modus )。
上述排放閥19在這種情況下被制成電磁閥形式，其可處于關(guān)閉位置和打開位置之間的兩個位置上。
根據(jù)本發(fā)明，裝置15還包括電子控制單元22，上述用于馬達(dá)轉(zhuǎn)速的控制模塊13、上述進(jìn)入閥16和排放閥19與電子控制單元22相連以調(diào)節(jié)油分離器10中的工作壓力Pw。
另外，與控制單元22相連的還有設(shè)在上述油分離器IO上的工作壓力傳感器23、安裝在空氣進(jìn)入口 5上的入口壓力傳感器24和兩個接近開關(guān)25,圖1只示出其中一個接近開關(guān)25，且接近開關(guān)25可檢測蝶形閥的打開和關(guān)閉位置。
最后，在這種情況下，與控制單元22相連的還有控制面板26。
設(shè)有根據(jù)本發(fā)明的用于調(diào)節(jié)壓縮機(jī)設(shè)備1的工作壓力Pw的裝置15的壓縮機(jī)設(shè)備1的工作非常簡單且如下所述。
壓縮機(jī)設(shè)備l具有三種操作狀態(tài)啟動、無負(fù)載和加載/卸載。
壓縮機(jī)設(shè)備1總是在啟動程序下啟動，其中控制單元22命令步進(jìn)馬達(dá)20徹底關(guān)閉進(jìn)入閥16，且因此打開排方文閥19。
接著由上述起動馬達(dá)開動熱力馬達(dá)4，且通過控制模塊13以最小轉(zhuǎn)速驅(qū)動馬達(dá)4。
由于進(jìn)入閥16徹底關(guān)閉，空氣進(jìn)入口 5處的入口壓力Pi將會非常低，因此，馬達(dá)負(fù)載將下降，從而使得能夠容易地啟動馬達(dá)4。
只要熱力馬達(dá)4達(dá)到滿轉(zhuǎn)速，控制單元22就自動地從啟動程序切換到無負(fù)載程序。
在無負(fù)載程序下，控制單元22將工作壓力Pw的值設(shè)成低于最小壓力閥12的打開壓力，使得馬達(dá)負(fù)載受到限制，馬達(dá)4能夠通過這種方式變暖。在無負(fù)載程序下，所選擇的工作壓力Pw越低，那么燃料消耗也將越低。
然而，所選擇的工作壓力Pw必須足夠高以便能夠恒定地通過上述噴射管將足夠的油從油分離器10噴入壓縮機(jī)元件2，和因此避免壓縮機(jī)元件2的壓縮空氣出口 7處的溫度變得過高，因?yàn)檫@樣會加速壓縮才幾油的老4匕。
只要熱力馬達(dá)4已足夠暖和，則可例如經(jīng)由控制面板26將控制單元22從無負(fù)載程序切換到加載/卸載程序。
在加載/卸載程序下，控制單元22將工作壓力Pw調(diào)節(jié)成高于最小壓力閥12的打開壓力的壓力。
在該加載/卸載程序下，壓縮機(jī)設(shè)備1可供應(yīng)壓縮空氣，其中可通過控制面板26將工作壓力Pw的值設(shè)成介于最小壓力閥12的打開壓力和壓縮機(jī)設(shè)備l的標(biāo)稱工作壓力之間。
在壓縮空氣正被取出時，壓縮機(jī)設(shè)備1將自動地切換到加載程序。當(dāng)沒有壓縮空氣正被取出時，壓縮機(jī)設(shè)備1切換到卸載程序。
如果壓縮空氣的使用者想要壓縮機(jī)設(shè)備1以比卸載更為經(jīng)濟(jì)的方式工作，則他/她可以通過控制面板26始終將壓縮機(jī)設(shè)備1設(shè)定為無負(fù)載程序。
然而，如果壓縮空氣的使用者隨后又想要取出壓縮空氣，則在這種情況下他/她將必須等待略長一段時間，直到工作壓力Pw再次達(dá)到高于最小壓力閥12的打開壓力的值。
下面將借助圖2中的技術(shù)控制模式圖解釋根據(jù)本發(fā)明的裝置15在加載/卸載程序下的工作。
在此模式圖中可清楚地看到，控制單元22為此具有工作壓力控制器27和入口壓力控制器28，它們優(yōu)選制成設(shè)有分別用塊29和30表示的PID算法的PID控制器的形式。
上述工作壓力控制器27計(jì)算所需工作壓力100和由工作壓力傳感器23測出的工作壓力101之間的差值。
在無負(fù)載程序下，所需工作壓力100是控制單元22中的預(yù)設(shè)值。然而，在加載/卸載程序下，壓縮機(jī)設(shè)備的操作人員可以通過在含
有用于此目的的算法的選擇塊31中設(shè)定選擇參數(shù)而在兩種不同的壓力調(diào)節(jié)之間自行選擇(例如經(jīng)由控制面板26)。
第一種可能是能夠通過輸入塊32經(jīng)控制面板26直接設(shè)定所需要的工作壓力100。
