CZ20004311A3 - Způsob regulace počtu otáček elektromotoru pro pohon čerpacího agregátu - Google Patents

Abstract

Regulují se otáčky elektromotoru pro pohon dopravního agregátu pro kapalná nebo plynná média, zejména otáčivého stroje ve formě čerpadla nebo ventilátoru. Časově proměnný výkon, který lze odebírat na straně spotřebitele dopravním agregátem, je regulován počtem otáček motoru. Počet otáček elektromotoru je určen výstupní veličinou regulátoru. Intenzita proudu vstupující do elektromotoru se měří a vytvoří se signál odpovídající měřené intenzitě proudu, kterýje přiváděn do regulátorujako vstupní veličina. V regulátoru dochází k automatické kalibraci vstupní veličiny.

Description

Způsob regulace počtu otáček elektromotoru pro pohon čerpacího agregátu

Oblast techniky

Předkládaný vynález se týká způsobu regulace počtu otáček elektromotoru pro pohon dopravního agregátu se zřetelem na časově proměnný výkon podávaný dopravním agregátem na straně spotřebitele. Jako dopravní agregáty přicházejí v úvahu zejména otáčivé stroje, jako čerpadla nebo ventilátory, ale také pístová nebo zubová čerpadla. Počet otáček elektromotoru je dán výstupní veličinou regulátoru. Pro zjednodušení je v dalším pojednáno především o otáčivých strojích, aniž by tím byl omezen rozsah ochrany.

Dosavadní stav techniky

Regulace počtu otáček u elektromotorů pohánějících otáčivé stroje je široce známa. Především se při regulaci čerpadel a ventilátorů s hydraulicky proměnnými odebíranými množstvími využívá jako řídících veličin parametrů tlaku a proudění. Porovnává se chování elektrického výkonu s tlakem, který se zmenšujícím se odebíraným množstvím stoupá. V DE-A-32 10 082 je popsán způsob regulace počtu otáček čerpadlového motoru pro vytápěcí systém. Měří se zde proud a v závislosti na něm je přes triac jakožto řídící člen regulován počet otáček motoru. Se zvyšujícím se potřebným výkonem stoupá odběr proudu a s klesající potřebou výkonu odběr proudu klesá, takže podle tendence potřebného výkonu se počet otáček zvyšuje nebo snižuje. Proudový měřicí signál, potřebný výkon a tlak v čerpacím potrubí jsou vzájemně závislé podle charakteristiky zařízení. Tento způsob umožňuje pouze hrubé výkonové přizpůsobení.

V DE-44 23 736 je zveřejněn jemnější způsob regulace výkonu, který je založen na využití elektrické činné složky proudu otáčivého stroje při hydraulicky proměnných odebíraných množstvích jako řídící veličiny. Ve vytápěcím systému provozovaném s horkou vodou je jako otáčivý stroj uspořádáno čerpadlo, které je poháněno elektromotorem. Eviduje se odběr proudu elektromotoru, který představuje míru pro odebírané množství horké vody. Při zvýšení dopravovaného množství dodává čerpadlo stále nabídku přesahující poptávku a při zvýšení odebíraného množství se zvyšuje odběr proudu a v závislosti s tím také počet otáček elektromotoru. Počet otáček je přinejmenším zhruba lineární k dopravovanému množství. Uvnitř regulačního okruhu je uspořádán regulátor, který může být nastaven na volitelnou charakteristiku odběr proudu/počet otáček v poměru k odebíranému množství. Při zvětšení odebíraného množství stanoví regulátor rozdíl mezi jmenovitou hodnotou a evidovaným motorovým proudem. Nato vychází v závislosti na zjištěném diferenčním signálu z řídícího zařízení zvýšený regulační signál, což iniciuje na elektromotoru zvýšený počet otáček. Následně zvýší čerpadlo své dopravované množství a dodává opět nabídku přesahující poptávku.

