EP2640973A1 - Verfahren und regelvorrichtung zur drehzahlvariablen regelung eines verdrängerpumpenaggregates sowie verdrängerpumpenanordnung - Google Patents

Verfahren und regelvorrichtung zur drehzahlvariablen regelung eines verdrängerpumpenaggregates sowie verdrängerpumpenanordnung

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EP2640973A1
EP2640973A1 EP11782643.8A EP11782643A EP2640973A1 EP 2640973 A1 EP2640973 A1 EP 2640973A1 EP 11782643 A EP11782643 A EP 11782643A EP 2640973 A1 EP2640973 A1 EP 2640973A1
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EP
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displacement pump
control device
positive displacement
drive
pump unit
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Thomas Paulus
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    • F04D15/0066—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or systems by changing the speed, e.g. of the driving engine

Definitions

  • the invention relates to a method for navzahivariablen control of Verdrängerpumpenaggregates for conveying a fluid consisting of a positive displacement pump and a drive, wherein the drive consists of a provided with a stator and rotor electric drive motor and a frequency converter, by means of a control device, wherein a controlled variable of the positive displacement pump the crizvorrichiung is controlled to a desired value and a suitable control device for carrying out the method and a corresponding positive displacement pump assembly.
  • Displacement pumps are often used to convey fluids, ie liquids or gases, at medium to high pressures and small flow rates.
  • the drive is usually an electric asynchronous motor with upstream frequency converter used in combination with a designed as a process controller control device for variable-speed operation of the induction motor. Due to the variable-speed operation can be achieved with a measurement of the final pressure as a controlled variable of the positive displacement pump, a regulation of the pressure with changing flow rate.
  • the control device is usually also provided in addition to the actual control for control, monitoring and / or diagnostic tasks. Frequency converter and control device are usually designed separately. To avoid overpressures and for rapid pressure reduction separate pressure relief valves are used in a conventional positive displacement pump assembly pressure side.
  • position a method for sensorless control of rotor angle position or rotor position, hereinafter referred to simply as position, and speed of a synchronous reluctance known.
  • the state values are speed and position of the synchronous reluctance motor and, via the torque-forming current component, its torque.
  • the object of the invention is to provide a method for variable-speed control of a positive displacement pump unit, which increases the dynamics of the control and requires fewer individual components of the arrangement, and to provide a suitable control device for carrying out the method and a corresponding positive displacement pump arrangement.
  • This object is achieved by a method in which at least one state provided by the drive state value, in particular torque and / or position of the drive motor is detected by the control device and from the control device, the controlled variable of the positive displacement pump is determined to the positive displacement pump unit without Use of sensors to control the setpoint.
  • controlled variables of the displacement pump in particular the final pressure and the delivered fluid volume are provided.
  • torque and position of the drive motor are detected as the state values of the drive.
  • control device is also provided for control, monitoring and / or diagnostic tasks.
  • the total functionality of the device simplifies the term control device used.
  • Frequency converter and control device according to the invention can also be designed integrated.
  • An embodiment of the method provides that the final pressure ais controlled variable of the positive displacement pump is determined by the control device to regulate the positive displacement pump unit without the use of sensors on the Endpecializingsoilwert. As a result, a control to a final pressure setpoint is created, which manages without a sensory detection of the final pressure.
  • the final pressure of the positive displacement pump is regulated by means of a stored in the control device Motormoment- final pressure dependence of the positive displacement pump unit.
  • the control device and / or the drive integrated with the control device is parameterized or adjusted by such a pressure model to the respective positive displacement pump.
  • the engine torque-final pressure dependency stored in the control device is provided in the form of a characteristic curve, a value table, or the like.
  • a formulaic relationship is also provided and can be stored in a storage device provided in the control device.
  • a rotor with a synchronous reluctance motor can be sensor-less with respect to its rotor angle, hereinafter also referred to position, and its speed controlled.
  • the torque of the motor is also available with the torque component that forms the moment.
  • the nominal torque of the sensorless synchronous reluctance motor is already available when the engine is stopped, so that even with a flow rate of zero, the pressure can be maintained at the required level.
  • the inventive method allows in connection with the sensorless synchronous reluctance motor starting a
  • a predetermined volume of fluid is conveyed by the determined actual fluid volume is compared with the predetermined volume of fluid by the control device and a delivery operation of the positive displacement pump unit is stopped upon reaching the predetermined volume of fluid.
  • the delivery volume per piston stroke of the positive displacement pump is added up.
  • a valve arranged on the pressure side can be actuated by the control device and this can be closed.
  • control device for carrying out the method according to the invention, wherein a controlled variable of a positive displacement pump is controlled by the control device to a desired value
  • the control device means for detecting at least one provided by the drive state value, in particular torque and / or position of the drive motor, and a memory device, that the control device determines the controlled variable from the state value to regulate the positive displacement pump assembly without the use of sensors and on the basis of the state values supplied by the drive to the predetermined desired value.
  • torque and position of the drive motor are expediently detected as state values of the drive.
  • the final pressure of the positive displacement pump is used as a controlled variable. This allows the regulation of the final pressure to the final pressure setpoint without pressure sensors. From the position information of the drive motor can be controlled to the control variable funded fluid volume.
