DE102009022107A1

DE102009022107A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Betriebspunktbestimmung einer Arbeitsmaschine

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Publication number: DE102009022107A1
Application number: DE102009022107A
Authority: DE
Inventors: Christoph Emde; Stefan Laue; Marjan Silovic
Original assignee: KSB AG
Current assignee: KSB AG
Priority date: 2009-05-20
Filing date: 2009-05-20
Publication date: 2010-11-25
Also published as: WO2010133425A1; ES2556236T3; HRP20151394T1; HUE028262T2; RU2011151763A; EP2433010A1; EP2433010B1; CN102439318A; US20120111114A1; JP2012527563A; RU2536656C2; BRPI1007672A2; SI2433010T1; BRPI1007672B1; PL2433010T3; CN102439318B; PT2433010E; JP5868846B2; US8763464B2; DK2433010T3

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Betriebspunktes einer Arbeitsmaschine und/oder eines diese antreibenden Asynchronmotors, wobei eine von der Arbeitsmaschine aufgenommene Leistung und/oder deren Fördermenge einen Betriebspunkt charakterisiert, ein oder mehrere betriebspunktabhängige Messgrößen der Arbeitsmaschine durch ein oder mehrere Sensoren erfasst werden und die Messwerte während eines Betriebs der Arbeitsmaschine ausgewertet und/oder gespeichert werden. Der Betriebspunkt wird ohne die Verwendung von elektrischen Messgrößen des antreibenden Asynchronmotors bestimmt, indem aus einer der mechanischen Messgrößen Druck, Differenzdruck, Kraft, Vibration, Körperschall oder Luftschall, mittels einer Signalanalyse, insbesondere einer Frequenzanalyse, eine zum Drehklang der Arbeitsmaschine linear proportionale Frequenz ermittelt wird. Daraus wird die Drehzahl (n) der Arbeitsmaschine ermittelt und daraus wird unter Verwendung der Drehzahl-Drehmoment-Abhängigkeit (M(n)) des Asynchronmotors (52) der durch die von der Arbeitsmaschine aufgenommene Leistung (P) und/oder deren Fördermenge (Q) charakterisierte Betriebspunkt bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Betriebspunktes einer Arbeitsmaschine und/oder eines diese antreibenden Asynchronmotors, wobei eine von der Arbeitsmaschine aufgenommene Leistung und/oder deren Fördermenge einen Betriebspunkt charakterisiert, ein oder mehrere betriebspunktabhängige Messgrößen der Arbeitsmaschine durch ein oder mehrere Sensoren erfasst werden und die Messwerte während eines Betriebs der Arbeitsmaschine ausgewertet und/oder gespeichert werden. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Überwachung eines Betriebspunkts. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Um einen sicheren und effizienten Betrieb einer Arbeitsmaschine zu gewährleisten, muss deren Betriebspunkt bekannt sein.
Beim Betrieb einer Pumpenanordnung, insbesondere einer Kreiselpumpenanordnung, bestehend aus Pumpe und diese antreibende Asynchronmaschine, ist häufig eine Aussage über deren Betriebspunkt erforderlich. Der Betriebspunkt einer Strömungsarbeitsmaschine, insbesondere einer Kreiselpumpe, auf deren Förderstrom-Förderhöhen-Kennlinie oder Q-H-Kennlinie, ist insbesondere durch deren Förderstrom, nachfolgend auch Fördermenge genannt, charakterisiert. Zu dessen Ermittlung gibt es verschiedene Möglichkeiten. Er kann über die Messung des Förderstroms oder durch eine Druckmes sung bestimmt werden. Bei Letzterer wird üblicherweise die Differenz des Druckes zwischen Druck- und Saugseite der Pumpe gemessen. Die Förderhöhe wird als Quotient aus Druckdifferenz, Dichte und Erdbeschleunigung abgeschätzt. Bei Wasser als Förderfluid entspricht eine Druckdifferenz von 1 bar einer Förderhöhe von ca. 10 Metern. Weiterhin wird ein Betriebspunkt einer Kreiselpumpe durch eine elektrische Messung bestimmt, wobei aus einer Strom- und Spannungsmessung die abgegebene Motorleistung unter Berücksichtigung des Wirkungsgrades des Motors berechnet wird.
Eine direkte Messung der Fördermenge erfordert gewöhnlich magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte. Eine indirekte Bestimmung der Fördermenge auf rechnerischem Wege ist mit zusätzlichen Schwierigkeiten verbunden. Wird eine Fördermenge beispielsweise aus den Werten einer Förderstrom-Förderhöhen-Kennlinie, einer Q-H-Kennlinie, bei dem die Förderhöhe H über den Förderstrom aufgetragen ist oder einer Förderstrom-Leistungs-Kennlinie, einer Q-P-Kennlinie, bei dem die Leistung P über den Förderstrom Q aufgetragen ist, abgeleitet, so ist dies schwierig oder gar unmöglich in denjenigen Fällen, in denen eine flache oder eine nicht stetig steigende Q-H-Kennlinie oder Q-P-Kennlinie vorliegt. Soll die Fördermenge mit gemessenen Drücken aus der Q-H-Kennlinie einer Kreiselpumpe bestimmt werden, so muss die Q-H-Kennlinie eindeutig sein, also jedem H-Wert genau ein Q-Wert zuordenbar sein. In der Praxis ist diese Bedingung oft nicht erfüllt. Q-H-Kennlinien sind entweder zu flach oder gar uneindeutig. Selbiges Problem besteht auch, wenn der Förderstrom Q mittels einer gemessenen Leistungsaufnahme aus der Förderstrom-Leistungs-Kennlinie, der Q-P-Kennlinie, bestimmt werden soll. Auch der Verlauf der Q-P-Kennlinie ist oft flach oder gar uneindeutig.
Durch die WO 2005/064167 A1 ist eine Kombination vorstehender Verfahren bekannt. Diese bedingt einen erheblichen messtechnischen Aufwand, da sowohl der Differenzdruck der Pumpe als auch eine elektrische Leistung gemessen werden muss.
Die Messung der elektrischen Leistungsaufnahme eines Motor-Pumpenaggregats ist in der Praxis mit einigem Aufwand verbunden. Die Wirkleistungsmessung erfolgt in einem Schaltschrank, beansprucht dort Platz, insbesondere für die Messung des Motorstroms durch Stromwandler, und bedingt einen Montageaufwand, der durch eine Elektrofachkraft zu leisten ist.
Eine Anordnung und ein Verfahren zur Bestimmung der Leistung und/oder des Moments von Induktionsmotoren ist in der DD 258 467 A1 beschrieben. Ein berührungsloser Schalter ist am Rotor eines Induktionsmotors zur Erfassung eines oder mehrerer Impulse pro Umdrehung der Motorwelle angeordnet und eine Impulsformerstufe zur Erfassung der Synchrondrehzahl aus der Netzfrequenz ist zwischen Netz und einem Mikrorechner geschaltet. Zusätzlich weist die Anordnung eine Einrichtung zur Erfassung der Temperatur des Motors und einen Mikrorechner auf, in dem alle Messdaten erfasst und zur Regelung des weiteren Prozessablaufes ausgewertet werden. Die Leistung und/oder das Moment des Induktionsmotors wird aus der Zeit einer oder mehrerer Perioden der Motordrehzahl und einer oder mehrerer Perioden der Synchrondrehzahl ermittelt. Die Leistung und/oder das Moment des Induktionsmotors wird ermittelt durch das Zählen der Impulse der Motorwelle innerhalb einer sogenannten Torzeit, die durch eine oder mehrere Perioden der Synchrondrehzahl festgelegt ist. Zur Ermittlung der Leistung und/oder des Moments findet die „Kloss'sche Gleichung” Anwendung. Das Verfahren erfordert mehrere Eingangsgrößen, darunter auch die Synchrondrehzahl, die aus elektrischen Messgrößen bestimmt wird. Zusätzlich müssen die Ergebnisse in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur des Motors korrigiert werden, was eine vorherige messtechnische Ermittlung und Speicherung von benötigten Korrekturfaktoren pro Motortyp bedingt. Diese Anordnung ist aufwändig gestaltet. In der industriellen Praxis hat sich diese Methode als nicht geeignet erwiesen. Besonders nachteilig, wie auch bei einer konventionellen Messung der Wirkleistungsaufnahme eines Asynchronmotors durch Wirkleistungsmessgeräte und Stromwandler, ist die Installation einer solchen Anordnung durch eine Elektrofachkraft unbedingt erforderlich.
Durch die DE 10 2006 049 440 A1 ist ein Verfahren zur Erkennung eines Betriebszustandes einer Pumpe, insbesondere einer Fliehkraft- oder Verdrängungspumpe, in einer Pumpenanlage bekannt. Das Verfahren und dessen Vorrichtung dienen, im Vergleich zu einem gespeicherten Normalzustand, einer Erkennung eines fehlerhaften Betriebszustandes einer Pumpe, Pumpenanlage und hydraulischen Anlage. Ein Drucksensor erfasst den zeitlichen Druckverlauf im Fördermedium. Ein berechneter Kennwert charakterisiert die Pulsation des Druck- und/oder Strömungsverlaufs in einem Berechnungs-Zeitintervall. Durch Vergleich des berechneten Kennwertes mit mindestens einem vorgegebenen Kennwert oder mit einem von diesem begrenzten Kennwertbereich, wobei der vorgegebene Kennwert oder der durch diesen begrenzte Kennwertbereich einem interessierenden Betriebszustand der Pumpe entspricht, wird der Betriebszustand ermittelt und ausgegeben. Bei einem Diagnosegerät mit angeschlossenem Drucksensor und einem zusätzlichen Schwingungssensor wird aus dem Drucksensorsignal die Drehzahl der Pumpe ermittelt und dem Schwingungssensor bereitgestellt. Die Gründe dafür werden nicht offenbart. Weder die Drehzahlinformation noch irgendwelche anderen Größen liefern eine Aussage darüber, in welchem Betriebspunkt auf einer Q-H- bzw. Q-P-Kennlinie und/oder bei welcher aufgenommenen Leistung die Pumpe betrieben wird. Mit diesem Verfahren werden nur Abweichungen von vorher ermittelten und gespeicherten Referenzwerten angezeigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, durch die eine wenig aufwändige und zuverlässige Bestimmung und gegebenenfalls Überwachung des aktuellen Betriebspunktes einer Arbeitsmaschine und/oder eines diese antreibenden Asynchronmotors möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Betriebspunkt ohne die Verwendung von elektrischen Messgrößen des antreibenden Asynchronmotors bestimmt wird, dass aus einer mechanischen Messgröße Druck, Differenzdruck, Kraft, Vibration, Körperschall oder Luftschall, mittels einer Signalanalyse, insbesondere einer Frequenzanalyse, eine zum Drehklang der Arbeitsmaschine linear proportionale Frequenz ermittelt wird, wobei daraus die Drehzahl der Antriebsmaschine ermittelt wird und aus der schlupfbedingten Drehzahl-Drehmoment-Abhängigkeit des Asynchronmotors der Betriebspunkt bestimmt wird.
Der Betriebspunkt wird erfindungsgemäß ohne eine Verwendung von elektrischen Messgrößen bestimmt. Stattdessen wird aus dem Signalverlauf einer gemessenen mechanischen Messgröße eine zum Drehklang der Arbeitsmaschine linear proportionale Frequenz ermittelt, insbesondere die Drehklangfrequenz der Arbeitsmaschine. Nachfolgend wird vereinfachend von Drehklangfrequenz gesprochen. Diese ergibt sich aus dem Produkt von Drehzahl und einer Anzahl von schwingungsanregenden Strukturen eines oszillierenden oder rotierenden Bauteils, insbesondere die Schaufelanzahl eines Pumpenlaufrades. Daraus wird die Drehzahl der Antriebsmaschine ermittelt und unter Zuhilfenahme von gespeicherten Daten die von der Arbeitsmaschine aufgenommene Leistung, nachfolgend auch Wellenleistung genannt, und/oder deren Fördermenge bestimmt. Als mechanische Messgrößen sind Druck, insbesondere der Druck auf der Druckseite einer Kreiselpumpe, Differenzdruck, insbesondere der Differenzdruck zwischen Saug- und Druckseite einer Kreiselpumpe, Kraft, Vibration, Körperschall oder Luftschall, insbesondere einer oder verursacht durch eine Kreiselpumpe, oder dergleichen geeignet. Der Betriebspunkt der Arbeitsmaschine kann aus einer einzigen, nicht elektrischen Messgröße ermittelt werden. Durch den Verzicht auf elektrische Messgrößen ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Betriebspunktbestimmung vergleichsweise kostengünstig und mit einfachstem Installationsaufwand durchführbar.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die aufgenommene Leistung der Arbeitsmaschine durch folgende Schritte bestimmt wird:

