DE3026076C2

DE3026076C2 - Steuerung für einen Naßläufermotor zum Antrieb einer Umwälzpumpe

Info

Publication number: DE3026076C2
Application number: DE19803026076
Authority: DE
Inventors: Niels Due Bjerringbro Jensen; Horst Prof. Dr. 2361 Wittenborn Komoßa
Original assignee: Grundfos Pumpenfabrik 2362 Wahlstedt De GmbH; Grundfos Pumpenfabrik 2362 Wahlstedt GmbH
Current assignee: Grundfos AS
Priority date: 1980-07-10
Filing date: 1980-07-10
Publication date: 1983-09-01
Also published as: DE3026076A1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Steuerung für einen Naßläufermotor mit mindestens zwei einstellbaren Drehzahlen zum Antrieb einer Umwälzpumpe für eine mit Wasser als Wärmeträger betriebene Heizungsanlage, bei der die über eine Regelung gesteuerte Wärmeleistung der Anlage sich in der Temperatur des geförderten Wassers ausdrückt und dadurch das Temperaturfeld des Motors mitbestimmt, indem das von der Umwälzpumpe geförderte Wasser als Wärmesenke die im Motor entstehende Verlust-Stromwärme größtenteils aufnimmt.

Für eine Warmwasser-Zentralheizung schreibt der Gesetzgeber bei Gebäuden mit zwei oder mehr Wohneinheiten eine witterungsgeführte Vorlauftempe- ^b0 raturregelung vor Dies bedeutet, daß die Außentemperatur nicht nur die Wärmeleistung der Heizungsanlage, sondern auch die Temperatur des vom Heizungskessel in die Heizkörper geförderten Wassers bestimmt.

Die zur Förderung des Wassers erforderlichen ^b5 Umwälzpumpen sind sogenannte Naßlaufaggregate, wie sie z. B. in den deutschen Offenlegungsschriften 60 748 und 25 29 399 dargestellt und beschrieben sind Bei solchen Pumpen fließen die im Stator entstehenden Stromwärme-Verluste zu etwa 90% durch das Spaltrohr zu dem im Rotorraum befindlichen Wasser und von dort aus weiter durch die den Pumpenraum und den Motorraum trennende Wand zum Hasser des Heizkreises. Das von der Pumpe geförderte Wasser ist demnach eine Wärmesenke für die im Motor entstehenden Leistungsverluste, das heißt, die Temperatur des umgewälzten Wassers bestimmt das Temperaturfeld des Elektromotors.

Bei einer Heizungsanlage eines Gebäudes ist einerseits die Wärmeleistung der Anlage zeitlichen Änderungen unterworfen und ist andererseits die Pumpe eine Strömungsmaschine, deren Betriebsdaten den Modellgesetzen V ~ η und P — n⁵ folgen, wobei V der Vrlumenstrom, P die elektrische Antriebsleistung und η die Drehzahl der Maschinen sind. Da bei kleinen Wärmeleistungen der Anlage nur ein kleiner Volumenstrom umgewälzt werden muß, lassen sich erhebliche Beträge der Antriebsleistung einsparen, wenn die Arbeitsmaschinen mit Drehzahlen entsprechend der geforderten Wärmeleistung der Anlage, also mit leistungsrechten Drehzahlen gefahren werden. Bei drehzahlsteuerbaren Umwälzpumpen liegt die Einsparung an Pumpenantriebsleistung nachgewiesenermaßen bei etwa 70%, was bei der jetzigen Situation auf dem Energiesektor von besonderer Bedeutung ist

Die Forderung, daß Arbeitsmaschinen in Kreislaufanlagen mit leistungsgerechter Drehzahl gefahren werden sollten, ist allgemein bekannt. Es sind auch bei größeren Einheiten Steuersysteme auf dem Markt, die mittels temperaturgesteuerter Schaltelemente die Drehzahl der Arbeitsmaschinen auf die Wärmeleistung der Anlage abstimmen. Diese separat gelieferten Steuerungen haben aber den Nachteil, daß sie teuer und nur vom Fachmann zu installieren sind. Darüber hinaus werden solche Anlagen vom Betreiber als kompliziert und störanfällig angesehen, so daß von den an sich gebotenen Möglichkeiten der Energieeinsparung nur selten Gebrauch gemacht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aufgezeigten Mängel zu beheben und einen sich selbst steuernden Naßläufermotor zu schaffen, der vom baulichen Aufwand her gesehen und im Vergleich zum sonstigen Aufbau des Motors nur unwesentlich in Erscheinung tritt. Die Steuerung soll ferner so einfach und billig sein, daß Naßläufermotoren für Anlagen der erwähnten Art auf breiter Basis eingesetzt werden und als sich selbst anpassende »intelligente« Antriebsmaschinen auch dort Energie einsparen helfen, wo der Betreiber der jeweiligen Anlage selbst wenig Anreiz zum Energiesparen sieht.

