DE102023120404A1

DE102023120404A1 - Verfahren zum Starten eines drehzahlgeregelten Elektromotors einer Kreiselpumpe

Info

Publication number: DE102023120404A1
Application number: DE102023120404.1A
Authority: DE
Inventors: Christian Heister
Original assignee: KSB SE and Co KGaA
Current assignee: KSB SE and Co KGaA
Priority date: 2023-08-01
Filing date: 2023-08-01
Publication date: 2025-02-06
Also published as: WO2025026771A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten eines drehzahlgeregelten Elektromotors einer Kreiselpumpe, wobei die Kreiselpumpe wenigstens ein durch den Elektromotor angetriebenes Laufrad aufweist, das in einem regulären Pumpenbetrieb zur bestimmungsgemäßen Förderung eines Fördermediums von einer Saugseite zu einer Druckseite der Kreiselpumpe mit positiver Drehzahl dreht, und wobei die Drehzahlregelung des Motors geberlos ohne Mittel zur Lagebestimmung des Rotors arbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Start der Kreiselpumpe anhand einer Strommessung detektiert wird, ob und in welche Richtung das Laufrad durch eine Fremddurchströmung in Rotation versetzt ist, und bei Detektion einer durch die Fremddurchströmung erzeugten positiven Drehzahl der Motor gemäß einer Drehzahlrampe beginnend mit einem Drehzahlsollwert von Null angesteuert wird und bei Detektion einer durch die Fremddurchströmung erzeugten negativen Drehzahl der Motor gemäß einer Drehzahlrampe beginnend mit einem negativen Drehzahlsollwert angesteuert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten eines drehzahlgeregelten Elektromotors einer Kreiselpumpe, wobei die Kreiselpumpe wenigstens ein durch den Elektromotor angetriebenes Laufrad aufweist, das in einem regulären Pumpenbetrieb zur bestimmungsgemäßen Förderung eines Fördermediums von einer Saugseite zu einer Druckseite der Kreiselpumpe mit positiver Drehzahl dreht, und wobei die Drehzahlregelung des Motors geberlos ohne Mittel zur Lagebestimmung des Rotors arbeitet.
Wird eine Kreiselpumpe im ausgeschalteten Zustand von einem externen Medium durchströmt, so kann durch die Fremddurchströmung das Pumpenlaufrad und damit der Rotor in Rotation versetzt werden. Dies kann gerade bei hydraulischen Anlagen mit mehreren Pumpen auftreten. Strömt das Medium von der Saugseite zur Druckseite, so wird dem Laufrad eine positive Drehzahl aufgezwungen. Kommt es stattdessen zu einer Rückströmung von der Druckseite zur Saugseite, so rotiert das Laufrad mit negativer Drehzahl.
Bei permanentmagneterregten Synchronmotoren existieren Drehzahlregelungsverfahren, bspw. die feldorientierte Regelung, die Kenntnis über die aktuelle Rotorlage erfordern. Aus Kosten- und Wartungsgründen wird in der Regel jedoch auf einen dedizierten Absolutwertgeber zur Lage- und Drehzahlmessung verzichtet. Wird der Rotor im Ruhebetrieb durch eine Fremddurchströmung in Rotation versetzt, ist ein direktes Einschalten des Motors mit einem auf der elektromotorischen Kraft basierenden geberlosen Regelverfahren nicht ohne weiteres möglich.
In der Vergangenheit wurde in entsprechenden Pumpenregelungen daher vorgesehen, dass bei Feststellung einer Fremddurchströmung und einer damit einhergehenden fremderregten Rotation des Motors der Stator bzw. die Wicklungen des Stators in einen Kurzschluss geschaltet wurden. Ausgenutzt wurde in diesem Zusammenhang der resultierende Phasenwiderstand, der zur Umwandlung der überschüssigen elektrischen Energie im Zuge von Kupferverlusten in Wärme verwendet wird. Diese freigesetzte Energie wird dem hydraulischen System entzogen, wodurch ein gewisses Bremsmoment auf die Pumpe erzeugt werden kann und somit das Laufrad bis zum Stillstand abgebremst werden konnte. Aus dem Stillstand kann die Pumpe dann regulär gestartet werden.
Nachteil einer solchen Lösung ist jedoch, dass der resultierende Kurzschlussstrom nicht geregelt ist und unter Umständen gefährlich hoch werden kann. Dies kann zu einer thermischen Beschädigung des Motors führen und ebenso eine irreversible Entmagnetisierung der verbauten Permanentmagnete im Rotor bewirken. Ein weiterer Nachteil kann darin bestehen, dass die erreichbare Bremswirkung durch die Kurzschlussschaltung stark von den Charakteristika der Maschine abhängt und damit maschinenabhängig unterschiedlich effektiv arbeitet.
