EP3343032B1 - Antriebsvorrichtung für eine fluidpumpe - Google Patents

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EP3343032B1
EP3343032B1 EP17210615.5A EP17210615A EP3343032B1 EP 3343032 B1 EP3343032 B1 EP 3343032B1 EP 17210615 A EP17210615 A EP 17210615A EP 3343032 B1 EP3343032 B1 EP 3343032B1
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EP
European Patent Office
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fluid pump
rotational speed
frequency converter
previous
technical data
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EP17210615.5A
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English (en)
French (fr)
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EP3343032A1 (de
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Siegmund Alber
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Hans Pregler Co KG GmbH
Original Assignee
Hans Pregler Co KG GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B17/00—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors
    • F04B17/03—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by electric motors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B49/00—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
    • F04B49/06—Control using electricity
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B49/00—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
    • F04B49/06—Control using electricity
    • F04B49/065—Control using electricity and making use of computers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B49/00—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
    • F04B49/20—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00 by changing the driving speed

Definitions

  • the invention relates to a system with a fluid pump with a conveyor, which is designed to deliver a delivery volume with each revolution, and a method for operating a system with a fluid pump.
  • the system comprises a drive device with a drive motor for driving the conveyor at a speed.
  • variable-speed pumps Methods are known in which the energy efficiency of variable-speed pumps is improved.
  • the speed of the drive can be specified as a manipulated variable.
  • the control takes place on the pump itself.
  • External sensors e.g. to determine the volume flow or the delivery pressure.
  • DE 10 2012 016 780 A1 and DE 10 2011 050 017 A1 each describe a system with a fluid pump and a drive device according to the preamble of claim 1.
  • the fluid pump can in particular be an axial piston pump or radial piston pump.
  • the fluid pump can preferably be designed as a variable or control pump, i.e. the funding volume can be varied. In principle, however, the use of a constant pump is also conceivable.
  • the drive device comprises a frequency converter. While conventional pump arrangements are often operated by asynchronous motors operated directly on the network, in the present case a frequency converter is connected upstream of the drive motor.
  • frequency converter is to be understood broadly and includes any type of variable-speed control unit.
  • the drive device comprises a control device which is designed to determine a target speed without external sensors, ie without sensors, the target speed corresponding to a speed optimized for the overall efficiency of the drive device and the fluid pump.
  • the overall efficiency is considered according to the invention, i.e. from the energy supply at the inlet to the hydraulic power, e.g. Pressure and flow rate that is made available at the outlet.
  • the pressure can preferably always be maintained.
  • the pressure is in particular not adjusted.
  • target speed is to be understood broadly and includes, for example, a target speed range.
  • the target speed that is the speed at which the overall efficiency is high and energy is thus saved, can be achieved without external sensors such as sensors for determining the volume flow Delivery pressure or the swivel angle can be determined. Costs can be saved both in production and in maintenance.
  • the control device then controls the pump in particular with the determined target speed.
  • the possibility of the fluid pump in the control range is cut in order to achieve a high degree of efficiency.
  • the percentage energy saving is high, for example in hydraulic presses or individual units.
  • the target speed can only be determined on the basis of technical data of the drive motor, the frequency converter and / or the fluid pump. Alternatively or additionally, the target speed is stored in a memory.
  • the setpoint speed is consequently in particular calculated exclusively on the basis of technical data or determined on the basis of a data record stored in a memory. For example, measurements of the volume flow, the delivery pressure or the swivel angle are not provided for the calculation of the target speed.
  • the technical data include the output power of the drive motor, the operating pressure of the fluid pump, the delivery volume of the fluid pump, the actual speed from the frequency converter and / or the torque from the frequency converter to which regulation is taking place.
  • the optimal target speed can be calculated in each case by creating a control algorithm in the control device.
  • the swivel angle becomes almost full even in the partial load range, i.e. at least 80%, preferably at least 90%, particularly preferably at least 95%, pivoted out. This allows it to be kept at the best possible operating point.
  • the actual speed values provided by the frequency converter can also be used to calculate the target speed, for example.
