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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern des Betriebs von einer Pumpe, wie beispielsweise einer Zentrifugalpumpe.
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Viele der bekannten, variabel frequenzgestellten Antriebssysteme (VFD = Variable Frequency Drive) generieren korrekte, mathematische Modelle für in Betrieb befindliche Motoren, um ein präzises Steuern im Hinblick auf Drehzahl und Drehmoment herzustellen. Solche allgemein bekannte Verfahren und Vorrichtungen beinhalten das Nachstehende:
Die
US 6 591 697 B2 offenbart eine Pumpenregelungstechnik auf Basis der Verhältnisbeziehung des Drehmoments und der Drehzahl als Funktion der Pumpenfördermengenrate und dem Potenzial zur Regeluierung der Pumpenfördermenge unter Anwendung eines frequenzgestellten Antriebs (VFD), um die Drehzahl der Zentrifugalpumpe anzupassen. Diese Technik enthält jedoch keine Logikeinrichtung in Bezug auf einen Schutz gegen unerwünscht auftretende Betriebsbedingungen, wie zum Beispiel bei einem Trockenlaufzustand, bei einem Minimallaufzustand, bei einem Überlaufzustand oder bei irgendeiner Kombination hiervon. Stattdessen setzt diese Technik nur kalibrierte Drehzahlen als Funktion von Drehmomentkurven ein, die eine spezifische Anwendung sind, um die Fördermenge beizubehalten, womit die Flexibilität während der Feldeinstellung verringert wird.
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Die
US 6 464 464 B2 stellt einen Steuer- und Pumpenschutz-Algorithmus vor, der ein frequenzgestelltes Antriebssystem (VFD) und ein Hilfsinstrument zur Regulierung der Fördermenge, des Drucks oder der Drehzahl für eine Zentrifugalpumpe anwendet, wogegen andere VFD-Systeme zum Feststellen von unerwünschten Betriebsbedingungen Fördermengen- oder Druckschaltungen einsetzen. Jedoch die Anwendung von zusätzlichen Verarbeitungsablaufschaltungen und von anderen, zusätzlichen Geräten führen zu Mehrkosten und zu einer Komplexität für das Antriebssystem, was ferner eine mögliche Fehlerquelle bzw. einen unnützen Kostenaufwand darstellt.
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Die
US 5 930 092 A und die
US 5 754 421 A offenbaren Pumpenschutztechniken, die auf einer Überwachung des Motorstromentzugs sowie der Drehzahl basieren, und anschließend auf einer Korrelationsanalyse der sich ergebenden Leistung, woraus die verschiedenen Betriebszustände (wie z. B. Trockenlauf, Ventilverschluss) abzulesen sind. Diese Technik ist jedoch nur für konstante Drehzahlanwendungen geeignet und stellt keine steuernde Differenzierung für die unterschiedlichen Betriebszustände bereit; die Schutzmaßnahmeeinstellungen führen nur zu einem „Anstellen” oder einem Abstellen des Motors.
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Eine weitere allgemein bekannte Pumpensteuerungstechnik basiert auf einen VFD, der Parameter aufweist, welche maximal und minimal zu konfigurierende Drehmomentwerte zulassen, um dann zu verhindern, dass der Lastantrieb (Motor) außerhalb dieser Parameter läuft. Diese Antriebstechnik enthält jedoch weder eine Logik zum Interpretieren von unterschiedlichen und unerwünschten Betriebszuständen noch lässt sie ein Skalieren von zentrifugalen Lastvorrichtungen zu, wie beispielsweise Pumpen, oder berücksichtigt bei einer reduzierten Drehzahl die mechanischen Verluste in kleinen Pumpen.
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Weitere allgemein bekannte Arbeitswege zum Steuern des Betriebs von Pumpen umfassen Nachstehendes: Im US-Patent No.
US 4 470 092 A wird eine Motorenschutzeinrichtung veröffentlicht, welche einen Motor auf Basis eines Vergleichs mit einem oder mit mehreren abgetasteten Auslösepunkt-Parametern und mit programmierten Auslösepunkt-Parametern schaltet.
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Die
US 4 827 197 A offenbart eine Pumpe mit einer Überdrehzahlsicherung, welche die Pumpendrehzahl auf Basis eines abtastenden Sensortachometers und momentanen Werten anpassen kann, in welcher das Drehmoment auf Basis des abgetasteten, momentanen Wertes errechnet wird, eine Winkelbeschleunigung auf Basis des abgetasteten Tachometerwertes errechnet wird, eine Trägheit auf Basis des errechneten Drehmoments und der Winkelbeschleunigung errechnet wird, und zum Bereitstellen einer maximalen Umdrehungsgeschwindigkeit eine Verweistabelle zur Anwendung kommt. Die
US 5 726 881 A stellt eine Pumpe mit einer Überdrehzahlsicherung vor, welche die Pumpendrehzahl auf Basis von zwei abgetasteten Rotationsgeschwindigkeiten anpasst, die von Sensoren erfasst werden. Ähnlich erfolgt dies auch in der
US 5 649 893 A , in dem eine Pumpe mit in Serie implementierten Schutzmaßnahmeeinrichtungen beschrieben wird.
