20

40

60

80 100

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18020

40

60

80 100

120

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180

40

60

8

CR FUVSD

CompetenCe in

CapaCity ConTrol

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KompETEnz in lEiSTunGSrEGElunG

Kälte-, Klima- und Wärmepumpenanlagen müssen hinsichtlichder benötigten Kälteleistung (Wärmeleistung) auf die maximalenBetriebsbedingungen, d.h. auf den größten Temperaturhub aus-gelegt werden. Dies führt dazu, dass sie für alle anderen Be-triebszustände zu groß dimensioniert sind, also zu viel Leistunganbieten.

Dieser Leistungsüberschuss kann durch periodisches Abschal-ten des Verdichters ausgeglichen werden. Nachteilig ist dabei,dass sich auf der Sekundärseite häufig starke Temperatur-schwankungen einstellen, die sich besonders bei kurzen Lauf-zeiten auf die System-Effizienz und Betriebssicherheit auswir-ken. Abgesehen davon wird der Grad der Leistungsreduzierungdurch die zur Verdichter- und Verdampferregelung notwendigenMindestbetriebszeiten begrenzt.

Wesentliche Verbesserungen werden durch den Einsatz vonSystemen zur Leistungsregelung erreicht. Hierzu stehen ver-schiedene Verfahren zur Verfügung, die sich durch folgendeMerkmale unterscheiden können:

❏ Qualität der Regelgenauigkeit – darunter ist der Anpas-sungsgrad der erzeugten Kälteleistung (Wärmeleistung) an den wirklichen Bedarf zu verstehen

❏ Leistungszahl (COP) / System-Effizienz❏ Systemkosten❏ Betriebssicherheit

In terms of required cooling (heating) capacity, refrigeration, air-conditioning, and heat pump systems must be designed tocope with the maximum operating conditions, i.e. for highesttemperature lift. Consequently, they are over-dimensioned forall intermediate operating conditions, and therefore offer toomuch capacity.

This excess capacity can be compensated by periodically switch-ing off the compressors. However, a major disadvantage of this approach is that large temperature variations frequentlyoccur on the secondary side, which have a negative effect onsystem efficiency – in particular with short operating periods.Moreover, the degree of capacity reduction is limited by theminimum operating times dictated by the compressor and eva-porator control systems.

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

❏ Quality of control accuracy – which involves adaptation of the generated cooling (heating) capacity to the actualdemand

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

2 A-600-3

Inhalt

1 Einleitung 1 Introduction

02 1 Einleitung

03 2 Systeme zur Leistungsregelung

03 3 Verfahren zur Verdichter-Leistungsregelung

05 4 Kriterien zur Auswahl der Verdichter-Leistungsregelung

06 5 Verdichter mit integrierter (mechanischer) Leistungsregelung

13 6 Parallelbetrieb von Verdichtern und Systemen

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 compressor capacity control

06 5 Compressors with integrated (mechanical) capacity control

13 6 Parallel operation of compressors

15 7 Variable speed drive (VSD)

Page Contents

Usually, a distinction is made between compressor capacitycontrol and a system integrated modulation, whereby control iseffected either by means of a bypass from the high-pressure tothe low-pressure side or by throttling the suction pressure.Energetically, the latter methods are unfavourable: With bypasscontrol, the compressor’s power consumption under part loadis only reduced slightly due to a small reduction of the condens-ing pressure, whilst throttling only reduces it in accordance withthe change in suction pressure. Depending on operating condi-tions, severe restrictions of the compressor’s application rangeare possible. Apart from systems with highly specific require-ments, neither method is therefore recommended for generaluse. Consequently, they will not be discussed further in the fol-lowing explanations.

In contrast to this, most methods for compressor capacity con-trol are highly efficient, whereby (in combination with an intelli-gent system control) an excellent potential for energy savingunder partial loads is given.

Im Allgemeinen wird zwischen Verdichter-Leistungsregelungund einer im System integrierten Regelung unterschieden, beider entweder durch Bypass von der Hoch- zur Niederdruckseiteoder Drosselung des Saugdrucks eine Anpassung der Leistungerfolgt. Letztere Verfahren sind energetisch ungünstig: Bei einerBypass-Regelung reduziert sich die Leistungsaufnahme desVerdichters bei Teillast nur wenig durch eine geringe Absenkungdes Verflüssigungsdrucks, bei einer Drosselung des Ansaug-stroms nur entsprechend der Veränderung des Saugdrucks. Je nach Betriebsbedingungen kann es auch zu stärkeren Ein-schränkungen im Einsatzbereich des Verdichters kommen. Ab-gesehen von Systemen mit sehr spezifischen Anforderungenwerden beide Methoden nicht für die allgemeine Anwendungempfohlen. Sie werden deshalb im Rahmen der folgendenAusführungen nicht näher betrachtet.

Im Gegensatz hierzu sind die meisten Verfahren zur Verdichter-Leistungsregelung sehr wirtschaftlich, wodurch in Verbindungmit einer intelligenten Systemsteuerung ein hohes Potential zurEnergieeinsparung bei Teillastbetrieb verfügbar ist.

3A-600-3

2 Systeme zur Leistungsregelung

Die einfachste Methode ist bekanntlich der Aussetzbetrieb(ON/OFF), der allerdings je nach Lastanforderung eine ungenü-gende Regelgüte, stark schwankende Betriebsbedingungen,hohe Schalthäufigkeit und damit auch ungenügende Wirtschaft-lichkeit und reduzierte Lebensdauer von Verdichter und anderenSystemkomponenten zur Folge haben kann. Diese Betriebs-weise sollte deshalb auf Anlagen mit hoher Speicherkapazitätund/oder relativ konstanter Leistung beschränkt werden.

Eine auch bei stärkeren Lastschwankungen wesentlich verbes-serte Regelgüte bietet der Parallelverbund mehrerer Verdichtersowie Tandemverdichter oder eine Aufteilung des Systems inmehrere getrennte Kreisläufe. Bei diesen Lösungen bestehtjedoch ebenfalls die Gefahr erhöhter Schalthäufigkeit, falls ent-weder die Anforderungen an die Regelgenauigkeit sehr hochsind oder sich der Leistungsbedarf sehr schnell ändern kann. In solchen Fällen ist eine Kombination mit integrierter Verdich-ter-Leistungsregelung (stufig oder stufenlos) mit entsprechenderSteuerung erforderlich.

Im Rahmen dieser Publikation werden nur Hubkolben-, Schrau-ben- und Scroll-Verdichter behandelt. Für eine integrierte Leis-tungsregelung werden verschiedene Verfahren ausgeführt, die sich je nach Verdichtertechnologie grundlegend unterscheidenkönnen:

3 Verfahren zur Verdichter-Leistungsregelung

3 Methods for compressor capacity control

2 Systems for capacity control

Of course, the simplest method is intermittent operation(ON/OFF), but depending on demand, this can lead to poorcontrol performance, strongly varying operating conditions, andhigh cycling rates, which result in low efficiency and a reducedservice life of the compressor and other system components.Therefore, this operating mode should be restricted to systemswith a high storage capacity and/or a relatively constant load.

Considerably better control performance – also with large loadvariations – is provided by parallel compounding of severalcompressors, with tandem compressors, or by splitting the sys-tem into several independent circuits. These solutions, howev-er, also involve the risk of increased cycling rates, either if veryhigh requirements are placed on control accuracy, or if the demand is likely to change very quickly. In such cases,a combination with integrated compressor capacity control (in steps or stepless) is required, together with a correspondingcontrol system.

The scope of this publication only covers reciprocating, screw,and scroll compressors. Various approaches are possible forintegrated capacity control, which can be fundamentally differ-ent, depending on the compressor technology used:

Hubkolbenverdichter

❏ Abhebung der Saugventile❏ Interner Bypass❏ Vergrößerung 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)

4 A-600-3

SchraubenverdichterScrew compressor

Ventilabhebung Valve lifting

Interner BypassInternal bypass

Verdichter-LeistungsregelungCompressor capacity control

AussetzbetriebON/OFF operation

Parallelschaltunggetrennter Kreisläufe

Paralleling ofmultiple circuits

Mechanische LeistungsreglerMechanical capacity control

Schadraum-RegelungClearance volume

control

HubverstellungStroke variation

Absperren desSaugkanals

Blocked suction

SteuerkolbenControl piston(s)

Interner BypassInternal bypass

RegelschieberSlider control

Interner BypassInternal bypass

Abheben der SpiralenLifting of scroll set

ScrollverdichterScroll compressor

TandemverdichterTandem compressor

EinzelverdichterSingle compressor Reciprocating compr.

Hubkolbenverdichter

ParallelverbundParallel compound

DrehzahlregelungVariable speed drive

FrequenzumrichterFrequency inverter

polumschaltbarerMotor

Pole-switched motor

Regelgetriebe(offener Verdichter)

Modulating gear(open drive)

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

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4 Kriterien zur Auswahl derVerdichter-Leistungsregelung

4 Selection criteria for compressor capacity control

Je nach System können die Anforderungen sehr unterschiedlichsein, wobei folgende Kriterien sorgfältig abgewogen werdensollten:

❏ Qualität der Regelung ➔ grob gestuft, fein gestuft oder stufenlos

❏ Energieverbrauch (Leistungszahl)❏ Kosten der gewählten Lösung❏ Betriebssicherheit❏ Verdichter-Einsatzbereich❏ Mindestlaufzeiten des Verdichters❏ Belastung des Stromnetzes

Bekanntlich ist der Energieverbrauch einer Kälte-, Klima- oderWärmepumpenanlage über den gesamten Lebenszyklus ein er-heblicher Faktor und übertrifft sehr häufig die Investitionskostenum ein Vielfaches. Dadurch und auch mit Blick auf die indirekteUmweltbelastung (CO2-Emission durch Energieerzeugung) isteine optimal an den Bedarf angepasste Leistungsregelung an-zustreben. Je nach Speicherfähigkeit und Lastschwankungendes Systems können Verfahren mit gestufter Regelung ausrei-chend sein, aus rein energetischer Sicht bieten stufenlose Ver-fahren die bessere Lösung.

