7/25/2019 a-600-5 BITZER

1/24

A-600-5

COMPETENCE IN

CAPACITY CONTROLKOMPETENZ IN LEISTUNGSREGELUNG

7/25/2019 a-600-5 BITZER

2/24

1 Einleitung

Klte-, Klima- und Wrmepumpenanlagen mssen hinsichtlich derbentigten Klteleistung (Wrmeleistung) auf die maximalen Be-triebsbedingungen, d.h. auf den grten Temperaturhub ausgelegtwerden. Dies fhrt dazu, dass sie fr alle anderen Betriebszu-stnde zu gro dimensioniert sind, also zu viel Leistung anbieten.

Dieser Leistungsberschuss kann durch periodisches Abschaltendes Verdichters ausgeglichen werden. Nachteilig ist dabei, dasssich auf der Sekundrseite hufig starke Temperaturschwankun-gen einstellen, die sich besonders bei kurzen Laufzeiten auf dieSystem-Effizienz und Betriebssicherheit auswirken. Abgesehendavon wird der Grad der Leistungsreduzierung durch die zur Ver-dichter- und Verdampferregelung notwendigen Mindestbetriebs-zeiten begrenzt.

Wesentliche Verbesserungen werden durch den Einsatz vonSystemen zur Leistungsregelung erreicht. Hierzu stehen verschie-dene Verfahren zur Verfgung, die sich durch folgende Merkmaleunterscheiden knnen:

Qualitt der Regelgenauigkeit darunter ist der Anpassungs-grad der erzeugten Klteleistung (Wrmeleistung) an denwirklichen Bedarf zu verstehen

Leistungszahl (COP) / System-Effizienz

Systemkosten Betriebssicherheit

1 Introduction

In terms of required cooling (heating) capacity, refrigeration, air-conditioning, and heat pump systems must be designed to copewith the maximum operating conditions, i.e. for highest tempera-ture lift. Consequently, they are over-dimensioned for all intermedi-ate operating conditions, and therefore offer too much capacity.

This excess capacity can be compensated by periodically switchingoff the compressors. However, a major disadvantage of this ap-proach is that large temperature variations frequently occur onthe secondary side, which have a negative effect on system effi-ciency in particular with short operating periods. Moreover, thedegree of capacity reduction is limited by the minimum operatingtimes dictated by the compressor and evaporator control sys-tems.

Significant improvements are achievable by the use of capacitycontrol systems. Various methods are available for this purpose,which can be distinguished by the following features:

Quality of control accuracy which involves adaptation of thegenerated cooling (heating) capacity to the actual demand

Coefficient of performance (COP) / system efficiency System costs Operating reliability

2

Inhalt

02 1 Einleitung

03 2 Systeme zur Leistungsregelung

03 3 Verfahren zur Verdichter-Leistungsregelung

05 4 Kriterien zur Auswahl derVerdichter-Leistungsregelung

06 5 Verdichter mit integrierter (mechanischer)

Leistungsregelung

13 6 Parallelbetrieb von Verdichtern

15 7 Drehzahlregelung

Seite Inhalt

Contents

02 1 Introduction

03 2 Systems for capacity control

03 3 Methods for compressor capacity control

05 4 Selection criteria for compressorcapacity control

06 5 Compressors with integrated (mechanical)

capacity control

13 6 Parallel operation of compressors

15 7 Variable speed drive (VSD)

Page Contents

7/25/2019 a-600-5 BITZER

3/24

2 Systeme zur Leistungsregelung

Im Allgemeinen wird zwischen Verdichter-Leistungsregelung undeiner im System integrierten Regelung unterschieden, bei der ent-weder durch Bypass von der Hoch- zur Niederdruckseite oderDrosselung des Saugdrucks eine Anpassung der Leistung erfolgt.Letztere Verfahren sind energetisch ungnstig: Bei einer Bypass-Regelung reduziert sich die Leistungsaufnahme des Verdichtersbei Teillast nur wenig durch eine geringe Absenkung des Verflssi-gungsdrucks, bei einer Drosselung des Ansaugstroms nur ent-sprechend der Vernderung des Saugdrucks.Je nach Betriebsbedingungen kann es auch zu strkeren Ein-schrnkungen im Einsatzbereich des Verdichters kommen.

Abgesehen von Systemen m it sehr spezifischen Anforderungenwerden beide Methoden nicht fr die allgemeine Anwendungempfohlen. Sie werden deshalb im Rahmen der folgenden Aus-fhrungen nicht nher betrachtet.

Im Gegensatz hierzu sind die meisten Verfahren zur Verdichter-Leistungsregelung sehr wirtschaftlich, wodurch in Verbindung miteiner intelligenten Systemsteuerung ein hohes Potential zur Ener-gieeinsparung bei Teillastbetrieb verfgbar ist.

3

3 Verfahren zur Verdichter-Leistungsregelung

Die einfachste Methode ist bekanntlich der Aussetzbetrieb(ON/OFF), der allerdings je nach Lastanforderung eine ungen-gende Regelgte, stark schwankende Betriebsbedingungen, hoheSchalthufigkeit und damit auch ungengende Wirtschaftlichkeitund reduzierte Lebensdauer von Verdichter und anderen System-komponenten zur Folge haben kann. Diese Betriebsweise solltedeshalb auf Anlagen mit hoher Speicherkapazitt und/oder relativkonstanter Leistung beschrnkt werden.

Eine auch bei strkeren Lastschwankungen wesentlich verbesser-te Regelgte bietet der Parallelverbund mehrerer Verdichter sowieTandemverdichter oder eine Aufteilung des Systems in mehreregetrennte Kreislufe. Bei diesen Lsungen besteht jedoch eben-falls die Gefahr erhhter Schalthufigkeit, falls entweder die Anfor-derungen an die Regelgenauigkeit sehr hoch sind oder sich derLeistungsbedarf sehr schnell ndern kann.In solchen Fllen ist eine Kombination mit integrierter Verdichter-Leistungsregelung (stufig oder stufenlos) mit entsprechenderSteuerung erforderlich.