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In der
US 5 736 823 A wird eine Gebläse-/Motorkombination mit einem konstanten Luftverteilungsregler veröffentlicht, der das Drehmoment des Motors auf Basis der abgetasteten Motordrehzahl, des Stroms aus der Sensoreinrichtung und den Fördermengeneingaben aus den Fördermengen-Eingabegeräten anpasst, in welcher Drehzahl, Drehmoment, Druck und Luftverteilungscharakteristiken des Gebläses zum Bereitstellen der Drehmomentkalkulation verwendet werden. Die
US 5 742 522 A beschreibt eine Pumpe mit einem digitalen Drehmomentkalkulator, der eingesetzt wird, um mit Sensoren Lastveränderungen auf Basis von abgetasteten Strom- und Spannungswerten zu erfassen. Die
US 5 917 688 A offenbart eine Pumpe mit einer Überdrehzahlsicherung, welche die Pumpendrehzahl auf Basis von zwei abgetasteten Drehzahlwerten des Rotors und des Motors anpasst, die von Sensoren erfasst wurden.
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In der
US 6 501 629 B1 wird ein Motor mit einer gesteuerten Energieversorgungsleitung veröffentlicht, welche die Motorleistung auf Basis von abgetasteten Motorstrom- und Motorspannungswerten anpassen kann, die von Sensoren erfasst werden, in welcher eine gemessene Eingangsleistung mit einem Eingangsleistungsgrenzbereich verglichen und auf Basis dieses Vergleichs die Leistung deaktiviert wird.
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Die
US 6 679 820 B2 beschreibt ein Verfahren zum Begrenzen der Betriebsdrehzahl eines Motors auf Basis einer kollektiven Auswertung, indem ein Verfahren mit Rotor- und Drehmomenttabellenlesen angewendet wird, und das einen Schritt zum Ermitteln eines aktuellen Änderungsverhältnisses in Bezug auf Beschleunigung und Differenz in der Schleppdrehmomentdrehzahl eines Rotors in Relation zu einem voreingestellten Betriebsbereich eines zu erwartenden Änderungsverhältnisses aufweist.
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Die vorstehend aufgeführten Vorrichtungen und Techniken weisen keine Logikeinrichtung auf, welche die unerwünschten Betriebszustände differenzieren kann, um die Pumpe für den jeweiligen Betriebszustand angemessen zu steuern, und daher besteht in Bezug auf den bisherigen Stand der Technik eine Notwendigkeit zum Steuern des Pumpenbetriebs, bei dem zwischen den einzelnen, unerwünschten Bedingungen differenziert wird. In einigen der Ausführungsbeispiele sind Hilfsinstrumente und Steuereinheiten erforderlich.
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In der
DE 39 14 342 A1 wird die Steuerung eines Pumpenaggregats mittels einer Regelkennlinie Spannung/Frequenz eines statischen Frequenzumrichters beschrieben, wobei eine Anpassung an eine gewünschte Pumpenkennlinie auf rein elektronischem Wege erfolgt. Hierbei wird eine Abhängigkeit der elektronischen Regelkennlinie des Frequenzumrichters des Motors der Pumpe und der gewünschten Pumpenkennlinie der Pumpe unterstellt.
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Aus der
US 6 330 525 B1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Diagnostizieren von beispielsweise Kreiselpumpen bekannt, bei welchem über eine Vielzahl von Sensoren mehrere Prozessvariablen erfasst werden und mit entsprechenden Ursprungskennwerten und -kennlinien der Pumpe über einen Computer verglichen werden. Eine zentrale Komponente dieses bekannten Verfahrens ist die Erfassung verschiedener Schwingungsgrößen über eine Reihe von Vibrationssensoren, aus welchen Hinweise auf Probleme in einzelnen Bauteilen der Pumpenanlage von einem Wartungsingenieur abgeleitet werden können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern des Betriebs einer Pumpe vorzuschlagen, welches die Betriebsbedingungen der Pumpe genauer und einfacher erfaßt und zugleich kostengünstiger ist. Gelöst wird die Aufgabe durch das Verfahren nach Anspruch 1, sowie die Pumpvorrichtung und Steuereinheit der unabhängigen Ansprüche 10 und 19.
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Die vorliegende Erfindung stellt ein neues und einzigartiges Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung des Betriebs einer Pumpe zur Verfügung, wie beispielsweise einer Zentrifugalpumpe, mit den kennzeichnenden Schritten, wobei entweder der Betrieb der Pumpe angepasst oder ein Warnhinweis für unerwünschte Betriebszustände an einen Anwender der Pumpe ausgegeben wird, oder beides, und zwar auf Basis eines Vergleichs von einem aktuellen Ist-Drehmomentwerts und einem korrigierten Drehmomentwert.
