EP1564411A1 - Verfahren zur Ermittlung von Fehlern beim Betrieb eines Pumpenaggregates - Google Patents

Verfahren zur Ermittlung von Fehlern beim Betrieb eines Pumpenaggregates Download PDF

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EP1564411A1
EP1564411A1 EP04002979A EP04002979A EP1564411A1 EP 1564411 A1 EP1564411 A1 EP 1564411A1 EP 04002979 A EP04002979 A EP 04002979A EP 04002979 A EP04002979 A EP 04002979A EP 1564411 A1 EP1564411 A1 EP 1564411A1
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motor
hydraulic
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D15/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or systems
    • F04D15/02—Stopping of pumps, or operating valves, on occurrence of unwanted conditions
    • F04D15/0245—Stopping of pumps, or operating valves, on occurrence of unwanted conditions responsive to a condition of the pump
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D15/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or systems
    • F04D15/02—Stopping of pumps, or operating valves, on occurrence of unwanted conditions
    • F04D15/0209—Stopping of pumps, or operating valves, on occurrence of unwanted conditions responsive to a condition of the working fluid
    • F04D15/0218—Stopping of pumps, or operating valves, on occurrence of unwanted conditions responsive to a condition of the working fluid the condition being a liquid level or a lack of liquid supply
    • F04D15/0236—Lack of liquid level being detected by analysing the parameters of the electric drive, e.g. current or power consumption

Definitions

  • the invention relates to a method for detecting errors during operation a pump unit, in particular a centrifugal pump unit according to the specified in the preamble of claim 1
  • a centrifugal pump unit according to the specified in the preamble of claim 1
  • the invention is based on the object Method for detecting errors during operation of a pump set to create, which is executable with the lowest possible sensor and an apparatus for carrying out the method.
  • the basic idea of the present invention is based on the rule anyway available or at least little expensive ascertainable electrical quantities of the motor and at least one in usually to be determined by sensors variable hydraulic Size of the pump for the electric motor and the hydraulic-mechanical Pump to capture characteristic data and this if necessary, evaluate according to mathematical linkage. In the simplest Form this is done by comparison with predetermined values, where both the comparison and the result automatically by means of electronic Data processing is performed, which thus determines whether an error in Operation of the pump is present or not.
  • the inventive method for detecting errors during operation a pump unit thus provides, at least two of the electrical Performance of the engine determining sizes and at least one to detect variable hydraulic size of the pump, these detected or to derive derived values from given values and to determine if there is an error or not. all of this takes place automatically by electronic data processing.
  • the invention Method requires a minimum of sensors and can in modern, typically frequency converter controlled pumps, which in any case have digital data processing, as a rule be implemented by software. It is particularly advantageous that the variables determining the electric power of the motor, namely typically the voltage applied to the motor and the motor feeding power, anyway within the frequency converter electronics are available, allowing for the detection of a hydraulic Size, e.g. the pressure only a pressure sensor is required in the Incidentally, in modern pumps also often to standard equipment counts. The default values required for comparison can in digital form in corresponding memory chips of the Engine electronics are stored.
  • the two electrical quantities of the motor which determine the electric power of the motor, preferably the voltage applied to the motor and the current which feeds the motor, achieve at least one Comparative value are mathematically linked and on the other hand, the at least one variable hydraulic size of the pump and another determining the performance of the pump mechanical or hydraulic variable to obtain at least one further comparison value are mathematically linked, then determined based on the result of the mathematical operation by comparison with predetermined values whether or not there is an error.
  • the mathematical combination is carried out for the motor-side data by appropriate for the electrical and / or magnetic relationships in the engine determining equations whereas equations are used for the pump, which describe the hydraulic and / or mechanical system.
  • the values resulting from the respective links are compared either directly or with predetermined values stored in the memory electronics, after which the electronic data processing automatically determines whether an error exists or not.
  • the error magnitude is calculated as a deviation between a quantity derived from the engine model, e.g. B. T e or ⁇ and a corresponding from the mechanical-hydraulic model resulting size determined.
  • the method according to claim 2 has the advantage over that according to claim 1 that less storage space is required for the predetermined values, but this method requires more computing capacity of the data processing system.
  • hydraulic variable is advantageous from the pump generated pressure or differential pressure used, since this size aggregate can be detected and the provision of such Pressure sensor for numerous pump designs today to stand the technology counts.
  • Alternatively, or in addition to detecting the pressure may be as hydraulic Size advantageously also used by the pumped amount become.
  • the detection of the flow rate can also on the aggregate side, and there are also little time-consuming and Long-term stable measuring systems available.
  • an electrical motor model and for the mathematical combination of the mechanical-hydraulic pump size, a mechanical-hydraulic pump / motor model is used for the mathematical link for determining the electrical power of the motor variables.
  • the electric motor model it is preferable to use one defined by the equations (1) to (5) or (6) to (9) or (10) to (14).
  • Equations (1) to (5) represent an electric dynamic motor model for an asynchronous motor.
  • V s Z s ( s )
  • I s ⁇ ⁇ s - s ⁇ s
  • Equations (6) to (9) also represent an electric static motor model for an asynchronous motor.
  • L s di sd dt -R s i sd + z p wL s ⁇ rq + v sd
  • Equations (10) to (14) represent an electric dynamic engine model for a permanent magnet motor.
  • Claim 9 defines by way of example, in which way mathematical links be made to determine whether an error exists or not.
  • Basic idea of this concrete procedure consists, on the one hand with the help of the engine model, this is due to the electrical quantities on the motor shaft resulting Engine torque and the speed to determine, the latter can also be measured.
  • equations (16) and / or (17) is a relationship between pressure and flow rate on the one hand or between power / torque and flow rate. It is then advantageously checked with equation (15), whether with Help the engine model calculated sizes with those using the Pump model after insertion of the measured hydraulic size calculated sizes or not, with a lack of Match an error is registered. So it's compared, whether the resulting from the electric motor model drive sizes with those from the hydraulic-mechanical pump model match the resulting drive sizes or not. If this is the case, the pump set operates without errors, otherwise there is an error which may be further specified can.
  • a tolerance band by variance of at least one of the variables a h0 to a h2 , a t0 to a t2 , B and J in order to register an error only if this too is relevant to the operation.
  • two hydraulic variables can preferably be determined by measuring and the determined values are compared with predetermined values to determine the type of error, wherein in each case the predetermined values define an area in three-dimensional space and It is determined whether or not the determined quantities lie on these areas (r * 1 to r * 4 ) and, based on the combination of the values, the type of error is determined on the basis of predetermined limit value combinations.
  • the type of error can then be determined, for example, from the following table: Error type defect size r 1 , r 1 * r 2 , r 2 * r 3 , r 3 * r 4 , r 4 * comparison area Increased friction due to mechanical defects 1 0 1 1
  • the surfaces formed in the three-dimensional space on the basis of predetermined values are typically space-curved surfaces whose values have previously been determined by the factory based on the respective aggregate or aggregate type and stored in the digital data memory on the aggregate side.