Es wird daher nach einer alternativen Vorgehensweise gesucht um die vorgenannten Probleme zu überwinden.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, für eine entsprechende Kreiselpumpe, die eine geberlose Drehzahlregelung des Motors verwendet, anhand einer Strommessung eine Fremddurchströmung zu detektieren. Mittels der Strommessung soll neben der grundsätzlichen Feststellung einer Fremddurchströmung auch die Richtung der Fremddurchströmung bzw. die Drehrichtung der dem Motor aufgezwungenen Rotation erfasst werden. Wird eine Fremddurchströmung detektiert, so wird in Abhängigkeit der festgestellten Drehrichtung zum Anfahren des Motors keine Drehzahlregelung wie im regulären Pumpenbetrieb ausgeführt, sondern die Pumpe stattdessen mit einer Drehzahlsteuerung angefahren. D.h. die Motordrehzahl wird nicht unter Berücksichtigung einer Ist-Drehzahl des Rotors geregelt, sondern stattdessen gemäß einer fest vorgegebenen Soll-Drehzahlrampe ohne Rückkopplung der Ist-Drehzahl oder Ist-Rotorlage gesteuert. Als regulärer Pumpenbetrieb wird ein aktiver Betrieb der Pumpe zur bestimmungsgemäßen Förderung eines Fördermediums von einer Saugseite zu einer Druckseite der Pumpe mit positiver Drehzahl verstanden.
Die Art der Drehzahlrampe, insbesondere deren Start- und/oder Endwert, wird abhängig von der zuvor detektierten Drehzahlrichtung der durch die Fremddurchströmung erzeugten Drehzahl gewählt. Wird eine positive Drehzahl festgestellt, wird die Motordrehzahl für die Drehzahlsteuerung durch eine Drehzahlrampe vorgegeben, die initial von einem Drehzahlwert von Null ausgeht und insbesondere linear im positiven Drehzahlbereich ansteigt. Wird dagegen eine negative Drehzahlrichtung festgestellt, so wird der Motor mit einer Drehzahlrampe angesteuert, deren Startwert im negativen Drehzahlbereich liegt und in einen positiven Drehzahlbereich ansteigt, idealerweise linear ansteigt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren soll das durch die Rotorerregung, insbesondere die Permanentmagneterregung, hervorgerufene Rotorfeld des wegen Fremddurchströmung rotierenden Rotors, von dem durch die Statorwicklung hervorgerufenen Statorfeld überholt werden, wobei das Statorfeld durch die Ansteuerung mit der entsprechenden Drehzahlrampe erzeugt wird. Bei einer hinreichend kleinen Differenzgeschwindigkeit beider Felder fällt der Rotor in Tritt mit dem Statorfeld und der Motor kann wie gewohnt drehzahlgeregelt weiterbetrieben werden.
Mit Hilfe dieses Verfahrens kann auch ohne konkrete Lageerfassung des Rotors ein erfolgreicher Startvorgang des Motors sichergestellt werden.
Vorteilhafterweise wird als Strommessung ein durch die Fremddurchströmung erzeugter Kurzschlussstrom innerhalb wenigstens einer Motorwicklung des Stators gemessen. Das Schalten der Motorwicklung in den Kurzschluss wird durch den verbauten Frequenzumrichter erreicht, beispielsweise durch Schließen der jeweiligen Halbrücken der integralen Brückenschaltung des Frequenzumrichters.
Bei der Kurzschlussschaltung ist jedoch darauf zu achten, dass der Kurzschlussstrom nicht unzulässig hoch wird und es zu einer Beschädigung der Leistungsschalter des Frequenzumrichters oder eine unzulässige Erwärmung der Statorwicklungen kommt. Auch kann ein unzulässig hoher Kurzschlussstrom eine irreversible Entmagnetisierung der Rotormagnete bewirken. Zur Vermeidung der vorgenannten Gefahren wird daher ein Schwellwert für den Kurzschlussstrom definiert. Überschreitet der Kurzschlussstrom den Schwellwert, wird eine Fremddurchströmung detektiert und alle Leistungsschalter des Inverters gesperrt. Der Kurschlussstrom kann dann aufgrund der hohen Zwischenkreisspannung schnell über die Freilaufdioden abkommutieren.
