DE3225141A1

DE3225141A1 - Drehzahlgeregeltes pumpenaggregat

Info

Publication number: DE3225141A1
Application number: DE19823225141
Authority: DE
Inventors: Nils Due Jensen; Bent 8850 Rodkersbro Larsen; Kurt Frank 8850 Bjerringbro Nielsen
Original assignee: Grundfos AS
Current assignee: Grundfos AS
Priority date: 1982-07-06
Filing date: 1982-07-06
Publication date: 1984-02-16
Also published as: FR2529965B1; IT8321939A1; IT8321939A0; IT1164299B; DE3225141C2; JPS5974392A; GB2124304B; FR2529965A1; GB2124304A; GB8318212D0

Abstract

Bei einem Pumpenaggregat, das aus einem Elektromotor und einer von diesem angetriebenen Kreiselpumpe besteht, kann die Drehzahl in Abhängigkeit von ausgewählten Betriebsgrößen des Aggregates stufenweise im Bereich eines Kennfeldes geregelt werden, dessen Grenzen einerseits durch die beiden Drosselkurven für die maximale und minimale Drehzahl und andererseits durch die Koordinaten Förderhöhe und Förderstrom bestimmt werden. Auf den für konstante Drehzahlen geltenden Drosselkurven kann jeweils eine bestimmte Teilstrecke festgelegt weden. Beim Erreichen der für die Endwerte der Teilstrecken repräsentativen Betriebsgrößen des Aggregates wird eine Drehzahlumschaltung ausgelöst, indem die Drehzahl abgesenkt wird, wenn auf einer Teilstrecke der eine Endwert mit der größeren Förderhöhe und dem kleineren Förderstrom erreicht ist, und erhöht wird, wenn auf der betreffenden Teilstrecke der andere Endwert mit der kleineren Förderhöhe und dem größeren Förderstrom erreicht ist.

Description

3225U1

Anmelder: Grundfos A/S,

Oestre Ring Vej 7-11, DK-Ö850 Bjerringbro

Drehzahlgeregeltes Pumpenaggregat

Die Erfindung betrifft ein drehzahlgeregeltes Pumpenaggregat, bestehend aus einem Elektromotor und einer von diesem angetriebenen Kreiselpumpe, deren Drehzahl η in Abhängigkeit von ausgewählten Betriebsgrößen des Aggregates stufenweise im Bereich eines Kennfeldes regelbar ist, dessen Grenzen einerseits durch die beiden Drosselkurven H(Q) für die maximale und minimale Drehzahl und andererseits durch die Koordination Förderhöhe H und FörderstroiTi Q bestimmt werden.

Der Betriebspunkt einer Pumpenanlage fällt bekanntlich in den Schnittpunkt der Anlagenkennlinie EL (Q) und der Drosselkurve der Pumpe H (Q). jhderungen dieses Betriebspunktes machen deshalb eine Veränderung aer Anlagenkennlinie, der Puirpenkennlinie oder beider Kennlinien erforderlich.

Das Verändern der Anlagenkennlinie durch Drosseln einer Armatur oder durch öffnen eines Bypasses führt bekanntlich zu Energieverlusten. Im. Gegensatz hierzu kann das Anpassen der Pumpenkennlinie durch Drehzahländerung an dem gewünschten Betriebszustand der Anlage nahezu verlustlos durchgeführt werden. Ne-

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ben dem hierbei geringeren Energieaufwand ist es außerdem in vielen Fällen von Vorteil, daß die drehzahlgeregelte Pumpe auch nur die Druckdifferenz liefert, die von der Anlage benötigt wird, so daß Strömungsgeräusche vermieden werden können. Der Anlagenbauer fordert daher ein Pumpenaggregat, dessen Drosselkurve weitgehend mit gutem Wirkungsgrad an die verschiedenen Anlagenkennlinien angepaßt und darüber hinaus möglichst einfach installiert werden kann.

In diesem Zusammenhang ist deshalb schon mehrfach der Wunsch nach Pumpen vorgetragen und diskutiert worden, deren Kennlinien willkürlich gelegt werden können, wobei angestrebt wird, Jie Pumpe nach Möglichkeit außerhalb des Kennfeldbereiches zu betreiben, der sonst Strömungsgeräusche im Wasser führenden System und ein schlechtes Regelverhalten erwarten läßt.

