DE102019003087A1

DE102019003087A1 - Feststoffpumpe in Kreiselpumpenbauweise zum Transport von Fördermedien mit stark abrasiven Feststoffteilen

Info

Publication number: DE102019003087A1
Application number: DE102019003087.7A
Authority: DE
Inventors: Martin Eckl; Joachim Schullerer
Original assignee: KSB SE and Co KGaA
Current assignee: KSB SE and Co KGaA
Priority date: 2019-05-02
Filing date: 2019-05-02
Publication date: 2020-11-05
Also published as: WO2020221620A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Feststoffpumpe in Kreiselpumpenbauweise zum Transport von Fördermedien mit stark abrasiven Feststoffteilen umfassend einen Pumpenmotor, einen Frequenzumrichter sowie eine Motorsteuerung, wobei die Motorwelle starr mit dem Pumpenlaufrad verbunden ist, und wobei die Motorsteuerung derart ausgelegt ist, dass diese im Falle eines auf das Laufrad auftreffenden Feststoffelementes die Pumpendrehzahl reduziert, um einen durch das Herausschleudern des Feststoffelementes aus dem Pumpenrad ausgelösten und auf den Pumpenmotor bzw. wenigstens ein Lager wirkenden Kraftstoß gezielt zu dämpfen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Feststoffpumpe in Kreiselpumpenbauweise zum Transport von Fördermedien mit stark abrasiven Feststoffteilen umfassend einen Pumpenmotor, einen Frequenzumrichter sowie eine Motorsteuerung, wobei die Motorwelle starr mit dem Pumpenlaufrad verbunden ist.
Eine Feststoffpumpe ist eine Kreiselpumpe zum Transport von Fördermedien mit stark abrasiven Feststoffteilen (z. B. Aufschwemmungen von Schlacke, Kohle oder Erz im Bergbau). Vereinzelt können auch Steine oder andere starre Elemente in dem Fördermedium enthalten sein, nachfolgend der Einfachheit halber allgemein als starre Feststoffelemente bezeichnet. Die Steine bzw. starren Elemente führen jedoch dazu, dass die Pumpen im Prozess hohen Kraftstößen ausgesetzt sein können. Dies soll im Einzelnen anhand der Darstellungen der 1 bis 3 erläutert werden.
1a zeigt eine schematische Teildarstellung einer Feststoffpumpe. Zu sehen ist die vom Pumpenantrieb ausgehende Welle 1, die starr mit dem Pumpenlaufrad 2 verbunden ist. In 1a dargestellt ist ein starres Feststoffelement in Form eines Steins 3, der mit seinem vollen Umfang auf das Laufrad 2 trifft. Nachfolgend wird dieses Ereignis in der Beschreibung als Szenario 1 bezeichnet. Durch den auftreffenden Stein 3 wird eine gegen die Rotationsrichtung des Laufrades 2 gerichtete Kraft F_rot erzeugt, die das Laufrad 2 abbremst. Verdeutlicht ist dieser Effekt in den Zeitdiagrammen der 3, die den zeitlichen Verlauf des Betrags der Kraft F_rot (3a), des vom Pumpenantrieb aufgenommenen Motorstroms (3b) sowie der Pumpendrehzahl (3c) wiedergegeben. Im Zeitabschnitt I bis zum Zeitpunkt t₁ liegt ein ereignisloser Pumpenbetrieb (keine oder nur unwesentliche starre Feststoffelemente gelangen in das Laufrad) vor, es liegt somit eine nahezu konstante Last bzw. Kraft F_rot in Rotationsrichtung am Laufrad 2 an. Zum Zeitpunkt t₁ wird der Stein 3 mit vollem Umfang durch das Laufrad 2 getroffen, wodurch die entgegen der Rotationsrichtung auf das Laufrad 2 wirkende Kraft F_rot zunimmt (s. 3a).
Das durch die Kraftzunahme bedingte Abbremsen des Laufrades 2 korrigiert der Pumpenmotor durch Bereitstellen eines höheren Drehmomentes. Dies ist erkennbar anhand einer höheren Leistungsaufnahme und den Anstieg des aufgenommenen Motorstroms. Im Zeitpunkt t₂ wird der Stein 3 aus dem Laufrad 2 herausgeschleudert. Die dadurch bedingte abrupte Laständerung führt zu einem sehr starken Kraftimpuls in Rotationsrichtung, was im Abschnitt III der 3a erkennbar ist. Dieser starke Anstieg der Kraft F_rot führt zu einer erheblichen Belastung der Pumpenstruktur, insbesondere des Motors bzw. des Motorlagers.