Im Rahmen dieser Publikation werden nur Hubkolben-, Schrau-ben- und Scroll-Verdichter behandelt. Fr eine integrierte Leis-

tungsregelung werden verschiedene Verfahren ausgefhrt, diesich je nach Verdichtertechnologie grundlegend unterscheidenknnen:

3 Methods for compressorcapacity control

Of course, the simplest method is intermittent operation(ON/OFF), but depending on demand, this can lead to poor con-trol performance, strongly varying operating conditions, and highcycling rates, which result in low efficiency and a reduced servicelife of the compressor and other system components. Therefore,this operating mode should be restricted to systems with a highstorage capacity and/or a relatively constant load.

Considerably better control performance also with large load

variations is provided by parallel compounding of several com-pressors, with tandem compressors, or by splitting the systeminto several independent circuits. These solutions, however, alsoinvolve the risk of increased cycling rates, either if very high re-quirements are placed on control accuracy, or if the demand islikely to change very quickly.In such cases, a combination with integrated compressor capacitycontrol (in steps or stepless) is required, together with a corres-ponding control system.

The scope of this publ ication only covers reciprocating , screw,and scroll compressors. Various approaches are possible for inte-grated capacity control, which can be fundamentally different,

depending on the compressor technology used:

2 Systems for capacity control

Usually, a distinction is made between compressor capacity con-trol and a system integrated modulation, whereby control is ef-fected either by means of a bypass from the high-pressure to thelow-pressure side or by throttling the suction pressure. Energet-ically, the latter methods are unfavourable: With bypass control,the compressors power consumption under part load is onlyreduced slightly due to a small reduction of the condensing pres-sure, whilst throttling only reduces it in accordance with thechange in suction pressure. Depending on operating conditions,severe restrictions of the compressors application range are pos-sible. Apart from systems with highly specific requirements,

neither method is therefore recommended for general use.Consequently, they will not be discussed further in the followingexplanations.

In contrast to this, most methods for compressor capacity controlare highly efficient, whereby (in combination with an intelligentsystem control) an excellent potential for energy saving underpartial loads is given.

7/25/2019 a-600-5 BITZER

4/24

Hubkolbenverdichter

Abhebung der Saugventile Interner Bypass Vergrerung des Zylinder-Schadraums Reduzierung des Verdichtungshubs Absperrung des Ansaugkanals zu einzelnen

Zylindern oder Zylindergruppen Drehzahlregelung

Schraubenverdichter

Interner Bypass Interne Reglerkolben Parallel zur Rotorachse bewegter Regelschieber Drehzahlregelung

Scroll-Verdichter

Interner Bypass Intermittierendes Abheben der Spiralen Drehzahlregelung

Reciprocating compressors

Lifting of the suction valves Internal bypass Increase of cylinder clearance volume Reduction of compression stroke Blocking the intake ducts to individual cylinders

or cylinder groups Variable speed drive (VSD)

Screw compressors

Internal bypass Internal control pistons Control slider parallel to rotor shaft Variable speed drive (VSD)

Scroll compressors

Internal bypass Intermittent lifting of scroll sets Variable speed drive (VSD)

SchraubenverdichterScrew compressor

Ven ti la bh ebun g

Valve lifting

Interner BypassInternal bypass

Verdichter-Leistungsregelung

Compressor capacity control

Aus se tz be tr ie bON/OFF operation

Parallelschaltunggetrennter Kreislufe

Paralleling ofmult iple c ircuits

Mechanische LeistungsreglerMechanica l capacity control

Schadraum-RegelungClearance volume

control

HubverstellungStroke variation

Absper re n de sSaugkanals

Blocked suction

SteuerkolbenControl piston(s)

Interner Bypass

Internal bypass

RegelschieberSlider control

Interner Bypass

Internal bypass

Abhe be n de r Sp ir al enLifting of scroll set

ScrollverdichterScroll compressor

Tande mver di ch te rTand em co mpre ssor

EinzelverdichterSingle compressor Reciprocating compr.

Hubkolbenverdichter

ParallelverbundParallel compound

DrehzahlregelungVar ia bl e sp ee d dr ive

FrequenzumrichterFrequency inverter

polumschaltbarerMotor

Pole-switched motor

Regelgetr iebe(offener Verdichter)Modulating gear

(open drive)

Abb. 1 Bevorzugte Verfahren zur Verdichter-Leistungsregelung (bersicht) Fig. 1 Preferred methods for compressor capacity control (summary)

4

7/25/2019 a-600-5 BITZER

5/24

5

4 Kriterien zur Auswahl der

Verdichter-Leistungsregelung

Je nach System knnen die Anforderungen sehr unterschiedlichsein, wobei folgende Kriterien sorgfltig abgewogen werdensollten:

Qualitt der Regelung grob gestuft, fein gestuftoder stufenlos

Energieverbrauch (Leistungszahl) Kosten der gewhlten Lsung Betriebssicherheit Verdichter-E insatzbereich Mindestlaufzeiten des Verdichters Belastung des Stromnetzes

Bekanntlich ist der Energieverbrauch einer Klte-, Klima- oderWrmepumpenanlage ber den gesamten Lebenszyklus ein er-heblicher Faktor und bertrifft sehr hufig die Investitionskostenum ein Vielfaches. Dadurch und auch mit Blick auf die indirekteUmweltbelastung (CO2-Emission durch Energieerzeugung) ist eineoptimal an den Bedarf angepasste Leistungsregelung anzustreben.Je nach Speicherfhigkeit und Lastschwankungen des Systemsknnen Verfahren mit gestufter Regelung ausreichend sein, ausrein energetischer Sicht bieten stufenlose Verfahren die bessereLsung.

