DE4128390C1

DE4128390C1 - Rapid control appts. for fluid supply installation - has controller connected via digital communication line to pump motor regulators which provide setting signals for frequency converters

Info

Publication number: DE4128390C1
Application number: DE19914128390
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl.-Phys. Bohn; Siegfried Dipl.-Ing. 2127 Boltersen De Meyer
Original assignee: Loewe Pumpenfabrik GmbH
Current assignee: GRUNDFOS INDUSTRIEPUMPEN GMBH, 2120 LUENEBURG, DE
Priority date: 1991-08-27
Filing date: 1991-08-27
Publication date: 1992-12-24
Anticipated expiration: 2011-08-28

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur schnellen Regelung einer Fluidfördereinrichtung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

In Fluidfördereinrichtungen sind häufig mehrere Förderaggregate parallel und/oder in Reihe geschaltet, um bei unterschiedlicher Bela stung eine im wesentlichen konstante Druckversorgung oder eine im wesentlichen konstante Fördermenge sicherzustellen. In einfachster Form arbeitet eine solche Fluidfördereinrichtung mit einer Regelung, welche durch Zu- bzw. Abschaltung einer oder mehrerer Förder aggregate nachregelt. Eine derartige durch Schaltstufen gebildete Regelung ist verhältnismäßig rauh, d. h. der Sollwert wird nur grob näherungsweise erreicht. Zudem kann eine hohe Schalthäufigkeit zu Belastungen der Förderaggregate und des Netzes führen.

Eine gewisse Glättung kann dadurch erreicht werden, daß eines der zuzuschaltenden Förderaggregate durch einen Frequenzumrichter gesteuert wird, so daß durch Vorgabe der Drehzahl dieses Förder aggregats eine Feinregelung erfolgt. Eine solche Regelung ist bei spielsweise aus US-PS 42 59 038 bekannt. Nachteilig hierbei ist jedoch ebenfalls die mögliche Systembelastung durch hohe Schalthäu figkeit. Durch schlagartiges Zu- bzw. Abschalten einzelner Förder aggregate tritt zudem stets eine nicht zu vermeidende Rauhigkeit bezüglich des Drucks oder des Förderstromes (je nach Regelgröße) auf.

Zur Vermeidung dieser Rauhigkeiten ist es bekannt, eine Fluidförder einrichtung mit sogenannten fliegenden Frequenzumrichtern zu betrei ben. Hierbei wird ein Frequenzumrichter nachfolgend den jeweils zuzuschaltenden Förderaggregaten zugeordnet, d. h., ein Förder aggregat wird nicht abrupt eingeschaltet, sondern mittels des Fre quenzumrichters an seine Betriebsdrehzahl herangefahren, wonach das Förderaggregat mit Netzfrequenz betrieben und der Frequenzumrich ter zum Hochfahren des nächsten Förderaggregats geschaltet wird und umgekehrt. Zwar können mit diesem System Rauhigkeiten weit gehend vermieden werden, doch geht dies zu Lasten der Regelge schwindigkeit, da die Förderaggregate stets nur nacheinander kon tinuierlich zugeschaltet werden können, anderenfalls die vorerwähn ten Rauhigkeiten hinzunehmen wären.

Schließlich ist es auch bekannt, jedes Förderaggregat der Fluidförder einrichtung mit einem Frequenzumrichter zur Drehzahlsteuerung zu versehen. Eine derartige Anlage ist beispielsweise aus Gross, Heinz, Drehzahlvariable Pumpenantriebe in Technische Rundschau, Bern, Nr. 3, 13. Januar 1981, Seiten 5, 7, insbesondere Seite 7 Spalte 3 beschrieben. Auch in diesem Fall ist allen Förderaggregaten bzw. Frequenzumrichtern ein gemeinsamer Regler zugeordnet, der die Förderaggregate nacheinander hochfährt. Zwar wäre es auch denkbar, die Regelung so auszulegen, daß alle Förderaggregate stets im glei chen Betriebspunkt arbeiten, doch wäre dies nicht praxisgerecht, da das gleichzeitige Drehzahlstellen sämtlicher Förderaggregate rege lungstechnische Probleme mit sich bringt. Insbesondere würde dies auch zu Lasten der Feinfühligkeit der Regelung gehen, was in der Praxis zu Druckschwankungen im Leitungsnetz führen würde.

