DE102014008716A1 - Procedure for detecting a dry run - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines Trockenlaufs innerhalb eines Kreiselpumpenaggregats, bei dem der Rotor des Kreiselpumpenaggregats von der aktuellen Betriebsdrehzahl (n_0) aus für einen Zeitraum (T) beschleunigt und die zur Beschleunigung benötigte Energie (E) berechnet wird. Die berechnete Energie (E) wird dann mit einem Energiereferenzwert (Eref) verglichen und in Abhängigkeit des Ergebnisses dieses Vergleichs auf einen Trockenlauf geschlossen. Die Erfindung betrifft ferner eine Pumpenelektronik für eine Kreiselpumpe zur Ausführung des Verfahrens sowie eine Kreiselpumpe mit einer derartigen Pumpenelektronik.The invention relates to a method for detecting dry running within a centrifugal pump unit, in which the rotor of the centrifugal pump assembly accelerates from the current operating speed (n_0) for a period (T) and the energy (E) required for the acceleration is calculated. The calculated energy (E) is then compared with an energy reference value (E ref ) and, depending on the result of this comparison, concluded that it is running dry. The invention further relates to a pump electronics for a centrifugal pump for carrying out the method and a centrifugal pump with such a pump electronics.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines Trockenlaufs innerhalb eines Kreiselpumpenaggregats. Ferner betrifft die Erfindung eine Pumpenelektronik für eine Kreiselpumpe zur Ausführung des Verfahrens sowie eine Kreiselpumpe mit einer solchen Pumpenelektronik.The present invention relates to a method for detecting dry running within a centrifugal pump assembly. Furthermore, the invention relates to a pump electronics for a centrifugal pump for carrying out the method and a centrifugal pump with such a pump electronics.
Bei Kreiselpumpen ist es von besonderer Bedeutung zu erkennen, ob die zu fördernde Flüssigkeit vorhanden ist oder fehlt. Da verschiedene drehende Teile im Pumpenaggregat von der zu fördernden Flüssigkeit geschmiert und/oder gekühlt werden, führt ein Trockenlauf unweigerlich zu einem erhöhten Verschleiß oder einer erhöhten thermischen Belastung, so dass kürzere Standzeiten und Schäden am Kreiselpumpenaggregat die Folge sind. Im Wesentlichen betroffene Komponenten sind hier beispielsweise Gleitlager oder Gleitringdichtungen. Da im Falle eines Trockenlaufs keine Flüssigkeit gefördert wird, verbraucht das Pumpenaggregat unnötig Energie. Schließlich benötigen verschiedene Anwendungen, in denen das Kreiselpumpenaggregat benutzt werden, die Information, ob Förderflüssigkeit vorhanden ist oder fehlt. Typischerweise verwenden Heizungen wie Boiler oder Klimatisierungseinrichtungen zusätzliche Hardware (Sensoren), um ein System gegen die Bedrohung eines Trockenlaufs zu schützen.With centrifugal pumps, it is of particular importance to recognize whether the fluid to be delivered is present or absent. Since various rotating parts in the pump unit are lubricated and / or cooled by the liquid to be pumped, dry running inevitably leads to increased wear or increased thermal load, resulting in shorter service life and damage to the centrifugal pump unit. Essentially affected components here are plain bearings or mechanical seals. Since no liquid is pumped in the case of dry running, the pump unit consumes energy unnecessarily. Finally, various applications in which the centrifugal pump assembly is used require information as to whether delivery fluid is present or absent. Typically, heaters such as boilers or air conditioners use additional hardware (sensors) to protect a system against the threat of dry running.
Der Stand der Technik kennt verschiedene Möglichkeiten, einen Trockenlauf zu detektieren. Die einfachste Möglichkeit ist beispielsweise, einen Flüssigkeitssensor zu verwenden, der direkt angibt, ob Flüssigkeit vorhanden ist oder nicht. Eine andere Möglichkeit ist beispielsweise die Messung der Temperatur an einem kritischen Bauteil, beispielsweise einem Gleitlager mittels eines Temperatursensors. Hier wird indirekt auf einen Trockenlauf geschlossen, da im Falle einer erhöhten Temperatur an dem überwachten Bauteil offensichtlich das Kühlmittel fehlt. Eine solche Lösung ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift
Eine weitere Alternative besteht darin, den Druck auslassseitig des Pumpenaggregates zu messen. Die europäische Patentanmeldung
Fließt kein Medium durch die Pumpe so sinkt der Druck im System und der den Elektromotor des Pumpenaggregats speisende Frequenzumrichter würde die Drehzahl des Pumpenaggregats erhöhen, um das Absinken des Drucks auszugleichen. Hieraus folgt, dass im Falle eines Trockenlaufs auf die maximale Drehzahl beschleunigt werden würde, wobei demgegenüber die abgegebene Leistung sinkt, da die Leistung im Falle eines Trockenlaufs proportional zur Drehzahl ist (P~n), im Normalbetrieb des Pumpenaggregats, d. h. im Betrieb mit Förderflüssigkeit, die abgegebene Leistung jedoch proportional zu der 3. Potenz der Drehzahl (P~n3) ist. Die deutsche Gebrauchsmusterschrift
Andere bekannte Arten des Trockenlaufschutzes verwenden Thermoelemente, welche die Reibungswärme zwischen Stator und Rotor messen, eine Sonde mit einer in den Flüssigkeitsstrom der Pumpe hinein ragenden, den Widerstand zwischen Pumpengehäuse und Flüssigkeit messenden Elektrode, siehe Offenlegungsschrift
Die internationale Patentanmeldung
Anhand der beigefügten
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Verfahren zur Trockenlauferkennung bereit zu stellen, das ohne die Verwendung zusätzlicher Sensoren auskommt und auf einfache Weise in Pumpensteuerungen implementiert werden kann, ohne dabei die herkömmliche Pumpenregelung zu stören.It is therefore an object of the present invention to provide an alternative method of dry run detection that does without the use of additional sensors and can be easily implemented in pump controls without interfering with conventional pump control.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by a method having the features of claim 1. Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims.