Průběh při zmenšení odebíraného množství je analogický. Nabídka přesahující poptávku dodávaná čerpadlem je oproti požadované nabídce vyšší a následně klesne evidovaný odběr • · · • · ··· · • · • · ·· ·· ··· ·· ·· ·· proudu. Regulátor zjistí rozdíl mezi jmenovitou hodnotou a zjištěným motorovým proudem. V závislosti na diferenčním signálu vychází z řídícího zařízení zmenšený regulační signál, který způsobí u elektromotoru redukci počtu otáček. Ve výsledku zmenší čerpadlo svoje dopravované množství a nabídka je redukována na požadovanou míru. Přiblížením dopravní nabídky čerpadla poháněného motorem ke skutečné potřebě dochází ke zlepšení regulace.

Další způsob regulace čerpadla je popsán v EP-B 279 939. V potrubním systému je uspořádáno měřicí čidlo ke zjištění rychlosti proudění vody. Proporcionelně k rychlosti proudění a v souladu s charakteristikou potrubní sítě se vytvoří převýšený napěťový signál, který je přiváděn jako vstupní veličina k regulátoru, spojenému s elektromotorem s možností plynulé změny otáček. Výstupní veličina regulátoru určuje počet otáček motoru. Když se vstupní signál vychýlí z daného pásma, sleduje ho výstupní signál odpovídajícím způsobem. Aby bylo možno tento způsob použít, musí být k dispozici charakteristika a celkově je zapotřebí značných přístrojových nákladů.

Podstata vynálezu

Vzhledem k zmíněným nevýhodám a nedokonalostem shora popsaných regulačních způsobů si klade vynález za cíl navrhnout zlepšený regulační způsob pro zdejší oblast použití, u něhož jsou jak přístrojové tak také operativní náklady pokud možno nízké a přitom díky blízké orientaci u reálné potřeby výkonu je provoz realizovatelný s minimálním vynaložením energie.

·· · • · ·· ···· • · · · • · · · · · ··· · · • · · · ♦ ·····«· · • · ··· ·· · ·«

Způsob regulace počtu otáček elektromotoru pro pohon dopravního agregátu se zřetelem na časově proměnný výkon dodávaný dopravním agregátem na straně spotřebitele je založen ná následujících opatřeních. Principielně je stanoven počet otáček elektromotoru výstupní veličinou regulátoru. Intenzita proudu přijímaná elektromotorem se měří a vytvoří se signál, odpovídající měřené intenzitě proudu, který se přivádí do regulátoru jako vstupní veličina. V regulátoru dochází k automatické kalibraci vstupní veličiny. Nejsou tedy zapotřebí ani měřicí čidla proudění, ani není zapotřebí nastavení a použití charakteristiky zařízení. Uvedení do provozu takovéhoto zařízení je evidentně zjednodušeno. Výhodné detaily jsou zřejmé ze závislých nároků.

Přehled obrázků na výkresech

Na přiložených výkresech značí:

obr. 1 - diagram závislosti počtu otáček a proudu pro startovací fázi kalibrace;

obr. 2 - diagram závislosti počtu otáček a proudu pro sledování počtu otáček; a obr. 3 - diagram závislosti počtu otáček a objemového proudu pro kontinuální sledování spotřeby.

Příklady provedení vynálezu

Způsob se týká regulace počtu otáček elektromotoru pohánějícího dopravní agregát ve formě otáčivého stroje.

Dopravní agregát může být například čerpadlo nebo ventilátor.

