DE69312183T2

DE69312183T2 - Control method of an electric motor for driving a centrifugal pump

Info

Publication number: DE69312183T2
Application number: DE69312183T
Authority: DE
Inventors: Leif Rasmussen
Original assignee: SMEDEGAARD AS
Current assignee: SMEDEGAARD AS
Priority date: 1992-08-21
Filing date: 1993-08-18
Publication date: 1998-01-08
Anticipated expiration: 2013-08-19
Also published as: ATE155552T1; EP0584713B1; EP0584713A1; DE69312183D1; DK1293D0; DK1293A

Abstract

A method for controlling an electric motor (2) driving a centrifugal pump (3) having a diameter ratio D1/D2 less than approximately 1/2 and a varying fluid flow-through (Q), the motor (2) being connected to a supply mains (R,S,T) through a power-control device (1). An electrical measuring signal (I) is produced, being proportional to the current drawn by the motor (2) or by the power-control device (1), and based on the known characteristics of the motor (2) and the pump (3), the electrical measuring signal (I) is processed so as to produce a control signal (f), being used as an input signal to the power-control device (1). The electrical measuring signal (I) is processed in such a manner, that the control signal (f) causes the delivery pressure (H) of the pump (3) to be substantially constant over a large variation interval for the fluid flow-through (Q). <IMAGE>

Description

Technical area

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 1 zur Steuerung eines Elektromotors zum Antrieb einer Kreiselpumpe.The present invention relates to a method according to the preamble of claim 1 for controlling an electric motor for driving a centrifugal pump.

Das Durchmesserverhältnis D&sub1;/D&sub2; ist das Verhältnis zwischen den Schraubenraddurchmessern am Fluideinlaß zu und dem Fluidauslaß aus der Kreiselpumpe.The diameter ratio D�1/D₂ is the ratio between the impeller diameters at the fluid inlet to and the fluid outlet from the centrifugal pump.

Technical background

Herkömmlicherweise wird eine solche Motor-Pumpe-Kombination mit Blick auf die Erzeugung eines konstanten Drucks durch Messen des Ausgangsdrucks und Erhöhen der Umdrehungsgeschwindigkeit des Motors, wenn der Druck fällt, und Senken der Umdrehungsgeschwindigkeit des Motors, wenn der Druck steigt, gesteuert. Normalerweise wird der Druck mittels eines Differenzdrucksensors gemessen, der ein Signal erzeugt, wenn der Druck zu niedrig ist, und ein anderes Signal, wenn der Druck zu hoch ist, und kein Signal, wenn der Druck richtig ist. Dann werden diese Signale zur Regelung der Umdrehungsgeschwindigkeit des Motors benutzt, wodurch folglich ein im wesentlichen konstanter Speisedruck von der Pumpe erzielt wird. Der wichtigste Nachteil dieser Anordnung ist, daß der Differenzdrucksensor eine bestimmte Hysterese aufweist, so daß die Regelfunktion nicht kontinuierlich, sondern in Schritten stattfindet, was eine bestimmte Schwankung im Speisedruck der Pumpe verursacht.Conventionally, such a motor-pump combination is controlled to produce a constant pressure by measuring the output pressure and increasing the rotational speed of the motor when the pressure falls and decreasing the rotational speed of the motor when the pressure rises. Normally, the pressure is measured by means of a differential pressure sensor which produces a signal when the pressure is too low and another signal when the pressure is too high and no signal when the pressure is correct. Then these signals are used to control the rotational speed of the motor, thus achieving a substantially constant feed pressure from the pump. The main disadvantage of this arrangement is that the differential pressure sensor has a certain hysteresis so that the control function does not take place continuously but in steps, causing a certain fluctuation in the feed pressure of the pump.

