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Wenn der Druckluftbedarf einer Anlage im Tagesverlauf schwankt, muss das Antriebssystem mehr tun als lediglich starten oder anhalten. Ein mit einem Frequenzumrichter gekoppelter Luftkompressor-PMSM kann die Motordrehzahl kontinuierlich an die vom Luftpresselement benötigte Leistung anpassen. Das Ergebnis ist ein Steuerkonzept, das auf stabilere Druckverhältnisse, weniger abrupte Übergänge sowie eine genauere Abstimmung zwischen elektrischer Eingangsleistung und tatsächlichem Bedarf abzielt.
Aus Sicht der Anwendungstechnik stellt sich nicht die Frage, ob ein Luftkompressor-PMSM in jeder Installation grundsätzlich überlegen ist. Vielmehr geht es darum, ob Motor, Umrichter, Luftpresselement, Sensoren und Steuerparameter auf den jeweiligen Betriebszyklus der Anlage abgestimmt sind. Dieser Artikel erläutert, wie diese Zusammenarbeit funktioniert, und welche Punkte vor der Inbetriebnahme zu prüfen sind.
Warum Drehzahlvariabilität beim Betrieb von Druckluftanlagen wichtig ist
Viele Druckluftsysteme verbrauchen nicht jede Minute das gleiche Luftvolumen. Die Nutzung von Werkzeugen, Schichtwechsel, Prozessänderungen, Leckagen und Zwischenspeicherung stromabwärts verändern sämtlich die Last. Ein Kompressor mit fester Drehzahl regelt diese Schwankungen üblicherweise durch Laden, Entladen, Saugsteuerung oder Stop-Start-Zyklen. Das kann in der richtigen Anwendung praktikabel sein, führt jedoch nicht zu einer kontinuierlichen Anpassung der Motordrehzahl an die aktuelle Nachfrage.
Ein Luftkompressor-PMSM der Frequenzumrichter verändert die Regeloption. Der Umrichter empfängt ein Sollsignal, das meist aus dem gemessenen Systemdruck abgeleitet wird, und gibt eine Motordrehzahl vor, die den vom Kompressor gelieferten Volumenstrom an die jeweilige Anforderung annähert. Die entscheidende Veränderung besteht darin, statt einem Nennwert-Ausgangswert hinterherzulaufen, den tatsächlichen Betriebszyklus exakt zu erfassen.
Die jeweiligen Aufgaben des PMSM und des Frequenzumrichters
Der Motor liefert gesteuertes Drehmoment
Ein Permanentmagnetmotor (PMSM) verwendet permanente Magnete am Rotor statt Rotorstrom zur Erregung. Bei einer Anwendung als Luftkompressor-PMSM muss der Motor über den vorgesehenen Drehzahlbereich hinweg ausreichend Drehmoment erzeugen und dabei innerhalb seiner thermischen, spannungs- und stromtechnischen Grenzwerte bleiben. Seine Eigenschaften ermöglichen einen effizienten Teillastbetrieb, doch das tatsächliche Ergebnis hängt weiterhin von der Luftpresse, der Kühlungsanordnung, dem Lastprofil und der Antriebskonfiguration ab.
Die Rotorpositionsinformation ist zentral für die PMSM-Steuerung. Je nach Auslegung gewinnt die Steuerung diese Information entweder über einen Sensor oder schätzt sie ab. Diese Information ermöglicht es dem Antrieb, den Statorstrom gezielt relativ zum magnetischen Feld des Rotors zu platzieren, sodass das Drehmoment geregelt – und nicht lediglich an einem einfachen netzfrequenten Betriebspunkt – eingestellt werden kann.
Der Umrichter wandelt die Anforderung in elektrische Befehle um
Der Frequenzumrichter richtet die zugeführte Spannung in eine Gleichspannungs-Zwischenstufe um und erzeugt eine frequenz- und spannungsvariable Ausgangsspannung für den Motor. Bei der Vektorsteuerung werden die Stromkomponenten, die mit dem magnetischen Fluss und dem Drehmoment zusammenhängen, voneinander getrennt. Für einen Luftkompressor mit Permanentmagnet-Synchronmotor ermöglicht diese Steuerung einen sanften Anlauf des Antriebs, das Halten einer vorgegebenen Drehzahl sowie eine Reaktion auf ein sich änderndes Drucksignal – ohne dass jede Drehzahlanpassung direkt an die Netzfrequenz gekoppelt ist.