Auf den ersten Blick und zwar beim Vergleich stationrer Be-dingungen bei verschiedenen Lastzustnden lsst sich oftmalskein merkbarer Unterschied zwischen stufiger und stufenloserRegelung nachweisen. Allerdings ist bekannt und durch verglei-chende Untersuchungen belegt, dass das dynamische Verhaltenund die resultierende Wirtschaftlichkeit wesentlich von der Regel-gte bestimmt werden. Bei einer grob gestuften Regelung kommtes bei Leistungsreduzierung zu einem deutlichen Abfall der Ver-flssigungstemperatur. Hieraus resultiert eine Teilverdampfung derKltemittelflssigkeit (Bildung von Flash-Gas), deren Temperaturzunchst noch auf hohem Niveau liegt. Als Konsequenz ergebensich Strungen in der Einspritzregelung des Verdampfers und

nachteilige Auswirkungen auf Leistung und Wirtschaftlichkeit.Ebenso kommt es bei abrupter Leistungserhhung zu starkenSchwankungen im Regelkreis, u.a. zu einem deutlichen Abfall der

Verdampfungstemperatur, huf ig gekoppel t m it ungengenderSauggasberhitzung. In der Regel fhrt dies dann ber lngerePerioden zu starken Abweichungen von den optimalen Betriebs-bedingungen.

Allerdings gibt es auch bei Systemen mit hoher Regelgte Ein-schrnkungen hinsichtlich der minimalen Teillast. So ist z.B. inDirektexpansions-Systemen bei geringem Massenstrom im Ver-dampfer die Kltemittelverteilung nicht mehr optimal gewhrleis-tet. In diesen Fllen ist es notwendig, das System ab einer ge-

wissen Laststufe im Aussetzbetrieb zu betreiben auch ausGrnden der Betriebscharakteristik des Expansionsventils undeines gesicherten ltransports.

4 Selection criteria for

compressor capacity control

Depending on the system, the requirements can be very different,whereby the following criteria should be assessed carefully:

Control performance coarsely or finely stepped,or stepless

Energy consumption (coefficient of performance COP) Costs of selected solution Operating reliability Appl ication range o f the compressor Minimum compressor running time Loading of the power supply

It is known that the overall energy consumption of a refrigeration,air-conditioning or heat pump system during its service life is aconsiderable cost factor, and frequently is a m ultiple of the initialinvestment. Consequently, and with a view to indirect environmen-tal impact (CO2 emission due to power generation), optimumcapacity control should be aimed for, that is closely matched todemand. Depending on storage capacity and system load varia-tions, methods based on graduated control can be sufficient, butunder purely energetic considerations, stepless control is the bet-ter solution.

When comparing stationary conditions under different load situa-

tions, the first glance does not always show a noticeable differ-ence between stepped and stepless control. But comparativeinvestigations have shown that dynamic behaviour and the result-ing efficiency is highly dependent on control performance. Withcoarsely stepped control, a reduction of capacity leads to a signif-icant drop in condensing temperature. This results in partial evap-oration of the refrigerant (generation of flash gas), at a still hightemperature level. The consequences are disturb-ances in theevaporator injection control, and negative effects on performanceand efficiency. Similarly, abrupt increases in capacity lead tostrong fluctuations in the control circuit, including a considerablereduction of evaporation temperature, frequently coupled with

insufficient suction gas superheating. In general, and over longperiods, this leads to large deviations from the optimum operatingconditions.

Nonetheless, even systems with very good control performanceare subjected to restrictions regarding part loads. For example,with low mass flows in direct expansion systems an optimum dis-tribution of refrigerant in the evaporator is no longer ensured. Inthese cases, and below a certain load level, it is necessary tooperate the system intermittently at the lowest capacity level also because of the expansion valves operating characteristicsand to ensure a reliable oil supply.

7/25/2019 a-600-5 BITZER

6/24

Des Weiteren verlangt eine wirtschaftliche Teillast-Regelung eben-

falls eine kontrollierte Absenkung des Verflssigungsdrucks undeine Anhebung des Saugdrucks. Auerdem muss der Energiebe-darf fr Hilfsantriebe (Ventilatoren, Pumpen) genau bilanziert wer-den. Dies erfordert dann ebenfalls effiziente Regelsysteme frdiese Komponenten.

Moreover, efficient part load control also requires a controlled

reduction of condensing pressure and a higher suction pressure.In addition, the energy demand of auxiliary drives (fans, pumps)must be determined precisely, which means that these compo-nents will also require an efficient control system.

5 Verdichter mit integrierter(mechanischer) Leistungsregelung

In Kapitel 3 sind verschiedene Verfahren zur Verdichter-Leis-tungsregelung aufgelistet. Aus Grnden der bersichtlichkeit wer-den im Folgenden nur die am hufigsten eingesetzten Konstruk-tionen eingehender behandelt.

5.1 Hubkolbenverdichter

Bei dieser Verdichterbauart werden berwiegend Verfahren zurZylinderabschaltung verwendet. Sie lassen sich kostengnstigausfhren, setzen jedoch in der Regel Mehrzylinder-Bauweise vor-aus. Die mglichen Leistungsabstufungen hngen von der kon-struktiven Ausfhrung ab. Mit 4-, 6- und 8-Zylinderverdichtern

werden meistens zwei Zylinder pro Laststufe geschaltet, wodurchsich dann Stufen von (25) 50 (75) 100% bzw. 33 66 100%ausfhren lassen. In Verbindung mit Tandemverdichtern oder beiParallelschaltung ist eine noch feinere Abstufung mglich.

Bei Groverdichtern fr die industrielle Anwendung kommen bli-cherweise Systeme zum Anheben der Saugarbeitsventile (Ring-ventile) zum Einsatz, die Ansteuerung erfolgt hydraulisch berldruck. Der von den betreffenden Zylindern angesaugte Volu-menstrom wird beim Aufwrtshub wieder zur Saugseite gefrdert.Damit arbeitet der Zylinder quasi im Leerlauf ohne aktive Gasfr-derung. Diese Art der Regelung kann auch als Anlaufentlastungverwendet werden. Das System ist sehr wirtschaftlich, energeti-

sche Verluste entstehen nur durch die mechanische Reibarbeitund das Ventilieren des Sauggases.

