EP3449132B1 - Method for detecting an abnormal operating state of a pump unit - Google Patents

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EP3449132B1
EP3449132B1 EP18719751.2A EP18719751A EP3449132B1 EP 3449132 B1 EP3449132 B1 EP 3449132B1 EP 18719751 A EP18719751 A EP 18719751A EP 3449132 B1 EP3449132 B1 EP 3449132B1
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EP
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pump unit
operating state
signal
speed
pump
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Tilman Philip SANDERS
Martin Kiel
Martin Oettmeier
Benedikt Meier
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Wilo SE
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Wilo SE
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Publication date
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    • F04D29/669Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing especially adapted for liquid pumps
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04B2203/02Motor parameters of rotating electric motors
    • F04B2203/0201Current

Definitions

  • the present invention relates to a method for detecting an operating state of a speed-controllable centrifugal pump unit operated at a predefinable target speed for pumping liquid.
  • the pamphlet DE-A-102014004336 discloses a method for detecting a specific operating state of a speed-controllable centrifugal pump unit operated at a predefinable speed by determining a first hydraulic variable from a mechanical and/or electrical variable. However, this operating condition is not an abnormal operating condition.
  • Abnormal operating states occur again and again in pump units and can lead to damage or even total failure of the pump unit.
  • Examples of abnormal operating states are dry running, cavitation on the impeller or bearing wear, bearing damage.
  • sealing elements such as e.g. B. Mechanical seals are used, which are intended to prevent the escape of the fluid from the pump or, in the case of glandless pumps, the ingress of particles into the rotor space.
  • the sealing surfaces of the sealing elements are friction surfaces that are lubricated by the pumped medium. In the event of dry running, these friction surfaces are no longer lubricated or not sufficiently lubricated and can therefore wear out quickly. Early detection of a dry run can prevent this.
  • Another way of detecting dry running is to briefly accelerate the impeller and determine the energy required for acceleration. If the energy consumption is less than expected, i.e. less than in the case of wet operation, dry running is assumed.
  • the disadvantage here is that the operating point must be changed significantly for the acceleration process in order to be able to carry out an evaluation of the energy consumption.
  • Cavitation is the phenomenon in which, during operation of the pump unit and pumping a liquid, vapor-filled cavities form on the back of the impeller blades, which quickly collapse and cause the blades to hit. This can destroy the impeller.
  • Bearing wear or damage to the bearings, especially the radial bearings, is primarily reflected in shaft vibrations. This can be detected using a vibration sensor.
  • a vibration sensor is an additional component that can fail, and besides, the manufacture of the pump unit more complex and difficult. In addition, it makes the production of the pump unit more expensive. It is therefore a concern to dispense with sensors.
  • a periodic excitation signal of a specific frequency to a manipulated variable of the pump unit in such a way that a hydraulic variable of the pump unit, for example the delivery head, is modulated, and then from a mechanical and/or electrical Size of the pump unit as a system response to the excitation signal to calculate an evaluation signal and determine whether an abnormal operating condition is present.
  • the method can be implemented on a software basis in electronics of the pump. Neither a sensor external to the pump electronics nor additional hardware is required. Furthermore, the method can be used reliably in the entire speed range, since it has very good suppression of measurement noise. In contrast to the methods of the prior art, it is therefore not limited to a specific speed range.
  • the pump unit can be a centrifugal pump operated by an electric motor, for example a heating pump in a heating system or a coolant pump in a cooling system.
  • it can be a glandless pump.
  • dry running is particularly harmful and must therefore be detected at an early stage.
  • modulation of the hydraulic variable is achieved by modulating a manipulated variable, e.g. the speed.
  • a manipulated variable e.g. the speed.
  • modulate within the meaning of the invention is generally to be understood as a change, but the type, level and speed of the excitation signal is not restricted in any way.
  • control of the pump assembly is discussed below, this term also means regulation, since regulation only includes control with feedback of a specific variable.
  • An abnormal operating state can be detected, for example, by comparing the evaluation signal with a decision threshold. An abnormal operating state can then be concluded if the evaluation signal deviates from a normal range (range permissible during operation).
  • the decision threshold can form a boundary of this normal range, for example a minimum curve or a maximum curve of the normal range, or have a distance to this range in order to avoid erroneous determinations.