Diesp Aufgabe wird nach der Erfindung bei der eingangs erwähnten Steuerung für einen Naßläufermotor dadurch gelöst, daß die einer bestimmten Wärmeleistung der Anlage entsprechende bzw. zugeordnete Motordrehzahl über mindestens einen im Temperaturfeld des Motors liegenden Temperaturfühler einstellbar ist.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird für einen Naßläufermotor, bei dem verschiedene Drehzahlen mit einem Wicklungsschalter durch Reihen- und/oder Parallelschaltung von Motorwicklungen einstellbar sind, deren Anschlüsse zu Kontakten in dem am Motorgehäuse befindlichen Klemmkasten geführt sind, der Temperaturfühler mit Wicklungsschalter im Klemmkasten oder in einer Ausnehmung bzw. einem sonstigen Hohlraum des Motorgehäuses angeordnet.

Die Funktion des Temperaturfühlers und des Wicklungsschalters kann ein Thermostat im Klemmenkasten des Motors übernehmen, da dieser eine einfache, kostengünstige und gegebenenfalls auch nachträglich mögliche Montage und Anbringung gewährleistet. Bei Motorleistungen im Bereich von einigen 1000 W kann der Thermostat ein einfacher Bimetall-Schalter sein, während bei größeren Leistungen der temperaturgesteuerte Schalter auch auf die Spule des am Klemmkasten befestigten Motorschaltschützes einwirken und dadurch die Drehzahlumschaltung herbeiführe« kann.

Die Drehzahlen des Elektromotors können in bekannter Weise durch Reihen- und/oder Parallelschaltung von Motorwicklungen eingestellt werden, wobei die Anschlüsse der Wicklungen normalerweise zu Kontakten im Klemmenkasten geführt sind. Der ebenfalls im Klemmenkasten angeordnete Thermostat kann dann direkt die erforderliche Schaltung der Motorwicklungen durchführen. Wenn allerdings die Drehzahlen durch einen die Motorwicklungen schaltenden und gesonderten Drehzahlwahlschalter einstellbar sind, könnte der Thermostat auch so in den Schaltkreis angeordnet werden, daß er den Drehzahlwahlschaher zur Einsteilung einer anderen leistungagerechten Drehzahl übersteuert, sofern die mit dem e'-wähnten Schalter eingestellte Drehzahl nicht mit der leistungsgerechten Drehzahl übereinstimmen sollte.

Durch die Lösung nach der Erfindung erfolgt eine leistungsgerechte Anpassung der Drehzahl des Naßläufermotors an den augenblicklichen, durch eine von außen einwirkende Regelung angeforderten Wärmeenergiebedarf der Anlage selbst, wobei eine solche Regelung z. B. witterungsgeführt sein kann.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung zeigen folgende Betrachtung. Die durchschnittliche Antriebsleistung von Umwälzpumpen in Warmwasser-Zentralheizungsanlagen für Häuser mit drei Wohneinheiten liegt bei 100 W. In der Bundesrepublik Deutschlang gibt es etwa 10 Mio. Gebäude mit ca. 23 Mio. Wohnungen, von denen etwa 60% zentral beheizt werden. Die Antriebsleistung aller Pumpen ergibt damit eine Leistung voii 600 MW. Von dieser Leistung ließen sich durch ein leistungsgerechtes Fahren der Pumpe bei Teillast etwa zwei Drittel einsparen. Wenn man davon ausgeht, daß eine Heizungsanlage während der etwa 5.500 Stunden pro Jahr dauernden Heizperiode betrieben wird und dies in die vorherige Betrachtung mit einbctieht, dann kommt man bei den zur Zeit gültigen Energiepreisen zu einem Geldbetrag von 300 bis 400 Mio DM, der bei leistungsgerechter Moterdrehzahl und aufgrund der an sich möglichen Reduzierung der Pumpenleistung jährlich eingespart werden könnte, ohne daß jemand einen Nachteil im Kauf zu nehmen hätte.