In halbhermetischen Verdichtern lterer Konstruktion wurden hu-fig Lsungen mit integrierter Bypass-Schaltung ausgefhrt. Hierwird in den zu entlastenden Zylindern eine ber Ventile gesteuerte

Verbindung zwischen Hoch- und Niederdruckkammer hergestell tund die Gasfrderung dadurch unterbrochen. Ein zustzlichesRckschlagventil auf der Hochdruckseite verhindert dabei eineRckstrmung von bereits verdichtetem Gas. Dieses Konstruk-tionsprinzip ist relativ einfach, allerdings ist die Effizienz durchhohe Strmungsverluste im Bypass-Betrieb relativ ungnstig.

Auerdem ist die thermische Belastung der Verdichter im Teillas t-

betrieb sehr hoch und damit der Anwendungsbereich stark einge-schrnkt.

5 Compressors with integrated(mechanical) capacity control

Various capacity contro l methods have been listed in Chapter 3.For better clarity, the following explanations will deal in more detailwith the most frequently used designs only.

5.1 Reciprocating compressors

Primarily, for this compressor type cylinder unloading methodsare used. Their construction is relatively low in cost, but they usu-ally require a multi-cylinder compressor. The achievable capacitygraduations depend on the constructional design. With 4, 6, and8-cylinder compressors, it is usual to operate two cylinders per

load stage, which permits graduations of (25) 50 (75) 100%or 33 66 100%. Even finer graduations are possible in combi-nation with tandem compressors or with parallel operation.

For large industrial compressors, it is common to use systemsfor lifting the suction valves (ring valves), whereby actuation ishydraulic using oil pressure. The volume flow drawn in by the rele-vant cylinders is discharged into the suction side on the upwardstroke. In this way, the cylinder is practically idling without activegas transport. This type of control can also be used for unloadedstarting. The method is highly efficient, with energy losses onlyoccurring through the mechanical friction work and the suctiongas ventilation.

With older semi-hermetic compressor types, solutions with anintegrated bypass circuit were often used. Hereby, a valve-con-trolled connection between high- and low-pressure chambers isestablished in the cylinders to be relieved, which interrupts thegas flow. An additional check valve on the high-pressure side pre-vents a reverse flow of already compressed gas. This design prin-ciple is relatively simple, but efficiency is unfavourable due to thehigh flow losses during bypass operation. Furthermore, the com-pressors thermal stress under part loads is very high, whichgreatly limits the application range.

6

7/25/2019 a-600-5 BITZER

7/24

Eine weitere Variante ist die sog. Schadraum-Regelung. Bei

diesem Verfahren wird ein zustzlicher Druckraum im Zylinderkopfeingebracht, der ber ein gesteuertes Ventil mit dem Zylinder ver-bunden werden kann. Hierdurch entsteht dann ein vergrerterSchadraum. Bei der Verdichtung wird ein Teil des Gasstroms indiese Kammer gefrdert, beim Abwrtshub kommt es dann wie-der zur Rckstrmung dieses auf hohem Druck stehenden Gasvo-lumens. Dadurch kann die Zylinderfllung fr den normalen Ver-dichtungsvorgang wesentlich reduziert werden. Das System bietetden potenziellen Einsatz bei Verdichtern mit weniger als vier Zylin-dern. Allerdings fhren die hohen Rckexpansionsverluste zueinem strkeren Abfall im Teillast-Wirkungsgrad. Hinzu kommt,dass die Laststufen je nach Druckverhltnis sehr unterschiedlichsind. So kann z.B. bei kleinen Druckverhltnissen nur eine geringe

Leistungsreduzierung erreicht werden.

Bei hermetischen Verdichtern kommt auch ein Konzept zum Ein-satz, bei dem durch mechanische Hubverstellung die Verdichter-leistung reduziert werden kann. Bei einem 2-Zylinderverdichterwird bei Drehrichtungswechsel ein Hubzapfen der Exzenterwelle ineine zentrische Position geschwenkt und dabei der Hub auf Nullreduziert. Der Verdichter frdert dann nur noch auf einem Zylinder.Das Verfahren ist sehr effizient, nachteilig sind die komplexe Me-chanik sowie eine hohe Schalthufigkeit von Verdichter und Motormit jeweiligem Drehrichtungswechsel.Offene Verdichter fr PKW-Klimatisierung werden ebenfalls mitHubverstellung ausgefhrt. Hierbei handelt es sich um Schwenk-

oder Taumelscheibenverdichter, deren Konstruktionsprinzip sichbesonders fr diese Anwendung, jedoch weniger fr stationreSysteme eignet.

L

N

L

N

Teil -LastPart load

DL

SL

DL

SL

Vol l-LastFull load

Another version is clearance volume control. With this

method, the cylinder head contains an additional pressure cham-ber, which can be connected with the cylinder by means of a con-trolled valve. This results in a larger clearance volume. Duringcompression, part of the gas flow is diverted to this chamber,from where it returns into the cylinder under high pressure on thepiston downstroke. This enables the cylinder volume to be re-duced considerably during normal compressor operation. Thesystem lends itself for use on compressors with fewer than fourcylinders. However, the high re-expansion losses lead to an in-creased drop in part-load efficiency. Whats more, the load stepsdiffer considerably, depending on the pressure ratio. For example,only a small capacity reduction is achievable with small pressureratios.

With hermetic compressors, another concept is used as well,involving a mechanically variable stroke to reduce compressorcapacity. In a 2-cylinder compressor one crank pin of the eccen-tric shaft rotates to a center position as the direction of rotationchanges, thus reducing the stroke to zero. In this case only onecylinder is in operation. This method is very efficient, disadvan-tages are the complex mechanics and the high cycling frequencyof compressor and motor due to the changes in rotation direction.Open compressors for automotive AC systems are also operatedwith a variable stroke. Hereby, swash plate or wobble plate com-pressors are used, whose design principle is particularly suitablefor this application, but less for stationary systems.