  • an engine torque-end pressure dependency of the positive displacement pump unit is stored and the control device, the final pressure of
  • Positive displacement pump by means of the motor torque-end pressure dependence of the positive displacement pump unit controls.
  • the storage device serves to store the characteristic parameters or parameters characteristic of the respective positive-displacement pump. This takes place in the form of a characteristic curve, a value table, a formulaic relationship or the like. Conveniently, a linear relationship between engine torque and final pressure according to the above equation 1 is stored in the storage device.
  • control device is able to determine from the position information of the drive motor, more precisely the angular position of the drive rotor, and the value of the closed displacement pump volume, the stroke volume, the conveyed fluid idvolumen and / or to regulate a predetermined fluid flow.
  • a positive displacement pump assembly with a positive displacement pump unit for conveying a fluid
  • the positive displacement pump unit consists of a positive displacement pump and a variable speed drive
  • the drive consists of an electric drive motor and a frequency converter
  • a controlled variable in particular end pressure and / or delivered fluid volume
  • the positive displacement regulated is, and optionally with a pressure side arranged valve, in particular shut-off valve is characterized by a control device according to the invention.
  • the valve, in particular the shut-off valve is controlled and / or regulated by the regulating device.
  • the drive motor of the positive-displacement pump assembly is a sensor-synchronous synchronous reluctance motor with flux barriers.
  • a flux reluctant synchronous reluctance motor can be controlled sensorless with regard to its rotor angle position, and its speed.
  • state values of the control device speed, position and torque of the synchronous reluctance motor are available.
  • the rated torque of the sensorless synchronous reluctance motor is already at a standstill Motor available, so that even at a flow rate of zero, the pressure can be maintained at the required level.
  • With the sensorless synchronous reluctance motor it is also possible to start the positive displacement pump assembly against a closed slide valve. The desired final pressure is available immediately.
  • the drive has means for sensory determination of the position and the rotational speed of the drive motor.
  • the drive has for this purpose means for measuring electrical voltages and / or electric currents of the drive motor.
  • Fig. 1 is a Verdrängerpumpenanix extract according to the prior art
  • Fig. 2 shows a Verdrängerpumpenan extract invention
  • Fig. 3 is a control technical representation of a pressure control according to the invention.
  • 4b is a control technical representation of a process sequence according to the invention with regard to Fiuidvolumenbetician and valve closure.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a displacement pump arrangement 1 'according to the prior art.
  • a positive displacement pump 2 is connected on its pressure side 3 and on its suction side 4 to a piping system of a system not shown and by means of a shaft 5 by an existing rotor and stator electric motor 6 ', here a conventional induction motor, driven.
  • Electric motor 6 ' is variable speed operable and is supplied via a frequency converter 7' multi-phase, here three-phase, with a multi-phase, here three-phase, AC electrical network 9.
  • the frequency converter 7 ' By means of a predetermined frequency setpoint fsoii the frequency converter 7 'operates the electric motor 6' at a certain but variable speed.
  • Electric motor 6 'and frequency converter T form the drive for the positive displacement pump 2.
  • a signal according to the final pressure p is the arrangement V detected and forwarded to a control device 1 1'.
  • the control device 1 ' is used to control the final pressure p is the positive displacement pump 2 to a predetermined final pressure setpoint p so n by means of a frequency setpoint f so n.
  • pressure relief valves necessary. Providing a required pressure at a flow rate equal to zero, the so-called zero flow rate, is not possible with this arrangement. The time to adjust the pressure when opening a pressure side arranged, not shown here, slider is increased.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a positive-displacement pump arrangement 1 according to the invention with a positive-displacement pump unit for conveying a fluid, which consists of a positive-displacement pump 2 and a variable-speed drive.
  • the drive is formed by a provided with a stator and rotor electric drive motor 6 and a frequency converter 7.
  • the electric motor 6 is polyphase via the frequency converter 7, here three-phase, connected to a Wegphasigien, here three-phase, AC electrical network 9.
  • a control device 1 1 controls the positive displacement pump 2 to a predetermined Enddrucksoliwert.
  • On the pressure side 3 of the positive displacement pump 2 designed as a shut-off valve 13 is arranged for closing the pressure-side pipe.
  • the control device 1 1 has means for detecting the motor state values Winkeliage (p ist , rotational speed w ist and torque M ist of the drive motor 6.
  • the control device 1 has a memory device for storing parameters, dependencies and / or characteristic curves determines the final pressure pi St from the torque Mj St to the positive displacement pump unit without the use of sensors to the predetermined final pressure p soN regulate.
  • the control device 11 has the pressure regulator 15, which is shown in detail in FIG. 3, and generates a required frequency setpoint f so n.
  • neither a sensor signal of a pressure of the positive displacement pump nor of another sensor is required.
  • the control device uses rather a stored in the memory device of the control device 11 engine torque-end pressure dependency of the positive displacement pump unit to control the final pressure p is the positive displacement pump by means of the motor torque-end pressure dependency of the positive displacement pump unit.
  • the control device 11 is able to determine from the position information c is the drive motor 6 and a value of the closed displacement pump volume, the displacement, the volume of fluid delivered and / or to regulate a predetermined fluid delivery.