– Bestimmung der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie des Motors, insbesondere durch vorgegebene Motorparameter Bemessungsleistung und Bemessungsdrehzahl, gegebenenfalls synchrone Drehzahl, Kippmoment, Kippdrehzahl oder Kippschlupf.
– Bestimmung der aufgenommenen Leistung oder des Drehmomentes des Motors aus ermittelter Antriebsdrehzahl und Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie des Motors.

Notwendige Parameter zur Bestimmung der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie des Motors werden aus den Typenschilddaten eines Asynchronmotors abgeleitet, beispielsweise ergibt sich das Bemessungs- oder Nenndrehmoment M_N aus dem Quotienten von Bemessungsleistung des Asynchronmotors P_2N und Nenndrehzahl n_N zu:
Bei bekanntem Kippmoment M_K und/oder Kippschlupf s_K des Asynchronmotorswird mit der Kloss'schen Gleichung
die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie, n-M-Kennlinie des Asynchronmotors abgebildet. Mit dem Schlupf s des Asynchronmotors
ergibt sich der Verlauf der n-M-Kennlinie zu
mit der Kippdrehzahl n_k
Alternativ kann im Betriebsbereich der Arbeitsmaschine die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie des Asynchronmotors als Gerade durch die Punkte (M_N; n_N), gegeben durch Nennmoment M_N bei Nenndrehzahl n_N, und (M = 0; n₀), gegeben durch Drehmoment M gleich Null bei synchroner Drehzahl n₀, angenähert werden. Es ergibt sich dann folgende, angenäherte oder vereinfachte Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie, n-M-Kennlinie, des Asynchronmotors, deren Verlauf durch folgende Formel beschrieben ist:
Die Bestimmung der von der Arbeitsmaschine aufgenommenen Leistung erfolgt aus der zuvor ermittelten Antriebsdrehzahl, nachfolgend auch Wellendrehzahl genannt, und der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie, der n-M-Kennlinie des Motors. Dieser Zusammenhang Wellenleistung P₂ zu Drehmoment M und Drehzahl n ist durch die Gleichung P2 = ω·M = 2·π·n·M (7)gegeben. Erfindungsgemäß wird der Betriebspunkt einer Arbeitsmaschine, insbesondere einer Pumpe, charakterisiert durch deren aufgenommene Leistung, ermittelt. Dies erfolgt mit vorhandenen, an einer Pumpe angeordneten Sensoren.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht bei einer Pumpe, insbesondere einer Kreiselpumpe, als Arbeitsmaschine die Ermittlung von deren Fördermenge aus deren Antriebsdrehzahl vor. Aus dem Signalverlauf einer nicht elektrischen Messgröße wird die Drehklangfrequenz mittels Signalanalyse, insbesondere Frequenzanalyse, beispielsweise durch eine Fast-Fourier-Transformation (FFT) oder eine Autokorrelation ermittelt. Daraus wird die Antriebsdrehzahl ermittelt. Im Beispiel einer Kreiselpumpe als Arbeitsmaschine ergibt sich die Drehzahl als dem Quotient aus Drehklangfrequenz f_D und Schaufelzahl z des Laufrades:
Mittels der Drehzahl-Drehmoment-Abhängkeit können Wellenleistung und/oder Fördermenge aus der Drehzahl bestimmt werden. Auf eine Messung elektrischer Größen wird verzichtet, wodurch sich der Aufwand für die Durchführung der Betriebspunktbestimmung gegenüber einer herkömmlichen Betriebspunktbestimmung auf Basis einer elektrischen Wirkleistungsmessung erheblich reduziert. Ebenso besteht gegenüber einer direkten Messung der Fördermenge, beispielsweise mittels Ultraschall-Durchflussmesstechnik oder magnetisch-induktiver Durchflussmesstechnik, ein erheblicher Kostenvorteil, da die verwendeten mechanischen Messgrößen Druck, Differenzdruck, Kraft, Vibration, Körperschall oder Luftschall günstiger erfasst und verarbeitet werden.
Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, dass die Fördermenge der Pumpe aus der aus der Antriebsdrehzahl ermittelten aufgenommenen Leistung oder Wellenleistung bestimmt wird. Aus der Antriebsdrehzahl oder Wellendrehzahl wird zunächst wie zuvor beschrieben unter Zuhilfenahme der bekannten n-M-Kennlinie oder einer daraus ableitbaren n-P-Kennlinie gemäß Formel (7) die Wellenleistung der Pumpe ermittelt. In einem nachfolgenden Schritt wird aus der Wellenleistung mittels einer abgespeicherten Q-P-Kennlinie die Fördermenge Q der Pumpe ermittelt.
Die Fördermenge der Pumpe kann aus Parametern des Motors, die eine Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie des Motors beschreiben, sowie aus Parametern der Pumpe, die eine Förderstrom-Leistungs-Kennlinie beschreiben, und der Antriebsdrehzahl bestimmt werden. Eine Q-P-Kennlinie ist beispielsweise in Form einer Parametertabelle mit mehreren Stützpunkten (Index _{_1} bis _{_i}) beschreibbar. Während der Betriebspunktbestimmung nutzt das Verfahren eine solche vorab gespeicherte Tabelle, um die Fördermenge aus der Wellenleistung zu bestimmen:

Fördermenge Q Q_{_1} Q_{_2} Q_{_3} ... Q_{_i}

Wellenleistung P₂ P_{2_1} P_{2_2} P_{2_3} ... P_{2_i}
Die Tabelle kann zusätzlich Stützpunkte für die jeweilige Drehzahl beinhalten, womit eine direkte Förderstrombestimmung aus der ermittelten Drehzahl möglich wird.
Insbesondere bei uneindeutigen Bereichen der Q-P-Kennlinie kann zur weiteren Verbesserung des Verfahrens zusätzlich die Förderhöhe oder der Differenzdruck zur Be stimmung der Fördermenge der Pumpe herangezogen werden. Weiterhin kann bei der Bestimmung des Betriebspunktes sowohl eine Berücksichtigung der Q-P-Kennlinie als auch der Q-H-Kennlinie stattfinden. Dazu können beispielsweise Quotientenwerte P₂/H abgespeichert werden:

Fördermenge Q Q_{_1} Q_{_2} Q_{_3} ... Q_{_i}

Wellenleistung P₂ P_{2_1} P_{2_2} P_{2_3} ... P_{2_i}

Förderhöhe H H_{_1} H_{_2} H_{_3} ... H_{_i}

Quotient P₂/H P_{2_1}/H_{_1} P_{2_2}/H_{_2} P_{2_2}/H_{_2} ... P_{2_i}/H_{_i}
Ebenfalls ist vorgesehen, die Fördermenge der Kreiselpumpe aus einer Kennlinie, die die lastabhängige Drehzahländerung über der Fördermenge der Pumpe darstellt, zu bestimmen. Eine solche Drehzahl-Förderstrom-Kennlinie kann aus einer Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie des Motors in Verbindung mit einer Förderstrom-Leistungs-Kennlinie berechnet werden.

Fördermenge Q Q_{_i} Q_{_2} Q_{_3} ... Q_{_i}

Wellenleistung P₂ P_{2_1} P_{2_2} P_{2_3} ... P_{2_i}

Drehzahl n n_{_1} n_{_2} n_{_3} ... n_{_i}
Alternativ kann auch ohne Kenntnis von Q-P- und Q-H-Kennlinie eine Kennlinie zur Bestimmung der Fördermenge aus der lastabhängigen Drehzahländerung bestimmt werden. Dazu können in einem Testlauf der Pumpe, der beispielsweise bei einer Inbetriebnahme erfolgt, in mehreren Betriebspunkten mit bekannter Fördermenge, darunter beispielsweise Q₀, d. h. Förderstrom gleich Null, und Q_max, d. h. maximal zulässigem Förderstrom, die jeweilige Betriebsdrehzahl ermittelt und gespeichert werden. Daraus ergibt sich nachfolgend allgemein dargestellte Parametertabelle:

Fördermenge Q Q_{_i} Q_{_2} Q_{_3} ... Q_{_i}

Drehzahl n n_{_1} n_{_2} n_{_3} ... n_{_i}
Alternativ ist es möglich, dass während des regulären Betriebs der Pumpe „lernend” Drehzahlen ermittelt und gespeichert werden. So wird bei einer Kreiselpumpe mit einer Q-P-Kennlinie, bei der P proportional mit Q streng monoton ansteigt, wie beispielsweise bei den meisten Pumpen mit Radialrad, die größte auftretende Drehzahl der kleinsten auftretenden Leistungsaufnahme und dem kleinsten Förderstrom zugeordnet, gegebenenfalls bei geschlossenem Ventil also Nullförderstrom. Verringert sich die Drehzahl im Betrieb wieder, so wird auf einen gestiegenen Förderstrom geschlossen. Somit wird über die Betriebsdauer einer Kreiselpumpe ein Betriebsbereich in den Grenzen von (Q_min'; n_max') und (Q_max'; n_min'), die im untersuchten Betriebszeitraum auftreten, erlernt, ohne dass dazu konkrete Werte für Q gemessen oder ermittelt werden. Die erlernten Grenzwerte werden zur Einordnung des jeweils gegenwärtigen Förderstroms der Kreiselpumpe zwischen minimalem und maximalem im untersuchten Betriebszeitraum aufgetretenen Förderstrom Q_min' und Q_max' verwandt.
Nach dieser Ausgestaltung wird ebenfalls die Drehzahl-Drehmoment-Abhängigkeit des Asynchronmotors verwendet. Die Erfindung nutzt dabei die Erkenntnis, dass diese eine auswertbare Drehzahländerung über den Förderstrombereich bewirkt. Mit einer solchen Kennlinie, die üblicherweise für eine Pumpe nicht dokumentiert ist, kann die Fördermenge der Kreiselpumpe direkt aus der Drehzahl ermittelt werden.
Besonders zuverlässig ist ein Verfahren, wonach die Antriebsdrehzahl oder Wellendrehzahl zur Bestimmung des Betriebspunktes der Pumpe, insbesondere der Kreiselpumpe, aus Messwerten von ein oder mehreren Drucksensoren ermittelt wird. Zweckmäßig ist dabei, dass die Drucksensoren zur dynamischen Messung von Drücken, insbesondere von pulsierenden Drücken, geeignet sind. Der durch die Wellenleistung und/oder Fördermenge charakterisierte Betriebspunkt der Pumpe, insbesondere Kreiselpumpe, wird also alleine aus Messwerten von ein oder mehreren Drucksensoren ermittelt. An einer Kreiselpumpe kommen ein oder mehrere Drucksensoren zum Einsatz, um den Saug- und/oder Enddruck einer Kreiselpumpe zu erfassen. Drucksensoren, wenngleich zur Messung statischer Drücke vorgesehen, sind ebenfalls meist geeignet zur dynamischen Messung von Drücken. Tests haben gezeigt, dass Standard-Drucksensoren Drücke dynamisch und unbedämpft bis zu einem Frequenzbereich von ca. 1 kHz erfassen. Solche Drucksensoren sind in der Lage, innerhalb einer Kreiselpumpe auftretende pulsierende Drücke zu erfassen. Das erfindungsgemäße Verfahren erzielt für viele Anwendungen bei Verwendung von nur einem Drucksensor auf der Druckseite der Pumpe eine ausreichende Genauigkeit. Zusätzlich kann ein Drucksensor auf der Saugseite der Pumpe vorgesehen werden. Ebenfalls ist vorgesehen einen Pumpendifferenzdruck zwischen Druck- und Saugseite der Pumpe, erhältlich durch einen Differenzdrucksensor, auszuwerten. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann der Betriebspunkt kostengünstig ohne die Verwendung von zusätzlichen Sensoren alleine aus einem oder mehreren Drucksensorsignalen bestimmt werden.
Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass die Antriebsdrehzahl zur Bestimmung des Betriebspunktes der Arbeitsmaschine und/oder des diese antreibenden Asynchronmotors aus Messwerten von ein oder mehreren Körperschall- und/oder Luftschallsensoren ermittelt wird. Dabei können die Körperschall- und/oder Luftschallsensoren an der Arbeitsmaschine und/oder am diese antreibenden Asynchronmotor angeordnet sein. Die Sensoren können auch im Umfeld der Arbeitsmaschine angeordnet sein. In jedem Fall wird aus Signalen der Sensoren, die mechanische Messgrößen erfassen, eine zum Drehklang der Arbeitsmaschine linear proportionale Frequenz erfasst, woraus die Drehzahl der Arbeitsmaschine ermittelt wird. Und daraus wird unter Verwendung der Drehzahl-Drehmoment-Abhängigkeit des Asynchronmotors der Betriebspunkt ermittelt.
Ein ermittelter Betriebspunkt kann nach der Erfindung daraufhin überwacht werden, ob sich dieser innerhalb oder außerhalb eines vorgegebenen, zulässigen Bereichs befindet. Anhand eines außerhalb eines vorgegebenen Bereichs befindlichen Betriebspunkts wird ein fehlerhafter Betriebszustand, insbesondere Über- oder Unterlast, der Arbeitsmaschine und/oder des Asynchronmotors erkannt. Durch eine Überwachung oder Auswertung der Leistungsaufnahme einer Kreiselpumpe kann beispielsweise auf einen Betrieb bei Teillast oder einen Betrieb im Optimum geschlossen werden. Bei Verwendung von Körperschall oder Luftschall als Messgröße kann auch ein Trockenlauf der Kreiselpumpe detektiert werden. Versuche haben gezeigt, dass die erfindungsgemäße Detektion einer Überlast eines Asynchronmotors zuverlässig und robust funktioniert. Bei einer im Vergleich zu einer dokumentierten und parametrierten Leistungsaufnahme erhöhten Leistungsaufnahme kann auf Überlast der Pumpe oder des Motors geschlossen werden. Zwar kann Ursache für eine vermeintlich erhöhte Leistungsaufnahme auch eine versorgungsseitige Unterspannung sein, was zu einem erhöhten Schlupf führt. In einem solchen Fall ist die Diagnose Überlast für das Aggregat, bestehend aus Pumpe und Motor dennoch zutreffend, da bei Unterspannung und somit erhöhtem Schlupf die Stromaufnahme des Motors erhöht ist. Dieser Einfluss ist dann signifikant, wenn die Netzspannung außerhalb der Toleranzen liegt, und beispielsweise um mehr als 10% unterhalb der Nennspannung liegt. In einem solchen Fall würde bei Nenndrehzahl n = n_N auf Nennleistung P₂ = P_2N geschlossen, obwohl die tatsächlich aufgenommene Leistung unterhalb der Nennleistung liegt. Sinkt die Drehzahl weiter ab, d. h. n < n_N, so wird auf Überlastung der Pumpe oder des Motors geschlossen, was korrekt ist, da die stromproportionalen Verluste, insbesondere die Rotorverluste des Asynchronmotors ansteigen, was zur übermäßigen Erwärmung des Motors beiträgt.
Bei einer Vorrichtung zur Bestimmung eines Betriebspunktes einer Arbeitsmaschine und/oder eines diese antreibenden Asynchronmotors, die mit ein oder mehreren Eingängen zur Erfassung von betriebspunktabhängigen Messgrößen versehen ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Vorrichtung einen Datenspeicher für technologische Daten der Arbeitsmaschine und/oder des diese antreibenden Asynchronmotors aufweist und aus einer mechanischen Messgröße Druck, Differenzdruck, Kraft, Vibration, Körperschall oder Luftschall mittels einer Signalanalyse, insbesondere einer Frequenzanalyse, eine zum Drehklang der Arbeitsmaschine linear proportionale Frequenz ermittelt, daraus die Drehzahl der Antriebsmaschine ermittelt und daraus unter Verwendung der schlupfbedingten Drehzahl-Drehmoment-Abhängigkeit des Asynchronmotors den Betriebspunkt aus nicht elektrischen Messgrößen, ohne die Verwendung von elektrischen Messgrößen des antreibenden Asynchronmotors, bestimmt und gegebenenfalls überwacht.
In dem Datenspeicher können Motorparameter, die die Drehzahl-Drehmoment-Abhängigkeit des Asynchronmotors beschreiben, und/oder andere technologische Daten der Arbeitsmaschinenanordnung abgespeichert sein. Auf diese kann während des Betriebs der Arbeitsmaschine zwecks Bestimmung des Betriebspunkts zugegriffen wer den. Eine Erfassung von elektrischen Messgrößen durch die Vorrichtung ist nicht notwendig. Die Vorrichtung kann aus einem einzigen Messsignal, beispielsweise einem Drucksensorsignal, den Betriebspunkt der Arbeitsmaschine bestimmen.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung bestimmt die Vorrichtung die aufgenommene Leistung der Arbeitsmaschine durch folgende Schritte:

– Bestimmung der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie des Motors, insbesondere durch vorgegebene Motorparameter Bemessungsleistung und Bemessungsdrehzahl, gegebenenfalls synchrone Drehzahl, Kippmoment, Kippdrehzahl oder Kippschlupf
– Bestimmung der aufgenommenen Leistung oder des Drehmomentes des Motors aus der Antriebsdrehzahl und der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie des Motors.

Bei einer Pumpe, insbesondere einer Kreiselpumpe, als Arbeitsmaschine ist es vorgesehen, dass die Ermittlung einer Fördermenge der Pumpe aus der Antriebsdrehzahl erfolgt. An der Pumpe werden lediglich mechanische Messgrößen erfasst. Aus der ermittelten Drehklangfrequenz wird die Antriebs- oder Wellendrehzahl der Pumpe ermittelt.
Gegenüber einer direkten Messung der Fördermenge beispielsweise mittels Ultraschall-Durchflussmesstechnik oder magnetisch-induktiver Durchflussmesstechnik besteht ein erheblicher Kostenvorteil. Auch gegenüber einer Ermittlung der Fördermenge auf Basis einer elektrischen Wirkleistungsmessung sind Aufwand und Kosten minimiert.
Die Vorrichtung kann an der Pumpe, an deren Antriebsmotor oder in deren Umfeld angeordnet sein und/oder mit der Pumpe oder deren Antriebsmotor integriert ausgeführt sein.
Die Vorrichtung kann die Fördermenge der Pumpe, insbesondere Kreiselpumpe, aus der aus der Antriebsdrehzahl oder Wellendrehzahl ermittelten aufgenommen Leistung oder Wellenleistung bestimmen.
Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, dass die Vorrichtung die Fördermenge der Pumpe, insbesondere Kreiselpumpe, aus Parametern des Motors, die eine Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie des Motors beschreiben, sowie aus Parametern der Pumpe, die eine Förderstrom-Leistungs-Kennlinie beschreiben, und der Antriebsdrehzahl oder Wellendrehzahl bestimmt.
Ebenso gut ist es vorgesehen, dass die Vorrichtung die Fördermenge der Pumpe, insbesondere Kreiselpumpe, direkt aus einer Kennlinie, die die lastabhängige Drehzahländerung über der Fördermenge der Pumpe darstellt, bestimmt. Eine solche Kennlinie kann durch Testläufe ermittelt und in dem Datenspeicher gespeichert sein, so dass sie während des Betriebs der Kreiselpumpe abrufbar ist. Hier wird gleichwohl die Drehzahl-Drehmoment-Abhängigkeit des Asynchronmotors verwendet, die zu einer Drehzahlveränderung über den Förderstrombereich führt. Daraus kann der durch die von der Arbeitsmaschine aufgenommene Leistung und/oder deren Fördermenge charakterisierte Betriebspunkt besonders einfach bestimmt werden.
Idealist es, wenn die Vorrichtung mindestens einen Anschluss für einen Drucksensor aufweist und aus Messwerten eines angeschlossenen Drucksensors die Antriebsdrehzahl oder Wellendrehzahl zur Bestimmung des Betriebspunktes der Arbeitsmaschine ermittelt. Drucksensoren zur Erfassung statischer Drücke sind ebenfalls im Stande, dynamische Druckschwankungen zu erfassen. Solche Drucksensoren sind ohnehin an vielen Pumpen angebracht, insbesondere um deren Enddruck zu erfassen. Übliche Einrichtungen zur Erfassung von Signalen von Drucksensoren mittels Analogeingängen beispielsweise an Speicherprogrammierbaren Steuerungen oder an Frequenzumrichtern ermöglichen in der Regel die Nutzung von gefilterten, d. h. in der Dynamik bedämpften Messwerten. Zur Erfassung des erfindungsgemäß interessierenden dynamischen Drucksignalanteils sind solche Eingänge zu langsam und unempfindlich.
Hochdynamische Eingänge von Messeinrichtungen, die in der Lage sind Signalanteile in Frequenzbereichen von einigen Kilohertz zu erfassen, sind in der industriellen Praxis zumeist nicht robust genug und außerdem teuer.
Die Vorrichtung nach der Erfindung unterscheidet sich von den erwähnten industriell Üblichen, dadurch, dass sie eine Erfassung des pulsierenden Anteils eines Drucksignals bei gleichzeitig hoher Dynamik ermöglicht. Dadurch ist eine genaue Bestimmung der Frequenz des pulsierenden Druckanteils in einem interessierenden Frequenzbereich gewährleistet. Zweckmäßigerweise besitzt die Vorrichtung einen Eingang für Signalanteile bis zu ca. 500 Hz, wobei eine Grenzfrequenz für einen Eingangsfilter entsprechend höher liegt.
Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, dass der für eine bestimmte Pumpe interessierende Frequenzbereich ein kleiner, durch untere und obere Drehklangfrequenz f_{D_min} beziehungsweise f_{D_max} begrenzter Ausschnitt des gesamten gemessenen Frequenzbereichs ist. Eine Auswertung kann damit entsprechend selektiv und genau erfolgen. In einem Beispiel einer Kreiselpumpe ist der interessierende Frequenzbereich vorgegeben durch die Grenzen von unterer und oberer Drehklangfrequenz f_{D_min} beziehungsweise f_{D_max} bei bekannter Schaufelzahl z: fD_min = nmin·z und fD_max = nmax·z (9, 10)
Dabei sind minimale Drehzahl n_min und maximale Drehzahl n_max aus Parametern des die Kreiselpumpe antreibenden Asynchronmotors bekannt. Vereinfacht kann die minimale Drehzahl aus n_N berechnet werden, beispielsweise nmin = 0,95·nN (11).
Und/oder die maximale Drehzahl kann als nmax = n0 (12) angenommen werden.
Mit der Wirkungsgradoptimierung von Asynchronmotoren geht die Minimierung des Schlupfes als Abweichung der Wellendrehzahl von der synchronen Drehzahl einher. IEC-Normmotoren mit einer Nennleistung von 22 kW und größer haben üblicherweise einen Nennschlupf von unter 2%, bei größeren Leistungen ist der Schlupf noch geringer und kann sogar unter 1% liegen. Daraus folgt, dass minimale und maximale Drehzahl und minimale und maximale Drehklangfrequenz sehr dicht beieinander liegen können. Um aus der Drehklangfrequenz einen Betriebspunkt bestimmen zu können, muss diese sehr exakt bestimmt werden. Die Vorrichtung verfügt daher erfindungsgemäß über eine Signalverarbeitungseinheit, die eine genaue Bestimmung der Drehklangfrequenz, vorzugsweise mit einer Genauigkeit von 1/10 Hertz oder von wenigen 1/100 Hertz, durchführt. Dies wird mittels einer sehr hohen Abtastfrequenz und/oder durch ein entsprechend langes Abtastintervall erreicht.
Dabei ist die Amplitude des pulsierenden Druckanteils relativ gering. In einem konkreten Beispiel beträgt die Amplitude des pulsierenden Signalanteils weniger als 1% des Drucks. Die Vorrichtung löst den Messbereich des Drucksignals entsprechend hoch auf, so dass die Druckpulsation trotz der geringen Amplitude nach Analog-Digital-Wandlung einwandfrei auswertbar ist, d. h. die Drehklangfrequenz bestimmt werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht so eine zuverlässige Betriebspunktbestimmung einer Pumpe.
Alternativ und/oder zusätzlich kann die Vorrichtung mindestens einen Anschluss für einen Körperschall- und/oder Luftschallsensor aufweisen und aus Messwerten eines angeschlossenen Körperschall- und/oder Luftschallsensors die Antriebsdrehzahl zur Bestimmung des Betriebspunktes der Arbeitsmaschine und/oder des diese antreibenden Asynchronmotors ermitteln.
Zur Erfassung von betriebspunktabhängigen Schallmessgrößen ist die Vorrichtung zweckmäßigerweise mit einem Mikrofon verbindbar oder weist ein integriertes Mikrofon auf.