Es sind unter Berücksichtigung dieser Überlegung entwickelte Pumpen auf dem Markt, deren Drehstrom-Kurzschlußläufermotor über einen Frequenzumformer stufenlos drehzahlgeregelt gefahren werden kann. Die von der Pumpe erzeugte und gemessene Druckdifferenz und der ebenfalls gemessene Volumenstrom werden dabei mit einer vorprogrammierten Aggregatkennlinie verglichen und über die Drehzahl auf diese Kennlinie eingestellt. Derartig gesteuerte Pumpenaggregate sind aber wegen des meßtechnisehen Aufwandes sehr teuer. Außerdem ist ihre Steuerung kompli-

ziert und wegen des beträchtlichen Installationsaufwandes sehr anfällig. Diese Aggregate sind deshalb meist auf große Leistungen beschränkt und müssen von Facftleuten eingebaut werden. '

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein billiges und einfaches drehζahIgeregeltes Pumpenaggregat zu schaffen, dessen Aggregatkennlinie im Prinzip beliebig gewählt werden kann. Diese Kennlinie soll im Betrieb des Aggregates durch stufenweise Drehzahlumschaltung weitestgehend erreicht werden können, ohne daß eine aufwendige Meßtechnik erforderlich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird das eingangs erwähnte Pumpen-... aggregat nach der Erfindung so ausgebildet, daß auf den für die Drehzahlen n.= konst. geltenden Drosselkurven H(Q) je eine bestimmte Teilstrecke festlegbar ist und daß beim Erreichen der für die Endwerte der Teilstrecken repräsentativen elektrischen oder hydraulischen Betriebsgrößen des Aggregates eine Drehzahlumschaltung ausgelöst wird, indem die Drehzahl abgesenkt wird, wenn auf einer Teilstrecke der eine Endwert mit der größeren Förderhöhe H und dem kleineren Förderstrom Q erreicht ist, und erhöht wird, wenn auf der betreffenden Teilstrecke der andere .Endwert mit der kleineren Förderhöhe H und dem größeren Förderstrom Q erreicht ist. Durch die Teilstrecken kann eine gedachte, für den jeweiligen praktischen Anwendungsfall des Aggregates willkürlich vorgewählte Regelkennlinie H^(Q) gelegt

werden, so dab beim Erreichen der für die Endwerte der Teilstrecken repräsentativen hydraulischen oder elektrischen Betriebsgrößen des Aggregates die Drehzahlumschaltung ausgelöst wird, indem die Drehzahl abgesenkt wird, wenn im Kennfeld ein oberhalb der Aggregatkennlinie liegender Endwert erreicht ist, und erhöht wird, wenn ein unterhalb der Aggregatkennlinie liegender Endwert erreicht ist.

Die vorgegebene Kegeltennlinie Hj, (Q) schneidet also eine Reihe von Drosselkurven, wobei jeder dieser Schnittpunkte durch die Endwerte der betreffenden Teilstrecke der Drosselkurve eingegrenzt wird, so daß die für die Endwerte maßgebenden hydraulischen oder elektrischen Betriebsgrößen dann zur Umschaltung der Drehzahl herangezogen werden können und die vorgewählte Anlagenkennlinie durch die Aneinanderreihung der Teilstrecken von Drosselkurven verschiedener Drehzahl angenähert wird.

Die Figur 1 zeigt eine Reihe von Drosselkurven H(Q). für konstante Drehzahlen η . Bei unveränderter Anlage gelten die als Affinitätsgesetze bezeichneten Beziehungen Q₁ZQ₂ = n₁/n_?, H₁Z

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h₂ = n.j / n. und P₁Zp₂ = n^ / ⁿ ₂ ' ^{wobei Q der} Förder strom,

H die Förderhöhe, P die elektrische Antriebsleistung und η die Drehzahl des Pumpenaggregates bedeuten.