Auf den ersten Blick und zwar beim Vergleich stationärer Be-dingungen bei verschiedenen Lastzuständen lässt sich oftmalskein merkbarer Unterschied zwischen stufiger und stufenloserRegelung nachweisen. Allerdings ist bekannt und durch verglei-chende Untersuchungen belegt, dass das dynamische Verhal-ten und die resultierende Wirtschaftlichkeit wesentlich von derRegelgüte bestimmt werden. Bei einer grob gestuften Regelungkommt es bei Leistungsreduzierung zu einem deutlichen Abfallder Verflüssigungstemperatur. Hieraus resultiert eine Teilver-dampfung der Kältemittelflüssigkeit (Bildung von Flash-Gas),deren Temperatur zunächst noch auf hohem Niveau liegt. AlsKonsequenz ergeben sich Störungen in der Einspritzregelungdes Verdampfers und nachteilige Auswirkungen auf Leistungund Wirtschaftlichkeit. Ebenso kommt es bei abrupter Leis-tungserhöhung zu starken Schwankungen im Regelkreis, u.a. zu einem deutlichen Abfall der Verdampfungstemperatur, häufiggekoppelt mit ungenügender Sauggasüberhitzung. In der Regelführt dies dann über längere Perioden zu starken Abweichung-en von den optimalen Betriebsbedingungen.

Allerdings gibt es auch bei Systemen mit hoher Regelgüte Ein-schränkungen hinsichtlich der minimalen Teillast. So ist z.B. inDirektexpansions-Systemen bei geringem Massenstrom im Ver-dampfer die Kältemittelverteilung nicht mehr optimal gewährleis-tet. In diesen Fällen ist es notwendig, das System ab einer ge-wissen Laststufe im Aussetzbetrieb zu betreiben – auch ausGründen der Betriebscharakteristik des Expansionsventils undeines gesicherten Öltransports.

Depending on the system, the requirements can be very differ-ent, 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❏ Application range of the compressor❏ Minimum compressor running time❏ Loading of the power supply

It is known that the overall energy consumption of a refrigera-tion, air-conditioning or heat pump system during its service lifeis a considerable cost factor, and frequently is a multiple of theinitial investment. Consequently, and with a view to indirectenvironmental impact (CO2 emission due to power generation),optimum capacity control should be aimed for, that is closelymatched to demand. Depending on storage capacity and sys-tem load variations, methods based on graduated control canbe sufficient, but under purely energetic considerations, step-less control is the better solution.

When comparing stationary conditions under different load situ-ations, the first glance does not always show a noticeable differ-ence between stepped and stepless control. But comparativeinvestigations have shown that dynamic behaviour and theresulting efficiency is highly dependent on control performance.With coarsely stepped control, a reduction of capacity leads toa significant drop in condensing temperature. This results inpartial evaporation of the refrigerant (generation of flash gas), ata still high temperature level. The consequences are disturb-ances in the evaporator injection control, and negative effects onperformance and efficiency. Similarly, abrupt increases in cap-acity lead to strong fluctuations in the control circuit, includinga considerable reduction of evaporation temperature, frequentlycoupled with insufficient suction gas superheating. In general,and over long periods, this leads to large deviations from theoptimum operating conditions.

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 optimumdistribution of refrigerant in the evaporator is no longer en-sured. In these cases, and below a certain load level, it is nec-essary to operate the system intermittently at the lowest capac-ity level – also because of the expansion valve’s operat-ingcharacteristics and to ensure a reliable oil supply.

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Des Weiteren verlangt eine wirtschaftliche Teillast-Regelungebenfalls eine kontrollierte Absenkung des Verflüssigungs-drucks und eine Anhebung des Saugdrucks. Außerdem mussder Energiebedarf für Hilfsantriebe (Ventilatoren, Pumpen) ge-nau bilanziert werden. Dies erfordert dann ebenfalls effizienteRegelsysteme für diese Komponenten.

Moreover, efficient part load control also requires a controlledreduction of condensing pressure and a higher suction pres-sure. In addition, the energy demand of auxiliary drives (fans,pumps) must be determined precisely, which means that thesecomponents will also require an efficient control system.

5 Verdichter mit integrierter(mechanischer) Leistungsregelung

5 Compressors with integrated(mechanical) capacity control

In Kapitel 3 sind verschiedene Verfahren zur Verdichter-Leis-tungsregelung aufgelistet. Aus Gründen der Übersichtlichkeitwerden im Folgenden nur die am häufigsten eingesetztenKonstruktionen eingehender behandelt.

5.1 Hubkolbenverdichter

Bei dieser Verdichterbauart werden überwiegend Verfahren zur„Zylinderabschaltung“ verwendet. Sie lassen sich kostengünstigausführen, setzen jedoch in der Regel Mehrzylinder-Bauweisevoraus. Die möglichen Leistungsabstufungen hängen von derkonstruktiven Ausführung ab. Mit 4-, 6- und 8-Zylinderver-dichtern werden meistens zwei Zylinder pro Laststufe geschal-tet, wodurch sich dann Stufen von (25) – 50 – (75) – 100% bzw.33 – 66 – 100% ausführen lassen. In Verbindung mit Tandem-verdichtern oder bei Parallelschaltung ist eine noch feinereAbstufung möglich.

Bei Großverdichtern für die industrielle Anwendung kommenüblicherweise Systeme zum Anheben der Saugarbeitsventile(Ringventile) zum Einsatz, die Ansteuerung erfolgt hydraulischüber Öldruck. Der von den betreffenden Zylindern angesaugteVolumenstrom wird beim Aufwärtshub wieder zur Saugseitegefördert. Damit arbeitet der Zylinder quasi im Leerlauf ohneaktive Gasförderung. Diese Art der Regelung kann auch alsAnlaufentlastung verwendet werden. Das System ist sehr wirt-schaftlich, energetische Verluste entstehen nur durch diemechanische Reibarbeit und das „Ventilieren“ des Sauggases.

In halbhermetischen Verdichtern älterer Konstruktion wurdenhäufig Lösungen mit integrierter Bypass-Schaltung ausge-führt. Hier wird in den zu entlastenden Zylindern eine über Ven-tile gesteuerte Verbindung zwischen Hoch- und Niederdruck-kammer hergestellt und die Gasförderung dadurch unterbro-chen. Ein zusätzliches Rückschlagventil auf der Hochdruck-seite verhindert dabei eine Rückströmung von bereits verdich-tetem Gas. Dieses Konstruktionsprinzip ist relativ einfach, aller-dings ist die Effizienz durch hohe Strömungsverluste im By-pass-Betrieb relativ ungünstig. Außerdem ist die thermischeBelastung der Verdichter im Teillastbetrieb sehr hoch und damitder Anwendungsbereich stark eingeschränkt.

Various capacity control methods have been listed in Chapter 3.For better clarity, the following explanations will deal in moredetail with the most frequently used designs only.

5.1 Reciprocating compressors

Primarily, for this compressor type “cylinder unloading” meth-ods are used. Their construction is relatively low in cost, butthey usually require a multi-cylinder compressor. The achiev-able capacity graduations depend on the constructional design.With 4, 6, and 8-cylinder compressors, it is usual to operatetwo cylinders per load stage, which permits graduations of (25) – 50 – (75) – 100% or 33 – 66 – 100%. Even finer gradua-tions are possible in combination with tandem compressors orwith parallel operation.

For large industrial compressors, it is common to use systemsfor lifting the suction valves (ring valves), whereby actuationis hydraulic using oil pressure. The volume flow drawn in by therelevant cylinders is discharged into the suction side on theupward stroke. In this way, the cylinder is practically idlingwithout active gas transport. This type of control can also beused for unloaded starting. The method is highly efficient, withenergy losses only occurring through the mechanical frictionwork and the suction gas “ventilation”.

With older semi-hermetic compressor types, solutions with anintegrated bypass circuit were often used. Hereby, a valve-controlled connection between high- and low-pressure cham-bers is established in the cylinders to be relieved, which inter-rupts the gas flow. An additional check valve on the high-pres-sure side prevents a reverse flow of already compressed gas.This design principle is relatively simple, but efficiency is un-favourable due to the high flow losses during bypass operation.Furthermore, the compressor’s thermal stress under part loadsis very high, which greatly limits the application range.

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Eine weitere Variante ist die sog. „Schadraum-Regelung“. Beidiesem Verfahren wird ein zusätzlicher Druckraum im Zylinder-kopf eingebracht, der über ein gesteuertes Ventil mit demZylinder verbunden werden kann. Hierdurch entsteht dann einvergrößerter Schadraum. Bei der Verdichtung wird ein Teil desGasstroms in diese Kammer gefördert, beim Abwärtshubkommt es dann wieder zur Rückströmung dieses auf hohemDruck stehenden Gasvolumens. Dadurch kann die Zylinderfül-lung für den normalen Verdichtungsvorgang wesentlich redu-ziert werden. Das System bietet den potenziellen Einsatz beiVerdichtern mit weniger als vier Zylindern. Allerdings führen diehohen Rückexpansionsverluste zu einem stärkeren Abfall imTeillast-Wirkungsgrad. Hinzu kommt, dass die Laststufen jenach Druckverhältnis sehr unterschiedlich sind. So kann z.B.bei kleinen Druckverhältnissen nur eine geringe Leistungsredu-zierung erreicht werden.