Dabei ist es von Vorteil, wenn die Vorrichtung ein Telefon, insbesondere ein Mobiltelefon, zur Erfassung der Betriebsgeräusche der Arbeitsmaschine und zur Betriebspunktbestimmung und/oder -überwachung ist. Eine solche Vorrichtung nutzt das erfindungsgemäße Verfahren. Dazu kann in einem Datenspeicher der Vorrichtung ein Programmablauf gespeichert sein, der von einer in der Vorrichtung befindlichen Recheneinheit abgearbeitet werden kann.
Die Vorrichtung kann auch räumlich getrennt von der Arbeitsmaschine deren Betriebspunkt bestimmen und gegebenenfalls überwachen. Dabei ist es vorgesehen, dass die Vorrichtung Telekommunikationsmittel, insbesondere ein Telefon oder Mobiltelefon und ein Telekommunikationsnetz nutzt, um die Betriebspunktbestimmung und/oder -überwachung an einem anderen Ort als dem Betriebsort der Arbeitsmaschine durchzuführen. Die Telekommunikationsmittel dienen dabei als Signalerfassungs- und/oder -übertragungsmittel. Beispielsweise kann ein Mobiltelefon mittels eines eingebauten Mikrofons Körperschall- und/oder Luftschallsignale einer Arbeitsmaschine erfassen und mittels Telekommunikationsnetz an eine von der Arbeitsmaschine räumlich getrennte Vorrichtung zur Betriebspunktbestimmung und/oder -überwachung übermitteln.
Die Erfindung ist mit Vorteil verwendbar bei einer Kreiselpumpenanordnung bestehend aus mindestens einer Kreiselpumpe mit einer Welle und einem die Welle antreibenden Asynchronmotor und mit ein oder mehreren Sensoren zur Erfassung von betriebspunktabhängigen Messgrößen. Die Vorrichtung kann an der Kreiselpumpe angeordnet sein und/oder in die Kreiselpumpe und/oder den Asynchronmotor integriert sein. Auch eine Anordnung im Umfeld der Kreiselpumpenanordnung oder eine räumlich getrennte Anordnung ist vorgesehen.
Ausführungsbeispiele der Erfindungen sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen die
1a eine Q-H-Kennlinie einer Kreiselpumpe, die
1b eine Q-P-Kennlinie einer Kreiselpumpe, die
2 eine allgemeine, schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die
3 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte eines ersten Verfahrens zur Bestimmung eines Betriebspunktes, die
4a einen Druckverlauf am Austritt einer Kreiselpumpe, die
4b den Druckverlauf in einer Detailansicht, die
5a eine Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie eines Asynchronmotors, die
5b eine vereinfachte Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie eines Asynchronmotors in dessen Betriebsbereich, die
6a, 6b daraus abgeleitete n-P-Kennlinien des Asynchronmotors, die
7 eine schematische Darstellung eines alternativen Verfahrens unter Verwendung einer lastabhängigen Drehzahl-Förderstrom-Kennlinie, die
8 eine lastabhängige Drehzahl-Förderstrom-Kennlinie, die
9 eine schematische Darstellung eines kombinierten Verfahrens zur Betriebspunktbestimmung, die
10 eine Kreiselpumpenanordnung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Betriebspunktbestimmung aus einer gemessenen Druckpulsation, die
11 eine Kreiselpumpenanordnung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Betriebspunktbestimmung in Form eines Mobiltelefons, und die
12 eine weitere Anordnung mit einer Vorrichtung, die ein Mobiltelefon und ein Telekommunikationsnetz nutzt, um die Betriebspunktbestimmung an einem anderen Ort als dem Betriebsort der Kreiselpumpe durchzuführen.
Die 1a zeigt eine Förderstrom-Förderhöhen-Kennlinie 2, eine sogenannte Q-H-Kennlinie, einer Kreiselpumpe. Aus einer zwischen Druck- und Saugseite der Kreiselpumpe gemessenen Druckdifferenz kann gemäß dem Stand der Technik eine Förderhöhe H der Pumpe ermittelt und der Betriebspunkt der Kreiselpumpe über die Förderstrom-Förderhöhen-Kennlinie 2 bestimmt werden. Eine solche Betriebspunktbestimmung ist aber unzureichend in einem Bereich kleinerer Förderströme, in dem die Förderstrom-Förderhöhen-Kennlinie 2 uneindeutig oder instabil ist. Eine solche instabile Kennlinie bewirkt, dass bei bestimmten gemessenen Druckdifferenzen zu einer bestimmten Förderhöhe H zwei Förderstromwerte 3, 4 existieren. Somit kann nicht eindeutig auf eine Fördermenge Q(H) der Kreiselpumpe geschlossen werden.
1b zeigt eine Förderstrom-Leistungs-Kennlinie 10, eine sogenannte Q-P-Kennlinie, einer Kreiselpumpe. Die hier gezeigte Förderstrom-Leistungs-Kennlinie 10 ist eindeutig, so dass mit der Information über die Leistungsaufnahme der Pumpe eine Aussage bezüglich der Fördermenge Q(P) der Pumpe und damit über deren Betriebspunkt möglich ist. Die Messung der elektrischen Leistungsaufnahme eines Kreiselpumpenaggregats ist in der Praxis mit einigem Aufwand verbunden, denn diese erfolgt in einem Schaltschrank und bedingt einen Montageaufwand, der durch eine Elektrofachkraft zu leisten ist. Sowohl die Q-H-Kennlinie 2, als auch die Q-P-Kennlinie 10 sind typischerweise für eine bestimmte Kreiselpumpe dokumentiert.
2 zeigt eine allgemeine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens 21, bei dem der Betriebspunkt einer Arbeitsmaschine und/oder eines diese antreibenden Asynchronmotors ohne die Verwendung von elektrischen Messgrößen des antreibenden Asynchronmotors bestimmt wird. Nach einer Erfassung 22 einer mechanischen Messgröße wird in einem Schritt 23 aus der Messgröße mittels einer Signalanalyse, insbesondere Frequenzanalyse, eine zum Drehklang der Arbeitsmaschine linear proportionale Frequenz, eine Drehklangfrequenz f_D ermittelt. Daraus wird in einem nächsten Schritt 24 die Drehzahl n der Antriebsmaschine ermittelt. Und in einem weiteren Schritt 25 wird der durch die von der Arbeitsmaschine aufgenommene Leistung, hier mit P₂ bezeichnet, und/oder deren Fördermenge Q charakterisierte Betriebspunkt bestimmt. Erfindungsgemäß wird dazu die schlupfbedingte Drehzahl-Drehmoment-Abhängigkeit des die Arbeitsmaschine antreibenden Asynchronmotors verwendet. Der so bestimmte Betriebspunkt steht in Schritt 29 zur weiteren Verarbeitung und/oder Anzeige zur Verfügung.
