DE102018212876A1

DE102018212876A1 - Steuerungsverfahren für Maschine mit umrichterbetriebenem elektrischem Antrieb

Info

Publication number: DE102018212876A1
Application number: DE102018212876.6A
Authority: DE
Inventors: Martin Eckl; Jochen Schaab; Joachim Schullerer
Original assignee: KSB SE and Co KGaA
Current assignee: KSB SE and Co KGaA
Priority date: 2018-08-02
Filing date: 2018-08-02
Publication date: 2020-02-06
Also published as: JP2021533717A; EP3830947A1; US20210310494A1; WO2020025344A1; CN112470395A; US11703057B2; BR112021001733A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Maschine mit wenigstens einem umrichterbetriebenen elektrischen Antrieb, wobei durch die Maschine die momentane Netzfrequenz der Netzversorgung der Maschine ermittelt und eine Abweichung der ermittelten Netzfrequenz gegenüber einer Normfrequenz der Netzversorgung bestimmt wird, und wobei ein Frequenzkorrekturwert für die Anpassung der Soll-Antriebsfrequenz, mit der der Elektromotor der Maschine betrieben wird, durch Gewichtung der Abweichung mit einem Faktor k ermittelt wird, wobei der Faktor k in Abhängigkeit wenigstens einer Prozessgröße der Antriebslast und/oder des betriebenen Antriebsprozesses dynamisch festgelegt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Maschine mit wenigstens einem umrichterbetriebenen elektrischen Antrieb sowie eine elektrische Maschine mit Steuerung zur Ausführung des Verfahrens.
Die Stabilisierung der elektrischen Energieversorgungsnetze erfolgt mittels Frequenzsynchronisierung aller Energieerzeuger. Mehrheitlich werden heute noch große Synchrongeneratoren zur Energieerzeugung eingesetzt, deren Rotationsmasse Rotationsenergie speichert. Diese gespeicherte Rotationsenergie dient als Momentanreserve, um mit deren Hilfe kurzfristige Lastschwankungen im Versorgungsnetz ausgleichen zu können. Die Summe aller Rotationsmassen im Netzverbund definiert die Netzanlaufzeit. Je größer diese ist, umso mehr Energie kann in den Rotationsmassen gepuffert werden. Aufgrund der voranschreitenden Energiewende nimmt der Anteil an leistungselektronischen Umrichtern zur Energieeinspeisung zu. Die dadurch bedingt abnehmende Rotationsmasse verringert die Netzanlaufzeit im Verbundnetz, weshalb die Versorgungsnetze in der Folge anfälliger für Lastschwankungen werden.
Ein vergleichbarer Effekt liegt auf der Verbraucherseite vor, da die Last aller Verbraucher in Summe frequenzabhängig ist. Der Verbraucherselbstregeleffekt beträgt typischerweise 1% pro Hz. Sinkt die Netzfrequenz infolge einer Überlast ab, so sinkt auch die Leistungsabnahme der jeweiligen Verbraucher. Das Netz wird dadurch stabilisiert. Durch umrichterbetriebene rotatorische Verbraucher wird dieser Selbstregeleffekt jedoch verkleinert, da die Antriebsfrequenz der Last durch den Umrichter von der Netzfrequenz entkoppelt wird.
In Anbetracht dieser Problematik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung geeignete Gegenmaßnahmen auf Verbraucherseite aufzufinden, die aktiv zu einer Stabilisierung des Versorgungsnetzes beitragen können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich allgemein bei beliebigen Maschinen einsetzen, die wenigstens einen umrichterbetriebenen elektrischen Antrieb umfassen. Bei dem elektrischen Antrieb handelt es sich um einen rotatorischen Antrieb, dessen Drehzahl mittels vorgeschaltetem Umrichter einstellbar ist.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die momentane Netzfrequenz des Versorgungsnetzes zur Energieversorgung der Maschine zu überwachen bzw. zu ermitteln. Dies kann bspw. durch die interne Elektronik der Maschine erfolgen. Üblicherweise wird die Maschine durch eine externe Netzversorgung mit der benötigten Antriebsenergie versorgt. Die am Leistungseingang liegende Netzfrequenz wird somit von der Elektronik der Maschine unmittelbar erfasst oder mittelbar aus ein oder mehreren Eingangsparametern berechnet, vorzugsweise geschätzt.
