BR112020010621B1 - Método para operar um sistema e sistema - Google Patents

Abstract

A invenção refere-se a um método para operar um sistema possuindo pelo menos duas bombas (1). As bombas (1) são ligadas e/ou desligadas de acordo com um ponto de comutação. Os limiares de comutação em torno do ponto de comutação são especificados. A frequência de operações de comutação dentro de um intervalo de tempo é então determinada. Uma alteração nos limiares de comutação é feita de acordo com a frequência das operações de comutação.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A invenção refere-se a um sistema de múltiplas bombas e a um método para sua operação.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] Sistemas de múltiplas bombas são usados, entre outras coisas, em circuitos de aquecimento, a fim de atender ao requisito de aquecimento de água nos horários de pico. É possível iniciar diferentes pontos de operação hidráulica com um número diferente de bombas. O consumo total de energia elétrica é estabelecido dependendo do número de bombas em funcionamento. Para otimizar a eficiência total do sistema, o sistema deve sempre selecionar o número de bombas em funcionamento para um ponto de operação, de modo que a energia hidráulica que é determinada pelo ponto de operação seja gerada com a menor energia elétrica.

[003] Sistemas de múltiplas bombas são usados, por exemplo, quando o consumidor tem um requisito de pressão altamente flutuante. Quando o requisito de pressão é baixo, apenas uma bomba é operada. Se o requisito aumentar, outra bomba é ligada. O tempo ideal para ligar e desligar é determinado de acordo com a taxa de fluxo (Q) e a altura manométrica (delivery head) (H) de acordo com um método voltado para a eficiência. Se a bomba tiver um sensor de Q ou H, Q e H são determinados através de estimativas do ponto de operação. Nesse caso, Q e H podem ser estimados a partir da velocidade atual (n) e da potência de eixo (P) com base nas características da bomba Q e H.

[004] O documento EP 0 864 755 B2 descreve um método para operar uma bomba dupla, em que ambas as bombas operam a uma velocidade síncrona em uma operação dupla.

[005] O documento EP 1 323 986 B1 descreve um método para controlar uma bomba de circulação de aquecimento com velocidade variável. A velocidade da bomba pode ser alterada ao longo de uma curva de controle. A curva de controle é adaptada de acordo com o requisito de aquecimento do sistema de aquecimento. A resistência da rede de tubulação do sistema de aquecimento pode ser usada como uma medida do requisito de aquecimento. A bomba é operada em pelo menos duas velocidades diferentes para determinar sucessivamente uma característica de rede de tubulação plana e uma íngreme. A curva de controle é especificada com base nessas características determinadas da rede de tubulação.

[006] O documento EP 2 469 094 A2 descreve um método para operar um conjunto de bomba. O conjunto de bomba compreende uma bomba de carga básica e uma bomba de carga de pico. A bomba de carga de pico é ligada conforme necessário. Nesse caso, o conjunto de bomba é acionado de acordo com uma característica de controle predeterminada. O conjunto de bomba é operado com duas bombas ou uma bomba, de acordo com um valor limite superior e um inferior.

[007] O documento DE 27 56 916 revela um arranjo com cinco bombas centrífugas conectadas em paralelo para fornecer líquidos em sistemas de tubulação em quantidades variáveis, em que um sensor de pressão para registrar a pressão de entrega está disposto no lado de pressão do arranjo de bomba. Um sistema de microprocessador controla a pressão de entrega do arranjo de bomba de acordo com o sinal do sensor de pressão, influenciando a velocidade de uma bomba centrífuga de velocidade variável usada como uma bomba de controle.

[008] O documento DE 198 42 565 B4 refere-se a um arranjo de bomba para controle de pressão possuindo pelo menos duas bombas centrífugas conectadas em paralelo para fornecer líquidos em sistemas de tubulação em quantidades variáveis. Um sensor de pressão para registrar a pressão de entrega está disposto no lado de pressão do arranjo de bomba. Um sistema de microprocessador controla a pressão de entrega do arranjo de bomba de acordo com o sinal do sensor de pressão, influenciando a velocidade de pelo menos uma bomba centrífuga de velocidade variável usada como uma bomba de controle. Após um procedimento de ativação ou desativação, o sistema de microprocessador determina a característica de tempo da variável manipulada, gerada desse modo, de um ponto de regulação de velocidade de todas as bombas de controle de velocidade variável ativas e a característica de tempo resultante da pressão de entrega, que é registrada com o auxílio de um sensor de pressão. O sistema de microprocessador calcula parâmetros para o comportamento de controle do sistema controlado a partir das características de tempo da variável manipulada e da variável controlada.