所需要的工作壓力100則可以是任何一個介于壓縮機(jī)設(shè)備1的標(biāo)稱工作壓力和最小壓力閥12的打開壓力之間的值。
通過選擇塊31進(jìn)行設(shè)定的第二種可能是其中工作壓力Pw通過控制單元22自動地最大化的工作壓力調(diào)節(jié)。
在這種情況下，所需工作壓力100的值是壓縮機(jī)設(shè)備1的輸出流
量Qu的函數(shù)。
在這種情況下，輸出流量Qu指流過壓縮空氣管11的空氣質(zhì)量流量。
在控制單元22中，基于所需輸入流量102和由信號103所代表的
排放閥19的位置，在塊33中計(jì)算出與輸出流量Qu有關(guān)的信息。在這種情況下，輸入流量指流過壓縮機(jī)元件的空氣質(zhì)量流量。塊33確保工作壓力Pw始終低于油分離器10的設(shè)計(jì)壓力。在例如由于消耗突然下降而導(dǎo)致輸出流量Qu突然下降的情況
下，工作壓力Pw上出現(xiàn)的"過沖"與輸出流量Qu在消耗突然下降時
刻的體積成比例地增長。
根據(jù)本發(fā)明，為了補(bǔ)償這種"過沖"，考慮到之前的狀況，隨著壓
縮機(jī)設(shè)備1的輸出流量Qu變大，通過控制單元22將所需工作壓力
100設(shè)為更低的值。
接著，工作壓力控制器27將PID算法29用于工作壓力的偏差，
即所需工作壓力100與所測工作壓力Pw (對應(yīng)于信號101)之間的差值。
該算法中的積分器確保在所需工作壓力100與測出的工作壓力101之間不存在靜態(tài)偏差。
最佳的PID因子取決于環(huán)境壓力104，其可以例如通過環(huán)境壓力傳感器(未在圖中示出)測出。
根據(jù)本發(fā)明的裝置15的優(yōu)選特性，環(huán)境壓力104的測量不是由大氣傳感器完成，而是在即將啟動熱力馬達(dá)4之前由上述的入口絕對壓力傳感器24完成，因?yàn)樵趬嚎s機(jī)元件2不工作時，入口壓力Pi等于環(huán)境壓力104。
工作壓力控制器27的輸出信號以百分比的形式表示所需輸入流量102。在馬達(dá)轉(zhuǎn)速最大且進(jìn)入閥16徹底打開時，輸入流量Qi為100%。如果進(jìn)入閥16關(guān)閉且將徹底封閉空氣進(jìn)入口 ，使得將在壓縮機(jī)元件2的空氣進(jìn)入口 5處形成真空的話，輸入流量Qi將會為0M。
可以通過調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和入口壓力Pi這兩個參數(shù)使輸入流量Qi等于所需輸入流量102。
這兩個參數(shù)均與壓縮機(jī)元件2的輸入流量Qi成正比。
這由下列公式1來表示
輸入流量=Ctex壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速x入口壓力。
對壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)對應(yīng)于對熱力馬達(dá)4的轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，其中控制模塊13從控制單元22處接收到所需要的馬達(dá)轉(zhuǎn)速值，并將馬達(dá)的轉(zhuǎn)速調(diào)整成所需要的轉(zhuǎn)速。
壓縮機(jī)元件2的入口壓力Pi通過設(shè)定進(jìn)入閥16的位置來進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使得在關(guān)閉進(jìn)入閥16時，入口壓力Pi下降。
上述入口壓力控制器28計(jì)算在所需要的入口壓力105和實(shí)際入口壓力Pi之間的差值，其中實(shí)際入口壓力Pi對應(yīng)于信號106且由入口壓力傳感器24測出。
基于所需要的輸入流量102，根據(jù)下列公式2在計(jì)算塊34中算出所需要的入口壓力105:
所需要的入口壓力-MIN[Patm; MAX (Pw/壓縮機(jī)元件上的最大壓力比)；(所需要的輸入流量/最小馬達(dá)轉(zhuǎn)速)xpatm]。
然后對入口壓力Pi的偏差(即，所需要的入口壓力105與測出的入口壓力106之間的差值)應(yīng)用上述PID算法30。