Allen vorbeschriebenen Regelungen gemeinsam ist ein in der Regel unterschiedlicher Betriebspunkt der Förderaggregate und ein damit verbundener vergleichsweise schlechter Wirkungsgrad in einer Viel zahl der möglichen Betriebspunkte. Denn in der Regel arbeiten die unter Vollast laufenden Förderaggregate im Überlastbereich und das jeweils zuletzt zugeschaltete im Teillastbereich.

Ausgehend von dem letztgenannten Stand der Technik liegt der Erfin dung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung so weiterzubilden, daß einerseits eine sehr schnelle Regelung ermöglicht und andererseits eine möglichst gleichmäßige Belastung aller Förder aggregate erreicht wird.

Gemäß der Erfindung wird dies bei einer gattungsgemäßen Vorrich tung dadurch erreicht, daß jedem Frequenzumrichter ein Motorregler zugeordnet ist, der unmittelbar mit dem Signal des Sensors beauf schlagt ist, und daß der übergeordnete Regler (Zonenregler) über eine digitale Kommunikationsleitung mit den Motorreglern verbunden ist und die Auswahl eines einem ersten Förderaggregat zugeordneten Motorreglers als Pilotregler zur Übernahme der schnellen Regelung und unter Überbrückung der den übrigen zugeschalteten Förderaggre gaten zugeordneten Motorregler die Frequenzstellsignale für die Frequenzumrichter der übrigen zugeschalteten Förderaggregate steuert.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht eine sehr schnelle Regelung sowie einen energetisch günstigen Betrieb der Förderaggregate. Diese schnelle Regelung erfolgt über den vom Zonenregler als Pilotregler ausgewählten Motorregler, der unmittelbar mit dem Sensorsignal beaufschlagt ist und somit schon wegen der unmittelbaren Datenüber tragung extrem schnell arbeiten kann. Die Datenkommunikation zwi schen dem übergeordneten Regler und dem Pilot- bzw. den Motor reglern erfolgt digital mit niedriger Übertragungsrate, was eine-hohe Datensicherheit zur Folge hat und zudem kostengünstig realisiert werden kann, wenn, wie im vorliegenden Fall, keine extrem schnelle Datenübertragung erforderlich ist. Eine solche extrem schnelle Daten übertragung kann entfallen, da die schnelle Regelung über den Pilot regler, d. h. einen ausgewählten Motorregler erfolgt und die Nach führung der Motordrehzahl weiterer Förderaggregate durch den Zonenregler mit niedriger Datenübertragungsrate erfolgt. Die digitale Datenübertragung kann beispielsweise über ein abgeschirmtes zwei adriges Kabel erfolgen, das die Bus-Leitung bildet.

Dadurch, daß der Zonenregler die nicht mit Pilotreglerfunktion betriebenen Aggregate so mit dem gleichen Frequenzstellsignal an steuert bzw. nachführt, daß sich zumindest annähernd gleiche Be triebspunkte aller Förderaggregate ergeben, steht in weitem Regelbe reich für das Förderaggregat mit dem Pilotregler ein großer positiver und negativer Regelhub für die schnelle Ausregelung einer Regelab weichung zur Verfügung. Reichen möglicher Regelhub des Pilotreg lers und Nachführung der weiteren eingeschalteten Förderaggregate nicht aus, um die Regelabweichung auszuregeln, werden vom Zonen regler weitere Förderaggregate zu- bzw. abgeschaltet.