99···· 999 99 9

999 999 9999

9999 9 999 9 9 9

9999 9999 999 9

9999 999

99999 99 9 99 999

Na straně spotřebitele jde o časově proměnný potřebný výkon, který má připravit otáčivý stroj. K ovlivňováni elektromotoru je použit regulátor, jehož výstupní veličina určuje počet otáček motoru. Jako řídící veličina slouží měřený motorový proud, který je podle fyzikálních pravidel v přímém poměru k dopravovanému a jako spotřeba odebíranému objemovému proudu. Z velikosti vstupujícího motorového proudu se podle odborníkům známého způsobu vytvoří odpovídající signál, který představuje vstupní veličinu pro regulátor. V regulátoru je vstupní veličina automaticky zúčtována a kalibrována a jakožto výstupní signál, například jako 0 až 10 V DC, vydána na regulační orgán motoru.

Obr. 1

Výpočet a kalibrace má následující průběh. Aby byla přes měnící se motorový proud I zachycena v podstatě pouze změna výkonu spotřebitele, je pro regulaci k výpočtu výstupní veličiny brána v úvahu pouze ona. Základní zatížení, jako například proud naprázdno elektromotoru, který závisí na velikosti a kvalitě motoru, se zobrazí v ofsetu, tzn. v I min. Podle toho sestává spotřeba proudu ze dvou veličin, z proudu základního zatížení a z proměnného proudového podílu, nutného k dopravě média a závislého na spotřebě.

Použitým softwarem je elektromotor nastartován, například třemi vzestupnými počty otáček n_x = 20 %, n₂ = 40 % a n₃ = 55 % s dobou chodu například 3 minuty. K počtům otáček získané střední hodnoty spotřeby proudu I dávají tři hodnoty, které jsou zaznamenány jako vstupní veličiny xi, x₂ a x₃.

• ΦΦΦ φφ · • φφφφ φ φφφ · ·

6Φ · φφφ φφφφφφφ φ • Φ φφφφ φφ •ΦΦΦΦ φφ φ φφ φ

Spojením tří bodů vznikne část paraboly, z níž se dá vypočítat teoretická 100%-ní hodnota I_max, jak je dále uvedeno. Na základě proporcionálního vztahu mezi počtem otáček n a spotřebou proudu I lze z I₂ a I₃ vypočítat 100%-ní hodnotu. Z obou 100%-ních hodnot se vytvoří střední hodnota mi a po odtahu z ofsetu li se získá teoretická hodnota Imax· Přibližný vzorec k výpočtu I_max zní:

A	= li	+	(I2 -	- Ii)	: (n2 : nmax)
B	= li	+	(I3 -	- Ii)	: (n3 : nmax)
Imax	= (A	+	2B)	: (3	- ii) -x

(s 0,7 < X < 1,0).

K získání co možná přesných výsledků by měla být dána podmínka, že střední hodnoty vyhoví vztahu I_x < I₂ < I₃.

Není-li tato podmínka splněna, musí být spuštění programu zopakováno. Aby byl motor ochráněn před přehřátím a aby bylo zamezeno škodám v ložiscích dopravního agregátu například v důsledku chybějícího maziva v otáčivém stroji je navrženo provádět pouze omezený počet za sebou následujících spuštění, například tři spuštění. Například po třech neúspěšných startech dojde nejdříve k rozpojení a teprve po přestávce, například 15 minut, dojde k novému startu. Alternativně k výpočtu pomocí přibližného vzorce lze teoretickou hodnotu I_max určit zjednodušeně také empiricky zjištěným faktorem. Muselo by to být provedeno zvlášť pro každý typ použitého dopravního agregátu, jinak by byl výsledek nepřesný.

·· ···· • · · • · · · · • · · • · · · · · • · · · · · • ······· · • · · · · «· · 4 9 ·

4

Obr. 2

S ohledem na aktuální motorový proud, jak je zde v podobě teoretické provozní charakteristiky znázorněn, provádí se sledování počtu otáček elektromotoru v souladu s momentální změnou v potřebném výkonu na straně uživatele. Vznikající kalibrovaný motorový proud I je zvýšen o definovanou hodnotu, přičemž stability regulace je dosaženo permanentně sledovanou, na spotřebě závislou, regulovací změnou na řídícím orgánu na straně spotřebitele.