入口壓力控制器28的輸出端還形成控制單元22的輸出端35，入口壓力控制器28的輸出信號107通過輸出端35送入步進(jìn)馬達(dá)20的卡21，且信號107決定步進(jìn)馬達(dá)20必須轉(zhuǎn)動的角速度，而輸出信號107的符號決定所述馬達(dá)20的旋轉(zhuǎn)方向。
為使壓縮機(jī)元件2的輸入流量Qi從100%降至0%，出于對效率的考慮，首先使熱力馬達(dá)4從其最大轉(zhuǎn)速變?yōu)樽钚∞D(zhuǎn)速，其中所述最小轉(zhuǎn)速通常約為最大轉(zhuǎn)速的70%。
根據(jù)公式1，壓縮機(jī)元件2的輸入流量Qi與馬達(dá)的轉(zhuǎn)速成比例地下降。
雖然馬達(dá)轉(zhuǎn)速正得到調(diào)節(jié)，但進(jìn)入閥16仍保持完全打開。只有在熱力馬達(dá)4以最小轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動且輸入流量Qi必須進(jìn)一步減小
時，進(jìn)入閥16才將會關(guān)閉，同時馬達(dá)4保持以最小轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。
從公式1中還能夠得知輸入流量Qi 10與壓縮機(jī)元件2的入口
壓力Pi成比例。
在控制單元22中，通過應(yīng)用公式3在計(jì)算塊36中將所需要的輸入流量102轉(zhuǎn)換成所需要的轉(zhuǎn)速，其中公式3:
所需要的馬達(dá)轉(zhuǎn)速[%] = Max (最小馬達(dá)轉(zhuǎn)速[%1;所需要的輸入流量[%1 )。
這些百分比的計(jì)算必須是分別相對于例如最大轉(zhuǎn)速、最大輸入流量進(jìn)行的。
所需要的馬達(dá)轉(zhuǎn)速值108通過控制單元22的輸出端37傳給熱力馬達(dá)4的控制模塊13。
應(yīng)注意實(shí)際上并不希望將輸入流量Qi降為0%，因?yàn)樵谶@種情況下將會在壓縮機(jī)元件2的空氣進(jìn)入口 5處形成真空，所述真空19理論上會在壓縮機(jī)元件2上提供無窮大的壓力比。
壓縮機(jī)元件2上的這種壓力比被定義為絕對工作壓力Pw與壓縮機(jī)元件2的入口絕對壓力Pi的商。
如果此壓力比過大，所述壓縮機(jī)元件2則會受到巨大振動，因而獲得較短的使用年限。
壓縮機(jī)元件2上的壓力比也必須具有上限。所允許的壓縮機(jī)元件2上的最大壓力比是一個機(jī)器常量。只要馬達(dá)4還在轉(zhuǎn)動，那么就始終有某個輸入流量Qi流過油分離器10。
如果沒有壓縮空氣被取出且因此沒有輸出流量Qu的話，上述排放機(jī)構(gòu)17確保從油分離器10再次流入空氣進(jìn)入口 5的排放流量Qb等于輸入流量Qi，以使油分離器10中的工作壓力Pw不繼續(xù)上升。
據(jù)此，所述排放流量Qb是流過排放閥19的空氣質(zhì)量流量。
在根據(jù)本發(fā)明的裝置15的優(yōu)選實(shí)施例中(所述裝置15在圖2中示出)，排放流量Qb終止于進(jìn)入閥16的輸入側(cè)，即終止于進(jìn)入閥16的與空氣過濾器6相連的那側(cè)。
由于上述排放機(jī)構(gòu)17的排放閥19只能接合在關(guān)閉位置和打開位置之間的兩個位置上，因此，排放流量Qb的調(diào)節(jié)可能是不連續(xù)的。
控制單元22優(yōu)選設(shè)有存儲器(未在圖中示出)，用于其中存入排放閥19的實(shí)際位置。
在圖3中描繪了所述不連續(xù)排氣調(diào)節(jié)的原理，其中實(shí)線代表輸入流量Qi，水平軸代表輸出流量Qu，且輸入流量Qi為輸出流量Qu的函數(shù)。
在該圖中，還用點(diǎn)劃線代表排放流量Qb，用虛線代表最小輸入流量Qi，min，且它們均是壓縮機(jī)元件2的輸出流量Qu的函數(shù)。
此圖對應(yīng)于穩(wěn)定狀態(tài)。應(yīng)注意最小輸入流量Qi，min和排放流量Qb并不是固定值，而是極度依賴于多種因素，諸如壓縮機(jī)設(shè)備1的類型、工作壓力Pw等。
在穩(wěn)定狀態(tài)下，使用公式4:
輸入流量Qi =輸出流量Qu +排放流量Qb。
在最大輸入流量100%的情況下，排放閥19關(guān)閉且因此不存在排放流量Qb，因此根據(jù)公式4可知，輸入流量Qi與壓縮機(jī)元件2的輸出流量Qu —樣大。