Eine solch schnelle Regelung ermöglicht es beispielweise bei Wasser oder Druckluftversorgungsanlagen, das Speichervolumen des Druck behälters erheblich zu reduzieren bzw. ganz auf einen solchen Druck behälter zu verzichten.

Zweckmäßigerweise ist die Vorrichtung so ausgebildet, daß der Zonenregler den Sollwert und/oder den Verstärkungsfaktor und/oder die Abtastzeit des Pilotreglers, vorzugsweise alle drei vorgenannten Werte steuert. Dann können sämtliche Regelvorgaben an übergeord netem Regler eingestellt werden, der ohnehin räumlich getrennt von den Motorreglern, Frequenzumrichtern und Förderaggregaten ist. Denn jeder Motorregler sollte zur Vermeidung längerer Datenleitun gen möglichst unmittelbar dem Frequenzumrichter, d. h. dem Förder aggregat zugeordnet sein. Bei den heute üblichen miniaturisierten Frequenzumrichtern ist es ohnehin üblich, diese unmittelbar dem Motor zuzuordnen, beispielsweise durch Anordnung im Klemmenka sten. In gleicher Weise sollte der Motorregler angeordnet sein.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Pilotregler so ausgelegt ist, daß er das vom Zonenregler kommende Frequenzstellsignal S1 zu einem an dem Frequenzumrichter abgegebenen Frequenzstellsignal S2 derart modifiziert, daß S2 einen Wert annimmt, der der Summe aus S1 und dem Produkt aus einem Verstärkungsfaktor V des Pilotreglers sowie der mit einem Faktor xexp potenzierten Differenz aus Soll und Istwert der Regelgröße entspricht. Dieser Exponent xexp wird für eine Druckregelung bevorzugt mit 0,5 und für eine Volumenrege lung vorteilhaft mit 1 gewählt.

Die erfindungsgemäße Regelung kann bei allen Strömungs- und Verdrängerarbeitsmaschinen für gasförmige und tropfbare Fluide eingesetzt werden.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung darge stellten Ausführungsbeispiels, und zwar am Beispiel einer Wasserver sorgungsanlage mit zwei Kreiselpumpenaggregaten näher, erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 ein Diagramm zweier parallel fördernder Aggregate mit fliegendem Frequenzumrichter nach dem Stand der Tech nik und

Fig. 3 ein Diagramm gemäß Fig. 2 bei Einsatz der erfin dungsgemäßen Vorrichtung.

Die anhand von Fig. 1 dargestellte Fluidfördereinrichtung sowie Vorrichtung zur schnellen Regelung derselben weist beispielhaft zwei parallel geschaltete Pumpen 1 auf, die jeweils von einem Elektromo tor 2 angetrieben sind. Das Ausführungsbeispiel stellt den prinzipiel len Aufbau eines Wasserwerks dar, dessen Aufgabe es ist, beim entfernten Verbrauchen unabhängig von der Entnahmemenge einen möglichst konstanten Druck an den Zapfstellen sicherzustellen. Die Anzahl der hier parallel geschalteten Pumpen ist entsprechend der erforderlichen Kapazität frei wählbar, im vorliegenden Ausführungs beispiel zur einfachen Erläuterung mit 2 gewählt.

Jedem Elektromotor 2 ist eine Steuer- und Regeleinheit 3 zugeordnet, die auch räumlich mit dem zugehörigen Motor 2 sowie der Pumpe 1 als Baueinheit vereint ist. Jede Steuer- und Regeleinheit 3 weist einen, den Elektromotor 2 ansteuernden Drehzahlsteller in Form eines Frequenzumrichters 4 sowie einen diesem vorgeschalteten Motorregler 5 auf.

Die Motorregler 5 sind unmittelbar mit dem Ausgangssignal eines Sensors 6 beaufschlagt, der die Regelgröße, im vorliegenden Fall den Druck, erfaßt. Die Datenübertragung vom Sensor 6 zu den Reglern 5 erfolgt über Datenleitungen 7, die möglichst kurz gewählt werden und in denen das Signal des Sensors 6 analog, d. h. beispielsweise als Spannungssignal übertragen wird. Die Übertragungsgeschwindig keit innerhalb dieser Datenleitungen 7 liegt typischerweise im Bereich von etwa 10 bis 100 ms.