  • the accuracy of the pressure determination can be improved by taking into account the dynamic torque component in the starting state.
  • FIG. 4 a shows a control procedure according to the invention for determining a conveyed fluid volume in relation to initialization and valve opening.
  • FIG. 4b shows the process sequence in relation to the actual volume determination and a final valve closure.
  • start 1
  • a valve 13 arranged on the pressure side 3 of the positive displacement pump 2 is opened for starting a delivery with a defined fluid delivery volume V so n and
  • the condition whereby the control difference e is to be below a certain threshold ensures that a desired pressure level is built up before the pumping and, taking into account this starting condition, the determination of the determination of the volume is made on condition that the Positive displacement pump is completely filled.
  • the initial angular position (p is t 10) is set to the actual value of the motor angular position (p is .)
  • the delivered volume V is given by k 2 as the factor according to FIG. 4b corresponding to the closed delivery volume of the positive displacement pump (stroke volume):
  • the volume determination is carried out cyclically in successive, marked with index k, iteration steps, where ⁇ represents the value for the entire swept angle distance of the rotor.
  • ⁇ represents the value for the entire swept angle distance of the rotor.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur drehzahlvariablen Regelung eines Verdrängerpumpenaggregates zum Fördern eines Fluids, bestehend aus einer Verdrängerpumpe und einem Antrieb, wobei der Antrieb aus einem elektrischen Antriebsmotor und einem Frequenzumrichter besteht, mittels einer Regelvorrichtung, wobei ein Enddruck der Verdrängerpumpe durch die Regelvorrichtung auf einen Enddrucksollwert geregelt wird sowie eine geeignete Regelvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und eine entsprechende Verdrängerpumpenanordnung. Durch die erfindungsgemäße Regelvorrichtung (11) werden vom Antrieb gelieferte Zustandswerte, insbesondere Lage, Drehzahl und Drehmoment des Antriebsmotors (6), erfasst. Durch die Regelvorrichtung (11) wird daraus die Regelgröße, insbesondere der Enddruck, der Verdrängerpumpe (2) ermittelt. Das Verdrängerpumpenaggregat wird ohne Verwendung von Sensoren auf den Sollwert geregelt.

Description

Beschreibung
Verfahren und Regelvorrichtung zur drehzahlvariablen Regelung eines
Verdrängerpumpenaggregates sowie Verdrängerpumpenanordnung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur drehzahivariablen Regelung eines Verdrängerpumpenaggregates zum Fördern eines Fluids, bestehend aus einer Verdrängerpumpe und einem Antrieb, wobei der Antrieb aus einem mit Stator und Rotor versehenen elektrischen Antriebsmotor und einem Frequenzumrichter besteht, mittels einer Regelvorrichtung, wobei eine Regelgröße der Verdrängerpumpe durch die Regelvorrichiung auf einen Sollwert geregelt wird sowie eine geeignete Regelvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und eine entsprechende Verdrängerpumpenanordnung.
Verdrängerpumpen werden häufig zur Förderung von Fluiden, also Flüssigkeiten oder Gasen, bei mittleren bis hohen Drücken und kleinen Fördermengen eingesetzt. Als Antrieb wird üblicherweise ein elektrischer Asynchronmotor mit vorgeschaltetem Frequenzumrichter in Kombination mit einer als Prozeßregler ausgebildeten Regelvorrichtung zum drehzahlvariablen Betrieb des Asynchronmotors eingesetzt. Durch den drehzahlvariablen Betrieb kann mit einer Messung des Enddruckes als Regelgröße der Verdrängerpumpe eine Regelung des Drucks bei sich verändernder Fördermenge erreicht werden. Die Regelvorrichtung ist üblicherweise neben der eigentlichen Regelung zusätzlich für Steuer-, Überwachungs- und/oder Diagnoseaufgaben vorgesehen. Frequenzumrichter und Regelvorrichtung sind üblicherweise separat ausgeführt. Zur Vermeidung von Überdrücken und zum schnellen Druckabbau werden in einer herkömmlichen Verdrängerpumpenanordnung druckseitig separate Überdruckventile eingesetzt. Ein Anfahren des Antriebes gegen einen geschlossenen Schieber ist ohne Steileingriffe des Überdruckventils antriebsbedingt nicht möglich. Ein Vorhalten eines geforderten Druckes bei einer Fördermenge gleich Null, der sogenannten Nullfördermenge, ist bei einer herkömmlichen Anordnung nicht möglich. Dadurch wird die benötigte Zeit zum Einregeln des Druckes bei Öffnung des Schiebers vergrößert.