EP-A-0 226 858 offenbart ein Verfahren gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 1, in dem die Messung das Messen von mindestens zwei Kennwerten beinhaltet, nämlich der Umdrehungsgeschwindigkeit und der Stromaufnahme.EP-A-0 226 858 discloses a method according to the preamble of claim 1, in which the measurement includes measuring at least two parameters, namely the rotational speed and the current consumption.

DE-A-38 24 057 offenbart ein Verfahren, durch das verschiedene Meßwerte von der elektrischen Stromversorgung des Motors zur Erzeugung eines Kennwerts genommen werden, der der Kennlinie für den Druck gegen den Fluß entspricht. Die Erzeugung dieses Kennwerts macht es erforderlich, daß die Meßwerte sich aus dem Strom, der wirkleistung und einer bestimmten Frequenz zusammensetzen, die dem Schlupf des Motors entspricht. Es gibt keine Erwähnung einer Möglichkeit, den Strom alleine direkt zur Steuerung des Motors über die Leistungssteuervorrichtung ohne komplexe Berechnung und Frequenzanalyse zu benutzen.DE-A-38 24 057 discloses a method by which various measurements are taken from the electric power supply of the motor to generate a characteristic value corresponding to the pressure versus flow characteristic. The generation of this characteristic value requires that the measurements consist of the current, the active power and a certain frequency corresponding to the slip of the motor. There is no mention of a possibility of using the current alone directly to control the motor via the power control device without complex calculation and frequency analysis.

Description of the invention

Auf der Grundlage dieses Stands der Technik, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bereitzustellen, das verglichen mit den obigen bekannten Verfahren wesentlich vereinfacht ist. Dies wird durch die Merkmale gemäß dem kennzeichnenden Abschnitt des Anspruchs 1 erreicht. Die Strommessung ist verhältnismäßig einfach durchzuführen und es gibt keine Notwendigkeit, Sensoren in den Pumpenaufbau einzuführen, um in der Lage zu sein, die Umdrehungsgeschwindigkeit zu messen, und folglich kann das Verfahren an einem serienmäßigen Motor-Pumpen-Aufbau ohne dessen komplexe Veränderung ausgeführt werden.Based on this prior art, it is an object of the present invention to provide a method according to the preamble of claim 1, which is significantly simplified compared to the above known methods. This is achieved by the features according to the characterizing portion of claim 1. The current measurement is relatively easy to perform and there is no need to introduce sensors into the pump assembly in order to be able to measure the rotational speed, and consequently the method can be carried out on a standard motor-pump assembly without complex modification thereof.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß in einer Pumpen-Motor-Kombination mit einem kleineren Durchmesserverhältnis D&sub1;/D&sub2; als 1/2, und in der der Speisedruck der Pumpe konstant gehalten wird, ein eindeutiger Zusammenhang zwischen dem durch den Motor aufgenommenen Strom und der Umdrehungsgeschwindigkeit des Motors besteht. Normalerweise ist der Motor ein Drehstromasynchronmotor, dessen Umdrehungsgeschwindigkeit mittels eines Frequenzumsetzers gesteuert wird.The present invention is based on the finding that in a pump-motor combination with a smaller diameter ratio D₁/D₂ than 1/2, and in which the feed pressure of the pump is kept constant, a clear relationship exists between the current consumed by the motor and the rotational speed of the motor. Normally the motor is a three-phase asynchronous motor whose rotation speed is controlled by means of a frequency converter.

