DE102022106063A1

DE102022106063A1 - Verfahren zur Überwachung des Betriebs einer Pumpe, vorzugsweise einer Kreiselpumpe

Info

Publication number: DE102022106063A1
Application number: DE102022106063.2A
Authority: DE
Inventors: Lucas Maurer; Michael Schneider; Vincent Becker; Sven Urschel
Original assignee: KSB SE and Co KGaA
Current assignee: KSB SE and Co KGaA
Priority date: 2022-03-16
Filing date: 2022-03-16
Publication date: 2023-09-21
Also published as: WO2023175058A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Betriebs einer Pumpe, vorzugsweise einer Kreiselpumpe (1), mit einem mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen Antriebsmotor, mit den Verfahrensschritten:- Feststellen, ob die Pumpe in einem stabilen Betriebszustand arbeitet,- Bei Vorliegen eines stabilen Betriebszustands, Überwachung wenigstens einer charakteristischen Größe des Antriebsmotors, um festzustellen, ob eine Laufradblockade vorliegt,- bei Erkennung einer Laufradblockade aktivieren eines Freilaufs des Pumpenlaufrades,- andernfalls Auswertung des Frequenzspektrums des Motorstroms zur Erkennung einer Beeinträchtigung der Pumpe und Abschalten des Motors durch Abfahren einer abnehmenden Drehzahlrampe, falls eine Beeinträchtigung der Pumpe erkannt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Betriebs einer Pumpe, vorzugsweise einer Kreiselpumpe, mit einem mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen Antriebsmotor.
Abwasserpumpen, auch als Schmutzwasserpumpen bezeichnet, ermöglichen die Förderung von grob verschmutztem Wasser, welches oft feste Bestandteile unterschiedlicher organischer, anorganischer oder mineralischer Herkunft mitführt. Abwasserpumpen werden vorzugsweise einstufig gebaut und sind im Allgemeinen nicht selbstansaugend. Die Verwendung der Laufradformen ist abhängig von der Förderflüssigkeit. Als Laufrad werden oftmals Kanalräder eingesetzt, insbesondere in Form eines Ein-, Zwei- oder Dreikanalrades, jeweils geschlossen oder offen. Es gibt jedoch auch Bauarten mit offenem Einkanal- und Diagonalrad sowie Freistromrad.
Durch die im Fluid mitgeführten Feststoffe können Ablagerungen an der Laufradstruktur anhaften, die zu einer Beeinträchtigung der Pumpenfunktion und einer damit einhergehenden Beeinträchtigung des Pumpenwirkungsgrades führen. Im Worst-Case kommt es zu einer vollständigen Blockade des Laufrades, so dass eine weitere Drehbewegung nicht mehr möglich ist. Wird in einem solchen Fall der Antrieb nicht abgeschaltet, kann es zu einer mechanischen Beschädigung der Pumpenhydraulik oder einer Überlastung des elektrischen Antriebsmotors kommen. Vor diesem Hintergrund ist es wichtig, dass die oftmals über einen langen Zeitraum autark betriebenen Pumpen laufend überwacht werden und im Ernstfall automatisch deaktiviert werden.
Da jedoch die Notabschaltung einen erheblichen Eingriff in den Pumpenbetrieb bedeutet, ist es wünschenswert zwischen akuten und weniger akuten Fehlerfällen differenzieren zu können und jeweils geeignete, individuelle Gegenmaßnahmen ergreifen zu können. Gerade bei Laufradverschmutzungen kann die Pumpe zwar weiterarbeiten, der erzielbare Wirkungsgrad ist jedoch beeinträchtigt, was die Energiebilanz verschlechtert.
Es wird daher nach Maßnahmen gesucht, um während des Pumpenbetriebs Fehlerfälle differenziert erkennen und fehlerabhängige Gegenmaßnahmen einleiten zu können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Darüber hinaus wird die Aufgabe auch durch eine Pumpe, insbesondere Kreiselpumpe, mit einer Pumpensteuerung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 14 bzw. durch eine Pumpensteuerung mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.
Erfindungsgemäß wird zunächst vorgeschlagen, für die Erkennung einer Fehlfunktion zunächst einen stabilen Pumpenbetriebszustand abzuwarten. Ein stabiler Betriebszustand kann bspw. dann vorliegen, wenn die Pumpe für eine bestimmte Dauer in einem konstanten Betriebspunkt arbeitet. Mit anderen Worten soll die Überwachung auf eine Pumpenfehlfunktion nicht bereits während der Inbetriebnahme aktiv sein, sondern erst dann ausgeführt werden, wenn der gewünschte Betriebspunkt erreicht ist. Erkennt die Pumpe einen stabilen Betriebszustand, wird die Überwachung wenigstens einer charakteristischen Größe des Antriebsmotors gestartet, um basierend auf der Überwachung dieser charakteristischen Größe feststellen zu können, ob eine Laufradblockade vorliegt. Bei Vorliegen einer Laufradblockade dreht das Pumpenlaufrad entweder nicht mehr oder zumindest so schwerfällig, dass eine Pumpenarbeit nicht mehr sinnvoll verrichtet werden kann.
