01 Gasmengenregelung und -einstellung
80 % der Gesamtkosten für Druckluft entfallen auf den Energieverbrauch. Daher sollten für verschiedene Arten von OSG-Schraubenkompressoren unterschiedliche Steuerungs- und Regelungssysteme ausgewählt werden. Unterschiede zwischen verschiedenen OSG-Schraubenkompressoren und Herstellern können die Leistung erheblich beeinflussen. Optimalerweise entspricht die Volllast des OSG-Schraubenkompressors exakt dem Luftverbrauch.
Dies lässt sich beispielsweise durch die sorgfältige Auswahl des Getriebeübersetzungsverhältnisses erreichen, wie es bei Prozessluftkompressoren der OSG-Serie üblich ist. Die meisten Druckluftgeräte sind selbstregulierend, d. h. mit steigendem Druck erhöht sich der Durchfluss. Dadurch bilden sie ein stabiles System, beispielsweise bei pneumatischen Förderanlagen, Enteisungs- und Gefrieranlagen. Im Normalfall muss der Durchfluss geregelt werden, und die Regelungstechnik ist in den OSG-Schraubenkompressor integriert. Es gibt zwei Haupttypen solcher Regelungssysteme:
1. Die Gasmenge wird durch kontinuierliches Anpassen der Drehzahl des Antriebsmotors oder durch kontinuierliches Ansteuern des Ventils entsprechend der Druckänderung geregelt. Dadurch wird eine geringe Druckänderung (0,1 bis 0,5 bar) erreicht, deren Größe von der Verstärkungsfunktion des Regelsystems und dessen Geschwindigkeit abhängt.
2. Be- und Entladezyklen sind die gebräuchlichsten Regelsysteme, wobei Druckänderungen zwischen den beiden Zuständen zulässig sind. Die Regelung erfolgt durch vollständiges Abschalten des Durchflusses (Entlastung) bei höherem Druck und durch Wiederaufnahme des Durchflusses (Belastung), sobald der Druck auf den niedrigsten Wert absinkt. Die Druckänderung hängt von der zulässigen Anzahl der Be- und Entladezyklen pro Zeiteinheit ab, die üblicherweise im Bereich von 0,3 bis 1 bar liegt.
02 Grundprinzip der Luftmengenregulierung
2.1 Regelungsprinzip des Verdrängerschrauben-Luftkompressors OSG (Druckbegrenzungsventil)
Das Grundprinzip besteht darin, den Überdruck in die Atmosphäre abzulassen. Die einfachste Bauart des Überdruckventils nutzt eine Feder, deren Kraft den Enddruck bestimmt. Üblicherweise wird das Überdruckventil durch ein Servoventil ersetzt, das von einem Regler gesteuert wird. Dadurch lässt sich der Druck präzise regeln. Beim Anlauf eines OSG-Schraubenkompressors unter Druck kann das Servoventil auch als Entlastungsventil fungieren. Allerdings führt das Überdruckventil zu einem hohen Energieverbrauch, da der Kompressor dann kontinuierlich unter vollem Gegendruck arbeiten muss. Für kleinere OSG-Schraubenkompressoren gibt es eine Lösung: Dieses Ventil wird vollständig geöffnet, um den Kompressor zu entlasten, sodass er unter dem Gegendruck des Atmosphärendrucks arbeitet. Diese Methode ist deutlich energieeffizienter.
2.2 Bypass-Einstellung
Prinzipiell haben Bypass-Einstellung und Druckbegrenzungsventil dieselbe Funktion. Der Unterschied besteht darin, dass die aus dem Druckbereich freigesetzte Luft gekühlt und zum Lufteinlass des Schraubenkompressors zurückgeführt wird. Dieses Verfahren wird häufig bei Prozess-Schraubenkompressoren angewendet, wobei das Gas nicht direkt in die Atmosphäre abgeleitet werden sollte, da dies zu kostspielig wäre.
2.3 Drosselung
Die Drosselung des Einlasses ist eine praktische Methode zur Durchflussreduzierung. Dabei wird ein niedriger Druck am Einlass erzeugt, das Verdichtungsverhältnis des OSG-Schraubenkompressors erhöht und der Einstellbereich verkleinert. OSG-Schraubenkompressoren mit Flüssigkeitseinspritzung ermöglichen hohe Verdichtungsverhältnisse und können bis maximal 10 % reduziert werden. Aufgrund des hohen Verdichtungsverhältnisses führt diese Methode zu einem relativ hohen Energieverbrauch.