Der Schwellwert ist ausreichend klein gewählt, sodass auch bei einer kurzfristigen Schwellwertüberschreitung eine Beschädigung der Hardware unwahrscheinlich ist. Es ist jedoch notwendig, den Schwellwert ausreichend hoch zu wählen, um eine Fremddurchströmung gegenüber üblichem Messrauschen unterscheiden zu können. Die Definition eines geeigneten Schwellwertes kann beispielsweise durch ein oder mehrere Trainingsmessungen festgelegt werden, insbesondere nach Inbetriebnahme der Pumpe, wobei hier beispielsweise eine Situation ohne Fremddurchströmung gewählt wird und der Kurzschlussstrom zur Bewertung des Messrauschens erfasst wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn anhand der durchgeführten Strommessung, insbesondere der Kurzschlussstrommessung, neben der Richtung und dem Vorliegen einer fremderzeugten Rotation auch die Drehzahl der Rotation bestimmt wird. Eine Drehzahlmessung bzw. -schätzung wird bspw. dadurch ermöglicht, indem zwei oder mehrere Messungen des Kurzschlussstroms zu unterschiedlichen Zeitpunkten ausgeführt werden. Durch die konkrete Feststellung der zeitlichen Differenzen der zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfassten Kurzschlussströme und der Phasenlagen der gemessenen Ströme kann dann die Frequenz und demzufolge die Drehzahl geschätzt werden. Es ist also vorgesehen, dass das Verfahren zur Kurzschlussstrommessung mindestens einmal wiederholt wird, um den Kurzschlussstrom zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten zu erhalten. Bevorzugt wird das Verfahren jedoch mindestens zweimal, idealerweise mindestens dreimal wiederholt, um robuster gegenüber Messrauschen zu sein. Bei den Messungen wird stets die zeitliche Dauer bis zum Überschreiten des Schwellwertes erfasst und gespeichert, um die zeitlichen Differenzen der Überschreitungszeitpunkte zu ermitteln. Bspw. stehen bei einer dreifachen Wiederholung der Kurzschlussstrommessung drei Phasenströme zu vier unterschiedlichen Zeitpunkten zur Verfügung. Mittels der bekannten Clarke-Transformation wird eine Transformation in die komplexe Raumzeigerdarstellung vorgenommen, in der anhand der Phasenlagen der vier Raumzeiger sowie unter Kenntnis der zeitlichen Differenzen die elektrische Frequenz und damit drei unterschiedliche Drehzahlen abgeleitet werden können. Aus den abgeleiteten Drehzahlwerten wird dann durch Mittelwert- oder Medianwertbildung die geschätzte Drehzahl der Fremddurchströmung berechnet.
Wie bereits vorstehend angedeutet wurde, werden zwischen der Durchführung aufeinanderfolgender Kurzschlussstrommessungen alle Leistungsschalter der Brückenschaltung gesperrt, wodurch der Kurzschlussstrom über die Freilaufdioden der Brücke abkommutieren kann.
Nach Detektion einer Fremddurchströmung wird der Motor der Kreiselpumpe nicht drehzahlgeregelt, sondern lediglich mit einer Solldrehzahl angesteuert, d.h. ohne Rückkopplung einer gemessenen, geschätzten oder sonst wie bestimmten Ist-Drehzahl. Die für die Steuerung vorgegebene Solldrehzahl ergibt sich aus der Drehzahlrampe, die wiederrum in Abhängigkeit der vorab detektierten fremderregten Drehzahl bestimmt wird. Diese Drehzahlsteuerung wird als Steuerung/Regelung des Motors im offenen Kreis bezeichnet, da weiterhin eine Stromregelung ausgeführt wird. Der Stromregler erhält als Eingangsgrößen Sollwerte für den Stromraumzeiger in Betrag und Phasenlage sowie die gemessenen Motorströme. Die Phasenlage wird über fortlaufende Integration der Drehzahlrampe bereitgestellt. Der einzuregelnde Betrag des Stromraumzeigers wird konstant gewählt, jedoch ausreichend hoch definiert, um im Bedarfsfall durch ein damit einhergehendes hohes Drehmoment die Wahrscheinlichkeit für ein erfolgreiches Einfangen des Motors zu erhöhen.
Ist der Rotor erfolgreich eingefangen, kann die Steuerung/Regelung im offenen Kreis in eine Regelung mit geschlossenem Kreis umgeschaltet werden, die eine echte Drehzahlregelung ausführt. Aufgrund der geberlosen Drehzahlregelung wird hier in bekannter Weise mittels eines Beobachters unter Berücksichtigung des aktuellen Ist-Motorstroms und der Sollspannung die Drehzahl bzw. die Rotorlage geschätzt. Der aktive Drehzahlregler bestimmt in Abhängigkeit der Drehzahlabweichung den entsprechenden Sollstrom für den Stromregler.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung wird bei Detektion einer durch Fremddurchströmung erzeugten negativen Drehzahl der Motor mit einer Drehzahlrampe angesteuert, deren initialer negativer Start-Drehzahlwert betragsmäßig gleich oder größer dem per Strommessung geschätzten, durch die Fremddurchströmung erzeugten Drehzahlwert ist. Denkbar ist es, einen betragsmäßig um 5%-15% höheren Wert auszuwählen. Denkbar ist es ebenfalls, bei einer detektierten negativen Drehzahl den Motor mit der maximal möglichen negativen Drehzahl anzufahren.
Um die Zeitdauer des Verfahrens bis zum Einfangen des Rotors zu reduzieren, kann es ausreichend sein, die initiale Startdrehzahl der verwendeten Drehzahlrampe betragsmäßig kleiner als die durch die Fremddurchströmung erzeugte negative Drehzahl zu wählen. Denkbar ist ein Drehzahlwert, der betragsmäßig zwischen etwa 5% - 15 % kleiner ist als die durch die Fremddurchströmung erzeugte negative Drehzahl.