Ähnlich verhält sich dies für den Fall, dass der Stein 3 nur teilweise durch das Laufrad 2 getroffen wird, was in 2 gezeigt ist und nachfolgend in der Beschreibung als Szenario 2 bezeichnet wird. In diesem Fall wird durch den Stein 3 zwar auch eine Kraft F_rot gegen die Rotationsrichtung des Laufrades 2 erzeugt, hinzu jedoch noch eine Kraft F_N in Normalenrichtung, d.h. Lagerrichtung (siehe 2b). Auch bei diesem Szenario 2 wird das Laufrad 2 zunächst abgebremst. Gleichzeitig verbiegt sich das Laufrad 2 jedoch aufgrund der Normalkraft F_N, sodass diese Kräfte F_N vom Lager ergänzend aufgenommen werden müssen. Sobald der Stein 3 aus dem Laufrad 2 herausgeschleudert wird, entsteht auch hier ein zum Szenario 1 vergleichbarer Kraftimpuls F_rot, der die Lager beschädigen kann.
In der Vergangenheit wurden Feststoffpumpen daher mit einem Riemenantrieb versehen, bei dem das Motordrehmoment über einen Riemen auf das Pumpenlaufrad übertragen wird. Durch die materiellen Eigenschaften des Riemens konnte der Pumpenmotor somit mechanisch vor den zuvor erwähnten Kraftstößen geschützt werden. Der große Nachteil einer solchen Lösung besteht jedoch in den konstruktionsbedingt hohen Energieverlusten, die bei einer Drehmomentübertragung mittels Riemen in Kauf genommen werden müssen.
Vor diesem Hintergrund setzt sich die vorliegende Anmeldung zum Ziel, eine alternative Vorgehensweise zur Dämpfung der vorgenannten Kraftstöße aufzufinden, die gleichzeitig eine bessere Kraftübertragung zwischen Motor und Laufrad ermöglicht.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Feststoffpumpe gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Feststoffpumpe sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Zudem betrifft die Erfindung ebenfalls ein Verfahren für den Entwurf einer solchen Feststoffpumpe.
Gemäß Anspruch 1 wird also eine Feststoffpumpe vorgeschlagen, die einen elektrischen Pumpenmotor umfasst. Ferner ist ein Frequenzumrichter zur Drehzahlanpassung vorgesehen. Der Frequenzumrichter kann integraler Bestandteil der Pumpe sein, d.h. in das Pumpengehäuse integriert oder an diesem angebaut sein. Alternativ kann der Frequenzumrichter auch extern zum Pumpengehäuse installiert sein. Gleiches gilt für die Motorsteuerung der Pumpe, die entweder direkt an der Pumpe verbaut oder aber ebenfalls, insbesondere zusammen mit dem Frequenzumrichter als separates Bauteil installiert sein kann. Für die Erfindung ist lediglich maßgeblich, dass ein Frequenzumrichter nebst Motorsteuerung existiert, die konkrete Einbaulage spielt keine Rolle.
Die mechanische Kopplung zwischen Motorwelle und Pumpenlaufrad ist starr ausgeführt, um eine optimale und möglichst verlustfreie Drehmomentübertragung sicherzustellen. Ferner wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Motorsteuerung derart auszuführen, dass diese im Fall eines auf das Pumpenlaufrad auftreffenden Feststoffelementes, insbesondere starren Feststoffelementes die Pumpendrehzahl reduziert, um einen durch das Herausschleudern des Feststoffelementes aus dem Pumpenrad ausgelösten und auf den Pumpenmotor bzw. Lager wirkenden Kraftstoß gezielt zu dämpfen. Als starres Feststoffelement wird ein Element bezeichnet, das sich bei Krafteinwirkung nur minimal verformt, wie bspw. ein Stein.
Bei einem solchen Kraftstoß kann es sich beispielsweise um einen in Drehzahlrichtung bzw. gegen die Drehzahlrichtung wirkenden Kraftstoß handeln. Ebenso kann die Motorsteuerung auch derart ausgeführt sein, dass sie in Normalenrichtung auftretende Kraftstöße dämpft. Mit der vorliegenden erfindungsgemäßen Lösung kann daher auf eine mechanische Dämpfungslösung, bspw. in Form des Riemenantriebs verzichtet werden. Stattdessen wird hier auf einen steuerungs- bzw. regelungstechnischen Ansatz gesetzt, durch den die Wirkung eines solchen Riemens praktisch simuliert werden kann.
Konkret muss die Motorsteuerung anhand messbarer bzw. schätzbarer Pumpenbetriebsparameter einen auf das Laufrad auftreffendes starres Feststoffelement rechtzeitig erkennen und zur Dämpfung eines möglicherweise beim Herausschleudern des starren Feststoffelementes ausgelösten Kraftimpulses eine Drehzahlreduktion vornehmen. Dadurch lässt sich die Belastung des Motors bzw. des Lagers ausreichend reduzieren.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet hierbei zwei konkrete Ausführungsvarianten, die unabhängig voneinander oder aber auch in Kombination miteinander in der Pumpensteuerung umgesetzt sein können.