Die 3 zeigt eine schematische, im Vergleich zu 2 detailliertere Darstellung der Verfahrensschritte eines Verfahrens 21 zur Bestimmung eines Betriebspunktes. Gezeigt ist ein Verfahren 21 zur Bestimmung eines Förderstroms oder einer Fördermenge Q aus einer gemessenen Druckpulsation oder einem gemessenen Körperschall oder Luftschall über ein gespeichertes Motormodell und eine Pumpenkennlinie. Die zur Durchführung der einzelnen Verfahrensschritte notwendigen Parameter können in einem Datenspeicher 30 abgespeichert bzw. hinterlegt sein und stehen zur Durchführung der einzelnen Verfahrensschritte zur Verfügung. Die erforderlichen Motorparameter abgegebene Bemessungs- oder Nennleistung P_2N und Nenndrehzahl n_N, sowie die optionalen Motorparameter Netzfrequenz f, Polpaarzahl p oder synchrone Drehzahl n₀ bilden dabei ein Motormodell, das zweckmäßigerweise in einem ersten Teil 31 des Datenspeichers 30 abgelegt ist. Die synchrone Drehzahl n₀ kann auch aus Netzfrequenz f und Polpaarzahl p bestimmt werden oder aus der Nenndrehzahl n_N als zu dieser nächst größeren theoretisch möglichen Synchrondrehzahl (beispielsweise 3600 min^–1, 3000 min^–1, 1800 min^–1, 1500 min^–1, 1200 min^–1, 1000 min^–1, 900 min^–1, 750 min^–1, 600 min^–1 oder 500 min^–1) abgeleitet werden. Sofern bekannt kann optional das Kippmoment M_k des Motors abgespeichert werden. Weiterhin kann eine minimale Drehzahl n_min und eine maximale Drehzahl n_max abgespeichert werden. In einem zweiten Teil 32 des Datenspeichers 30 ist eine Förderstrom-Leistungs-Kennlinie, eine Q-P-Kennlinie, einer Kreiselpumpe abgespeichert. Diese ist gegeben durch mehrere (i) Stützwerte (P_{2_1}; Q_{_1}), (P_{2_1}; Q_{_2}), ... (P_{2_i}; Q_{_i}). Ebenfalls ist die Schaufelzahl z des Laufrades der Kreiselpumpe verfügbar. Während des Betriebs einer Arbeitsmaschine werden in einem Schritt 22 Messwerte einer mechanischen Messgröße erfasst. In einem Verfahrensschritt 23 wird nun beispielsweise in den Grenzen von f_Dmin = n_min·z gemäß Formel (9) und f_Dmax = n_max·z gemäß Formel (10) mittels einer Signalanalyse aus den Signalpulsationen die Drehklangfrequenz f_D ermittelt. In einem weiteren Verfahrensschritt 24 wird aus der Drehklangfrequenz f_D und der Schaufelzahl z die momentane Antriebsdrehzahl der Pumpe ermittelt. Es gilt:
Aus der so ermittelten Antriebsdrehzahl n wird in einem nächsten Verfahrensschritt 25 die vom Motor abgegebene Leistung P₂ ermittelt. Dabei gilt: P2 = ω·M = 2·π·n·M (7)wobei
Die vom Motor abgegebene Leistung P₂ entspricht der Wellenleistung der Pumpe. Somit kann in einem nächsten Verfahrensschritt 26 unter Zuhilfenahme der Q-P-Kennlinie der Pumpe deren Fördermenge Q bestimmt werden. Aus der Messgröße und deren Signalpulsation wird durch das Verfahren der Betriebspunkt der Arbeitsmaschine, hier eine Kreiselpumpe, ohne die Messung von elektrischen Messgrößen bestimmt.
In 4a ist in Abhängigkeit einer Zeit t ein Signalverlauf eines Druckes p(t) dargestellt, der am Austritt einer Kreiselpumpe während eines Betriebs der Kreiselpumpe gemessen wurde. Es ist zu erkennen, dass der Druck sich in etwa auf einem gleich bleibenden, konstanten Niveau bewegt.
4b zeigt diesen Druckverlauf p(t) in einer Detailansicht. Es ist erkennbar, dass im Signalverlauf von p(t) Druckpulsationen vorhanden sind. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass diese Druckpulsationen durch handelsübliche Drucksensoren zur Messung eines statischen Druckes erfasst werden können. Solche Drucksensoren sind ohnehin an vielen Pumpen angebracht, insbesondere um deren Enddruck zu erfassen. Ein solcher Drucksensor erfasst einen pulsierenden Anteil des Drucksignals. Die Frequenz des pulsierenden Druckanteils, die Drehklangfrequenz f_D, ergibt sich aus dem Kehrwert der Periodendauer T. Das erfindungsgemäße Verfahren bestimmt die Frequenz des pulsierenden Druckanteils in einem interessierenden Frequenzbereich. Der interessierende Frequenzbereich ist bei bekannter Schaufelzahl z vorgegeben durch die Grenzen von unterer und oberer Drehklangfrequenz f_{D_min} und f_{D_max}. Es gilt: fD_min = nmin·z und fD_max = nmax·z (9, 10)
Darin sind n_min eine minimale Drehzahl und n_max eine maximale Drehzahl des die Kreiselpumpe antreibenden Asynchronmotors. Diese sind entweder bekannt oder können vereinfacht berechnet werden, beispielsweise durch nmin = 0,95·nN (11)bzw. nmax = n0 (12),wobei n₀ die synchrone Drehzahl darstellt. Zur genauen Bestimmung der Drehklangfrequenz innerhalb des interessierenden Frequenzbereichs wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren eine genaue Bestimmung der Drehklangfrequenz vorzugsweise mit einer Genauigkeit von einem Zehntel Hertz oder sogar von wenigen Hundertstel Hertz durchgeführt. Dies wird entweder mittels einer sehr hohen Abtastfrequenz und/oder durch ein entsprechend langes Abtastintervall erreicht. Die Drehklangfrequenz f_D wird mittels Signalanalyse, insbesondere Frequenzanalyse, beispielsweise durch eine Fast-Fourier-Transformation (FFT) oder eine Autokorrelationsanalyse ermittelt. Aus der Drehklangfrequenz f_D lässt sich, wie bereits dargelegt, die Antriebsdrehzahl n der Kreiselpumpe oder des diese antreibenden Antriebsmotors ermitteln.
Die Figuren 5a und 5b dienen der Erläuterung des Verfahrensschrittes 25. 5a zeigt eine Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie M(n), nachfolgend auch n-M-Kennlinie ge nannt, eines Asynchronmotors. Bei einer solchen Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie M(n) wird das Drehmoment M über der Drehzahl n des Asynchronmotors aufgetragen. Diese an sich für einen Asynchronmotor bekannte und typische Kennlinie zeigt den Bemesungs- oder Nennbetriebspunkt eines Asynchronmotors bei einem Punkt (M_N _; n_N) bei Nenndrehmoment M_N und Nenndrehzahl n_N, hier eingekreist. Bei der synchronen Drehzahl n₀ ist das Drehmoment des Asynchronmotors gleich 0. Formelmäßig ergibt sich das Drehmoment M(n) zu
6a zeigt eine daraus abgeleitete Drehzahl-Leistungs-Kennlinie oder n-P-Kennlinie des Asynchronmotors mit
Die zur Berechnung der Kennlinie M(n) bzw. P₂(n) erforderlichen Motorparameter sind dabei aus Typenschilddaten eines Asynchronmotors ableitbar. Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn alleine aus den Typenschilddaten Bemessungsleistung P_2N und Bemessungsdrehzahl n_N der Verlauf der n-P-Kennlinie bestimmt wird. Aus diesen beiden, üblicherweise auf jedem Asynchronmotor auf dessen Typenschild ersichtlichen Parametern lässt sich die synchrone Drehzahl n₀ ableiten. Das Kippmoment M_k ist üblicherweise aus Herstellerangaben bekannt oder kann überschlägig auf ein geeignetes Vielfaches, beispielsweise auf das Dreifache, des Nennmomentes gesetzt werden. Die Kippdrehzahl n_k kann gemäß Formel (5) berechnet werden.
Im Betriebsbereich einer Arbeitsmaschine kann die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie des Asynchronmotors aus 5a als Gerade durch die Punkte (M_N ; n_N), gegeben durch Nenndrehmoment M_N bei Nenndrehzahl n_N, und (M = 0; n₀), gegeben durch Drehmoment M = 0 bei synchroner Drehzahl n₀, angenähert werden. Es ergibt sich folgende vereinfachte Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie, n-M-Kennlinie des Asynchronmotors:
Diese angenäherte oder vereinfachte Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie ist in 5b und die daraus abgeleitete vereinfachte Drehzahl-Leistungs-Kennlinie in 6b dargestellt:
In beiden Fällen, mit vereinfachter linearer n-P-Kennlinie gemäß Formel (15) oder unter Verwendung der Kloss'schen Formel abgeleiteter n-P-Kennlinie gemäß Formel (13), ist aus der Antriebsdrehzahl n in einem Verfahrensschritt 25 die von einer Arbeitsmaschine aufgenommene Leistung P₂(n) bestimmbar.