Abb. 2 Aufbau und Funktion der Zylinderabscha ltung durch Abspe rrendes Saugkanals (Beschreibung Seite 8)

Fig. 2 Design and function of cylinder cutoff by blocking thesuction channel (description page 8)

7

7/25/2019 a-600-5 BITZER

8/24

Die am hufigsten eingesetzte integrierte Leistungsregelung fr

Verdichter in gewerblichen Anwendungen ist die Zyl inderabscha l-tung durch Absperren des Ansaugkanals zu einzelnen Zylindernoder Zylindergruppen (Abb. 2). Dieses Konzept wurde von BITZERbereits in den 1970er-Jahren entwickelt und hat inzwischen durchstetige Verbesserung einen unvergleichlich hohen Qualittsstanderreicht.

Im Volllastbetrieb frdert der Verdichter auf allen Zylindern; dieMagnetspule ist stromlos. Dabei sind alle Gaskanle in Ventilplatteund Zylinderkopf sowie der Steuerkolben zur Leistungsregelung inoffener Position (Abb. 2, linke Darstellung).

Fr den Teillastbetrieb wird die Magnetspule angesteuert unddamit der Anker angehoben. In der Folge wird der Steuerkolben

mit Hochdruck beaufschlagt, bewegt sich nach unten und ver-schliet die gemeinsame Ansaugbohrung in der Ventilplatte.Dadurch wird der Gasfluss unterbrochen und die betreffendenKolben laufen ohne Gasdruck leer mit. Der Wirkungsgrad dieserRegelung ist auerordentlich hoch, da lediglich die mechanischeReibarbeit durch Bewegung der Kolben von Einfluss ist.

Neu ist das von BITZER weiterentwickelte CRII-System. Kernele-ment dieses Leistungsreglers ist ein spezieller Steuerkolben mitHohlkrperstruktur. Mit dieser Ventilkonstruktion lsst sich e ineerhhte Schaltfrequenz realisieren. Bei Ansteuerung ber einenangepassten Regel-Algorithmus ermglicht dies eine feinstufige(quasi stufenlose) Leistungsregelung, die je nach Betriebsbedin-

gungen und Kltemittel einen Regelbereich von 100% bis zu 10%abdecken kann.

CR1

Regler stromlos

Regler angesteuert (100%)

Regler periodisch angesteuert(Taktdauer abhngig vom Lastzustand)

Control unit de-energized

Control unit energized (100%)

Control unit periodically triggered(cycle period depends on load condition)

CR2

100%

>50%

50%

CR1 CR2

Regel-Algorithmus

Control algorithm

50 Hz), and is therefore unable to provide its full torque.But provided that the motor still has sufficient power reservesunder the compressors maximum operating conditions (approx.25% up to 60 Hz), this layout can even be advantageous. In caseof an inverter failure, emergency operation directly from the powersupply is possible.

However, if the motor is already loaded with maximum torque dur-ing normal conditions, a motor with special voltage is necessary.Occasionally, so-called voltage boosters are used, whereby the

motors voltage limits must be observed. With special motors, anddepending on design and/or permissible compressor speedrange, the following motor options are possible (based on theabove 400V-3-50Hz supply):

400V-3-60Hz (voltage/frequency curve: see Fig. 8 < B >) use up to 60 Hz (+20% motor speed) with full motor torque

230V-3-50Hz (voltage/frequency curve: see Fig. 8 < C >) use up to 87 Hz (+73% motor speed) with full motor torque

max. permissible compressor speed must be observed

Bei Leistungsregelung mittels Frequenzumrichter sind einige prin-

zipielle Zusammenhnge zu bercksichtigen. Im Falle von Asyn-chronmotoren wird die Drehzahl von der Polzahl des Motors undder Netzfrequenz bestimmt. Bei konstanter Polzahl (Standardmo-toren) ndert sich die Drehzahl proportional zur Frequenz.

Einfluss von Polzahl (Anzahl der Polpaare) und Frequenz (f) aufdie Drehzahl (n):

Hierbei ist jedoch gleichzeitig eine Vernderung der Eingangs-spannung erforderlich, um den Magnetfluss entsprechend anzu-

passen. Die notwendige Spannungsnderung steht aber wiede-rum im Zusammenhang mit der Drehmomentcharakteristik deranzutreibenden Einheit.

Verdrngermaschinen, wie z.B. Hubkolben-, Schrauben- undScroll-Verdichter, haben bei definierten Betriebsbedingungen einennahezu konstanten Drehmomentbedarf ber den gesamten Dreh-zahlbereich. Mit Blick auf die magnetischen Verhltnisse mssendeshalb Spannung und Frequenz proportional verndert werden:

In diesem Zusammenhang ist jedoch zu bercksichtigen, dass

bliche Frequenzumrichter keine hhere Ausgangsspannung zumMotor als die Netzspannung bereitstellen knnen. Dies bedeutet,dass ein fr die Netzspannung ausgelegter Motor (z.B. 400V-3-50Hz) bei bersynchronem Betrieb (> 50 Hz) mit Unterspannung(400 V konstant) versorgt wird und deshalb nicht mehr das volleDrehmoment aufbringen kann. Sofern jedoch der Motor bei denmaximalen Betriebsbedingungen des Verdichters noch gengendLeistungsreserve aufweist (ca. 25% bei Einsatz bis 60 Hz), kanndiese Auslegung sogar vorteilhaft sein. Im Falle e iner Strung amUmrichter ist dann ein Notbetrieb direkt am Netz mglich.

