DE3914342A1 - Pumpenaggregat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Pumpenaggregat, bei dem die Drehzahl und/oder das Drehmoment des Motors mit einem sta­ tischen Frequenzumrichter über eine Regelkennlinie U(f) gesteuert wird, wobei U die Spannung und f die Frequenz am Ausgang des Frequenzumrichters bedeuten, und ein Soll-Wert I _s für den die Elektronik des Frequenzumrichters belasten­ den Strom vorgegeben ist, und wobei der jeweilige Ist-Wert I _i des Phasenstromes mit einem Meßkreis bestimmbar ist, wo der Ist-Wert in einem Vergleichskreis mit dem Soll-Wert I _s vergleichbar ist, um einen eventuellen Unterschied zwischen I _i und I _s festzustellen, und im gegebenen Fall um die Frequenz f und die Spannung U entsprechend der Regelkenn­ linie U(f) so zu ändern, daß der Ist-Wert I _i automatisch auf den Soll-Wert I _s gebracht wird.

Kreiselpumpen gehören zu den häufig in der Technik einge­ setzten Arbeitsmaschinen. Sie werden zum Liefern eines bestimmten Förderstroms bei einer vorgegebenen Förderhöhe angewendet. Die Abhängigkeit der Förderhöhe vom Förderstrom wird durch die Drosselkurve H(Q) beschrieben. Die Drossel­ kurve der Pumpe ist im Q-H-Diagramm bei konstanter Drehzahl n eine mehr oder weniger stark abfallende Kurve, deren Steilheit von der spezifischen Drehzahl der Pumpenlaufräder abhängt.

In vielen Anlagen wird jedoch eine bestimmte Förderhöhe in Abhängigkeit vom Förderstrom vorgeschrieben, der vom Verlauf der bei konstanter Drehzahl erzielbaren Drosselkurve der Pumpe abweicht. Sollen die für die Anlage gestellten Forde­ rungen erfüllt werden, muß die Pumpe mit variabler Drehzahl gefahren werden. Für solche Aufgaben bietet sich als Antrieb der Pumpe ein über einen Frequenzumrichter gesteuerten Motor an.

Das Pumpenaggregat kann mit Hilfe von Sensoren geregelt werden, die die hydraulische Leistung der Pumpe erfassen. Das Messen von hydraulischen Werten erfordert jedoch den Einsatz teurer Geräte, durch welche die Pumpenanlage kompli­ ziert und auch störanfällig wird. Aus diesem Grunde weicht man im Zusammenhang mit der Erfassung von Meßdaten auf die elektrische Seite des Pumpenantriebes aus und benutzt die leichter erfaßbaren Werte, wie z.B. Strom und Spannung, zur Drehzahlregelung der Pumpe.

Da für ein über einen Frequenzumrichter gefahrenes Pumpen­ aggregat die mechanische und elektrische Leistung durch die Bezeichnung P ∼ U × I ∼ M × f verknüpft sind, in der die Formelzeichen U und I für die Spannung und den Strom des Leistungsteils stehen, und M das Moment an der Pumpenwelle ist, läßt sich die Frequenz f, also damit auch die Pumpen­ drehzahl n, nach Vorgabe der Stromstärke I _s in Abhängigkeit der Spannung U steuern.

Pumpenaggregate, deren Drehzahl mittels eines regelbaren Frequenzumrichters geändert wird, sind allgemein bekannt. So wird z.B. in der EP-PS Nr. 1 00 390 ein Pumpenaggregat beschrieben, dessen Drehzahlsteuerung so ausgelegt ist, daß der Motor stets mit voller Leistung betrieben wird. In der EP-PS Nr. 1 71 094 wird beschrieben, wie die Drehzahl eines Pumpenaggregates so gesteuert werden kann, daß Kavita­ tionen vermieden werden. US-PS Nr. 46 78 404 beschreibt eine drehzahlgeregelte Unterwasser-Motorpumpe, die im gesamten Leistungsbereich mit konstantem Moment in der Pumpenwelle betrieben wird.