Wird eine Laufradblockade erkannt, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Pumpe in einen Freilauf zu schalten, in dem das Pumpenlaufrad frei drehen kann. Idealerweise kann dies durch mechanisch Entkopplung der Pumpenwelle vom Antriebsmotor erfolgen. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Motor im Freilauf stromlos geschaltet wird und an der Pumpenwelle lediglich das Bremsmoment des Motors anliegt.
Liegt eine Laufradblockade nicht vor bzw. wird eine solche nicht erkannt, so führt das Verfahren stattdessen eine Auswertung des Frequenzspektrums des Motorstroms durch, insbesondere wenigstens einer Phase des Statorstroms. Durch Auswertung des Frequenzspektrums lässt sich eine mögliche Beeinträchtigung des Pumpenbetriebs, insbesondere des Pumpenlaufrades erkennen, da bestimmte Beeinträchtigungen, wie bspw. ein sich ankündigender Lagerschaden oder eine Laufradverstopfung bzw. Laufradverschmutzung durch Ablagerungen von Feststoffen am Laufrad, zu Unwuchten führen können, die oszillierende Harmonische des Motorstroms oder eine Verstärkung dieser Harmonischen hervorrufen können, was mittels Spektralanalyse, auch Spektralanalyse genannt, zuverlässig erkennbar ist.
Wird durch die Spektralanalyse des Motorstroms, insbesondere wenigstens einer Phase des Statorstroalms, eine Beeinträchtigung der Pumpe festgestellt, so wird der Motor durch Abfahren einer definierten Drehzahlrampe bis zu einer Motordrehzahl von 0 heruntergeregelt und deaktiviert. Es erfolgt also keine abrupte Abschaltung des Antriebs und ein sofortiges Abbremsen des Pumpenlaufrades, sondern stattdessen wird eine sanfte Drehzahlreduzierung bis zum vollständigen Stillstand der Pumpe vorgenommen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt auf der integralen Mikroprozessoreinheit der Pumpe ausgeführt, insbesondere zur regulären Laufzeit der Pumpe. Die Ausführung auf einer externen Recheneinheit ist jedoch genauso vorstellbar und soll von der Erfindung mitumfasst sein. Bei der Pumpe handelt es sich vorzugsweise um eine Kreiselpumpe, insbesondere eine Pumpe zur Förderung von Feststoffe enthaltenden Medien.
Die Detektion eines stabilen Betriebszustandes kann beispielsweise durch Beobachtung wenigstens eines charakteristischen Betriebsparameters der Pumpe bzw. des Antriebsmotors erfolgen. Als besonders vorteilhaft erweist sich die Überwachung einer elektrischen Größe des Antriebsmotors, insbesondere des aufgenommenen Motorstroms. Bleibt der beobachtete, charakteristische Parameter über einen definierbaren Zeitraum konstant bzw. annähernd konstant bzw. unterliegt lediglich tolerierbaren Schwankungen, so wird von einem stabilen Betriebszustand der Pumpe ausgegangen und das Verfahren beginnt mit der Erkennung von Pumpenbeeinträchtigungen mittels Spektralanalyse.
Vorstellbar ist es beispielsweise, dass im Fall einer erkannten Laufradblockade und/oder einer Pumpenbeeinträchtigung, insbesondere Laufradverunreinigung ein Reinigungsprogramm initiiert wird, während diesem der Antriebsmotor, insbesondere das Pumpenlaufrad definiert angesteuert wird. Idealerweise werden definierbare Drehzahländerungen und Umkehrungen der Drehrichtung zyklisch ausgeführt, um Laufradblockaden oder Laufradverunreinigungen zu lösen. Idealerweise lassen sich abhängig vom erkannten Fehlerfall individuelle Reinigungsprogramme ausführen. Vorstellbar ist beispielsweise die Ausführung einer ersten Reinigungsprozedur, wenn eine Laufradblockade erkannt wird, und die Ausführung einer zweiten Reinigungsprozedur, wenn hingegen eine Pumpen- oder Laufradbeeinträchtigung festgestellt wird. Insbesondere werden die Reinigungsprozeduren gezielt auf den jeweiligen Fehlerfall abgestimmt, um ein optimales Reinigungsergebnis zur erzielen.
Die Erkennung einer Laufradblockade kann beispielsweise durch die Überwachung wenigstens eines charakteristischen Betriebsparameters des Pumpenantriebs erfolgen, insbesondere des aufgenommenen Motorstroms. Eine Blockade wird beispielsweise dann angenommen, wenn die beobachtete charakteristische Größe einen entsprechenden Grenzwert überschreitet bzw. außerhalb eines definierbaren Intervalls liegt. Idealerweise wird von einer Laufradblockade dann ausgegangen, wenn der aufgenommene Motorstrom um einen bestimmten Wert größer ist als der Nennstrom des Antriebsaggregates, insbesondere um ein Vielfaches des Nennstromes größer ist, bspw. über dem doppelten des Nennstroms liegt.
Für die Spektralanalyse kann es ausreichend sein, die Spektralamplitude bei wenigstens einer definierbaren, charakteristischen Frequenz zu bestimmen und zu überwachen. Die Spektralamplitude wird nachfolgend auch als Oberschwingungsamplitude bezeichnet. Bspw. ist vorstellbar, dass gewisse Pumpenbeeinträchtigungen zu Harmonischen mit bestimmten Frequenzen führen, die nachfolgend als Fehlerfrequenzen bezeichnet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird die wenigstens eine definierbare Fehlerfrequenz in Abhängigkeit der Statorfrequenz des Antriebsmotors und/oder der Anzahl der Polpaare des Stators und/oder in Abhängigkeit des Motorschlupfes berechnet. Die entsprechende Fehlerfrequenz ist insbesondere charakteristisch für mögliche Verunreinigungen des Pumpenlaufrades.