Es wird ein Verfahren zur Erkennung eines Trockenlaufs innerhalb eines Kreiselpumpenaggregats vorgeschlagen, bei dem der Rotor des Kreiselpumpenaggregats von der aktuellen Betriebsdrehzahl aus für einen bestimmten Zeitraum beschleunigt und die zur Beschleunigung benötigte Energie berechnet wird, wobei die berechnete Energie mit einem Energiereferenzwert verglichen und in Abhängigkeit des Ergebnisses dieses Vergleichs auf einen Trockenlauf geschlossen wird.The invention relates to a method for detecting dry running within a centrifugal pump assembly, in which the rotor of the centrifugal pump assembly is accelerated from the current operating speed for a certain period of time and the energy required for the acceleration is calculated, the calculated energy being compared with an energy reference value and dependent on the Result of this comparison is closed on a dry run.
Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass das Kreiselpumpenaggregat in seinem gesamten Drehzahlbereich einen erheblich anderen Energieverbrauch im Falle eines Trockenlaufs als im Normalfall aufweist. Dies liegt darin begründet, dass bei einem Trockenlauf lediglich die Masse des Rotors und Laufrades beschleunigt werden muss, d. h. die mechanische Trägheit dieser Komponenten überwunden werden muss, wohingegen im Normalfalle zusätzlich die hydraulische Massenträgheit der zu fördernden Flüssigkeit überwunden werden muss. Versuche haben gezeigt, dass die für einen Beschleunigungsvorgang benötigte Energie in Falle eines Trockenlaufs gegenüber der für einen entsprechenden Beschleunigungsvorgang mit identischem Drehzahlsprung bei gleicher Ausgangsdrehzahl für jede Ausgangsdrehzahl einen ausreichenden Abstand aufweist, sodass im Betrieb des Kreiselpumpenaggregats für jede Betriebsdrehzahl durch einen kurzen Drehzahlsprung eindeutig erkannt werden kann, ob ein Trockenlauf vorliegt.The core idea of the present invention is based on the recognition that the centrifugal pump assembly has a significantly different energy consumption in the entire speed range in the case of a dry run than in the normal case. This is due to the fact that in a dry run only the mass of the rotor and impeller must be accelerated, d. H. the mechanical inertia of these components must be overcome, whereas in the normal case, in addition, the hydraulic inertia of the liquid to be pumped must be overcome. Experiments have shown that the energy required for an acceleration process in the case of dry running compared to that for a corresponding acceleration process with identical speed jump at the same output speed for each output speed has a sufficient distance, so that are clearly detected during operation of the centrifugal pump assembly for each operating speed by a short speed jump can, if there is a dry run.
Der Beschleunigungsvorgang kann von einer beliebigen Betriebsdrehzahl aus gestartet werden. Dies hat den Vorteil, dass die erfindungsgemäße Trockenlauferkennung in jedem Betriebszustand des Pumpenaggregats ausgeführt werden kann. Es muss also nicht erst eine spezielle Drehzahl angefahren werden.The acceleration process can be started from any operating speed. This has the advantage that the dry run detection according to the invention can be performed in any operating state of the pump unit. So it does not have to be approached until a specific speed.
Der Beschleunigungsvorgang kann nach verschiedenen Kriterien beendet werden. Gemäß einer ersten Variante kann die Beschleunigung dann beendet werden, wenn ein bestimmter Zeitraum abgelaufen ist. Dies bedeutet, dass der Zeitraum vorgegeben ist, für den die Beschleunigung erfolgen soll. Dieser Zeitraum kann beispielsweise zwischen 100 ms und 1 s, insbesondere zwischen 100 ms und 200 ms betragen. Das Verfahren braucht also nur eine Zehntelsekunde, um einen etwaigen Trockenlauf zu erkennen.The acceleration process can be ended according to various criteria. According to a first variant, the acceleration can be ended when a certain period of time has expired. This means that the period of time for which the acceleration is to take place is predetermined. This period can be, for example, between 100 ms and 1 s, in particular between 100 ms and 200 ms. The process thus takes only a tenth of a second to detect any dry run.