  • the aforementioned comparison surfaces r * 1 to r * 4 are arranged in a three-dimensional space which at r * 1 from the torque, the flow and the rotor speed, at r * 2 from the head, the flow rate and the rotor speed, for r * 3 are formed from the torque, the delivery head and the rotor speed and for r * 4 from the torque, the delivery head and the flow rate.
  • the variables defined in the table by the comparison surfaces r * 1 to r * 4 indicate the respective operating state, wherein the number 0 means that the respective value lies within the area defined by the predetermined values and 1 outside.
  • the error combination defined in the table due to increased friction due to mechanical defects can mean bearing damage or an otherwise caused increased frictional resistance between the rotating parts and the stationary parts of the aggregate.
  • the error combination indicated under the generic term reduced delivery / missing pressure can be caused for example by errors or wear on the pump impeller or an obstacle in the pump inlet or outlet.
  • defect in the intake / missing flow error combination can be caused for example by defect of the ring seal at the suction of the pump.
  • each of the error quantities r 1 to r 4 represents a distance to the corresponding areas r * 1 to r * 4 .
  • the error quantities do not necessarily correspond to the areas r * 1 to r * 4 .
  • the error quantities r 1 to r 4 correspond to the equations (19) to (22) and correspond to the areas r * 1 to r * 4 in FIGS. 7 to 10.
  • the invention provides that upon determination of a fault, the pump unit is controlled at a different speed, then based on the resulting measurement results closer to the detected error to be able to narrow down.
  • the mechanical-hydraulic pump / motor model comprises not only the pump set itself, but also beyond at least parts of the hydraulic system acted upon by the pump, so that errors of this hydraulic system can be determined.
  • a centrifugal pump unit there are funds for detecting two for the engine power-determining electrical Sizes and means for detecting at least one variable provide hydraulic size of the pump and an electronic Evaluation device, which indicates a fault condition of the pump unit determined on the basis of the recorded quantities.
  • an electronic Evaluation device which indicates a fault condition of the pump unit determined on the basis of the recorded quantities.
  • So here is a sensor for detecting the voltage applied to the motor supply voltage and the supply current and to detect the pressure applied by the pump, preferably differential pressure and to provide the delivery rate or the speed.
  • an evaluation device which in the form of digital data processing, e.g. a microprocessor may be formed in the the inventive method is implemented by software.
  • centrifugal pumps as is the case with the mechanical-hydraulic pump model results.
  • Such pumps can be, for example, industrial pumps, Submersible pumps for sewage or water supply as well Heating circulation pumps be.
  • Particularly advantageous is a diagnostic system according to the invention in canned pumps, as early by Error detection the looping through of the can and thus exit of conveying fluid, for. B. in the living area, preventively prevented becomes.
  • Verdrängerpumpen Symposium must the mechanical-hydraulic pump model according to the adapted to different physical contexts. The same applies to the use of other engine types for the electrical Motor model.
  • means are provided according to the invention by at least to generate and transmit an error message to an am Pump unit or elsewhere arranged display element, be it in the form of one or more indicator lights or a display with alphanumeric display.
  • the transmission can be wireless, for example via infrared or radio but also wired, preferably in digital form.
  • the inventive method is shown in a simplified form with reference to FIG. 1.
  • the variable electrical power-determining variables flow, in particular the voltage V abc and the current i abc -
  • the product of these quantities defines the electrical power absorbed by the engine.
  • the torque T e on the shaft of the motor and the rotational speed ⁇ derivable from the engine as they result arithmetically on the basis of the engine model.
  • These power-dependent electrical variables of the motor are linked to the determined mechanical delivery height H (pressure) in a pump model 2, for example according to equations (16) and (17), in which case the result is compared with predetermined operating values determined on the basis of defined operating points. If these input variables agree with the specified values, the pump set operates without errors. On the other hand, if the difference is greater than a predetermined amount, then an error signal r is generated which signals a malfunction of the pump.
  • the system is structured as shown in detail in Fig. 3.
  • an electric motor model is provided whose input variables are V abc and i abc and which is based, for example, on a static motor model according to equations (6) to (9), as is well known and illustrated with reference to FIG. 5.
  • the output variable of this static engine model is the engine torque T e , which in turn flows via the equation (15) input into the mechanical part of the pump model 3 a.
  • the hydraulic part of the pump model 3b is defined by equations (16) and (17), via which the hydraulic part of the plant 4 is coupled.
  • the hydraulic part of the plant is defined by the equation (18) and shown schematically in Fig. 4, in which P in the pressure inlet of the pump, Hp the differential pressure of the pump, Q the flow rate, P out the pressure at the consumer end of the Plant and V 1 represent the flow losses within the pump.
  • Z out is the static pressure level at the consumer end of the system and Z in the pump inlet.
  • Fig. 3 thus illustrates the relationships between engine model, mechanical part of the pump model, hydraulic part of the pump model and hydraulic part of the system. While in the hydraulic parts of the pump model 3b and the hydraulic part of the system head and flow on and go, go into the hydraulic part of the pump model 3b, the rotational speed ⁇ r , which also enters the engine model 1. The torque determined from the hydraulic part of the pump model 3b in turn enters the mechanical part of the pump model 3a for determining the rotational speed.

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Abstract

Das Verfahren dient zur Ermittlung von Fehlern beim Betrieb eines Pumpenaggregats. Es werden mindestens zwei die elektrische Leistung des Motors bestimmende elektrische Größen des Motors und mindestens eine veränderliche hydraulische Größe der Pumpe erfasst. Die erfassten oder davon durch Algorithmen gebildeten Werte werden selbsttätig mittels elektronischer Datenverarbeitung mit vorgegebenen abgespeicherten Werten verglichen, wobei anhand des Ergebnisses ermittelt wird, ob ein Fehler vorliegt oder nicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Fehlern beim Betrieb eines Pumpenaggregates, insbesondere eines Kreiselpumpenaggregats gemäß den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß Anspruch 18.
Es zählt auch bei Pumpenaggregaten inzwischen zum Stand der Technik, eine Vielzahl von Sensorik vorzusehen, einerseits um Betriebszustände zu erfassen, andererseits auch um Fehlzustände der Anlage und/oder des Pumpenaggregats zu ermitteln. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass die in diesem Zusammenhang erforderliche Sensorik nicht nur aufwändig und teuer, sondern häufig auch störanfällig ist.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung von Fehlern beim Betrieb eines Pumpenaggregats zu schaffen, welches mit möglichst geringer Sensorik ausführbar ist sowie eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die in Anspruch 1 und 2 angegebenen Merkmale gelöst. Eine entsprechende Vorrichtung ist durch die Merkmale des Anspruchs 18 definiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren.
Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es, anhand in der Regel ohnehin zur Verfügung stehender oder zumindest wenig aufwändig ermittelbarer elektrischer Größen des Motors sowie mindestens einer in der Regel sensorisch zu ermittelnden veränderlichen hydraulischen Größe der Pumpe für den elektrischen Motor sowie die hydraulischmechanische Pumpe charakteristische Daten zu erfassen und diese ggfs. nach mathematischer Verknüpfung auszuwerten. In einfachster Form erfolgt dies durch Vergleich mit vorgegebenen Werten, wobei sowohl der Vergleich als auch das Ergebnis selbsttätig mittels elektronischer Datenverarbeitung erfolgt, die somit feststellt, ob ein Fehler im Betrieb der Pumpe vorliegt oder nicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung von Fehlern beim Betrieb eines Pumpenaggregats sieht somit vor, mindestens zwei die elektrische Leistung des Motors bestimmende Größen und mindestens eine veränderliche hydraulische Größe der Pumpe zu erfassen, diese erfassten oder davon abgeleiteten Werte mit vorgegebenen Werten zu vergleichen und zu ermitteln ob ein Fehler vorliegt oder nicht. Dies alles erfolgt selbsttätig durch elektronische Datenverarbeitung. Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt ein Minimum an Sensorik und kann bei modernem, typischerweise frequenzumrichtergesteuerten Pumpen, die ohnehin eine digitale Datenverarbeitung aufweisen, in der Regel softwaremäßig implementiert werden. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass die die elektrische Leistung des Motors bestimmenden Größen, nämlich typischerweise die am Motor anliegende Spannung und der den Motor speisende Strom, ohnehin innerhalb der Frequenzumrichterelektronik zur Verfügung stehen, so dass zur Erfassung einer hydraulischen Größe, z.B. des Drucks lediglich ein Drucksensor erforderlich ist, der im Übrigen bei modernen Pumpen ebenfalls schon häufig zur Standardausstattung zählt. Die zum Vergleich erforderlichen vorgegebenen Werte können in digitaler Form in entsprechenden Speicherbausteinen der Motorelektronik abgelegt werden.
Alternativ zum Vergleich mit tabellarisch abgelegten charakteristischen Werten von Motor und Pumpe ist gemäß Anspruch 2 vorgesehen, dass einerseits die zwei die elektrische Leistung des Motors bestimmenden elektrischen Größen des Motors, vorzugsweise die am Motor anliegende Spannung und der dem Motor speisende Strom, zur Erzielung mindestens eines Vergleichswertes mathematisch verknüpft werden und andererseits die mindestens eine veränderliche hydraulische Größe der Pumpe sowie eine weitere die Leistung der Pumpe bestimmende mechanische oder hydraulische Größe zur Erzielung mindestens eines weiteren Vergleichswerts mathematisch verknüpft werden, wobei dann anhand des Ergebnisses der mathematischen Verknüpfung durch Vergleich mit vorgegebenen Werten ermittelt wird, ob ein Fehler vorliegt oder nicht. Die mathematische Verknüpfung erfolgt dabei für die motorseitigen Daten durch entsprechende für die elektrischen und/oder magnetischen Zusammenhänge im Motor bestimmende Gleichungen wohingegen für die Pumpe Gleichungen verwendet werden, welche das hydraulische und/oder mechanische System beschreiben. Die sich bei den jeweiligen Verknüpfungen ergebenden Werte werden entweder direkt oder mit vorgegebenen, in der Speicherelektronik abgespeicherten Werten verglichen, wonach die elektronische Datenverarbeitung selbsttätig feststellt ob ein Fehler vorliegt oder nicht. Bei dem direkten Vergleich wird die Fehlergröße als eine Abweichung zwischen einer sich aus dem Motormodell ergebenen Größe, z. B. Te oder ω und einer entsprechenden aus dem mechanisch-hydraulisches Modell sich ergebenden Größe ermittelt. Das Verfahren gemäß Anspruch 2 hat gegenüber dem nach Anspruch 1 den Vorteil, dass weniger Speicherplatz für die vorgegebenen Werte erforderlich ist, jedoch benötigt dieses Verfahren mehr Rechenkapazität der Datenverarbeitungsanlage.
Dabei kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht nur festgestellt werden ob ein Fehler vorliegt, sondern es kann darüber hinaus vorteilhaft auch noch der Fehler spezifiziert werden, d.h. ermittelt werden, um welchen Fehler es sich handelt.
Als zu erfassende hydraulische Größe wird vorteilhaft der von der Pumpe erzeugte Druck bzw. Differenzdruck herangezogen, da diese Größe aggregatseitig erfasst werden kann und das Vorsehen eines solchen Druckaufnehmers bei zahlreichen Pumpenbauarten heute zum Stand der Technik zählt.
Alternativ oder zusätzlich zur Erfassung des Druckes kann als hydraulische Größe vorteilhaft auch die von der Pumpe geförderte Menge herangezogen werden. Die Erfassung der Fördermenge kann ebenfalls aggregatseitig erfolgen, auch hierfür stehen wenig aufwändige und langzeitstabile Messsysteme zur Verfügung.
Da die Absolutdruckerfassung des von der Pumpe erzeugten Drucks stets eine Differenzdruckmessung gegenüber der Außenatmosphäre darstellt ist es häufig günstiger, den zwischen Saug- und Druckseite der Pumpe gebildeten Differenzdruck statt des Absolutdruckes zu erfassen, der darüber hinaus als hydraulische Größe der Pumpe wesentlicher günstiger weiterzuverarbeiten ist.
Vorteilhaft wird für die mathematische Verknüpfung für die die elektrische Leistung des Motors bestimmenden Größen ein elektrisches Motormodell und für die mathematische Verknüpfung der mechanisch-hydraulischen Pumpengröße ein mechanisch-hydraulisches Pumpen- /Motormodell verwendet. Dabei wird als elektrisches Motormodell bevorzugt, ein durch die Gleichungen (1) bis (5) oder (6) bis (9) oder (10) bis (14) definiertes verwendet. L' s disd dt = -R' s isd + Lm Lr (R' r ψ rd + zp ωψ rq ) + v sd L's disq dt = -R's isq + Lm Lr (R'rψrq - zpωψrd ) + v sq dψrd dt = -R'r ψ rd - zp ωψ rq + R' r Lmisd dψrq dt = -R' r ψrq + zpωψrd + R' r Lmisq Te = zp 32 Lm Lr (ψ rdisq - ψ rqisd )
Die Gleichungen (1) bis (5) repräsentieren ein elektrisches dynamisches Motormodell für einen Asynchronmotor. Vs = Zs (s)Is ω = ωs - sωs Ir = Vs Zr (s) Te = 3RrI 2 r s
Die Gleichungen (6) bis (9) repräsentieren ein elektrisches statisches Motormodell ebenfalls für einen Asynchronmotor. Ls disd dt = -Rsisd + zpωLsψrq + vsd Ls disq dt = -Rsisq - zpωLsψrd + vsq dψrd dt = -zpωψrq dψrq dt = zpωψrd Te = zp 32 (ψ rdisq - ψ rqisd )
Die Gleichungen (10) bis (14) stellen ein elektrisches dynamisches Motormodell dar, und zwar für einen Permanentmagnetmotor.