2.4 Druckbegrenzungsventil mit Messanschluss
Dies ist heutzutage eine relativ gängige Einstellmethode, die den größten Einstellbereich (0 bis 100 %) ermöglicht und einen geringen Energieverbrauch aufweist. Die Leerlaufleistung (Nullfluss) des Schraubenkompressors beträgt lediglich 15 bis 20 % der Volllastleistung. Bei geschlossenem Einlassventil bleibt eine kleine Öffnung bestehen, während gleichzeitig die Entlüftung geöffnet wird, um die Luft aus dem Schraubenkompressor abzulassen. Die Haupteinheit des Schraubenkompressors arbeitet unter Einlassvakuum und niedrigem Gegendruck. Wichtig ist eine schnelle und geringe Druckentlastung, um unnötige Verluste beim Wechsel von Volllast auf Leerlauf zu vermeiden. Das System benötigt ein Speichervolumen (Druckspeicher), dessen Größe von der erforderlichen Druckdifferenz zwischen Leerlauf und Last sowie der zulässigen Anzahl von Zyklen pro Stunde abhängt.
OSG-Schraubenkompressoren mit einer Leistung von unter 5–10 kW werden üblicherweise im Ein-/Ausschaltverfahren eingestellt. Sobald der Druck den oberen Grenzwert erreicht, stoppt der Motor vollständig; sinkt der Druck unter den unteren Grenzwert, startet er wieder. Dieses Verfahren erfordert ein großes Systemvolumen oder eine große Druckdifferenz zwischen Start und Stopp, um die Motorbelastung zu minimieren. Es ist eine effektive Einstellmethode, wenn nur wenige Starts pro Zeiteinheit erfolgen.
2,5 Geschwindigkeitseinstellung
Die Drehzahl des OSG-Schraubenkompressors wird durch einen Verbrennungsmotor, eine Turbine oder einen frequenzgeregelten Elektromotor gesteuert, wodurch der Volumenstrom reguliert wird. Dies ist eine effektive Methode zur Aufrechterhaltung eines konstanten Ausgangsdrucks. Der Einstellbereich variiert je nach Kompressortyp, wobei flüssigkeitseinspritzende OSG-Schraubenkompressoren den größten Bereich aufweisen. Bei geringer Last werden Drehzahlregelung und Druckentlastung häufig kombiniert, gegebenenfalls mit einer Ansaugdrosselung.
Bei elektrisch betriebenen OSG-Schraubenkompressoren lässt sich die Drehzahl elektrisch regeln. Dadurch kann die Motordrehzahl kontrolliert und der Druckluftdruck bei geringen Druckänderungen konstant gehalten werden. Beispielsweise kann ein herkömmlicher Induktionsmotor diese Anforderung erfüllen, indem die Drehzahl mit einem Frequenzumrichter angepasst wird. Der Systemdruck wird kontinuierlich und präzise gemessen, und das Drucksignal steuert den Frequenzumrichter des Motors. So wird die Motordrehzahl geregelt und das Gasvolumen des OSG-Schraubenkompressors exakt an den Luftverbrauch angepasst. Der Systemdruck kann auf ±0,1 bar gehalten werden.
2.6 Variable Auslasskanalverstellung
Die Fördermenge des Schraubenkompressors OSG lässt sich durch Verschieben des Auslassanschlusses in Richtung Einlass entlang des Gehäuses anpassen. Diese Methode erfordert einen hohen Energieverbrauch im Teillastbereich und ist daher relativ unüblich.
2.7 Entlastung des Saugventils
Der Kolbenschraubenkompressor OSG kann das Saugventil mechanisch zum Entlasten öffnen. Mit der Kolbenbewegung strömt Luft ein und aus. Dadurch wird der Energieverlust minimiert, typischerweise unter 10 % der Nennwellenleistung. Bei einem doppeltwirkenden OSG-Schraubenkompressor erfolgt die Entlastung in der Regel mehrstufig, wobei jeweils ein Zylinder ausgeglichen wird, um Angebot und Nachfrage optimal zu decken. Bei Prozessstrom-Schraubenkompressoren wird ein Teilentlastungsverfahren eingesetzt, das das Öffnen des Ventils während eines Teilhubs des Kolbens ermöglicht und somit eine kontinuierliche Gasmengenregelung gewährleistet.