Wird hingegen der Motor bei Standardbedingungen bereits biszum maximalen Drehmoment ausgelastet, ist ein Motor m it

Sonderspannung erforderlich. Teilweise werden auch sog. Span-nungs-Booster verwendet die Spannungsgrenze des Motors istdabei zu beachten. Bei Sondermotoren bieten sich je nach Ausle-gung und/oder zulssigem Drehzahlbereich des Verdichters fol-gende Motoroptionen an (bezogen auf o.g. Netzversorgung400V-3-50Hz):

400V-3-60Hz (Spannungs-/Frequenzverlauf: Abb. 8 < B >) Einsatz bis 60 Hz (+20% Motordrehzahl) bei vollem

Motordrehmoment

230V-3-50Hz (Spannungs-/Frequenzverlauf: Abb. 8 < C >) Einsatz bis 87 Hz (+73% Motordrehzahl) bei vollem

Motordrehmoment maximal zulssige Drehzahl desVerdichters ist dabe i zu beachten

nMotor =

nSchlupfAnzahl Polpaare

f x 60

Verhltnis Spannung / Frequenz [U/f] konstant

nmotor =

nslipNumber of pole pairs

f x 60

Ratio of voltage / frequency [U/f] constant

17

7/25/2019 a-600-5 BITZER

18/24

Alle BITZER Verdichter sind konstruktiv fr bersynchronen

Betrieb ausgelegt und knnen ebenfalls bis zu sehr niedrigen Fre-quenzen (20 30 Hz, abhngig von Verdichterbauart und Einsatz-bedingungen) und damit ber ein besonders breites Leistungs-spektrum betrieben werden. Weitere Erluterungen hierzu siehenachfolgenden Abschnitte und die am Schluss des Artikels aufge-listeten ergnzenden Informationsschriften.

Entwicklungsschritte und Betriebserfahrungen

BITZER Verdichter werden seit mehr als 20 Jahren in grerenStckzahlen mit Frequenzumrichtern zur Drehzahlregelung inverschiedensten Anwendungen eingesetzt. Nachfolgend eineZusammenfassung der Entwicklungsschritte und gewonnenen

Betriebserfahrungen.In der ersten Entwicklungsphase von Umrichtern war die Zuver-lssigkeit der Leistungselektronik noch unzureichend fr diebesonders hohen Anforderungen im Bereich der Klte- und Kli-matechnik. Auerdem lagen die Kosten teilweise beim Mehr-fachen des Verdichterpreises. Dennoch hat BITZER schon sehrfrh die Vorteile dieser Technologie erkannt und bereits ab 1984mit umfangreichen Tests begonnen und auf der damaligen IKK-Messe ein Funktionsmodell mit einem halbhermetischen Schrau-benverdichter gezeigt.

Der erste Flssigkeitskhlsatz mit zwei frequenzgeregelten Schrau-benverdichtern (HSK7061-80) zur Klimatisierung eines Broge-

budes in Mnchen wurde 1987 in Betrieb genommen. Schon einJahr zuvor kamen die ersten halbhermetischen 4- und 6-Zylinder-Hubkolbenverdichter mit Frequenzumrichter fr die Klimatisierungvon Reisezugwagen zum Einsatz. Die Motoren fr diese spezielle

Anwendung wurden mi t Rechteckspannung an Stelle der blichenSinusspannung versorgt.

50Frequenz Frequency [Hz]

60 70 80 8740302010

Spannung

V

oltage[V]

A B C400

300

200

100

0

Nominelle Motorspannung:Nominal Motor Voltage:

A:

B:

C:

400 V-3-50 Hz

400 V-3-60 Hz

230 V-3-50 Hz

0

Abb. 8 Spannungs- und Frequenzverhltnisse bei konstantem Drehmoment(Netzversorgung 400V-3-50Hz)

Fig. 8 Voltage/frequency relationships for constant torque(power supply 400V-3-50Hz)

All BITZER compressors are designed for supersynchronous oper-

ation, and can also be run at very low frequencies (20 30 Hz,depending on compressor type and operating conditions), whichgives them a particularly wide capacity range. Additional informa-tion is given in the following sections and in the supplementarydocumentation listed at the end of this article.

Development steps and operational experience

For more than 20 years, large numbers of BITZER compressorshave been used with frequency inverters for speed control in mostvaried applications. Below is a summary of the development stepsand the acquired operational experience.

During the first development phase of inverters, the reliability ofthe power electronics was insufficient for the particularly highdemands in the refrigeration and air-conditioning fields. Moreover,the costs were sometimes a multiple of the compressor price.Nonetheless, BITZER recognized the advantages of this technolo-gy very early, and started with comprehensive tests in 1984, andexhibited a functional model with a semi-hermetic screw compres-sor at that years IKK exhibition.

The firs t l iquid chill er unit with two frequency-con trolled screwcompressors (HSK7061-80) was commissioned in 1987 for theair-conditioning system of an office building in Munich. But alreadyone year earlier, the first semi-hermetic 4 and 6-cylinder recipro-

cating compressors with frequency inverters had been installed inrailway passenger cars. The motors for this special applicationwere energized with square-wave voltage instead of the usualsine-wave supply.

18

7/25/2019 a-600-5 BITZER

19/24

Abb. 9 Frequenzgeregelter Schraubenverdichter CSVH/CSVW Fig. 9 Frequency-controlled screw compressor CSVH/CSVW

One noteworthy innovation was the development of hermetic

screw compressors (VSK31) for inverter operation in a frequencyrange of 20 to 87 Hz (1200 to 5200 rpm). Moreover, it is hardlyknown that these compressors have been operated in the ICEtrains of the Deutschen Bahn since 1988, and have meanwhileproved their reliability in numerous other projects.

The recent deve lopment project invo lves a new generat ion of fre-quency-controlled screw compressors for liquid chillers and heatpumps. The decisive feature of these compressors is the previ-ously unmatched large control range (up to > 1 : 6) for highestefficiencies in systems with heavily varying load conditions. Theintegrated refrigerant-cooled frequency inverter is extremely com-pact and requires no special service.

Another feature is the inte lligent moni toring and cont rol of thecompressors. This also involves communication with the systemcontrol via Modbus.

Detailed information on this compressor series and its applicationcan be found in the brochures SP-160 and SP-162.