Wenn der Asynchronmotor durch einen Synchronmotor ersetzt wird, der wie der Asynchronmotor mit einem sogenannten naßlaufenden Rotor aufgebaut sein kann, und in dem der Rotor in der Form eines Permanentmagnet-Rotors gestaltet sein kann, erzeugen die charakteristischen Eigenschaften des Synchronmotors eine wesentlich verbesserte Regelcharakteristik mit der obenerwähnten auf dem entnommenen Strom beruhenden Regelung, und der Wirkungsgrad wird auch verbessert. Wenn ein Frequenzumsetzer für die Regelfunktion verwendet wird, können die üblichen bekannten Anlaufprobleme für Synchronmotoren leicht gelöst werden, indem man den Frequenzumsetzer immer mit einer niedrigen Frequenz, d.h. einer Art "sanften Start" beginnen läßt.If the asynchronous motor is replaced by a synchronous motor, which can be constructed like the asynchronous motor with a so-called wet rotor, and in which the rotor can be designed in the form of a permanent magnet rotor, the characteristics of the synchronous motor produce a significantly improved control characteristic with the above-mentioned current-based control, and the efficiency is also improved. If a frequency converter is used for the control function, the usual known starting problems for synchronous motors can be easily solved by having the frequency converter always start at a low frequency, i.e. a kind of "soft start".

Alternativ kann der Motor z.B. ein Nebenschlußmotor für Wechsel- oder Gleichstrom sein, und die Steuerung der Umdrehungsgeschwindigkeit kann durch Steuerung eines Nebenschlußwicklungswiderstandes erzielt werden.Alternatively, the motor may be, for example, a shunt motor for AC or DC, and control of the rotational speed may be achieved by controlling a shunt winding resistance.

Short description of the drawing

In dem folgenden detaillierten Abschnitt der vorliegenden Beschreibung wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die in der Zeichnung gezeigten beispielhaften Ausführungen genauer erläutert werden. Es zeigen:In the following detailed section of the present description, the invention will be explained in more detail with reference to the exemplary embodiments shown in the drawing. They show:

Fig. 1 eine Motor-Pumpen-Anordnung, die in einer bekannten Art und Weise durch einen Frequenzumsetzer gesteuert wird, undFig. 1 shows a motor-pump arrangement which is controlled in a known manner by a frequency converter, and

Fig. 2 eine Motor-Pumpen-Anordnung, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gesteuert wird.Fig. 2 shows a motor-pump arrangement which is controlled by means of the inventive method.

Description of the preferred embodiments

Fig. 1 zeigt einen Motor 2, der mit einem mit RST gekennzeichneten Stromversorgungsnetz durch einen Frequenzumsetzer 1 verbunden ist. Der Motor 2 treibt eine Kreiselpumpe 3 an, deren Ausgangsdruck mittels eines Differenzdrucksensors 4 überwacht wird, der in einer bekannten Art und Weise einen Servomotor 5 steuert, mit dem die Frequenz des Frequenzumsetzers 1 gesteuert wird. Wenn der Druck zu niedrig ist, erzeugt der Differenzdrucksensor 4 ein Signal an den Servomotor 5, um die Frequenz des Frequenzumsetzers 1 zu erhöhen, während der Differenzdrucksensor, wenn der Druck zu niedrig ist, ein Signal an den Servomotor erzeugt, um die Frequenz des Frequenzumsetzers zu verringern. Der Differenzdrucksensor 4 weist eine bestimmte Hysterese auf, so daß die Frequenz des Frequenzumsetzers 1 innerhalb eines bestimmten Druckintervalls um den gewünschten Druck konstant gehalten wird.Fig. 1 shows a motor 2 connected to a power supply network marked RST through a frequency converter 1. The motor 2 drives a centrifugal pump 3, the output pressure of which is monitored by means of a differential pressure sensor 4, which in a known manner controls a servo motor 5, with which the frequency of the frequency converter 1 is controlled. If the pressure is too low, the differential pressure sensor 4 generates a signal to the servo motor 5 to increase the frequency of the frequency converter 1, while if the pressure is too low, the differential pressure sensor generates a signal to the servo motor to reduce the frequency of the frequency converter. The differential pressure sensor 4 has a certain hysteresis, so that the frequency of the frequency converter 1 is kept constant within a certain pressure interval around the desired pressure.