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Der korrigierte Drehmomentwert weist einen Drehmomentwert während des besten Wirkungsgrades (BEP = Best Efficiency Point) bzw. einen Bestpunkt-Drehmomentwert auf, und kann außerdem auf Basis von zumindest der momentanen Betriebsdrehzahl der Pumpe kompensiert werden. Die Pumpe besitzt eine Steuereinheit zum Ausführen der Schritte für dieses Verfahren. Die Steuereinheit kann zum Beispiel den korrigierten Drehmomentwert auf Basis des Quadrats der Drehzahl-Änderung der Pumpe, auf Basis einer mechanischen Leistungsoffset-Korrektur oder einer Kombination hiervon kompensieren. Der Vergleich kann eine Verhältniszahl des aktuellen Ist-Drehmomentwertes zu dem korrigierten Drehmomentwert beinhalten, wobei das Verhältnis des aktuellen Drehmomentwertes zu dem korrigierten Drehmomentwert außerdem mit den Verhältnissen verglichen werden kann, die entweder einem Trockenlaufzustand, einem Minimallaufzustand, einem Überlaufzustand oder irgendeiner Kombination hiervon entsprechen. Während der Betriebsausführung erfasst die Steuereinheit die unerwünschten Betriebszustände und differenziert zwischen diesen, wobei diese entweder einen Trockenlaufzustand, einen Minimallaufzustand, einen Überlaufzustand oder irgendeine Kombination hiervon aufweisen können, und steuert die Pumpe dementsprechend entweder durch ein Verlangsamen der Pumpe in eine sichere Betriebsdrehzahl, durch ein Abschalten der Pumpe, durch ein erneutes Starten der Pumpe nach einer gewissen Zeitverzögerung, oder durch irgendeine Kombination hiervon. Auch in der Pumpe kann eine schützende Verzögerungseinstellung angewendet werden, um Störfallauslösungen zu verhindern, die von Systemeinschwingungsvorgängen verursacht werden. Die Steuereinheit kann einen variablen, frequenzgestellten Antrieb (VFD) oder eine programmierbare Logiksteuereinrichtung (PLC) enthalten.
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Die vorliegende Erfindung wird unter Anwendung einer Steuerlogik ausgeführt, welche die direkte Rückkopplung des Drehmoments (bzw. der Leistung) und der Drehzahl ausnutzt, um unerwünschte Betriebszustände zu identifizieren, und um die angemessen betriebliche Reaktionsfunktion herzustellen, so dass ein Schaden für das betriebene Gerät (Zentrifugalpumpe) verhindert werden kann. Die Steuerlogik kann in dem VFD oder in der PLC integriert werden.
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Während der Betriebsausführung kompensiert der Algorithmus der Steuerlogik die ursprünglichen Drehmomenteingabedaten für die momentane Betriebsdrehzahl entsprechend dem Quadrat der Drehzahl-Änderung und kompensiert ferner mechanische Verluste, wie beispielsweise Abdichtungs- und Traglagerverluste, die mit der Drehzahl-Änderung linear variieren.
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Die vorliegende Erfindung umfasst außerdem eine Vorrichtung in Form einer Zentrifugalpumpe, die eine solche Steuereinheit zum Steuern des Betriebs der Pumpe aufweist, wobei die Steuereinheit entweder den Betrieb der Pumpe anpasst oder den Bediener der Pumpe warnt, oder beides, und zwar auf Basis eines Vergleich von einem aktuellen Ist-Drehmomentwert und einem korrigierten Drehmomentwert, und wobei die Steuereinheit selbst diese Schritte ausführt.
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Der Anwender kann alle vorstehend genannten Funktionen der Pumpe jederzeit deaktivieren.
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Ein Vorteil der drehmomentgesteuerten Pumpenschutztechnik mit mechanischer Verlustkompensierung – gemäß der vorliegenden Erfindung – besteht darin, dass sie die Notwendigkeit von zusätzlichen Geräten und Reglern, wie beispielsweise Fördermengenmessgerät, Druckschaltung, Fördermengenschaltung etc. ausschließt.
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Ein weiterer Vorteil der drehmomentgesteuerten Pumpenschutztechnik – gemäß der vorliegenden Erfindung – ist, dass sie keine teuren und komplexen Zusatzeinrichtungen benötigt, welche außerdem eine mögliche Fehlerquelle sein können.
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Darüber hinaus bietet die vorliegende Erfindung auch einen Schutz für Zentrifugalpumpen, wobei zwischen den einzelnen, gefährdenden Betriebszuständen (zum Beispiel Trockenlauf) differenziert wird, und/oder während Bedingungen, in denen Systemeinschwingungsvorgänge (zum Beispiel beim Abschaltbetrieb) auftreten, und wobei die Schutzmaßnahme aufgehoben wird, sobald die Negativbedingung beseitigt ist.
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Schließlich passt die mechanische Leistungsoffset-Korrektur die drehzahlkorrigierten Drehmomentwerte an, um den Bereich der Betriebsdrehzahl für kleinere und größere PS-Motoreinheiten zu erweitern.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Die Zeichnung, die nicht maßstabsgerecht gezeichnet ist, umfasst die folgenden Figuren:
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1 ist ein Ablaufdiagramm der Schritte für ein Verfahren zum Ausführen eines drehmomentgesteuerten Pumpenschutzes, welches Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist.
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2A ist eine grafische Darstellung der Leistungsoffset-Kompensation in Bezug auf eine drehmomentgesteuerte Pumpenschutzeinrichtung mit einem 0,2 PS-Leistungsoffset (5-PS-Motor) mit einem Motordrehmoment in Relation zur Motordrehzahl (RPM = Umdrehungen pro Minute).
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2B ist eine grafische Darstellung der Leistungsoffset-Kompensation in Bezug auf eine drehmomentgesteuerte Pumpenschutzeinrichtung mit einem –0,9 PS-Leistungsoffset (100-PS-Motor) mit einem Motordrehmoment in Relation zur Motordrehzahl (RPM = Umdrehungen pro Minute).