Es kann zudem zweckmäßig sein, die Rampensteilheit der Drehzahlrampe ausreichend klein zu definieren. Dadurch vergrößert sich das Zeitfenster zum Einfangen, d.h. zum Intrittfallen des Rotorfeldes mit dem Statorfeld und die Erfolgsaussichten des Verfahrens zum Einfangen des Rotors vergrößern sich. Zwar muss dadurch eine Erhöhung des benötigten Energieaufwands in Kauf genommen werden, dies ist im Hinblick auf die Verbesserung der Zuverlässigkeit des Verfahrens jedoch akzeptabel.
Zu beachten ist auch, dass bei der Verfahrensausführung unter gewissen Umständen ein generatorischer Betrieb eintreten kann, d.h. durch das Statorfeld wird der Motor gegen die durch die Fremddurchströmung erzeugte Drehrichtung des Rotors beschleunigt. Während des generatorischen Betriebs wird dem hydraulischen System durch Rekuperation Energie entzogen. Diese Energie würde, wenn sie nicht anderweitig verbraucht wird, den Zwischenkreiskondensator aufladen. Durch die Reduktion der Rampensteilheit wird bei einer solchen Konstellation die resultierende mechanische Leistung und damit die generatorisch erzeugte Energie geringgehalten, sodass der Zwischenkreiskondensator nur bedingt aufgeladen und eine Überladung faktisch ausgeschlossen werden kann. Auch ist es hilfreich, wenn der Sollstrom, insbesondere der Sollstromamplitudenwert, während der Drehzahlsteuerung im offenen Kreis ausreichend hoch gewählt ist. Mit den damit einhergehenden Verlusten in Frequenzumrichter und Motor wird zusätzlich elektrische Energie in einem generatorischen Betriebspunkt vernichtet, um bspw. ein Aufladen des Zwischenkreiskondensators zu verhindern bzw. zu reduzieren. Durch die reduzierte Rampensteilheit und die geeignete Definition des Sollstroms für die Drehzahlansteuerung kann im Ergebnis eine Überlastung des Zwischenkreises während eines generatorischen Betriebspunktes zuverlässig vermieden werden. Gleichzeitig muss darauf geachtet werden, dass der Sollstrom nicht zu hoch gewählt ist, um Schäden an der Elektronik und/oder dem Motor zu vermeiden, beispielsweise durch Überhitzung oder Entmagnetisierung der Permanentmagnete.
Ferner wird vorgeschlagen, dass bei einer in Folge der Fremddurchströmung detektierten positiven Drehzahl von der Drehzahlsteuerung im offenen Kreis in eine Drehzahlregelung mit geschlossenem Kreis, also mit echter Rückkopplung der Ist-Drehzahl und geschätzten Rotorlage übergegangen wird, sobald der Motor auf eine Drehzahl oberhalb der zuvor detektieren positiven Drehzahl durch die Fremddurchströmung beschleunigt wurde.
Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung ebenfalls eine Pumpe, insbesondere eine Kreiselpumpe, besonders bevorzugt eine Heizungsumwälzpumpe, mit wenigstens einem Steuerbaustein, der konfiguriert ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Für die Pumpe ergeben sich somit dieselben Vorteile und Eigenschaften, wie sie bereits vorstehend anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgezeigt wurden. Auf eine wiederholende Beschreibung wird aus diesem Grund verzichtet.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen nachfolgend anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels und den nachfolgenden Figuren näher beschrieben werden. Die Figuren zeigen:

1: ein Blockdiagramm der Strommessung zur Detektion einer Fremddurchströmung,
2: das Prinzip Diagramm für einen geschlossenen Regelkreis ohne Absolutgeber für die Drehzahlregelung,
3: eine Prinzip Darstellung des offenen Kreises für die Drehzahlsteuerung beim Start der Pumpe nach Detektion einer Fremddurchströmung,
4: das Ablaufdiagramm zum Starten des Motors nach Detektion einer Fremddurchströmung,
5: eine Modifikation des Startverfahrens.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll nachfolgend anhand einer Kreiselpumpe beschrieben werden, die mittels eines permanentmagneterregten Synchronmotors angetrieben wird. Die Pumpe weist eine Steuerung auf, die eine feldorientierte Drehzahlregelung ausführt. Da die Pumpe geberlos arbeitet, d.h. die aktuelle Lage des Rotors nicht sensorisch durch einen Lagegeber erfasst wird, kommt ein sogenannter Beobachter zum Einsatz, der die aktuelle Drehzahl und Rotorlage schätzt. Die im Pumpenbetrieb reguläre Drehrichtung des Laufrades wird hier als Drehrichtung mit positiver Drehzahl bezeichnet.