Nach der DE-OS 27 57 204 ist es bei Kältemaschinen bekannt, das Drehmoment des Antriebsmotors in Abhängigkeit von einer Zustandsgröße der Kältemaschine an den tatsächlichen, in der Anfangsphase hohen und anschließend niedrigeren Drehmomentbedarf anzupassen, um zu einem günstigen Wirkungsgrad zu kommen. Eine tatsächlich durch Verbraucher oder äußere Einflüsse vom Kühlaggregat geforderte Kälteleistung ist dabei ohne Einfluß auf die Steuerung. Eine Übertragung dieser bekannten Merkmale auf die Steuerung von Naßläufermotoren für den Antrieb von Umwälzpumpen in Warmwasserheizungsanlagen ist nicht möglich, da Drehmomentänderungen des Pumpenmotors bei konstanter Drehzahl für den eigentlichen Energiebedarf der Anlage nichts bringen. Es besteht also ein entscheidender Unterschied darin., daß nach dem Stand der Technik das Drehmoment und nach der Erfindung die Drehzahl des Motors zur Einsparung elektrischer Antriebsenergie verwendet wird, wobei zu beachten ist, daß Kompressoren von Kältemaschinen Verdrängermaschinen sind, deren Leistung der Drehzahl proportional ist Umwälzpumpen nach der Erfindung sind dagegen Strömungsmaschinen, bei denen sich die Leistung mit der dritten Potenz der Drehzahl ändert.

Nach der DE-AS 20 57 367 bestimmt bei einem Elektromotor die Wärmeleistung als Maß für die abgegebene Leistung des Motors das Temperaturfeld des Motors. Im Gegensatz hierzu geht es bei der Erfindung nicht um eine Wärmeleistung, sondern um eine Leistungsforderung, die von außen an einen Naßläufermotor für Warmwasserheizungsanlagen gestellt wird.

In der anliegenden Zeichnung ist ein praktisches Ausführun^sbeispiel der Erfindung schematisch darge stellt. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch ein Umwälzpumpen aggregat und

2ί F i g. 2 die schaltungstechnische Ausführung eines Elektromotors mit den erfindungsgemäßen Merkmalen. Das in F i g. 1 gezeigte Pumpenaggregat ist vom Aufbau und der Funktion her gesehen allgemein bekannt und unter anderem in den eingangs erwähnten

«ι Offenlegungsschriften dargestellt und beschrieben, auf die hier zur Vermeidung von Wiederholungen Bezug genommen wird. Nachfolgend braucht deshalb nur noch auf einige im Zusammenhang mit der Erfindung bedeutsame Merkmale eingegangen zu werden.

r> Die in den Wicklungen 1 und dem Blechpaket 2 des Stators entstehende Verlust-Stromwärme fließt zu ungefähr 90% durch das Spaltrohr 3 zu dem im Rotorraum 4 befindlichen Wasser und von dort weiter durch die Trennwand 5 zum Wasser im Pumpenraum 6.

Somit ist das vom Kreiselrad 7 geförderte Wa¹SKr als eigentliche Wärmesenke für die im Pumpenmotor entstehenden Leistungsverluste anzusehen. Das bedeutet Jementsprechend, daß die Temperatur des umgewälzten Wassers das Temperaturfeld des Motors und

4-. damit unter anderem die Temperatur im ICIemmenkasten 8 bestimmt, der in üblicher Weise die elektrischen Anschlüsse der Motorwicklungen 1 aufnimmt und in dem vorteilhafterweise der Thermostat 9 untergebracht sein soll, obwohl natürlich auch andere Anbringungsorte

Vi möglich sind, sofern der Thermostat im Einflußbereich des Motortemperaturfeldes liegt.

Bei dem gezeigten Elektromotor handelt es sich um einen Einphasenmotor 10 (F i g. 2) mit zwei Drehzahlen, die mittels des Drehzahlwahlschalters 11 durch Reihen-

r. oder Parallelschaltung von Haupt- und/oder Hilfswicklungen eingestellt werden. Der im Klemmenkasten 8 befindliche Thermostat 9 schaltet beim Erreichen der dem jeweiligen Anwendungsfall entsprechend vorzugebenden Schalttemperatur die Drehzahl um, und zwar in

bo Abhängigkeit von der geforderten und das Motortemperaturfeld beeinflussenden Wärmeleistung.