Zde je třeba ještě jednou zdůraznit, že regulační způsoby podle stavu techniky vyžadují zadanou veličinu, která je definována jako výstupní charakteristika nebo je vytvořena prostřednictvím funkce a uložena. Jestliže se vstupní signál odchyluje z limitovaného způsobem výstupní signál.

pásma, sleduje se příslušným

U způsobu podle vynálezu není zapotřebí žádné charakteristiky, neboť veškeré teoretické výpočty a bezpečnostní přídavky odpadají. Vypočítaný vstupní signál je již v úvodní fázi stanoven tak, že se například dosáhne I_max při početně technicky zpracovaném vstupním signálu odběru proudu elektromotoru s 1 nebo 10 V.

Obr. 3

Aby byl v rozvodné síti, tedy také u spotřebitelů při odběru média, zaručen potřebný předtisk, je pro kontinuelní sledování spotřeby stanovena jmenovitá hodnota, která ekvivalentně zvyšuje výstupní veličinu. Ve znázorněném ·· ···· • · · • · · · · • · · 9 ·· · tt ··· příkladu je výstupní veličina 60 % softwarově zvýšena o 10 %, takže se nastaví výstupní veličina 66 %.

Co se týče hydraulických zákonů na čerpadle, i jeho účinnosti, může být základna pro přídavek jmenovité hodnoty také otočena. V předkládaném příkladu to znamená zvýšení výstupní veličiny 60 % shora softwarově o 10 %. Výpočet probíhá takto:

100 % n - 60 % n = (40 % n : 100 x 10) + 60 % n = 64 % zvýšení. Alternativně k tomu může být přídavek jmenovité hodnoty zjištěn také empiricky v závislosti na výstupním signálu.

Výpočet Imax probíhá cíleně nepatrně pod praktickou 100%-ní hranicí I_maXz takže při praktickém průběhu způsobu může být software adaptován na přesný 100%-ní I_max. Když je dosaženo vypočteného I_maXz pozdrží se I_max na své hodnotě po určitou dobu v průběhu programu, pokud spotřeba nezačne klesat. Nato se I_max po stanovenou dobu sníží, například o 1 % výstupní veličiny, a takto vzniklá vstupní veličina představuje novou hodnotu pro I_max v kalibraci. Rovněž tak je Imin zjištěný při kalibraci - tzn. ofset - při poklesu pod jeho hodnotu o určenou hodnotu navýšen, až je dosaženo efektivního I_min - tzn. efektivní ofset.

Claims (9)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob regulace počtu otáček elektromotoru pro pohon dopravního agregátu pro kapalná nebo plynná média, zejména otáčivého stroje ve formě čerpadla nebo ventilátoru, vzhledem k časově proměnnému výkonu (V) , podávanému na straně spotřebiče dopravním agregátem, přičemž

   a) počet otáček elektromotoru je stanoven výstupní veličinou regulátoru, vyznačující se následujícími způsobovými kroky:

   b) měření intenzity proudu (I) přijímané elektromotorem,

   c) vytvoření signálu odpovídajícího měřené intenzitě proudu (I),

   d) přivedení tohoto signálu k regulátoru jakožto vstupní veličina (x),

   e) automatická kalibrace vstupní veličiny (x_x, x₂, x₃) v regulátoru od 0 do I_max jako základ pro jeho výstupní veličinu, a

   f) sledování počtu otáček (n) elektromotoru v souvislosti s okamžitou změnou ve spotřebitelském výkonu s přihlédnutím k aktuálnímu motorovému proudu (I), zatímco je kalibrovaný motorový proud (I) zvýšen o definovanou hodnotu, přičemž ·· ···· • · • · · · ·· · • · · • · ·