Handelt es sich beim Antriebsmotor um eine Synchronmaschine, entfällt der Schlupf und die Berechnungsformel für die Fehlerfrequenz f_r,pump kann wie folgt definiert sein: $ƒ_{r, p u m p} = (1 \pm \frac{1}{p}) \cdot ƒ_{S},$
wobei p die Anzahl an Polpaaren des Stators darstellt und f_s die Statorfrequenz ist. Bei Asynchronmotoren, insbesondere Induktionsmaschinen, ist zusätzlich der Schlupf s des Antriebsmotors zu berücksichtigen und die Formel lautet bevorzugt wie folgt: $ƒ_{r, p u m p} = (1 \pm \frac{1}{p} (1 - s)) \cdot ƒ_{S}$
Für die Spektralanalyse kann der über einen Zeitraum gemessene Motorstrom/Statorstrom per Fast Fourier Transformation (FFT) oder Diskreter Fourier Transformation (DFT) in sein Frequenzspektrum transformiert werden, um daraus die Spektralamplitude bei wenigstens einer Fehlerfrequenz zu erhalten. Die Spektralanalyse wird vorzugsweise für wenigstens eine Phase des Motorstromes im eingeschwungenen Zustand ausgeführt.
Da die Durchführung einer FFT oder DFT sehr ressourcenhungrig ist, kann die Spektralamplitude des Motorstroms für wenigstens eine Fehlerfrequenz alternativ auch per Koordinatentransformation ermittelt werden. Hierfür wird die Transformation des mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen Motorstroms in ein zweiachsiges d-q-Stromkoordinatensystem vorgeschlagen. Das resultierende Stromkoordinatensystem rotiert mit der Fehlerfrequenz der fehlerindizierenden Oberschwingung bzw. der entsprechenden Winkelgeschwindigkeit. Der sich dadurch ergebende Stromvektor im d-q-Koordinatensystem setzt sich demzufolge aus einem rotierenden Stromvektor sowie einem stationären Stromvektor zusammen. Letzterer entspricht dem auf die Oberschwingung entfallenden Anteil des Motorstroms, der in der gewählten Darstellung zeitlich konstant ist und somit einen Gleichanteil der Ströme i_d und i_q bildet. In der Koordinatendarstellung kann durch die Berechnung der geometrischen Summe dieser Gleichanteile die Amplitude der fehlerindizierenden Oberschwingung ermittelt werden. Die vorgeschlagene Vorgehensweise benötigt deutlich weniger Operationen und Ressourcen als bspw. die Ausführung einer FFT oder DFT und lässt sich dadurch aufgrund der vergleichsweise geringen Ressourcenanforderungen problemlos auf einer internen Mikroprozessoreinheit einer Pumpe implementieren. So lässt sich die Lösung vollständig softwarebasiert auf einer bestehenden Mikroprozessoreinheit zur Regelung einer Kreiselpumpe implementieren. Ohnehin bestehende Sensoren für die Strommessung der Motorströme können verwendet werden, eine zusätzliche Hardwareerweiterung ist nicht erforderlich.
Wie bereits vorstehend erläutert wurde, stellen die Gleichanteile der Ströme i_d und i_q, die mittels Transformation bestimmt werden, die notwendige Information für die Ermittlung der Oberschwingungsamplitude zur Verfügung. Eine einfache Vorgehensweise zur Bestimmung dieser Gleichstromanteile ist die Anwendung eines Tiefpassfilters, wodurch der zeitvariable Wechselanteil der entsprechenden Ströme i_d, i_q herausgefiltert wird. Idealerweise wird ein Tiefpassfilter erster Ordnung verwendet. Besonders bevorzugt kommt ein Butterworth-Filter erster Ordnung zur Anwendung dessen Transferfunktion gemäß $H (z) = \frac{1 - e^{ω_{c} T}}{z - e^{ω_{c} T}}$
definiert sein kann, wobei T vorzugsweise der Abtastrate der Prozessoreinheit entspricht. Die Grenzfrequenz ω_c muss relativ klein gewählt werden, um die Schwingung so weit wie möglich zu entfernen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird zur Transformation der Motorströme in das d-q-Stromkoordinatensystem die Parktransformation angewendet, insbesondere gemäß der Formel ${\vec{\underline{l}}}_{d q} = {\hat{l}}_{α β} \cdot e^{- i (ω_{F} t)},$
wobei ${\vec{\underline{l}}}_{α β}$
eine Raumzeigerdarstellung des dreiphasigen Motorstroms in einem Statorkoordinatensystem und ω_F die der fehlerindizierenden Schwingungsfrequenz entsprechende Winkelgeschwindigkeit gemäß ω_F = 2πf_r,pump ist. Erforderliche trigonometrische Funktionen für die Anwendung der Park-Transformation können innerhalb der Mikroprozessoreinheit durch Look-Up-Tabellen mit einer definierten Anzahl an Wertepaaren realisiert sein, um den Speicherbedarf der Mikroprozessoreinheit zu minimieren. Denkbar ist die Verwendung von 300 bis 400 Wertepaaren, insbesondere 360 Wertepaaren.