Gemäß einer ersten Variante kann vorgesehen sein, dass die Motorsteuerung eine zusätzliche Erkennungseinheit mit einer Vorsteuerung der Pumpendrehzahl aufweist. Die Erkennungseinheit überwacht die Leistungsaufnahme des Motors während des Pumpenbetriebs, insbesondere während eines Betriebs ohne Änderung der Solldrehzahl und wertet diese aus. Ferner ist die Erkennungseinheit der Pumpensteuerung derart ausgeführt, dass diese einen definierten Anstieg der Leistungsaufnahme des Motors ohne gleichzeitige Änderung der gewünschten Solldrehzahl erkennt und als ein Auftreffen eines starren Feststoffelementes auf das Laufrad interpretiert.
In Reaktion auf das eingebrachte starre Feststoffelement senkt die Pumpensteuerung die Solldrehzahl zeitweise aktiv ab, um den nachfolgenden, wie oben erläuterten Kraftimpuls bewusst zu dämpfen. Durch eine solche Implementierung können sowohl Kraftstöße in Rotationsrichtung als auch in Normalenrichtung gedämpft werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung kann die Erkennungseinheit die Leistungszunahme anhand des aufgenommenen Motorstroms erfassen. Denkbar ist es auch, dass das Auftreffen eines starren Feststoffelementes anhand anderer Pumpenparameter erkannt wird, beispielsweise anhand des Pumpenausgangsdruckes, über der Pumpe abfallenden Differenzdruck etc. Ferner müssen die überwachten Pumpenparameter nicht zwangsläufig sensorisch gemessen werden, sondern können stattdessen auch mathematisch berechnet bzw. geschätzt werden.
Alternativ oder ergänzend zur Implementierung einer Erkennungseinheit mit Vorsteuerung der Drehzahl kann auch vorgesehen sein, eine optimierte Dämpfung der auftretenden Kraftstöße ein geeignetes Regelmodell höherer Ordnung für die Motorsteuerung einzusetzen. Ein solches Regelmodell bzw. Regelalgorithmus kann softwaremäßig und/oder hardwaremäßig umgesetzt sein. Das implementierte Regelmodell ist speziell auf die Dämpfung eines durch ein starres Feststoffelement ausgelösten Kraftstoßes auf die Pumpenstruktur ausgelegt.
Die Erfindung betrifft ebenso ein entsprechendes Verfahren zur Steuerung/Regelung einer Feststoffpumpe in Kreiselpumpenbauweise für den Transport von Fördermedien mit stark abrasiven Feststoffteilen, die ein Pumpenlaufrad umfassen, das starr mit der Ausgangswelle des Pumpenantriebs verbunden ist. Erfindungsgemäß sieht das Verfahren vor im Falle eines auf das Pumpenlaufrad auftreffenden Feststoffelementes die Pumpendrehzahl gezielt zu reduzieren, um einen durch das Herausschleudern des Feststoffelementes aus dem Pumpenrad ausgelösten und auf den Pumpenmotor bzw. wenigstens ein Lager wirkenden Kraftstoß gezielt zu dämpfen. Die Änderung der Drehzahl erfolgt mittels eines mit dem Pumpenantrieb verbundenen Frequenzumrichters.
Die Vorteile und Eigenschaften des Verfahrens entsprechen denen der erfindungsgemäßen Feststoffpumpe und deren vorteilhaften Ausgestaltungen, weshalb an dieser Stelle auf eine erneute Wiederholung verzichtet und stattdessen auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen wird. Insbesondere überwacht das Verfahren die Leistungsaufnahme des Pumpenmotors während einer Phase konstanter Solldrehzahl. Durch einen definierten Anstieg der Leistungsaufnahme wird vorzugsweise das Auftreffen eines Feststoffelementes auf das Pumpenlaufrad erkannt und die Solldrehzahl der Motorsteuerung kurzzeitig reduziert. Bevorzugt wird zur Überwachung der Leistungsaufnahme der aufgenommene Motorstrom überwacht. Alternativ kann die Drehzahlregelung auch durch ein implementiertes Regelmodell höherer Ordnung erfolgen, das speziell auf die Dämpfung eines durch ein Feststoffelement ausgelösten Kraftstoßes auf die Pumpenstruktur ausgelegt ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung beschäftigt sich mit einem Verfahren für den Reglerentwurf für die erfindungsgemäße Feststoffpumpe. Für den Entwurf eines solchen Regelmodells höherer Ordnung ist erfindungsgemäß vorgesehen, vorab ein möglichst exaktes Systemmodell der Feststoffpumpe zu erstellen. Ein solches Systemmodell beschreibt die Korrelation ein oder mehrerer erfassbarer Betriebsparameter, die der Pumpensteuerung zur Verfügung stehen, für den Fall dass ein Kraftimpuls durch Herausschleudern eines Feststoffelementes, insbesondere eines nahezu starren Feststoffelementes wie einem Stein, aus dem Laufrad ausgelöst wird.