Die ermittelte momentane Netzfrequenz wird gegen eine der Maschine bekannte Normfrequenz der Netzversorgung verglichen, um eine Abweichung der ermittelten momentanen Netzfrequenz von der Normfrequenz zu bestimmen. Unter Verwendung der Abweichung wird sodann ein Korrekturwert für die Anpassung der Soll-Antriebsfrequenz des elektrischen Antriebs der Maschine bestimmt. Die Soll-Antriebsfrequenz entspricht derjenigen Frequenz, mit der der interne Elektromotor der Maschine für die jeweilige Anwendung betrieben bzw. angeregt wird. Die Soll-Antriebsfrequenz wird durch eine maschineninterne Drehzahlregelung bestimmt und durch den internen Umrichter der Maschine entsprechend erzeugt. Diese Soll-Antriebsfrequenz soll nunmehr in Abhängigkeit des zuvor bestimmten Frequenzkorrekturwertes angepasst werden.
Demzufolge wird also aktiv auf die Soll-Antriebsfrequenz bzw. Drehzahl des elektrischen Antriebs und demzufolge die Leistungsaufnahme der Maschine Einfluss genommen, sobald eine instabile Netzversorgung droht, d.h. die aktuelle Netzfrequenz von der eigentlichen Normfrequenz abweicht. Idealerweise wird die Soll-Antriebsfrequenz entsprechend erhöht, sofern die aktuelle Netzfrequenz die Normfrequenz übersteigt. Liegt die aktuelle Netzfrequenz im Gegensatz dazu unterhalb der Normfrequenz, kann dies zu einer Reduktion der Antriebs-Sollfrequenz führen.
Ein wesentlicher Erfindungsaspekt besteht nun darin, dass der Frequenzkorrekturwert durch eine dynamische Gewichtung der Abweichung ermittelt wird. Hierbei wird ein Gewichtungsfaktor k in Abhängigkeit wenigstens einer speziellen Prozessgröße der Maschine dynamisch, d.h. während des Maschinenbetriebs festgelegt. Dies soll sicherstellen, dass sich die Modifikation der Soll-Antriebsfrequenz und die damit bezweckte Netzstabilisierung möglichst wenig auf den eigentlichen Maschinenprozess auswirkt. Im Wesentlichen wird der Faktor k in Abhängigkeit einer Prozessgröße der Lastmaschine und/oder des betriebenen Prozesses eingestellt. Die Prozessgröße der Lastmaschine spiegelt die am Elektromotor anliegende Last wieder bzw. ist von dieser abhängig. Eine Prozessgröße des betriebenen Maschinenprozesses charakterisiert die zu verrichtende Arbeit der Maschine, es werden bspw. etwaige Prozessgrößen eines Gesamtsystems berücksichtigt, in dieses die Maschine als Teilkomponente eingebunden ist. Weitere mögliche Prozessgrößen sind bspw. die Temperatur, Antriebsgeschwindigkeit, etwaige Positionen, Abständen, usw.
Gemäß vorteilhafter Ausführung ist die Maschine eine Pumpe, insbesondere Kreiselpumpe. Weiterhin vorteilhaft ist die Verfahrensausführung bei Umwälzpumpen, insbesondere Heizungsumwälzpumpen. Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich im Wesentlichen auf Kreiselpumpen, sie gelten jedoch ohne Einschränkung auch für jede Maschine, die sich durch wenigstens einen umrichterbetriebenen elektrischen Antrieb auszeichnet.