Die vorgenannte Parktransformation wird oftmals auch bei einer feldorientierten (FOC) Drehzahlregelung eines Elektromotors angewendet, wobei dort die Ermittlung des i_q-Stromkoordinatensystems nicht in Abhängigkeit einer spezifischen Frequenz einer Oberschwingung erfolgt, sondern stattdessen in Abhängigkeit der aktuellen Rotordrehzahl, sodass sich ein im Hinblick auf den Rotor stationäres Koordinatensystem ergibt. Ist dies der Fall, kann das erfindungsgemäße Verfahren bereits auf einen bestehenden Regelbaustein für die Implementierung einer FOC zur Ausführung der Parktransformation zurückgreifen.
Da die Parktransformation eine Raumzeigerdarstellung des dreiphasigen Motorstroms voraussetzt, muss der dreiphasige Motorstrom zunächst in eine zweidimensionale Raumzeigerdarstellung überführt werden. Dies kann per Transformation in ein Stator-Koordinatensystem mittels Clarke-Transformation geschehen. Auch hier kann theoretisch ein bereits bestehender Regelungsbaustein einer FOC wiederverwendet werden oder es wird stattdessen nur die Information über die Raumzeigerdarstellung aus dem Regelungsbaustein abgegriffen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Verfahren insbesondere für eine Abwasserpumpe ausgeführt, da gerade bei der Förderung von Feststoffe enthaltenden Fluiden Laufradverschmutzungen und damit einhergehende Beeinträchtigungen der Pumpe häufig vorkommen. Die oftmals autark betriebenen Abwasserpumpen werden durch das erfindungsgemäße Verfahren in die Lage versetzt, eine unerwünschte Beeinträchtigung ihres Pumpenwirkungsgrades frühzeitig zu erkennen und geeignete Maßnahmen zu ergreifen, um entsprechende Laufradbeeinträchtigungen selbsttätig zu beheben. Auch die Erkennung und Unterscheidung einer vollständigen Laufradblockade von einer Laufradverschmutzung ist möglich.
Die vorliegende Erfindung betrifft nicht nur ein Verfahren, sondern ebenfalls eine Pumpe, bevorzug eine Kreiselpumpe, die insbesondere für den Betrieb als Abwasserpumpe ausgestaltet ist. Die erfindungsgemäße Pumpe weist eine Pumpensteuerung auf, die konfiguriert ist, das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung auszuführen. Dementsprechend ergeben sich für die Pumpe dieselben Vorteile und Eigenschaften, wie sie bereits vorstehend anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgezeigt wurden. Auf eine wiederholende Beschreibung wird aus diesem Grund verzichtet.
Ebenso betrifft die Erfindung eine Pumpensteuerung zur Verwendung in bzw. mit einer Pumpe, insbesondere einer Kreiselpumpe, besonders bevorzugt mit einer Abwasserpumpe, wobei die Steuerung konfiguriert ist, das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung auszuführen. Eine solche Pumpensteuerung kann beispielsweise integraler Bestandteil einer Pumpe sein, jedoch auch als externes Modul ausgeführt sein, das lediglich kommunikativ mit einem entsprechenden Pumpenaggregat in Verbindung steht, um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Denkbar ist es auch, dass eine solche Pumpensteuerung mit mehr als einem Pumpenaggregat in Verbindung steht und eine Überwachung, insbesondere parallele Überwachung, mehrerer Pumpenaggregate möglich ist.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen nachstehend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert werden. Es zeigen:

1: ein Ablaufdiagramm einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2: eine Diagrammdarstellung des Spektrums einer Phase des aufgenommenen Motorstroms,
3: ein zweites Ablaufdiagramm zur Verdeutlichung einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
4: eine Gegenüberstellung des stationären Stator-Koordinatensystems sowie des rotierenden d-q-Koordinatensystems,
5: eine Darstellung des mit der Fehlerfrequenz rotierenden d-q-Koordinatensystems für die Fehleranalyse und
6: eine Blockdarstellung zur Verdeutlichung der einzelnen Verfahrensschritte zur Fehlerüberwachung

1 zeigt das Ablaufdiagramm einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Überwachung des Betriebs einer Abwasserpumpe. Die Pumpe weist wenigstens ein Laufrad auf, dass durch einen mehrphasig gespeisten Elektromotor angetrieben wird.
Bei der Inbetriebnahme der Pumpe wird die Pumpe zunächst gemäß einer definierten Drehzahlrampe auf die gewünschte Betriebsdrehzahl hochgefahren (Block 100). Nach Erreichen der Betriebsdrehzahl geht die Pumpe in den regulären Pumpenbetrieb über (Block 200). Im regulären Pumpenbetrieb wird geprüft, ob sich die Pumpe in einem stabilen Betriebszustand befindet (Block 300). Hierfür wird der vom Motor aufgenommenen Motorstrom erfasst. Bleibt der Motorstrom während eines gewissen Zeitraums konstant oder nahezu konstant, wird das Vorliegen eines stabilen Betriebspunktes angenommen und das Verfahren geht über zum Schritt 400.