Im nachfolgenden Schritt wird der Regler höherer Ordnung für die Feststoffpumpe nach Polvorgabe entworfen. Das Verhalten der Feststoffpumpe bzw. das erstellte Systemmodell wird im Pol-Nullstellen-Diagramm analysiert. Hierbei können für jede Polstelle bzw. für jedes konjugiert komplexe Polstellenpaar die zugehörige Eigenkreisfrequenz ω₀ und das zugehörige Lehr'sche Dämpfungsmaß D abgelesen werden. Die Eigenkreisfrequenz ist hierbei der Abstand zwischen dem Ursprung der komplexen Zahlenebene und der Polstelle. Der Realteil einer Polstelle entspricht dem Produkt aus Dämpfung und Eigenkreisfrequenz.
Mit einem Reglerentwurf durch Polvorgabe lassen sich alle Polstellen des resultierenden Reglerverhaltens beliebig verschieben. Mit Hilfe der zuvor beschriebenen Zuordnung von auftretenden Eigenfrequenzen und einer Wahrscheinlichkeit eines folgenden Kraftimpulses und mit dem Wissen, wie man aus einer vorhandenen Polstelle die zugehörige Eigenfrequenz bestimmen kann, lassen sich jetzt direkt die Polstellen finden, die für auftretende Kraftimpulse relevant sind. Die identifizierten relevanten Polstellen des Reglers werden derart verschoben, dass diese ein möglichst hohes Lehr'sches Dämpfungsmaß aufweisen. Hierdurch werden Schwingungen bei auftretenden Kraftstößen deutlich stärker gedämpft, sodass es zu einer verringerten Beanspruchung der Pumpenstruktur bzw. des Lagers kommt. Im Ergebnis reduziert der resultierende Regler die Pumpendrehzahl, falls durch ein Feststoffelement ein Gegenmoment entgegen der Rotationsrichtung auf das Laufrad aufgebracht wird.
Von Vorteil ist es, wenn bei dem Reglerentwurf nicht nur das Lehr'sche Dämpfungsmaß der Polstellen betrachtet, sondern zudem auch die Eigenfrequenz der relevanten Polstellen untersucht wird. Dabei ist es bevorzugt, dass die Eigenfrequenzen der relevanten Polstellen des Reglers nun derart beeinflusst werden, sodass keine der relevanten Polstellen identische Eigenfrequenzen aufweist oder ein ganzzahliges Vielfaches zueinander bildet.
Die Erstellung des angesprochenen Systemmodells kann beispielsweise durch eine analytische Betrachtungsweise erfolgen. Alternativ dazu ist es jedoch möglich, ein solches Systemmodell durch eine Testreihe praktisch zu ermitteln. Bei einer solchen Testreihe werden der Feststoffpumpe gezielt nacheinander ein oder mehrere Feststoffelemente, insbesondere Steine, zugeführt, und zwar so, dass diese das Laufrad definiert treffen. Trifft das nahezu starre Feststoffelement auf das Laufrad auf, werden ein oder mehrere Betriebsparameter der Pumpe aufgezeichnet, um deren Korrelation zu untersuchen. Als Betriebsparameter der Pumpe wird beispielsweise der aufgenommene Motorstrom oder auch der Ausgangsdruck der Pumpe betrachtet. Anhand etwaiger Beschleunigungssignale, vorzugweise gemessen an einem der rotierenden Pumpenteile (oder alternativ indirekt aus Strom- oder Drucksignal berechnet), kann nunmehr der resultierende Kraftimpuls ermittelt werden. Durch das Auffinden einer Korrelation dieser betrachteten Signale zueinander kann nun das angesprochene Systemmodell entwickelt werden. Ferner ist es bevorzugt, im Laufe der Testreihe die Pumpe mit unterschiedlichen Drehzahlen zu betreiben.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen nachfolgend anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutern. Es zeigen:

1a, 1b: schematische Darstellungen der Feststoffpumpe beim Auftreffen eines starren Feststoffelementes gemäß Szenario 1,
2a, 2b: weitere schematische Darstellungen der Feststoffpumpe beim Auftreffen eines starren Feststoffelementes gemäß Szenario 2,
3a - 3c: Diagrammdarstellung des zeitlichen Verlaufs gewisser Pumpenparameter für eine konventionelle Feststoffpumpe beim Auftreffen eines Stein gemäß Szenario 1,
4a - 4c: Diagrammdarstellungen des zeitlichen Verlaufs gewisser Pumpenbetriebsparameter beim Auftreffen eines Steins gemäß Szenario 1 für eine erfindungsgemäße Feststoffpumpe mit implementiertem Regelungsmodell höherer Ordnung,
5a - 5c: Diagrammdarstellungen des zeitlichen Verlaufs betrachteter Pumpenbetriebsparameter beim Auftreffen eines Steins gemäß Szenario 2 für eine Feststoffpumpe mit implementierter Erkennungseinheit und Vorsteuerung und
6: Darstellungen eines Pol-Nullstellendiagramms sowie einer Sprungantwort eines Zustandraummodells höherer Ordnung für den Entwurf eines Regelmodells der Feststoffpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung.