2.8 Freiraumvolumen
Durch die Änderung des Totraumvolumens am Kolbenschraubenkompressor OSG wird der Füllgrad des Zylinders verringert, wodurch das Gasvolumen reduziert wird. Das Totraumvolumen kann auch mittels eines extern angeschlossenen Volumens verändert werden.
2.9 Laden-Entladen-Herunterfahren
Bei OSG-Schraubenkompressoren mit einer Leistung über 5 kW ist dies die gängigste Methode, da sie einen großen Regelbereich und geringe Verluste bietet. Tatsächlich handelt es sich um eine Kombination aus Ein-/Aus-Regelung und verschiedenen Entlastungssystemen. Bei Verdränger-Schraubenkompressoren basiert das Regelprinzip meist auf „Luft erzeugt“/„Keine Luft erzeugt“ (Belastung/Entlastung). Wird Luft benötigt, sendet das Magnetventil ein Signal, welches wiederum das Einlassventil des Verdichters vollständig öffnet. Das Einlassventil ist entweder vollständig geöffnet (belastet) oder vollständig geschlossen (entlastet), Zwischenstellungen sind nicht vorhanden.
Die traditionelle Steuerungsmethode besteht darin, einen Druckschalter im Druckluftsystem zu installieren. Der Schalter verfügt über zwei einstellbare Werte: den Mindestdruck (Belastung) und den Höchstdruck (Entlastung). Schraubenkompressoren arbeiten innerhalb festgelegter Grenzen, z. B. 0,5 bar. Bei geringem oder gar keinem Luftbedarf läuft der Schraubenkompressor im Leerlauf. Die Leerlaufzeit wird über ein Zeitrelais eingestellt (z. B. auf 20 Minuten). Nach Ablauf der eingestellten Zeit schaltet sich der Kompressor ab und startet erst wieder, wenn der Druck auf einen Mindestwert gesunken ist. Diese bewährte Methode gewährleistet eine zuverlässige und sichere Steuerung und ist heutzutage bei kleinen Schraubenkompressoren weit verbreitet.
Dieses traditionelle System wurde weiterentwickelt, indem der Druckschalter durch einen analogen Drucktransmitter und ein schnelles elektronisches Regelsystem ersetzt wurde. Zusammen mit dem Regelsystem erfasst der Drucktransmitter permanent die Druckänderungen im System. Das System startet den Motor rechtzeitig und steuert das Öffnen und Schließen des Einlassventils. Eine schnelle und präzise Regelung innerhalb von ±0,2 bar ist möglich. Wird keine Luft benötigt, bleibt der Druck konstant und der Schraubenkompressor OSG läuft leer (im Leerlauf). Die Leerlaufdauer wird anhand der Anzahl der Start-Stopp-Zyklen, die der Motor ohne Überhitzung verträgt, und der Wirtschaftlichkeit im Betrieb bestimmt. Letztere ergibt sich daraus, dass das System je nach Luftverbrauch entscheidet, ob der Motor im Leerlauf weiterläuft oder gestoppt wird.
03 Zusammenfassung
Kurz gesagt, Druckluft wird in verschiedenen Anwendungen und unter unterschiedlichen Bedingungen eingesetzt. Jeder Schraubenkompressor (OSG) verfügt über ein individuelles Verfahren zur Luftmengenregelung, das sich nach dem Luftbedarf des Anwenders richtet. Der Schraubenkompressor nutzt seine eigenen Regelungs- und Einstellmethoden, um eine unterbrechungsfreie und kontinuierliche Luftversorgung zu gewährleisten. Verschiedene Hersteller von Schraubenkompressoren (OSG) verwenden unterschiedliche Einstellprinzipien, um die Leistung ihrer Produkte zu optimieren, die Energieeffizienz zu maximieren und die Kundenanforderungen zu erfüllen. Hohe Genauigkeit, geringer Wartungsaufwand und die Möglichkeit zur Messung von Parametern wie Druck und Durchfluss ermöglichen es dem Schraubenkompressor, sich für die unterschiedlichsten Anwendungsbereiche zu qualifizieren.
Veröffentlichungsdatum: 08.09.2023