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3 ist ein Blockdiagramm einer Kombination mit einer Pumpe, einem Motor und einer Steuereinheit, welche Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist.
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4 ist ein Blockdiagramm der in 3 dargestellten Steuereinheit zum Ausführen des drehmomentgesteuerten Pumpenschutzes mit einem Leistungsoffset, welches Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist.
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5 ist eine grafische Liniendarstellung, welche die Pumpenbetriebszustände auf Basis des Verhältnisses des aktuellen IST-Drehmomentwertes zu dem korrigierten Drehmomentwert aufzeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 zeigt ein Ablaufdiagramm, welches die Schritte zum Ausführen eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung für ein Steuern des Betriebs einer Pumpe, die allgemein mit Bezugszeichen 100 gekennzeichnet ist, aufweist, mit den kennzeichnenden Schritten, wobei entweder der Betrieb der Pumpe 100 angepasst oder ein Warnhinweis für einen unerwünschten Betriebszustand an einen Anwender der Pumpe 100 ausgegeben wird, oder beides, und zwar auf Basis eines Vergleichs von einem aktuellen Ist-Drehmomentwert und einem korrigierten Drehmomentwert. Die Verfahrensschritte werden von einer Steuereinheit 102 der Pumpe 100 und des Motors 103 ausgeführt, die in den 3 und 4 dargestellt sind. Die Erfindung wird im Hinblick auf eine Pumpenvorrichtung beschrieben, obzwar der Schutzumfang der Erfindung beabsichtigt, eine Zentrifugalpumpe oder eine andere zentrifugale Einrichtung zu umfassen, wie zum Beispiel ein Gebläse, ein Mischgerät oder eine andere geeignete Zentrifugenvorrichtung.
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Schritt 10 – Eingabe von Anwendungsdaten
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In der Betriebspraxis umfasst die Steuereinheit 102 ein Anwendungsdaten-Eingabemodul 102a (4), welches zunächst den Schritt 10 mit der Eingabe von Anwendungsdaten ausführt und die Eingabe von Standardwerten [Ausgangsparametern] für die BEP Bestpunkt-Leistung (90% der Motornennleistung), der BEP-Drehzahl (100% der Motorförderratenumdrehungen pro Minute = FL RPM) und ein Leistungsoffset einschließt, die für gewöhnlich aus den Leistungsinformationen des Pumpenherstellers zu entnehmen sind (BEP = Best Efficiency Point bzw. Bestpunkt). Diese Ausgangsparameter werden verwendet, um das Drehmoment an dem Bestpunkt (BEP) und dem Drehmomentoffset [Verdrehungswinkel] zu berechnen. Als Alternative können Werte zur Anwendung kommen, die sich zu den Ausgangsparametern unterscheiden, anstelle der BEP-Leistung und der BEP-Drehzahl, die auf den Leistungsinformationen des Herstellers basieren. Die Schwellenwerte müssen während der Feldeinstellung in Bezug auf Trockenlauf = DRY RUN (A%), Minimallauf = MIN FLOW (B%) und Überlauf RUNOUT FLOW (C%) auf Basis der Betriebssystembedingungen und der Pumpenleistungsdaten eingegeben werden, um damit zwischen Abschalt-, Trockenlauf- und Überlaufbedingungen zu differenzieren. Der darin festgelegte Algorithmus errechnet an dem momentanen Betriebspunkt die Werte des Kalkulationsdrehmoments Calc Torque % und des BEP-Korrekturdrehmoments Corr BEP Torque % und zeigt diese an, um die Einstellung von A, B and C% einzurichten.
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Schritt 12 – Korrektur der Drehzahl
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Die Steuereinheit 102 besitzt ein Drehzahlkorrekturenmodul 102b (4) zum Ausführen von Schritt 12, um eine Korrektur des BEP Drehmoments (TBEP) für die momentane Drehzahl des Motors 103 (3), und um die Leistungsoffset-Kompensation vorzunehmen.
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Schritt 14 – Auswertung
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Die Steuereinheit 102 besitzt ferner ein Auswertungsmodul 102c (4) zum Ausführen von Schritt 14, um den aktuellen (oder momentanen) IST-Drehmoment mit einem drehzahlkorrigierten Drehmoment (TBEP(C)) zu vergleichen, welches ein zu erreichender Bestpunkt-Drehmomentwert (korrigiert) als Prozentsatz eines Bestpunkt-Drehmoments = (BEP = Best Efficiency Point Torque) = (TBEP(C)) ist.
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Schritt 16 – Ermitteln des Betriebszustands
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Die Steuereinheit 102 weist ein Zustandsermittlungsmodul 102d (4) zum Ausführen von Schritt 16 auf, um den Pumpenzustand auf Basis des Drehmomentvergleichs zu ermitteln, wie folgt:
- A%:
- Trockenlaufzustand
- B%:
- Minimallauf- oder Abschaltbetriebszustand und
- C%:
- Überlaufzustand.