Als Alternative zum Einsatz von Riemen wird erfindungsgemäß eine Feststoffpumpe in Kreiselpumpenbauweise ausgeführt, bei der der Pumpenmotor, d.h. die Motorabtriebswelle 1 starr mit dem Pumpenlaufrad 2 verbunden ist. Der Pumpenmotor ist zudem mit einem Frequenzumrichter ausgestattet. Um den Pumpenmotor auch ohne mechanischen Riemen vor den eingangs diskutierten Kraftstößen zu schützen, wird die Software in der Motorsteuerung um einen „virtuellen Riemen“ erweitert, mit dem es möglich wird, die Dämpfung zu erhöhen und dadurch die Stoßkraft zu reduzieren.
Die Softwareimplementierung der Motorsteuerung erkennt dabei anhand von ein oder mehreren Pumpen- bzw. Motorparametern, insbesondere anhand der aufgenommenen Motorströme einen solchen Kraftstoß noch bevor dieser tatsächlich auftritt. Zur aktiven Dämpfung des unmittelbar bevorstehenden Kraftstoßes wird daher die Motordrehzahl aktiv reduziert, wodurch der auftretende Kraftstoß spürbar abgeschwächt wird. Die erfindungsgemäße Idee lässt sich durch zwei unterschiedliche Implementierungsansätze verwirklichen, die nachfolgend näher beschrieben werden. Da beide Implementierungsansätze unabhängig voneinander arbeiten, können diese auch wahlweise miteinander kombiniert und parallel während des Pumpenbetriebs ausgeführt werden.
Lösungsansatz 1
Gemäß dem ersten Lösungsansatz wird ein Regelungsalgorithmus zur Drehzahlregelung des Pumpenantriebs eingesetzt, der eine gezielte Erhöhung der Systemdämpfung bewirkt. Die zweite Lösung setzt auf eine Erkennung des Steins bevor ein Stoß auftritt und reduziert die Stoßkraft mittels Vorsteuerung.
Nachfolgend wird die Funktionsweise der ersten Lösung mittels Regelalgorithmus anhand des Szenarios 1 gemäß 1a, 1b beschrieben. Der Stein 3 wird vom Laufrad 2 voll erfasst und erzeugt eine Kraft F_rot gegen die Rotationsrichtung des Laufrads 2, wodurch das Laufrad 2 abgebremst wird (siehe 1b). Um den eingangs genannten schlagartigen Kraftimpuls, der beim Herausschleudern des Steins 3 auftritt (siehe 2b, Zeitabschnitt III) zu dämpfen, wird im Folgenden eine geeignete Drehzahlregelung der Pumpe mit Frequenzumrichter implementiert, die einen „virtuellen Riemen“ simuliert. Konkret soll die Dämpfung durch die Motorregelung erhöht werden.
Grundlage für die Regelung ist ein exaktes Systemmodell der Feststoffpumpe. Dieses kann analytisch hergeleitet werden. Alternativ kann der Motor zur Generierung des Systemmodells auch vorab mit Testsignalen beaufschlagt werden. (Beispielsweise kann ein Frequenzumrichter ein Sweap-Signal erzeugen oder das System wird extern mit einem Impulshammer angeregt). Die aus dem Testsignal resultierenden Schwingungen werden mit Beschleunigungs- oder berührungslosen Verlagerungssensoren erfasst. Auch eine vollständige Modalanalyse ist denkbar. Aus der Beziehung zwischen Testsignal und Beschleunigungsantwort lässt sich ein mathematisches Modell im Zustandsraum ableiten. Anhand des Zustandsraummodells kann ein Beobachter (bspw. Kalmanfilter oder Luenberger-Beobachter) entworfen und in der Steuerung des Umrichters hinterlegt werden. Damit wird die Steuerung in die Lage versetzt, während des Prozesses externe Stöße zu erkennen und die resultierenden Kraftverläufe und Schwingungen in dem System Motor-Welle-Laufrad-Lagerung zu berechnen. Dieses Wissen in der Steuerung ermöglicht den Entwurf eines Reglers höherer Ordnung (bspw. Polvorgabe, robuster Regler, etc.), der gezielt das dynamische Verhalten des Gesamtsystems beeinflusst und damit die Dämpfung des Gesamtsystems erhöht.
Nachfolgend soll der Entwurf eines Reglers höherer Ordnung mittels Polvorgabe detaillierter dargestellt werden. Die Vorgehensweise ist zweistufig. In der ersten Stufe muss zunächst, wie bereits oben angedeutet, das Systemmodell erarbeitet werden, mit dem die Steuerung einen zukünftigen Kraftimpuls ausgelöst durch einen Stein vorhersagen kann. Im nachfolgenden Schritt soll dieses Wissen aus dem Systemmodell in den Reglerentwurf einfließen.