Already since the ear ly 90s, countless compounded systems withreciprocating and screw compressors have been fitted with fre-quency inverters. In most of these systems, only the lead com-pressor is frequency controlled. Together with intermittent opera-tion and/or stepped control of the parallel compressors, thisarrangement provides a very cost-effective solution with goodcontrol performance.

Eine besondere Innovation war die Entwicklung von hermetischen

Schraubenverdichtern (VSK31) fr Umrichterbetrieb in einem Fre-quenzbereich von 20 bis 87 Hz (1200 bis 5200 min-1). Es ist bis-her wenig bekannt, dass diese Verdichter schon seit 1988 in denICE Zgen der Deutschen Bahn betrieben werden und sich inzwi-schen in vielen weiteren Projekten bewhrt haben.

Beim jngsten Entwicklungsprojekt handelt es sich um eine neueGeneration frequenzgeregelter Schraubenverdichter fr Flssig-keitskhlstze und Wrmepumpen. Wesentliches Merkmaldieser Verdichter ist der bisher unerreicht groe Regelbereich(bis > 1 : 6) fr hchste Wirkungsgrade in Systemen mit stark ver-nderlichen Lastbedingungen. Der integrierte kltemittelgekhlteFrequenzumrichter baut besonders kompakt und bedarf keiner

speziellen Wartung.Eine Besonderheit ist auch die intelligente berwachung undSteuerung der Verdichter. Dies umfasst ebenfalls die Kommunika-tion mit dem Systemregler mittels Modbus.

Eine detaillierte Beschreibung ber diese Verdichterbaureihe undderen Anwendung wird in den Prospekten SP-160 und SP-162abgehandelt.

Bereits seit den frhen 90er-Jahren werden Verbundanlagen mitHubkolben- und Schraubenverdichtern in grerer Anzahl mit Fre-quenzumrichtern ausgerstet. Dabei sind die Systeme meistensso aufgebaut, dass nur der Grundlastverdichter frequenzgeregeltwird. Diese Auslegung ermglicht in Verbindung mit Aussetzbe-

trieb und/oder gestufter Regelung der parallel betriebenen Ver-dichter eine sehr kostengnstige Lsung mit hoher Regelgte.

19

7/25/2019 a-600-5 BITZER

20/24

Bei der Entwicklung der OCTAGON Baureihe (Markteinfhrung

beginnend ab 1998) wurde durch eine besondere konstruktiveAusfhrung bereits die Bas is fr den Betrieb in einem nach obenerweitertem Drehzahlbereich gelegt. Die Manahmen umfassenneben der 4-Zylinderbauweise bei relativ kleiner Leistungsgreeinen optimierten Massenausgleich, kurzen Kolbenhub sowie e inspezielles Schmiersystem. Diese Konzeption ermglicht denbetriebssicheren und effizienten Betrieb auch weit oberhalb derSynchrondrehzahl und ist damit beste Voraussetzung fr denkostengnstigen Einsatz von Frequenzumrichtern.

Ein besonderes Projekt im Rahmen dieser Entwicklung betriffteinen 2-stufigen Verdichter in Leichtmetallbauweise (Abb. 10), derspeziell fr frequenzvariablen Antrieb ausgelegt ist. Der Umrichter

ist direkt am Verdichter angebaut und wird durch Mitteldruckgasgekhlt; Fremdkhlung ist deshalb nicht erforderlich. Dieser Ver-dichter wurde gezielt auf die besonderen Bedingungen beim Ein-satz in Khl-Containern auf Schiffen ausgelegt. Der Anwendungs-bereich reicht von Klima- bis Tiefkhlung ber einen Drehzahlbe-reich von 600 2900 min-1 (20 bis 100 Hz) und ermglicht damiteine bei dieser Anwendung bisher unerreichte Regelgte und Effi-zienz. Inzwischen sind schon deutlich ber 100.000 dieser Ver-dichter rund um die Welt in Khl-Containern im Einsatz. Betriebs-ergebnisse und Zuverlssigkeit sind auerordentlich gut.

During development of the OCTAGON series (market introduction

starting 1998) a special design was the basis for operation withan upwards extended speed range. Apart from the 4-cylinderdesign with relatively low capacity, these measures included opti-mized mass balance, short stroke, and a special lubricating sys-tem. This approach permits safe and efficient operation well abovethe synchronous speed, and is therefore the best prerequisite forthe cost-effective use of frequency inverters.

One special project within the scope of this development in-volved a 2-stage compressor in light alloy construction (Fig. 10)that is designed specifically for variable-frequency operation. Theinverter is mounted directly to the compressor, and is cooled bymeans of intermediate pressure refrigerant i.e. separate cooling

is not necessary. This compressor was designed specifically tomeet the special requirements for use with refrigerated containerson ships. Its application range varies from high to low temperaturewithin a speed range of 600 2900 rpm (20 to 100 Hz), whichenables it to achieve previously unknown levels of control per-formance and efficiency. Meanwhile, considerably more than100,000 of these compressors are in worldwide use with refriger-ated containers. Operational results and reliability are exceptional-ly good.

Abb. 10 Halbhermetischer 2-stufiger Kolbenverdichter mit angebautemFrequenzumrichter

Fig. 10 Semi-hermetic reciprocating compressor with directly mountedfrequency inverter

20

7/25/2019 a-600-5 BITZER

21/24

In the meantime, also the compressor series VARISPEED has

been developed with directly mounted suction gas cooled inverters.This deve lopment is based on long experiences with inverter solu -tions which were installed separately from the compressor, andparticularly on the approved concept for 2-stage compressors forcontainer units, as described before. Due to this inverter designwhich was especially adapted to the compressors, the speedrange could be extended upwards to a frequency spectrum of87 Hz.

The compressors ser ies is also used in the ECOSTAR condensingunits (Fig. 12), which are especially characterized by its easy in-stallation (important parameters are pre-configured), its precisecontrol accuracy, and its low energy consumption.