Gemäß einer zweiten Variante, die alternativ oder in Kombination mit der ersten Variante verwendet werden kann, erfolgt die Beschleunigung auf eine bestimmte Zieldrehzahl. Die Beschleunigung wird damit beendet, wenn die Zieldrehzahl erreicht ist. Bei dieser Zieldrehzahl kann es sich um eine absolute Drehzahl, beispielsweise um die Maximaldrehzahl des Kreiselpumpenaggregats, oder um eine relative Drehzahl handeln, beispielsweise um eine um 30% bis 50% schnellere Drehzahl als die aktuelle Betriebsdrehzahl. Anders als bei der ersten Variante sieht die zweite Variante also nicht die Vorgabe eines Zeitraums sondern die Vorgabe der Zieldrehzahl vor, wobei sich der Zeitraum für die Beschleunigung allerdings daraus ergibt, wann die Zieldrehzahl erreicht ist. Dies ist vom Beschleunigungsmoment abhängig.According to a second variant, which can be used alternatively or in combination with the first variant, the acceleration takes place to a certain target speed. The acceleration is terminated when the target speed is reached. This target speed may be an absolute speed, such as the maximum speed of the centrifugal pump assembly, or a relative speed, such as 30% to 50% faster than the current operating speed. Unlike the first variant, the second variant does not provide the specification of a period but the specification of the target speed, the time period for the acceleration, however, results from when the target speed is reached. This depends on the acceleration torque.
Gemäß einer dritten Variante wird die Beschleunigung dann beendet, sobald sich die zur Beschleunigung verbrauchte Energie um einen bestimmten Betrag von der im Falle eines Trockenlaufs oder im Falle eines Nasslaufs benötigten Energie zur Beschleunigung des Rotors unterscheidet. Gemäß dieser Variante wird also nicht abgewartet, bis ein vorbestimmter Zeitraum abgelaufen ist oder eine bestimmte Zieldrehzahl erreicht ist. Vielmehr erfolgt der Abbruch des Beschleunigungsvorgangs bereits dann, wenn mathematisch bereits eine eindeutige Entscheidung über den Betriebszustand des Kreiselpumpenaggregats getroffen werden kann.According to a third variant, the acceleration is terminated as soon as the energy consumed for the acceleration differs by a certain amount from the energy required to accelerate the rotor in the case of dry running or in the case of wet running. According to this variant, therefore, it is not waited until a predetermined period has expired or a certain target speed has been reached. Rather, the termination of the acceleration process already takes place when a clear decision about the operating state of the centrifugal pump assembly can already be made mathematically.
Als Energiereferenzwert kann die zur Beschleunigung theoretisch benötigte Energie bei einem Nasslauf des Kreiselpumpenaggregats verwendet werden. Auf einen Trockenlauf kann dann geschlossen werden, wenn die berechnete Energie kleiner als oder um einen bestimmten Betrag kleiner als der Energiereferenzwert ist. Alternativ kann als Energiereferenzwert die zur Beschleunigung theoretisch benötigte Energie bei einem Trockenlauf des Kreiselpumpenaggregats verwendet werden. In diesem Fall kann auf einen Trockenlauf geschlossen werden, wenn die berechnete Energie nicht mehr als einen bestimmten Betrag von dem Energiereferenzwert abweicht. As an energy reference value, the energy theoretically required for acceleration can be used in a wet run of the centrifugal pump unit. Dry running can be concluded when the calculated energy is less than or equal to a certain amount less than the energy reference value. Alternatively, as an energy reference value, the energy theoretically required for acceleration can be used in a dry run of the centrifugal pump assembly. In this case, a dry run can be concluded if the calculated energy does not deviate more than a certain amount from the energy reference value.
Als Energiereferenz zu der ermittelten Ist-Situation am Kreiselpumpenaggregatkann also entweder diejenige zur Beschleunigung des Rotors theoretisch benötigte Energie verwendet werden, die für einen Trockenlauf erforderlich ist, oder die Energie, die für einen Nasslauf erforderlich ist. Ist die für den aktuellen Beschleunigungsvorgang verbrauchte Energie größer als der Energiereferenzwert im Falle eines Trockenlaufs, so liegt offensichtlich kein Trockenlauf vor. Ist die für den aktuellen Beschleunigungsvorgang verbrauchte Energie kleiner als der Energiereferenzwert im Falle eines Nasslaufs, so liegt offensichtlich ein Trockenlauf vor.As an energy reference to the ascertained actual situation on the centrifugal pump assembly, either the energy theoretically required for accelerating the rotor, which is required for a dry run, or the energy required for a wet run can be used. If the energy consumed for the current acceleration process is greater than the energy reference value in the case of dry running, then obviously there is no dry run. If the energy consumed for the current acceleration process is smaller than the energy reference value in the case of wet running, then there is obviously a dry run.