  • the target speed is in particular proportional to the output power of the drive motor, preferably the power on the shaft, and the overall efficiency. Furthermore, the target speed is inversely proportional to the operating pressure and the delivery volume of the fluid pump per revolution.
  • the speed can be automatically adjusted by the control device for each partial load range.
  • the speed can e.g. can be reduced in order to optimally deflect a torkel disk or an inclined ring of a fluid pump and to improve the overall efficiency.
  • the drive motor is designed as a reluctance motor or as a synchronous servomotor.
  • a direct current, three-phase or asynchronous motor can also be provided.
  • the frequency converter has the control device. While conventional fluid pumps regulate themselves, the control device is not arranged in the fluid pump. Existing fluid pumps can also be retrofitted in a simple manner, since only a frequency converter with a corresponding control device has to be connected upstream. Alternatively, the control device can also be designed as a separate component.
  • control device is designed to determine a target speed for each partial load range.
  • the speed can thus be automatically adjusted for each partial load range, which means that the best overall efficiency is achieved for the respective partial load range.
  • control device comprises a memory or has access to a memory in which a data record is stored.
  • the data record can preferably be stored, for example, in the form of a table, a polyline or a map.
  • the data set includes target speeds in Dependency on torques from the frequency converter to which the regulation takes place.
  • the start and end are measured or determined empirically.
  • the system can be operated at a minimum speed and an excessive speed. Interpolation can be carried out between the measured or empirically determined data.
  • the control device selects from the data set the torque from the frequency converter to which it is regulated and determines in the data set the corresponding target speed at which the fluid pump is to be operated.
  • the invention also relates to a system with a drive device according to the invention and a fluid pump.
  • a drive device according to the invention
  • a fluid pump On the one hand, existing fluid pumps can be retrofitted with a drive device and, on the other hand, new overall systems can be manufactured.
  • the fluid pump is designed as an axial piston pump or a radial piston pump.
  • the invention relates to a method for operating a fluid pump with a drive device according to the invention, in which a target speed is determined without external sensors, that is to say without sensors, the target speed corresponding to a speed optimized for the overall efficiency of the drive device and the fluid pump.
  • the fluid pump is then operated at the corresponding target speed.
  • the speed can be reduced by determining the load profile to such an extent that the swivel angle of the fluid pump is operated at the optimal swivel angle with the maximum quantity delivered. This can be achieved, for example, by a set target speed, for example 950 revolutions per minute. This alone can increase the overall efficiency at this operating point by around 9%.
  • the speed can also be adjusted automatically.
  • the speed can be adjusted accordingly to automatically obtain the best overall efficiency in the respective partial load range.
  • a control algorithm can be used. This makes it possible to increase the overall efficiency by around 10%.
  • Fig. 1 shows a fluid pump 10, for example an axial piston or radial piston pump, and a drive motor 12, for example a reluctance or synchronous servo motor, which drives the fluid pump 10 at a specific speed.
  • a fluid pump for example an axial piston or radial piston pump
  • a drive motor 12 for example a reluctance or synchronous servo motor, which drives the fluid pump 10 at a specific speed.
  • the speed at which the fluid pump 10 is controlled is basically arbitrary. This can e.g. are in the range from 300 to 3,000 revolutions per minute, in particular 500 to 1,500 revolutions per minute.
  • a target speed can be determined via a frequency converter 14, which comprises a control device 16.
  • the drive motor 12 can be operated at the desired speed in order to increase an overall efficiency ⁇ of the arrangement.
  • Fig. 2 the overall efficiency ⁇ is shown as a function of the volume flow V in liters per minute.
  • Curve A shows the course of a conventional arrangement with an asynchronous motor which is operated directly from the network, ie without a frequency converter 14.
  • the overall efficiency ⁇ can increase by up to approx. 6% compared to a conventional arrangement.
  • Fig. 3 the overall efficiency ⁇ is shown as a function of the volume flow V in liters per minute. Curves A and S are shown again as a reference.
  • the rotational speed can be reduced by determining the load profile to such an extent that the swivel angle of the fluid pump 10 is operated at the optimal swivel angle with a maximum quantity delivered.
  • This can be achieved, for example, by a set target speed, e.g. 950 revolutions per minute. This means that the overall efficiency ⁇ can be increased by around 9% at this operating point.