Bei hermetischen Verdichtern kommt auch ein Konzept zumEinsatz, bei dem durch mechanische Hubverstellung die Ver-dichterleistung reduziert werden kann. Bei einem 2-Zylinder-verdichter wird bei Drehrichtungswechsel ein Hubzapfen derExzenterwelle in eine zentrische Position geschwenkt und dabeider Hub auf „Null“ reduziert. Der Verdichter fördert dann nurnoch auf einem Zylinder. Das Verfahren ist sehr effizient, nach-teilig sind die komplexe Mechanik sowie eine hohe Schalt-häufigkeit von Verdichter und Motor mit jeweiligem Dreh-richtungswechsel. Offene Verdichter für PKW-Klimatisierung werden ebenfalls mitHubverstellung ausgeführt. Hierbei handelt es sich um Schwenk-oder Taumelscheibenverdichter, deren Konstruktionsprinzip sich besonders für diese Anwendung, jedoch weniger für statio-näre Systeme eignet.

L

N

L

N

Teil-LastPart load

DL

SL

DL

SL

Voll-LastFull load

Another version is “clearance volume control”. With thismethod, the cylinder head contains an additional pressurechamber, which can be connected with the cylinder by meansof a controlled valve. This results in a larger clearance volume.During compression, part of the gas flow is diverted to thischamber, from where it returns into the cylinder under highpressure on the piston downstroke. This enables the cylindervolume to be reduced considerably during normal compressoroperation. The system lends itself for use on compressors withfewer than four cylinders. However, the high re-expansion loss-es lead to an increased drop in part-load efficiency. What’smore, the load steps differ considerably, depending on thepressure ratio. For example, only a small capacity reduction isachievable with small pressure ratios.

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 theeccentric shaft rotates to a center position as the direction ofrotation changes, thus reducing the stroke to “zero”. In thiscase only one cylinder is in operation. This method is very effi-cient, disadvantages are the complex mechanics and the highcycling frequency of compressor and motor due to the changesin rotation direction.Open compressors for automotive AC systems are also operat-ed with a variable stroke. Hereby, swash plate or wobble platecompressors are used, whose design principle is particularlysuitable for this application, but less for stationary systems.

Abb. 2 Aufbau und Funktion der Zylinderabschaltung durch Absperren des Saugkanals (Beschreibung Seite 8)

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

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Die am häufigsten eingesetzte integrierte Leistungsregelung fürVerdichter in gewerblichen Anwendungen ist die Zylinderab-schaltung durch Absperren des Ansaugkanals zu einzelnenZylindern oder Zylindergruppen (Abb. 2). Dieses Konzept wurdevon BITZER bereits in den 70er-Jahren entwickelt und hat in-zwischen durch stetige Verbesserung einen unvergleichlich ho-hen Qualitätsstand erreicht.

Im Volllastbetrieb fördert der Verdichter auf allen Zylindern; dieMagnetspule ist stromlos. Dabei sind alle Gaskanäle in Ventil-platte und Zylinderkopf sowie der Steuerkolben zur Leistungs-regelung in offener Position (Abb. 2, linke Darstellung).

Für den Teillastbetrieb wird die Magnetspule angesteuert unddamit der Anker angehoben. In der Folge wird der Steuerkolbenmit Hochdruck beaufschlagt, bewegt sich nach unten und ver-schließt die gemeinsame Ansaugbohrung in der Ventilplatte.Dadurch wird der Gasfluss unterbrochen und die betreffendenKolben laufen ohne Gasdruck leer mit. Der Wirkungsgrad dieserArt von Regelung ist außerordentlich hoch, da lediglich die me-chanische Reibarbeit durch Bewegung der Kolben von Einflussist. Die Leistungsaufnahme des Motors bei Teillast reduziertsich über einen großen Anwendungsbereich nahezu proportio-nal zur Leistungsreduzierung (Abb. 3).

Bedingt durch die relativ einfache und robuste Konstruktionkann die Schaltfrequenz, insbesondere bei niedrigen Verflüssi-gungstemperaturen, relativ hoch sein. Damit lässt sich einefeinstufige Leistungsanpassung mit guter Regelgenauigkeiterreichen. Durch die hohe Effizienz können Verdichter auch ineinem großen Anwendungsbereich eingesetzt werden.

Einzelverdichter ■ Single compressor

75%

66%

50%

33%

+10 0 -10 -20 -30

Verdampfungstemperatur °CEvaporating temperature °C

Leis

tung

sauf

nahm

e-Fa

ktor

Pow

er c

onsu

mp

tion

fact

or

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

Abb. 3 Leistungsaufnahme bei Teillastbetrieb (Beispiel) und konstantenBetriebsbedingungen

Fig. 3 Example of power consumption during part load operation at constantoperating conditions

The most frequently used integrated capacity control for com-pressors in commercial applications is the cylinder unloadingmethod, which blocks the suction channels to individual cy-linders or cylinder groups (Fig. 2). This concept was developedby BITZER back in the 1970’s, and thanks to continuous im-provements it has meanwhile reached an unequalled qualitylevel.

During full load operation, the compressor works with all cylin-ders; the solenoid is de-energized. Consequently, all gas chan-nels in the valve plate and cylinder head as well as the capacitycontrol piston are in the open position (Fig. 2, left drawing).

During part load operation, the solenoid is energized, and itsarmature is lifted. As a result, high pressure is applied to thecontrol piston, which makes it move downwards to close thecommon inlet channel in the valve plate. This interrupts the gasflow, and the corresponding pistons operate in the “idle mode”without gas pressure. This control method has an outstandinglyhigh efficiency, because only the mechanical friction losses ofthe pistons have an effect. Over a wide operating range, themotor’s power consumption with part loads is reduced almostproportionally to the reduced capacity (Fig. 3).

Due to the relatively simple and robust design, the cycling ratecan be reasonably high, in particular when operating at lowcondensing temperatures. This enables a close step capacityadaptation with good control accuracy to be achieved. Thanksto their high efficiency, the compressors can also be used in awide application range.

5.2 Schraubenverdichter

Bei Schraubenverdichtern im unteren Leistungssegment kom-men vorwiegend Systeme mit ein bis zwei Regelstufen zur An-wendung, wobei jedoch unterschiedliche konstruktive Lösungenrealisiert werden. Gemeinsames Merkmal ist der direkte Eingriffin den Profilbereich, bei dem über Regelkolben eine Reduzierungdes Fördervolumens erreicht wird.

Eine sehr einfache und kostengünstige Konstruktion ist das in-terne Bypass-System. Dazu werden radial angeordnete Boh-rungen in den Profilbereich eingebracht, die mit einem steu-erbaren Ventil zur Saugseite hin geöffnet werden können. Dieskann z.B. ein zylindrischer Kolben (Schieber) sein, der parallelzu den Rotoren in einem separaten Zylinder angeordnet ist. ImTeillastbetrieb strömt dann bereits vorverdichtetes Gas wiederzur Saugkammer zurück und reduziert so den Förderstrom.Dieses Konzept hat allerdings wesentliche Nachteile, insbeson-dere mit Blick auf die Effizienz. Der mögliche Querschnitt dieserradialen Abströmbohrung ist stark begrenzt, da bei größeremDurchmesser ein erhebliches „Blasloch“ zwischen den ge-schlossenen und unter Druckdifferenz stehenden Profilkammernentsteht. Dies führt dann auch bei Volllastbetrieb zu reduzier-tem Wirkungsgrad (zusätzliche Leckagen bei der Verdichtung)und bei hohen Druckverhältnissen ebenfalls zu erhöhter thermi-scher Belastung im Überströmbereich. Andererseits kann beirelativ kleiner Abströmbohrung nur eine geringe Leistungsredu-zierung erreicht werden. Unabhängig von Anordnung und Di-mensionierung der Bypass-Bohrungen treten im Regelbetriebdeutliche Verluste und damit energetische Nachteile durch Vor-verdichtung und hohen Strömungswiderstand auf.

BITZER hat ein wesentlich effizienteres Konzept zur stufigenLeistungsregelung entwickelt, das seit vielen Jahren bei denModellreihen bis HS./OS.74 eingesetzt wird. Bei dieser Kon-struktion greifen groß dimensionierte Steuerkolben direkt inden Profilbereich ein – stirnseitig und/oder radial. Sie sind exaktan die Kontur des Rotorgehäuses angepasst, wodurch interneLeckagen bei der Verdichtung vermieden werden. Beim Öffnender Kolben werden reichlich dimensionierte Kanäle frei, über diedas Sauggas direkt in einen Profilbereich mit reduziertem An-saugvolumen gefördert wird. Mit diesem Verfahren wird die akti-ve Rotorlänge zur Verdichtung reduziert und dadurch der För-derstrom entsprechend verringert. Der Wirkungsgrad ist we-sentlich günstiger als bei der zuvor beschriebenen Lösung.Außerdem lassen sich auf Grund der großen Strömungsquer-schnitte auch Teillaststufen mit relativ geringer Restleistungausführen.

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Ergänzende BITZER Informationen zur Leistungs-regelung durch Zylinderabschaltung(siehe auch http://www.bitzer.de)

❏ Technische Information KT-100„Leistungsregelung für BITZER Hubkolbenverdichter“

Supplementary information from BITZER on capacity control using cylinder unloading(also see http://www.bitzer.de)

❏ Technical Information KT-100“Capacity control for BITZER reciprocating compressors”

5.2 Screw compressors

For screw compressors in the lower capacity range, systemswith one or two control stages are mainly used, whereby differ-ent constructional approaches are applied. One common fea-ture is the direct intervention in the profile area, whereby areduction of the swept volume is achieved by means of controlpistons.