Im Pumpenstillstand kann das Laufrad der Pumpe durch eine Fremddurchströmung sowohl in positiver Drehrichtung (positive Drehzahl) als auch in negativer Drehrichtung (negative Drehzahl) in Rotation versetzt sein. Ziel der Erfindung ist die zuverlässige Detektion einer solchen Fremddurchströmung sowie das erfolgreiche Starten des Pumpenbetriebs bei Vorliegen einer Fremddurchströmung. Gewünscht ist ein möglichst zuverlässiges Verfahren, welches mit einer minimalen Anzahl an Parametern auskommt. Letzteres soll im Hinblick auf eine Vielzahl unterschiedlicher Pumpenmotoren den Entwicklungsaufwand minimieren und gleichzeitig die Zuverlässigkeit des Verfahrens maximieren. Die Erfindung lässt sich somit in zwei zu lösende Aufgabenstellungen untergliedern, nämlich die Detektion einer Fremddurchströmung der Pumpe, die zu einer durch eine externe Kraft aufgezwungenen Laufradbewegung führt, und das Starten des Motors bei Vorliegen einer Fremddurchströmung.
Detektion einer Fremddurchströmung
Bei Vorliegen einer Fremddurchströmung rotiert der Rotor angetrieben durch das durchströmte Pumpenlaufrad. Hierdurch werden in der Wicklung des Stators Spannungen induziert. Für die Detektion der Fremddurchströmung wird bei einer deaktivierten Pumpe der Kurzschlussstrom als Messgröße für die Rotorgeschwindigkeit und Drehrichtung herangezogen. Das Prinzip zur Detektion ist in der Diagrammdarstellung der 1 gezeigt.
Hierzu wird die Wicklung des Stators im Zeitpunkt t=0 über die Brückenschaltung des Frequenzumrichters, insbesondere die B6-Brücke bei einem 3-phasigen Motor, vorrübergebend in den Kurzschluss geschaltet (Block 10). Befindet sich der Rotor (z.B. aufgrund des Vorliegens einer Fremddurchströmung) in Rotation, so baut sich ein Kurzschlussstrom auf. Hierbei muss sichergestellt werden, dass

a. der Kurzschlussstrom groß genug ist, um hinreichend genau detektiert zu werden.
b. nicht zu groß wird, um eine Beschädigung der Leistungsschalter des Inverters oder eine unzulässige Erwärmung der Statorwicklung oder gar einen Strom, welcher zu einer irreversiblen Entmagnetisierung der Magnete führt, zu verhindern.

Um dies sicherzustellen wird als einziger Parameter zur Detektion der Fremddurchströmung ein Schwellwert I_S,ef des Stromes I_S definiert. Dieser ist so zu wählen, dass

a. er groß genug ist, um sich eindeutig von Messrauschen zu unterscheiden, um eine Fehlerkennung ausschließen zu können.
b. er klein genug ist, damit die Hardware und/oder der Motor nicht geschädigt werden.

Im Block 20 wird überprüft, ob der Kurzschlussstrom I_S den definierten Schwellwert I_S,ef vor einem Timeout, hier 100ms, überschreitet. Ist das der Fall, so wird von einem Vorliegen einer Fremddurchströmung ausgegangen und das Verfahren wird im Block 30 fortgesetzt. Bleibt der Motor stattdessen stromlos, d.h. der Schwellwert wird nicht überschritten, so kann auf einen stehenden Rotor geschlossen werden (Block 70) und der Motor kann normal aus dem Stillstand gestartet werden (Block 80).
Die benötigte Zeit t1 bis zum Überschreiten des Schwellwertes I_S,ef im Block 20 wird gespeichert. Anschließend wird die Pulsweitenmodulation des Frequenzumrichters ausgeschaltet (Block 30), wodurch alle Leistungsschalter (bspw. MOSFETs) der Brückenschaltung des Frequenzumrichters sperren und der Kurschlussstrom aufgrund der hohen Zwischenkreisspannung schnell über die Freilaufdioden abkommutieren kann. Zudem wird der gemessene Kurzschlussstrom I_s,k gespeichert, wobei der Index k die Nummer der ausgeführten Messung darstellt.
Das Prozedere mit der Kurzschlussmessung (Block 40) und der Deaktivierung der PWM sowie dem Abspeichern des Messwertes (Block 30) wird mit dem ermittelten Timing noch dreimal wiederholt, so dass insgesamt die drei Phasenströme zu vier verschiedenen Zeitpunkten bekannt sind. Diese lassen sich über die bekannte Clarke-Transformation in komplexe Raumzeiger umrechnen (Block 50). Aus den Phasenlagen der vier Raumzeiger lassen sich unter Kenntnis der zeitlichen Differenz ΔT die elektrische Frequenz und schließlich drei Drehzahlen berechnen (Block 50).
Prinzipiell würden zwar zwei Zeiger und zwei Messwerte ausreichen, um robuster gegenüber Messrauschen zu sein werden jedoch vier Zeiger gemessen bzw. berechnet. Als Schätzwert für die Drehzahl wird aus dem Set der geschätzten Drehzahlen der Medianwert verwendet (Block 50).