[009] Sabe-se na prática que, após o procedimento de ligar e desligar (referido abaixo como procedimento de transição), a taxa de entrega estimada às vezes diverge da anterior ao procedimento de transição sem que o requisito tenha sido alterado. Isso pode ter duas causas. Por um lado, o comportamento do sistema pode ter sido alterado como resultado da transição, com o resultado de que um Q diferente foi estabelecido. Por outro lado, é possível que Q não tenha alterado, mas que o algoritmo de estimativa da operação de bomba dupla se desvie daquele da operação de bomba única devido a tolerâncias nas características. Se este último caso surgir, pode ocorrer que, após o procedimento de transição, o novo Q estimado faça com que a bomba recém ligada seja imediatamente desligada novamente e que seja estabelecida uma situação de ativação e desativação persistente (vibração).

[010] Para neutralizar essa vibração persistente, é frequentemente introduzida uma histerese (QHisterese) em torno do ponto de transição.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[011] O objetivo da invenção é operar um sistema de múltiplas bombas da forma mais eficiente possível em termos de energia. O método deve garantir a maior vida útil possível das bombas. Além disso, deve ser possível integrar o método em sistemas existentes da maneira mais simples possível. Além disso, o método deve se adaptar a condições de operação alteradas. Além disso, as emissões sonoras devem ser reduzidas.

[012] Esse objeto é alcançado por um método que possui as características da reivindicação principal e um sistema com a reivindicação coordenada. As realizações preferidas são reveladas nas reivindicações, na descrição e nos desenhos.

[013] No método, as bombas são ligadas e desligadas de acordo com um ponto de comutação. Os limiares de comutação, que também são referidos abaixo como “limites de histerese”, são especificados em torno do ponto de comutação. A determinação da frequência dos procedimentos de comutação ocorre dentro de um intervalo de tempo. De acordo com a invenção, os limiares de comutação são alterados de acordo com a frequência do procedimento de comutação.

[014] A otimização dos limiares de comutação impede que sejam definidos limiares de comutação muito estreitos, o que resulta em vibração, e também limiares de comutação muito amplos, que prejudicam a eficiência energética.

[015] Em uma realização particularmente vantajosa da invenção, ocorre primeiramente uma operação de aprendizagem, na qual os limiares de comutação são variados. Os limiares de comutação ideais (QHisterese) são aprendidos e continuamente otimizados nesta primeira fase. No início do método, o QHisterese é primeiramente muito pequeno. Cada vez que a vibração ocorre, os limiares de comutação (QHisterese) são aumentados. Assim que os limiares de comutação são suficientemente grandes, a vibração não ocorre mais. Isso também significa que nenhum aumento adicional no QHisterese é necessário.

[016] Em uma realização preferida da invenção, os limiares de comutação são reduzidos continuamente até um determinado ponto em uma operação estável. Portanto, é possível reagir a situações nas quais um consumidor altera seu comportamento várias vezes em ciclos curtos. Esse comportamento cíclico do consumidor poderia ser mal interpretado pelo controle como vibração, como resultado do qual o QHisterese seria aumentado erroneamente. Para corrigir tais decisões incorretas, o método é expandido por essa função, na qual o QHisterese é reduzido continuamente a uma velocidade constante em uma operação estável até atingir um limite mínimo de histerese a ser especificado.

[017] No método, para um número de n bombas, um total de (n- 1) limiares de comutação superiores e/ou (n-1) limiares de comutação inferiores é determinado em uma operação de aprendizagem.

[018] Isso se mostrou particularmente favorável se a seleção de bombas ligadas ocorrer com base no menor consumo total de energia possível. Para este fim, é possível determinar primeiro o consumo de energia de um primeiro número de bombas. Em uma próxima etapa, o número de bombas ligadas é alterado e o consumo total de energia desse novo número de bombas é determinado. Este procedimento é repetido com diferentes números de bombas para que todas as possibilidades sejam cobertas, ou seja, de uma operação com apenas uma bomba a uma operação que, se necessário, envolva o número máximo possível de bombas instaladas no sistema. Ao comparar os consumos de energia, o número de bombas com o menor consumo total de energia é selecionado.