Um die Korrelation der Signale, die der Steuerung der Pumpe zur Verfügung stehen (Strom, ggf. Druck, ggf. Beschleunigungssensorsignal, etc.) und einen zukünftigen Kraftimpuls F_rot, F_N zu beschreiben, werden Testreihen durchgeführt. Hierfür lässt man die Pumpe bei unterschiedlichen Drehzahlen laufen und führt gezielt einen Stein 3 oder andere Verunreinigungen ins Laufrad 2 ein. Diese Messungen werden wiederholt, indem der Stein 3 unterschiedlich mit Bezug zum Laufrad 2 positioniert wird. Manchmal soll er voll erfasst werden (wie in 1a, 1b gezeigt), sodass nur eine Kraft F_rot in Rotationsrichtung auftritt und manchmal wird er schräg bzw. nur teilweise erfasst (wie in 2a, 2b gezeigt), sodass neben der Kraft F_Rot in Rotationsrichtung auch eine Normalkraft F_N entsteht. Bei allen genannten Testreihen werden die oben genannten zur Verfügung stehenden Signale aufgezeichnet. Im Anschluss wird analysiert, welche Eigenfrequenzen wie stark bei welcher Testprozedur angeregt werden und welche Anregungen zu einem späteren Kraftimpuls F_rot, F_N geführt haben. Diese Zuordnung bildet das Systemmodell und dient als Grundlage für den Reglerentwurf.
Auf Grundlage der zuvor gewonnenen Informationen wird ein Zustandsraum-Modell höherer Ordnung der untersuchten Feststoffpumpe erstellt. Dieses Modell wird typischerweise im Pol-Nullstellen Diagramm dargestellt, wie dies exemplarisch in der linken Darstellung der 6 für ein Systems 5. Ordnung gezeigt ist. Das Pol-Nullstellen-Diagramm gibt Aufschluss über die Systemdynamik der Pumpe. Jede Polstelle auf der reellen Achse Re lässt sich durch ein PT1-System darstellen. Komplexe Pole treten grundsätzlich als konjugiert komplexes Polpaar auf und repräsentieren ein schwingungsfähiges PT2-System. Die Eigendynamik des Gesamtsystems entspricht dem Produkt aller Teilsysteme aus dem Pol-Nullstellen-Diagramm.
Liegt ein Pol in der linken Halbebene (links von der imaginären Achse Im), so handelt es sich um einen exponentiell stabilen Pol. Ein Pol in der rechten Halbebene oder im Ursprung ist instabil. Das Gesamtsystem ist exponentiell stabil, wenn alle Pole in der linken Halbebene liegen. Je weiter links ein Pol liegt, desto schneller klingt das zugehörige Teilsystem ab. Da das Gesamtsystem dem Produkt der einzelnen Teilsysteme entspricht, wird die Dynamik des Gesamtsystems durch die Dynamik des am weitesten rechts liegenden Pols bestimmt.
Anhand des Pol-Nullstellen-Diagramms können für jede Polstelle bzw. für jedes konjugiert komplexe Polstellenpaar die zugehörige Eigenkreisfrequenz ω₀ und das zugehörige Lehr'sche Dämpfungsmaß D abgelesen werden. Die Eigenkreisfrequenz ω₀ ist hierbei der Abstand zwischen dem Ursprung der komplexen Zahlenebene und der jeweiligen Polstelle. Der Realteil einer Polstelle entspricht dem Produkt aus Dämpfung D und Eigenkreisfrequenz ω₀.
Mit einem Reglerentwurf durch Polvorgabe lassen sich alle Polstellen beliebig verschieben. Mit Hilfe der zuvor beschriebenen Zuordnung von auftretenden Eigenfrequenzen ω₀ und einer Wahrscheinlichkeit eines folgenden Kraftimpulses F_rot, F_N und mit dem Wissen, wie man aus einer vorhandenen Polstelle die zugehörige Eigenfrequenz ω₀ bestimmen kann, lassen sich jetzt direkt die Polstellen finden, die für auftretende Kraftimpulse F_rot, F_N relevant sind.
Beim Reglerentwurf mittels Polvorgabe werden jetzt diejenigen Polstellen, die nicht relevant sind, nicht betrachtet. Die relevanten Pole werden hingegen derart verschoben, dass sie ein möglichst hohes Lehr'sche Dämpfungsmaß D aufweisen. Je größer der Einfluss einer Polstelle auf den Kraftimpuls F_rot, F_N ist, desto höher sollte seine Dämpfung D sein.