  • the curves shown represent the course for different target speeds.
  • the curve S500 thus represents a target speed of 500 revolutions per minute.
  • the overall efficiency ⁇ is significantly increased, especially at low volume flows.
  • S600 corresponds to a target speed of 600 revolutions per minute, S700 to a target speed of 700 revolutions per minute, S800 to a target speed of 800 revolutions per minute, S900 to a target speed of 900 revolutions per minute and S1000 to a target speed of 1,000 revolutions per minute.
  • Fig. 4 the overall efficiency ⁇ is shown as a function of the volume flow V in liters per minute. Curves A and S are shown again as a reference.
  • the curve R corresponds to the course of the overall efficiency ⁇ , the setpoint speed being determined automatically with the aid of a control algorithm in the control device 16.
  • the actual speed values provided by the frequency converter can also be used to calculate the target speed, for example.
  • data from external sensors are not used to determine the respective target speed.
  • the target speed is particularly proportional to the output power of the drive motor 12 and the overall efficiency ⁇ . Furthermore, the target speed is inversely proportional to the operating pressure and the delivery volume of the fluid pump 10 per revolution.
  • the control device 16 can determine the optimal target rotational speed for each partial load range and automatically adapt it for the corresponding volume flow V.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Control Of Positive-Displacement Pumps (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein System mit einer Fluidpumpe mit einem Förderwerk, das dazu ausgebildet ist, bei jeder Umdrehung ein Fördervolumen zu fördern, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Systems mit einer Fluidpumpe. Das System umfasst eine Antriebsvorrichtung mit einem Antriebsmotor zum Antreiben des Förderwerks mit einer Drehzahl.
  • Es sind Verfahren bekannt, bei denen die Energieeffizienz von drehzahlvariablen Pumpen verbessert wird. Dabei kann die Drehzahl des Antriebs als Stellgröße vorgegeben werden. Die Steuerung erfolgt an der Pumpe selbst. Auch werden zur Bestimmung der Drehzahl externe Sensoren, z.B. zur Ermittlung des Volumenstroms oder des Förderdrucks, herangezogen.
  • Diese Sensoren sind in der Herstellung und der Wartung vergleichsweise kostenintensiv.
  • DE 10 2012 016 780 A1 und DE 10 2011 050 017 A1 beschreiben jeweils ein System mit einer Fluidpumpe und einer Antriebsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein System mit einer Antriebsvorrichtung und einer Fluidpumpe sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Fluidpumpe dahingehend zu verbessern, dass auf einfache und kostengünstige Weise Energie eingespart wird.
  • Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch das System sowie das Verfahren der unabhängigen Ansprüche.
  • Bei der Fluidpumpe kann es sich insbesondere um eine Axialkolbenpumpe oder Radialkolbenpumpe handeln. Die Fluidpumpe kann vorzugsweise als Verstell- oder Regelpumpe ausgebildet sein, d.h. das Fördervolumen kann variiert werden. Grundsätzlich ist jedoch auch der Einsatz einer Konstantpumpe denkbar.
  • Erfindungsgemäß umfasst die Antriebsvorrichtung einen Frequenzumrichter. Während herkömmliche Pumpenanordnungen häufig von unmittelbar am Netz betriebenen Asynchronmotoren betrieben werden, ist vorliegend ein Frequenzumrichter dem Antriebsmotor vorgeschaltet.
  • Der Begriff Frequenzumrichter ist breit zu verstehen und umfasst jede Art von drehzahlveränderlichen Stelleinheiten.
  • Die Antriebsvorrichtung umfasst eine Steuerungsvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, ohne externe Sensoren, also sensorlos, eine Soll-Drehzahl zu bestimmen, wobei die Soll-Drehzahl einer auf den Gesamtwirkungsgrad der Antriebsvorrichtung und der Fluidpumpe optimierten Drehzahl entspricht.
  • Im Gegensatz zu herkömmlichen Pumpenanordnungen wird erfindungsgemäß der Gesamtwirkungsgrad betrachtet, also von der Energiezuführung am Eingang bis zur hydraulische Leistung, z.B. Druck und Fördermenge, die am Ausgang zur Verfügung gestellt wird. Der Druck kann vorzugsweise stets aufrechterhalten werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Pumpenanordnungen wird der Druck also insbesondere nicht angepasst.