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Diese Prozentangaben werden in Schritt 10 vom Anwender der Pumpe als Standardwerte eingestellt und können aufgrund der Pumpengröße und/oder der Anwendungsanforderung variieren oder abgeändert werden. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung beabsichtigt aber nicht, einen bestimmten Prozentsatz oder spezielle Prozentangaben zum Ermitteln des Betriebsstatus des Pumpenzustands zu verwenden. Wenn, wie dargestellt, der Drehmomentvergleich größer als B% und kleiner als C% ist, dann ermittelt das Zustandsermittlungsmodul 102d den Betriebszustand der Pumpe als O.K. und führt die Steuereinheit 102 zu Schritt 12 bezüglich des Korrigierens der Drehzahl zurück.
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Falls jedoch der Drehmomentvergleich kleiner als B% oder größer als C% ist, dann ermittelt das Zustandsermittlungsmodul 102d den Betriebszustand der Pumpe als nicht O.K., und wenn entweder in dem einen Fall der Drehmomentvergleich kleiner als B% ist, wird die Steuereinheit 102 zu Schritt 18 zum Ermitteln weitergeleitet, ob der Pumpenzustand einen Minimallauf MIN FLOW oder einen Trockenlauf DRY RUN-Betriebszustand hat, oder im anderen Fall, wenn der Drehmomentvergleich größer als C% ist, geht die Steuereinheit 102 zu Schritt 20 über, um den Betrieb der Pumpe 100 auf Basis eines Überlaufzustands RUNOUT zu steuern.
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ÜBERLAUF – Betriebszustand = RUNOUT
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Im Falle des RUNOUT-Betriebszustands, passt das Überlauf-Zustandsmodul 102f den Betrieb der Pumpe 100 an, oder gibt einen Warnhinweis für den Überlaufzustand aus, oder das Modul führt beides aus. Im Besonderen kann das Überlauf-Zustandsmodul 102f den Betrieb der Pumpe 100 zum Beispiel durch ein Herabsenken der Pumpendrehzahl anpassen, um der C%-Bedingung entgegenzuwirken. Das Überlauf-Zustandsmodul 102f kann außerdem die Pumpe 100 in die Ausgangsstellung automatisch zurücksetzen [Auto-Reset], sobald die niedrigste Drehzahl erreicht ist. Die Verlangsamungsabstufung des Pumpenmotors kann angepasst werden. Das Überlauf-Zustandsmodul 102f führt das RUNOUT-Fehlerprogramm nach einer voreingestellten Schutzeinrichtungsverzögerung aus, um Störauslösefaktoren zu verhindern, die von Systemeinschwingungsvorgängen verursacht werden. Nach dem Ausführen von Schritt 20, führt das Überlauf-Zustandsmodul 102f die Steuereinheit 102 zu Schritt 12 bezüglich des Korrigierens der Drehzahl zurück, sobald der Überlaufzustand [RUNOUT beseitigt ist.
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Als Effektformel wird die Überlauf-Schutzeinrichtungsbedingung [RUNOUT] wie folgt ausgegeben: Verhältnis des aktuellen Motor-Drehmoments/korrigiertem BEP – Drehmoment = > C%.
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Eine typische Einstellung ist: > 120% des BEP-Drehmoments.
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Die Reaktionsfunktion des Antriebs kann so eingestellt werden, um entweder den Anwender der Pumpe zu warnen, dass kein weiterer Betriebsvorgang erfolgt, oder um die Drehzahl soweit zu reduzieren, dass das Verhältnis des aktuellen IST-Motor-Drehmoments/korrigiertem BEP-Drehmoment = C% ist. Der Schutzverzögerungszeitraum kann vorab zur Meldung eines RUNOUT Überlaufzustands eingestellt werden. Wenn sich der RUNOUT aufgelöst hat, wird die Drehzahl solange nach oben abgepasst, bis die C%-Bedingung erreicht oder der ursprünglich eingestellte Sollwert erzielt ist. Die Verlangsamungsabstufung während eines Überlauf-Zustands kann vom Anwender eingestellt werden, wie sie für die Anwendung geeignet ist. Die Antriebssteuerung kann außerdem eine RUNOUT-Bedingung automatisch in die Ausgangsstellung zurücksetzen [Auto-Reset], sobald die Geräteeinheit die niedrigste Drehzahl erreicht hat, um zu überprüfen, ob die Systemeinschwingungsvorgänge aufgelöst sind. Die Anzahl der Resets und die Zeitspanne zwischen den Resets können vom Anwender gewählt bzw. eingestellt werden. Sobald die Anzahl der Resets aufgebraucht ist, und falls sich der Negativzustand nicht aufgelöst hat, verweilt die Geräteeinheit solange in einer Minimaldrehzahl, bis der Anwender eine weitere Funktion ausübt.
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Betriebsbedingungen bei TROCKENLAUF = DRY RUN oder MINIMALLAUF = MIN FLOW
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Die Steuereinheit 102 weist ein Trockenlauf-/Minimallauf-Zustandsmodul 102e auf, welches ermittelt, ob sich die Pumpe in einem Trockenlaufzustand oder in einem Minimallaufzustand aufgrund des A%-Wertes befindet. Falls der Drehmomentvergleich kleiner als A% ist, dann leitet das Trockenlauf-/Minimallauf-Zustandsmodul 102e die Steuereinheit 102 zu Schritt 20 weiter, um den Betrieb der Pumpe 100 auf Basis eines Trockenlaufzustands zu steuern. Wenn im Gegensatz dazu der Drehmomentvergleich größer als A% ist, dann leitet das Trockenlauf-/Minimallauf-Zustandsmodul 102e die Steuereinheit 102 zu Schritt 24 weiter, um den Betrieb der Pumpe 100 auf Basis eines Minimallaufzustands zu steuern.