A very simple and cost-effective design is the internal bypasssystem. For this, radially arranged bores are available in theprofile area, which can be opened to the suction side by meansof a controlled valve. This can be e.g. a cylindrical piston (slid-er), which is arranged parallel to the rotors in a separate cylin-der. Under part load, pre-compressed gas flows back to thesuction chamber, thus reducing the delivery flow. However, thisconcept has several drawbacks, especially in terms of efficien-cy. The possible cross section of the radial bypass openings isvery limited, as with larger diameters a considerable “blowhole” is created between the closed profile chambers that areunder pressure difference. Under full load operation, this alsoresults in lower efficiency (additional leakage during compres-sion) as well as increased thermal stress in the overflow sectionunder high pressure ratio conditions. On the other hand, rela-tively small bypass openings only permit a small unloading effectto be achieved. Regardless of arrangement and dimensions ofthe bypass openings, noticeable losses with the associatedenergy-related disadvantages occur due to precompression andhigh flow losses.

BITZER has developed a substantially more efficient conceptfor stepped capacity control, which has found successful use inthe model ranges up to HS./OS.74 for many years. With thisdesign, generously dimensioned control pistons intervenedirectly in the profile area – on the face and/or radially. Becausethey are adapted precisely to the rotor housing contour, internalleakage can be prevented during compression. When the pis-tons are operated, they open up large channels through whichthe suction gas flows directly into a profile area with reducedsuction volume. By means of this procedure, the active rotorcompression length is reduced, which lowers the swept volumeaccordingly. Efficiency is significantly higher than with the pre-viously described solution. Moreover, due to the larger flowcross sections, part load stages can be designed with a rela-tively low residual capacity.

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CR1

CR2

CR3

CR4

AnsaugenSuction

AusstoßenDischarge

ECOÖldruckOil pressure

CR3 CR4

CR1 CR2

Abb. 4 Konstruktiver Aufbau und Funktion der integrierten „dualen“ Leis-tungsregelung bei Schraubenverdichtern CSH65 / 75 / 85 / 95 sowieHS. / OS.85

Fig. 4 Design and function of the integrated “dual” capacity control for screwcompressor models CSH65 / 75 / 85 / 95 and HS / OS.85

Bei größeren Schraubenverdichtern kommen üblicherweiseparallel zu den Rotorachsen angeordnete Regelschieber zumEinsatz, die sowohl stufige als auch stufenlose Leistungsrege-lung ermöglichen. Bei modernen Verdichterkonstruktionen istder Schieber direkt im Übergangsbereich zwischen Haupt- undNebenrotor angeordnet und dabei exakt an die Gehäusekonturangepasst. Diese Lösung bietet das Potenzial für beste Teillast-Wirkungsgrade und erlaubt durch entsprechende Ausführungauch eine bedarfsabhängige Veränderung des sog. „eingebau-ten Volumenverhältnisses (Vi)“.

Abb. 4 zeigt den prinzipiellen Aufbau und die hydraulischeSchaltung einer solchen Regelung. Bei Volllastbetrieb befindetsich der Schieber in der linken Anschlagposition. Bei Drehungder Rotoren wird der gesamte Profilarbeitsraum mit Sauggasgefüllt und damit die volle Förderleistung (100%) erreicht. Jeweiter der Schieber zur Hochdruckseite (nach rechts) hin be-wegt wird, desto kleiner ist das verfügbare Profilvolumen bzw.die aktive Rotorlänge. Es wird weniger Volumen angesaugt, dieKälteleistung sinkt.

Eine Besonderheit der BITZER-Schraubenverdichter ist die„Duale Leistungsregelung“. Damit ist – ohne Umbauten amVerdichter – sowohl 4-stufige (25 – 50 – 75 – 100%) als auchstufenlose (25 ... 100%) Regelung möglich. Die unterschiedlicheBetriebsweise erfolgt lediglich durch entsprechende Ansteue-rung der Magnetventile. Die spezielle Geometrie bewirkt zusam-men mit der Schieberbewegung eine Anpassung des Volumen-verhältnisses (Vi) an die Bedingungen bei Teillastbetrieb. Da-durch werden besonders günstige Wirkungsgrade erreicht. Ein-zigartig in dieser Leistungsklasse ist zudem der im Schieberintegrierte Economiser-Kanal (ECO). Dies ermöglicht im Ge-gensatz zu üblichen Verdichtern den besonders wirtschaftlichenEconomiser-Betrieb über den gesamten Regelbereich.

For larger screw compressors, it is usual for control sliders tobe used in parallel to the rotor shafts, which permit stepped aswell as stepless capacity control to be achieved. With moderncompressor designs, the slider is fitted directly in the transitionarea between male and female rotor, whereby it is adapted pre-cisely to the housing contour. This solution offers the potentialfor highest part load efficiencies, and by means of a correspond-ing design it also permits a demand-dependent variation of the“internal volume ratio (Vi)”.

Fig. 4 shows the design principle and the hydraulic circuit ofsuch a control concept. During full load operation, the slider isfully left in the end position. As the rotors turn, the entire profileworking space is filled with suction gas, whereby the full sweptvolume (100 %) is achieved. The further the slider is movedtoward the discharge side (to the right), the smaller the avail-able profile volume/active rotor length becomes. Less volume isdrawn in, and the cooling capacity drops.

A special feature of the BITZER screw compressor is the “dualcapacity control”. Without any changes to the compressor, thispermits both 4-stage (25 – 50 – 75 – 100%) as well as stepless(25...100%) control. The different operating modes are obtainedsimply by corresponding control of the solenoid valves.Together with the slider movement, the special geometry causes an adaptation of the internal volume ratio (Vi) to the partload conditions. This enables particularly good efficiencies tobe achieved. Another unique feature in this performance classis the economiser channel (ECO) integrated in the slider. Asopposed to conventional compressors, this allows operation inthe particularly efficient economiser mode over the entire con-trol range.

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Die besonders hohe Effizienz dieser Verdichter im Voll- undTeillastbereich wird am Beispiel einer Anwendung bei Flüssig-keits-Kühlsätzen besonders deutlich (Abb. 5). Die Referenzbedingungen basieren dabei auf einer von„Eurovent-Cecomaf“ definierten Bewertung bei den Leistungs-stufen 100 – 75 – 50 – 25%. Detaillierte Informationen hierzusiehe BITZER Sonderausgabe 09.2004.

COPtoΔtohΔtcΔtcu

Verdichter-LeistungszahlVerdampfungstemperaturSauggasüberhitzungVerflüssigungstemperaturFlüssigkeitsunterkühlung

COPtoΔtohΔtcΔtcu

Coefficient of performanceEvaporating temperatureSuction gas superheatCondensing temperatureLiquid subcooling

Kälteleistung / Cooling capacity

5025 75 100[%]

5

6

7

8

9

CO

P (E

ER

) [–]

COP (EER) acc. EUROVENT

4

+5°C / Δtoh 5K38°C / Δtcu 2K

Bedingungen bei 100% LeistungConditions at 100% capacity– to– tc

Bedingungen bei 100% LeistungConditions at 100% capacity– to– tc

Abb. 5 Verdichter-Leistungszahlen COP (EER) im Voll- und Teillastbetrieb beitypischen Betriebsbedingungen von wassergekühlten Flüssigkeits-kühlsätzen (EUROVENT Bewertung)

Fig. 5 Compressor COP (EER) data for full and part load operation undertypical conditions with water-cooled liquid chillers (EUROVENTassessment)

Ergänzende Informationen zur Leistungsregelung vonBITZER Schraubenverdichtern(siehe auch http://www.bitzer.de)

❏ Projektierungshandbücher für SchraubenverdichterSH-100 / SH-110 / SH-170 / SH-300 / SH-500

❏ Sonderausgabe SV-1001-D-GB„Effizientere Leistungsregelung vonSchraubenverdichtern”

Supplementary information on capacity control of BITZER screw compressors(also see http://www.bitzer.de)

❏ Application manuals for screw compressors SH-100 / SH-110 / SH-170 / SH-300 / SH-500

❏ Special Edition SV-1001-D-GB„More efficient capacity control of screw compressors”

The especially high efficiency of these compressors for full andpart load operation becomes particularly clear in the exampleof an application using liquid chillers (Fig. 5). The reference conditions are based on an assessment for 100 – 75 – 50 – 25% performance stages defined by“Eurovent-Cecomaf”. For detailed information, see BITZERSpecial Edition 09.2004.

12 A-600-3

5.3 Scroll-Verdichter

Scroll-Verdichter werden in gewerblichen Anwendungen meis-tens durch Aussetzbetrieb (ON/OFF) geregelt – häufig in Verbin-dung mit Parallelschaltung. In Teilbereichen gewinnt auch Dreh-zahlregelung (siehe Abschnitt 7.2) zunehmend an Bedeutung.

Inzwischen wurden auch mechanische Systeme zur Verdichter-regelung entwickelt, wobei jedoch die konstruktiven Anforde-rungen bei diesem Verdichtungsprinzip nur wenige Optionenoffen lassen.