  • Der Begriff Soll-Drehzahl ist breit zu verstehen und umfasst beispielsweise auch einen Soll-Drehzahlbereich. Die Soll-Drehzahl, also die Drehzahl, bei der der Gesamtwirkungsgrad hoch ist und somit Energie eingespart wird, kann ohne externe Sensoren wie beispielsweise Sensoren zur Bestimmung des Volumenstroms, des Förderdrucks oder des Schwenkwinkels bestimmt werden. Kosten können hierbei sowohl bei der Herstellung als auch bei der Wartung eingespart werden.
  • Die Steuerungsvorrichtung steuert die Pumpe dann insbesondere mit der bestimmten Soll-Drehzahl. Es wird also gewissermaßen die Möglichkeit der Fluidpumpe im Regelbereich beschnitten, um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Die prozentuale Energieeinsparung ist dadurch beispielsweise bei hydraulischen Pressen oder Einzelaggregaten hoch.
  • Die Soll-Drehzahl ist lediglich anhand von technischen Daten des Antriebsmotors, des Frequenzumrichters und/oder der Fluidpumpe bestimmbar. Alternativ oder zusätzlich ist die Soll-Drehzahl in einem Speicher hinterlegt.
  • Die Soll-Drehzahl wird folglich insbesondere ausschließlich anhand von technische Daten errechnet bzw. anhand eines in einem Speicher hinterlegten Datensatzes bestimmt. Beispielsweise Messungen des Volumenstroms, des Förderdrucks oder des Schwenkwinkels sind für die Berechnung der Soll-Drehzahl nicht vorgesehen.
  • Weiterbildungen der Erfindung sind auch den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen zu entnehmen.
  • Nach einer Ausführungsform umfassen die technischen Daten die Ausgangsleistung des Antriebsmotors, den Betriebsdruck der Fluidpumpe, das Fördervolumen der Fluidpumpe, die Ist-Drehzahl aus dem Frequenzumrichter und/oder das Drehmoment aus dem Frequenzumrichter, auf das reguliert wird.
  • Um den besten Gesamtwirkungsgrad im jeweiligen Teillastbereich zu erhalten, kann durch Erstellen eines Steueralgorithmus in der Steuerungsvorrichtung jeweils die optimale Soll-Drehzahl errechnet werden.
  • Insbesondere wird hierbei der Schwenkwinkel auch im Teillastbereich annähernd voll, d.h. mindestens 80 %, vorzugsweise wenigstens 90 %, besonderes bevorzugt zumindest 95 %, ausgeschwenkt. Dadurch kann dieser im bestmöglichen Betriebspunkt gehalten werden.
  • Neben den technischen Daten der Fluidpumpe, insbesondere des Betriebsdrucks, können beispielsweise auch die vom Frequenzumrichter zur Verfügung gestellten Ist-Drehzahl-Werte zur Berechnung der Soll-Drehzahl herangezogen werden.
  • Die Soll-Drehzahl ist insbesondere proportional zur Ausgangsleistung des Antriebsmotors, vorzugsweise der Leistung an der Welle, und dem Gesamtwirkungsgrad. Ferner ist die Soll-Drehzahl umgekehrt proportional zum Betriebsdruck und dem Fördervolumen der Fluidpumpe pro Umdrehung.
  • Es ergibt sich somit insbesondere folgender Berechnungsansatz: Soll-Drehzahl ∼ Leistung an der Welle* 600.000 ⁢ *Gesamtwirkungsgrad / Be-triebsdruck*Fördervolumen der Fluidpumpe pro Umdrehung .
    Figure imgb0001
  • Die Drehzahl kann durch die Steuerungsvorrichtung für jeden Teillastbereich automatisch angepasst werden. So kann die Drehzahl z.B. verringert werden, um eine Torkelscheibe bzw. einen Schrägring einer Fluidpumpe optimal auszulenken und den Gesamtwirkungsgrad zu verbessern.