Des Weiteren sind die Eigenfrequenzen ω₀ oder relevanten Polstellen so zu beeinflussen, dass möglichst niemals zwei Polstellen dieselben Eigenfrequenzen ω₀ aufweisen und es auch keine ganzzahligen Vielfachen gibt, da sie sich dann im ungünstigen Fall gegenseitig verstärken können. Beim Festlegen der Polstellen ist zu beachten, dass die vorgegebenen Pole auch erreichbar sind. Das begrenzende Element ist die Menge an Stellenergie (Leistung), die der Motor pro Zeiteinheit zur Verfügung stellen kann.
Der resultierende Dämpfungseffekt des erfindungsgemäßen Reglers höherer Ordnung beim Betrieb der Feststoffpumpe soll nachfolgend anhand der Diagramme der 4 aufgezeigt werden. Die unterbrochene Linie der 4 zeigt dabei den zeitlichen Verlauf der Kraft F_rot (4a), des Motorstroms (4b) sowie der Pumpendrehzahl ( 4c) für eine erfindungsgemäße Feststoffpumpe mit drehzahlgeregelten Pumpenantrieb und Frequenzumrichter, wobei der erfindungsgemäß implementierte Regler höherer Ordnung einen „virtuellen Riemen“ simuliert. Die durchgezogene Linie der 4 zeigt das Verhalten einer konventionellen ungeregelten Feststoffpumpe ohne Riemen, wie es bereits in der Einleitung anhand der 3 ausführlich erläutert wurde.
Deutlich wird hier in 4a, dass der Kraftimpuls F_rot aufgrund der erhöhten Dämpfung der eingesetzten Drehzahlregelung deutlich geringer ausfällt. Ausweislich der 4b fällt auch der Motorstrom im Bereich II etwas geringer aus, nachdem der Stein 3 auf das Laufrad 2 zum Zeitpunkt t₁ auftrifft. Auch die Drehzahl des Motors nimmt aufgrund des Regelalgorithmus deutlich ab, wodurch der Anstieg der Kraft F_rot im Abschnitt II verringert wird. Im Bereich III, wenn der Schlag durch das Herausschleudern des Steins 3 zum Zeitpunkt t₂ entsteht, geht der Motorstrom steil nach unten und generiert somit eine entgegengesetzte Kraft, die die Schlagkraft kompensiert bzw. sehr stark dämpft. Ab dem Zeitpunkt t₃ im Bereich IV steigt der Motorstrom leicht an, um die Drehzahl wieder auf die gewünschte Solldrehzahl zu beschleunigen.
Lösungsansatz 2
Wie vorstehend bereits erwähnt wurde, kann die erfindungsgemäße Idee jedoch auch durch einen zweiten Lösungsansatz realisiert sein, wonach die Pumpensteuerung eine Erkennungseinheit zur frühzeitigen Erkennung eines baldigen Kraftstoßes F_rot, F_N und entsprechender Vorsteuerung zur Reduktion der Stoßkraft aufweist.
Die Funktionsweise wird beispielhaft anhand des Szenarios gemäß 2 erläutert, wonach ein Stein 3 vom Laufrad 2 nur zum Teil erfasst wird, d.h. nur das halbe Laufrad 2 kommt mit dem Stein 3 in Berührung. Durch den Stein 3 wird eine Kraft F_rot gegen die Rotationsrichtung des Laufrades 2 sowie eine Normalkraft F_N in Lagerrichtung erzeugt.
5 zeigt den zeitlichen Verlauf der betragsmäßigen Normalkraft F_N (5a), des Motorstroms (5b) sowie der Motordrehzahl (5c) für eine erfindungsgemäße Feststoffpumpe mit implementierter Erkennungseinheit und passender Vorsteuerung. Zum Zeitpunkt t₁ trifft der Stein 3 auf das Laufrad 2, das hierdurch ebenfalls abgebremst wird. Gleichzeitig verbiegt sich das Laufrad 2 und generiert hohe Kräfte F_N, die von der Lagerung aufgenommen werden müssen. Sobald der Stein 3 im Zeitpunkt t₂ aus dem Laufrad 2 herausgeschleudert wird, entsteht neben dem Kraftimpuls F_rot auch ein Kraftimpuls F_N, der die Lager der Pumpe beschädigen kann.
Dieser Problematik wird mittels der implementierten Erkennungseinheit entgangen. Im Bereich II ist zu sehen, dass ab dem Zeitpunkt t₁ zunächst der Motorstrom ansteigt, da die Gegenkraft F_rot kompensiert werden muss. Die Software der Pumpensteuerung erkennt diesen Anstieg zum Zeitpunkt t_E und reduziert daraufhin aktiv die Pumpendrehzahl (siehe 5c). Als Folge dessen geht auch das Stromsignal runter und die am Lager anliegende Kraft F_N steigt langsamer an. Aufgrund der geringeren Drehzahl fällt auch der anschließende Kraftimpuls F_N, wenn der Stein 3 zum Zeitpunkt t₂ aus dem Laufrad 2 herausgeschleudert wird, erheblich kleiner aus und die Lager der Pumpe werden geschont.