Genauer gesagt steuert der Umrichter das elektromagnetische Drehmoment und die Drehzahl des Motors, während das Kompressor-Steuerungssystem entscheidet, welche Drehzahl erforderlich ist. Der Umrichter ist keine eigenständige Lösung für mangelhafte Rohrleitungsführung, übermäßige Leckagen, einen zu kleinen Druckluftspeicher oder eine falsch dimensionierte Verdichtereinheit.
Wie die Druckregelungsschleife eine stabile Anpassung erzeugt
Eine typische Luftkompressor-PMSM das System verwendet einen Druckaufnehmer im relevanten Teil des Netzwerks. Die Steuerung vergleicht den gemessenen Druck mit einem Sollwert oder einem zulässigen Druckband. Wenn die Nachfrage steigt und der Druck zu fallen beginnt, erhöht die Steuerung die Drehzahlvorgabe. Wenn die Nachfrage sinkt und der Druck steigt, verringert sie die Vorgabe. Der Frequenzumrichter folgt dann dieser Vorgabe innerhalb der konfigurierten Grenzen für Drehzahl, Strom und Beschleunigung.
- Messen: Die Steuerung erfasst den Systemdruck und überwacht möglicherweise auch Temperatur, Strom und Schutzeingänge.
- Entscheiden: Eine PID-Regelung oder eine verwandte Regelstrategie berechnet, wie groß die erforderliche Drehzorkorrektur ist.
- Befehlen: Die Drehzolvorgabe wird an den Umrichter gesendet.
- Regeln: Der Umrichter steuert das Drehmoment und die Drehzahl des Luftkompressor-PMSM.
- Überprüfen: Die Druckreaktion wird beobachtet und die Regelungsschleife wiederholt sich.
Der proportionale Anteil reagiert auf den aktuellen Regelfehler, der integrale Anteil behebt eine dauerhafte Abweichung, und der differenzielle Anteil kann – bei sachgemäßer Anwendung – die Reaktion auf schnelle Änderungen abmildern. Zu aggressive Einstellungen können zu Schwingungen führen: Die Drehzahl überschreitet und unterschreitet wiederholt den Sollwert, während der Druck oszilliert. Zu träge Einstellungen können unnötig große Druckschwankungen zulassen. Eine stabile Drehzahlregelung ergibt sich daher aus einer abgestimmten Feinabstimmung – nicht allein durch den Einbau eines Frequenzumrichters.
Wo das Verdichterverhalten den Regelbereich einschränkt
Jedes PMSM-Verdichterpaket weist einen nutzbaren Betriebsbereich auf. Die Mindestdrehzahl muss Schmierung, Kühlung und einen stabilen Betrieb des Verdichterkopfs sicherstellen. Die Höchstdrehzahl darf weder mechanische noch thermische oder elektrische Grenzen überschreiten und muss zudem innerhalb der vom Hersteller festgelegten Grenzwerte liegen. Der Regler benötigt außerdem sinnvolle Beschleunigungs- und Verzögerungsrampe, um weder ein Drehmoment anzufordern, das über den vom Motor-Antriebssystem konfigurierten Grenzwerten liegt, noch störende Druckänderungen hervorzurufen.
In der Praxis bedeutet eine Phase mit geringer Nachfrage nicht zwangsläufig, dass der Kompressor unendlich lange mit der niedrigstmöglichen Drehzahl laufen sollte. Wenn die Nachfrage unter den stabilen Leistungsbereich fällt, muss das System je nach seiner Logik entlastet oder gestoppt werden. Umgekehrt erfordert eine dauerhafte Nachfrage oberhalb der verfügbaren Drehzahlregelungsleistung einen weiteren Kompressor, einen Speicher, eine Reduzierung der Nachfrage oder eine überarbeitete Regelungsstrategie – nicht den Versuch, den Motor zu überlasten.
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