Ein vergleichsweise einfaches Verfahren ist das interne Bypass-System, das ähnlich aufgebaut ist wie bei Schraubenverdich-tern mit dem gleichen Regelprinzip (Abschnitt 5.2). Hierbei wirdebenfalls vorverdichtetes Gas aus einem zur Saugseite hingeschlossenen Arbeitsraum über ein elektrisch ansteuerbaresVentil zur Saugseite zurück geleitet. Die Abströmquerschnittesind durch die Dicke der Spiralwände begrenzt. Bei zu großemDurchmesser entstünde ein innerer Gas-Kurzschluss zwischenArbeitsräumen mit unterschiedlichen Drucklagen. Dies würdedann zu starken Verlusten bei Volllastbetrieb und erhöhter ther-mischer Belastung führen. Deshalb werden Scroll-Verdichter beidiesem System nur mit einer Teillast-Stufe ausgeführt, die je-doch insbesondere bei kleineren Druckverhältnissen nur einengeringen Regeleffekt bietet.

Eine anspruchsvollere Lösung ist die Regelung durch intermit-tierendes Abheben der Spiralen. Beim Öffnen der Spiralenwird der Ansaug- und Verdichtungsvorgang unterbrochen, derVerdichter arbeitet dann bei „Null-Last“ und wird bei Bedarfwieder auf volle Leistung geschaltet. Im Prinzip handelt es sichhierbei um eine „Puls-Weiten-Modulation“. Mit dieser Methodekann eine quasi stufenlose Regelung über einen großen Bereicherreicht werden. Einschränkungen in der Anwendung sowie Wirkungsgradverluste ergeben sich aus dem stark zyklischenBetrieb. Bei jedem Schaltvorgang auf „Null-Last“ wird der Ver-dichtungsvorgang abrupt unterbrochen und dadurch verdichte-tes Gas aus den Arbeitsräumen wieder zur Saugseite geleitet.Bei einem hohen Anteil von Null-Last-Zyklen (geringe Teillast)führt dies zu einem deutlichem Wirkungsgradabfall und ther-misch hoher Belastung, u.a. auch des Motors. Abgesehen da-von ist durch die häufigen Schaltungen die mechanische Bean-spruchung entsprechend hoch, auch mit Blick auf eine mögli-che Instabilität der orbitierenden Spirale.

5.3 Scroll compressors

In commercial applications, scroll compressors are mostlyoperated in the intermittent mode (ON/OFF) – frequently incombination with parallel operation. In some areas, variablespeed drive is also becoming more popular (see Chapter 7.2).

Meanwhile, mechanical systems for compressor control havealso been developed, but the design requirements for this com-pressor principle leave little room for options.

A comparatively simple approach is the internal bypass system,which has a similar design to that used for screw compressorswith the same control principle (Section 5.2). Hereby, pre-com-pressed gas is diverted from a closed working chamber back tothe suction side by means of an electrically controlled valve.The flow cross sections are limited by the thickness of the spi-ral walls. An excessively large diameter would lead to an inter-nal gas short circuit between working chambers with differentpressure levels. This in turn would result in severe losses underfull load operation, as well as higher thermal stress. Therefore,scroll compressors using this system are designed with justone part-load stage – but especially with low pressure ratios,this only offers a limited control effect.

A more demanding control solution is provided by intermittentlifting of the scroll set. Opening the spirals interrupts the suc-tion and compression process, so that the compressor workswith “zero load”, and can return to full load on demand.Principally, the method involves “pulse width modulation”, andpermits quasi-stepless control to be achieved over a widerange. Limitations in terms of application and efficiency lossesare given by the intense cyclical operating mode. With everychange to “zero load” operation, compression is interruptedabruptly, and compressed gas is diverted from the workingspaces back to the suction side. With a high proportion of zeroload cycles (low part load), this leads to a clear reduction inefficiency as well as high thermal stress, e.g. of the motor.Moreover, the frequent cycling causes correspondingly highmechanical stresses, including possible instability of the orbit-ing scroll.

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6 Parallelbetrieb vonVerdichtern

6 Parallel operation ofcompressors

6.1 Parallelverbund

Der klassische Parallelverbund ist durch den Betrieb mehrererVerdichter in einem gemeinsamen Kältemittel-Kreislauf gekenn-zeichnet. Die erforderliche Kälte- oder Wärmeleistung ist ent-sprechend aufgeteilt, wobei sowohl Verdichter identischer alsauch unterschiedlicher Leistung kombiniert werden können.Entsprechend der Verdichteranzahl und jeweiligen Leistungs-größe lässt sich durch eine intelligente Steuerung eine hoheRegelgüte erreichen. Eine typische Anwendung sind Super-marktsysteme, bei denen die Lastanforderungen sehr unter-schiedlich sein können. Im Bedarfsfall und auch wegen derSchalthäufigkeit oder größeren Schwankungen in den Betriebs-bedingungen ist eine Ausrüstung der Verdichter mit den zuvorbeschriebenen integrierten Systemen zur Leistungsregelungmöglich bzw. erforderlich. Drehzahlregelung (Abschnitt 7.2) isteine weitere Option, die ggf. nur bei einem der Verdichter ein-gesetzt wird, der dann die Grundlast stufenlos regeln und beimZu- oder Abschalten von Einzelverdichtern die Stufensprüngeausgleichen kann.

Grundsätzlich eignen sich alle zuvor behandelten Verdichter-bauarten sehr gut für den Parallelverbund, wobei aber die An-forderungen an den Ölausgleich zwischen den einzelnen Ver-

6.1 Parallel compounding

Classical parallel compounding involves the simultaneous oper-ation of several compressors in a common refrigerant circuit.The required cooling or heating capacity is distributed accord-ingly, whereby compressors with identical or different sizes canbe combined. According to the number of compressors andtheir respective capacities, a high level of control performanceis possible by means of an intelligent control strategy. Typicalapplications are supermarket systems, in which the loaddemands can vary widely. Depending on demand, and also dueto the cycling frequency or large variations in the operatingconditions, fitting the compressors with integrated capacitycontrol systems is possible or even necessary. Variable speeddrive (Chapter 7.2) is a further option that can be used e.g. withjust one of the compressors, enabling the lead load to be con-trolled continuously, as well as equalizing the step changescaused by individual compressors being switched on/off.

Principally, all of the above compressor designs are well-suitedfor parallel compounding, whereby the requirements regardingoil equalization between individual compressors can be verydifferent. This applies in particular when compounding com-

Abb. 6 Beispiel eines einfachen Parallel-Verbundsystems mit OCTAGONVerdichtern und optimiertem Saugleitungs-Kollektor

Fig. 6 Example of a simple parallel compounded system with OCTAGONcompressors and optimized suction header

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dichtern sehr unterschiedlich sein können. Dies gilt besondersbeim Verbund von Verdichtern unterschiedlicher Leistung. BITZER hat für jede Bauart durch Versuche gestützte Lösungenentwickelt, die sich durch einfachen Aufbau und hohe Betriebs-sicherheit auszeichnen (siehe entsprechende Auflistung vonInformationsschriften am Ende dieses Abschnitts).

Dies gilt auch im Speziellen für Schraubenverdichter der HS-und OS-Baureihen. Alle parallel geschalteten Verdichter arbei-ten auf einen gemeinsamen Ölabscheider, die Ölzufuhr erfolgtüber Rohrleitungen, die mittels Magnetventil oder integriertemÖlstoppventil gesteuert werden. Damit lassen sich auch Ver-dichter verschiedener Leistung kombinieren, die sogar bei un-terschiedlichen Saugdrücken betrieben werden können.

Neben der zuvor beschriebenen Verbundschaltung ist bei Kol-benverdichtern der Einsatz von Tandemmodellen zur Leistungs-regelung eine weitere Alternative. Der Ölausgleich ist hier be-reits konstruktiv gewährleistet, zusätzliche Maßnahmen sindmeist nicht notwendig. BITZER bietet schon für relativ kleineLeistungen (ab 2 x 11.4 m3/h Hubvolumen) ein umfassendesProgramm von Tandemverdichtern an. Bereits bei den kleinenOCTAGON 4-Zylinder-Modellen (ab 2 x 18 m3/h) kann ein zu-sätzlicher Leistungsregler zur Zylinderabschaltung installiertwerden, mit dem dann eine Leistungsstufung von 25 – 50 – 75 – 100% ermöglicht wird.

6.2 Parallel betriebene Einzelkreisläufe

Bei dieser Systemvariante werden mehrere getrennte Kälte-kreisläufe zusammengefasst. Verflüssiger und Verdampfer sinddabei jeweils in einer Einheit gruppiert und auf der Kältemittel-seite unterteilt. Das Sekundärsystem ist als gemeinsamer Kreis-lauf ausgeführt. Typische Anwendungen sind Flüssigkeitskühl-sätze, die bei größeren Leistungen vorwiegend mit Kompakt-schraubenverdichtern ausgerüstet sind. Durch den großen Re-elbereich dieser Verdichter lässt sich in Verbindung mit der Pa-rallelschaltung von Einzelkreisläufen ebenfalls eine hohe Regel-genauigkeit erzielen. Im kleineren Leistungsbereich kommenauch Hubkolben- und Scrollverdichter zum Einsatz.

Vorteil dieser Systemlösung ist ein relativ einfacher Aufbau dereinzelnen Kältekreislaufe und die erhöhte Sicherheit bei Kälte-mittelleckagen. Nachteilig sind die teilweise höheren Investi-tionskosten und die schlechtere Ausnutzung der Wärmeaus-tauscher bei Teillast.

Die Steuerung der Verdichter sollte trotz der Einzelkreisläufe miteiner Sequenzumschaltung ausgeführt werden. Bedingt durchden gemeinsamen Sekundärkreislauf werden auch die abge-schalteten Verdampfersegmente vom Kühlmedium durchströmt.Dadurch wird stetig eine Druckdifferenz zwischen Verflüssigerund Verdampfer aufrecht erhalten. Bereits geringe Leckagenzwischen Hoch- und Niederdruckseite können dann zuKältemittelverlagerung auf die Saugseite mit der Folge starkerFlüssigkeitsschlage beim nachfolgenden Verdichterstart führen.

pressors with different sizes. Backed by tests, BITZER hasdeveloped solutions for every design type, which are character-ized by simple design and high operating reliability (see corre-sponding list of information brochures at the end of this chapter).