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TROCKENLAUF – DRY RUN – Betriebszustand
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Im Falle einer Trockenlaufbetriebsbedingung (falls der Drehmomentvergleich niedriger als A% ist), dann umfasst die Steuereinheit 102 ein Trockenlauf-Zustandsmodul 102g, das im Schritt 22 ermittelt, dass der Betriebszustand der Pumpe nicht O.K. ist, und passt entweder den Betrieb der Pumpe 100 an, oder gibt einen Warnhinweis für den Trockenlaufzustand aus, oder das Modul führt beides aus.
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Im Besonderen kann das Trockenlauf-Zustandsmodul 102g den Betrieb der Pumpe 100 beispielsweise durch ein Abschalten der Pumpe entsprechend anpassen. Im Gegensatz zur Überlaufbetriebsbedingung kann das Trockenlauf-Zustandsmodul 102g die Pumpe 100 nicht automatisch in die Ausgangsstellung zurücksetzen. Stattdessen muss der Anwender die Pumpe erneut starten. Das Trockenlauf-Zustandsmodul 102g führt das DRYRUN-Fehlerprogramm nach einer voreingestellten Schutzeinrichtungsverzögerung aus, um Störauslösefaktoren zu verhindern, die von Systemeinschwingungsvorgängen verursacht werden können. Nach dem Ausführen von Schritt 22 leitet das Trockenlauf-Zustandsmodul 102g die Steuereinheit 102 zu Schritt 26 weiter, um nach Programmbeendigung wieder die Standardbetriebsfunktion durchzuführen.
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Als Effektformel wird die Trockenlauf-Schutzeinrichtungsbedingung [DRY-RUN] wie folgt ausgegeben:
Wenn das Verhältnis des aktuellen Motor-Drehmoments/korrigiertem BEP-Drehmoment ist, dann < A%.
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Eine typische Einstellung erfolgt zu 40–65% des BEP-Drehmoments, obgleich der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht auf irgendeinen speziellen Prozentsatz eingeschränkt werden darf.
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Die Reaktionsfunktion der Steuereinheit 102 ist so programmiert, dass sie entweder den Anwender warnt, dass kein weiterer Betriebsvorgang erfolgen kann, oder dass sie einen Störfall ausgibt und die Pumpe 100 abschaltet. Ein Schutzverzögerungszeitraum kann vom Anwender bei der anfänglichen Inbetriebnahme so eingestellt werden, dass dieser vor der Meldung eines DRY-RUN-Zustands erfolgt. Jedoch kann die Steuereinheit 102 bei einer Störfallbedingung nicht automatisch in die Ausgangsstellung zurückgesetzt werden. Sobald bei der Pumpe ein Störfall auftritt, bleibt sie solange abgeschaltet, bis der Anwender einen Neustart vornimmt.
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MIN FLOW = MINIMALLAUF-Betriebszustand
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Im Gegensatz dazu umfasst im Falle eines Minimallaufbetriebszustands (falls der Drehmomentvergleich größer als A% ist) danach die Steuereinheit 102 ein Minimallauf-Zustandsmodul 102h, das im Schritt 24 ermittelt, dass der Betriebszustand der Pumpe nicht O.K. ist, und passt entweder den Betrieb der Pumpe 100 an, oder gibt einen Warnhinweis für den Minimallaufzustand aus, oder das Modul führt beides aus.
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Im Besonderen kann das Minimallauf-Zustandsmodul 102h den Betrieb der Pumpe 100 zum Beispiel durch ein Übergehen auf eine Mindestdrehzahl (MINSPEED) oder durch ein Abschalten der Pumpe (100) entsprechend anpassen. In ähnlicher Weise wie beim Überlaufzustand kann das Minimallauf-Zustandsmodul 102h die Pumpe 100 automatisch in die Ausgangsstellung zurücksetzen [Auto-Reset]. Das Minimallauf-Zustandsmodul 102h führt das MIN-FLOW-Fehlerprogramm nach einer voreingestellten Schutzeinrichtungsverzögerung aus, um Störauslösefaktoren zu verhindern, die von Systemeinschwingungsvorgängen verursacht werden können. Nachdem Schritt 24 ausgeführt worden ist, nimmt nach Programmbeendigung das Minimallauf-Zustandsmodul 102h in Schritt 26 die normale Betriebsfunktion wieder auf.
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Als Effektformel wird die Minimallauf-Schutzeinrichtungsbedingung [MIN-FLOW] wie folgt ausgegeben:
Wenn das Verhältnis des aktuellen Motor-Drehmoments/korrigiertem BEP-Drehmoment ist, dann ergibt dies < B%, aber > A%.
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Eine typische Einstellung für das B% ist 65–70% des BEP-Drehmoments, obgleich der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht auf einen bestimmten Prozentsatz eingeschränkt ist.