如果壓縮空氣的使用者減小輸出流量Qu，則工作壓力控制器27也將減小輸入流量Qi直至達(dá)到最小入口壓力，且由此將達(dá)到最小輸入流量Qi，min。
所述最小輸入流量Qi，min是指在最小馬達(dá)轉(zhuǎn)速和壓縮機(jī)元件2 上的最大壓力比下達(dá)到的輸入流量Qi。 此刻，排放閥19被打開。
因此當(dāng)所需要的輸入流量Qi小于最小輸入流量Qi，min時，控制 單元將打開電磁閥或使其保持打開。
排放閥19的打開引起油分離器10中的壓力下降，工作壓力控制 器27將對此通過提高輸入流量Qi直至它等于輸出流量Qu與排放流 量Qb的總和作出反應(yīng)。
在沒有壓縮空氣被取出且因此不存在輸出流量Qu時，排放閥19 被打開。
根據(jù)公式4，輸入流量Qi在這種情況下等于排放流量Qb。 在這種情況下，當(dāng)輸出流量Qu變大由此有更多的壓縮空氣被取
出時，工作壓力控制器27也將提高輸入流量Qi,直至輸入流量Qi
等于最小輸入流量Qi，min與排放流量Qb的總和。 此刻，排》文閥19,皮關(guān)閉。
當(dāng)所需要的輸入流量102因此大于最小輸入流量Qi，min與排放流 量Qb的總和時，控制單元22將關(guān)閉所述排放閥19或者使其保持關(guān) 閉。
排放管18的關(guān)閉會引起油分離器10中的壓力上升，工作壓力控 制器27將對此作出反應(yīng)，減小輸入流量23 Qi直至它等于輸出流量 Qu。
當(dāng)所需要的輸入流量102大于最小輸入流量Qi，min且小于最小輸 入流量Qi,min與排放流量Qb之和時，排放閥19的位置將保持不變。
排放閥19的通道寬度的大小必須得到恰當(dāng)設(shè)計(jì)，以避免由于尺寸 過小而在壓縮機(jī)元件2上的壓力比最大時在測出的工作壓力Pw與所 需要的工作壓力IOO之間形成靜態(tài)偏差。
另一方面，排放閥19的通道寬度也不應(yīng)過大，因?yàn)檫^大的排放流 量Qb會對壓縮機(jī)設(shè)備1的效率不利。優(yōu)選地，排放閥19的通道寬度的尺寸被選擇成在無負(fù)載的方式下 達(dá)到壓縮機(jī)元件2上的最大壓力比。
可以基于公式5計(jì)算最佳通道寬度
"*五
其中
A二排放閥的最佳通道寬度(m2);
B-壓縮機(jī)元件的工作容積(m3/tr);這不是常量，而是受諸如壓 縮機(jī)元件的凸形轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速、工作壓力Pw、入口壓力Pi等多種因素 影響的參數(shù)；
C-凸形轉(zhuǎn)子的最小轉(zhuǎn)速(tr/s);
D =壓縮機(jī)元件2上的最大壓力比；
E-壓縮機(jī)元件2的入口處的空氣溫度(K);
F-通道寬度入口處的空氣溫度(K)。
在上述公式5中，參數(shù)B和C極度依賴于壓縮機(jī)設(shè)備1的類型， 因此對于各種壓縮機(jī)設(shè)備l而言，通道A的最佳寬度是不同的。
對于各種壓縮機(jī)設(shè)備l，使上述函數(shù)最大以由此計(jì)算排放閥19的 通道A的最佳寬度，因此在任何一種環(huán)境和機(jī)器狀態(tài)下，測出的工作 壓力Pw都不會高于所需要的工作壓力100。
這種"最壞情況"的場景實(shí)際并不常見，因此在大多數(shù)情形下，排 放閥19的通道A的寬度都被設(shè)計(jì)得過大。
排放流量Qb與最小輸入流量Qi，min之間的差值被稱作安全系 數(shù)，其在"最壞情況"的場景下等于0。
因此，排放閥19的關(guān)閉條件變成
所需要的輸入流量〉2x最小輸入流量+安全系數(shù)。
用于打開和關(guān)閉排放閥19的條件被編程到控制單元中，即被編程 到與工作壓力傳感器23和入口壓力傳感器24相連的計(jì)算塊38中，其 中所述傳感器是計(jì)算最小輸入流量Qi，min所必須的，且分別代表測出 的工作壓力101和環(huán)境壓力104。
計(jì)算塊38的輸出信號103是通過控制單元22的輸出端39打開或關(guān)閉排放閥19的信號。
另外，優(yōu)選在計(jì)算塊38之前、即在工作壓力控制器27與計(jì)算塊 38之間將低通濾波器40設(shè)置在控制單元22內(nèi)，以獲得更穩(wěn)定的控制 系統(tǒng)。