Im Block 400 wird der aufgenommene Motorstrom wenigstens einer Phase des Antriebsmotors gegen einen Grenzwert verglichen, der hier dem zweifachen des Motornennstroms 2*I_Nenn entspricht. Übersteigt der aufgenommene Motorstrom diesen Grenzwert, wird auf eine vorliegende Blockade des Pumpenlaufrades geschlossen und die Pumpensteuerung initiiert einen sofortigen Pumpenstopp. Hierfür wird der Motor sofort stromlos geschaltet und ein Freilauf des Pumpenlaufrades erzwungen (Block 500), wodurch die Gefahr einer Beschädigung des Laufrades durch die erkannte Blockade verringert wird. Das Verfahren geht dann zum Block 600 über, um einen speziell auf eine Laufradblockade abgestimmten Reinigungsprozess der Pumpe zu starten. Der Reinigungsprozess kann eine Abfolge von Drehrichtungswechseln des Laufrades beinhalten, um ein Lösen der Blockade zu erzwingen. War der Reinigungsprozess erfolgreich, so kehrt das Verfahren zum Ausgangspunkt für die Inbetriebnahme der Pumpe (Block 100) zurück.
Bleibt der erfasste Motorstrom im Block 400 hingegen unter dem Grenzwert 2*I_Nenn, d.h. es liegt keine Laufradblockade vor, so wird stattdessen eine Spektralanalyse des Motorstroms wenigstens einer Phase ausgeführt (Block 700). Dies erfolgt bspw. durch eine hochfrequente und hoch abgetastete Strommessung und sekündliche Auswertung des Frequenzbandes des Stromsignals. Darauf basierend erfolgt eine Berechnung und Überwachung der Spektralamplitude iF bei der Fehlerfrequenz f_r,pump. In der Ausführung der 1 erfolgt die Berechnung der Spektralamplitude mittels Transformation des zeitlichen Verlaufs des erfassten Motorstroms in sein Frequenzspektrum, entweder per Diskreter Fourier Transformation (DFT) oder per Fast Fourier Transformation (FFT).
In 2 ist beispielsweise das Frequenzspektrum einer Phase des aufgenommenen Statorstroms dargestellt und zwar für den Fehlerfreienfall „free“ und für den Fall einer Laufradverschmutzung „clogged“. Die beiden markierten Kreise 80 kennzeichnen die Amplituden der Seitenbänder des Stromspektrums, die charakteristisch sind für bestimmte Beeinträchtigungen der Pumpenfunktion und demzufolge als Fehler- oder Schadfrequenzen bezeichnet werden. Oszillierende Harmonische des Motorstroms mit diesen Frequenzen sind als Indiz für das Vorliegen einer Beeinträchtigung zu werten, bspw. eine Unwucht bzw. ein Ausrichtungsfehler der Mechanik im Hydraulik- als auch Antriebsteil der Pumpe. Erzeugt kann besagte Unwucht und Ausrichtungsfehler durch ein verstopftes Laufrad, einen Lagerfehler oder auch einen Trockenlauf der Pumpe sein. Klar erkennbar ist in diesem Fall, dass die Spektralamplituden bei den identifizierten Schadfrequenzen 80 deutlich zunehmen, wenn das Laufrad der Pumpe erhebliche Anhaftungen aufweist.
Die erwähnte, relevante Fehlerfrequenz f_r,pump lässt sich unter Rückgriff auf ein Fehlermodell berechnen, das die Fehlerfrequenz gemäß der Formel (1) in Abhängigkeit der Statorfrequenz (Rotordrehzahl n), des Motorschlupfes s und der Anzahl p an Polpaaren des Antriebsmotors berechnet: $ƒ_{r, p u m p} = (1 \pm \frac{1}{p} (1 - s)) \cdot ƒ_{s} .$
Der Schlupf s ist klarerweise nur bei Verwendung einer Asynchronmaschine als Antriebsmotor zu verwenden. Wird stattdessen eine Synchronmaschine als Antriebsmotor eingesetzt, kann in obiger Formel ein Schlupf s = 0 eingesetzt werden.
Die für die wenigstens eine charakteristische Fehlerfrequenz f_r,pump bestimmte Spektralamplitude iF wird im Block 800 gegen eine Grenzwert iF,Lim verglichen. Wird der Grenzwert überschritten, so schließt das Verfahren auf eine Beeinträchtigung des Pumpenlaufrades, insbesondere eine wirkungsgradbeeinträchtigende Laufradverschmutzung, und initiiert als Reaktion ein Abschalten des Antriebsaggregates. Als zweite Voraussetzung wird hier jedoch verlangt, dass eine Grenzwertüberschreitung mindestens für 3 Sekunden vorliegt (Block 900).
Anders als im Fall einer Laufradblockade wird bei Detektion einer Laufradverschmutzung jedoch keine sofortige Abschaltung des Antriebsmotors ausgelöst, sondern die Pumpe stattdessen durch Abfahren einer Drehzahlrampe bis zur Drehzahl 0 gemäßigt abgebremst (Block 1000), bis das Laufrad zum Stillstand kommt. Erst im Anschluss wird eine zweite Reinigungsprozedur (Block 1100) ausgeführt, die von der ersten Reinigungsprozedur 600 abweicht.