Da sich im H,Q-Diagramm die Abszisse linear, die Ordinate je-

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doch quadratisch mit der Drehzahl η ändert, liegen die zugeordneten Punkte der verschiedenen Drosselkurven auf Parabeln R₁ bis R , die ihren Scheitel im Koordinaten-Nullpunkt haben. Alle Schnittpunkte einer solchen Parabel R mit den Drosselkurven H(Q) sind durch ähnliche Geschwindigkeitsdreiecke und gleichen Stoßzustand gekennzeichnet. Sie haben außerdem, wenn das Verhältnis zwischen der maximalen und der minimalen Drehzahl nicht zu groß ist, einen nahezu gleichen Wirkungsgrad. Für alle Schnittpunkte einer Parabel mit den Drosselkurven er-

1U geben sich daher ganz bestimmte Zahlenwerte k, nämlich Q/n = k_, H/n² = k oder P/n³ = k . Das gleiche gilt auch für die elektrischen Daten, die beim Arbeiten des Pumpenaggregates an den erwähnten Schnittpunkten festzustellen sind, also etwa für die Stromstärke des Antriebsmotors, die Spannung am Motorkondensator, die Spannung an den Wicklungen und dergleichen.

Wie bereits erwähnt wurde, teilen die Parabeln R₁ bis R alle Drosselkurven H(Q) in bestimmte Teilstrecken ein und ordnen den Enden dieser Teilstrecken bestimmte und für die betreffende Parabel repräsentative Betriebsdaten zu, so daß das Kennfeld mit einem Netz von eindeutig definierten Punkten überzogen ist. Jeder dieser Punkte kann als Endpunkt für eine auszuwählende Teilstrecke in der Weise herangezogen werden, daß die Drehzahl abgesenkt wird, wenn auf einer Teilstrecke der eine Endwert mit der größeren Förderhöhe H bzw. dem kleineren For-

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derstrom Q erreicht ist, und erhöht wird, wenn auf der betreffenden Teilstrecke der andere Endwert mit der kleineren Förderhöhe H und dem größeren Förderstrom Q erreicht ist.

Wenn man durch die Teilstrecken eine gedachte, für den jeweiligen praktischen Anwendungsfall des Aggregates willkürlich vorgewählte Regelkennlinie H (Q) legt, bedeutet der vorher beschriebene Vorgang mit anderen Worten, daß jeder oberhalb oder links der P.eqelkennlinie liegende Endpunkt des Netzes zum Absenken der Drehzahl und jeder unterhalb oder rechts der Regelkennlinie befindliche Endpunkt zum Hochschalten benutzt werden kann.

Vie man diese End- bzw. Schaltpunkte zweckmäßigerweise wählen soll, wird später im einzelnen erläutert. Auf jeden Fall werden die maßgebenden Daten für diese Punkte als Steuerprogramm

abgespeichert, so daß man sich der Regelkennlinie durch das Abfahren der Teilstrecken auf den Drosselkurven bei verschiedenen Drehzahlen sägezahnähnlich annähern kann. 20

Der besondere Vorteil dieser Lösung ist der, daß nicht mehr die nur mit teuren Geräten meßbaren hydraulischen Daten, wie Druckdifferenz und Förderstrom, erfaßt und zur Steuerung des Aggregates benutzt werden müssen, sondern daß die wesentlich einfacher zu messenden elektrischen Größen, wie Stromstärke

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und Spannung am Betriebskondensator, an der Motorwicklung und dergleichen, verwendet werden, die dann kombiniert mit bzw. bezogen auf die bekannte oder gemessene Drehzahl die Umschaltsignale liefern.

Weiterhin ist zu bemerken, daß die Maschenweite des vorher erwähnten Netzes, das aus den Drosselkurven H(Q) und den Parabeln R gebildet wird, nach einer arithmetischen oder geometrischen Reihe abgestuft sein kann. Im zweiten Fall wird mit einer geringeren Anzahl von Drehzahlstufen gearbeitet und die Regelkennlinie mit stets gleicher prozentualer Genauigkeit angenähert.

Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß das Pumpenaggregat mit der erforderlichen Steuerung zu einer montagefertigen Baueinheit: zusammengefaßt werden kann, das wie jedes andere ungeregelte Pumpenaggregat elektrisch anzuschließen und zu montieren ist, weil alle Steuersignale am Aggregat abgegriffen und in der am Motor befindlichen Steuereinheit verarbeitet werden.