[019] O número de bombas para o qual a eficiência total é a mais alta e o requisito total de energia elétrica é o mais baixo é determinado por uma unidade de controle. Se for necessária menos energia elétrica para o novo número de bombas, esse número será mantido. Se for necessária mais energia, então a unidade retornará o sistema ao número anterior de bombas. A unidade armazena o número de bomba com o qual o sistema é operado da maneira mais eficiente em termos de energia. A unidade é, portanto, capaz de otimizar cada sistema de múltiplas bombas em termos de sua eficiência energética.

[020] No sistema, são preferencialmente utilizadas bombas estruturalmente idênticas, que são operadas por motores estruturalmente idênticos. Além disso, provou ser favorável o uso de conversores de frequência estruturalmente idênticos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[021] Outras características e vantagens da invenção são reveladas com o auxílio da descrição de formas de realização com o auxílio de desenhos e nos próprios desenhos.

[022] Os desenhos mostram: - Figura 1 - Um sistema possuindo uma pluralidade de bombas; - Figura 2 - Características Q-H na operação de bomba única e dupla; e - Figura 3 - Alterações no QHisterese durante diferentes fases.

DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[023] A Figura 1 mostra um sistema possuindo uma pluralidade de bombas, por exemplo, um sistema de múltiplas bombas, que compreende uma pluralidade de bombas (1) conectadas em paralelo. Na forma de realização, bombas centrífugas são usadas neste caso. Cada bomba (1) é acionada por um motor (2), que está conectado a um conversor de frequência (3). Na forma de realização, todas as bombas (1) são estruturalmente idênticas. Também são utilizados motores estruturalmente idênticos e conversores de frequência estruturalmente idênticos (3).

[024] O sistema de múltiplas bombas possui um comutador principal (4). Uma unidade (5) registra os sinais dos sensores (6) do sistema. Além disso, a unidade (5) está conectada com acionadores do sistema. Na forma de realização, a unidade (5) é uma unidade de automação. Isso pode ser projetado como um dispositivo de controle e/ou de regulação.

[025] A unidade (5) é projetada para ligar e desligar um número diferente de bombas (1). A unidade (5) registra a energia elétrica da respectiva bomba (1) por meio do conversor de frequência (3). Um consumo total de energia elétrica do sistema é estabelecido de acordo com o número de bombas em funcionamento (1).

[026] O consumo total de energia é determinado, de preferência, antes da utilização das bombas, por exemplo, com base em protótipos no local de fabricação, para determinar o ponto de transição ideal, primeiro para um primeiro número de bombas (1). O número de bombas ligadas (1) é alterado e é determinado o consumo total de energia do novo número de bombas. O ponto de operação para o novo número de bombas (1) é adaptado ao ponto de operação com o número anterior de bombas (1) para garantir a comparabilidade. As velocidades das bombas (1) são alteradas para este fim.

[027] As velocidades das bombas (1) são, preferencialmente, controladas com base na pressão ou pressão diferencial como uma variável de referência que deve ser mantida constante. A taxa de fluxo ou a pressão ou pressão diferencial podem ser estimadas sem sensores ou medidas por sensores (6). Se as bombas (1) estiverem ligadas, a unidade (5) reduz a velocidade das bombas (1) até que a pressão ou pressão diferencial alcançada seja a mesma que para o número anterior de bombas (1). As velocidades das bombas (1) são definidas por meio do conversor de frequência (3).

[028] A unidade (5) compara o consumo total de energia do novo número de bombas (1) com o consumo total de energia do número anterior de bombas (1). Para esse fim, a unidade (5) possui uma memória de dados eletrônica na qual os consumos totais de energia do número diferente de bombas (1) são armazenados, de preferência antes de as bombas serem usadas. Uma comparação dos diferentes consumos de energia é realizada. O sistema é definido para o número de bombas (1) com o menor consumo total de energia elétrica.

[029] A ativação ou desativação das bombas ocorre de acordo com um ponto de comutação. Os limiares de comutação (QHisterese) são especificados em torno deste ponto de comutação pela unidade (5). A unidade (5) determina a frequência de procedimentos de comutação dentro de um intervalo de tempo e altera os limiares de comutação de acordo com a frequência desses procedimentos de comutação.

[030] O método de acordo com a invenção permite que um sistema de múltiplas bombas seja operado com extrema eficiência energética. A parametrização não é necessária para o método, pois é de autoaprendizagem. O sistema armazena os estados alcançados e pode estabelecer as condições mais eficientes em termos de energia após uma fase de aprendizagem.