  • Dies führt zu einer wesentlichen Wirkungsgraderhöhung und somit zu einer wesentlichen Steigerung der Energieeffizienz des Gesamtsystems einer Hydraulikversorgung.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Antriebsmotor als Reluktanzmotor oder als Synchronservomotor ausgebildet. Grundsätzlich kann z.B. auch ein Gleichstrom-, Drehstrom- oder Asynchronmotor vorgesehen sein.
  • Durch die Verwendung eines Reluktanz- bzw. Synchronservomotors in Verbindung mit einem Frequenzumrichter anstelle eines Asynchronmotors, der direkt am Netz betrieben wird, ist eine Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades im Nennbetriebspunkt von bis etwa 6 % zu erreichen, abhängig von der Optimierung des Frequenzumrichters. Zudem werden bei einer derartigen Anordnung aus Reluktanz- bzw. Synchronservomotor, Frequenzumrichter und Axial- bzw. Radialkolbenpumpe der Anlaufstrom und die vom Netz geforderte Blindleistung wesentlich reduziert. Für ein System aus Reluktanz- bzw. Synchronservomotor, Frequenzumrichter und Axial- bzw. Radialkolbenpumpe wird auch unabhängig Schutz beansprucht.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform weist der Frequenzumrichter die Steuerungsvorrichtung auf. Während sich herkömmliche Fluidpumpen selbst regeln, ist die Steuerungsvorrichtung nicht in der Fluidpumpe angeordnet. Auch bestehende Fluidpumpen können dadurch auf einfache Weise nachgerüstet werden, da lediglich ein Frequenzumrichter mit einer entsprechenden Steuerungsvorrichtung vorgeschaltet werden muss. Alternativ kann die Steuerungsvorrichtung auch als separates Bauteil ausgebildet sein.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerungsvorrichtung dazu ausgebildet, für jeden Teillastbereich eine Soll-Drehzahl zu bestimmen. Die Drehzahl kann somit für jeden Teillastbereich automatisch angepasst werden, wodurch für den jeweiligen Teillastbereich der beste Gesamtwirkungsgrad erreicht wird.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform umfasst die Steuerungsvorrichtung einen Speicher oder hat Zugriff auf einen Speicher, in dem ein Datensatz hinterlegt ist. Vorzugsweise kann der Datensatz z.B. in Form einer Tabelle, eines Polygonzugs oder eines Kennfelds hinterlegt sein. Der Datensatz umfasst Soll-Drehzahlen in Abhängigkeit von Drehmomenten aus dem Frequenzumrichter, auf die reguliert wird.
  • Zur Erstellung des Datensatzes können z.B. der Start und das Ende gemessen bzw. empirisch bestimmt werden. So kann die Anlage beispielsweise mit einer Mindestdrehzahl und einer überhöhten Drehzahl gefahren werden. Zwischen den gemessenen bzw. empirisch bestimmten Daten kann interpoliert werden.
  • Die Steuerungsvorrichtung wählt aus dem Datensatz das Drehmoment aus dem Frequenzumrichter, auf das reguliert wird, aus und ermittelt im Datensatz die entsprechende Soll-Drehzahl, mit der die Fluidpumpe betrieben werden soll.
  • Die Erfindung betrifft auch ein System mit einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung und einer Fluidpumpe. Es können einerseits bestehende Fluidpumpen mit einer Antriebsvorrichtung nachgerüstet und andererseits neue Gesamtsysteme hergestellt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Fluidpumpe als Axialkolbenpumpe oder Radialkolbenpumpe ausgebildet.
  • Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Fluidpumpe mit einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung, bei dem ohne externe Sensoren, also sensorlos, eine Soll-Drehzahl bestimmt wird, wobei die Soll-Drehzahl einer auf den Gesamtwirkungsgrad der Antriebsvorrichtung und der Fluidpumpe optimierten Drehzahl entspricht.
