DE3824057A1 - Verfahren zur regelung des betriebes von pumpen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Betriebes von Pumpen auf einer Ortslinie aus einer Schar von Ortslinien, die aus Betriebspunkten der Förderhöhe über dem Förderstrom bestehen.

Es ist bekannt, elektromotorisch angetriebene Pumpen, insbesondere in Heizungssystemen, in der Weise zu betreiben, daß nach Messung einer Druckdifferenz an der Pumpe oder einer anderen geeigneten Stelle der Betrieb auf eine Konstante oder auch geführte Druckdifferenz geregelt wird oder daß nach Messung der Pumpendrehzahl und der Strom­ aufnahme des Motors ein Wert für die Ist-Förderhöhe ermittelt und damit nach der Förderhöhe geregelt wird. In allen Fällen werden bei der Regelung auf Konstante oder geführte Förderhöhe an oder in der Pumpe oder im Förder­ medium zur Ermittlung von für die Regelung verwertbarer Werte besondere mehr oder weniger aufwendige, störanfäl­ lige und teure Sensoren verwendet.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, diese Sensoren völlig in Fortfall kommen lassen zu können.

Erfindungsgemäß wird dazu bei einem Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, weder im Fördermedium noch in oder an der Pumpe oder am Motor Meßgrößen mittels besonderer Sensoren, sondern lediglich Meßwerte von der elektrischen Stromzuführung also der Netzzuleitung zum Motor abzunehmen, daraus einen Parameter zu ermitteln der der Ortslinie aus der Förderhöhe über dem Förderstrom entspricht und ein Stellglied wie Phasenanschnittssteu­ erung, Frequenzumrichter oder dergl. zur Drehzahlverstel­ lung der Pumpe bzw. des Pumpenmotors in der Weise zu verstellen, daß die so ermittelte Ist-Ortslinie mit der Soll-Ortslinie übereinstimmt.

Die Meßwerte, die von der elektrischen Stromzuführung zum Pumpenmotor genommen werden, sollen der Strom, die Wirk­ leistung und die Frequenz im Bereich Null bis Netzfrequenz z.B. 50 Hz, die durch den Schlupf des Motors als Störung entsteht sein und/oder andere Frequenzen, die sich als Linearkombination von dieser und der Netzfrequenz ergeben.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der elektrische Strom in kurzen Zeitabständen mehrmals pro Periode gemessen. Mindestens sollen bei etwa stationärem Betrieb mehrere Stromwerte über eine Periode durch geeig­ nete Mittelwertbildung über mehrere Perioden hinweg möglichst genau gemessen werden.

Aus diesen Stromwerten und der Messung der elektrischen Spannung mindestens bei der Annahme eines sinusförmigen Spannungsverlaufs durch Messung der max. oder effektiven Spannung und des Nulldurchgangs mit der Phasenlage zu den Stromwerten, wird die Wirkleistung ermittelt, also die vom Motor effektiv aufgenommene Leistung. Als unabhängige Meß­ größe wird eine Frequenz ermittelt. Dazu wird eine Fre­ quenzanalyse im Bereich 0 Hz bis 50 Hz vorgenommen. Das Frequenzspektrum wird bewichtet, um die Meßfehler bei dieser Frequenzanalyse auszugleichen. Schließlich wird die Frequenz mit der größten Amplitude (genau: die Mittenfrequenz eines resonanzartigen Amplitude-über-Frequenz-Verlaufs) ermittelt.

Aus dieser Signalfrequenz kann der prozentuale Schlupf des Motors ermittelt werden. Für Kurzschlußläufer gilt:

Diese Methode ermöglicht eindeutige Schlupf-Messungen zwischen 0% und ca. 40% (entsprechend 100% bis ca. 60% Drehzahl) mit der Frequenzanalyse in einer Phase bei Dreh­ strommotoren oder der einphasigen Netzzuleitung bei Wechsel­ strommotoren; für größeren Schlupf kann bei Drehstrommo­ toren in mehreren Phasen der Strom für die Frequenzanalyse gemessen werden bzw. bei Wechselstrommotoren zusätzlich der Strom in die Kompensationswicklung, falls dieser Schlupf­ bereich überhaupt noch interessiert.

