Ihr Luftkompressor ist möglicherweise intelligenter als Sie denken

Von Ron Marshall für die Compressed Air Challenge®

Vor nicht allzu langer Zeit wurden die meisten Luftkompressoren mit mechanischen Druckschaltern, Relais und Manometern gesteuert. Die Einrichtung dieser Einheiten, insbesondere wenn versucht wird, mehrere Kompressoren zu koordinieren, kann eine frustrierende und fruchtlose Erfahrung sein, da häufig, sobald die Steuerungen richtig eingestellt wurden, eine Art mechanischer Gremlin wieder etwas aus der Einstellung herauswirft.

Moderne Steuerungen bestehen häufig aus präziser Elektronik, die mit hochentwickelten Mikroprozessoren gesteuert wird. Diese werden mit cleveren Algorithmen programmiert, um den Betrieb der Kompressoren effizienter und zuverlässiger zu gestalten.

Es werden immer mehr Funktionen entwickelt und in die Regelalgorithmen implementiert. Es liegt im Interesse des Anwenders, zu erfahren, was Ihre Kompressorsteuerung zu bieten hat und ob Sie von den neuen Innovationen profitieren können.

Ein solcher sehr nützlicher Algorithmus ist die automatische Zählung der Starts pro Stunde, um die unbelastete Laufzeit zu verringern. In diesem Artikel wird die Verwendung dieses Algorithmus bei der Steuerung kleiner Luftkompressoren zur Erzielung erheblicher Einsparungen in Prozent erörtert. Außerdem wird ein Beispiel angegeben, bei dem mit dieser Funktion durch einfaches Hinzufügen eines Speicherempfängers, Verringern des Drucks und Anpassen der Kompressorsteuerung eine Einsparung von 66% erzielt wurde.

Autostart-Funktion

Vor einigen Jahren erkannten die Entwickler von Kompressorsteuerungen, dass es ineffizient ist, einen Kompressor unbeladen laufen zu lassen, wenn keine Luft erzeugt werden muss. Insbesondere verbrauchen viele Schraubenkompressoren im unbelasteten Zustand eine signifikante Leistung von 25% bis 50% der Volllast (oder in einigen Fällen mehr), was Energie verschwendet, wenn sie unnötig laufen gelassen werden. Um die Energieverschwendung zu begrenzen, wurden die Kompressorsteuerungen mit einer Zeitschaltung (Autostart-Funktion) ausgestattet, die feststellte, ob ein Kompressor über einen bestimmten Zeitraum unbeladen gelaufen war und den Kompressormotor abschaltete. Der gestoppte Kompressor würde aktiv bleiben und startbereit sein, wenn der Systemdruck auf den Lastpunkt abfällt. Das Problem bei dieser Art von Schaltung ist, dass der Kompressor möglicherweise zu oft pro Stunde stoppt und startet, wenn ein Benutzer den Timer auf eine Minute einstellt und das System über eine begrenzte Speicherkapazität verfügt, wobei die maximale Anzahl des Hauptantriebsmotors überschritten wird startet pro Stunde. Die zulässigen Starts pro Stunde für einen Motor können stark variieren, abhängig von den Eigenschaften des Motors, der Größe, der Startmethode und dem Impuls der Wellenbelastung sowie anderen Überlegungen. Weitere Informationen zu Motorstarts finden Sie in der NEMA-Norm MG-1. Je größer der Motor und je höher die Spannung, desto seltener kann ein Motor pro Stunde gestartet werden.

Dies ist alles sehr kompliziert, und in früheren Zeiten wurde zur Vereinfachung eine standardmäßige minimale Zeitgebereinstellung, typischerweise etwa 15 Minuten, installiert, so dass kein Kompressormotor mehr als 4 Mal pro Stunde anhalten und starten würde. Es dauerte eine Weile, aber einige Hersteller erkannten bald die Begrenzung dieser Einstellung, insbesondere bei kleineren Kompressoren, die zuverlässig 10 bis 15 Mal pro Stunde starten konnten. Diese Einstellung von 15 Minuten war häufig nicht effektiv, um den Stromverbrauch von Kompressoren im unbelasteten Zustand zu senken, die mehr als viermal pro Stunde, jedoch weniger als die maximale Anzahl von Motorstarts durchlaufen.