  • Insbesondere wird die Fluidpumpe dann mit der entsprechenden Soll-Drehzahl betrieben. So kann im Teillastbereich der Fluidpumpe durch Ermitteln des Lastprofils die Drehzahl soweit verringert werden, dass der Schwenkwinkel der Fluidpumpe bei maximal geförderter Menge im optimalen Schwenkwinkel betrieben wird. Dies kann beispielsweise durch eine fest eingestellte Soll-Drehzahl erreicht werden, z.B. 950 Umdrehungen pro Minute. Bereits dadurch lässt sich in diesem Betriebspunkt der Gesamtwirkungsgrad um rund 9 % erhöhen.
  • Neben dieser manuellen Verringerung der Drehzahl kann die Drehzahl auch automatisiert angepasst werden. So kann die Drehzahl entsprechend angepasst werden, um im jeweiligen Teillastbereich automatisch den besten Gesamtwirkungsgrad zu erhalten. Dabei kann auf einen Steuerungsalgorithmus zurückgegriffen werden. Steigerungen des Gesamtwirkungsgrads um rund 10 % sind dadurch möglich.
  • Alle hier beschriebenen Ausführungsformen der Vorrichtung sowie des Systems sind insbesondere dazu ausgebildet, nach dem hier beschriebenen Verfahren betrieben zu werden. Ferner können alle hier beschriebenen Ausführungsformen der Vorrichtung bzw. des Systems sowie alle hier beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens jeweils miteinander kombiniert werden, insbesondere auch losgelöst von der konkreten Ausgestaltung, in deren Zusammenhang sie erwähnt werden.
  • Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems,
    Fig. 2
    den Wirkungsgradverlauf in Abhängigkeit vom Volumenstrom bei einem erfindungsgemäßen System,
    Fig. 3
    den Wirkungsgradverlauf in Abhängigkeit vom Volumenstrom bei einem erfindungsgemäßen System bei optimierter, manueller Drehzahlanpassung, und
    Fig. 4
    den Wirkungsgradverlauf in Abhängigkeit vom Volumenstrom bei einem erfindungsgemäßen System bei optimierter, automatisierter Drehzahlanpassung.
  • Zunächst ist zu bemerken, dass die dargestellten Ausführungsformen rein beispielhafter Natur sind. Die Merkmale einer Ausführungsform können auch beliebig mit Merkmalen einer anderen Ausführungsform kombiniert werden.
  • Fig. 1 zeigt eine Fluidpumpe 10, z.B. eine Axialkolben- oder Radialkolbenpumpe, sowie einen Antriebsmotor 12, beispielsweise einen Reluktanz- oder Synchronservomotor, welcher die Fluidpumpe 10 mit einer bestimmten Drehzahl antreibt.
  • Die Drehzahl, mit der die Fluidpumpe 10 gesteuert wird, ist grundsätzlich beliebig. Diese kann z.B. im Bereich von 300 bis 3.000 Umdrehungen pro Minute, insbesondere 500 bis 1.500 Umdrehungen pro Minute, liegen.
  • Über einen Frequenzumrichter 14, welcher eine Steuerungsvorrichtung 16 umfasst, kann eine Soll-Drehzahl bestimmt werden. Der Antriebsmotor 12 kann mit der Soll-Drehzahl betrieben werden, um einen Gesamtwirkungsgrad η der Anordnung zu erhöhen.
  • In Fig. 2 ist der Gesamtwirkungsgrad η in Abhängigkeit vom Volumenstrom V in Liter pro Minute dargestellt. Die Kurve A zeigt den Verlauf einer herkömmlichen Anordnung mit einem Asynchronmotor, welcher direkt aus dem Netz betrieben wird, d.h. ohne Frequenzumrichter 14.
  • Der höchste Wirkungsgrad η stellt sich hierbei erst bei relativ hohen Volumenströmen von etwa 95 % ihres Nennvolumens ein. Fluidpumpen 10 werden jedoch meist mit Volumenströmen zwischen etwa 20 und 80 % ihres Nennvolumens betrieben.
  • Durch die Verwendung einer Anordnung mit einer Axialkolben- bzw. Radialkolbenpumpe 10, einem Reluktanz- oder Synchronservomotor 12 sowie einem Frequenzumrichter 14 kann je nach Optimierung des Frequenzumrichters 14 eine erhebliche Steigerung des Gesamtwirkungsgrads η erreicht werden, wie durch die Kurve S ersichtlich ist. Auch im normalen Betriebsbereich mit Volumenströmen zwischen etwa 20 und 80 % ihres Nennvolumens ist eine deutliche Erhöhung des Gesamtwirkungsgrads η ersichtlich.