Die 3-6 zeigen eine modifizierte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Blockdiagramme der 2 und 3 stimmen bis auf die Blöcke 700, 800, 700`, 800`, d.h. die Spektralanalyse des Motorstroms, überein, so dass in beiden Figuren identische Bezugszeichen für identische Verfahrensschritte verwendet werden und nachfolgend nur auf den Unterschied in den Blöcken 700`, 800` eingegangen wird. Die 4, 5 zeigen eine Diagrammdarstellung zur Verdeutlichung der Vorgehensweise. 6 zeigt ein Blockdiagramm, dass den Ablauf im Block 700` nochmals im Detail beschreibt.
Für die Fehlerüberwachung bei den spezifischen Frequenzen des Stromspektrums wird anstelle einer Durchführung mittels FFT oder DFT im Hinblick auf die Minimierung des Speicheraufwands und der Anzahl der Operationen auf das Prinzip der Multiple Reference Frame-Theorie zurückgegriffen. Die Idee ist, ähnlich wie bei der Feldorientierten Regelung (FOC), ein Koordinatensystem rotieren zu lassen. Während bei der FOC das Koordinatensystem in der Frequenz des Rotors rotiert, rotiert es im Sinne der Fehlererkennung mit der Frequenz eines Fehlers. Wie bereits vorstehend erläutert wurde, wird wenigstens eine Fehlerfrequenz mittels der unter (1) angegebenen Formel bestimmt. Dies ist im Diagramm der 6 durch das Bezugszeichen 10 gekennzeichnet.
Bei einem Drehstrommotor können die Motorströme in einem Raumvektor zusammengefasst werden. Dazu wird angenommen, dass die Summe der Phasenströme Null ist. Der Realteil des Raumvektors wird mit α-Strom und der Imaginärteil mit β-Strom bezeichnet. Das α-β-Koordinatensystem (siehe 4) wird als statorfestes Koordinatensystem (Stator-Koordinatensystem) bezeichnet. Die Transformation von den dreiphasigen Statorströmen in den zweiphasigen α-β-Strom wird als Clarke-Transformation bezeichnet.
Um einen Wechselstrommotor anzutreiben, wird von der Steuerung der statorfeste α-β-Strom in den rotorfesten d-q-Strom transformiert, was als Park-Transformation bezeichnet wird. Mathematisch gesehen wird ein Koordinatensystem dazu gebracht, sich entsprechend der Drehzahl n des Rotors zu drehen. Als Ergebnis ist der d-q-Strom ein Gleichstromwert, der für die Motorsteuerung verwendet werden kann. Der interessante Aspekt ist, dass die Vektorsumme aus d- und q-Strom genau der Amplitude der Grundschwingung des Motorstroms entspricht. Dieses Prinzip macht sich die modifizierte Ausführung des Verfahrens für die Fehlererkennung zu Nutze.
Betrachtet man einen realen Motor, so ist der Phasenstrom und damit der StromRaumvektor mit Schwingungen überlagert, deren Umfang im fehlerhaften Betrieb der Pumpe bzw. des Antriebsmotors zunehmen. Für das erfindungsgemäße Verfahren wird nun angenommen, dass der Motorstrom die Summe aus dem drehmomentbildenden Strom mit der Amplitude î_T und der Drehzahl ω_S und einer Oberschwingung mit der Amplitude î_F und der Drehzahl ω_F ist. Die Motorströme der drei Phasen lassen sich nach den folgenden Gleichungen (2) berechnen: $\begin{array}{l} i_{a} (t) = {\hat{l}}_{T} cos (ω_{S} t) + {\hat{l}}_{F} cos (ω_{F} t + θ) \\ i_{b} (t) = {\hat{l}}_{T} cos (ω_{S} t - \frac{2 π}{3}) + {\hat{l}}_{F} cos (ω_{F} t + θ - \frac{2 π}{3}) \\ i_{c} (t) = {\hat{l}}_{T} cos (ω_{S} t - \frac{4 π}{3}) + {\hat{l}}_{F} cos (ω_{F} t + θ - \frac{4 π}{3}) \end{array}$
In diesem Fall enthält î_F Informationen über den Zustand der Pumpe und über die Fehlerschwere. Als Beispiel kann ω_F auf Basis von Gleichung (1) berechnet werden.
Wie in 4 dargestellt, ist der Stromraumvektor ${\vec{\underline{l}}}_{α β}$
im Stator-Koordinatensystem gleich der Summe aus der drehmomentbildenden Komponente ${\vec{\underline{l}}}_{T | α β},$
die mit der Drehzahl ω_S rotiert, und der Fehlerkomponente ${\vec{\underline{l}}}_{F | α β},$
die mit der Drehzahl ω_F rotiert. Die Berechnung des Stromraumvektors ${\vec{\underline{l}}}_{α β}$
des dreiphasigen Motorstroms erfolgt gemäß der nachfolgenden Gleichung (3): ${\vec{\underline{l}}}_{α β} = {\hat{l}}_{T} \cdot e^{i (ω_{S} t)} + {\hat{l}}_{F} \cdot e^{i (ω_{F} t + θ)}$
Im gezeigten Blockdiagramm der 6 wird dieser Schritt bereits durch die vorhandene feldorientierte Regelung 20 der Pumpensteuerung ausgeführt, die als Ausgangsgrößen die beiden Ströme i_a und i_β liefert.