Irgendwann stellten einige Hersteller fest, dass es sicher ist, eine Arbeitsweise zu implementieren, die mehr Starts pro Stunde zulässt, aber die Anzahl der Starts sicher begrenzt, falls etwas passiert, das den Kompressor zum schnellen Durchlaufen bringt. Für die Zwecke dieses Artikels werden diese verschiedenen Steuerungsmodi als "intelligente Steuerungen" bezeichnet. Da dieser Artikel herstellerneutral verfasst wurde, werden die Hersteller mit dieser Funktion nicht erwähnt. Es ist Sache des Benutzers, bei Ihrem Diensteanbieter Informationen zu Ihrem Steuerelement anzufordern. Einige der verfügbaren „intelligenten Steuerelemente“ funktionieren folgendermaßen:

• Ein Hersteller lässt maximal 4 Starts pro Stunde zu, die Starts können jedoch jederzeit innerhalb einer sich bewegenden Stunde erfolgen. Wenn die Starts überschritten werden, läuft der Kompressor einfach unbeladen.

• Ein Hersteller hat einen speziellen vorprogrammierten Modus, der bei Auswahl die Kompressorzyklusfrequenz erfasst und, falls akzeptabel, den Kompressor sofort nach einer kurzen Entlastungsperiode abschaltet. Dieser Hersteller hat auch einen Modus, in dem die Motortemperatur von Monitoren erfasst wird Wenn niedrig genug, sind zusätzliche Stopps / Starts zulässig.

• Ein anderer Hersteller erlaubt dem Benutzer, die gewünschten maximalen Starts pro Stunde oder Starts pro Tag zu programmieren. Jede Kompressorgröße wird mit einer maximal zulässigen Anzahl geliefert, die von der Steuerungseinstellung begrenzt wird. Der Kompressor schaltet sich sofort nach einer kurzen Entladeperiode ab, wenn die Anzahl der Starts diese maximale Anzahl nicht überschreitet, da der Algorithmus auf der Grundlage der aktuellen Kompressorzyklen projektiert. Ist dies nicht der Fall, bleibt der Kompressor unbeladen.

• Noch ein anderer Hersteller erlaubt es, den Timer auf nur zwei Minuten zu reduzieren, wobei der Motor abschalten darf, wenn der Kompressor 10 Minuten gelaufen ist (nicht zu empfehlen, um einen übermäßigen Start zu verhindern).

Einige dieser Möglichkeiten zur Steuerung der Kompressoren sind innovativ, da sie den Kompressormotor vor Beschädigungen schützen und gleichzeitig genügend Flexibilität bieten, um unbelastete Laufzeiten zu sparen. Mit vielen dieser Steuerungen lassen sich bei richtiger Dimensionierung des Kompressorspeicherempfängers erhebliche Einsparungen in Stunden unbeladener Laufzeit erzielen, insbesondere bei leicht beladenen Kompressoren mit gelegentlich hohen Spitzenwerten, wie z. B. in Werkstätten.

Entwerfen eines „intelligenten“ Speichers

Die Kompressorsteuerung kann dies nicht alleine tun. Um effektiv zu sein, müssen die Kompressorzyklen innerhalb des Bereichs liegen, den die Steuerung bewältigen kann. Grafik 1 zeigt die Auswirkung der Änderung des Volumens und des Lade- / Entladedruckbands auf die Anzahl der Zyklen pro Stunde. Für kleine Kompressoren ist es am besten, genügend Speicher für etwa 6 bis 8 Starts pro Stunde bei der maximalen Frequenz auszulegen, die an dem Punkt mit 50% Last auftritt (überprüfen Sie diese Einschränkung mit dem Hersteller). Die Erfahrung hat gezeigt, dass ein Speichervolumen von 10 Gallonen pro Kubikfuß und ein Druckband von 30 psi sicherstellen, dass die Anzahl der Starts pro Stunde bei 50% Last immer unter 6 bleibt. Um jedoch vorteilhaft zu sein, sollte diese Strategie auf Systeme mit durchschnittlichem Druck angewendet werden Beladung deutlich unter 40%.

Grafik 1: Auswirkung von Lagerung und Druckbändern auf die Taktfrequenz

In einem System können Dinge passieren, die die Zyklusfrequenz erhöhen können, höchstwahrscheinlich Filterdifferenz. Befindet sich der Filter während des normalen Lebenszyklus zwischen dem Erfassungspunkt der Kompressorsteuerung und dem Speicherempfänger, verringert sich die effektive Kapazität, die der Kompressor „sieht“, und die Zyklen pro Stunde nehmen zu. Aus diesem Grund ist es am besten, sich auf eine Smart-Steuerung zu verlassen, anstatt einfach einen Timer auf Null zu stellen, was in einigen Fällen möglich ist.