In den Gleichungen (1) bis (14) repräsentieren
isd
den Motorstrom in Richtung d
isq
den Motorstrom in Richtung q
ψrd
den magnetischen Fluss des Rotors in d-Richtung
ψ rq
den magnetischen Fluss des Rotors in q-Richtung
Te
das Motormoment
vsd
die Versorgungsspannung des Motors in d-Richtung
vsq
die Versorgungsspannung des Motors in q-Richtung
ω
die Winkelgeschwindigkeit des Rotors und Laufrades
R's
den Ersatzwiderstand der Statorwicklung
R'r
den Ersatzwiderstand der Rotorwicklung
Lm
den induktiven Kopplungswiderstand zwischen Stator- und Rotorwicklung
L's
den induktiven Ersatzwiderstand der Statorwicklung
Lr
den induktiven Widerstand der Rotorwicklung
zp
die Polpaarzahl
Is
den Phasenstrom
Vs
die Phasenspannung
ω s
die Frequenz der Versorgungsspannung
ω
die tatsächliche Rotor- und Laufraddrehzahl
s
den Motorschlupf
Zs (s)
die Statorimpedanz
Zr (s)
die Rotorimpedanz
Rr
den Ersatzwiderstand der Rotorwicklung
Rs
den Ersatzwiderstand der Statorwicklung
Ls
Den induktiven Widerstand der Statorwicklung,
   wobei d uns q zwei senkrecht zueinander stehende Richtungen senkrecht zur Motorwelle sind,
Für das mechanisch-hydraulische Pumpen-/Motormodell wir die Gleichung (15) und mindestens eine der Gleichungen (16) und (17) vorteilhaft verwendet.
Dabei repräsentiert die Gleichung (15) die mechanischen Zusammenhänge zwischen Motor und Pumpe wohingegen die Gleichungen (16) und (17) die mechanisch-hydraulischen Zusammenhänge in der Pumpe beschreiben. Diese Gleichungen lauten: J dω dt = Te - Bω - TP    und mindestens eine der Gleichungen Hp = -ah 2 Q 2 + ah 1 Qω + ah 0ω2 Tp = -at 2 Q 2 + at 1 Qω + at 0 ω 2 in denen
dω / dt
die zeitliche Ableitung der Winkelgeschwindigkeit des Rotors,
Tp
das Pumpendrehmoment,
J
das Massenträgheitsmoment von Rotor, Laufrad und im Laufrad rad gebundener Förderflüssigkeit ,
B
die Reibungskonstante,
Q
der Förderstrom der Pumpe,
Hp
der von der Pumpe erzeugten Differenzdruck,
ah 2,ah 1,
die Parameter, die den Zusammenhang zwischen Drehzahl
ah 0
des Laufrades, Förderstrom und Differenzdruck beschreiben und
at 2,at 1,
die Parameter, die den Zusammenhang zwischen Drehzahl
at 0
des Laufrades, Förderstrom und Massenträgheitsmoment beschreiben
Anspruch 9 definiert beispielhaft, in welcher Weise mathematische Verknüpfungen vorgenommen werden um zu ermitteln, ob ein Fehler vorliegt oder nicht. Auf das Abspeichern vorgegebener Werte kann hier im Prinzip völlig verzichtet werden. Grundgedanke dieses konkreten Verfahrens besteht darin, einerseits unter Zuhilfenahme des Motormodells, das sich aufgrund der elektrischen Größen an der Motorwelle ergebende Motormoment sowie die Drehzahl zu ermitteln, wobei letztere auch gemessen werden kann. Mit Hilfe der Gleichungen (16) und/oder (17) wird eine Beziehung zwischen Druck und Fördermenge einerseits bzw. zwischen Leistung/Moment und Fördermenge andererseits ermittelt. Es wird dann vorteilhaft mit Gleichung (15) überprüft, ob die mit Hilfe des Motormodells berechneten Größen mit denen mit Hilfe des Pumpenmodells nach Einsetzen der gemessenen hydraulischen Größe berechneten Größen übereinstimmen oder nicht, wobei bei mangelnder Übereinstimmung ein Fehler registriert wird. Es wird also quasi verglichen, ob die sich aus den elektrischen Motormodell ergebenden Antriebsgrößen mit denen aus dem hydraulisch-mechanischen Pumpenmodell sich ergebenden Antriebsgrößen übereinstimmen oder nicht. Wenn dies der Fall ist, arbeitet das Pumpenaggregat fehlerfrei, anderenfalls liegt ein Fehler vor, der ggfs. noch weiter spezifiziert werden kann.
Um dem System eine gewisse Toleranz zu geben, kann es sinnvoll sein, durch Varianz mindestens einer der Größen ah0 bis ah2, at0 bis at2, B und J ein Toleranzband festzulegen, um nur dann einen Fehler zu registrieren, wenn dieser auch betriebsrelevant ist.
Um die Art des Fehlers näher spezifizieren zu können ist es zweckmäßig zusätzlich zu den zwei elektrischen Größen zwei hydraulische Größen vorzugsweise durch Messen zu ermitteln und die ermittelten Werte in die Gleichungen nach Anspruch 8 einzusetzen, so dass sich dann vier Fehlergrößen r1 bis r4 ergeben. Anhand der Kombination dieser Fehlergrößen wird dann die Art des Fehlers anhand vorgegebener Grenzwertkombinationen bestimmt. Auch dies erfolgt selbsttätig durch die elektronische Datenverarbeitung.
In alternativer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens können zur Ermittlung der Art des Fehlers zusätzlich zu den zwei elektrischen Größen zwei hydraulische Größen vorzugsweise durch Messen ermittelt werden und die ermittelten Werte mit vorgegebenen Werten verglichen werden, wobei dann jeweils die vorgegebenen Werte eine Fläche im dreidimensionalen Raum definieren und ermittelt wird, ob die ermittelten Größen auf diesen Flächen (r*1 bis r*4) liegen oder nicht und anhand der Kombination der Werte die Art des Fehlers anhand vorgegebener Grenzwertkombinationen ermittelt werden. Die Fehlerart kann dann beispielsweise anhand der folgenden Tabelle bestimmt werden:
Fehlerart Fehlergröße r 1 , r 1* r 2 , r 2* r 3 , r 3* r 4 , r 4*
Vergleichsfläche
Erhöhte Reibung aufgrund mechanischer Defekte 1 0 1 1
Reduzierte Förderung/ fehlender Druck 0 1 1 1
Defekt im Ansaugbereich/ fehlende Fördermenge 1 1 0 1
Förderausfall 1 1 1 1
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es somit möglich, mit einem Minimum an Sensorik nicht nur den fehlerfreien Betriebszustand des Pumpenaggregats festzustellen oder nicht festzustellen, sondern darüber hinaus im Falle eines Fehlers diesen auch noch im Einzelnen zu spezifizieren, so dass im Pumpenaggregat ein entsprechendes Fehlersignal generiert werden kann, das die Art des Fehlers anzeigt. Dieses Signal kann gegebenenfalls zu entfernten Stellen übermittelt werden, wo die Funktion des Pumpenaggregats überwacht werden soll.
Die anhand vorgegebner Werte gebildeten Flächen im dreidimensionalen Raum sind typischerweise raumgekrümmte Flächen, deren Werte zuvor fabrikmäßig anhand des jeweiligen Aggregats oder des Aggregattyps ermittelt und im digitalen Datenspeicher aggregatseitig abgelegt sind. Dabei sind die vorerwähnten Vergleichsflächen r*1 bis r*4 in einem dreidimensionalen Raum angeordnet, der bei r*1 aus dem Drehmoment, dem Durchfluss und der Rotorgeschwindigkeit, bei r*2 aus der Förderhöhe, der Fördermenge und der Rotorgeschwindigkeit, für r*3 aus dem Drehmoment, der Förderhöhe und der Rotorgeschwindigkeit sowie für r*4 aus dem Drehmoment, der Förderhöhe und der Fördermenge gebildet sind.