Entsprechend zeigt Fig. 2 einen Frequenzumsetzer 1, einen Motor 2 und eine Kreiselpumpe 3, jedoch wird in diesem Fall die Frequenz des Frequenzumsetzers 1 mittels einer Steuervorrichtung 7 gesteuert, die entweder ein elektrisches Meßsignal I oder I' erhält, das jeweils proportional zu dem durch den Frequenzumsetzer 1 aufgenommenen Strom I und dem durch den Motor 2 aufgenommenen Strom I' ist. Basierend auf diesem Signal erzeugt die Steuervorrichtung 7 ein Frequenzsteuersignal f, das eine Funktion des Meßsignals I ist. In Verbindung mit dieser Anordnung, ist die Übertragungsfunktion für die Steuervorrichtung 7 vorzugsweise F(I) = F&sub0; + K I, in der f&sub0; und K Konstanten sind, die aus den Eigenschaften des Motors 2 und der Kreiselpumpe 3 bestimmt werden können.Accordingly, Fig. 2 shows a frequency converter 1, a motor 2 and a centrifugal pump 3, but in this case the frequency of the frequency converter 1 is controlled by means of a control device 7 which receives either an electrical measurement signal I or I' which is proportional to the current I absorbed by the frequency converter 1 and the current I' absorbed by the motor 2. Based on this signal, the control device 7 generates a frequency control signal f which is a function of the measurement signal I. In connection with this arrangement, the transfer function for the control device 7 is preferably F(I) = F₀ + K I, in which f₀ and K are constants which can be determined from the properties of the motor 2 and the centrifugal pump 3.

Wenn der Strom I oder der Strom I' steigt, was einer Erhöhung des Fluidflusses Q durch die Kreiselpumpe 3 entspricht, wird die Steuervorrichtung 7 die Frequenz f des Frequenzumsetzers 1 hochregeln, so daß die Erhöhung der Umdrehungsgeschwindigkeit des Motors 2 den Abfall des Drucks H ausgleichen wird, wenn sich der Fluidfluß durch die Pumpe 3 erhöht. Mit einem fallenden Strom I, wird die Steuervorrichtung 7 die Frequenz f für den Frequenzumsetzer 1 herunterregeln, so daß der Abfall des Fluidflusses Q, der dem Abfall des Stroms I entspricht, und der sich ergebende Anstieg des Druckes H durch eine Verminderung der Umdrehungsgeschwindigkeit des Motors ausgeglichen werden wird.When the current I or the current I' increases, which corresponds to an increase in the fluid flow Q through the centrifugal pump 3, the control device 7 will increase the frequency f of the frequency converter 1 so that the increase in the rotational speed of the motor 2 will compensate for the drop in pressure H as the fluid flow through the pump 3 increases. With a falling current I, the control device 7 will decrease the frequency f for the frequency converter 1 so that the drop in fluid flow Q corresponding to the drop in current I and the resulting increase in pressure H will be compensated for by a reduction in the rotational speed of the motor.

Es ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren in Verbindung mit anderen Arten von Motoren 2 mit verbundenen Leistungssteuervorrichtungen 1 verwendet werden kann, da es ausreicht, ein Grundprinzip zu haben, nach dem ein elektrisches Meßsignal 1 erzeugt werden wird, das proportional zu dem entweder durch den Motor oder die Leistungssteuervorrichtung aufgenommenen Strom ist; und daß dieses Meßsignal I so verarbeitet wird, daß ein Steuersignal f für die Leistungssteuervorrichtung 1 in einer solchen Art und Weise erzeugt wird, daß das Steuersignal f einen im wesentlichen konstanten Ausgangsdruck von der Pumpe sicherstellt.It is apparent that the method according to the invention can be used in connection with other types of motors 2 with connected power control devices 1, since it is sufficient to have a basic principle according to which an electrical measurement signal I will be generated which is proportional to the current consumed by either the motor or the power control device; and that this measurement signal I is processed so that a control signal f is generated for the power control device 1 in such a way that the control signal f ensures a substantially constant output pressure from the pump.