Wird das Verfahren zur Steuerung einer Kreiselpumpe eingesetzt, kann der Faktor k vorzugsweise in Abhängigkeit wenigstens einer der maßgeblichen Pumpenprozessgrößen Pumpenmotorfrequenz, Pumpenleistung, Fördermenge, Förderhöhe, Mediumtemperatur oder Energieeintrag dynamisch bestimmt werden. Die Prozessgröße Energieeintrag entspricht dem von der Pumpe geförderten Wärmestrom und ergibt sich aus dem Produkt aus Fördermenge und Temperaturänderung des Fördermediums.
Vorteilhaft ist es, wenn der verwendete Faktor k in einem Bereich von 0 bis 3, vorzugsweise 0 bis 2 dynamisch festgelegt wird. Denkbar ist auch ein größerer Bereich, bspw. von 0 bis 10 oder 0 bis 50. Der Faktor k kann bspw. kontinuierliche Werte im definierten Wertebereich annehmen. Möglich sind jedoch auch diskrete Werte, bspw. zwei, drei oder mehrere Abstufungen in Abhängigkeit wenigstens einer Prozessgröße. Vorteilhafterwiese kann die obere Grenze (2, 3, 10, 50) um einen gewissen Toleranzbereich, bspw. um +/-10% variiert werden, um so einen zweckmäßigen Bereich für den höchsten Wert k zu erhalten (also bspw. 1,8 bis 2,2 bzw. 2,7 bis 3,3 bzw. 9 bis 11 bzw. 45 bis 55). Konkret könnte der Faktor k bei geringen Werten der Prozessgröße den höchsten (bspw. 2, 3, 10, 50) oder niedrigsten Wert (0) annehmen, so dass es zur maximal möglichen Korrektur oder zu keiner Korrektur der Soll-Frequenz kommt. Bei mittleren Werten nimmt der Wert k bspw. den Wert 1 an, so dass die Soll-Frequenz um den berechneten Frequenzkorrekturwert geändert wird. Bei hohen Werten der Prozessgröße kann der Faktor k ebenfalls den höchsten (bspw. 2, 3, 10 oder 50) bzw. den niedrigsten Wert einnehmen (0).
Generell ist es auch vorstellbar, den Faktor k durch eine mathematische Funktion zu definieren, die von der wenigstens einen Prozessgröße abhängt. Denkbar ist bspw. eine Linearfunktion, Quadratfunktion bzw. Parabelfunktion, Wurzelfunktion, Exponentialfunktion, wobei diese Aufzählung nicht abschließend ist.
Besonders zweckmäßig ist es bei einer Kreiselpumpe, bevorzugt Umwälzpumpe und insbesondere einer Heizungsumwälzpumpe, wenn der Faktor k in Abhängigkeit des aktuellen Förderstroms der Pumpe definiert wird. Hierbei erweist es sich als ideal, wenn der Faktor k mit zunehmendem Förderstrom der Pumpe reduziert wird.
Üblicherweise ist der Abstand zwischen der eingestellten Regelkurve einer Kreiselpumpe, bevorzugt Umwälzpumpe, insbesondere Heizungsumwälzpumpe, und der Anlagenkennlinie, insbesondere der minimalen Anlagenkennlinie der Heizungsanlage, vorwiegend bei kleinen Fördermengen verhältnismäßig groß, d.h. die Regelkurve liegt mit ausreichend Abstand oberhalb der minimalen Anlagenkennlinie. Die minimale Anlagenkennlinie zeichnet sich durch den geringsten Rohrleitungswiderstand aus, den die Heizungsanlage im Betrieb annehmen kann. Dies ist bspw. bei vollständig geöffneten Heizungsventilen der Fall. In einem solchen Fall ist gerade bei geringer Fördermenge eine Drehzahländerung der Pumpe hinnehmbar, denn aufgrund des ausreichenden Kurvenabstandes ist eine Unterversorgung im Heizungssystem eher unwahrscheinlich. Demgegenüber ist die Gefahr, dass es durch gewisse Drehzahlvariation zu einer Unterversorgung kommt, bei großen Fördermengen ungleich höher, denn aufgrund des deutlich geringeren Kurvenabstandes kann die Regelkurve bei entsprechender Drehzahlabsenkung unter die minimale Anlagenkennlinie fallen. Vor diesem Hintergrund erweist es sich als ideal, wenn bei einem Heizungsumwälzprozess bei kleinen Fördermengen ein Korrekturfaktor k von >1 gewählt wird, während mit zunehmender Fördermenge der Faktor auf den Wert 1 reduziert wird.