This also applies in particular for screw compressors of the HSand OS series. All parallel compounded compressors work witha common oil separator, and the oil is supplied via pipes thatare controlled by means of solenoid valves or integrated oilstop valves. Accordingly, it is possible to combine compressorswith different capacities, which can even be operated withuneven suction pressures.

Apart from the compounding method described above, the useof tandem reciprocating compressors is an alternative solutionfor capacity control. Here, oil equalization is already ensured bythe design, so that additional measures are usually not required.BITZER offers a comprehensive range of tandem compressorsof relatively small sizes (starting at 2 x 11.4 m3/h displacement). Even the smaller OCTAGON 4-cylinder versions (starting at 2 x18 m3/h) permit a capacity controller for cylinder unloading tobe installed, which makes it possible to achieve a capacitygraduation of 25 – 50 – 75 – 100%.

6.2 Parallel operation of single circuits

With this system version, several separate cooling circuits arecombined. Hereby, condensers and evaporators are grouped asa unit, and are sub-divided on the refrigerant side. The second-ary system is implemented as a common circuit. Typical appli-cations are liquid chillers, which are equipped mainly with com-pact screw compressors in the case of larger capacities. Due tothe wide control range of these compressors, and in combina-tion with parallel operation of single cooling circuits, it is alsopossible to achieve high control accuracies. For smaller capaci-ties, reciprocating and scroll compressors are also used.

The advantage of this system solution lies in the relatively sim-ple layout of the individual cooling circuits, and the increasedsafety in case of refrigerant leakages. Less favourable are thepartially higher investment costs and the lower heat exchangerutilization with part loads.

In spite of the individual circuits, the compressors should becontrolled by means of sequence changing. Because of thecommon secondary circuit, the coolant also flows through thedisabled evaporator segments. In this way, a permanent pres-sure difference is maintained between condenser and evapora-tor. Even slight leakages between high- and low-pressure sidescan then lead to refrigerant migration to the suction side, withresulting strong liquid slugging at the next compressor start.

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Ergänzende BITZER Informationen zum Parallelbetriebvon BITZER-Verdichtern(siehe auch http://www.bitzer.de)

❏ HubkolbenverdichterTechnische Informationen KT-600 / KT-601 / KT-602

❏ Schraubenverdichter Projektierungshandbücher SH-100 / SH-110 / SH-500Technische Informationen ST-600 / ST-620

❏ Scrollverdichter Prospekte Tandem-/Trio-Verdichter ESP-131 / ESP-150

Supplementary information on parallel operation ofBITZER compressors(also see http://www.bitzer.de)

❏ Reciprocating compressorsTechnical Information KT-600 / KT-601 / KT-602

❏ Screw compressors Application manuals SH-100 / SH-110 / SH-500Technical Information ST-600 / ST-620

❏ Scroll compressorsLeaflet Tandem/Trio Compressors ESP-131 / ESP-150

7 Drehzahlregelung 7 Variable speed drive (VSD)

Drehzahlvariabler Betrieb zur Leistungsregelung wird bei Ver-dränger-Verdichtern bereits seit vielen Jahren angewandt, wo-bei in erster Linie offene Verdichter mit Regelgetrieben oderregelbaren Sondermotoren zum Einsatz kamen. Diese Antriebs-konzepte waren jedoch eher die Ausnahme und wurden nurdann verwendet, wenn z.B. keine klassische Verdichter-Leis-tungsregelung möglich war oder besondere Anforderungen vorlagen.

Erst mit der Entwicklung von Frequenzumrichtern (Abschnitt7.2) für den modulierenden Antrieb üblicher (kostengünstiger)Asynchron-Motoren wurde die Drehzahlregelung von Verdich-tern interessant und nimmt heute bereits einen größeren Um-fang bei vielen Anwendungen ein.

7.1 Polumschaltbarer Motor

Polumschaltbare Motoren sind vergleichsweise kostengünstigund wurden deshalb verschiedentlich in Verdichterkonstruktio-nen eingesetzt, bei denen eine mechanische Leistungsrege-lung aus technischen oder ökonomischen Gründen nicht sinn-voll war. Inzwischen wird diese Antriebsart bei Kälteverdichternkaum mehr verwendet. Gründe hierfür liegen neben der Weiter-entwicklung alternativer Systeme u.a. auch in einer Reihe gra-vierender Nachteile dieses Antriebs.

Hierzu ist anzumerken, dass übliche polumschaltbare Motorenfür den Einsatz in Kälteverdichtern nur für eine Drehzahl hin-sichtlich Wirkungsgrad, Drehmomentverlauf und Leistungsfaktoroptimiert werden können. In der anderen Drehzahlstufe liegendann deutlich schlechtere Bedingungen vor. Hinzu kommt, dassjede Drehzahländerung einem Neustart mit hohem Einschalt-strom gleich kommt und sich deshalb eine hohe Schaltfrequenzsehr nachteilig auf Verdichter- und Motorlebensdauer sowie aufdie Netzbelastung auswirkt.

Variable speed drive operation for capacity control has beenapplied to positive displacement compressors since manyyears, whereby this mainly involved open drive compressorswith variable speed gears or special speed modulated motors.However, these drive concepts were more of an exception, andwere only used if e.g. no classical capacity control was possi-ble or special requirements had to be met.

It was only after the development of frequency inverters(Section 7.2) for modulating the speed of conventional (low-cost) asynchronous motors that speed control of compressorsbecame an issue, and today enjoys wide use for many applica-tions.

7.1 Pole-switched motor

Pole-switched motors have a comparably reasonable price,which is why they were used in many different compressordesigns, for which mechanical capacity control was precludedfor technical or economic reasons. Meanwhile, this type ofdrive is hardly used for refrigeration compressors. Apart fromthe development of alternative systems, the reasons for thisalso lie in several serious disadvantages of this drive.

In this respect it must be noted that conventional pole-switchedmotors for use with refrigeration compressors can only be opti-mized for a specific speed in terms of efficiency, torque charac-teristics, and power factor. At the other speed, the motorexhibits considerably poorer values. Moreover, every speedchange is equivalent to a new start with high start-up currents,so that high cycling rates have a very adverse effect on com-pressor and motor life, as well as on the power supply load.

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7.2 Drive with frequency inverter

As described above, frequency inverters permit speed controlwith conventional asynchronous motors, and can therefore beused very efficiently with most compressor types. Nonetheless,the question arises whether this relatively expensive technology(inverter costs) is economically justifiable when compared withthe previously described methods. An overall assessment is notpossible in this case – it must be viewed in connection with theentire spectrum of technical features and the demands placedon control accuracy listed below:

❏ Possibilities for speed control of single and three-phaseasynchronous motors– stepless capacity control over a wide range

• high control accuracy• reduced compressor switching rate

– use of compressors that have a limited scope for mechanical methods

– potential for increased compressor capacity by means of “supersynchronous” operation, as opposed to direct power supply

❏ soft starting of motor/compressor– significantly lower starting current with full motor torque

• starting current limited to 100 to 160% of max. operat-ing current ➔ no inrush current peaks, low power supply loading

• no start unloading necessary, as high torque is available • low motor loading during start-up

– reduced mechanical load of compressor, as well as improved lubrication conditions

– reduced compressor load during take-in of liquid refrigerant at start-up

Rectifier TransitionCircuit Inverter

Control Circuit

L1L2L3

SteuerspannungControl Voltage

Pulsweiten-ModulationPulse Width Modulation

Motor3~

7.2 Antrieb über Frequenzumrichter

Wie zuvor beschrieben, ermöglicht der Frequenzumrichter eineDrehzahlregelung mit üblichen Asynchronmotoren undgewährleistet deshalb bei den meisten Verdichterbauarten einensehr effizienten Betrieb. Dennoch stellt sich die Frage, ob dieseim Vergleich zu den bereits beschriebenen Verfahren relativteure Technologie (Umrichterkosten) wirtschaftlich vertretbarund sinnvoll ist. Eine pauschale Bewertung ist hier nicht mög-lich – sie muss im Zusammenhang mit dem gesamten Spektrumder nachfolgend aufgeführten technischen Merkmale und denAnforderungen an die Regelgenauigkeit betrachtet werden:

❏ Möglichkeit zur Drehzahlregelung von ein- und 3-phasigenAsynchronmotoren – stufenlose Leistungsregelung über einen großen Bereich

• hohe Regelgenauigkeit• reduzierte Schalthäufigkeit des Verdichters

– Einsatz von Verdichtern, bei denen mechanische Verfahren begrenzt sind

– Potential zur Leistungserhöhung des Verdichters gegen-über direkter Netzversorgung durch sog. „übersyn-chronen“ Betrieb

❏ Sanftanlauf des Motors/Verdichters– deutlich reduzierter Anlaufstrom bei vollem

Motordrehmoment• Anlaufstrom nur 100 bis 160% des max. Betriebs-

stroms ➔ keine Einschaltstromspitzen, geringeNetzbelastung

• keine Anlaufentlastung erforderlich, da hohes Drehmoment

• geringe Beanspruchung des Motors beim Anlauf – reduzierte mechanische Belastung des Verdichters

sowie verbesserte Schmierbedingungen – verringerte Belastung des Verdichters beim Ansaugen

von Kältemittelflüssigkeit während des Anlaufs

Abb. 7 Schematischer Aufbau eines Frequenzumrichters Fig. 7 Schematic diagram of a frequency inverter

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Bei Leistungsregelung mittels Frequenzumrichter sind einigeprinzipielle Zusammenhänge zu berücksichtigen. Im Falle vonAsynchronmotoren wird die Drehzahl von der Polzahl des Mo-tors und der Netzfrequenz bestimmt. Bei konstanter Polzahl(Standardmotoren) ändert sich die Drehzahl proportional zurFrequenz.