與已知的以氣動方式工作的裝置15—樣，排放閥19的通道寬度 的選擇受到限制，且并不是每個壓縮機(jī)設(shè)備1都能夠在無負(fù)載程序下 達(dá)到壓縮才幾元件2上的最大壓力比。
在卸載程序下，維持壓縮機(jī)元件2上的最大壓力比，而不管工作 壓力Pw。
例如，如果入口壓力Pi加倍，則輸入流量Qi也將加倍，工作壓
力Pw將繼續(xù)升高直至達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。
那么排放流量Qb應(yīng)與輸入流量Qi—樣大，且它也會加倍。 我們注意到當(dāng)排放流量Qb加倍時，絕對工作壓力Pw也加倍，
因此由于入口壓力Pi和工作壓力Pw均已加倍，壓縮才幾元件2上的壓
力比保持不變。
由于進(jìn)入閥16選用蝶形閥，因此與用于傳統(tǒng)氣動控制裝置的活塞 /進(jìn)入閥相比只需要有限的轉(zhuǎn)向能力，這是使電傳動器(其在這種情況 下由步進(jìn)馬達(dá)20構(gòu)成)的成本盡可能低所必需的。
使用這種蝶形閥的另一優(yōu)點(diǎn)是由于它的設(shè)計(jì)，與通常使用的氣 動控制裝置的活塞/進(jìn)入閥相比它只具有有限的輸入損失。
因?yàn)樵谶@種活塞/進(jìn)入閥中，空氣在最終到達(dá)空氣進(jìn)入口之前首先 要經(jīng)過大量轉(zhuǎn)彎，這會引起相當(dāng)大的輸入損失。
蝶形閥的另 一優(yōu)點(diǎn)在于它的緊湊性。
操作特性曲線，其通常為進(jìn)入閥16的操作特性曲線，對控制系統(tǒng) 的動態(tài)特性非常重要，且在圖4中示意性地描繪了這種操作特性。 這種操作特性曲線描繪了進(jìn)入閥的壓力比，其為進(jìn)入閥位置的函數(shù)。
在此處，進(jìn)入閥的壓力比指壓縮機(jī)元件2的空氣進(jìn)入口 5處的 進(jìn)入閥16后面的絕對壓力與進(jìn)入閥16的輸入側(cè)的絕對壓力之比。0。的進(jìn)入閥位置代表關(guān)閉的蝶形閥，90。的進(jìn)入閥位置代表完全打 開的蝶形閥。
操作特性曲線的形狀(其通常是非線性的)取決于蝶形閥的設(shè)計(jì) 和尺寸、以及壓縮才幾元件2的體積流量。
蝶形閥直徑和體積流越大，則操作特性曲線的線性度越差。
操作特性曲線示出在圖的右半邊，隨著進(jìn)入閥位置的下降，入 口壓力Pi只出現(xiàn)很少的減小。
而且在這整個區(qū)域中，進(jìn)入閥位置的改變對輸入流量Qi的影響很小。
只有在操作特性曲線的左半邊，入口壓力Pi(且因此輸入流量 Qi)才會在進(jìn)入閥位置被改變時發(fā)生顯著變化。
為了調(diào)節(jié)進(jìn)入閥的位置，在這種情況下使用上述步進(jìn)馬達(dá)20，它 的轉(zhuǎn)動被上述步進(jìn)馬達(dá)電子卡21強(qiáng)化。
j氐容量控制(low capacity control)信號。
使用這種步進(jìn)馬達(dá)20的優(yōu)點(diǎn)在于這類電動馬達(dá)能夠停頓地得到 其最大扭矩，這是必要的，因?yàn)橥ㄟ^進(jìn)入閥16的不對稱氣流會在蝶形 閥的軸上形成負(fù)載扭矩。
自然，步進(jìn)馬達(dá)20的保持扭矩必須大于負(fù)載扭矩以將蝶形閥保持 在所需要的位置上。
使用這種步進(jìn)馬達(dá)的另一個優(yōu)點(diǎn)是成本價(jià)格相對較低。
步進(jìn)馬達(dá)20的特征是步進(jìn)馬達(dá)卡21的全步進(jìn)程序下的步進(jìn)角。
在根據(jù)本發(fā)明的裝置的優(yōu)選實(shí)施例中，步進(jìn)馬達(dá)20每一周走200 步，這相當(dāng)于步進(jìn)角為1.8°。
從圖4中的操作特性曲線中可以看出在最嚴(yán)重的情形下，1.8。 對應(yīng)約15%的入口壓力差，這會造成極大的不穩(wěn)定性。
根據(jù)本發(fā)明，通過使用具有微步進(jìn)程序的上述步進(jìn)馬達(dá)電子卡21 來解決這個問題，其中全步進(jìn)程序的步進(jìn)角被細(xì)分成多個更小的微步 進(jìn)。例如，當(dāng)選擇將每個步進(jìn)角細(xì)分成8個微步進(jìn)時，則得到0.225° 的定位精度。