   90 990

   g) stabilita regulace je zaručena pomoci spotřebně závisle řízené změny nastavení na spotřební straně řídícího orgánu,

   h) výpočet (Imax) probíhá nepatrně pod prakticky 100% hranicí, načež při dosažení vypočteného (I_max) nad stanovenou dobou dojde k setrvání pokud spotřeba nezačne být zpětná,

   i) (Imax) je po stanovenou dobu snížen o podíl výstupní veličiny, takže z toho vznikající vstupní veličina představuje novou hodnotu (Imax) v kalibraci nebo částečnou veličinu kalibrovaného motorového proudu (I), a

   k) (Imin) zjištěný při kalibraci je o stanovenou hodnotu krok po kroku sledován, až je dosaženo efektivního (Imin) ·
2. 2. Způsob podle nároku 1, kdy je kalibrace vyznačena následujícími způsobovými kroky:

   a) elektromotor je pomocí softwaru nastartován a pracuje v konstantní časové jednotce s různými počty otáček (ni, n₂, n₃),

   b) z intenzit proudu (I) při různých otáčkách (ni, n₂, n₃) jsou vytvořeny střední hodnoty (li, I2, I₃), které jsou registrovány jako vstupní veličiny,

   c) první teoretická 100%-ní hodnota (I_max) se vypočítá z:

   • · • · • · ♦ · · • · · • · · · • ···· · · ca) úseku paraboly, matematicky proloženého zjištěnými středními hodnotami (li, I₂, I₃), nebo cb) přibližného vzorce

   A = li + (I2 - li) : (n₂

   Β = Ιχ + (I₃ - Ιχ) : (n₃

   I_max = (A + 2B) : (3 - IJ max (s 0,7 < X < 1,0) .

   nebo cc) empiricky zjištěného faktoru, a

   d) regulátor zůstane ve startovací fázi tak dlouho, až střední hodnoty (li, I₂, I₃) vykáží vzestup, avšak startovací fáze je přerušena a pokračuje teprve po přestávce, dříve než by dopravní jednotka - jednotka z elektromotoru a dopravního agregátu - mohla být poškozena.
3. 3. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že kalibrace

   a) probíhá se třemi počty otáček (ni) = 20 %, (n₂) = 40 % a (n₃) = 55 %, přičemž

   b) časová jednotka, v níž elektromotor pracuje se třemi počty otáček, obnáší 3 min.
4. 4. Způsob podle jednoho z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že pro probíhající • · ·· ···· ·· fl • flfl flflfl flflfl • flflflfl flflflfl flfl

   19 ······ ···· · · · ·<···· ·· ····· ·· · ·· · regulaci je stanovena jmenovitá hodnota, která ve spojení se spotřebiči dává potřebný jmenovitý tlak.
5. 5. Způsob podle nároku 4, vyznačující se tím, že přijímaná vstupní veličina, přepočtená na signál odpovídající objemovému proudu (V), je softwarově zvýšena o určitou procentní hodnotu, například 5 %.
6. 6. Způsob podle nároku 5, vyznačující se tím, že

   a) jako vstupní veličina je přijímáno například 60 % signálu odpovídajícího objemovému proudu (V), a

   b) vstupní veličina je softwarově zvýšena například o

   5 % nebo 10 % se stoupající základnou, čímž se získá výstupní veličina 63 %, popřípadě 66 %.
7. 7. Způsob podle nároku 5, vyznačující se tím, že

   a) jako vstupní veličina je přijímáno například 60 % signálu odpovídajícího objemovému proudu (V), a

   b) vstupní veličina je softwarově zvýšena například o

   10 % se stoupající základnou, čímž se získá výstupní veličina 64 %.
8. 8. Způsob podle nároku 5, vyznačující se tím, že přídavek jmenovité ••«••9 ·· · ·· • · · · · · ··· • · ··· · · · · · · • · · · · ······· ·
9. 9 9 9 9 9 9 9 9

   94 999 99 9 99 9 hodnoty je zjištěn empiricky v závislosti na výstupním signálu.