Im ersten der vorerwähnten Fälle erzwingt die Fahrweise der Pumpe eine Drosselkurve des Aggregates, die nur in Sonderfällen erwünscht ist. Die Drehzahlregelung einer Pumpe zur Vermeidung von Kavitationen wird ebenfalls nur im Ausnahmefall benötigt. In der letztgenannten Schrift geht es darum, instabile Drosselkurven zu vermeiden.

Unter den vielen Einsatzbereichen von Strömungsmaschinen gibt es aber Gebiete, die durch Kreiselpumpen nicht abge­ deckt werden können. Ein solches Einsatzgebiet ist z.B. die Wasserversorgung aus einem Brunnen mit stark schwanken­ dem Wasserstand. Hier werden normalerweise Seitenkanalpumpen mit steilen Kennlinien eingesetzt, die den Vorteil haben, daß sich der Förderstrom nur wenig mit der Förderhöhe ändert.

Solche Seitenkanalpumpen haben gegenüber Kreiselpumpen jedoch einige wesentliche Nachteile. Ihr Wirkungsgrad ist niedriger, und sie sind gegen Sand und sonstige Schmutzteile im Fördermedium empfindlich und sind weiterhin aufgrund ihrer engen Bautoleranzen teurer als Kreiselpumpen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kreiselpumpen­ aggregat zu schaffen, das auch auf Gebieten eingesetzt werden kann, die vorher Seitenkanalpumpen vorbehalten waren.

Das Pumpenaggregat gemäß der Erfindung ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Regelkennlinie U(f) in Abhängigkeit des Phasenstromes in Abhängigkeit der gewünschten Pumpenkenn­ linie dimensioniert wird, beispielsweise so, daß die Pumpe beim Volumenstrom Q = 0 mit der höchsten Drehzahl und An­ triebsleistung P und bei steigendem Volumenstrom über den gesamten Regelbereich mit fallender Drehzahl und Antriebs­ leistung P betrieben wird.

Durch eine entsprechende Wahl der Regelkennlinie U(f) wird ein Kreiselpumpenaggregat erreicht, das im Prinzip wie eine Seitenkanalpumpe wirkt und damit die Vorteile beider Aggre­ gattypen aufweist. Der Vorteil liegt insbesondere darin, daß der Wasserbedarf nun durch eine Kreiselpumpe mit gutem Wirkungsgrad abgedeckt werden kann, gleichzeitig damit, daß die Pumpe gegen Verschmutzungen unempfindlich ist und mit relativ großen Toleranzen gefertigt werden kann und daher billig ist.

Im übrigen läßt sich der Frequenzumrichter aufgrund der in der Elektronik üblichen Miniaturisierung so klein bauen, daß er in die Pumpe integriert werden kann. Dadurch läßt sich das Aggregat so einfach wie jede eintourige Seitenka­ nalpumpe installieren.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1a die Regelkennlinie einer Kreiselpumpe bei konstanter Drehzahl,

Fig. 1b die Regelkennlinie einer Seitenkanalpumpe bei konstanter Drehzahl,

Fig. 1c die jeweilige Regelkennlinie einer Kreiselpumpe bei den Drehzahlen n ₁ und n ₂ sowie die Regelkennlinie eines drehzahlgeregelten Pumpenaggregates,

Fig. 2 ein Diagramm der Spannung als Funktion der Frequenz,

Fig. 3 ein Diagramm des elektronischen Regelkreislaufes,

Fig. 4 ein Diagramm eines Regelkreislaufes mit Möglichkeit für mehrere verschiedene Überführungsfunktionen,

Fig. 5 eine Pumpenkennlinie mit konstantem Volumenstrom,

Fig. 6 eine Pumpenkennlinie, wo die Förderhöhe mit dem Volumenstrom wächst, und

Fig. 7 eine Pumpenkennlinie mit konstanter Förderhöhe.