Die Ursache für diese Signalfrequenz liegt in der Rückwir­ kung des Rotors auf die Statorwicklung. Macht der Rotor eine Umdrehung gegenüber dem umlaufenden Feld an Schlupf, so wird dabei zweimal ein maximales Gegenfeld mit entsprechen­ der Stromreduktion aufgebaut.

Die Ermittlung von Wirkleistung und Schlupf ermöglicht die Regelung des Pumpenbetriebes auf einer Ortslinie, die nach­ folgend mit Bezug auf die beiliegenden Diagramme beschrieben werden soll. Für den zumeist interessierenden Betriebsbe­ reich bei nicht zu flacher Rohrnetzkennlinie wird so eine Regelung auf konstante oder mit steigendem Förderstrom eventuell leicht erhöhte Förderhöhe möglich.

Als Ortslinie wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine besonders festgelegte Menge von Betriebspunkten als Funktion von Wirkleistung und Schlupf bezeichnet.

• 1. Der Punkt mit minimaler Leistungsaufnahme bei konstantem Schlupf entsteht bei steilster Rohrkennlinie ohne oder nahezu ohne Wasserdurchsatz und gibt diese Nullförderhöhe an.
• 2. Der Punkt mit maximaler Leistungsaufnahme bei konstan­ tem Schlupf zeigt auf den maximalen Förderstrom bei diesem Schlupf, bis zu dem noch ein Betrieb mit nahezu konstanter Förderhöhe möglich ist.
• 3. Aus dem Anstieg der Leistungsaufnahme bei konstantem Schlupf wird ein Wert für den relativen Förderstrom bezogen auf den vorg. maximalen Förderstrom (s. 2.) abgeleitet (z.B. durch Dreisatz). Daraus läßt sich über die Annahme einer typischen quadratischen Pumpenkenn­ linie (Maximum bei Nullförderhöhe nach 1. und abgefallen auf Nullförderhöhe/√ im Punkt maximalen Förderstromes gemäß 2.) der Sollschlupf errechnen, der das Einhalten der relativen Förderhöhe (entsprechend der Nullförderhöhe nach 1.) erreichen läßt.
  Das Stellglied "Drehzahlsteller" wird nun solange ver­ stellt, bis der Ist-Schlupf mit dem Soll-Schlupf überein­ stimmt. Hierbei ist in der iterativen Berechnung berück­ sichtigt, daß der veränderte Ist-Schlupf eine neue mini­ male Leistungsaufnahme (1) und eine Neuberechung von relativem Förderstrom und Sollschlupf zur Folge hat (siehe 3. Abs. 1).
  Der Einfluß des ermittelten relativen Förderstromes auf die Berechnung des Soll-Schlupfes entscheidet über die Förderhöhe als Funktion über den Förderstrom.
• 4. Überschreitet der Förderstrom bei konstantem Schlupf den Förderstrom mit max. Leistungsaufnahme (2), so ist eine Regelung auf konstante Förderhöhe mit der hier beschriebenen Methode nicht mehr möglich.

Da nach 1. und 3. das Systemverhalten bei gemessenem Schlupf und Leistungsaufnahme festliegt, ergibt sich näherungsweise eine Regelung auf konstanten Förderstrom in diesem Betriebsbereich.

Claims (4)

1. Verfahren zur Regelung des Betriebes von Pumpen auf einer Ortslinie aus einer Schar von Ortslinien im Förderhöhe-Förderstrom-Diagramm, dadurch gekennzeichnet, daß allein von der elektrischen Stromzufuhr zum Antriebs­ motor der Pumpe Meßwerte genommen werden, daß daraus ein Parameter ermittelt wird, der der Ortslinie entspricht und daß ein Stellglied zur Drehzahlverstellung der Pumpe bzw. des Pumpenmotors in der Weise verstellt wird, daß die so ermittelte Ist-Ortslinie mit der Soll-Ortslinie übereinstimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte von der elektrischen Stromzufuhr (vom Netz zum Motor) der Strom, die Wirkleistung sowie eine Frequenz im Bereich von Null bis zur Netzfrequenz oder darüber sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßwert die durch den Schlupf des Motors als Störung entstehende Frequenz dient.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied eine Phasenanschnittssteuerung oder ein Frequenzumrichter ist.