Die Steuer- und Regeleinheiten 3 sind über Datenleitungen 8 mit einem übergeordneten Regler 9, dem Zonenregler verbunden. Dieser Regler 9 ist räumlich von den Förderaggregaten getrennt. Sämtliche Einstellungen, beispielsweise die der Regelgröße, des Verstärkungs faktors etc. der Vorrichtung können am Regler 9 vorgenommen wer den. Die Datenleitungen 8 übertragen digitale Signale, die von den Steuer- und Regeleinheiten 3 erzeugt werden. So wird auch das über die Leitungen 7 übertragene analoge Signal des Sensors 6 über eine Leitung 8 digital an den übergeordneten Regler 9 weitergeleitet. Die typische Übertragungsgeschwindigkeit dieser digitalen Datenüber tragung liegt im Bereich von etwa 300 ms bis 1 s.

Die vorbeschriebene Vorrichtung arbeitet wie folgt:
Entsprechend dem sich aus dem Signal des Sensors 6 ergebenden Meßwert schaltet der Regler 9 eine oder mehrere der Förderaggregate 1, 2 ein, und zwar der Gestalt, daß ein erstes Förderaggregat 1, 2 über einen vom Zonenregler 9 als solchen ausgewählten Pilotregler zur schnellen Regelung angesteuert wird. Diese Pilotreglerfunktion kann von jedem Motorregler 5 übernommen werden, wenn er vom Zonenregler dazu bestimmt wird. Bei den übrigen, nicht zur Pilotre gelung ausgewählten Förderaggregaten, wird der vorhandene Motor regler 5 überbrückt und der Frequenzumrichter 4 direkt angesteuert, d. h., bei diesem Förderaggregat bzw. diesen Förderaggregaten wird die Drehzahl durch den Zonenregler 9 gesteuert. Bei dem pilotge regelten Förderaggregat hingegen wird nur mittelbar über den Zonen regler 9, jedoch unmittelbar über den dann als Pilotregler fungieren den Motorregler 5 gesteuert. Der Pilotregler ist also nur zur schnellen Regelung vorgesehen, während übergeordnet die Regelung durch den Zonenregler 9 erfolgt. Dieser ist auch für die Zu- bzw. Abschaltung der Förderaggregate 1, 2 zuständig.

Der Zonenregler 9 sorgt zudem dafür, daß die Förderaggregate gleichmäßig belastet und in einem energetisch günstigen, d. h. im Bereich hohen Wirkungsgrades arbeiten. So wird nicht, wie beim Stand der Technik bekannt, zunächst ein Förderaggregat 1, 2 bis an seine Leistungsgrenze hochgefahren, bevor das nächste Förderaggre gat eingeschaltet wird, sondern es werden beispielsweise zwei För deraggregate im gleichen Lastbereich betrieben. Hierdurch kann die Schalthäufigkeit (das Zu- bzw. Abschalten eines Förderaggregates) erheblich vermindert werden, was sich verschleißmindernd auswirkt.

Durch diese Betriebsweise werden die Motoren und Frequenzumfor mer wesentlich seltener als bei herkömmlichen Regelungen im Be reich maximaler Leistung und damit seltener an der thermischen Belastungsgrenze betrieben, was die Lebensdauer der gesamten An ordnung erhöht.

Fig. 2 zeigt ein typisches Regelbeispiel für eine Wasserversorgungs anlage mit fliegendem Frequenzumrichter im HQ-Diagramm nach dem Stand der Technik. Es bezeichnen
HA(Q) die Anlagenkennlinie der Wasserversorgungsanlage und
P₁;n₁ und P₂;n₂ die Pumpenkennlinien.