Es geht aus Fig. 1a hervor, daß die Drosselkurve H(Q) einer Kreiselpumpe mit Laufrädern, die bei mittlerer spezifischer Drehzahl rotieren, ziemlich flach ist, und daß sich der Förderstrom Q mit schwankender Förderhöhe H stark ändert.

Im Gegensatz hierzu hat die Seitenkanalpumpe eine steile Drosselkurve, vgl. Fig. 1b, und hier ist die Veränderung des Förderstromes bei der gleichen Veränderung der Förderhöhe H wesentlich geringer.

Fig. 1c zeigt, daß man mit einer drehzahlgeregelten Kreisel­ pumpe mittlerer spezifischer Drehzahl n die Regelkennlinie H _R (Q) fahren kann. Das Pumpenaggregat hat beim Förderstrom Q = 0 die höchste Drehzahl n ₁, die dann bei einem steigenden Förderstrom auf den unteren Grenzwert n ₂ abgesenkt wird.

Hierdurch wird eine Kennlinie in der Nähe der gewünschten Kennlinie erreicht. Versuche erwiesen, daß man eine Kenn­ linie im HQ-Diagramm erreicht, die der Kennlinie einer Seitenkanalpumpe annähernd entspricht.

Eine Pumpenradform mit einer flachen Leistungskurve weist eine steile HQ-Kurve auf. Umgekehrt führt eine steigende Leistungskurve eine flache HQ-Kurve mit sich. Falls man im Stande ist, die Leistung derart zu regeln, daß sie kon­ stant wird, dann wirkt dies auf die HQ-Kurve ein, die dabei stark steigend oder stark abfallend wird, was im wesentlich der Kennlinie einer Seitenkanalpumpe entspricht.

Im allgemeinen ist die Rede davon, daß man durch ein Zusam­ menstellen der Frequenz (d.h. der Drehzahl) und einer Ableitung der Leistung beinahe jede Kennlinie erreichen kann, beispielsweise die Kennlinie einer Seitenkanalpumpe oder gegebenenfalls einer senkrechten Pumpe, die einer positiven Pumpe entspricht. Eine Überführungsfunktion läßt sich generell finden. Man kann gegebenenfalls ein Proto­ koll oder eine Tabelle haben, in der man die Frequenz (die Spannung) und den gemessenen Strom zusammenkettet. Das Zusammenketten läßt sich beispielsweise mittels eines Mikroprozessors erreichen, wobei ein Überführen einer Pumpenkennlinie auf eine andere solche einer elektronischen Überführungsfunktion ermöglicht wird.

Gemäß einem konkreten Ausführungsbeispiel wird der Aus­ gangsstrom vom Frequenzumrichter gemessen. Der Strom wird als Steuerparameter auf der Frequenz-Spannungskurve angewen­ det, die im größten Teil ihres Arbeitsbereiches eine gerade Linie ist, vgl. Fig. 2. Wir versuchen jetzt, den Ausgangs­ strom vom Frequenzumrichter konstant zu halten, wobei das Moment auch konstant wird, falls der Motor ideal ist. Wir tasten den Strom ab und stellen eine Rückkoppelung her, so daß das System automatisch gegen Gleichgewicht sucht. Um den Strom konstant zu halten, müssen die Spannung und die Frequenz verändert werden.

Im allgemeinen kann man die Regelkennlinien im n, I-Diagramm entsprechend einer gewünschten HQ-Kurve durch Versuche finden. Die gewünschte HQ-Kurve wird dann durch Vergleichen mit einer entsprechenden Referenzkurve im n, I-Diagramm zum Schaffen eines Fehlersignals erreicht. Das Fehlersignal Δ I oder eine dazu proportionale Spannung geht in einer Rückkoppelungsschleife für den Frequenzumrichter ein und sichert, daß das System automatisch gegen Gleichgewicht, d.h. gegen die gewünschte Referenzkurve, sucht, vgl. Fig. 4. Die Regelkennlinie kann beispielsweise derart dimen­ sioniert sein, daß der Volumenstrom Q über dem gesamten Förderhöhebereich hauptsächlich konstant ist, vgl. Fig. 5. Alternativ läßt sich die Regelkennlinie derart dimen­ sionieren, daß die Förderhöhe H beinahe über dem gesamten Volumenstrombereich im wesentlichen konstant ist, vgl. Fig. 7.