Bei dem in Figur 1 dargestellten Diagramm gehört die Drosselkurve H(Q)₁ zur niedrigsten Drehzahl n.., während die Drosselkurve H(Q)₇ zur höchsten Drehzahl n₇ gehört. Diese beiden Kurven begrenzen mit der Förderhöhe H als Ordinate und mit dem Förderstrom Q als Abszisse das Feld, in dem die möglichen Be-

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triebspunkte der Pumpe liegen können. Aus praktischen Gründen, also wenn man beispielsweise einen Betrieb mit gutem Wirkungsgrad oder ein gutes Saugverhalten der Pumpe wünscht, wird man sich jedoch einschränken und als Grenzen nicht die Koordinatenachsen, sondern bestimmte Affinitätsparabeln wählen. Dies sind in Figur 1 die Kurven R- und R„.

Zur Erleichterung der Diskussion wird jeder Schnittpunkt zwischen einer Affinitätsparabel R und Drosselkurve H(Q) mit den Ziffern der Kurven bezeichnet. Als Beispiele werden die Ziffer 97 als Schnittpunkt der Parabel R_g mit der Drosselkurve H(Q)₇ und die Ziffer 26 als Schnittpunkt der Parabel R- mit der Drosselkurve H(Q)g genannt. Das für das betrachtete Pumpenaggregat in Frage kommende Einsatzfeld ist demnach ein Viereck mit den Eckpunkten 97-17-11-91, wobei zu beachten ist, daß das Aggregat auf der Drosselkurve H(Q)^ auch bis zum Förderstrom Null und auf der Drosselkurve H(Q)- bis zur Förderhöhe Null fahren kann, was durch die von den Punkten 17 und 92 ausgehende Pfeile angedeutet ist.

Wenn nun der Anlagenplaner eine Regelkennlinie H_x-(Q) vor -

schreibt, die in dem in Figur 1 dargestellten Beispiel eine zwischen den Punkten χ und y verlaufende Gerade sein soll, dann schneidet diese Gerade bestimmte Teilstrecken auf den Drosselkurven H(Q) in der Weise, daß beiderseits der Anlagen-

kennlinie ausgewählte Endpunkte der Teilstrecken liegen, also beispielsweise die Punkte 37 und 57 für die Drehzahl n₇, Endpunkte 35 und 65 für die Drehzahl n₅ usw. Im Betrieb der Pumpe kann man sich dann der Regelkennlinie E_. (Q) annähern, indem man auf Teilstrecken der für verschiedene Drehzahlen geltenden Drosselkurven fährt. Hierbei ist es übrigens unerheblich, ob die Anlagenkennlinie als untere oder obere Grenze oder auch wie dargestellt als Mittelwert für den Betrieb des Aggregates gewählt wird, da dies im Prinzip nur im Ermessen des Anlagenplaners liegt.

Zum besseren Verständnis eines Regelbeispieles wird das in Figur 2 gezeigte Diagramm betrachtet, das einen vergrößerten Ausschnitt des Kennfeldes aus Figur 1 darstellt. Die Anlage wird beispielsweise geplant für den Förderstrom Q und die For-

derhöhe H . Im Teillastgebiet sollen sich die Betriebspunkte

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an der Regelkennlinie IL (Q) orientieren, die hier als Mittelwert gewählt wurde. Weiterhin wird davon ausgegangen, daß es sich bei der Anlage um eine Warmwasserzentralheizung mit Thermostatventilen an den Heizkörpern handelt.

Der für die maximale Leistung errechnete Betriebspunkt χ liegt zwischen den Affinitätsparabeln R₃ und R₄ auf der Drosselkurve H(Q) η. Wenn nun einige Thermostatventile schließen, dann steigt die Druckdifferenz bzw. die Förderhöhe H, und der Betriebspunkt

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- 12 χ bewegt sich in Richtung des Netzpunktes 47.