Bei Motoren zum Antrieb von Umwälzpumpen in Heizungsanlagen mit witterungsgeführter Vorlauftemperaturregelung wird man mit dem Drehiahlschalter 11

b^r> wie dargestellt den Motor 10 im allgemeinen von vornherein auf die niedrige energiesparende Drehzahl 1 schalten. Steigt die Temperatur im Klemmenkasten 8 des Motors durch das Hochfahren der Wärmeleistung

bei tiefen Außentemperaturen an, dann springt der Thermostat 9 in die strichliert angedeutete Stellung um, übersteuert den Drehzahlwahlschalter 11 und schaltet gleichzeitig den Motor auf die höhere Drehzahl 2 um. Wie schon eingangs erwähnt wurde, könnte allerdings ~> auch der Schalter 11 entfallen und der Thermostat 9 allein die jeweils erforderliche Schaltung der Motorwicklungen übernehmen. In diesem Fall wären die Leitungen a und b direkt zu verbinden, während die Leitung centfällt und der Thermostat an die Stelle des in Schalters 11 gesetzt wird.

Sobald die Temperatur im Klemmenkasten 8 duich Absenken der erforderten Wärmeleistung abfällt, wird der Thermostat nach Erreichen der Schalttemperatur wieder auf die niedrigere Motordrehzahl umschalten. r> Bei Kühlluftgebläsen ergeben sich im Prinzip die gleichen Verhältnisse wie beschrieben. Dabei sind aber auch Fälle denkbar, beispielsweise bei Klimaanlagen, bei denen nach dem Erreichen der Schalttemperatur zunächst von der hohen auf die niedrigere Drehzahl umgeschaltet wird.

Falls der Motor mit mehr als zwei Drehzahlen arbeiten soll, könnten auch mehrere Thermostate eingesetzt werden, deren Schaltfunktion auf verschiedene vorgegebene Schalttemperaturen abgestimmt sind.

Der gleichzeitig die Funktion eines Temperaturfühlers und Schalters ausführende Thermostat kann auch durch sonstige bekannte Temperaturfühler ersetzt werden, denen gesondert Schalter zugeordnet sind, mit denen Wicklungen des Motors zur Drehzahländerung geschaltet werden oder die wie beschrieben den Drehzahlwahlschalter im gegebenen Fall übersteuern. Im übrigen muß der Thermostat bzw. der Temperaturfühler nicht unbedingt im Klemmenkasten untergebracht sein. Er könnte auch in einer speziell vorzusehenden Ausnehmung oder einem sonstigen Hohlraum des Motorgehäuses angeordnet sein, also extra im freien Raum neben den Motorwicklungen.

Für den Ort der Anbringung des Thermostaten bzw. Temperaturfühlers ist es nur entscheidend, daß er in den von der Wärmeleistung der Anlage mitbestimmten Temperaturfeld des Motors liegt. Schließlich erscheint es zweckmäßig, den Temperaturfühler kraft- oder formschlüssig u.nd auswechselbar zu befestigen, '.ve;!; eine besondere Halterung beispielsweise im Klemmenkasten vorgesehen werden könnte.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Steuerung für einen Naßläufermotor mit mindestens zwei einstellbaren Drehzahlen zum ί Antrieb einer Umwälzpumpe für eine mil Wasser als Wärmeträger betriebene Heizungsanlage, bei der die über eine Regelung gesteuerte Wärmeleistung der Anlage sich in der Temperatur des geförderten Wassers ausdrückt und dadurch das Temperaturfeld ι» des Motors mitbestimmt, indem das von der Umwälzpumpe geförderte Wasser als Wärmesenke die im Motor entstehende Verlust-Stromwärme größtenteils aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die einer bestimmten Wännelei- ι ί stung der Anlage entsprechende bzw. zugeordnete Motordrehzahl über mindestens einen im Temperaturfeld des Motors liegenden Temperaturfühler einstellbar ist

2. Steuerung für einen Naßläufermotor nach Anspruch 1, bei sicm verschiedene Drehzahlen mit einem Wicklungsscha'tcr durch Reihen- und/oder Parallelschaltung von Motorwicklungen einstellbar sind, deren Anschlüsse zu Kontakten in dem am Motorgehäuse befindlichen Klemmenkasten geführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler mit Wicklungsschalter im Klemmkasten oder in einer Ausnehmung bzw. einem sonstigen Hohlraum des Motorgehäuses angeordnet ist

3. Steuerung nach Anspruch 2, dadurch gekenn- JO zeichnet, daß ein die Funktion des Temperaturfühlers und Wicklung-schalters übernehmender Thermostat die Motorwicklungen direkt schaltet.

4. Steuerung für einen Naßläufermotor nach Anspruch 2, bei dem die Drehzahlen d»xch einen die -35 Motorwicklungen schaltenden Dreh^ahlwahlschalter einstellbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler den Drehzahlwahlschalter zur Einstellung einer anderen leistungsgerechten Drehzahl übersteuert, sofern die mit dem Drehzahlwahlschalter eingestellte Drehzahl nicht der leistungsgerechten Drehzahl entspricht.