Weiterhin ist ein Verfahren zur sensorlosen Regelung von Rotorwinkellage oder Rotorposition, nachfolgend vereinfachend Lage genannt, und Drehzahl eines synchronen Reluktanzmotors bekannt. Als Zustandswerte stehen Drehzahl und Lage des synchronen Reluktanzmotors und über die momentenbildende Stromkomponente dessen Drehmoment zur Verfügung.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur drehzahlvariablen Regelung eines Verdrängerpumpenaggregates zu schaffen, das die Dynamik der Regelung erhöht und weniger Einzelkomponenten der Anordnung erfordert, und eine geeignete Regelvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie eine entsprechende Verdrängerpumpenanordnung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gelöst, bei dem durch die Regelvorrichtung mindestens ein vom Antrieb zur Verfügung gestellter Zustandswert, insbesondere Drehmoment und/oder Lage des Antriebsmotors, erfasst wird und daraus durch die Regelvorrichtung die Regelgröße der Verdrängerpumpe ermittelt wird, um das Verdrängerpumpenaggregat ohne Verwendung von Sensoren auf den Sollwert zu regeln. Als Regelgrößen der Verdrängerpumpe sind insbesondere der Enddruck und das geförderte Fluidvoiumen vorgesehen. Vorteiihafterweise werden als Zustandswerte des Antriebs Drehmoment und Lage des Antriebsmotors erfasst. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist eine Regelung auf einen Sollwert geschaffen, die gänzlich ohne eine sensorische Erfassung der Regelgröße auskommt und rein auf der vom Antrieb gelieferten Zustandswerte basiert.
Die Regelvorrichtung ist darüber hinaus für Steuer-, Überwachungs und/oder Diagnoseaufgaben vorgesehen. In dieser Anmeldung wird ohne Beschränkung der Gesamt- funktionalität der Vorrichtung vereinfachend der Begriff Regelvorrichtung verwendet. Frequenzumrichter und Regelvorrichtung können erfindungsgemäß auch integriert ausgeführt sein.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass durch die Regelvorrichtung der Enddruck ais Regelgröße der Verdrängerpumpe ermittelt wird, um das Verdrängerpumpenaggregat ohne Verwendung von Sensoren auf den Enddrucksoilwert zu regeln. Dadurch ist eine Regelung auf einen Enddrucksollwert geschaffen, die ohne eine sensorische Erfassung des Enddruckes auskommt.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Enddruck der Verdrängerpumpe mittels einer in der Regelvorrichtung gespeicherten Motormoment- Enddruck-Abhängigkeit des Verdrängerpumpenaggregates geregelt wird. Die Regelvorrichtung und/oder der mit der Regelvorrichtung integriert ausgeführte Antrieb ist durch ein solches Druckmodell auf die jeweilige Verdrängerpumpe parametriert oder ange- passt. Über die Regelung des Motormomentes wird der Enddruck der Pumpe geregelt. Die in der Regelvorrichtung gespeicherte Motormoment-Enddruck-Abhängigkeit ist in Form einer Kennlinie, einer Wertetabelle, oder dergleichen vorgesehen. Auch ein formelmäßiger Zusammenhang ist vorgesehen und in einer in der Regelvorrichtung vorgesehenen Speichervorrichtung hinterlegbar. Als zweckmäßig und in erster Näherung ausreichend hat sich ein einfacher linearer Zusammenhang zwischen Motormoment und Enddruck erwiesen, der mit dem Istwert des Enddruckes pist, dem Istwert des Motormomentes MiSt und der Konstanten k-, durch folgende Gleichung gegeben ist:
Pist = ki■ MiSt (Gleichung 1 ).
Für eine präzise Bestimmung des Enddruckes hat es sich bewährt, dass durch die Regelvorrichtung zusätzlich die Drehzahl des Motors erfasst werden kann. Durch ein solches dynamisches Druckmodell kann für den Anfahrvorgang die Druckbestimmung unter Berücksichtigung des dynamischen Momentenanteils, gebildet aus dem Produkt der Motorträgheitskonstanten Θ und der Ableitung der Drehzahl ioist , gemäß folgender Gleichung erfolgen: Pist = ki ( Mist - Θ W|8t" ) (Gleichung 2).
Es hat sich weiterhin als zweckmäßig erwiesen, durch die Regelvorrichtung Zustands- werte, insbesondere Lage, Drehzahl und Drehmoment, eines sensorlosen Synchronreluktanzmotors mit Flusssperrenschnitt zu erfassen. Ein mit Flussssperren oder Fiuss- barrieren genannten Aussparungen im Rotorblechschnitt versehener Rotor eines Synchronreluktanzmotors kann sensorlos hinsichtlich seiner Rotorwinkel läge, nachfolgend auch Lage genannt, und seiner Drehzahl geregelt werden. Neben den Zustandswerten Drehzahl und Lage des synchronen Reluktanzmotors steht weiterhin mit der momen- tenbildenden Stromkomponente das Drehmoment des Motors zur Verfügung. Das Nennmoment des sensorlosen Synchronreluktanzmotors ist bereits bei stillstehendem Motor verfügbar, so dass auch bei einer Fördermenge von Null der Druck auf dem geforderten Niveau gehalten werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht in Verbindung mit dem sensoriosen Synchronreluktanzmotor ein Anlaufen einer
Verdrängerpumpe gegen einen geschlossenen Schieber. Der gewünschte Enddruck steht dabei sofort zur Verfügung.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, dass ein solcher Synchronreluktanzmotor ohne Drehzahl- und ohne Lagesensoren geregelt wird. Somit besteht mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Regelung auf einen Enddrucksollwert, die ohne eine sensorische Erfassung des Enddruckes und ohne Postions- und Drehzahlsensoren auskommt.