Es sei angemerkt, dass die beschriebene dritte Variante als alternatives oder zusätzliches Abbruchkriterium für den Beschleunigungsvorgang gegenüber der ersten und/oder zweiten Variante verwendet werden kann.It should be noted that the described third variant can be used as an alternative or additional termination criterion for the acceleration process compared to the first and / or second variant.
Vorzugsweise erfolgt die Beschleunigung des Rotors mit maximalem Drehmoment, dass das Pumpenaggregat aufbringen kann. Dies hat den Vorteil, dass Drehzahlsprünge einer bestimmten Höhe in kürzester Zeit erreicht werden. Dies hat wiederum den Vorteil, dass eine überlagerte Drehzahlregelung des Kreiselpumpenaggregates nur für kürzeste Zeit deaktiviert bzw. unterbrochen werden muss, um das erfindungsgemäße Verfahren zur Trockenlauferkennung durchzuführen.Preferably, the acceleration of the rotor is carried out with maximum torque that can apply the pump unit. This has the advantage that speed jumps of a certain height can be achieved in the shortest possible time. This in turn has the advantage that a superimposed speed control of the centrifugal pump assembly only has to be deactivated or interrupted for the shortest time in order to carry out the method according to the invention for dry run detection.
Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Energiereferenzwert eine Konstante sein, d. h. ein Wert, der über den gesamten Betriebsbereich des Pumpenaggregats gleich ist. Ein solch konstanter Wert ist vor allem bei der vorgennannte Ausführungsvariante sinnvoll, bei der ein bestimmter Drehzahlsprung für den Beschleunigungsvorgang vorgenommen wird. Ausgehend von der Startdrehzahl (aktuelle Betriebsdrehzahl) kann mathematisch derjenige Drehzahlsprung berechnet werden, der erforderlich ist, um den konstanten Energiereferenzwert zu erreichen. Der mathematische Zusammenhang zwischen Startdrehzahl und notwendigem Drehzahlsprung oder notwendiger Zieldrehzahl, um den vorgegebenen Energiereferenzwert zu erreichen, kann in einer Funktion ausgedrückt sein, die vor dem Beschleunigungsvorgang ausgewertet wird. Bei dieser Variante wird folglich die Höhe des Drehzahlsprungs ermittelt, der erforderlich ist, um den Energiereferenzwert zu erreichen.According to a variant of the method according to the invention, the energy reference value may be a constant, i. H. a value that is the same over the entire operating range of the pump set. Such a constant value is particularly useful in the above embodiment, in which a certain speed jump is made for the acceleration process. Starting from the starting speed (current operating speed), it is possible mathematically to calculate the speed jump that is necessary to achieve the constant energy reference value. The mathematical relationship between the starting speed and the necessary speed jump or necessary target speed to achieve the given energy reference value may be expressed in a function that is evaluated before the acceleration operation. In this variant, therefore, the height of the speed jump is determined, which is required to reach the energy reference value.
Gemäß einer anderen Variante ist der Energiereferenzwert keine Konstante, sondern drehzahlabhängig. Hier wird ein über den Betriebsbereich des Pumpenaggregats fester Drehzahlsprung für die Beschleunigung vorausgesetzt, beispielsweise 100 U/min. Ein solch fester Drehzahlsprung führt naturgemäß bei kleinen Drehzahlen zu einem anderen Energiereferenzwert als bei hohen Drehzahlen. So kann der Energiereferenzwert beispielsweise als eine von der aktuellen Betriebsdrehzahl (Startdrehzahl) abhängige Funktion oder als Tabelle hinterlegt sein, in der für eine Vielzahl von Startdrehzahlen entsprechende Energiereferenzwerte zugeordnet sind. Je nach Startdrehzahl kann dann aus der Tabelle derjenige Energiereferenzwert ausgewählt und für die erfindungsgemäße Trockenlauferkennung verwendet werden, der der aktuellen Startdrehzahl für einen bestimmten Drehzahlsprung zugeordnet ist. Alternativ kann mittels der abgespeicherten Funktion zu der aktuellen Startdrehzahl für einen bestimmten Drehzahlsprung der Energiereferenzwert berechnet und für die erfindungsgemäße Trockenlauferkennung verwendet werden.According to another variant, the energy reference value is not a constant but speed-dependent. Here, a fixed speed jump over the operating range of the pump unit is assumed for the acceleration, for example 100 U / min. Such a fixed speed jump leads naturally at low speeds to a different energy reference value than at high speeds. For example, the energy reference value may be stored as a function dependent on the current operating speed (starting rpm) or as a table in which corresponding energy reference values are assigned for a plurality of starting rotational speeds. Depending on the starting speed can then be selected from the table that energy reference value and used for the dry run detection according to the invention, which is assigned to the current starting speed for a particular speed jump. Alternatively, the energy reference value can be calculated by means of the stored function at the current starting rotational speed for a specific rotational speed jump and used for the dry run recognition according to the invention.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante kann der Energiereferenzwert zusätzlich zur Abhängigkeit von der aktuellen Startdrehzahl auch von dem im Rahmen des Beschleunigungsvorgangs erreichten Drehzahlsprung abhängig sein. Bei dieser Variante ist der Drehzahlsprung nicht festgelegt. In diesem Fall ist es von Vorteil, wenn der Energiereferenzwert durch eine Gleichung bestimmt ist, die während des Beschleunigungsvorgangs unter Berücksichtigung der aktuell erreichten Drehzahlsprunghöhe ständig berechnet wird.According to a further embodiment variant, the energy reference value may also be dependent on the speed jump achieved during the acceleration process in addition to the dependency on the current starting rotational speed. In this variant, the speed jump is not specified. In this case, it is advantageous if the energy reference value is determined by an equation which is constantly calculated during the acceleration process taking into account the currently achieved speed jump height.
Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Energiereferenzwert die zur Beschleunigung theoretisch benötigte Energie bei einem Nasslauf des Kreiselpumpenaggregats ist, die während des Beschleunigungsvorgangs berechnet wird. Dies bedeutet, dass während des Beschleunigungsvorgangs eine Gleichung ausgewertet wird, die die zur Beschleunigung benötigte Energie bei einem Nasslauf des Kreiselpumpenaggregats angibt. Diese Energie ist abhängig von der aktuellen Betriebsdrehzahl und dem in Folge der Beschleunigung erreichten Drehzahlsprung und kann als Energiereferenzwert verwendet werden. Da die zur Beschleunigung benötigte Energie bei einem Nasslauf größer ist als bei einem Trockenlauf, kann auf einen Trockenlauf geschlossen werden, wenn die berechnete Energie für die Beschleunigung des Rotors des Kreiselpumpenaggregats kleiner als die mit berechnete theoretisch benötigte Energie bei einem Nasslauf des Kreiselpumpenaggregats ist.For this purpose, it can be provided, for example, that the energy reference value is the energy theoretically required for acceleration during a wet run of the centrifugal pump assembly, which is calculated during the acceleration process. This means that during the acceleration process, an equation is evaluated that corresponds to the Acceleration energy required during a wet run of the centrifugal pump unit indicates. This energy is dependent on the current operating speed and the speed jump achieved as a result of the acceleration and can be used as an energy reference value. Since the energy required for acceleration in a wet run is greater than in a dry run, it can be concluded that the calculated energy for the acceleration of the rotor of the centrifugal pump assembly is less than that calculated with theoretically required energy during a wet run of the centrifugal pump assembly.
Alternativ kann der Energiereferenzwert die zur Beschleunigung theoretisch benötigte Energie bei einem Trockenlauf des Kreiselpumpenaggregats sein, die während des Beschleunigungsvorgangs berechnet wird. Dies bedeutet, dass während des Beschleunigungsvorgangs eine Gleichung ausgewertet wird, die die zur Beschleunigung benötigte Energie bei einem Trockenlauf des Kreiselpumpenaggregats angibt. Bei dieser Variante ist es so, dass im Normalbetrieb des Kreiselpumpenaggregats stets eine erhebliche Abweichung von dem verwendeten Energiereferenzwert vorliegt. Dagegen kann auf einen Trockenlauf dann geschlossen werden, wenn die zur Beschleunigung des Rotors benötigte Energie nicht um einen bestimmten Betrag von dem Energiereferenzwert abweicht.Alternatively, the energy reference value may be the energy theoretically required for acceleration during a dry run of the centrifugal pump assembly calculated during the acceleration process. This means that during the acceleration process, an equation is evaluated which indicates the energy required for the acceleration during a dry run of the centrifugal pump assembly. In this variant, it is the case that during normal operation of the centrifugal pump assembly there is always a considerable deviation from the energy reference value used. On the other hand, a dry run can be concluded when the energy required to accelerate the rotor does not deviate from the energy reference value by a certain amount.
Die Verwendung einer Gleichung für den Energiereferenzwert, die gleichzeitig mit der Berechnung der für den Beschleunigungsvorgang verbrauchten Energie ausgewertet wird, kann für die Realisierung des Abbruchkriteriums bei der oben genannten dritten Variante verwendet werden, da der aktuelle Energieverbrauch zu jedem Zeitpunkt mit dem für Trockenlauf oder Nasslauf erwarteten Energiewert aus der Gleichung verglichen werden kann.The use of an equation for the energy reference value, which is evaluated simultaneously with the calculation of the energy consumed for the acceleration process, can be used for the implementation of the termination criterion in the third variant mentioned above, since the current energy consumption at any time with that for dry running or wet running expected energy value can be compared from the equation.