Darüber hinaus ist es vorstellbar, dass die Steuerung der Maschine bzw. der Pumpe erkennt, wenn sie sich an ihrem Leistungslimit befindet. In solch einem Fall empfiehlt es sich, wenn die Maschine bzw. die Pumpe die Netzstabilisierung vollständig deaktiviert, insbesondere indem der Faktor k auf Null gesetzt wird, um die Gefahr eines Leistungsverlustes auszuschließen.
Ergänzend zur Fördermenge könnte in diesem Fall auch die gefahrene Regelstrategie der Kreiselpumpe, bevorzugt Umwälzpumpe, insbesondere Heizungsumwälzpumpe bei der Festlegung des Faktors k Berücksichtigung finden, denn je nach Regelkurve variiert der Abstand zur Anlagenkennlinie. Hierbei zeigt eine Konstantdruckregelung den großten Abstand, während der Abstand mittels Proportionaldruckreglung oder gar Energiesparregelung weiter reduziert wird.
Die momentane Netzfrequenz kann die Steuerung der Maschine bspw. aus einem spezifischen Messparameter abschätzen, den die Maschine am Netzeingang abgreift. Denkbar ist hier bspw. eine Ableitung der momentanen Netzfrequenz aus der gemessenen Eingangsspannung am Eingang des elektrischen Antriebs der Maschine.
Die Modifikation bzw. Anpassung der Soll-Antriebsfrequenz kann idealerweise durch Addition des Frequenzkorrekturwertes zur durch die interne Regelung bestimmten Soll-Antriebsfrequenz erfolgen.
Ferner ist es besonders vorteilhaft, keine Begrenzung der angepassten Soll-Antriebsfrequenz nach oben und/oder unten vorzusehen. Es wird demnach kein oberer und/oder unterer Grenzwert für die modifizierte Soll-Antriebsfrequenz vorgesehen, so dass diese theoretisch bei entsprechender Abweichung der momentanen Netzfrequenz nach unten und/oder oben offen ist. Da in der Praxis üblicherweise nur von geringen Abweichungen der tatsächlichen Netzfrequenz von der Normfrequenz auszugehen ist, kann durch das Weglassen von derartigen Begrenzungen das Verfahren deutlich vereinfacht werden. Das Verhältnis zwischen Netzstabilisierungsfunktion und Maschinenfunktion wird stattdessen einzig über den Faktor k beeinflusst.
Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung zudem eine Maschine mit elektrischem umrichterbetriebenen Antrieb und einer Steuerung zur Ausführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung. Bevorzugt handelt es sich bei der Maschine um eine Kreiselpumpe, besonders bevorzugt um eine Umwälzpumpe, insbesondere um eine Heizungsumwälzpumpe. Selbstredend umfasst die Maschine daher wenigstens einen Elektroantrieb, insbesondere einen Asynchronmotor, permanent erregten Synchronmotor oder einen Synchronreluktanzmotor, dessen Drehzahl mittels Frequenzumrichter variabel, insbesondere durch interne Drehzahlregelung einstellbar ist. Die Vorteile und Eigenschaften der erfindungsgemäßen Maschine entsprechen offensichtlich denen des erfindungsgemäßen Verfahrens, weshalb an dieser Stelle auf eine wiederholende Beschreibung verzichtet wird.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Konkret wird - ohne dass die Erfindung hierauf eingeschränkt wäre - ein Ausführungsbeispiel für eine Heizungsumwälzpumpe vorgeschlagen, deren interner elektrischer Pumpenantrieb durch die reguläre Netzwechselspannung mit der notwendigen Energie versorgt wird. Üblicherweise wird bei derartigen Pumpen die Wechselspannung eines Versorgungsnetzes angelegt, die mit einer Normfrequenz von 50 Hz bzw. 60 Hz arbeiten.