[031] No método de acordo com a invenção, o sistema pode ser controlado de acordo com uma pressão constante ou pressão diferencial, por exemplo.

[032] Para neutralizar a vibração persistente, isto é, uma constante ativação e desativação das bombas (1), de acordo com a ilustração na Figura 2, são fornecidos limiares de comutação em torno do ponto de comutação ideal, que também são referidos como limites de histerese (QHisterese). O método de acordo com a invenção otimiza esses limites.

[033] A Figura 3 mostra que a histerese ideal (QHisterese) é aprendida na operação da bomba e é continuamente otimizada. Após a ativação inicial de um sistema com duas bombas, o QHisterese é primeiro muito pequeno (a). Cada vez que a vibração ocorre, o QHisterese é aumentado (b). Assim que o QHisterese é suficientemente grande, a vibração não ocorre mais, ou seja, a desativação direta e a ativação novamente (transição) dentro de um determinado intervalo de tempo não ocorre e, portanto, também não há mais aumento no QHisterese. Para sistemas com n bombas, os limites de histerese (n- 1) são aprendidos.

[034] O método de acordo com a invenção também leva em consideração que podem ocorrer situações em que o consumidor altera seu comportamento várias vezes em ciclos curtos. Esse comportamento cíclico do consumidor poderia ser mal interpretado pelo controle como vibração, como resultado do qual o QHisterese seria aumentado erroneamente. Para corrigir tais decisões incorretas, o método é expandido por uma função de esquecimento. O esquecimento é realizado porque o QHisterese é reduzido continuamente a uma velocidade constante (c) até atingir um limite mínimo de histerese a ser especificado.

[035] Depois que o sistema é ligado, a histerese QHisterese é primeiramente muito pequena. Isso resulta em vibração frequente. O controle reconhece isso e reage aumentando o QHisterese. O QHisterese é reduzido continuamente ao longo do tempo total de operação para corrigir um Q Histerese que possivelmente tenha sido definido como muito grande. A metade esquerda do desenho mostra a fase de aprendizagem, enquanto o Q Histerese aumenta gradualmente para seu ideal. Quando o ideal é alcançado, um comportamento estável (metade direita do desenho) é estabelecido. Nesse caso, o Q Histerese é reduzido permanentemente até que a vibração ocorra novamente. Se esse comportamento estável for observado por um período muito longo, a histerese ideal QHisterese é conhecida e o algoritmo de aprendizagem pode ser desligado.

[036] Em resumo, a unidade de controle (5) da bomba (1) executa os dois procedimentos a seguir. Por um lado, um aumento acentuado nos limiares de comutação (QHisterese) quando ocorre a vibração e, por outro lado, uma redução contínua nos limiares de comutação (QHisterese).

Claims (10)

1. MÉTODO PARA OPERAR UM SISTEMA possuindo pelo menos duas bombas (1), caracterizado por compreender as seguintes etapas: - ligar e/ou desligar as bombas (1) de acordo com um ponto de comutação; - especificar limiares de comutação como limiares de histerese (QHisterese) em torno do ponto de comutação; - determinar a frequência de procedimentos de comutação dentro de um intervalo de tempo, - alterar os limiares de comutação (QHisterese) de acordo com a frequência dos procedimentos de comutação.

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelos limiares de comutação (QHisterese) serem acentuadamente aumentados.

3. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pelos limiares de comutação (QHisterese) serem aumentados a partir de uma frequência predeterminada de procedimentos de comutação.

4. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelos limiares de comutação (QHisterese) serem continuamente reduzidos.

5. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por, para um número de n bombas (1), um total de n-1 limiares de comutação superiores e/ou um total de n-1 limiares de comutação inferiores serem determinados em uma operação de aprendizagem.

6. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pela seleção de bombas (1) ligadas ocorrer com base no menor consumo total de energia possível.

7. SISTEMA, possuindo pelo menos duas bombas (1) e pelo menos uma unidade de controle (5), caracterizado pela unidade (5) ser projetada para executar um método, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 6.

8. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por todas as bombas (1) serem estruturalmente idênticas.

9. SISTEMA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 8, caracterizado por todos os motores (2) para acionar as bombas (1) serem estruturalmente idênticos.

10. SISTEMA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 9, caracterizado por todos os conversores de frequência (3) que estão conectados aos motores (2) para acionar as bombas (1) serem estruturalmente idênticos.