Falls ein bestimmter Zusammenhang zwischen der Drehzahl n und der Spannung U besteht, entspricht eine Kurve im n, I- Diagramm einer ganz bestimmten Kurve im n, P-Diagramm, wo P die gespeicherte Leistung bedeutet. Falls n zu U propor­ tional ist, entspricht dies, daß ein Punkt im (n,I)-Diagramm im Punkt n, n × I × k im n, P-Diagramm überführt wird, da n × I zu P proportional ist, was mit Bezug auf eine Regelung ausgenutzt werden kann. Durch Versuche kann man dabei die Regelkurven im n, P-Diagramm finden, die gewünschten Kurven im HQ-Diagramm entsprechen. Eine erwünschte HQ-Kurve wird dann dadurch erreicht, daß die aktuellen Werte für n und P mit einer Referenzkurve entsprechend der erwünschten HQ- Kurve zum Schaffen eines I-Fehlersignales verglichen werden. Das I-Fehlersignal des betrefffenden Wertes von n geht in einer Rückkoppelungsschleife für den Frequenzumrichter ein und sichert, daß das System automatisch gegen Gleichgewicht mit Bezug auf I beim betreffenden Wert von n sucht, d.h. gegen die erwünschte Referenzkurve im n, P-Diagramm.

Alternativ läßt sich auch eine HQ-Kurve schaffen, wo H mit Q wächst, vgl. Fig. 6.

Gemäß der Erfindung wird somit gezeigt, auf welche Weise eine geringere Anzahl Pumpentypen ausreichend sind. Der Benutzer hat den Vorteil, daß trotz unterschiedlicher Verhältnisse, wie z.B. im Sommer und Winter, die Möglichkeit besteht, von einer Pumpenkennlinie zu einer anderen mittels eines Umrichters zu wechseln, so daß die Pumpe optimal in beiden Fällen fährt.

Claims (16)

1. Pumpenaggregat, bei dem die Drehzahl und/oder das Dreh­ moment des Motors mit einem statischen Frequenzumrich­ ter über eine Regelkennlinie U(f) gesteuert wird, wobei U die Spannung und f die Frequenz am Ausgang des Frequenzumrichters bedeuten, und ein Soll-Wert I _s für den die Elektronik des Frequenzumrichters belasten­ den Strom vorgegeben ist, und wobei der jeweilige Ist- Wert I _i des Phasenstromes mit einem Meßkreis bestimmbar ist, wo der Ist-Wert in einem Vergleichskreis mit dem Soll-Wert I _s vergleichbar ist um einen eventuellen Unterschied zwischen I _i und I _s festzustellen, und im gegebenen Fall um die Frequenz f und die Spannung U entsprechend der Regelkennlinie U(f) so zu ändern, daß der Ist-Wert I _i automatisch auf den Soll-Wert I _s gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelkennlinie U(f) in Abhängigkeit des Phasen­ stromes in Abhängigkeit der gewünschten Pumpenkennlinie dimensioniert wird, beispielsweise so, daß die Pumpe beim Volumenstrom Q = 0 mit der höchsten Drehzahl und Antriebsleistung P und bei steigendem Volumenstrom über den gesamten Regelbereich mit fallender Drehzahl und Antriebsleistung P betrieben wird.

2. Pumpenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß man ausnutzt, daß eine bestimmte Kurve im H-Q-Diagramm einer bestimmten Kurve in n, I- Diagramm entspricht.

3. Pumpenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß man ausnutzt, daß eine bestimmte Kurve im H-Q-Diagramm einer bestimmten Kurve im n, P- Diagramm entspricht.

4. Pumpenaggregat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß man durch Versuche die Regelkennlinien im n, P-Diagramm entsprechend gewünsch­ ter HQ-Kurven findet.