Zusätzliche Vorteile bringt eine Ausgestaltung des Verfahrens, wonach von der Regelvorrichtung die Lage des Antriebsmotors, also die Winkeilage des Antriebsrotors zum Antriebsstator, erfasst wird, und mit dem Wert des abgeschlossen Verdrängerpumpenvolumens, dem Hubvolumen, das geförderte Fluidvolumen ermittelt wird. Dabei ergibt sich das geförderte Fluidvolumen aus der zurückgelegten Winkelstrecke des Antriebsrotors und dem Hubvolumen der Verdrängerpumpe. Somit lassen sich mit dem Verfahren definierte Fluidvolumen fördern. Enddruck und gefördertes Fluidvolumen des Verdrängerpumpenaggregates sind somit gleichzeitig ermittelbar. Weiterhin kann durch die Kombination von Enddruckregeiung und Ermittlung des geförderten Fluidvolumens eine nicht vollständige Füllung der Verdrängerpumpe mit dem zu fördernden Fluid erkannt werden. Durch die Erkennung einer gegebenenfalls vorhandenen nicht vollständigen Füllung kann eine richtige Berechnung der geförderten Menge erfolgen.
Dabei ist es vorgesehen, dass ein vorgegebenes Fluidvolumen gefördert wird, indem durch die Regelvorrichtung das ermittelte Ist-Fluidvolumen mit dem vorgegebenen Fluidvolumen verglichen wird und bei Erreichen des vorgegebenen Fluidvolumens ein Förderbetrieb des Verdrängerpumpenaggregates gestoppt wird. Dazu wird beispielsweise beginnend mit einem Startzeitpunkt das Fördervolumen pro Kolbenhub der Verdrängerpumpe aufsummiert. Bei Erreichen des vorgegebenen Fluidvolumens wird der Förderbetrieb des Verdrängerpumpenaggregates gestoppt. Dazu kann durch die Regeivorrich- tung ein druckseitig angeordnetes Ventil angesteuert werden und dieses geschlossen werden.
Bei einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei eine Regelgröße einer Verdrängerpumpe durch die Regelvorrichtung auf einen Sollwert geregelt wird, ist vorgesehen, dass die Regelvorrichtung Mittel zur Erfassung mindestens eines vom Antrieb zur Verfügung gestellten Zustands- wertes, insbesondere Drehmoment und/oder Lage des Antriebsmotors, und eine Speichervorrichtung aufweist, dass die Regelvorrichtung die Regelgröße aus dem Zu- standswert ermittelt, um das Verdrängerpumpenaggregat ohne Verwendung von Sensoren und auf Basis der vom Antrieb gelieferten Zustandswerte auf den vorgegebenen Sollwert zu regeln. Dazu werden zweckmäßigerweise als Zustandswerte des Antriebs Drehmoment und Lage des Antriebsmotors erfasst. Insbesondere ist es vorgesehen, dass der Enddruck der Verdrängerpumpe als Regelgröße verwendet wird. Dies ermöglicht die Regelung des Enddruckes auf den Enddrucksollwert ohne Drucksensoren. Aus der Lageinformation des Antriebsmotors kann auf die Regelgröße gefördertes Fluidvolumen geregelt werden. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass in der Speichervorrichtung der Regelvorrichtung eine Motormoment-Enddruck-Abhängigkeit des Verdrängerpumpenaggregates gespeichert ist und die Regelvorrichtung den Enddruck der
Verdrängerpumpe mittels der Motormoment-Enddruck-Abhängigkeit des Verdrängerpumpenaggregates regelt. Die Speichervorrichtung dient der Speicherung der für die jeweilige Verdrängerpumpe charakteristischen Parameter oder Kenngrößen. Dies erfolgt in Form einer Kennlinie, einer Wertetabelle, durch einen formelmäßigen Zusammenhang oder dergleichen. Zweckmäßigerweise ist in der Speichervorrichtung ein linearer Zusammenhang zwischen Motormoment und Enddruck gemäß obiger Gleichung 1 gespeichert.
Weiterhin ist die erfindungsgemäße Regelvorrichtung in der Lage, aus der Lageinformation des Antriebsmotors, genauer der Winkellage des Antriebsrotors, und dem Wert des abgeschlossenen Verdrängerpumpenvolumens, dem Hubvolumen, das geförderte Flu- idvolumen zu ermitteln und/oder eine vorgegebene Fluidfördermenge zu regeln.
Eine erfindungsgemäße Verdrängerpumpenanordnung mit einem Verdrängerpumpenaggregat zum Fördern eines Fluids, wobei das Verdrängerpumpenaggregat aus einer Verdrängerpumpe und einem drehzahlvariablen Antrieb besteht, wobei der Antrieb aus einem elektrischen Antriebsmotor und einem Frequenzumrichter besteht, wobei eine Regelgröße, insbesondere Enddruck und/oder gefördertes Fluidvolumen, der Verdrängerpumpe geregelt wird, und gegebenenfalls mit einem druckseitig angeordneten Ventil, insbesondere Absperrventil, ist gekennzeichnet durch eine erfindungsgemäße Regelvorrichtung. Gegebenenfalls wird das Ventil, insbesondere das Absperrventil, durch die Regelvorrichtung gesteuert und/oder geregelt.