Die gewünschte Übertragungsfunktion (F(I) = f&sub0;+K I oder F(I) = R&sub0; + kI) für die Steuervorrichtung 7 kann mittels einer selbstsymmetrierenden Brückenschaltung erreicht werden, in der eine Asymmetrie der Brücke eine Änderung des Steuersignals f bewirkt, bis Symmetrie erzielt wird, und in der ein Zweig der Brückenschaltung ein erstes Element aufweist, das proportional zum Steuersignal f ist, und ein zweites Element, das proportional zu I(-KI) oder I(-kI) ist, so daß Symmetrie für f - KI = f&sub0;, d.h. f = f&sub0; + KI, oder f - kI = R&sub0;, d.h. f = R&sub0; + kI erreicht wird.The desired transfer function (F(I) = f₀+K I or F(I) = R₀ + kI) for the control device 7 can be achieved by means of a self-balancing bridge circuit in which an asymmetry of the bridge causes a change in the control signal f until symmetry is achieved, and in which one branch of the bridge circuit has a first element which is proportional to the control signal f and a second element which is proportional to I(-KI) or I(-kI), so that symmetry is achieved for f - KI = f₀, i.e. f = f₀ + KI, or f - kI = R₀, i.e. f = R₀ + kI.

In jenen Fällen, in denen die Pumpe mit einem Rohrleitungssystem oder dergleichen verbunden ist, das einen bestimmten Fließwiderstand aufweist, kann es ein Vorteil sein, daß der Speisedruck der Pumpe mit Erhöhen des Fluidflusses steigt, womit zu einem gewissen Maß der Fließwiderstand in dem Rohrleitungssystem ausgeglichen wird. Folglich könnte ein Dimensionierungskriterium sein, daß der Druck am ersten Verbraucher im wesentlichen konstant gehalten wird.In those cases where the pump is connected to a piping system or the like that has a certain flow resistance, it may be an advantage that the feed pressure of the pump increases with increasing fluid flow, thus compensating to a certain extent for the flow resistance in the piping system. Consequently, a dimensioning criterion could be that the pressure at the first consumer is kept substantially constant.

Claims

1. A method of controlling an electric motor (2) for driving a centrifugal pump (3) having a varying fluid flow (Q), the motor (2) being connected to a power supply network (R,S,T) through a power control device (1), by which method, in order to cause the feed pressure (H) of the pump (3) to be substantially constant over a large interval of change for the fluid flow (Q), a measurement is taken from the electrical supply network for the motor and, based on the known characteristics of the motor (2) and the pump (3), the measurement is processed to generate a control signal (f) which is used as an input signal to the power control device (1), characterized in that the centrifugal pump (3) has a smaller diameter ratio D₁/D₂. than approximately 1/2, and that the measurement only includes the measurement of a characteristic value (1) which is proportional to the current absorbed by the motor (2) or by the power control device (1).

2. Method according to claim 1, characterized in that the power control device (1) is a frequency converter and the motor (2) is a three-phase synchronous motor.

3. Method according to claim 1, characterized in that the power control device (1) is a frequency converter and the motor (2) is a three-phase asynchronous motor.

4. Method according to claim 2 or 3, characterized in that the control signal (f) is a frequency control signal and that f = F(I).

5. Method according to claim 4, characterized in that F(I) = f₀ + K I

6. Method according to claim 1, characterized in that the motor (2) is a shunt motor for alternating current or direct current and that the power control device (1) operates by controlling a shunt winding resistance.

7. Method according to claim 6, characterized in that the control signal (f) is a control signal for the shunt winding resistance, and that f = F(I).

8. Method according to claim 2, characterized in that F(I) = R₀ + k I.

9. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the control signal (f) is generated by means of a self-balancing bridge circuit in which an asymmetry causes a change in the control signal (f) until symmetry is achieved, and in which a bridge circuit branch has a first element which is proportional to the control signal (f) and a second element which is proportional to the current (I) or the square root of the current (I).