Vorzugsweise erfolgt die Berechnung der für die Beschleunigung verbrauchten Energie dadurch, dass die Leistungsaufnahme des Kreiselpumpenaggregats zu Beginn und während des Beschleunigungsvorgangs ermittelt wird und die Differenzen zwischen der Leistungsaufnahme zu Beginn des Beschleunigungsvorgangs und der jeweiligen Leistungsaufnahme während des Beschleunigungsvorgangs integriert oder summiert werden. Eine Integration ist hier erforderlich, wenn eine zeitkontinuierliche Ermittlung der Leistungsaufnahme erfolgt, so dass die Leistungsaufnahme des Kreiselpumpenaggregats zu jedem Zeitpunkt vorliegt. Demgegenüber ist eine Aufsummierung der Differenzen erforderlich, wenn die Bestimmung der Leistungsaufnahme während des Beschleunigungsvorgangs zeitdiskret erfolgt, beispielsweise in diskreten Schritten von 125 ms. Durch die Integration einer Leistung erhält man mathematisch die Energie, die am Ende des Integrationszeitraums in einem physikalischen System steckt. Demgegenüber ergibt die Integration der Leistungsdifferenzen zwischen der Leistung zu Beginn des Beschleunigungsvorgangs und den jeweiligen Zeitpunkten während des Beschleunigungsvorgangs die in das Kreiselpumpenaggregat gesteckte Energie für den Beschleunigungsvorgang.The calculation of the energy consumed for the acceleration is preferably carried out by determining the power consumption of the centrifugal pump assembly at the beginning and during the acceleration process and integrating or summing the differences between the power consumption at the beginning of the acceleration process and the respective power consumption during the acceleration process. An integration is required here if a time-continuous determination of the power consumption takes place so that the power consumption of the centrifugal pump assembly is present at all times. In contrast, the summation of the differences is necessary if the determination of the power consumption during the acceleration process is time-discrete, for example in discrete steps of 125 ms. Integrating a power mathematically gives you the energy that is in a physical system at the end of the integration period. In contrast, the integration of the power differences between the power at the beginning of the acceleration operation and the respective times during the acceleration operation results in the energy put into the centrifugal pump assembly for the acceleration operation.
Vorteilhafterweise erfolgt die Beschleunigung des Rotors derart, dass die beschleunigungsbedingte Drehzahlzunahme bei einer niedrigen Betriebsdrehzahl höher ist, als bei einer hohen Betriebsdrehzahl. Dies bedeutet, dass der Beschleunigungsvorgang bei niedrigen Betriebsdrehzahlen länger ist und/oder eine höhere Betriebsdrehzahl erreichen muss, als ein Beschleunigungsvorgang, der bei einer höheren Betriebsdrehzahl gestartet wird. Zwar kann ein bei einer niedrigeren Betriebsdrehzahl verwendeter Beschleunigungsvorgang (Dauer oder Sprunghöhe), der zu einem aussagereichen Ergebnis führt, auch bei einer höheren Betriebsdrehzahl verwendet werden. Jedoch geht dies umgekehrt nicht, weil bei niedrigeren Drehzahlen eine größere Drehzahlzunahme erforderlich ist, um eindeutig eine Aussage treffen zu können, ob ein Trockenlauf vorliegt oder nicht.Advantageously, the acceleration of the rotor takes place such that the acceleration-related increase in speed is higher at a low operating speed than at a high operating speed. This means that the acceleration process is longer at low operating speeds and / or must reach a higher operating speed than an acceleration operation that is started at a higher operating speed. Although an acceleration operation (duration or jump height) used at a lower operating speed, which leads to a meaningful result, can also be used at a higher operating speed. However, vice versa, this is not because at lower speeds greater speed increase is required in order to make a clear statement whether a dry run is present or not.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorzugsweise in einer Pumpenelektronik für eine Kreiselpumpe integriert sein, die zur Ausführung des Verfahrens der vorbeschriebenen Art eingerichtet ist. Die Erfindung betrifft daher ebenfalls eine Pumpenelektronik für die Kreiselpumpe, die zur Ausführung des beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist.The inventive method may preferably be integrated in a pump electronics for a centrifugal pump, which is adapted to carry out the method of the type described above. The invention therefore also relates to a pump electronics for the centrifugal pump, which is adapted to carry out the method described.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch eine Kreiselpumpe mit einer derartigen Pumpenelektronik und darin implementiertem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung.Moreover, the invention also relates to a centrifugal pump with such a pump electronics and method implemented therein according to the present invention.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung können der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen entnommen werden, die auf die beigefügten Figuren Bezug nehmen. Es zeigen:Further advantages and features of the invention can be taken from the following description of exemplary embodiments, which refer to the attached figures. Show it:
Wie bereits in der Beschreibungseinleitung erläutert, zeigt
Für eine Trockenlauferkennung kann ein drehzahlabhängiger Mittelwert zwischen der Leistungsaufnahme im Normalfall und der Leistungsaufnahme im Falle eines Trockenlaufs gebildet werden, der als Referenzkurve für die Feststellung verwendet werden kann, ob ein Trockenlauf vorliegt oder nicht. Dieser drehzahlabhängige Mittelwert ist durch die gestrichelte Kurve P_DryLimit veranschaulicht. Für eine Trockenlauferkennung wird im Betrieb des Kreiselpumpenaggregats die aktuelle Leistungsaufnahme ermittelt und mit dem Referenzwert der Mittelwertkurve bei der aktuellen Drehzahl (Startdrehzahl + aktueller Drehzahlsprunghöhe) verglichen. Liegt die aktuelle Leistungsaufnahme unter dem Referenzwert, so liegt ein Trockenlauf vor.For dry run detection, a speed-dependent average can be formed between the power consumption in the normal case and the power consumption in the case of a dry run, which can be used as a reference curve for determining whether there is a dry run or not. This speed-dependent mean value is illustrated by the dashed curve P_DryLimit. For dry run detection, the current power consumption is determined during operation of the centrifugal pump unit and compared with the reference value of the mean value curve at the current speed (start speed + current speed step height). If the current power consumption is below the reference value, then there is a dry run.