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

Hierbei ist jedoch gleichzeitig eine Veränderung der Eingangs-spannung erforderlich, um den Magnetfluss entsprechend anzu-passen. Die notwendige Spannungsänderung steht aber wiede-rum im Zusammenhang mit der Drehmomentcharakteristik deranzutreibenden Einheit.

Verdrängermaschinen, wie z.B. Hubkolben-, Schrauben- undScroll-Verdichter, haben bei definierten Betriebsbedingungeneinen nahezu konstanten Drehmomentbedarf über den gesam-ten Drehzahlbereich. Mit Blick auf die magnetischen Verhält-nisse müssen deshalb Spannung und Frequenz proportionalverändert werden:

In diesem Zusammenhang ist jedoch zu berücksichtigen, dassübliche Frequenzumrichter keine höhere Ausgangsspannungzum Motor als die Netzspannung bereitstellen können. Diesbedeutet, dass ein für die Netzspannung ausgelegter Motor(z.B. 400V-3-50Hz) bei übersynchronem Betrieb (> 50 Hz) mit„Unterspannung“ (400 V konstant) versorgt wird und deshalbnicht mehr das volle Drehmoment aufbringen kann. Sofernjedoch der Motor bei den maximalen Betriebsbedingungen desVerdichters noch genügend Leistungsreserve aufweist (ca. 25%bei Einsatz bis 60 Hz), kann diese Auslegung sogar vorteilhaftsein. Im Falle einer Störung am Umrichter ist dann ein Notbe-trieb direkt am Netz möglich.

Wird hingegen der Motor bei Standardbedingungen bereits biszum maximalen Drehmoment ausgelastet, ist ein Motor mitSonderspannung erforderlich. Teilweise werden auch sog.Spannungs-Booster verwendet – die Spannungsgrenze des Motors ist dabei zu beachten. Bei Sondermotoren bieten sich jenach Auslegung und/oder zulässigem Drehzahlbereich des Ver-dichters folgende Motoroptionen an (bezogen auf o.g. Netzver-sorgung 400V-3-50Hz):

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

Motordrehmoment

nMotor = – nSchlupfAnzahl Polpaaref x 60

Verhältnis Spannung / Frequenz [U/f] konstant

nmotor = – nslipNumber of pole pairsf x 60

Ratio of voltage / frequency [U/f] constant

When using frequency inverters for capacity control, severalbasic interrelations must be taken into account. With asynchro-nous motors, speed is determined by the number of pole pairsand the network frequency. With a fixed number of poles (stan-dard motors), speed varies as a function of frequency.

Influence of the number of pole pairs and frequency (f) onspeed (n):

Hereby, however, a simultaneous change of supply voltage isrequired, in order to adapt the magnetic flux accordingly.Conversely, the necessary change in supply voltage has aneffect on the torque characteristics of the device to be driven.

Under defined operating conditions positive displacementmachines such as reciprocating, screw, and scroll compressorshave a practically constant torque requirement over the entirespeed range. In view of the magnetic conditions, therefore,voltage and frequency must be changed proportionally:

In this respect it is to be considered that conventional inverterscannot supply motor operating voltages that are higher than theavailable supply voltage. This means that a motor designed fora particular supply voltage (e.g. 400V-3-50Hz) will be suppliedwith “under-voltage” (400 V constant) during transsynchronousoperation (> 50 Hz), and is therefore unable to provide its fulltorque. But provided that the motor still has sufficient powerreserves under the compressor’s maximum operating condi-tions (approx. 25% up to 60 Hz), this layout can even beadvantageous. In case of an inverter failure, emergency opera-tion directly from the power supply is possible.

However, if the motor is already loaded with maximum torqueduring normal conditions, a motor with special voltage is nec-essary. Occasionally, so-called voltage boosters are used,whereby the motor’s voltage limits must be observed. With spe-cial motors, and depending on design and/or permissible com-pressor speed range, the following motor options are possible(based on the above 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

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

Motordrehmoment – maximal zulässige Drehzahl desVerdichters ist dabei zu beachten

Alle BITZER-Verdichter sind konstruktiv für übersynchronenBetrieb ausgelegt und können ebenfalls bis zu sehr niedrigenFrequenzen (20 – 30 Hz, abhängig von Verdichterbauart undEinsatzbedingungen) und damit über ein besonders breitesLeistungsspektrum betrieben werden. Weitere Erläuterungenhierzu siehe nachfolgenden Abschnitte und die am Schluss desArtikels aufgelisteten ergänzenden Informationsschriften.

Entwicklungsschritte und Betriebserfahrungen

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

In der ersten Entwicklungsphase von Umrichtern war die Zuver-lässigkeit der Leistungselektronik noch unzureichend für diebesonders hohen Anforderungen im Bereich der Kälte- und Kli-matechnik. Außerdem lagen die Kosten teilweise beim Mehr-fachen des Verdichterpreises. Dennoch hat BITZER schon sehrfrüh die Vorteile dieser Technologie erkannt und bereits ab 1984 mit umfangreichen Tests begonnen und auf der damaligen IKK-Messe ein Funktionsmodell mit einem halbhermetischenSchraubenverdichter gezeigt.

Der erste Flüssigkeitskühlsatz mit zwei frequenzgeregeltenSchraubenverdichtern (HSK7061-80) zur Klimatisierung einesBürogebäudes in München wurde 1987 in Betrieb genommen.Schon ein Jahr zuvor kamen die ersten halbhermetischen 4- und 6-Zylinder-Hubkolbenverdichter mit Frequenzumrichter

50Frequenz ■ Frequency [Hz]

60 70 80 8740302010

Sp

annu

ng ■

Vol

tage

[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 Frequenzverhältnisse bei konstantem Drehmoment (Netzversorgung 400V-3-50Hz)

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

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

All BITZER compressors are designed for supersynchronousoperation, and can also be run at very low frequencies (20 – 30 Hz, depending on compressor type and operating conditions), which gives them a particularly wide capacityrange. Additional information is given in the following sectionsand in the supplementary documentation listed at the end ofthis article.

Development steps and operational experience

For more than 20 years, large numbers of BITZER compressorshave been used with frequency inverters for speed control inmost varied applications. Below is a summary of the develop-ment steps and 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 compres-sor price. Nonetheless, BITZER recognized the advantages ofthis technology very early, and started with comprehensivetests in 1984, and exhibited a functional model with a semi-her-metic screw compressor at that year’s IKK exhibition.

The first liquid chiller unit with two frequency-controlled screwcompressors (HSK7061-80) was commissioned in 1987 for theair-conditioning system of an office building in Munich. Butalready one year earlier, the first semi-hermetic 4 and 6-cylinderreciprocating compressors with frequency inverters had beeninstalled in railway passenger cars. The motors for this specialapplication were energized with square-wave voltage instead ofthe usual sine-wave supply.

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Abb. 9 Frequenzgeregelter Schraubenverdichter – modulare Baugruppe Fig. 9 Frequency-controlled screw compressor – modular assembly

One noteworthy innovation was the development of hermeticscrew compressors (VSK31) for inverter operation in a frequen-cy range of 20 to 87 Hz (1200 to 5200 rpm). Moreover, it ishardly known that these compressors have been operated inthe ICE trains of the Deutschen Bahn since 1988, and havemeanwhile proved their reliability in numerous other projects.

The recent development project involves a new generation offrequency-controlled screw compressors for liquid chillers andheat pumps. The concept is based on a modular assembly(compressor, horizontal oil separator, frequency inverter), whichcan be combined according the respective requirements (Fig. 9).A decisive feature is the exceptionally wide compressor speedrange with a frequency spectrum of 20 – 90 Hz. This innovativetechnology is particularly efficient in systems with long operat-ing periods at part load and low condensing temperatures.Detailed information on this compressor series and its applica-tion can be found in the Special Edition SV-0801-D-GB.

Already since the early 90’s, countless compounded systemswith reciprocating and screw compressors have been fitted withfrequency inverters. In most of these systems, only the leadcompressor is frequency controlled. Together with intermittentoperation and/or stepped control of the parallel compressors,this arrangement provides a very cost-effective solution withgood control performance.

für die Klimatisierung von Reisezugwagen zum Einsatz. DieMotoren für diese spezielle Anwendung wurden mit Rechteck-spannung an Stelle der üblichen Sinusspannung versorgt.

Eine besondere Innovation war die Entwicklung von hermeti-schen Schraubenverdichtern (VSK31) für Umrichterbetrieb ineinem Frequenzbereich von 20 bis 87 Hz (1200 bis 5200 min-1).Es ist bisher wenig bekannt, dass diese Verdichter schon seit1988 in den ICE Zügen der Deutschen Bahn betrieben werdenund sich inzwischen in vielen weiteren Projekten bewährthaben.