Die vorzeichenbehaftete Drehzahl ergibt sich dann durch $\tilde{n} = \frac{60}{2 \cdot π \cdot p} \cdot \frac{Δ φ}{Δ T_{s c} + Δ T_{P W M, a u s}}$
Das implementierte Verfahren berücksichtigt noch eine Erkennung des Nulldurchgangs beim Winkelargument Δφ = φ_t - φ_{t-(ΔTsc+ΔTPWM,aus)} (Definitionsbereich [0,2π]).
Nachdem durch die Prozedur gemäß 1 eine Fremddurchströmung sowie die dem Rotor aufgezwungene Drehzahl bestimmt worden sind, kann der Motor im Block 60 mit einer modifizierten, auf die geschätzte Drehzahl abgestimmte Drehzahlrampe hochgefahren werden.
Starten des Motors bei Vorliegen einer Fremddurchströmung (Block 60)
Wurde eine Fremddurchströmung mithilfe des oben beschriebenen Verfahrens detektiert, so wird in Abhängigkeit der geschätzten Drehzahl und Drehrichtung die Vorgehensweise zum Starten des Motors festgelegt. Prinzipbedingt wird ein Startversuch nur bis zu einer definierten betragsmäßigen Maximaldrehzahl vorgenommen.
Die Rotorposition ist zu Beginn des Startvorgangs nicht bekannt. Zwar werden im zuvor beschriebenen Verfahren zur Detektion der Fremddurchströmung Phasenlagen des Kurzschlussstromes bestimmt. Allerdings handelt es sich bei diesem um einen transienten Einschwingstrom und nicht den eingeschwungenen Kurzschlussstrom, welcher sich bei Vernachlässigung des Phasenwiderstandes in der d-Achse des rotororientierten Koordinatensystems befindet. Ferner wird die Phasenlage erst zeitlich nach dem Sampling aufgrund der rechenintensiven atan2-Berechnung in einem langsameren Task berechnet. Dies bedeutet, dass die Phasenlage des Stromes zum Zeitpunkt, an dem diese berechnet wurde, ohnehin veraltet ist und nicht zur Regelung verwendet werden kann. Da im Falle einer Fremddurchströmung aber von einem stationären Betriebspunkt ausgegangen werden kann, kann davon ausgegangen werden, dass die Drehzahl während der in Bezug auf die mechanischen Zeitkonstanten relativ kurzen Rechenzeit weitgehend konstant bleibt.
Zum Hochfahren der Pumpe wird der Motor dann im offenen Kreis geregelt. Dies bedeutet, dass der Motorstrom zwar geregelt wird, die Drehzahl aber gesteuert wird. Auf diesen Unterschied wird kurz anhand von 2 eingegangen, die das Regelschema der Drehzahlregelung im geschlossenen Kreis während des regulären Pumpenbetriebs zeigt. Der Drehzahlregler 104 erzeugt in Abhängigkeit einer Soll-Drehzahl n_soll und der Ist-Drehzahl ñ bzw. der sich daraus ergebenden Regelabweichung als Stellgröße einen Sollwert I_Soll für den Motorstrom. Der Stromregler 100 regelt den Motor auf den Sollwert I_Soll ein, wobei dem Stromregler 100 als Eingangsgrößen für den Ist-Wert der Schätzwert der Rotorlage φ̃ und die Phasenströme I_ist zugeführt werden und als Stellgröße die Statorspannung U_Soll ausgegeben wird. Letztere wird dann durch den Inverter 101 des Frequenzumrichters zur Energieversorgung des Motors 102 erzeugt. Da die Pumpe geberlos arbeitet, wird die aktuelle Ist-Drehzahl ñ sowie die Rotorlage φ̃ mithilfe eines Beobachters 90 modellbasiert unter Zuhilfenahme der Eingangsgrößen Ist-Strom I_ist und Spannungssollwert U_Soll geschätzt. Dadurch kann der Motor effizient betrieben werden, da nur der Strom eingeregelt wird, welcher nötig ist, um die gewünschte Drehzahl n_Soll zu erreichen. Die Soll-Spannung U_Soll stellt die wichtigste Eingangsgröße dar. Sie ist in guter Näherung proportional von der Drehzahl abhängig, weshalb das Regelverfahren mit dem eingesetzten Beobachter 103 erst bei höheren Drehzahlen zuverlässig funktioniert, da hier die induzierte Gegenspannung im Spannungssollwert dominierend ist, und somit ein ausreichend gutes Signal-Rausch-Verhältnis gewährleistet ist.
Im Falle einer detektierten Fremddurchströmung wird zum Pumpenstart nun auf eine Drehzahlsteuerung umgeschaltet, also eine Regelung im offenen Kreis, deren Prinzip anhand der 3 erläutert wird. Die Soll-Drehzahl n_Soll wird dabei über eine Rampe 105 vorgegeben und der Strom durch den Stromregler 100 auf einen betragsmäßig festen Sollwert I_Soll geregelt, wobei dieser so gewählt wird, dass er ausreichend groß ist, um ein Einfangen des Rotors zu ermöglichen und im weiteren Startverlauf ein Außertrittfallen des Rotors zu verhindern. Der Strom wird zwar ebenso wie im geschlossen Kreis in seiner Phasenlage mit Bezug auf eine Referenz φ̃_soll geregelt, allerdings wird hierbei eine Phasenlage φ̃_soll verwendet, welche sich aus der Integration der Drehzahlsollwerte n_Soll ergibt. Diese Phasenlage φ̃_soll entspricht erstmal nicht der Rotorposition.