Die in der Tabelle durch die Vergleichsflächen r*1 bis r*4 definierten Größen kennzeichnen den jeweiligen Betriebszustand, wobei die Ziffer 0 bedeutet, dass der jeweilige Wert innerhalb der durch die vorgegebenen Werte definierten Fläche liegt und 1 außerhalb. So kann die in der Tabelle durch erhöhte Reibung aufgrund mechanischer Defekte definierte Fehlerkombination beispielsweise einen Lagerschaden oder einen sonstwie verursachten erhöhten Reibwiderstand zwischen den rotierenden Teilen und den feststehenden Teilen des Aggregats bedeuten. Die unter dem Oberbegriff reduzierte Förderung/fehlender Druck gekennzeichnete Fehlerkombination kann beispielsweise durch Fehler oder Verschleiß am Pumpenlaufrad oder ein Hindernis im Pumpen Einoder Auslass verursacht sein. Die unter dem Oberbegriff Defekt im Ansaugbereich/fehlende Fördermenge definierte Fehlerkombination kann beispielsweise durch Defekt der Ringdichtung am Saugmund der Pumpe verursacht sein. Die unter dem Oberbegriff Förderausfall fallende Fehlerkombination kann vielfältigste Ursachen haben und ist ggfs. weiter zu spezifisieren. Dieser Förderausfall kann durch eine blockierte Welle oder ein blockiertes Pumpenlaufrad, durch einen Wellenbruch, durch das Lösen des Pumpenlaufrads, durch Kavitation aufgrund unzulässig niedrigen Drucks am Pumpeneinlass sowie durch Trockenlauf verursacht sein.
Die in der Tabelle durch die Größen r1 bis r4 gekennzeichneten Betriebszustände basieren auf mathematischen Berechnungen von Fehlergrößen r1 bis r4 entsprechend den Gleichungen (19) bis (22), wobei die entsprechende Fehlergröße den Wert Null annimmt, wenn ein einwandfreier Betrieb vorliegt und den Wert 1 im Falle eines Fehlers. Die Tabelle ist hinsichtlich der Fehlerart in entsprechender Weise wie oben beschrieben zu verstehen. Bildlich gesehen, repräsentiert jede der Fehlergrößen r1 bis r4 einen Abstand zu den entsprechenden Flächen r*1 bis r*4. Jedoch müssen die Fehlergrößen nicht notwendigerweise mit den Flächen r*1 bis r*4 korrespondieren. Die Fehlergrößen r1 bis r4 entsprechen den Gleichungen (19) bis (22) und korrespondieren zu den Flächen r*1 bis r*4 in den Figuren 7 bis 10.
Um die Art des Fehlers weiter zu differenzieren ist in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass bei Ermittlung eines Fehlers das Pumpenaggregat mit geänderter Drehzahl angesteuert wird, um dann anhand der sich einstellenden Messergebnisse den ermittelten Fehler näher eingrenzen zu können.
Bevorzugt umfasst das mechanisch-hydraulische Pumpen-/Motormodell nicht nur das Pumpenaggregat selbst, sondern auch darüber hinaus zumindest Teile des von der Pumpe beaufschlagten hydraulischen Systems, damit auch Fehler dieses hydraulischen Systems ermittelbar sind.
Dabei wird das hydraulische System vorteilhaft durch die Gleichung (18) definiert, welche die Änderung des Förderstromes über die Zeit darstellt. KJ dQ dt = Hp - (pout + ρgzout - pin - ρgzin ) - (Kv + Kl )Q 2 in der
KJ
die Konstante ist, die Mässenträgkeit der Flüssigkeitssäule im Rohrsystem beschreibt,
KV
die Konstante, die die flowabhängigen Druckverluste im Ventil beschreibt und
KL
die Konstante ist, die die flowabhängigen Druckverluste im Rohrsystem beschreibt,
Hp
den Differenzdruck der Pumpe,
Pout
den Druck am verbraucherseitigen Ende der Anlage,
Pin
den Zulaufdruck,
Zout
das statische Druckniveau am verbraucherseitigen Ende der Anlage,
Zin
das statische Druckniveau am Pumpeneingang,
p
die Dichte des Fördermediums
g
die Gravitationskonstante
Sind.
Die Fehlergrößen r1 bis r4 werden vorteilhaft durch die Gleichungen (19) bis (22) definiert:
Figure 00120001
{ r 2 = q 2(- ah 2 Q 2 + ah 1 ωQ + ah 0 ω 2 - Hp )
Figure 00120002
Figure 00120003
in denen
k 1,k 3,k 4
Konstanten,
q 1,q 2,q 3,q 4
Konstanten,
Q'
Die berechnete Fördermenge auf Basis von aktueller Drehzahl und gemessenem Druck,
ω and 1
die berechnete Rotordrehzahl auf Grundlage der mechanisch-hydraulischen Gleichungen (15) und (17),
ω and 3
die berechnete Rotordrehzahl auf Grundlage der Gleichungen (15), (16) und (17),
ω and 4
die berechnete Rotordrehzahl auf Grundlage der Gleichungen (15), (16) und (17),
ω'
die berechnete Rotordrehzahl aufgrund gemessenen Förderdrucks und gemessener Fördermenge
r 1 - r 4
Fehlergrößen und
r 1* - r 4*
durch drei Variable bestimmte Flächen sind, die einen fehlerfreien Betrieb der Pumpe repräsentieren.
Um das erfindungsgemäße Verfahren zur Fehlerermittlung bei Betriebszuständen eines Kreiselpumpenaggregats durchzuführen, sind dort Mittel zur Erfassung von zwei für den Motor leistungsbestimmenden elektrischen Größen sowie Mittel zur Erfassung mindestens einer veränderlichen hydraulischen Größe der Pumpe vorzusehen sowie eine elektronische Auswerteinrichtung, welche einen Fehlerzustand des Pumpenaggregats anhand der erfassten Größen ermittelt. In einfachster Form ist hier also eine Sensorik zur Erfassung von der am Motor anliegenden Versorgungsspannung und des Versorgungsstroms sowie zur Erfassung des von der Pumpe aufgebrachten Drucks vorzugsweise Differenzdrucks und der Fördermenge oder der Drehzahl vorzusehen. Darüber hinaus ist eine Auswerteinrichtung vorzusehen, die in Form einer digitalen Datenverarbeitung, z.B. eines Mikroprozessors ausgebildet sein kann, in den das erfindungsgemäße Verfahren softwaremäßig implementiert wird. Um den Vergleich zwischen erfassten bzw. berechneten Werten und vorgegebenen (z.B. fabrikseitig erfasst und abgespeicherten) Werten durchführen zu können ist ferner ein elektronischer Speicher vorzusehen. Bei modernen frequenzumrichtergesteuerten Pumpenaggregaten sind sämtliche vorgenannten hardwaremäßigen Voraussetzungen bereits vorhanden, so dass lediglich für eine ausreichende Dimensionierung der elektronischen Datenverarbeitungsanlage, insbesondere der Speichermittel und der Auswerteinrichtung zu sorgen ist. Sämtliche Bauteile mit Ausnahme der zur Erfassung von hydraulischen Größen erforderlichen Sensorik sind bevorzugt integraler Bestandteil der Motor- und/oder Pumpenelektronik, so dass konstruktiv insoweit keine weiteren Vorkehrungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu treffen sind. Eine andere Ausführungsform kann ein separater in einer Schalttafel oder Steuertafel vorgesehener Baustein sein, in gleicher Weise wie ein Motorschutzschalter, jedoch mit den Überwachungs- und Diagnoseeigenschaften wie oben beschrieben.