Wie sich aus
Das Trägheitsmoment J für ein Kreiselpumpenaggregat wird im Falle des Trockenlaufs, d. h. ohne Flüssigkeit im Laufrad, nur durch die Masse des Rotors und des Laufrads bestimmt: J = JMotor. Demgegenüber ist das Trägheitsmoment J im Normalfall zusätzlich durch einen hydraulischen Anteil gebildet: J = JMotor + JHydraulik.The moment of inertia J for a centrifugal pump unit is determined in the case of dry running, ie without fluid in the impeller, only by the mass of the rotor and the impeller: J = J motor . In contrast, the moment of inertia J is normally additionally formed by a hydraulic component: J = J engine + J hydraulic .
Für die rotatorische Energie gilt allgemein Erot = 1/2·Jω2. In Bezug auf das Kreiselpumpenaggregat gilt damit für eine beliebige Betriebsdrehzahl ω0 = 2π·n0 im Normalfall Erot = 1/2·(JMotor + JHydraulik)ω0 2. Wird das Pumpenaggregat ausgehend von dieser Drehzahl ω0, nachfolgend auch Startdrehzahl genannt, beschleunigt, so steigt die Drehzahl um Δω am Ende des Beschleunigungsvorgangs an. Fehlt es dem Pumpenaggregat gegenüber dem Normalbetrieb an Förderflüssigkeit, beträgt die rotatorische Energie am Ende des Beschleunigungsvorgangs Erot,dry = 1/2·JMotor(ω0 + Δω)2.For the rotational energy E red = 1/2 · Jω 2 applies in general. With respect to the centrifugal pump assembly, this holds for an arbitrary operating speed ω 0 = 2π · n 0 in the normal case E rot = 1/2 · (J motor + J hydraulic ) ω 0 2 . If the pump set is accelerated starting from this speed ω 0 , also referred to as the start speed, the speed increases by Δω at the end of the acceleration process. If the pump set is missing from the pumping liquid compared to normal operation, the rotary energy at the end of the acceleration process E is red, dry = 1/2 · J motor (ω 0 + Δω) 2 .
Die für einen Beschleunigungsvorgang benötigte Energie E ergibt sich dann aus der Differenz der Energie Eend am Ende des Beschleunigungsvorgangs zur rotatorischen Energie Estart, die in dem Kreiselpumpenaggregat zu Beginn des Beschleunigungsvorgangs gespeichert war. Für den Trockenlauf gilt dann:
Und für den Normalfall gilt analog:
Wie zuvor ausgeführt, kann der Energiereferenzwert Eref eine Konstante sein, d. h. ein Wert, der über den gesamten Betriebsbereich des Pumpenaggregats gleich ist. Da der Beschleunigungsvorgang bei irgendeiner Startdrehzahl ω0 beginnen kann, muss der Drehzahlsprung Δω, der erreicht werden muss, um diesen konstanten Energiereferenzwert Eref zu erhalten, berechnet werden. Dies kann aus dem mathematischen Zusammenhang Δω = f(Eref, ω0) zwischen Startdrehzahl ω0 und notwendigem Drehzahlsprung Δω erfolgen. Gesucht ist also die Höhe eines Drehzahlsprunges Δω, die einen identischen Energieunterschied Eref zwischen Normalfall und Trockenlauf ergibt. Dieser mathematische Zusammenhang ergibt sich mit Eref = Enormal – Edry = konstant aus der Differenzbildung der Gleichungen 1 und 2:
Physikalisch sinnvoll ist lediglich die Lösung mit der positiven Wurzel, so dass sich für den zu bestimmenden Drehzahlsprung
Ein beispielhafter Verfahrensablauf einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in
Das Verfahren beginnt bei Block
Die ermittelte aktuelle Leistungsaufnahme P_0 und die aktuelle Betriebsdrehzahl n_0 werden anschließend gespeichert, Block
Es erfolgt dann in Block
In Block
Im nächstfolgenden Schritt
Als Abbruchkriterium kann der Ablauf eines vorgegebenen Beschleunigungszeitraums, z. B. T = 100 ms, das Erreichen einer vorgegebenen Zieldrehzahl n_x oder der positive Vergleich des berechneten Energieverbrauchs E mit der während des Beschleunigungsvorgangs rechnerisch mit ausgewerteten Gleichung 2 (für Nasslauf) verwendet werden. Um zur herkömmlichen Drehzahlregelung zurückzukehren wird die Zieldrehzahl n_x wieder auf die Drehzahl n_0 gesetzt, die zu Beginn des Beschleunigungsvorgangs vorlag, Schritt
Im nächsten Schritt