Startpunkt und Steilheit der Rampe 105 sind auf den zu erzielenden Zweck angepasst, nämlich mit dem durch die Statorwicklung hervorgerufenen Statorfeld das durch die Permanentmagneterregung hervorgerufene Rotorfeld zu überholen und bei hinreichend kleiner Differenzgeschwindigkeiten beider Felder in Tritt mit diesem zu fallen. Die Amplitude des Stromes wird dabei geregelt und der drehmomentbildende Anteil des Stromes stellt sich lastpunktabhängig ein. Die Rampensteilheit wird verhältnismäßig klein dimensioniert, um die Wahrscheinlichkeit eines erfolgreichen Intrittfallens zu erhöhen. Die Vorgehensweise in der Prinzipdarstellung der 4 gezeigt.
Für die Auswahl der konkreten Rampe 105 wird zunächst eine Fallunterscheidung 61 angestellt für im Block 50 der 1 geschätzte Drehzahl ñ. Bei einer positiven Drehzahl ñ infolge der Fremddurchströmung wird die Rampe 105a für den offenen Kreis gemäß 3 mit einem initialen Drehzahlsollwert von Null begonnen. Die Drehzahlrampe 105 steigt mäßig im positiven Drehzahlbereich an. Der Übergang von der Drehzahlsteuerung im offenen Kreis (3) in die Drehzahlregelung im geschlossenen Kreis (2) wird realisiert, wenn der Rotor auf eine Drehzahl oberhalb der geschätzten Drehzahl ñ infolge der Fremddurchströmung beschleunigt wurde.
Im Falle einer negativen Drehzahl infolge der Fremddurchströmung wird der Start der Rampe 105b auf eine negative Drehzahl gelegt. Vorteilhaft, aber nicht notwendig, ist es hierbei den Start auf einen initialen Drehzahlsollwert zu legen, welcher betragsmäßig größer ist, als die initial geschätzte Drehzahl, hier bspw. auf einen Wert ñ+500.
Dies vergrößert das Zeitfenster, um ein erfolgreiches Intrittfallen des Rotorfeldes mit dem Statorfeld zu gewährleisten.
Die reduzierte Rampensteilheit der verwendeten Rampe 105a, 105b hat neben der Vergrößerung des Zeitfensters für ein Intrittfallen des Rotorfeldes mit dem Statorfeld bei Vorliegen einer gegenläufigen Fremddurchströmung eine weitere Funktion. Da gegen die Drehrichtung des Rotors beschleunigt werden soll, kann sich ein generatorischer Betriebspunkt einstellen, bei welchem dem hydraulischen System durch Rekuperation Energie entzogen werden kann. Diese Energie würde, wenn sie nicht anderweitig verbraucht wird, den Zwischenkreiskondensator aufladen. Wird dieser unzulässig stark aufgeladen, kann es zu Schäden kommen. Allgemein ist der Wirkungsgrad im Generatorfall wie folgt definiert $η_{G e n} = \frac{P_{e l}}{P_{m e c h}} = \frac{P_{m e c h} - P_{v}}{P_{m e}}$
wobei P_mech die mechanische Leistung ist, die dem System entzogen wird.
Für Betriebsfälle mit P_mech>P_v ergeben sich positive generatorische Wirkungsgrade und der Zwischenkreis wird aufgeladen, wodurch die am Zwischenkreiskondensator anliegende Spannung ansteigt. Ein solcher Betriebsfall sollte möglichst ausgeschlossen oder zumindest über einen so kurzen Zeitraum vorliegen, dass die am Kondensator anliegende Spannung innerhalb der zulässigen Grenzwerte bleibt.
Dies wird realisiert indem die Rampe klein gewählt wird, wodurch P_mech klein bleibt und gleichzeitig dafür gesorgt wird, dass die Verluste ausreichend groß sind, also P_mech<P_v gilt, wodurch dem Zwischenkreis Energie entzogen wird. Dies wird durch einen ausreichend großen eingeregelten Phasenstrom I_Soll im offenen Kreis realisiert, welcher zu Stromwärmeverlusten im Motor und Schaltverlusten im Inverter 101 führt. Darüber hinaus erhöht ein höherer Motorstrom auch die Erfolgsaussichten für das Einfangen des Rotors, da das mögliche Drehmoment zum Einfangen des Rotors erhöht wird.