Ob die Drehzahl n^beim Erreichen des Schaltpunktes 4 7 redu- · ziert werden kann, wird durch eine Stabilitätsbedingung entschieden. Ein Pendeln des Aggregates zwischen zwei Drehzahlen ist dann nicht möglich, wenn der Förderstrom Q. beim Herunterschalten der Drehzahl von n. auf n.« kleiner ist als der Förderstrom Q ·_.. beim Hochschalten von der Drehzahl n.« auf n..

Die Figur 2 zeigt, daß der Förderstrom im Punkt 4 7 gleich dem Förderstrom im Punkt 36 ist, der als Hochschaltpunkt vorgesehen ist. Um die vorerwähnte Bedingung Q. <£ Q-_-i ^zu erfüllen, wird der nächsthöhere Netzpunkt 57 als Schaltpunkt für die Drehzahl gewählt. Nun ist Q. 4. Q · _« , also Q^₇ <£ Q,_fi, und ein Pendeln der Regelung ist ausgeschlossen. In entsprechender Weise kann man die nächsten Maschen des Netzes betrachten. Als zweckmäßige obere Begrenzungen sind die Punkte 57-56-65-84-83 . zum Absenken der Drehzahl und die Punkte 53-44-35-36 als Punkte zum Hochschalten der Drehzahl zu wählen.

Es ist verständlich, daß die Abweichungen der wirklichen Betriebspunkte von den gewünschten und auf der Kennlinie H (Q) liegenden Werte umso kleiner werden, je engmaschiger das Netz ist, also je näher die für die Umschaltvorgänge ausgewählten

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Punkte an der gedachten Reaelkennlinie liegen. Allerdings wird in vielen Anlagen keine große Genauigkeit gefordert, so daß man mit wenigen Drehzahlen und Affinitätsparabeln auskommen wird. Dies ist z.B. bei Warmwasser-Zentralheizungsanlagen der Fall. Hier genügt nämlich eine grobe Annäherung, weil die gleiche Wärmeleistung in der gleichen Anlage mit größerem Wasserstrom und kleinerer Temperaturdifferenz zwischen dem Vorlauf und Rücklauf des Heizungswassers oder umgekehrt verwirklicht werden kann. Wichtig ist es in diesem Fall nur, daß die von der Pumpe gelieferte Druckdifferenz so groß ist, daß eine ausreichende Wasserverteilung im System garantiert wird und in keinem Betriebszustand Werte erreicht werden, die zu Strömungsgeräuschen in den Armaturen führen.

Nachfolgend wird erläutert, wie die einzelnen Punkte als Grenzen der möglichen Teilstrecken gefunden und festgelegt werden können. Die Drosselkurven H(Q) für bestimmte Drehzahlen n_i = konst. werden wie üblich für einen bestimmten Pumpentyp auf dem Prüfstand aufgenommen. Dabei werden außer der Förderhöhe H und dem Förderstrom Q auch alle jene elektrischen Größen gemessen, die später zur Drehzahlumschaltung benutzt werden sollen. Diese Größen sind beispielsweise der vom Motor aufgenommene Strom, die Spannung am Motorkondensator oder auch sonstige sich mit der Drehzahl ändernden Werte. Im übrigen können für diesen Zweck auch hydraulische Betriebsgrößen verwertet

- 14 werden, wie etwa die Druckdifferenz an der Pumpe.

Wenn man nun die beliebig vorzugebenden Affinitätsparabeln in das gleiche Diagramm der Drosselkurven einzeichnet, dann lassen sich jedem Schnittpunkt zwischen einer Drosselkurve und einer Affinitätsparabel neben den Werten H und Q auch bestimmte elektrische Daten zuordnen.

Die Schnittpunkte ergeben ein Punktefeld und erhalten bestimmte Ordnungsziffern, beispielsweise die in Figur 1 angegebenen. Die zu den Punkten gehörenden elektrischen Daten bilden die Basis für alle möglichen Steuerprogramme und werden abgespeichert. Dabei kann jedem Punkt sowohl das Kommando zum Hochschalten als auch zum Herunterschalten der Drehzahl willkürlich zugeordnet werden.