Vorteiihafterweise ist der Antriebsmotor des Verdrängerpumpenaggregates ein sensor- ios betriebener Synchronreluktanzmotors mit Flusssperren. Ein mit Flussssperren versehener Synchronreluktanzmotor kann sensorlos hinsichtlich seiner Rotorwinkeilage, und seiner Drehzahl geregelt werden. Als Zustandswerte stehen der Regelvorrichtung Drehzahl, Lage und Drehmoment des synchronen Reluktanzmotors zur Verfügung. Das Nennmoment des sensorlosen Synchronreluktanzmotors ist bereits bei stillstehendem Motor verfügbar, so dass auch bei einer Fördermenge von Null der Druck auf dem geforderten Niveau gehalten werden kann. Mit dem sensoriosen Synchronreluktanzmotor ist ein Anlaufen des Verdrängerpumpenaggregates auch gegen einen geschlossenen Schieber möglich. Der gewünschte Enddruck steht dabei sofort zur Verfügung.
Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass der Antrieb Mittel zum sensoriosen Bestimmen der Lage und der Drehzahl des Antriebsmotors aufweist. Der Antrieb besitzt dazu Mittel zum Messen von elektrischen Spannungen und/oder von elektrischen Strömen des Antriebsmotors.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen die
Fig. 1 eine Verdrängerpumpenanordnung gemäß dem Stand der Technik, die
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Verdrängerpumpenanordnung, die
Fig. 3 eine regelungstechnische Darstellung einer erfindungsgemäßen Druckregelung, die
Fig. 4a eine regelungstechnische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrensabiaufs hinsichtlich Initialisierung Fluidvolumenbestimmung und Ventilöffnung, und die
Fig. 4b eine regelungstechnische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs hinsichtlich Fiuidvolumenbestimmung und Ventilschließung.
Die Figur 1 zeigt eine Verdrängerpumpenanordnung 1 ' gemäß dem Stand der Technik in schematischer Darstellung. Eine Verdrängerpumpe 2 ist auf ihrer Druckseite 3 und auf ihrer Saugseite 4 an ein Rohrleitungssystem einer nicht näher dargestellten Anlage angeschlossen und wird mittels einer Welle 5 von einem aus Rotor und Stator bestehenden Elektromotor 6', hier einem herkömmlichen Asynchronmotor, angetrieben. Der Elektromotor 6' ist drehzahlvariabel betreibbar und wird über einen Frequenzumrichter 7' mehrphasig, hier dreiphasig, mit einem mehrphasigen, hier dreiphasigen, elektrischen Wechselspannungsnetz 9 versorgt. Mittels eines vorgegebenen Frequenzsollwertes fsoii betreibt der Frequenzumrichter 7' den Elektromotor 6' bei einer bestimmten, aber veränderlichen Drehzahl. Elektromotor 6' und Frequenzumrichter T bilden dabei den Antrieb für die Verdrängerpumpe 2. Auf der Druckseite 3 der Verdrängerpumpe 2 wird mittels eines Drucksensors 10, ein Signal gemäß dem Enddruck pist der Anordnung V erfasst und an eine Regelvorrichtung 1 1 ' weitergeleitet. Die Regelvorrichtung 1 ' dient der Regelung des Enddruckes pist der Verdrängerpumpe 2 auf einen vorgegebenen Enddrucksollwert pson mittels eines Frequenzsollwertes fson. Zur Vermeidung von Überdrücken und zum schnellen Druckabbau werden bei einer solchen Verdrängerpumpenanordnung V druckseitig separate, hier nicht dargestellte, Überdruckventile notwendig. Ein Vorhalten eines geforderten Druckes bei einer Fördermenge gleich Null, der sogenannten Nullfördermenge, ist bei dieser Anordnung nicht möglich. Die Zeit zum Einregeln des Druckes bei Öffnung eines druckseitig angeordneten, hier nicht dargestellten, Schiebers ist vergrößert.