Im gewünschten Betriebspunkt B der Anlage liefern die Pumpen die Förderströme Q₁ und Q₂. Der Betriebspunkt B wird von unten kom mend so angefahren, daß zunächst die erste Pumpe bis zur maxima len Drehzahl n₁ hochgefahren wird, wobei sich der Betriebspunkt B₁ einstellt, der unter dem gewünschten Betriebspunkt B liegt. Sodann wird die zweite Pumpe zugeschaltet und mittels des Frequenzumrich ters auf die Drehzahl n₂ gefahren, so daß sich die gemeinsame Pum penkennlinie beider Pumpen mit der Anlagenkennlinie im Betriebs punkt B schneidet. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, daß dann die erste Pumpe mit sehr großer Last und die zweite Pumpe im Teillast bereich arbeiten.

In Fig. 3 erfolgt das Anfahren des Betriebspunktes B in analoger Weise, jedoch mit dem Unterschied, daß der Betriebspunkt B durch die schnelle Regelung des Pilotreglers deutlich eher erreicht wird. Sobald der Betriebspunkt B erreicht ist, steuert der Zonenregler je doch beide Pumpen so an, daß sie mit gleicher Drehzahl und somit im gleichen Lastbereich fahren. Auch in diesem Betriebspunkt ist stets ein Pilotregler zur schnellen Anpassung an Lastwechsel akti viert.

Claims

1. Vorrichtung zur schnellen Regelung einer Fluidfördereinrich tung mit mehreren parallel und/oder in Reihe geschalteten elektromo torisch angetriebenen Förderaggregaten (1, 2) und mit einem Sensor (6) zur Erfassung der Regelgröße, wobei jedem Elektromotor (2) jeweils ein Frequenzumrichter (4) zur Steuerung der Drehzahl des von diesem angetriebenen Förderaggregats zugeordnet ist und ein übergeordneter Regler (Zonenregler) (9) vorgesehen ist, der die Zu oder Abschaltung der Förderaggregate (1, 2) steuert, dadurch gekenn zeichnet, daß jedem Frequenzumrichter (4) ein Motorregler (5) zu geordnet ist, der unmittelbar mit dem Signal des Sensors (6) beauf schlagt ist und daß der übergeordnete Regler (Zonenregler) (9) über eine digitale Kommunikationsleitung (8) mit den Motorreglern (5) verbunden ist und die Auswahl eines einem ersten Förderaggregat (1, 2) zugeordneten Motorreglers (5) als Pilotregler zur Übernahme der schnellen Regelung und unter Überbrückung der den übrigen zuge schalteten Förderaggregaten (1, 2) zugeordneten Motorregler (5) die Frequenzstellsignale für die Frequenzumrichter (4) der übrigen zu geschalteten Förderaggregate (1, 2) steuert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zonenregler (9) den Sollwert des Pilotreglers (5) steuert.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Zonenregler (9) den Verstärkungs faktor des Pilotreglers (5) steuert.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Zonenregler (9) die Abtastzeit des Pilotreglers (5) steuert.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Pilotregler (5) das vom Zonenregler (9) kommende Frequenzstellsignal S1 zu einem an den Frequenzum richter (4) abgegebenen Frequenzstellsignal S2 folgendermaßen modi fiziert: S2 = S1+V^*(Psoll-Pmess) exp,wobei
V der Verstärkungsfaktor des Pilotreglers,
Psoll der Sollwert der Regelgröße,
Pmess der Istwert der Regelgröße und
xexp ein vorbestimmbarer Exponent ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Exponent für eine Druckregelung mit 0,5 und für eine Volumenregelung mit 1 gewählt ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Zonenregler (9) die nicht vom Pilot regler (5) angesteuerten Frequenzumrichter (4) mit gleichem Fre quenzstellsignal so an steuert, daß im statischen Zustand alle einge schalteten Förderaggregate mit gleichem Frequenzstellsignal betrieben werden.