Mittels ihrer internen Steuerungselektronik ermittelt die Umwälzpumpe einen Schätzwert der momentanen Netzfrequenz. Dazu wird allein ein gemessenes Spannungssignal der elektrischen Eingangsseite des Antriebs verwendet. Auf Basis dieses Schätzwertes, nachfolgend als f_schätz bezeichnet, wird dann die Frequenzabweichung δ_f wie folgt berechnet $δ_{f} = f_{s c h ä t z} - f_{N},$
wobei f_N hier die Normfrequenz des Versorgungsnetzes darstellt. Die berechnete Abweichung δ_f wird dann herangezogen, um den notwendigen Korrekturwert f_korr für die Soll-Antriebsfrequenz f_soll der internen Drehzahlregelung der Heizungsumwälzpumpe zu generieren. Die Korrekturfrequenz f_korr wird dabei über einen Faktor k aus der Frequenzabweichung δ_f bestimmt. Die nachfolgende Formel definiert die Rechnungsvorschrift für diesen Korrekturfrequenzwert: $f_{k o r r} = k * δ_{f} .$
Dieser Korrekturfrequenzwert f_korr wird dann zur aktuell angeforderten Soll-Antriebsfrequenz f_soll hinzu addiert. Der Elektroantrieb der Umwälzpumpe wird dann mit dieser neuen Frequenz f_Antrieb bzw. der korrespondierenden Drehzahl betrieben. $f_{A n t r i e b} = f_{s o l l} + f_{k o r r} .$
Dabei wird auf eine Begrenzung des Terms f_korr bewusst verzichtet. Dieser Wert kann also theoretisch beliebig groß werden. In der Praxis wird dieser Wert jedoch erwartungsgemäß klein bleiben, da die Netzfrequenz immer nur wenig von der Netzfrequenz f_N abweichen wird.
Die Erfindung sieht ferner eine dynamische Anpassung des Korrekturfaktor k vor, und zwar in der Art, dass sich die angestrebte Netzstabilisierung möglichst wenig auf den Pumpenprozess selbst auswirkt. Dazu wird der Korrekturfaktor k zahlenmäßig im Bereich von 0 bis 2 (oder auch noch größer) in Abhängigkeit wenigstens einer Prozessgröße der Umwälzpumpe variiert.
Hierbei sind als mögliche Prozessgrößen die folgenden hervorzuheben:

- Pumpmotorfrequenz,
- Pumpenleistung,
- Pumpfördermenge,
- Pumpförderhöhe,
- Pumpmedientemperatur,
- Pumpenergieeintrag bzw. der von der Pumpe geförderte Wärmestrom (Q*δT).

Der Einfluss dieser Prozessgrößen auf den Faktor k wird exemplarisch anhand der Fördermenge Q mithilfe des Diagramms der einzigen Figur veranschaulicht. Die Figur zeigt den Betriebsbereich 1 einer Heizungsumwälzpumpe sowie deren Anlagenkennlinie 2 bei vollständig geöffneten Thermostatventilen. Eine solche Anlagenkennlinie 2 wird auch als minimale Anlagenkennlinie bezeichnet.