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Die Reaktionsfunktion der Steuereinheit 102 kann so eingestellt werden, dass entweder der Anwender gewarnt wird, dass kein weiterer Betriebsvorgang erfolgt, dass der Anwender gewarnt wird und zugleich die noch sichere Betriebsgeschwindigkeit (Warnhinweis & Steuerung) auf ein Minimum heruntergefahren wird, oder dass eine Störfallmeldung erfolgt und die Geräteeinheit abgeschaltet wird. Der Schutzverzögerungszeitraum kann zuvor vor einer diesbezüglichen Meldung eines MIN-FLOW-Zustands eingestellt werden. Die Steuereinheit 102 kann außerdem so eingestellt werden, dass sie die Warnhinweis- und Steuerungsbedingung oder den Störfall automatisch in die Ausgangsstellung zurückversetzt, um dann zu überprüfen, ob die Systemeinschwingungsvorgänge aufgelöst sind. Die Anzahl der Resets und die Zeitspanne zwischen den Resets ist eine Voreinstellung von Ausgangsparametern bzw. Standardwerten bei der ersten Inbetriebnahme und können vom Anwender angepasst werden. Sobald die Anzahl der Resets aufgebraucht ist, und falls sich der Negativzustand noch nicht aufgelöst hat, bleibt die Pumpe solange abgeschaltet, bis der Anwender einen Neustart vornimmt.
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Fig. 4: Die Steuereinheit 102
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4 zeigt die Steuereinheit 102 in näheren Einzelheiten und umfasst die vorstehend beschriebenen Module 102a, 102b, ..., 102i. Die Steuereinheit 102 weist außerdem ein Steuerprozessormodul 102j zum Steuern der Betriebsvorgänge der Steuereinheit 102 auf. Die Steuereinheit 102 umfasst zudem ein Eingangs-/Ausgangsmodul (welches nicht dargestellt ist) zum Empfangen und Senden von Daten, einschließlich von Steuerdaten zum Steuern des Betriebsvorgangs der Pumpe 100.
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Die verschiedenen Module 102a, 102b, ..., 102i, 102j in 4 können unter Anwendung einer Hardware, Software oder einer diesbezüglichen Kombination implementiert werden. Bei einer typischen Software-Implementierung würde/n ein oder mehrere der verschiedenen Module 102a, 102b, ..., 102i, 102j eine Architektur auf Mikroprozessorbasis aufweisen mit einem Mikroprozessor, einem RAM-Direktzugriffsspeicher (RAM = Random Access Memory), einem ROM-Festwertspeicher (ROM = Read-Only-Memory), Eingabe-/Ausgabeeinrichtungen, wobei die Steuer-, Daten- und Adressbusse dieselbigen verbinden. Eine technisch versierte Person wäre in der Lage, solch eine mikroprozessorbasierte Implementierung zur Ausführung der hierin beschriebenen Funktionalität ohne Experimentieraufwand zu programmieren. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung ist nicht auf irgendeine bestimmte Implementierung der verschienenen Module 102a, 102b, ..., 102i, 102j eingeschränkt.
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Die Korrektur des BEP-Drehmoments (TBEP)
in Bezug auf aktuelle IST-Drehzahlkonditionen
mit einem Leistungsoffset geschieht folgendermaßen:
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Übereinstimmend mit der vorstehenden Beschreibung wird eine Korrektur des BEP-Drehmoments (TBEP) bezüglich aktueller Drehzahlkonditionen mit einem Leistungsoffset ausgeführt. Diese Korrektur ist für Pumpen mit kleinen oder großen PS-Motoren besonders wichtig. Siehe hierzu 2A und 2B, in der 2A eine grafische Darstellung der Leistungsoffset-Kompensation für eine drehmomentgesteuerte Pumpenschutzeinrichtung mit einem –0,2 PS-Leistungsoffset (5-PS-Motor) zeigt, wogegen 2B eine Grafik der Leistungsoffset-Kompensation bezüglich einer drehmomentgesteuerten Pumpenschutzeinrichtung mit einem –0,9 PS-Leistungsoffset (100-PS-Motor) darstellt.
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Die mechanische Leistungsoffset-Korrektur passt die korrigierten BEP-Drehmomente an, was für kleinere PS-Motoreinheiten wichtig ist, die bei niedrigeren Drehzahlen laufen. Wie in 2A dargestellt, ist bei niedrigen Drehzahlen die Abweichung zwischen dem korrigierten (berechneten) BEP-Drehmoment % ohne Kompensation bezüglich mechanischer Verluste und dem aktuellen IST-Motordrehmoment % signifikant. Dies ist durch die kurvenförmig verlaufenden Kennlinien verstärkt wahrzunehmen, die das Kalkulationsdrehmoment Calc T% mit und ohne Kompensation für das Leistungsoffset (mechanische Verluste) zeigen. Die Leistungsoffset-Korrektur erweitert effektiv den nutzbaren Drehzahl- und Anwendungsbereich. Im Idealfall sollte das Kalkulationsdrehmoment Calc T% als horizontale Linie verlaufen, die sich für ein konstantes Betriebssystem über den ganzen Motordrehzahlbereich erstreckt. Es sei angemerkt, dass ohne die Leistungsoffset-Kompensation der nutzbare Drehzahlbereich in der Anwendung eingeschränkt wird.