Im übrigen wird es im wesentlichen zwei Möglichkeiten für den Einsatz oder die praktische Nutzung der erfindungsgemäßen Lösung geben. Bei der einen Möglichkeit programmiert der Hersteller bestimmte Teilstrecken auf den Drosselkurven fest vor, die für häufig wiederkehrende Einsatzfälle des betreffenden Pumpenaggregates typisch und zweckmäßig sind. So wird man sich in der Heizungstechnik an einer Teilstreckenfolge orientieren, bei der keine Stromungsgeräusche im ausgewählten Arbeitsfeld zu erwarten sind und dennoch eine gleichmäßige Wasserverteilung im

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Heizungssystem garantiert ist. Also wird man dem Aggregat eine "negative Kennlinie"geben, die etwa der in den Darstellungen gezeigten Regelkennlinie H₀(Q) bzw. der Strecke xy entspricht.

Die Steilheit und Lage mehrerer verwendbarer Kennlinien xy mit den zugehörigen Teilstrecken können für einen Pumpentyp verschieden vorgegeben werden, so daß ein einzelnes Pumpenaggregat im Prinzip eine Baureihe von Pumpen mit verschiedenen Charakteristiken ergibt. Unter den jeweiligen Kennlinien muß dann der Keizungsbauer die für seinen Bedarfsfall zweckmäßige Kennlinie auswählen .

Eine andere Möglichkeit besteht darin, dem Heizungsbauer die Auswahl der Teilstrecken selbst zu überlassen. Zu diesem Zweck müssen dann allerdings die einzelnen Punkte im Kennfeld z.B. über eine Tastatur angewählt werden können, wobei auch unter Beachtung der erwähnten Stabilitätsbedingung zu unterscheiden ist, an welchen angewählten Endpunkten der betreffenden Teilstrecken die Drehzahl erniedrigt oder erhöht werden muß.

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Claims

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Anmelder: Grundfos A/S,

Oestre Ring Vej 7-11, DK-Ö850 Bjerringbro

Patentansprüche

Drehzahlgeregeltes Pumpenaggregat, bestehend aus einem Elektromotor und einer von diesem angetriebenen Kreiselpumpe, deren Drehzahl η in Abhängigkeit von ausgewählten Betriebsgrößen des Aggregates stufenweise im Bereich eines Kennfeldes regelbar ist, dessen Grenzen einerseits durch die beiden Drosselkurven H(Q) für die maximale und minimale Drehzahl und andererseits durch die Koordinaten Förderhöhe H und Förderstroni Q bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß auf den für die Drehzahlen n.= konst. geltenden Drosselkurven H(Q) je eine bestimmte Teilstrecke festlegbar ist und daß beim Erreichen der für die Endwerte der Teilstrecken repräsentativen elektrischen oder hydraulischen Betriebsgrößen des Aggregates eine Drehzahlumschaltung ausgelöst wird, indem die Drehzahl abgesenkt wird, wenn auf einer Teilstrecke

..g der eine Endwert mit der größeren Förderhöhe H und dem kleineren Förderstrom Q erreicht ist, und erhöht wird, wenn auf der betreffenden Teilstrecke der andere Endwert mit der kleineren Förderhöhe H und dem größeren Förderstrom Q erreicht ist.
2. Pumpenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Teilstrecken eine gedachte, für den jeweiligen

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Anwendungsfall des Aggregates willkürlich vorgewählte Regelkennlinie Hp(Q) legbar ist und daß beim Erreichen der für die Endwerte der Teilstrecken repräsentativen hydraulischen oder elektrischen Betriebsgrößen des Aggregates die Drehzahlumschaltung ausgelöst wird, indem die Drehzahl abgesenkt wird, wenn im Kennfeld ein oberhalb der Regelkennlinie liegender Endwert erreicht ist, und erhöht wird, wenn ein unterhalb der Regelkennlinie liegender Endwert erreicht ist.
3. Pumpenaggregat nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle möglichen Endpunkte der Teilstrecken auf Affinitätsparabeln R. liegen, welche das Feld der Drosselkurven H(Q) in die Teilstrecken unterteilen.
4. Pumpenaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Drosselkurven H(Q). liegenden Endpunkte, die das Absenken der Drehzahl bewirken, im Kennfeld links von den Endpunkten auf der Drosselkurve H(Q). _Λ

für die nächst^niedrigere Drehzahl liegen,so daß stets die Beziehung Q. < Q. _Λ gilt.

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