Mit Kenntnis der aufgenommenen Leistung P₂ der Arbeitsmaschine und unter Verwendung der Q-P-Kennlinie kann die Fördermenge Q in einem Verfahrensschritt 26 bestimmt werden.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines alternativen, erfindungsgemäßen Verfahrens 21 unter Verwendung einer lastabhängigen Drehzahl-Förderstrom-Kennlinie oder n-Q-Kennlinie. Bei diesem Verfahren ist in einem Datenspeicher 33 die Schaufelzahl z sowie eine lastabhängige Drehzahl-Förderstrom-Kennlinie n(Q), gegeben durch mehrere (i) Stützwerte (n_{_i}; Q_{_1}), (n_{_2}; Q_{_2}), ... (n_{_i}; Q_{_i}), gespeichert. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass eine auswertbare Drehzahländerung über den Förderstrombereich existiert. Eine solche lastabhängige Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie kann während eines regulären Betriebs der Pumpe lernend ermittelt und gespeichert werden. Alternativ kann in einem Testlauf der Pumpe, der beispielsweise bei einer Inbetrieb nahme der Pumpe erfolgt, für mehrere Betriebspunkte mit bekannter Fördermenge, darunter beispielsweise Q₀, Q_max, die jeweilige Betriebsdrehzahl ermittelt und gespeichert werden. Wiederum erfolgt in dem in 7 dargestellten Verfahren eine Erfassung 22 einer Messgröße und über die Verfahrensschritte 23 und 24 wird die Antriebsdrehzahl n der Arbeitsmaschine ermittelt. In dem in 7 gezeigten Verfahren wird nun in einem Verfahrensschritt 27 unter Zuhilfenahme der Stützwerte (n_{_i}; Q_{_1}), (n_{_2}; Q_{_2}), ... (n_{_i}; Q_{_i}) die momentane Fördermenge Q ermittelt. Somit kann die Fördermenge Q der Kreiselpumpe direkt aus der Drehzahl n ermittelt werden. Eine solche lastabhängige Drehzahl-Förderstrom-Kennlinie, die üblicherweise für eine Pumpe nicht dokumentiert ist, ist in 8 gezeigt.
9 zeigt ein kombiniertes Verfahren zur Bestimmung von Q, das eine Betriebspunktbestimmung, sowohl aus der Förderhöhe H und aus der Leistung P₂ durchführt. Auch bei diesem Verfahren wird die Druckpulsation des druckseitigen Druckes p₂ zur Bestimmung der Wellenleistung P₂ und der Fördermenge Q benutzt. Das Verfahren enthält wiederum die bereits in 3 beschriebenen Verfahrensschritte 23, 24 und 25. In einem Datenspeicher 30 sind wiederum die bereits in 3 beschriebenen Parameter sowie die Q-P-Kennlinie abgespeichert. Zusätzlich ist die Förderstrom-Förderhöhen-Kennlinie, die Q-H-Kennlinie, der Kreiselpumpe, abgelegt. Dazu wird die Stütztabelle für die Q-P-Kennlinie um entsprechende Förderhöhenwerte H_{_1}, H_{_2} ... H_{_i} ergänzt.
Zur Bestimmung der Fördermenge Q wird in einem Verfahrensschritt 28 die Fördermenge nach einem kombinierten Verfahren aus Förderstrom-Förderhöhen-Kennlinie und Förderstrom-Leistungs-Kennlinie der Kreiselpumpe bestimmt. Somit ist die Betriebspunktbestimmung genauer und zuverlässiger durchführbar. Die benötigte Förderhöhe H wird in einem Verfahrensschritt 15 aus Endruck p₂ und Saugdruck p₁ berechnet.
10 zeigt eine Kreiselpumpenanordnung 50, bei der eine Kreiselpumpe 51 über eine Welle 53 mit einem Asynchronmotor 52 verbunden ist, der die Kreiselpumpe 51 antreibt. Dazu wird der Asynchronmotor 52 von einer Netzzuleitung 54 gespeist. Der Asynchronmotor 52 weist ein Typenschild 55 mit charakteristischen Kenngrößen des Asynchronmotors 52 auf. An einem Druckstutzen 56 der Kreiselpumpe 51 ist ein Druck sensor 57 zur Messung des druckseitigen Druckes oder Enddruckes der Kreiselpumpe 51 angeordnet. Der Drucksensor 57 ist über eine Leitung 58 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 61 verbunden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 61 wertet die Messsignale des Drucksensors 57 aus und bestimmt den Betriebspunkt der Arbeitsmaschine 51. Sie nutzt dazu das erfindungsgemäße Verfahren. Zur Durchführung des Verfahrens genügen als charakteristische Kenngrößen des Asynchronmotors die Typenschilddaten Nennleistung P_2N und die Nenndrehzahl n_N. Alle anderen Motorparameter sind daraus ableitbar oder berechenbar. Die Vorrichtung 61 hat einen zur Erfassung der Drucksignale geeigneten Anschluss oder Signaleingang 62. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, den Signaleingang 62 für Signalanteile bis zu 500 Hz auszulegen. Ein solcher Eingang ist kostengünstiger als ein hochdynamischer Eingang, der Signale im Frequenzbereich von einigen Kilohertz erfassen kann, und bietet die Möglichkeit einer ausreichend schnellen und empfindlichen Signalerfassung. Weiterhin besitzt die Vorrichtung 61 eine Signalverarbeitungseinheit 64, die die Drehklangfrequenz f_D in einer ausreichenden Genauigkeit ermittelt. Die Signalverarbeitungseinheit 64 ist in der Lage, die Drehklangfrequenz mit einer Genauigkeit von einem Zehntel Hertz oder von wenigen Hundertstel Hertz zu bestimmen. Sie verfügt über eine hohe Abtastfrequenz und/oder über entsprechend lange Abtastintervalle. Das in der Vorrichtung 61 ablaufende Verfahren wird von einer Recheneinheit 65 gesteuert und koordiniert. Weiterhin weist die Vorrichtung 61 eine Anzeige- und/oder Bedieneinheit 66 auf. An der Vorrichtung kann ein, hier nicht dargestellter, weiterer Drucksensoranschluss vorgesehen sein, der beispielsweise zur Erfassung eines Pumpensaugdruckes dient. Darüber hinaus kann die Vorrichtung weitere, hier nicht dargestellte Signaleingänge und/oder eine serielle Busschnittstelle, beispielsweise zum Ein- oder Auslesen von Parametern, aufweisen.
11 zeigt eine Kreiselpumpenanordnung, bestehend aus Kreiselpumpe 51 und Asynchronmotor 52, und eine Vorrichtung zur Betriebspunktbestimmung in Form eines Mobiltelefons 71. Diese bestimmt den Betriebspunkt der Kreiselpumpe 51 aus dem von der Kreiselpumpe 51 übertragenen Luftschall. Dazu weist das Mobiltelefon 71 ein integriertes Mikrofon 72 auf. Das Mobiltelefon 71 nutzt in diesem Ausführungsbeispiel das erfindungsgemäße Verfahren. Dazu kann in einem – hier nicht dargestellten – Datenspeicher des Mobiltelefons 71 ein entsprechender Programmablauf gespeichert sein, der von einer in dem Mobiltelefon befindlichen – hier nicht dargestellten Recheneinheit – abgearbeitet wird.
Die Vorrichtung kann auch, wie in 12 dargestellt, räumlich getrennt von einer Arbeitsmaschine deren Betriebspunkt bestimmen. In 12 ist die gleiche Kreiselpumpenanordnung wie in 11, bestehend aus Kreiselpumpe 51 und Asynchronmotor 52, gezeigt. Ein Mobiltelefon 71 mit integriertem Mikrofon 72 erfasst an einem durch gestrichelte Linie kenntlich gemachten Betriebsort 78 der Kreiselpumpe 51 und des Asynchronmotors 52 die Betriebsgeräusche der Arbeitsmaschine 51. Das Mobiltelefon 71 erfasst dazu die Luftschallsignale der Arbeitsmaschine 51. Eine Vorrichtung 61 zur Betriebspunktbestimmung ist räumlich getrennt von der Arbeitsmaschine 51 angeordnet, an einem Ort 79, an dem die Betriebspunktbestimmung durchgeführt wird. Die Vorrichtung 61 nutzt Telekommunikationsmittel, die als Signalübertragungsmittel dienen, um die Betriebspunktbestimmung räumlich getrennt von der Arbeitsmaschine 51 durchzuführen. Die vom Mobiltelefon 71 erfassten Luftschallsignale der Kreiselpumpe 51 werden mittels Telekommunikationsnetz 77 an die Vorrichtung 61 übertragen oder übermittelt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 2005/064167 A1 [0005]
- DD 258467 A1 [0007]
- DE 102006049440 A1 [0008]