Weiterhin eingezeichnet sind unterschiedliche Regelkurven für den Betrieb der Heizungsumwälzpumpe, d.h. die Drehzahl der Umwälzpumpe wird in Abhängigkeit unterschiedlicher Regelalgorithmen eingestellt. Hierbei steht die erste Regelkurve 3 für eine Konstantdruckregelung und die Regelkurve 4 für eine Proportionaldruckregelung. Die Regelkurve 5 steht für eine Pumpenregelung „eco-mode“, bei der eine weitere bedarfsabhängige Drehzahlabsenkung zur Energieeinsparung vorgenommen wird.
Bei allen drei Betriebsarten gemäß den Regelkurven 3, 4, 5 ist jedoch der Abstand zwischen jeder der Regelkurven 3, 4, 5 und der minimalen Anlagenkennlinie 2 bei kleinen Förderströmen am größten und reduziert sich jeweils mit steigendem Förderstrom. Die Wahrscheinlichkeit einer Unterversorgung (wenn der Betriebspunkt der Pumpe unter die minimale Anlagenkennlinie 2 fällt) ist folglich bei niedrigem Förderstrom geringer als bei hohem Förderstrom. Demzufolge ist es bei einem Heizungsumwälzprozess sinnvoll, bei kleinen Fördermengen einen Korrekturfaktor k>1 zu wählen, während bei großen Fördermengen der Faktor k auf den Wert 1 reduziert wird.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die damit einhergehende digitalisierte Funktion im Antrieb, insbesondere Pumpenantrieb, kann gezielt eine Netzstabilisierung bewirkt werden, wobei der Umfang der Netzstabilisierungsfunktion an den Kundenprozess des Verbrauchers dynamisch angepasst wird.

Claims

Verfahren zur Steuerung einer Maschine mit wenigstens einem umrichterbetriebenen elektrischen Antrieb, wobei durch die Maschine die momentane Netzfrequenz der Netzversorgung der Maschine ermittelt und eine Abweichung der ermittelten Netzfrequenz gegenüber einer Normfrequenz der Netzversorgung bestimmt wird, und wobei ein Frequenzkorrekturwert für die Anpassung der Soll-Antriebsfrequenz, mit der der Elektromotor der Maschine betrieben wird, durch Gewichtung der Abweichung mit einem Faktor k ermittelt wird, wobei der Faktor k in Abhängigkeit wenigstens einer Prozessgröße der Antriebslast und/oder des betriebenen Antriebsprozesses dynamisch festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch kennzeichnet, dass die Maschine eine Kreiselpumpe, bevorzugt Umwälzpumpe, idealerweise eine Heizungsumwälzpumpe ist, und der Faktor k in Abhängigkeit wenigstens einer der Pumpenprozessgrößen Motorfrequenz, Pumpenleistung, Fördermenge, Förderhöhe, Mediumtemperatur oder Energieeintrag dynamisch festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Faktor k in einem Bereich von 0 bis 50, bevorzugt 0 bis 10, besonders bevorzugt 0- 3, insbesondere 0 bis 2 oder gar 0 bis 1 festgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Faktor k mit zunehmendem Förderstrom der Pumpe reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Faktor k bei kleinen Fördermengen einen Wert >1 annimmt und bei großen Fördermengen auf einen Wert gegen 1 oder gegen Null reduziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die momentane Netzfrequenz der Netzversorgung aus einem Messparameter geschätzt wird, insbesondere anhand eines gemessenen Spannungssignals am Eingang des elektrischen Antriebs.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Antriebsfrequenz durch Addition des Frequenzkorrekturwertes angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass keine Wertbegrenzung der angepassten Soll-Antriebsfrequenz nach oben und/oder unten vorgesehen ist.
Maschine, bevorzugt Kreiselpumpe, besonders bevorzugt Umwälzpumpe, insbesondere Heizungsumwälzpumpe, mit einer Steuerung zur Ausführung des Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.