Ein geringfügig modifizierter Ansatz ist in 5 dargestellt. Im Gegensatz zur Variante der 4 soll hier im Fall einer geschätzten negativen Drehzahl ñ eine leicht modifizierte Rampe 105b' zum Einsatz kommen. Gemäß der modifizierten Rampe 105b' wird der initiale Startwert der Soll-Drehzahl nicht auf einen betragsmäßig größeren Wert als den Schätzwert ñ gelegt, sondern stattdessen auf einen um 10% geringeren Wert 0,9*ñ.

Claims

Verfahren zum Starten eines drehzahlgeregelten Elektromotors einer Kreiselpumpe, wobei die Kreiselpumpe wenigstens ein durch den Elektromotor angetriebenes Laufrad aufweist, das in einem regulären Pumpenbetrieb zur bestimmungsgemäßen Förderung eines Fördermediums von einer Saugseite zu einer Druckseite der Kreiselpumpe mit positiver Drehzahl dreht, und wobei die Drehzahlregelung des Motors geberlos ohne Mittel zur Lagebestimmung des Rotors arbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Start der Kreiselpumpe anhand wenigstens einer Strommessung detektiert wird, ob und in welche Richtung das Laufrad durch eine Fremddurchströmung in Rotation versetzt ist, und bei Detektion einer durch die Fremddurchströmung erzeugten positiven Drehzahl der Motor gemäß einer Drehzahlrampe beginnend mit einem Drehzahlsollwert von Null angesteuert wird und bei Detektion einer durch die Fremddurchströmung erzeugten negativen Drehzahl der Motor gemäß einer Drehzahlrampe beginnend mit einem negativen Drehzahlsollwert angesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Strommessung ein durch die Fremddurchströmung erzeugter Kurzschlussstrom innerhalb wenigstens einer Motorwicklung gemessen wird, indem mittels der Brückenschaltung des Frequenzumrichters wenigstens eine Phase der Motorwicklungen in den Kurzschluss geschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schwellwert für den Kurzschlussstrom definiert wird und bei Überschreiten des Schwellwertes eine Fremddurchströmung detektiert wird, wobei vorzugsweise die Schwellwerthöhe derart definiert ist, dass eine Unterscheidung eines durch Fremddurchströmung erzeugten Kurzschlussstroms von Messrauschen möglich ist, jedoch eine Hardwarebeschädigung durch eine zu hohe Stromstärke vermieden wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrmals, insbesondere bei Inbetriebnahme der Pumpe, eine Kurzschlussstrommessung bei Nichtvorliegen einer Fremddurchströmung ausgeführt wird, um das Messrauschen der individuellen Pumpe zu bewerten.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ferner die durch die Fremddurchströmung erzeugte Drehzahl des Pumpenlaufrades bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzschlussstrommessung mindestens einmal, vorzugsweise mindestens zweimal, idealerweise mindestens dreimal wiederholt wird und unter Berücksichtigung der Phasenlage der gemessenen Kurzschlussströme und der zeitlichen Differenz zwischen den Messpunkten die Drehzahl bestimmbar ist, wobei zur Erfassung der zeitlichen Differenz die benötigte Zeit vom Schalten des Kurzschlusses bis zum Erreichen des Schwellwertes gespeichert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor nach Detektion einer Fremddurchströmung im offenen Kreis geregelt wird, indem der Motorstrom auf einen Sollwert geregelt, die Drehzahl unter Verwendung einer Drehzahlrampe gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromregler bei Regelung im offenen Kreis als Eingangsgrößen Stromamplitudensollwert, die gemessenen Ist-Ströme sowie eine durch Integration der Solldrehzahl gemäß Drehzahlrampe berechnete Referenz für die Phasenlage der Ströme erhält.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor im offenen Kreis auf einen konstanten Sollstromamplitudenwert geregelt wird, wobei der gewählte Sollwert so gewählt wird, dass die Verluste die zu erwartende generatorisch erzeugte Leistung überschreiten, jedoch nicht zu einer thermischen oder anderweitigen Überlastung des Pumpenaggregates führen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Detektion einer durch Fremddurchströmung erzeugten negativen Drehzahl der Motor gemäß einer Drehzahlrampe angesteuert wird, deren initiale negative Drehzahl betragsmäßig größer oder gleich der durch die Fremddurchströmung erzeugten negativen Drehzahl ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Detektion einer durch Fremddurchströmung erzeugten negativen Drehzahl der Motor gemäß einer Drehzahlrampe angesteuert wird, deren initiale negative Drehzahl betragsmäßig um 5%-15% kleiner als die durch die Fremddurchströmung erzeugte negative Drehzahl ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer infolge der Fremddurchströmung detektierten positiven Drehzahl in eine Drehzahlregelung mit geschlossenem Kreis übergegangen wird, wenn der Motor auf eine Drehzahl oberhalb der detektierten positiven Drehzahl beschleunigt wurde.
Pumpe, insbesondere Kreiselpumpe, besonders bevorzugt Heizungsumwälzpumpe, mit wenigstens einer Steuerung konfiguriert zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der vorstehenden Ansprüche.