重新回到圖4的操作特性曲線，這看上去在最嚴(yán)重的情形下也只 對應(yīng)約2%的入口壓力差，這是可接受的。
由于進(jìn)入閥16的操作特性曲線是非線性的，因此獲得非線性的控 制系統(tǒng)。
因此當(dāng)對操作特性曲線的左半邊優(yōu)化入口壓力控制器28的增量 K時，在操作特征曲線的右邊部分，步進(jìn)馬達(dá)20的速度將不夠快，這 導(dǎo)致在進(jìn)行加載與卸載之間的切換時，工作壓力的變化變得不可接受 地大。
反之亦然，如果對操作特性曲線的右半邊優(yōu)化入口壓力控制器28 的增量K,在操作特征曲線的左邊部分，步進(jìn)馬達(dá)的反應(yīng)會過于劇烈， 從而形成不穩(wěn)定的控制系統(tǒng)。
為了解決這個問題，入口壓力控制器28設(shè)有所謂的"增益進(jìn)度 表"，其中在進(jìn)入閥16的位置發(fā)生變化時，用于提供入口壓力控制器 28的PID算法30的成比例作用的增量K也受到調(diào)節(jié)。
進(jìn)入閥位置可例如通過諸如編碼器這樣的位置記錄器來測量。
由于這種編碼器通常相對昂貴，因此本發(fā)明的優(yōu)選特性是使入口 壓力控制器28的增量K的選擇不依賴進(jìn)入閥16的位置，而是取決于 進(jìn)入閥16上的壓力比。
從靜態(tài)角度上講，如果已知操作特征曲線，則可以從進(jìn)入閥的壓 力比推出進(jìn)入閥16的位置。
然而從動態(tài)角度上看，由于蝶形閥與空氣進(jìn)入口 5之間具有相對 較小的體積且壓縮機(jī)元件2具有相對高的體積流量，因此在進(jìn)入閥16 的位置和進(jìn)入閥16上的壓力比之間只存在很小的時間常數(shù)。
由于為了檢測壓縮機(jī)元件2上的壓力比已經(jīng)有了入口壓力傳感器 24，因此不需要額外的傳感器來測量入口壓力。
實(shí)際上，進(jìn)入閥16的壓力比的范圍被分為有限個區(qū)間。
在每個區(qū)間內(nèi)，入口壓力控制器28的增量K都具有一個恒定值，對于各個單獨(dú)的區(qū)間，所述定值被計(jì)算成乘以恒定值的、操作特征曲 線在所關(guān)注的區(qū)間內(nèi)的平均增量的倒數(shù)。
這可以用/>式6來表示
定值Cte，因此被選擇成使入口壓力控制的動態(tài)性能在具有最低增 量K的入口壓力區(qū)間內(nèi)最優(yōu)。
增量K具有上限，因?yàn)榉駝t它會在0°和90°的極限閥位置附近獲 得過大的值。
圖5描繪了"增益進(jìn)度表"的實(shí)例，其中增量K作為橫坐標(biāo)上的進(jìn)
標(biāo)上描繪。 、、 "《 ^
因此，借助"增益進(jìn)度表，，能夠獲得具有更好動態(tài)品質(zhì)的更線性的 控制系統(tǒng)。
為使根據(jù)本發(fā)明的用于調(diào)節(jié)噴油壓縮機(jī)設(shè)備1的工作壓力Pw的 裝置15具有良好的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，重要的是進(jìn)入閥16的位置始終要大于 0°且小于90°。
這可以例如通過提供兩個機(jī)械止擋件來實(shí)現(xiàn)，所述機(jī)械止擋件在 閥體緊接極限位置時將其擋住。
然而，使用這種機(jī)械止擋件會引發(fā)嚴(yán)重的撞擊，這對部件壽命不利。
另 一種可行方式是利用檢測進(jìn)入閥16的極限閥門位置的傳感器， 所述傳感器在這種情況下是接近開關(guān)25。
然后，控制單元22將確保不會引導(dǎo)步進(jìn)馬達(dá)20沿所涉及的極限 閥門位置的方向作進(jìn)一步運(yùn)動。
當(dāng)壓縮機(jī)設(shè)備1被切斷時，首先要通過控制單元22進(jìn)行切換使其 在無負(fù)載程序下經(jīng)過預(yù)定時間以使熱力馬達(dá)4負(fù)載最小，而風(fēng)扇14 保持以最小轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，且在熱力馬達(dá)4實(shí)際停止之前，壓縮機(jī)設(shè)備1 能夠冷卻一些。