Im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Länge von ${\vec{\underline{l}}}_{F | α β}$
von Interesse. Nun wird das d-q-Koordinatensystem mit der Geschwindigkeit der Oberschwingungsfrequenz (ω_K = ω_F) gedreht. Zur Berechnung des Stromvektors in d-q-Koordinaten wird die Standardgleichung für die Park-Transformation verwendet, was im Blockdiagramm durch den Schritt 30 gekennzeichnet ist. Die Park-Transformation lässt sich mathematisch gemäß folgender Gleichung umsetzen: ${\vec{\underline{l}}}_{d q} = {\vec{\underline{l}}}_{α β} \cdot e^{- i (ω_{F} t)}$
Wenn die Formel (3) in die Formel (4) eingesetzt wird, ergibt sich Formel (5) für den aktuellen Vektor ${\vec{\underline{l}}}_{d g}$
im d-q-Koordinatensystem: ${\vec{\underline{l}}}_{d q} = {\hat{l}}_{F} \cdot e^{i θ} + {\hat{l}}_{T} \cdot e^{i [(ω_{S} - ω_{F}) t]}$
Der Drehstromvektor ${\vec{\underline{l}}}_{d q}$
ist gleich der Summe der Vektoren ${\vec{\underline{l}}}_{T | d q},$
die mit der Geschwindigkeit (ω_S - ω_F) rotieren, und dem stationären Vektor ${\vec{\underline{l}}}_{F | d q},$
siehe 5. enn ω_F größer als ω_s ist, drehen sich sowohl ${\vec{\underline{l}}}_{d q}$
als auch ${\vec{\underline{l}}}_{T | d q}$
in die andere Richtung.
Betrachtet man zeitabhängige Größen, bestehen i_d und i_q aus einer DC-Komponente und einer AC-Komponente, wie in den Gleichungen (6) und (7) zu sehen ist. $i_{d} = i_{F | d} + i_{T | d} \cdot cos ((ω_{S} - ω_{F}) t)$
$i_{q} = i_{F | q} + i_{T | q} \cdot sin ((ω_{S} - ω_{F}) t)$
Die Anfangsamplitude î_f kann aus der geometrischen Summe von i_Fld und i_Flq berechnet werden, siehe nachfolgende Gleichung (8). ${\hat{l}}_{ƒ} = \sqrt{i_{F | d}^{2} + i_{F | q}^{2}}$
Im Blockschaltbild der 6 ist dieser Verfahrensschritt mit dem Bezugszeichen 50 gekennzeichnet. Wenn die Gleichstromanteile von i_d und i_q ermittelt werden, kann die Amplitude î_f daraus berechnet werden. So kann durch Anwendung einfacher Transformationen die Amplitude einer Harmonischen berechnet werden. Eine einfache und speicherfreundliche Methode zur Berechnung der Gleichstromkomponenten von i_d und i_q ist ein Filter erster Ordnung, der im Blockschaltbild der 6 mit dem Bezugszeichen 40 gekennzeichnet ist.
Beispielsweise kann ein Butterworth-Filter erster Ordnung gewählt werden, dessen Übertragungsfunktion wie folgt gemäß Gleichung (9) bestimmt werden kann $H (z) = \frac{1 - e^{ω_{c} T}}{z - e^{ω_{c} T}},$
wobei T gleich der Abtastzeit der Mikroprozessoreinheit ist. Das Filter erlaubt eine einfache Implementierung. Allerdings muss die Grenzfrequenz ω_c relativ klein gewählt werden, um die Schwingung so weit wie möglich zu entfernen. Dadurch wird die Zeitkonstante des Filters relativ hoch, was das System langsam macht und in dynamischen Systemen ein Problem darstellen kann. Beim Einsatz in einer Pumpe ist dies jedoch unkritisch, da keine schnellen Lastwechsel zu erwarten sind.
Der wie oben beschrieben bestimmte Wert für die Spektralamplitude î_f könnte dann im Block 800` alternativ zur der Darstellung in 3 gegen einen Grenzwert iF,Lim verglichen, wobei bei dessen Überschreitung für die Dauer von mindestens 3s (Block 900) ebenfalls ein Anhalten der Pumpe (Block 1000) bewirkt und dann die Reinigungsprozedur (Block 1100) ausgelöst wird.
Alternativ zu dieser Variante wird jedoch, wie in 3 gezeigt, in Block 700` nicht nur die Spektralamplitude î_f , wie vorstehend beschrieben, bestimmt, sondern stattdessen auch der Schadensfaktor SF. Insbesondere bei geregelten Pumpen, bspw. druckgeregelten Pumpen, kann sich die Last und die Drehzahl der Pumpe während des Betriebs ändern, was gleichzeitig auch eine Änderung der Stromaufnahme der Pumpe bedeutet. Um dies zu berücksichtigen, wird der Schadensfaktor („Severity Factor“ SF) für einen Fehler berechnet, der sich auf die Stromaufnahme bezieht. Dargestellt ist dies im Blockschaltbild der 6 mit dem Bezugszeichen 60. Sofern die Motorregelung der Pumpe eine FOC 20 aufweist, steht die Information über die Stromaufnahme zur Verfügung. Um die Lastunabhängigkeit zu gewährleisten, wird der Schadensfaktor SF aus dem Verhältnis des fehlerindizierenden Spektralamplitude î_f und der Amplitude î_T der drehmomentbildenden Komponente, die gleich dem q-Strom in der verwendeten FOC ist, gebildet, wobei der d-Strom auf Null geregelt wird: $S F = \frac{{\hat{l}}_{ƒ}}{{\hat{l}}_{T}} \cdot 100 % .$
Anhand des Schadensfaktors SF kann dann eine Entscheidung im Block 800` (siehe 3 und 6) durch Abgleich mit einem Grenzwert SF, Lim getroffen werden, ob bei der Pumpe eine Laufradverunreinigung vorliegt oder nicht. Wird eine solche erkannt, und zwar für eine Dauer von mehr als 3 Sekunden, so wird die Pumpe auf eine Drehzahl von Null heruntergefahren (Block 1000) und anschliessend die Reinigungsprozedur 2 gestartet (Block 1100).