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Im Gegensatz dazu zeigt 2B ein Diagramm mit einem etwas negativen Leistungsoffset (0,9% der Typenschild-Leistungsangaben), das den verarbeitenden Drehzahlbereich der drehmomentbasierten Pumpenschutzeinrichtung erweitert. Dem etwas negativen Leistungsoffset liegt eine leichte Überkompensierung in der korrigierten BEP-Drehmoment-%-Kalkulation bei niedrigen Drehzahlen zugrunde. Wie jedoch auch aufgezeigt wird, hat dies eine ausgesprochen gute Auswirkung für das Drehmoment-Kalkulationsverhältnis Calc T% (aktuelles IST-Motordrehmoment/korrigiertes BEP-Drehmoment). Es sei angemerkt, dass für den kleinen PS-Motor, der in Bezug auf 2A erwähnt wurde, aufgrund der Unterkompensierung durch mechanische Abdichtungs- und Traglagerverluste die Korrektur positiv war (+4% der Typenschild-Leistungsangaben). Zusammenfassend erklärt, kann das Leistungsoffset kleine und große PS-Motoren kompensieren, um den verarbeitenden Drehzahlbereich für Pumpenschutzeinrichtungen auf Drehmomentbasis zu erweitern.
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Der hierin aufgeführte Algorithmus korrigiert das Drehmoment am Bestpunkt [BEP] in Bezug auf die aktuelle IST-Betriebsdrehzahl aufgrund der nachstehenden Gleichungen.
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Für einen Drehzahlbereich über 33% Motorförderraten-Umdrehungen pro Minute = FL RPM (die tatsächlichen IST-% des Herstellers von variabel frequenzgestellten Antriebssystemen = VFD können etwas variieren) werden die folgenden Gleichungen angewendet: BEP-Drehmoment-Korrektur im Integralbremssystem (In-Lbs) – Corr BEP T In-Lbs = [[Aktuelle Drehzahl/BEP-Drehzahl)2 × [T-BEP-Trq Drehmoment-Offset]] + [[Akt. Drehzahl/BEP-Drehzahl] × Trq Drehmoment-Offset].
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Für einen Drehzahlbereich unter 33% Motorförderraten-Umdrehungen pro Minute = FL RPM (die tatsächlichen IST-% des VFD-Herstellers können etwas variieren) werden die folgenden Gleichungen angewendet: Corr BEP-T In-Lbs = [[Akt. Drehzahl/BEP-Drehzahl]2 × [T-BEP-Trq Drehmoment-Offset]] + [Trq Drehmoment-Offset], wobei:
- BEP-Drehzahl
- = Pumpendrehzahl, RPM ist, verbunden mit der BEP-Leistung. Ausgangsparameter/Standardwert = Motorvolllast-Drehzahl;
- BEP-Leistung
- = Leistung bei momentan spezifischem Gewicht, PS oder KW, Standardwert = 90% der Motornennleistung;
- Pwr Offset
- = Leistung, PS oder KW (mechanische Verluste, wie beispielsweise Abdichtungen und Traglager) (die Werte von diesen Parametern sind in den Leistungsinformationen des Herstellers nachzulesen);
- Tc
- = Momentane Motordrehzahl, in – LBS
[Integralbremssystemwerten];
T-BEP In-Lbs = [[63025 × BEP-Leistung]/BEP-Drehzahl] (BEP-Leistung erfolgt in PS-Angaben); T-BEP In-Lbs = [[63025 × [BEP-Leistung/0.74569]]/BEP-Drehzahl] (BEP-Leistung erfolgt in KW-Angaben); Trq Drehmoment-Offset In-Lbs = [[63025 × Pwr Offset]/BEP-Drehzahl] (Pwr – Leistungsoffset erfolgt in PS-Angaben) Trq Drehmoment-Offset In-lbs = [[63025 × [Pwr Offset/0.74569]]/BEP-Drehzahl] (Pwr Leistungsoffset erfolgt in KW-Angaben)
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Schutzumfang der vorliegenden Erfindung
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Dementsprechend umfasst die vorliegende Erfindung die kennzeichnenden Merkmale einer Neukonstruktion, einer Kombination von Elementen und eine Anordnung von Einheiten, die in dieser Beschreibung als Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemäße Ausgestaltung dienen, wie sie in der Patentdokumentation definiert ist.
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Folglich ist zur Kenntnis zu nehmen, dass die zuvor festgelegten Ziele, und die aus der obigen Beschreibung hervorgehenden Aufgaben, effektiv erreicht werden, und da bestimmte Änderungen im Hinblick auf die vorstehende Ausgestaltung gemacht werden können – ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen –, ist beabsichtigt, dass alle Punkte, die in der vorstehenden Beschreibung enthalten oder in der zugehörigen Zeichnung dargestellt sind, nur als Veranschaulichung und nicht als Einschränkung ausgelegt werden dürfen. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung weist zum Beispiel ein Verfahren auf, das unter Anwendung von aktuellen IST-Leistungswerten und einer drehzahlkorrigierten Leistung am Bestpunkt (BEP = Best Efficiency Point) ausgeführt wird. Die Erfindung ist hierin unter Anwendung eines Drehmoments aufgezeigt und beschrieben worden, da viele bekannte, frequenzgestellte Antriebssysteme (VFD) korrekte mathematische Modelle für im Einsatz befindliche Motoren anlegen, um eine präzise Steuerung im Hinblick auf Drehzahl und Drehmoment herzustellen. In solch einer Ausführungsform kann dann die Leistung von diesen Drehzahl- und Drehmomentwerten abgeleitet werden.