Similarly, BITZER scroll compressors have already been designedfor an extended speed range. Following extensive laboratory tests,a considerable number of compressors with frequency invertershave been in operation for quite a while. The operating results areexceptionally good, and part-load efficiencies are significantly bet-ter than with the methods described in Section 5.3.

Inzwischen wurde auch die Verdichterserie VARISPEED mit direkt

angebautem sauggasgekhltem Umrichter entwickelt. Diese Ent-wicklung sttzt sich auf die langjhrige Erfahrung mit getrenntvom Verdichter aufgestellten Umrichter-Lsungen, im Besonderenaber auf das zuvor beschriebene erprobte Konzept bei 2-stufigen

Verdichtern fr Conta iner-Khlstze. M it dieser speziell auf dieVerdichter abgestim mten Umrichteraus legung konnte auch derDrehzahlbereich nach oben erweitert werden und umfasst jetzt einFrequenzsprektum bis 87 Hz.

Die Verdichterbaureihe wird ebenfalls in den ECOSTAR Verflssi-gungsstzen (Abb. 12) eingesetzt, die sich besonders durch ein-fache Installation (wichtige Parameter sind vorkonfiguriert), hoheRegelgenauigkeit und geringen Energiebedarf auszeichnen.

BITZER Scrollverdichter wurden ebenfalls bereits konstruktivfr einen erweiterten Drehzahlbereich ausgelegt. Nach umfangrei-chen Labortests ist seit einiger Zeit eine grere Anzahl von Ver-dichtern mit Frequenzumrichtern im Einsatz. Die Betriebsergeb-nisse sind auerordentlich gut und die Teillast-Wirkungsgradedeutlich gnstiger als bei den unter Abschnitt 5.3 beschriebenen

Verfahren.

Abb. 11 ECOLINE VARISPEED Verdichter mit angebautem Frequenzumrichter Fig. 11 ECOLINE VARISPEED compressor with directly mountedfrequency inverter

21

7/25/2019 a-600-5 BITZER

22/24

Zusammenfassung

Die Vielzahl von Anwendungen und die positiven Erfahrungen bermehr als 20 Jahre beim Einsatz von Kolben-, Schrauben- undScroll-Verdichtern mit Frequenzumrichtern zeigen, dass es sichhier um eine bei BITZER erprobte Technologie handelt. Gleichzei-tig besttigt sich darin auch die fhrende Rolle bei der Entwick-lung dieses fortschrittlichen Verfahrens zur Leistungsregelung.

Im Rahmen der stetigen Weiter- und Neuentwicklungen vonBITZER Verdichtern wurden jeweils auch die Anforderungen frden effizienten Einsatz der Umrichtertechnik bercksichtigt.Damit steht heute eine unvergleichlich umfassende Palette anProdukten zur Verfgung, die bereits in Tausenden von mobilenund stationren Anlagen weltweit im Einsatz sind.

Ausblick

Die von BITZER entwickelte konstruktive Lsung mit direkt amVerdichter angebautem kl temittelgekhltem Frequenzumrichterist eine besonders wirtschaftliche, zuverlssige und einfach anzu-wendende Technologie. Eine sukzessive Erweiterung der Modell-paletten wurde bereits eingeleitet.

Dieses Konzept eignet sich auch in hervorragender Weise fr denknftigen Einsatz neuer Motortechnologien, an deren Entwicklungund spezifischer Anpassung schon mehrere Jahre intensiv gear-beitet wird. Die Kompaktschrauben der CSVW Baureihe sind

bereits mit Permanentmagnet-Motoren ausgerstet.

Summary

The great number of applicat ions , and the posi tive experiencesgathered during the more than 20-year operation of reciprocat-ing, screw, and scroll compressors with frequency inverters haveshown that this technology is well proven at BITZER. At the sametime, it also confirms the leading role played during developmentof this advanced method for capacity control.

In the course of permanent further and new developments forBITZER compressors, the demands for efficient application of theinverter technology were also taken into account. As a result, anincomparably comprehensive range of products is available today,which are working reliably all over the world in mobile and station-ary systems.

Outlook

The constructive solut ion deve loped by BITZER, with refr igerant -cooled frequency inverter mounted directly to the compressor, isa highly economical, reliable and easy-to-use technology. The gra-dually expansion of the model ranges has already been initiated.

This concept is also perfectly suited to the future use of newmotor technologies that have been undergoing intense develop-ment and specific adaptations for several yea rs already. Compactscrews of the CSVW series are already equipped with permanentmagnet motors.

22

7/25/2019 a-600-5 BITZER

23/24

Abb. 12 ECOSTAR Verflssigungssatz mit Frequenzregelung undintelligenter Steuerung

Fig. 12 ECOSTAR Condensing Unit with frequency modulation andintelligent control

Ergnzende Informationen zum Antrieb von BITZER

Verdichtern mit Frequenzumrichtern(siehe auch http://www.bitzer.de)

Hubkolbenverdichter ECOLINE VARISPEED

Prospekt KP-102

Technische Information KT-420

ECOSTAR Verflssigungsstze

Prospekt KP-210

Sonderausgabe KV-0801-D-GB

Kompakt-Schraubenverdichter CSVH/CSVW

Prospekte SP-160, SP-162

ORBIT Scroll-Verdichter

Prospekt ESP-132

Supplementary information on the operation of BITZER

compressors with frequency inverters(also see http://www.bitzer.de)

Reciprocating compressors ECOLINE VARISPEED

Brochure KP-102

Technical Information KT-420

ECOSTAR Condensing Units

Brochure KP-210

Special issue KV-0801-D-GB

Compact screw compressors CSVH/CSVW

Brochures SP-160, SP-162

ORBIT Scroll compressors

Brochure ESP-132

23

7/25/2019 a-600-5 BITZER

24/24

BITZER Khlmaschinenbau GmbHEschenbrnn lest rae 15 // 71065 Sindel finge n // Germ any

T l 49 (0)70 31 932 0 // F 49 (0)70 31 932 147