Die hier beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich auf Kreiselpumpen, wie sich dies auch aus dem mechanisch-hydraulischen Pumpenmodell ergibt. Solche Pumpen können beispielsweise Industriepumpen, Tauchpumpen für die Abwasser- oder Wasserversorgung sowie Heizungsumwälzpumpen sein. Besonders vorteilhaft ist ein Diagnosesystem gemäß der Erfindung bei Spaltrohrpumpen, da durch frühzeitige Fehlererkennung das Durchschleifen des Spaltrohres und damit Austritt von Förderflüssigkeit, z. B. in den Wohnbereich, vorbeugend verhindert wird. Bei der Anwendung der Erfindung im Verdrängerpumpenbereich muss das mechanisch-hydraulische Pumpenmodell entsprechend den abweichenden physikalischen Zusammenhängen angepasst werden. Entsprechendes gilt auch beim Einsatz anderer Motortypen für das elektrische Motormodell.
Darüber hinaus sind gemäß der Erfindung Mittel vorgesehen um mindestens eine Fehlermeldung zu erzeugen und zu übertragen an ein am Pumpenaggregat oder anderswo angeordnetes Anzeigelement, sei es in Form einer oder mehrerer Kontrollleuchten oder eines Displays mit alphanumerischer Anzeige. Dabei kann die Übertragung drahtlos, beispielsweise über Infrarot oder Funk erfolgen aber auch drahtgebunden, vorzugsweise in digitaler Form.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in einer vereinfachten Form anhand von Fig. 1 dargestellt. In ein elektrisches Motormodell 1 fließen die veränderlichen elektrischen leistungsbestimmenden Größen ein, hier insbesondere die Spannung Vabc und der Strom iabc- Das Produkt dieser Größen definiert die vom Motor aufgenommene elektrische Leistung. Aus diesem Motormodell, wie es beispielsweise durch die Gleichungen (1) bis (5) oder (6) bis (9) oder (10) bis (14) gegeben ist, sind das Drehmoment Te an der Welle des Motors sowie die Drehzahl ω des Motors ableitbar, wie sie sich rechnerisch aufgrund des Motormodells ergeben. Diese leistungsabhängigen elektrischen Größen des Motors werden mit der ermittelten mechanischen Förderhöhe H (Druck) in einem Pumpenmodell 2, beispielsweise nach den Gleichungen (16) und (17) verknüpft, wobei dann das Ergebnis mit anhand definierter Betriebspunkte ermittelter vorgegebener Betriebswerte verglichen wird. Bei Übereinstimmung dieser Eingangsgrößen mit den vorgegebenen Werten arbeitet das Pumpenaggregat fehlerfrei. Ergibt sich hingegen über ein vorbestimmtes Maß hinausgehende Differenz, so wird ein Fehlersignal r generiert, welches eine Fehlfunktion der Pumpe signalisiert.
Bei der Ausführung gemäß Fig. 2 werden in gleicher Weise wie bei Fig. 1 die Eingangsspannung vabc und der Motorstrom iabc als Eingangswerte für das Motormodell 1 verwendet, um das an der Motorwelle anstehende Moment Te und die Drehgeschwindigkeit der Welle ω zu ermitteln. Diese aus dem Motormodell 1 abgeleiteten Werte sowie die sensorisch ermittelten Größen der Förderhöhe H (Druck) sowie der Fördermenge Q werden in einem mechanisch-hydraulischen Pumpenmodell 3 mathematisch miteinander verknüpft, das z.B. durch die Gleichungen (19) bis (22) weitergebildet ist. Hierbei werden vier Fehlergrößen r1 bis r4 generiert, wobei ein fehlerfreier Betrieb vorliegt, wenn diese alle den Wert Null annehmen und damit die Betriebspunkte in den in den Figuren 7 bis 10 im Einzelnen dargestellten Flächen r*1 bis r*4 liegen. Diese dort dargestellten Flächen sind aus einer Vielzahl von Betriebspunkten beim ordnungsgemäßen Betrieb des Pumpenaggregats definiert und fabrikmäßig erzeugt und im Speicherbaustein der Auswertelektronik digital abgespeichert. Alternativ oder zusätzlich wird festgestellt, ob die anhand des mechanisch-hydraulischen Pumpenmodells ermittelten Fehlergrößen r1 bis r4 Null sind oder nicht, entsprechend diesem Ergebnis erfolgt eine Auswertung gemäß der vorbeschriebenen Tabelle. Je nachdem, ob eine Fehlergröße vorliegt oder nicht, können beim Auftreten eines Fehlers insgesamt vier fehlerhafte Betriebszustände des Pumpenaggregats festgestellt werden, und zwar die unter die vorgenannten Oberbegriffe fallenden:
  • 1. erhöhte Reibung aufgrund mechanischer Defekte,
  • 2. reduzierte Förderung/fehlender Druck,
  • 3. Defekt im Ansaugbereich/fehlende Fördermenge und
  • 4. Förderausfall.
    • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann nicht nur das Pumpenaggregat selbst, sondern es können auch Teile der Anlage überwacht werden, in der das Pumpenaggregat angeordnet ist. Dabei gliedert sich das System so, wie in Fig. 3 im Einzelnen dargestellt ist. Auch hier ist ein elektrisches Motormodell vorgesehen, dessen Eingangsgrößen Vabc und iabc sind und dem beispielsweise ein statisches Motormodell nach den Gleichungen (6) bis (9) zugrunde liegt, so, wie es hinlänglich bekannt und anhand von Fig. 5 dargestellt ist. Die Ausgangsgröße dieses statischen Motormodells ist das Motormoment Te, das wiederum über die Gleichung (15) Eingang in den mechanischen Teil des Pumpenmodells 3a einfließt. Der hydraulische Teil des Pumpenmodells 3b ist durch die Gleichungen (16) und (17) definiert, über den der hydraulische Teil der Anlage 4 angekoppelt ist. Der hydraulische Teil der Anlage ist durch die Gleichung (18) definiert und anhand von Fig. 4 schematisch dargestellt, in dem Pin der Druck Zulauf der Pumpe, Hp der Differenzdruck der Pumpe, Q der Förderstrom, Pout der Druck am verbraucherseitigen Ende der Anlage und V1 die Strömungsverluste innerhalb der Pumpe darstellen. Zout ist das statische Druckniveau am verbraucherseitgen Ende der Anlage und Zin das am Pumpeneingang.