本發(fā)明在任何情況下均不限于作為實(shí)例給出且在附圖中示出的這些實(shí)施例；相反地，根據(jù)本發(fā)明的用于調(diào)節(jié)噴油壓縮機(jī)設(shè)備的工作壓 力的這種裝置可被制成各種形狀和尺寸，同時仍然落在本發(fā)明的范圍 內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種用于調(diào)節(jié)噴油壓縮機(jī)設(shè)備的工作壓力的裝置，所述噴油壓縮機(jī)設(shè)備設(shè)有壓縮機(jī)元件(2)，所述壓縮機(jī)元件由馬達(dá)(4)驅(qū)動，所述馬達(dá)由控制模塊(13)控制且具有可調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)速，其中所述壓縮機(jī)元件(2)設(shè)有空氣進(jìn)入口(5)和壓縮空氣出口(7)，所述壓縮空氣出口(7)與油分離器(10)相連，所述油分離器具有用于供應(yīng)壓縮氣體的壓縮空氣管(11)，其中所述裝置(15)設(shè)有與上述空氣進(jìn)入口(5)相連的受控制的進(jìn)入閥(16)和具有排放管(18)的排放機(jī)構(gòu)(17)，所述排放管(18)連接油分離器(10)和進(jìn)入閥(16)，并且能夠借助于排放閥(19)來封閉，其特征在于所述進(jìn)入閥(16)、排放閥(19)以及控制模塊(13)都是與用于調(diào)節(jié)油分離器(10)中的工作壓力(Pw)的電子控制單元(22)相連的電控部件，其中所述工作壓力(Pw)由工作壓力傳感器(23)測量，所述工作壓力傳感器(23)也與所述電子控制單元(22)相連。
2. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于所述進(jìn)入閥(16)制 成蝶形閥的形式，所述蝶形閥由步進(jìn)馬達(dá)(20)驅(qū)動，所述步進(jìn)馬達(dá)(20) 帶有附帶的步進(jìn)馬達(dá)電子卡(21)。
3. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述步進(jìn)馬達(dá)電子卡(21) 具有微步進(jìn)程序。
4. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于所述控制 單元(22)設(shè)有工作壓力控制器(27)，所述工作壓力控制器(27)被 制成PID控制器的形式，該P(yáng)ID控制器的輸出信號代表壓縮機(jī)元件(2 ) 的所需的輸入流量(102 ),基于所述輸入流量(102 ),通過排放閥(19 ) 調(diào)節(jié)馬達(dá)轉(zhuǎn)速、空氣進(jìn)入口 (5)處的入口壓力(Pi)和排放流量(Qb)。
5. 如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于所述控制單元(22) 還設(shè)有制成具有增量(K)的PID控制器的形式的入口壓力控制器 (28)，所述增量(K)是所述進(jìn)入閥(16)的位置的函數(shù)、或者所述 壓縮機(jī)元件(2)的空氣進(jìn)入口 (5)處的進(jìn)入閥(16)后面的絕對壓力與所述進(jìn)入閥(16)的輸入側(cè)上的絕對壓力之間的關(guān)系的函數(shù)。
6. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于上述排放 閥(19)被制成電磁閥的形式，所述電磁閥能夠在處于關(guān)閉和打開位 置之間的兩個位置上接合。
7. 如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于所述控制單元(22) 設(shè)有存儲器，用于存入電磁岡的實(shí)際位置。
8. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于所述控制 單元(22 )設(shè)有包含算法的計(jì)算塊(38 ),所述計(jì)算塊在所需要的輸入 流量(102)小于最小輸入流量(Qi，min)時打開所述排放閥(19 )或 者使其保持打開，所述最小輸入流量(Qi，mhi)在馬達(dá)的最小轉(zhuǎn)速和 壓縮機(jī)元件(2)上的最大壓力比下達(dá)到；其中所述控制單元(22)在 所需要的輸入流量(102 )大于最小輸入流量(Qi，min )和排放流量(Qb ) 的總和時關(guān)閉所述排放閥(19)或者使所述排放閥(19)保持關(guān)閉； 并且在所述最小輸入流量(Qi，min)小于所需要的輸入流量(102), 以及所需要的輸入流量(102)小于最小輸入流量(Qi，min)和排放流 量(Qb)的總和時，控制單元(22)不改變排放閥(19)的位置。