Claims

Verfahren zur Überwachung des Betriebs einer Pumpe, vorzugsweise einer Kreiselpumpe (1), mit einem mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen Antriebsmotor, mit den Verfahrensschritten: - Feststellen, ob die Pumpe in einem stabilen Betriebszustand arbeitet, - Bei Vorliegen eines stabilen Betriebszustands, Überwachung wenigstens einer charakteristischen Größe des Antriebsmotors, um festzustellen, ob eine Laufradblockade vorliegt, - bei Erkennung einer Laufradblockade aktivieren eines Freilaufs des Pumpenlaufrades, - andernfalls Auswertung des Frequenzspektrums des Motorstroms zur Erkennung einer Beeinträchtigung der Pumpe und Abschalten des Motors durch Abfahren einer abnehmenden Drehzahlrampe, falls eine Beeinträchtigung der Pumpe erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei einer Beeinträchtigung der Pumpe um eine Beeinträchtigung des Pumpenlaufrades handelt, insbesondere um eine Laufradverschmutzung.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erkennen einer Laufradblockade und/oder Erkennung einer Laufradverstopfung ein Reinigungsprogramm initiiert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erkennung einer Laufradblockade ein erstes Reinigungsprogramm ausgeführt wird und nach Erkennung einer Laufradverstopfung ein zweites Reinigungsprogramm ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Laufradblockade durch Überwachung des aufgenommenen Motorstroms erfolgt, wobei eine Blockade dann erkannt wird, wenn der Motorstrom einen definierbaren Grenzwert überschreitet, insbesondere den Nennstrom um einen bestimmten Wert überschreitet, bevorzugt über einem Vielfachen des Nennstromes liegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung des Frequenzspektrums die Überwachung einer Spektralamplitude des Motorstroms bei wenigstens einer definierbaren Fehlerfrequenz umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Fehlerfrequenz in Abhängigkeit der Polpaare des Stators und/oder der Statorfrequenz und/oder eines möglichen Motorschlupfes bestimmt wird, insbesondere gemäß $ƒ_{r, p u m p} = (1 \pm \frac{1}{p} (1 - s)) \cdot ƒ_{s}$
für einen Induktionsmotor und für einen Synchronmotor $ƒ_{r, p u m p} = (1 \pm \frac{1}{p}) \cdot ƒ_{s},$
wobei p die Anzahl an Polpaaren des Stators, s der Motorschlupf und f_s die Statorfrequenz sind.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Spektralamplitude per Fast Fourier Transformation oder per Diskreter Fourier Transformation erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spektralamplitude î_f des Motorstroms für die wenigstens eine bestimmte Fehlerfrequenz f_r,pump durch Transformation des dreiphasigen Motorstroms in ein mit der Fehlerfrequenz f_r,pump rotierendes d-/q-Stromkoordinatensystem mit den Strömen i_d und i_q berechnet wird, wobei die geometrische Summe der Gleichanteile der Ströme i_d und i_q im d-/q-Stromkoordinatensystem der Spektralamplitude î_f entspricht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichanteile der transformierten Ströme i_d und i_q durch Anwendung eines Tiefpassfilters, bevorzugt eines Tiefpassfilters erster Ordnung, besonders bevorzugt eines Butterworth-Filters erster Ordnung, ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformation in das d-q-Stromkoordinatensystem mittels Park-Transformation erfolgt, insbesondere gemäß ${\vec{\underline{l}}}_{d q} = {\vec{\underline{l}}}_{α β} \cdot e^{- i (ω_{F} t)},$
wobei ${\vec{\underline{l}}}_{d q}$
eine Raumzeigerdarstellung des dreiphasigen Motorstroms in einem Stator-Koordinatensystem ist und die Winkelgeschwindigkeit ω_F aus der Fehlerfrequenz f_r,pump gemäß ω_F = 2πf_r,pump berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformation des dreiphasigen Motorstroms in die Raumzeigerdarstellung im Stator-Koordinatensystem durch eine Clark-Transformation erfolgt, wobei der Raumzeiger ${\vec{\underline{l}}}_{α β}$
vorzugsweise durch einen bestehenden Regelungsbaustein der Pumpenregelung bestimmt wird, der eine feldorientierte Drehzahlregelung (20) ausführt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Pumpe um eine Abwasserpumpe handelt.
Pumpe, bevorzugt Kreiselpumpe, insbesondere für den Betrieb als Abwasserpumpe, mit einer Pumpensteuerung die konfiguriert ist, das Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche auszuführen.
Pumpensteuerung für eine Pumpe, insbesondere eine Kreiselpumpe, konfiguriert zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 13.