5. Pumpenaggregat nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß man durch Versuche die Regelkenn­ linien im n, I-Diagramm entsprechend gewünschter HQ- Kurven findet.

6. Pumpenaggregat nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Referenzkurven in einem elektronischen Speicher eingegeben sind.

7. Pumpenaggregat nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine ge­ wünschte Kurve durch Vergleichen mit einer entsprechen­ den Referenzkurve zum Schaffen eines Fehlersignals erreicht wird, das in einer Rückkoppelungsschleife für den Frequenzumrichter eingeht und sichert, daß das System automatisch gegen Gleichgewicht sucht.

8. Pumpenaggregat nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regel­ kennlinien so sind, daß der Volumenstrom Q hauptsäch­ lich konstant ist.

9. Pumpenaggregat nach den vorhergehenden Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelkennlinien so sind, daß die Förderhöhe H haupt­ sächlich konstant ist.

10. Pumpenaggregat nach den vorhergehenden Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Soll-Wert des Phasenstromes I _s hauptsächlich konstant ist.

11. Pumpenaggregat nach den vorhergehenden Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelkennlinien U(f) im größten Teil ihres Arbeits­ bereiches hauptsächlich geradlinig sind.

12. Pumpenaggregat nach jedem der vorhergehenden Ansprüche und mit einem Rückkoppelungskreis, der den Unterschied zwischen dem Ist-Wert des Phasenstromes I _i und dem Soll-Wert des Phasenstromes I _s zum Regeln der Drehzahl n (der Frequenz) und der mit dieser Frequenz propor­ tionalen Spannung anwendet.

13. Pumpenaggregat nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regel­ kennlinien U(f, I) in einem Speicher eingegeben sind, der mit einem Vergleichskreis in Verbindung steht.

14. Pumpenaggregat nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ist- Wert I _i an einer Meßstelle zwischen dem Meßkreis und dem Wechselrichter des Frequenzumrichters bestimmt wird.

15. Pumpenaggregat nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der für eine Phase vorgesehene Leistungs­ teil (die Treiberstufe) auf zwei Schalter (Transisto­ ren, Thyristoren oder dergleichen) arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß der Ist-Wert I _i durch Messen des durch einen der Schalter fließenden Stromes bestimmt wird.

16. Pumpenaggregat nach den Ansprüchen 1 und 2, bei dem die Drehzahl und/oder das Drehmoment des Motors mit einem statischen Frequenzumrichter über eine Regelkenn­ linie U(f) gesteuert wird, wobei U die Spannung und f die Frequenz am Ausgang des Frequenzumrichters bedeuten, und ein Soll-Wert I _s für den die Elektronik des Frequenzumrichters belastenden Strom vorgegeben ist, und wobei der jeweilige Ist-Wert I _i des Phasen­ stromes mit einem Meßkreis bestimmbar ist, wo der Ist-Wert in einem Vergleichskreis mit dem Soll-Wert I _s vergleichbar ist, um einen eventuellen Unterschied zwischen I _i und I _s festzustellen, und im gegebenen Fall um die Frequenz f und die Spannung U entsprechend der Regelkennlinie U(f) so zu ändern, daß der Ist- Wert I _i auf den Soll-Wert I _s gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelkennlinie U(f) oder U(n, I _s ) in Abhängigkeit des Phasenstromes in Abhängigkeit der gewünschten Pumpenkennlinie dimen­ sioniert wird, wo ausgenutzt wird, daß eine bestimmte Kurve im H-Q-Diagramm einer bestimmten Kurve im n, I- Diagramm entspricht, und daß eine gewünschte HQ-Kurve durch ein Vergleichen von n, I mit einer entsprechenden Referenzkurve im n, I-Diagramm zum Schaffen eines Fehlersignals erreicht wird, das in einer Rückkoppe­ lungsschleife für den Frequenzumrichter eingeht und sichert, daß das System automatisch gegen Gleichge­ wicht sucht.