9. 如權(quán)利要求5和8所述的裝置，其特征在于在所述控制單元 (22)中，在所述工作壓力控制器(27)與所述計(jì)算塊(38)之間設(shè)有 低通濾波器(40)。
10. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于所述控 制單元(22)設(shè)有包含算法的選擇塊(31)，所述選擇塊使得能夠在第 一選擇位置上直接調(diào)節(jié)工作壓力(Pw),以及在第二選擇位置上實(shí)施 工作壓力的自動調(diào)節(jié)，其中所述工作壓力(Pw)被自動最大化至介于 壓縮機(jī)設(shè)備(1)的標(biāo)稱工作壓力和設(shè)計(jì)壓力之間的工作壓力(Pw)， 并且還確保在從加載的壓縮機(jī)設(shè)備(1)過渡到卸載的壓縮機(jī)設(shè)備(1) 的情況下，工作壓力(Pw)的峰值始終處于壓縮機(jī)設(shè)備(1)的設(shè)計(jì) 壓力之下。
11. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于該裝置 設(shè)有控制面板(26 )，所述控制面板(26 )使得能夠在所述控制單元(22 )中調(diào)節(jié)所需要的工作壓力。
12. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于該裝置 設(shè)有用于在所述控制單元(22)中調(diào)節(jié)工作壓力的遠(yuǎn)程控制器。
13. 如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于所述工作壓力控制 器(27)設(shè)有算法，所述算法將所述工作壓力控制器(27)的PID因 子調(diào)整為環(huán)境壓力(Patm)。
14. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于所述控 制單元(22)設(shè)有啟動程序，其中所述進(jìn)入閥(16)被完全關(guān)閉，所 述排放閥(19)被打開，然后僅所述馬達(dá)(4)被啟動，并且一旦所述 馬達(dá)(4)達(dá)到其完全轉(zhuǎn)速，所述控制單元(22)自動地從啟動程序切 換到無負(fù)載程序，其中所述工作壓力(Pw)通過所述控制單元(22) 被調(diào)整成低于所述最小壓力閥(12)的所述打開壓力的值。
15. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于在所述 進(jìn)入閥(16 )上設(shè)有接近開關(guān)(25 )，所述接近開關(guān)檢測所述進(jìn)入閥(16 ) 內(nèi)的閥體接近極限位置的時間，并將該時間傳給所述控制單元(22)。
全文摘要
用于調(diào)節(jié)噴油壓縮機(jī)設(shè)備的工作壓力的裝置，所述壓縮機(jī)設(shè)備具有壓縮機(jī)元件(2)，所述壓縮機(jī)元件(2)由具有可調(diào)轉(zhuǎn)速和控制模塊(13)的馬達(dá)(4)驅(qū)動，其中裝置(15)設(shè)有與空氣進(jìn)入口(5)相連的受控制的進(jìn)入閥(16)和可由排放閥(19)封閉的排放機(jī)構(gòu)(17)，其特征在于上述進(jìn)入閥(16)、排放閥(19)和控制模塊(13)都為與用于調(diào)節(jié)工作壓力(Pw)的電子控制單元(22)相連的電控部件，其中所述工作壓力(Pw)由工作壓力傳感器(23)測量。
文檔編號F04C28/08GK101466952SQ200780021372
公開日2009年6月24日 申請日期2007年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月9日
發(fā)明者I·丹尼爾斯, P·范登韋恩加特 申請人:艾拉斯科普庫空氣動力股份有限公司