  • Der Gesamtwirkungsgrads η kann sich im Vergleich zu einer herkömmlichen Anordnung um bis ca. 6 % erhöhen.
  • In Fig. 3 ist der Gesamtwirkungsgrad η in Abhängigkeit vom Volumenstrom V in Liter pro Minute dargestellt. Als Referenz sind abermals die die Kurven A und S dargestellt.
  • Im Teillastbereich der Fluidpumpe 10 kann durch Ermitteln des Lastprofils die Drehzahl soweit verringert werden, dass der Schwenkwinkel der Fluidpumpe 10 bei maximal geförderter Menge im optimalen Schwenkwinkel betrieben wird. Dies kann beispielsweise durch eine fest eingestellte Soll-Drehzahl erreicht werden, z.B. 950 Umdrehungen pro Minute. Bereits dadurch lässt sich in diesem Betriebspunkt der Gesamtwirkungsgrad η um rund 9 % erhöhen.
  • Die dargestellten Kurven geben den Verlauf für verschiedene Soll-Drehzahlen wieder. So repräsentiert die Kurve S500 eine Soll-Drehzahl von 500 Umdrehungen pro Minute. Der Gesamtwirkungsrad η wird dabei gerade bei niedrigen Volumenströmen deutlich erhöht. S600 entspricht einer Soll-Drehzahl von 600 Umdrehungen pro Minute, S700 einer Soll-Drehzahl von 700 Umdrehungen pro Minute, S800 einer Soll-Drehzahl von 800 Umdrehungen pro Minute, S900 einer Soll-Drehzahl von 900 Umdrehungen pro Minute und S1000 einer Soll-Drehzahl von 1.000 Umdrehungen pro Minute.
  • Je höher die Soll-Drehzahl, desto weiter nach rechts, also in Richtung höherer Volumenströme V, verschiebt sich der maximale Gesamtwirkungsgrad η.
  • In Fig. 4 ist der Gesamtwirkungsgrad η in Abhängigkeit vom Volumenstrom V in Liter pro Minute dargestellt. Als Referenz sind abermals die die Kurven A und S dargestellt.
  • Die Kurve R entspricht dem Verlauf des Gesamtwirkungsgrads η, wobei die Soll-Drehzahl automatisch mithilfe eines Steuerungs- bzw. Regelalgorithmus in der Steuerungsvorrichtung 16 bestimmt wird.
  • Neben den technischen Daten der Fluidpumpe, insbesondere des Betriebsdrucks, können beispielsweise auch die vom Frequenzumrichter zur Verfügung gestellten Ist-Drehzahl-Werte zur Berechnung der Soll-Drehzahl herangezogen werden. Daten aus externen Sensoren werden hingegen nicht verwendet, um die jeweilige Soll-Drehzahl zu bestimmen.
  • Die Soll-Drehzahl ist insbesondere proportional zur Ausgangsleistung des Antriebsmotors12 und dem Gesamtwirkungsgrad η. Ferner ist die Soll-Drehzahl umgekehrt proportional zum Betriebsdruck und dem Fördervolumen der Fluidpumpe 10 pro Umdrehung.
  • Nach dem Berechnungsansatz Soll-Drehzahl ∼ Leistung an der Welle* 600.000 ⁢ *Gesamtwirkungsgrad / Be-triebsdruck*Fördervolumen der Fluidpumpe pro Umdrehung
    Figure imgb0002
     kann die Steuerungsvorrichtung 16 für jeden Teillastbereich die optimale Soll-Drehzahl bestimmen und für den entsprechenden Volumenstrom V automatisch anpassen.