Mit den hier vorgestellten Verfahren kann auf den energetisch ungünstigen Riemen verzichtet werden. Somit werden eine hohe Lagerlanglebigkeit und ein geringer Verschleiß gleichzeitig sichergestellt. Die beiden vorgestellten Lösungsansätze können problemlos miteinander kombiniert werden. Ferner sind beide Lösungsansätze sowohl für das Szenario 1 als auch das Szenario 2 vorteilhaft einsetzbar.

Claims

Feststoffpumpe in Kreiselpumpenbauweise zum Transport von Fördermedien mit stark abrasiven Feststoffteilen umfassend einen Pumpenmotor, einen Frequenzumrichter sowie eine Motorsteuerung, wobei die Motorwelle des Pumpenmotors starr mit dem Pumpenlaufrad verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuerung derart ausgelegt ist, dass diese im Falle eines auf das Pumpenlaufrad auftreffenden Feststoffelementes die Pumpendrehzahl mittels des Frequenzumrichters reduziert, um einen durch das Herausschleudern des Feststoffelementes aus dem Pumpenrad ausgelösten und auf den Pumpenmotor bzw. wenigstens ein Lager wirkenden Kraftstoß gezielt zu dämpfen.
Feststoffpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuerung eine Erkennungseinheit aufweist, die die Leistungsaufnahme des Pumpenmotors während einer Phase konstanter Solldrehzahl überwacht und bei einem definierten Anstieg der Leistungsaufnahme das Auftreffen eines Feststoffelementes auf das Pumpenlaufrad erkennt und die Solldrehzahl der Motorsteuerung kurzzeitig reduziert.
Feststoffpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennungseinheit zur Leistungsüberwachung den aufgenommenen Motorstrom überwacht.
Feststoffpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuerung auf einem Regelmodell höherer Ordnung basiert und das Regelmodell speziell auf die Dämpfung eines durch ein Feststoffelement ausgelösten Kraftstoß auf die Pumpenstruktur ausgelegt ist.
Verfahren zur Steuerung bzw. Regelung einer Feststoffpumpe in Kreiselpumpenbauweise für den Transport von Fördermedien mit stark abrasiven Feststoffteilen, deren Pumpenlaufrad starr mit der Motorwelle des Pumpenmotors verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Motorsteuerung im Falle eines auf das Pumpenlaufrad auftreffenden Feststoffelementes die Pumpendrehzahl reduziert, um einen durch das Herausschleudern des Feststoffelementes aus dem Pumpenrad ausgelösten und auf den Pumpenmotor bzw. wenigstens ein Lager wirkenden Kraftstoß gezielt zu dämpfen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuerung die Leistungsaufnahme des Pumpenmotors während einer Phase konstanter Solldrehzahl überwacht, bei einem definierten Anstieg der Leistungsaufnahme das Auftreffen eines Feststoffelementes auf das Pumpenlaufrad erkennt und die Solldrehzahl der Motorsteuerung kurzzeitig reduziert.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überwachung der Leistungsaufnahme der aufgenommene Motorstrom überwacht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Drehzahl auf einem Regelmodell höherer Ordnung basiert, das speziell auf die Dämpfung eines durch ein Feststoffelement ausgelösten Kraftstoß auf die Pumpenstruktur ausgelegt ist.
Verfahren zum Reglerentwurf für eine Feststoffpumpe gemäß Anspruch 4 bzw. für ein Verfahren gemäß Anspruch 8, mit den Verfahrensschritten a. Erstellung eines Systemmodells der Feststoffpumpe, das die Korrelation ein oder mehrere Betriebsparameter der Pumpe zueinander im Falle eines durch ein Feststoffelement beim Herausschleudern ausgelösten Kraftimpulses beschreibt, b. Entwurf des Reglers durch Polvorgabe, wobei relevante Polstellen des Systemmodells, deren Einfluss auf einen auftretenden Kraftimpuls hoch ist, derart verschoben werden, dass diese ein möglichst hohes Lehr'sches Dämpfungsmaß haben.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenfrequenzen der relevanten Polstellen derart beeinflusst werden, dass keine der relevanten Polstellen identische Eigenfrequenzen oder ein ganzzahliges Vielfaches zueinander bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Erstellung des Systemmodells durch eine Testreihe ermittelt wird, bei der die Pumpe mit unterschiedlichen Drehzahlen betrieben wird, wenigstens ein Feststoffelement, insbesondere ein Stein, gezielt ins Laufrad eingebracht und die ein oder mehreren Betriebsparameter der Pumpe aufgezeichnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Betriebsparameter der Pumpe der aufgenommene Motorstrom und/oder der Pumpendruck und/oder etwaige Beschleunigungssignale gemessen an einem rotierenden Pumpenteil aufgezeichnet werden.