Die Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Verdrängerpumpenanordnung 1 mit einem Verdrängerpumpenaggregat zum Fördern eines Fluids, das aus einer Verdrängerpumpe 2 und einem drehzahlvariabien Antrieb besteht. Der Antrieb ist gebildet durch einen mit Stator und Rotor versehenen elektrischen Antriebsmotor 6 und einen Frequenzumrichter 7. Der Elektromotor 6 ist über den Frequenzumrichter 7 mehrphasig, hier dreiphasig, mit einem mehrphasigien, hier dreiphasigen, elektrischen Wechselspannungsnetz 9 verbunden. Eine Regeivorrichtung 1 1 regelt die Verdrängerpumpe 2 auf einen vorgegebenen Enddrucksoliwert. Auf der Druckseite 3 der Verdrängerpumpe 2 ist ein als Absperrventil gestaltetes Ventil 13 zum Verschließen der druckseitigen Rohrleitung angeordnet. Die Regelvorrichtung 1 1 weist Mittel zur Erfassung der Motor-Zustandswerte Winkeliage (pist, Drehzahl wist und Drehmoment Mist des Antriebsmotors 6 auf. Die Regelvorrichtung 1 besitzt eine Speichervorrichtung zur Speicherung von Parametern, Abhängigkeiten und/oder Kennlinien. Die Regelvorrichtung 1 1 ermittelt den Enddruck piSt aus dem Drehmoment MjSt, um das Verdrängerpumpenaggregat ohne Verwendung von Sensoren auf den vorgegebenen Enddruck psoN zu regeln. Die Regelvorrichtung 11 besitzt dazu den in der Figur 3 gezeigten und näher erläuterten Druckregier 15, der einen erforderlichen Frequenzsollwert fson generiert. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird dafür erfindungsgemäß weder ein Sensorsignal eines Druckes der Verdrängerpumpe noch eines anderen Sensors benötigt. Erfindungsgemäß nutzt die Regelvorrichtung vielmehr eine in der Speichervorrichtung der Regelvorrichtung 11 hinterlegte Motormoment-Enddruck-Abhängigkeit des Verdrängerpumpenaggregates, um den Enddruck pist der Verdrängerpumpe mittels der Motormoment-Enddruck-Abhängigkeit des Verdrängerpumpenaggregates zu regeln. Darüber hinaus ist die Regelvorrichtung 11 in der Lage, aus der Lageinformation c ist des Antriebsmotors 6 und einem Wert des abgeschlossenen Verdrängerpumpenvolumens, dem Hubvolumen, das geförderte Fluidvolumen zu ermitteln und/oder eine vorgegebene Fluidfördermenge zu regeln. Über das Stellsignal r kann die Regelvorrichtung 11 das Absperrventil 13 ansteuern und dieses öffnen oder schließen. Zusätzlich kann mit Hilfe der Drehzahlinformation die Genauigkeit der Druckermittlung verbessert werden, indem der dynamische Momentenanteil im Anfahrzustand berücksichtigt wird.
Die Figur 3 zeigt in einer regeiungstechnischen Darstellung die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Druckreglers 15. Der Istwert des Verdrängerpumpenenddruckes p,st ergibt sich gemäß einer in der Speichervorrichtung der Regelvorrichtung 11 hinterlegten Motormoment-Enddruck-Abhängigkeit 17 aus Mist. In diesem Ausführungsbeispiel ist diese Abhängigkeit durch ein lineares Modell angenähert und mit der Konstanten ki durch folgende Formel gegeben:
Pist = ki Mist (Gleichung 1).
Erfindungsgemäß sind weitere Modelle 17 vorgesehen, beispielsweise ein Druckmodell, das das dynamische Anfahrverhalten gemäß obiger Gleichung 2 abbildet. Eine Regeldifferenz e zwischen Sollwert pso und berechneter Regelgröße pist wird einem Regier 16, hier einem Proportional-Integral-Regler (Pl-Regler), zugeführt, der daraus den erforderlichen Frequenzsollwert fsoii berechnet. Die Figur 4a zeigt in einer regelungstechnischen Darstellung einen erfindungsgemäßen Verfahrensablauf zur Bestimmung eines geförderten Fluidvolumens in Bezug auf Initialisierung und Ventilöffnung. Die Figur 4b zeigt entsprechend den Verfahrensablauf in Bezug auf die eigentliche Volumenbestimmung und eine abschließende Ventilschließung. Bei gegebener Startbedingung („start=1 ") und im Falle einer unter einer Schwelle s liegenden Regeldifferenz e wird mittels eines Stellsignals r ein auf der Druckseite 3 der Verdrängerpumpe 2 angeordnetes Ventil 13 für den Beginn einer Förderung mit definiertem Fluidfördervolumen Vson geöffnet und offen gehalten. Die Bedingung, wonach die Regeldifferenz e unter einer bestimmten Schwelle sein soll, stellt dabei sicher, dass vor der Förderung ein gewünschtes Druckniveau aufgebaut ist. Außerdem erfolgt durch die Berücksichtigung dieser Startbedingung die Ermittlung der Voiumenbestim- mung unter der Voraussetzung, dass die Verdrängerpumpe vollständig gefüllt ist.
Zwecks initiaiisierung der Mengenbestimmung wird die Anfangswinkellage (pistl0 auf den Istwert der Motorwinkellage (pist gesetzt. Das geförderte Volumen Vist ergibt sich mit k2 als Faktor gemäß Fig. 4b entsprechend dem abgeschlossenen Fördervolumen der Verdrängerpumpe (Hubvolumen) zu:
(Gleichung 3)
Die Volumenbestimmung erfolgt dabei zyklisch in aufeinanderfolgenden, mit Index k gekennzeichneten, Iterationsschritten, wobei θκ den Wert für die gesamte überstrichene Winkelstrecke des Rotors darstellt. Im Falle einer erreichten, vorgegebenen Fluidför- dermenge VsoN („Vistik > Vson") wird der Förderbetrieb gestoppt („start:= 0") und das Absperrventil 3 geschlossen („r:=0"). Durch ein solches Verfahren ermittelt die erfindungsgemäße Regelvorrichtung aus der Lageinformation (pist des Antriebsmotors und dem Wert des abgeschlossenen Verdrängerpumpenvolumens das geförderte Fluidvo- lumen und kann auf eine vorgegebene Fluidfördermenge Vson bei vorgegebenem Druck regeln.