  • Dies führt im gesamten Teillastbereich zu einer erheblichen Verbesserung des Gesamtwirkungsgrad η. So sind Steigerungen von etwa 10 % erreichbar.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Fluidpumpe, Axialkolbenpumpe, Radialkolbenpumpe
    12
    Antriebsmotor, Reluktanzmotor, Synchronservomotor
    14
    Frequenzumrichter
    16
    Steuerungsvorrichtung
    η
    Gesamtwirkungsgrad
    V
    Volumenstrom
    A
    Verlauf bei Asynchronmotor ohne Frequenzumrichter
    S
    Verlauf bei Synchronservomotor mit Frequenzumrichter
    S500
    Verlauf bei Soll-Drehzahl von 500 Umdrehungen pro Minute
    S600
    Verlauf bei Soll-Drehzahl von 600 Umdrehungen pro Minute
    S700
    Verlauf bei Soll-Drehzahl von 700 Umdrehungen pro Minute
    S800
    Verlauf bei Soll-Drehzahl von 800 Umdrehungen pro Minute
    S900
    Verlauf bei Soll-Drehzahl von 900 Umdrehungen pro Minute
    S1000
    Verlauf bei Soll-Drehzahl von 1000 Umdrehungen pro Minute
    R
    Verlauf bei automatisierter Anpassung der Soll-Drehzahl

Claims (15)

  1. System mit einer Fluidpumpe (10) mit einem Förderwerk, das dazu ausgebildet ist, bei jeder Umdrehung ein Fördervolumen zu fördern, und
    einer Antriebsvorrichtung für die Fluidpumpe (10), umfassend einen Antriebsmotor (12) zum Antreiben des Förderwerks mit einer Drehzahl und einen Frequenzumrichter (14),
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Antriebsvorrichtung eine Steuerungsvorrichtung (16) umfasst, die dazu ausgebildet ist, sensorlos eine Soll-Drehzahl zu bestimmen, wobei die Soll-Drehzahl einer auf den Gesamtwirkungsgrad der Antriebsvorrichtung und der Fluidpumpe (10) optimierten Drehzahl entspricht, wobei die Soll-Drehzahl lediglich anhand von technischen Daten des Antriebsmotors (12), des Frequenzumrichters (14) und/oder der Fluidpumpe (10) bestimmbar und/oder in einem Speicher hinterlegt ist.
  2. System nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Fluidpumpe (10) als Axialkolbenpumpe oder Radialkolbenpumpe ausgebildet ist.
  3. System nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die technischen Daten die Ausgangsleistung des Antriebsmotors (12) umfassen.
  4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die technischen Daten den Betriebsdruck der Fluidpumpe (10) umfassen.
  5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die technischen Daten das Fördervolumen der Fluidpumpe (10) umfassen.
  6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die technischen Daten die Ist-Drehzahl aus dem Frequenzumrichter (14) umfassen.
  7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die technischen Daten das Drehmoment aus dem Frequenzumrichter (14), auf das reguliert wird, umfassen.
  8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Antriebsmotor (12) als Reluktanzmotor oder als Synchronservomotor ausgebildet ist.
  9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Frequenzumrichter (14) die Steuerungsvorrichtung (16) aufweist.
  10. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Steuerungsvorrichtung (16) dazu ausgebildet ist, für jeden Teillastbereich eine Soll-Drehzahl zu bestimmen.
  11. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Steuerungsvorrichtung (16) einen Speicher umfasst oder Zugriff auf einen Speicher hat, in dem ein Datensatz hinterlegt ist, welcher Soll-Drehzahlen in Abhängigkeit von Drehmomenten aus dem Frequenzumrichter (14), auf die reguliert wird, umfasst.
  12. System nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Datensatz in Form eines Polygonzugs hinterlegt ist.
  13. System nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Datensatz in Form einer Tabelle oder eines Kennfelds hinterlegt ist.
  14. Verfahren zum Betreiben einer Fluidpumpe (10) mit einer Antriebsvorrichtung eines Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem sensorlos eine Soll-Drehzahl bestimmt wird, wobei die Soll-Drehzahl einer auf den Gesamtwirkungsgrad der Antriebsvorrichtung und der Fluidpumpe (10) optimierten Drehzahl entspricht, wobei
    die Soll-Drehzahl lediglich anhand von technischen Daten des Antriebsmotors (12), des Frequenzumrichters (14) und/oder der Fluidpumpe (10) bestimmt wird und/oder in einem Speicher hinterlegt ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 14,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Druck nicht angepasst wird.
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