    Fig. 3 verdeutlicht also die Zusammenhänge zwischen Motormodell, mechanischem Teil des Pumpenmodells, hydraulischen Teil des Pumpenmodells und hydraulischen Teil der Anlage. Während in den hydraulischen Teile des Pumpenmodells 3b und den hydraulischen Teil der Anlage Förderhöhe und Fördermenge ein- bzw. ausgehen, gehen in den hydraulischen Teil des Pumpenmodells 3b die Drehzahl ωr ein, die auch in das Motormodell 1 eingeht. Das aus dem hydraulischen Teil des Pumpenmodells 3b ermittelte Moment geht wiederum in den mechanischen Teil des Pumpenmodells 3a zur Ermittlung der Drehzahl ein.
    Die vorstehend beschriebenen Gleichungen zur mathematischen Beschreibung von Pumpe und Motor sind nur beispielhaft zu verstehen und können ggfs. durch andere geeignete Gleichungen, wie sie aus der einschlägigen Fachliteratur bekannt sind, ersetzt werden. Die vorstehend mit diesen Modellen ermittelbaren Fehler beim Betrieb eines Pumpenaggregats bzw. Differenzierung nach Fehlerarten kann weiter diversifiziert werden durch geeignete Fehleralgorithmen.
    Um sicherzustellen, dass nicht schon geringe Fertigungstolleranzen oder Messfehler zur Abgabe von Fehlersignalen führen, ist es zweckmäßig, die in den Gleichungen (16) und (17) angegebenen Parameter ah und at nicht konstant zu wählen, sondern jeweils einen unteren oder oberen Grenzwert festzusetzen, um eine gewisse Bandbreite zu erzeugen, wie sie in Fig. 6 dargestellt sind. In der dort dargestellten linken Kurve ist die Leistung über der Fördermenge und in der rechten Kurve die Förderhöhe über der Fördermenge aufgetragen.
    Bezugszeichenliste
    1 -
    Elektrisches Motormodell
    2 -
    Vereinfachtes Pumpenmodell
    3 -
    Erweitertes Pumpenmodell
    3a -
    Mechanischer Teil des Pumpenmodells
    3b -
    Hydraulischer Teil des Pumpenmodells
    4 -
    Hydraulischer Teil der Anlage

    Claims (22)

    1. Verfahren zur Ermittlung von Fehlern beim Betrieb eines Pumpenaggregats, bei dem mindestens zwei die elektrische Leistung des Motors bestimmende elektrische Größen des Motors und mindestens eine veränderliche hydraulische Größe der Pumpe erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten oder davon abgeleiteten Werte selbsttätig mittels elektronischer Datenverarbeitung mit vorgegebenen Werten verglichen werden, wobei anhand des Ergebnisses ermittelt wird ob ein Fehler vorliegt oder nicht.
    2. Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass einerseits die zwei die elektrische Leistung des Motors bestimmenden elektrischen Größen des Motors, vorzugsweise die am Motor anliegende Spannung und der den Motor speisende Strom, zur Erzielung mindestens eines Vergleichswertes mathematisch verknüpft werden und andererseits die mindestens eine veränderliche hydraulische Größe der Pumpe sowie mindestens eine weitere die Leistung der Pumpe bestimmende mechanische oder hydraulische Größe zur Erzielung mindestens eines Vergleichswertes mathematisch verknüpft werden, wobei anhand der Ergebnisse der mathematischen Verknüpfungen durch Vergleich mit vorgegebenen Werten ermittelt wird ob ein Fehler vorliegt oder nicht.
    3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn das Vorliegen eines Fehlers ermittelt wird, weiter ermittelt wird, um welchen Fehler es sich handelt.
    4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste hydraulische Größe der von der Pumpe erzeugt Druck ist.
    5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste hydraulische Größe die Fördermenge der Pumpe ist.
    6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste hydraulische Größe der Differenzdruck zwischen Saug- und Druckseite der Pumpe ist.
    7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die mathematische Verknüpfung ein mathematisches elektrisches Motormodell in Verbindung mit einem mathematischen mechanisch-hydraulischen Pumpen-/Motormodell verwendet wird.
    8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Motormodell durch folgende Gleichungen L's disd dt = -R'sisd + Lm Lr (R'rψrd + zpωψrq )+νsd L's disq dt = -R'sisq + Lm Lr (R' r ψ rq - zp ωψ rd )+νsq dψrd dt = -R'rψrd - zpωψrq + R'r Lmisd dψrq dt = -R'rψrq + zpωψrd + R' rLmisq Te = zp 32 Lm Lr (ψrdisq - ψrqisd )       oder Vs = Zs (s)Is ω = ω s - sω s Ir = Vs Zr (s) Te = 3RrI 2 r s       oder Ls disd dt = -Rsisd + zpωLsψrq + νsd Ls disq dt = -Rsisq - zpωLsψrd + νsq dψrd dt = -zp ωψ rq dψrq dt = zpωψrd Te = zp 32 3 2(ψ rdisq -ψ rqisd ) gebildet wird, in denen
      isd
      den Motorstrom in Richtung d
      isq
      den Motorstrom in Richtung q
      ψrd
      den magnetischen Fluss des Rotors in d-Richtung
      ψrq
      den magnetischen Fluss des Rotors in q-Richtung
      Te
      das Motormoment
      νsd
      die Versorgungsspannung des Motors in d-Richtung
      νsq
      die Versorgungsspannung des Motors in q-Richtung
      ω
      die Winkelgeschwindigkeit des Rotors und Laufrades
      R's
      den Ersatzwiderstand der Statorwicklung
      R' r
      den Ersatzwiderstand der Rotorwicklung
      Lm
      den induktiven Kopplungswiderstand zwischen Stator- und Rotorwicklung
      L' s
      den induktiven Ersatzwiderstand der Statorwicklung
      Lr
      den induktiven Widerstand der Rotorwicklung
      zp
      die Polpaarzahl
      Is
      den Phasenstrom
      Vs
      die Phasenspannung
      ω s
      die Frequenz der Versorgungsspannung
      ω
      die tatsächlich Rotor- und Laufraddrehzahl
      s
      den Motorschlupf
      Zs (s)
      die Statorimpedanz
      Zr (s)
      die Rotorimpedanz
      Rr
      den Ersatzwiderstand der Rotorwicklung
      Rs
      den Ersatzwiderstand der Statorwicklung
      Ls
      Den induktiven Widerstand der Statorwicklung,
      wobei d und q zwei senkrecht zueinander stehende Richtungen senkrecht zur Motorwelle sind,
      ist und dass das mechanisch-hydraulische Pumpen-/Motormodell durch eine Gleichung J dω dt = Te - Bω - TP und mindestens eine der Gleichungen Hp = -ah 2 Q 2 + ah 1 Qω + ah0ω 2 Tp = - at 2 Q 2 + at 1 Qω + at 0 ω 2 gebildet wird, in denen
      dω / dt
      die zeitliche Ableitung der Winkelgeschwindigkeit des Rotors,
      Tp
      das Pumpendrehmoment,
      J
      das Massenträgheitsmoment von Rotor, Laufrad und im Laufrad gebundener Förderflüssigkeit ,
      B
      die Reibungskonstante,
      Q
      der Förderstrom der Pumpe,
      Hp
      der von der Pumpe erzeugten Differenzdruck,
      ah 2,ah 1,
      die Parameter, die den Zusammenhang zwischen Drehzahl
      ah 0
      des Laufrades, Förderstrom und Differenzdruck beschreiben und
      at 2,at 1,
      die Parameter, die den Zusammenhang zwischen Drehzahl
      at 0
      des Laufrades, Förderstrom und Massenträgheitsmoment be beschreiben
      sind.