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines Betriebspunktes einer Arbeitsmaschine und/oder eines diese antreibenden Asynchronmotors, wobei eine von der Arbeitsmaschine aufgenommene Leistung und/oder deren Fördermenge einen Betriebspunkt charakterisiert, ein oder mehrere betriebspunktabhängige Messgrößen der Arbeitsmaschine durch ein oder mehrere Sensoren erfasst werden und die Messwerte während eines Betriebs der Arbeitsmaschine ausgewertet und/oder gespeichert werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebspunkt ohne die Verwendung von elektrischen Messgrößen des antreibenden Asynchronmotors bestimmt wird, dass aus einer mechanischen Messgröße Druck, Differenzdruck, Kraft, Vibration, Körperschall oder Luftschall, mittels einer Signalanalyse, insbesondere einer Frequenzanalyse, eine zum Drehklang der Arbeitsmaschine linear proportionale Frequenz ermittelt wird, wobei daraus die Drehzahl (n) der Antriebsmaschine ermittelt wird und aus der schlupfbedingten Drehzahl-Drehmoment-Abhängigkeit des Asynchronmotors (52) der Betriebspunkt bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgenommene Leistung (P₂) der Arbeitsmaschine durch folgende Schritte bestimmt wird: – Bestimmung der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie (M(n)) des Motors (52), insbesondere durch vorgegebene Motorparameter Bemessungsleistung (P_2N) und Bemessungsdrehzahl (n_N), gegebenenfalls synchrone Drehzahl (n₀), Kippmoment (M_k), Kippdrehzahl (n_k) oder Kippschlupf (s_k). – Bestimmung der aufgenommenen Leistung (P₂) oder des Drehmomentes (M) des Motors (52) aus ermittelter Antriebsdrehzahl (n) und Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie (M(n)) des Motors (52).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Pumpe, insbesondere einer Kreiselpumpe (51), als Arbeitsmaschine die Ermittlung einer Fördermenge (Q) der Pumpe aus deren Antriebsdrehzahl (n) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördermenge (Q) der Pumpe aus der aus der Antriebsdrehzahl (n) ermittelten aufgenommenen Leistung (P₂) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördermenge (Q) der Pumpe aus Parametern des Motors (52), die eine Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie (M(n)) des Motors (52) beschreiben, sowie aus Parametern der Pumpe, die eine Förderstrom-Leistungs-Kennlinie (10) beschreiben, und der Antriebsdrehzahl (n) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördermenge (Q) der Kreiselpumpe (51) aus einer Kennlinie, die die lastabhängige Drehzahländerung über der Fördermenge (Q) der Pumpe darstellt, bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsdrehzahl (n) zur Bestimmung des Betriebspunktes der Pumpe, insbesondere der Kreiselpumpe (51), aus Messwerten von ein oder mehreren Drucksensoren (57) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsdrehzahl (n) zur Bestimmung des Betriebspunktes der Arbeitsmaschine und/oder des diese antreibenden Asynchronmotors (52) aus Messwerten von ein oder mehreren Körperschall- und/oder Luftschallsensoren ermittelt wird.
Verfahren zur Überwachung des nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ermittelten Betriebspunktes einer Arbeitsmaschine und/oder eines diese antreibenden Asynchronmotors, dadurch gekennzeichnet, dass anhand eines außerhalb eines vorgegebenen Bereichs befindlichen Betriebspunkts ein fehlerhafter Betriebszustand, insbesondere als Über- oder Unterlast, der Arbeitsmaschine und/oder des Asynchronmotors (52) erkannt wird.
Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Betriebspunktes einer Arbeitsmaschine und/oder eines diese antreibenden Asynchronmotors, wobei die von der Arbeitsmaschine aufgenommene Leistung und/oder deren Fördermenge einen Betriebspunkt charakterisiert, mit ein oder mehreren Eingängen zur Erfassung von betriebspunktabhängigen Messgrößen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (61) einen Datenspeicher (30, 33) für technologische Daten der Arbeitsmaschine und/oder des diese antreibenden Asynchronmotors aufweist und aus einer mechanischen Messgröße Druck, Differenzdruck, Kraft, Vibration, Körperschall oder Luftschall mittels einer Signalanalyse, insbesondere einer Frequenzanalyse, eine zum Drehklang der Arbeitsmaschine linear proportionale Frequenz ermittelt, daraus die Drehzahl (n) der Antriebsmaschine ermittelt und aus der schlupfbedingten Drehzahl-Drehmoment-Abhängigkeit des Asynchronmotors (52) den Betriebspunkt aus nicht elektrischen Messgrößen bestimmt und gegebenenfalls überwacht.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgenommene Leistung der Arbeitsmaschine durch folgende Schritte bestimmt ist: – Bestimmung der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie (M(n)) des Motors (52), insbesondere durch vorgegebene Motorparameter Bemessungsleistung (P_2N) und Bemessungsdrehzahl (n_N), gegebenenfalls synchrone Drehzahl (n₀), Kippmoment (M_k), Kippdrehzahl (n_k) oder Kippschlupf (s_k) – Bestimmung der aufgenommenen Leistung (P₂) oder des Drehmomentes (M) des Motors (52) aus der Antriebsdrehzahl (n) und der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie (M(n)) des Motors (52).
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmaschine eine Pumpe, insbesondere Kreiselpumpe (51), ist und die Betriebspunktbestimmung die Ermittlung einer Fördermenge (Q) der Pumpe aus der Antriebsdrehzahl (n) beinhaltet.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (61) die Fördermenge (Q) der Pumpe, insbesondere Kreiselpumpe (51), aus der aus der Antriebsdrehzahl (n) ermittelten aufgenommen Leistung (P₂) bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (61) die Fördermenge (Q) der Pumpe, insbesondere Kreiselpumpe (51), aus Parametern des Motors (52), die eine Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie (M(n)) des Motors (52) beschreiben, sowie aus Parametern der Pumpe, die eine Förderstrom-Leistungs-Kennlinie (10) beschreiben, und der Antriebsdrehzahl (n) bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (61) die Fördermenge (Q) der Pumpe, insbesondere Kreiselpumpe (51), aus einer Kennlinie, die die lastabhängige Drehzahländerung über der Fördermenge (Q) der Pumpe darstellt, bestimmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (61) mindestens einen Signaleingang (62) für einen Drucksensor (57) aufweist und, aus Messwerten eines angeschlossenen Drucksensors (57) die Antriebsdrehzahl (n) zur Bestimmung des Betriebspunktes der Arbeitsmaschine ermittelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (61) mindestens einen Signaleingang für einen Körperschall- und/oder Luftschallsensor aufweist und aus Messwerten eines angeschlossenen Körperschall- und/oder Luftschallsensors die Antriebsdrehzahl (n) zur Bestimmung des Betriebspunktes der Arbeitsmaschine und/oder des diese antreibenden Asynchronmotors (52) ermittelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Erfassung von betriebspunktabhängigen Messgrößen mit einem Mikrofon (72) verbindbar ist oder ein integriertes Mikrofon (72) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Telefon, insbesondere ein Mobiltelefon (71), zur Erfassung der Betriebsgeräusche der Arbeitsmaschine und zur Betriebspunktbestimmung und/oder -überwachung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (61) Telekommunikationsmittel, insbesondere ein Telefon oder Mobiltelefon (71) und ein Telekommunikationsnetz (77) nutzt, um die Betriebspunktbestimmung und/oder -überwachung an einem anderen Ort (79) als dem Betriebsort (78) der Arbeitsmaschine durchzuführen.