Auswirkung eines breiteren Druckbandes

Der höhere durchschnittliche Druck erhöht den Stromverbrauch des Kompressormotors im beladenen Zustand um etwa ein Prozent bei jeder Erhöhung um 2 psi (normalerweise weniger als 110 psi). Die Erweiterung des Druckbandes von einem 10-psi-Band auf ein 30-psi-Band erhöht den durchschnittlichen Druck, den der Kompressor sieht, um 10 psi und führt zu einem um etwa 5% höheren Energieverbrauch. Wenn der Kompressor jedoch über längere Zeit unbelastet läuft, kann das Eliminieren der unbeladenen Laufzeit diese zusätzliche geladene Leistung mehr als zurückzahlen.

Der höhere Druck wirkt sich auch auf ungeregelte Druckluftverbraucher aus und erhöht den Durchfluss, wenn dies in die Anlage zugelassen wird. Aus diesem Grund wird ein Druck- / Durchflussregelgerät empfohlen, um einen konstant niedrigeren Anlagendruck von etwas weniger als der eingestellten Kompressorlast aufrechtzuerhalten.

Beispielprojekt

Eine zentrale Einrichtung zur Versorgung von Krankenhäusern in der Region in einer großen kanadischen Stadt verwendet Druckluft für pneumatische Operationen. An der Anlage wurde ein Audit durchgeführt, bei dem festgestellt wurde, dass der vorhandene 20-PS-Kompressor 2% der Zeit belastet war und 26% der Zeit unbelastet lief. Da die Last gering ist, sind die internen Starts des Kompressors pro Stunde aktiv. Sie schalten den Kompressor zwischen den Zyklen während der leichten Belastung zwischen den Schichten aus, jedoch nicht während der Hauptschichten, da kein Speicher vorhanden ist. Trotzdem beträgt die berechnete spezifische Leistung des Kompressors 77 kW pro 100 cfm, da der Kompressor die meiste Zeit seines Betriebs unbelastet bleibt und immer noch etwa 35% seiner Volllastleistung verbraucht, aber keine Luft erzeugt. Abbildung 2 zeigt das ursprüngliche Profil von 24 Stunden Systembetrieb.

Um die Betriebszeit des Kompressors zu verkürzen, wurde dem System ein 660-Gallonen-Empfänger mit einem auf 90 psi eingestellten Druck- / Durchflussregelventil hinzugefügt. Der resultierende Kompressorbetrieb unter Verwendung einer intelligenten Steuerung beseitigte praktisch die unbelastete Laufzeit und reduzierte die Anzahl der Kompressorstarts erheblich. Die spezifische Leistung des Systems wird jetzt auf ca. 24 kW / 100 cfm reduziert, was einer Reduzierung von 60% entspricht. Bei einer Durchflussreduzierung aufgrund eines niedrigeren Anlagendrucks und einer geringen Leckagereduzierung beträgt die tatsächliche Reduzierung der Betriebskosten 66%.

Dieses Beispielprojekt ist sehr klein, zeigt jedoch die Einsparungen, die erzielt werden können, wenn die „Intelligenz“ der Steuerung mit gutem Design und Know-how verbunden wird. Viele ähnliche Projekte wurden durchgeführt, eines mit bis zu 100 PS und sehr großem Speicherplatz, und sie haben sich als hervorragende Alternative zu VSDs an Orten mit geringer durchschnittlicher Belastung und hohen Spitzenwerten, aber in staubigen Umgebungen erwiesen. Wenn Sie ähnliche Projekte durchführen möchten, sollte der Hersteller des Kompressors konsultiert werden, um die zulässige Anzahl von Starts pro Stunde für Ihr bestimmtes Gerät zu bestimmen und um festzustellen, ob die Kompressorsteuerung für einen korrekten Betrieb eingerichtet ist.

Schaubild 2: Typisches Produktionswochenprofil, das den erheblichen Zeitaufwand im unbelasteten Zustand zeigt.

Tabelle 3: Nach der Lagerung entfernte Leistung des Kompressors.

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