Claims

Patentansprüche
Verfahren und Regelvorrichtung zur drehzahlvariablen Regelung eines
Verdrängerpumpenaggregates sowie Verdrängerpumpenanordnung
Verfahren zur drehzahlvariablen Regelung eines Verdrängerpumpenaggregates zum Fördern eines Fluids, bestehend aus einer Verdrängerpumpe und einem Antrieb, wobei der Antrieb aus einem mit Stator und Rotor versehenen elektrischen Antriebsmotor und einem Frequenzumrichter besteht, mittels einer Re- geivorrichtung, wobei eine Regelgröße der Verdrängerpumpe durch die Regel- vorrichtung auf einen Sollwert geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Regelvorrichtung (1 1) mindestens ein Zustandswert des Antriebs, insbesondere Drehmoment und/oder Lage des Antriebsmotors (6), erfasst wird und daraus durch die Regelvorrichtung (11) die Regelgröße der Verdrängerpumpe (2) ermittelt wird, um das Verdrängerpumpenaggregat ohne Verwendung von Sensoren auf den Sollwert zu regeln.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass durch die Regelvorrichtung (11) der Enddruck als Regelgröße der Verdrängerpumpe (2) ermittelt wird, um das Verd ränge rpumpenaggregat ohne Verwendung von Sensoren auf den Enddrucksoliwert zu regeln.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Zu- standswerte des Antriebs Drehmoment und Lage des Antriebsmotors (6) erfasst werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Enddruck der Verdrängerpumpe (2) mittels einer in der Regelvorrichtung (1 1 ) gespeicherten, Motormoment-Enddruck-Abhängigkeit des Verdrängerpumpenaggregates geregelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Enddruck unter Berücksichtigung eines dynamischen Momentenanteils ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Regelvorrichtung (11) Zustandswerte, insbesondere Lage, Drehzahl und Drehmoment, eines sensorlosen Synchron reluktanzmotors mit Flusssperren erfasst werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Synchronreluktanzmotor ohne Drehzahl- und ohne Lagesensoren geregelt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass von der Regelvorrichtung (11) die Lage des Antriebsmotors (6) erfasst wird, und mit dem Wert des abgeschlossen Verdrängerpumpenvolumens das geförderte Fluidvolumen ermittelt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein vorgegebenes Fluidvolumen gefördert wird, indem durch die Regelvorrichtung (1 1) das ermittelte Fluidvolumen mit dem vorgegebenen Fluidvolumen verglichen wird und bei Erreichen des vorgegebenen Fluidvolumens ein Förderbetrieb des Verdrängerpumpenaggregates gestoppt wird.
10. Regelvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Regelgröße einer Verdrängerpumpe durch die Regelvorrichtung auf einen Soliwert geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelvorrichtung ( 1) Mittel zur Erfassung mindestens eines Zustandswer- tes des Antriebs, insbesondere Drehmoment und/oder Lage des Antriebsmotors (6), und eine Speichervorrichtung aufweist, dass die Regelvorrichtung (11) die Regelgröße aus dem Zustandswert ermittelt, um das Verdrängerpumpenaggregat ohne Verwendung von Sensoren auf den vorgegebenen Sollwert zu regeln.
11. Regelvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Enddruck der Verdrängerpumpe (2) als Regelgröße verwendet wird.
12. Regelvorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass
in der Speichervorrichtung der Regelvorrichtung (11) eine Motormoment- Enddruck-Abhängigkeit des Verdrängerpumpenaggregates gespeichert ist und die Regelvorrichtung (1 ) den Enddruck der Verdrängerpumpe (2) mittels der Motormoment-Enddruck-Abhängigkeit des Verdrängerpumpenaggregates regelt.
13. Regelvorrichtung nach Anspruch 10, 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelvorrichtung (11) aus der Lageinformation des Antriebsmotors (6) und dem Wert des abgeschlossenen Verdrängerpumpenvolumens das geförderte Fluidvolumen ermittelt und/oder eine vorgegebene Fluidfördermenge regelt.
14. Verdrängerpumpenanordnung mit einem Verdrängerpumpenaggregat zum Fördern eines Fluids, wobei das Verdrängerpumpenaggregat aus einer Verdrängerpumpe und einem drehzahlvariablen Antrieb besteht, wobei der Antrieb aus einem mit Stator und Rotor versehenen elektrischen Antriebsmotor und einem Frequenzumrichter besteht, wobei eine Regelgröße der Verdrängerpumpe geregelt wird, und gegebenenfalls mit einem druckseitig angeordneten Ventil, gekennzeichnet durch eine Regelvorrichtung (1 1 ) nach einem der Ansprüche 10 bis 13.
15. Verdrängerpumpenanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (6) des Verdrängerpumpenaggregates ein sensorlos betriebener Synchronreluktanzmotors mit Flusssperren ist.
16. Verdrängerpumpenanordnung nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb Mittel zum sensorlosen Bestimmen der Lage und der Drehzahl des Antriebsmotors (6) aufweist.
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