Beim jüngsten Entwicklungsprojekt handelt es sich um eineneue Generation frequenzgeregelter Schraubenverdichter fürFlüssigkeitskühlsätze und Wärmepumpen. Das Konzept basiertauf einer modularen Baugruppe (Verdichter, horizontaler Ölab-scheider, Frequenzumrichter), die sich den Anforderungen ent-sprechend kombinieren lässt (Abb. 9). Ein wesentliches Merkmal ist der außerordentlich große Ver-dichter-Drehzahlbereich mit einem Frequenzspektrum von 20bis 90 Hz. Diese innovative Technologie ist besonders wirt-schaftlich in Systemen mit langen Betriebsperioden bei Teillastund niedrigen Verflüssigungstemperaturen.Eine detaillierte Beschreibung über diese Verdichterbaureiheund deren Anwendung wird in der Sonderausgabe SV-0801-D-GB abgehandelt.

Bereits seit den frühen 90er-Jahren werden Verbundanlagen mitHubkolben- und Schraubenverdichtern in größerer Anzahl mitFrequenzumrichtern ausgerüstet. Dabei sind die Systeme meis-tens so aufgebaut, dass nur der Grundlastverdichter frequenz-geregelt wird. Diese Auslegung ermöglicht in Verbindung mitAussetzbetrieb und/oder gestufter Regelung der parallel betrie-benen Verdichter eine sehr kostengünstige Lösung mit hoherRegelgüte.

Bei der Entwicklung der OCTAGON Baureihe (Markteinführungbeginnend ab 1998) wurde durch eine besondere konstruktiveAusführung bereits die Basis für den Betrieb in einem nachoben erweitertem Drehzahlbereich gelegt. Die Maßnahmenumfassen neben der 4-Zylinderbauweise bei relativ kleiner Leis-tungsgröße einen optimierten Massenausgleich, kurzen Kolben-hub sowie ein spezielles Zentrifugalschmiersystem. Diese Kon-zeption ermöglicht den betriebssicheren und effizienten Betriebauch weit oberhalb der Synchrondrehzahl und ist damit besteVoraussetzung für den kostengünstigen Einsatz von Frequenz-umrichtern.

Ein besonderes Projekt im Rahmen dieser Entwicklung betriffteinen 2-stufigen Verdichter in Leichtmetallbauweise (Abb. 10),der speziell für frequenzvariablen Antrieb ausgelegt ist. DerUmrichter ist direkt am Verdichter angebaut und wird durchMitteldruckgas gekühlt; Fremdkühlung ist deshalb nicht erfor-derlich. Dieser Verdichter wurde gezielt auf die besonderen Be-dingungen beim Einsatz in Kühl-Containern auf Schiffen ausge-legt. Der Anwendungsbereich reicht von Klima- bis Tiefkühlungüber einen Drehzahlbereich von 600 – 2900 min-1 (20 bis 100 Hz)und ermöglicht damit eine bei dieser Anwendung bisher uner-reichte Regelgüte und Effizienz. Inzwischen sind schon mehrerezehntausend dieser Verdichter rund um die Welt in Kühl-Con-tainern im Einsatz. Betriebsergebnisse und Zuverlässigkeit sindaußerordentlich gut.Seit einiger Zeit werden diese Verdichter ebenfalls in Luft-/Wasser-Wärmepumpen erprobt, wobei sich die überragendeEffizienz und Regelgenauigkeit ebenfalls bestätigt hat.

During development of the OCTAGON series (market introduc-tion starting 1998) a special design was the basis for operationwith an upwards extended speed range. Apart from the 4-cylin-der design with relatively low capacity, these measures includedoptimized mass balance, short stroke, and a special centrifugallubricating system. This approach permits safe and efficientoperation well above the synchronous speed, and is therefore thebest prerequisite for the 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.The inverter is mounted directly to the compressor, and iscooled by means of intermediate pressure refrigerant – i.e. sep-arate cooling is not necessary. This compressor was designedspecifically to meet the special requirements for use with refrig-erated containers on ships. Its application range varies fromhigh to low temperature within a speed range of 600 – 2900 rpm(20 to 100 Hz), which enables it to achieve previously unknownlevels of control performance and efficiency. Meanwhile, sever-al ten thousands of these compressors are in worldwide usewith refrigerated containers. Operational results and reliabilityare exceptionally good.Since quite a while, these compressors are also being testedwith air/water heat pumps, whereby their outstanding efficiencyand control performance has been reconfirmed.

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Abb. 10 Halbhermetischer 2-stufiger Kolbenverdichter mit angebautemFrequenzumrichter

Fig. 10 Semi-hermetic reciprocating compressor with directly mounted frequency inverter

In the meantime, also OCTAGON compressors have been de-veloped that are based on the standard series with directlymounted suction gas cooled inverters. This development isbased on long experiences with inverter solutions which wereinstalled separately from the compressor, and particularly onthe approved concept for 2-stage container compressors forcontainer units, as mentioned before. Due to this inverterdesign which was especially adapted to the compressors, thespeed range could be extended upwards to a frequency spec-trum of 87 Hz.

The compressors series is already used in the new ECOSTARcondensing units (Fig. 12), which are especially characterizedby its easy installation (important parameters are pre-config-ured), its precise control accuracy, and its low energy con-sumption.

Similarly, BITZER scroll compressors have already beendesigned for an extended speed range. Following extensivelaboratory tests, a considerable number of compressors withfrequency inverters have been in operation for quite a while.The operat-ing results are exceptionally good, and part-loadefficiencies are significantly better than with the proceduresdescribed in Section 5.3.

Inzwischen wurden auch OCTAGON Verdichter auf Basis derStandardserie mit direkt angebautem sauggasgekühltem Um-richter entwickelt. Diese Entwicklung stützt sich auf die langjäh-rige Erfahrung mit getrennt vom Verdichter aufgestellten Um-richter-Lösungen, im Besonderen aber auf das zuvor beschrie-bene erprobte Konzept bei 2-stufigen Verdichtern für Container-Kühlsätze. Mit dieser speziell auf die Verdichter abgestimmtenUmrichterauslegung konnte auch der Drehzahlbereich nachoben erweitert werden und umfasst jetzt ein Frequenzsprektumbis 87 Hz.

Die Verdichterbaureihe wird bereits in den neuen ECOSTAR Ver-flüssigungssätzen (Abb. 12) eingesetzt, die sich besonders durcheinfache Installation (wichtige Parameter sind vorkonfiguriert),hohe Regelgenauigkeit und geringen Energiebedarf auszeichnen.

BITZER Scrollverdichter wurden ebenfalls bereits konstruktiv für einen erweiterten Drehzahlbereich ausgelegt. Nach umfan-greichen Labortests ist seit einiger Zeit eine größere Anzahl vonVerdichtern mit Frequenzumrichtern im Einsatz. Die Betriebs-ergebnisse sind außerordentlich gut und die Teillast-Wirkungs-grade deutlich günstiger als bei den unter Abschnitt 5.3 be-schriebenen Verfahren.

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Abb. 11 OCTAGON Verdichter mit angebautem Frequenzumrichter Fig. 11 OCTAGON compressor with directly mounted frequency inverter

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Zusammenfassung

Die Vielzahl von Anwendungen und die positiven Erfahrungenüber mehr als 20 Jahre beim Einsatz von Kolben-, Schrauben-und Scrollverdichtern mit Frequenzumrichtern zeigen, dass essich hier um eine bei BITZER erprobte Technologie handelt.Gleichzeitig bestätigt sich darin auch die führende Rolle bei derEntwicklung dieses fortschrittlichen Verfahrens zur Leistungs-regelung.

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

Ausblick

Die von BITZER entwickelte konstruktive Lösung mit direkt amVerdichter angebautem Kältemittel gekühltem Frequenzum-richter ist eine besonders wirtschaftliche, zuverlässige und ein-fach anzuwendende Technologie. Eine Erweiterung der Modell-palette wurde bereits eingeleitet.

Dieses Konzept eigent sich auch in hervorragender Weise fürden künftigen Einsatz neuer Motortechnologien, an deren Ent-wicklung und spezifischer Anpassung schon mehrere Jahreintensiv gearbeitet wird.

Summary

The great number of applications, and the positive experiencesgathered during the more than 20-year operation of reciprocat-ing, screw, and scroll compressors with frequency invertershave shown that this technology is well proven at BITZER. Atthe same time, it also confirms the leading role played duringdevelopment of this advanced procedure for capacity control.

In the course of permanent further and new developments forBITZER compressors, the demands for efficient application ofthe inverter technology were also taken into account. As aresult, an incomparably comprehensive range of products isavailable today, which are working reliably all over the world inmobile and stationary systems.

Outlook

The constructive solution developed by BITZER, with refrigerant-cooled frequency inverter mounted directly to the compressor,is a highly economical, reliable and easy-to-use technology.The expansion of the model range 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 years already.

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Abb. 12 ECOSTAR Verflüssigungssatz mit Frequenzregelung und intelligenterSteuerung

Fig. 12 ECOSTAR Condensing Unit with frequency modulation and intelligentcontrol

Ergänzende Informationen zum Antrieb von BITZER-Verdichtern mit Frequenzumrichtern(siehe auch http://www.bitzer.de)

❏ Hubkolbenverdichter OCTAGON VARISPEEDProspekt KP-102Technische Information KT-420

❏ ECOSTAR VerflüssigungssätzeProspekt KP-207Sonderausgabe KV-0801-D-GB

❏ SchraubenverdichterSonderausgabe SV-0801-D-GB „Eine neue Generationfrequenzgeregelter Schraubenverdichter”

Supplementary information on the operation of BITZERcompressors with frequency inverters(also see http://www.bitzer.de)

❏ Reciprocating compressors OCTAGON VARISPEEDLeaflet KP-102Technical Information KT-420

❏ ECOSTAR Condensing UnitsLeaflet KP-207Special issue KV-0801-D-GB

❏ Screw compressors Special issue SV-0801-D-GB „A new Generation ofFrequency Controlled Screw Compressors”

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