Ist die für den Beschleunigungsvorgang benötigte Energie E jedoch nicht kleiner, insbesondere nicht um den bestimmten Betrag kleiner als der Energiereferenzwert Eref, liegt der Normalfall vor, d. h. ein in der Förderflüssigkeit drehendes Laufrad, so dass das erfindungsgemäße Verfahren ohne Erkennung eines Fehlerzustandes in Gestalt eines Trockenlaufs beendet werden kann, Schritt
Der Beschleunigungsvorgang wird abgebrochen, sobald die für die Beschleunigung benötigte, berechnete Energie aussagekräftig ist, um festzustellen, ob ein Trockenlauf vorliegt, oder nicht. Diese Feststellung ist mit einem Vergleich der aktuell berechneten Energieaufnahme und der zeitgleich ausgewerteten Gleichung 2 möglich. Ein aussagekräftiges Ergebnis kann möglicherweise bereits nach einem Beschleunigungszeitraum T vorliegen, der weniger als 100 ms beträgt. Demgemäß ist die Beschleunigungsvariante gemäß
Das neue Verfahren zur Trockenlauferkennung basiert folglich auf der Energie, die für einen kurzen Beschleunigungsvorgang erforderlich ist. Die Differenz der Energie, die zur Beschleunigung des Rotors aufgrund seiner Trägheit benötigt wird, unterscheidet sich signifikant gegenüber der Energie die zur Beschleunigung des Rotors und der im Laufrad befindlichen Flüssigkeit benötigt wird. Die Beschleunigungsprozedur benötigt dabei etwa 100 ms oder weniger und weitere 100 ms zur Rückkehr zur ursprünglichen Drehzahl. Schnelle Drehzahlsprünge, wie sie das erfindungsgemäße Verfahren benötigt, können mit einer üblichen Drehzahlregelung, beispielsweise mit der feldorientierten Regelung (FOR), erreicht werden. Aufgrund der schnellen Dynamik wird der eingeschwungene Zustand des hydraulischen Systems nicht beeinträchtigt und das neue Verfahren zur Trockenlauferkennung wird von einem Nutzer des Kreiselpumpenaggregats nicht bemerkt. Insoweit ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders nutzerfreundlich und beeinträchtigt die konventionelle Steuerung des Kreiselpumpenaggregats in keinster Weise.The new method of dry run detection is therefore based on the energy required for a short acceleration process. The difference in energy needed to accelerate the rotor due to its inertia is significantly different than the energy needed to accelerate the rotor and the fluid in the impeller. The acceleration procedure is needed about 100 ms or less and another 100 ms to return to the original speed. Rapid speed jumps, as required by the method according to the invention, can be achieved with a conventional speed control, for example with field-oriented control (FOR). Due to the fast dynamics of the steady state of the hydraulic system is not affected and the new method for dry run detection is not noticed by a user of the centrifugal pump unit. In that regard, the inventive method is particularly user-friendly and does not affect the conventional control of the centrifugal pump assembly in any way.
Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet im gesamten Drehzahlbereich des Kreiselpumpenaggregats sicher und zuverlässig. Sofern der Energiereferenzwert während des Beschleunigungsvorgangs mitberechnet wird, erübrigt sich die Vornahme einer Vielzahl an Messungen, die zur Erstellung einer Referenzkurve, wie sie die gestrichelte Leistungskurve in
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Ausfallsicherung und zuverlässige Trockenlauferkennung bereitgestellt, die insbesondere auch bei kleinen Drehzahlen zuverlässig funktioniert. Aufgrund der geringen Drehzahlsprünge und/oder der sehr kurzen Beschleunigungszeiten, wird die übergeordnete Drehzahlregelung des Kreiselpumpenaggregats nicht beeinträchtigt.With the method according to the invention a fail-safe and reliable dry-running detection is provided, which works reliably especially at low speeds. Due to the low speed jumps and / or the very short acceleration times, the superordinate speed control of the centrifugal pump unit is not affected.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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