    9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in den Gleichungen (16) und (17) die Größen ah0- ah2 und at0 - at2 festgelegt werden, sowie in der Gleichung (15) die Größen B und J, dass aus dem elektrischen Motormodell gemäß den Gleichungen (1) - (5) oder (6) - (9) oder (10) - (14) ein Motormoment (Te) ermittelt wird und die Drehzahl entweder nach den Gleichungen (1) - (5) oder (6) - (9) oder (10) - (14) berechnet oder gemessen wird, wonach mit Hilfe der Gleichungen (16) und/oder (17) eine Beziehung zwischen Druck und Fördermenge einerseits und/oder zwischen Leistung/Moment und Fördermenge andererseits ermittelt wird, wonach vorzugsweise mit Gleichung (15) überprüft wird, ob die mit Hilfe des Motormodells berechneten Größen mit denen mit Hilfe des Pumpenmodells nach Einsetzen der gemessenen hydraulischen Größen berechneten Größen übereinstimmen oder nicht, wobei bei mangelnder Übereinstimmung ein Fehler registriert wird.
    10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch Varianz mindestens einer der Größen ah0- ah2 und at0 - at2 und B und J ein Toleranzband festgelegt wird.
    11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Art des Fehlers zusätzlich zu den zwei elektrischen Größen zwei hydraulische Größen, vorzugsweise durch Messen ermittelt werden und die ermittelten Werte in die Gleichungen nach Anspruch 8 eingesetzt werden, derart, dass sich mehrere Fehlergrößen (r1 - r4 ) ergeben, wobei anhand der Kombination der Fehlergrößen die Art des Fehlers anhand vorgegebener Grenzwertkombinationen ermittelt wird.
    12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Art des Fehlers zusätzlich zu den zwei elektrischen Größen zwei hydraulische Größen, vorzugsweise durch Messen ermittelt werden und die ermittelten Werte oder davon abgeleitete Werte mit vorgegebenen Werten verglichen werden, wobei die vorgegebene Werte jeweils eine Fläche definieren, wobei ermittelt wird, ob die ermittelten oder die davon abgeleiteten Größen auf einer dieser Flächen (r*1 - r*4) liegen oder nicht, und anhand der Kombination der Fehlergrößen die Art des Fehlers anhand vorgegebener Grenzwertkombinationen ermittelt wird.
    13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Fehlerart anhand der folgenden Tabelle erfolgt Fehlerarf Fehlergröße r 1 , r 1* r 2 , r 2* r 3 , r 3* r 4 , r 4* Vergleichsfläche Erhöhte Reibung aufgrund mechanischer Defekte 1 0 1 1 Reduzierte Förderung/ fehlender Druck 0 1 1 1 Defekt im Ansaugbereich/ fehlende Fördermenge 1 1 0 1 Förderausfall 1 1 1 1
    14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ermittlung eines Fehlers das Pumpenaggregat mit geänderter Drehzahl angesteuert wird, um anhand der sich dann einstellenden Messergebnisse den ermittelten Fehler näher zu spezifizieren.
    15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanisch-hydraulische Pumpen- /Motormodell zumindest Teile des von der Pumpe beaufschlagten hydraulischen System mit umfasst, derart, dass auch Fehler des hydraulischen Systems ermittelbar sind.
    16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das hydraulische System durch die Gleichung KJ dQ dt = Hp - (pout + ρgzout - pin - ρgzin ) - (Kv + Kl )Q 2 definiert wird, in der
      KJ
      die Konstante ist, die Mässenträgkeit der Flüssigkeitssäule im Rohrsystem beschreibt,
      Kv
      die Konstante, die die flowabhängigen Druckverluste im Ventil beschreibt und
      KL
      die Konstante ist, die die flowabhängigen Druckverluste im Rohrsystem beschreibt,
      Hp
      den Differenzdruck der Pumpe,
      Pout
      den Druck am verbraucherseitigen Ende der Anlage,
      Pin
      den Zulaufdruck,
      Zout
      das statische Druckniveau am verbraucherseitigen Ende der Anlage,
      Zin
      das statische Druckniveau am Pumpeneingang,
      p
      die Dichte des Fördermediums
      g
      die Gravitationskonstante
    17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größen r1 - r4 durch die Gleichungen
      Figure 00250001
      { r 2 = q 2 (-ah 2 Q 2 + ah 1ωQ + ah 0ω2 - Hp )
      Figure 00250002
      Figure 00250003
      definiert sind, in denen
      k 1,k 3,k 4
      Konstanten,
      q 1,q 2,q 3,q 4
      Konstanten,
      Q'
      Die berechnete Fördermenge auf Basis von aktueller Drehzahl und gemessenem Druck,
      ω and 1
      die berechnete Rotordrehzahl auf Grundlage der mechanisch-hydraulischen Gleichungen (15) und (17),
      ω and 3
      die berechnete Rotordrehzahl auf Grundlage der Gleichungen (15), (16) und (17),
      ω and 4
      die berechnete Rotordrehzahl auf Grundlage der Gleichungen (15), (16) und (17),
      ω'
      die berechnete Rotordrehzahl aufgrund gemessenen Förderdrucks und gemessener Fördermenge
      r 1 - r 4
      Fehlergrößen und
      r 1* - r 4*
      durch drei Variable bestimmte Flächen sind, die einen fehlerfreien Betrieb der Pumpe repräsentieren.
    18. Vorrichtung zur Fehlerermittlung bei Betriebszuständen eines Kreiselpumpenaggregats, mit Mitteln zur Erfassung von zwei für den Motor leistungsbestimmenden elektrischen Größen und mit Mitteln zur Erfassung mindestens einer veränderlichen hydraulischen Größe der Pumpe und mit einer Auswerteinrichtung, welche einen Fehlerzustand des Pumpenaggregats anhand der erfassten Größen ermittelt .
    19. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Speichern von vorgegebenen Werten vorgesehen sind, wobei die Auswerteinrichtung Mittel zum Vergleich der erfassten Größen mit den vorgegebenen Werten umfasst.
    20. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteinrichtung Mittel zur rechnerischen Verknüpfung der erfassten Größen umfasst.
    21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie integraler Bestandteil der Motorund/oder Pumpenelektronik ist.
    22. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, mindestens eine Fehlermeldung zu erzeugen und zu übertragen.
    EP04002979.5A 2004-02-11 2004-02-11 Verfahren zur Ermittlung von Fehlern beim Betrieb eines Pumpenaggregates Expired - Lifetime EP1564411B2 (de)

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