  • the decision threshold depends on the abnormal operating state that is to be detected. In other words, a specific decision threshold is associated with a specific abnormal operating condition.
  • a first abnormal operating state can be determined by comparing the evaluation signal with a first decision threshold and a second abnormal operating state can be determined by comparing the evaluation signal with another, second decision threshold.
  • a third or further decision threshold(s) can also be a third or further decision threshold(s).
  • the decision threshold defines an upper limit or a lower limit of the permissible normal range. For example, if it defines a lower limit in the case of the first abnormal operating state, then this first abnormal operating state are closed when the evaluation signal is below the first decision threshold. For example, if the decision threshold defines an upper limit in the case of the second abnormal operating state, this second abnormal operating state can be inferred if the evaluation signal is above the second decision threshold.
  • dry running can be inferred as an abnormal operating state if the evaluation signal is below the decision threshold.
  • the decision threshold can be a constant value.
  • the decision threshold can be defined by a curve, preferably a straight line, which defines a mathematical relationship between the evaluation signal and the speed, in particular the actual speed. If the decision threshold is a function of the rotational speed, it can be set according to the rotational speed dependency of normal or faulty operation in such a way that the decision is as insensitive as possible to measurement noise and disturbances.
  • the decision threshold also referred to here as the threshold value curve, suitably lies between the dry running curve and the minimum wet running curve.
  • the evaluation signal can be formed from the integral of the product of the system response and a periodic function of the same frequency or a multiple of the frequency of the excitation signal over a predetermined integration period. It should be noted at this point that integral formation within the meaning of the invention is also to be understood as a summation of values, which must necessarily take place when the method is carried out numerically, for example on a microprocessor, due to the discrete values present. Because it is well known to the person skilled in the art that the integral formation in the discrete time domain can be realized by a sum formation.
  • the periodic function can be a sine function. Investigations have shown that this simple function is sufficient for generating the evaluation signal for detecting a dry run. However, depending on the abnormal operating state to be detected, a cosine function, a combination of a sine function and a cosine function, a combination of several sine functions or cosine functions, or a combination of several sine functions and cosine functions can also be used as the periodic function.
  • the manipulated variable to which the excitation signal is applied is preferably a target speed or a target torque of the pump assembly, i.e. a mechanical variable.
  • the method according to the invention can be implemented particularly easily here, because the speed or the torque is often a controlled variable in a pump unit, i.e. a variable whose magnitude is specified by a setpoint.
  • Speed or torque controls are known per se in pump units. The control of the pump unit then attempts to regulate the setpoint.
  • the periodic excitation of the target speed or the target torque is a simple measure to achieve a modulation of the size. Ultimately, this modulates the mechanical power output by the drive motor.
  • the manipulated variable can be a current from the pump unit.
  • This is a suitable manipulated variable, especially for pump units electric drive motor is controlled by means of a vector control such as field-oriented control (FOR).
  • FOR field-oriented control
  • current components id and iq are formed here, which define the current vector rotating with the frequency of the stator field.
  • id current the field with the iq current can influence the torque. Consequently, modulation of the speed or the torque can be achieved indirectly by modulating the current.
  • the hydraulic variable to be modulated can suitably be the delivery height H or the differential pressure ⁇ p generated by the pump unit. Because the direct effect of applying the excitation signal to the speed or the torque can be seen from the modulation of the delivery head or the differential pressure. Depending on the operating point, this modulation then causes a more or less pronounced modulation of the flow rate of the pump unit.
  • the torque delivered by the pump assembly or the actual speed is preferably used as the mechanical variable.
  • An electrical variable as a system response can be, for example, the electrical power P el consumed by the electric motor of the pump unit or the current.
  • the change in at least one of these variables as a result of the modulation of the hydraulic variable is regarded as a system response.
  • the target speed can be modulated and the resulting electrical power consumption can be evaluated.
  • the output torque or the actual speed can be used for evaluation.
  • the setpoint torque can be excited and the resulting actual speed, the torque output or the electrical power consumption can be evaluated.
  • the periodic excitation signal can ideally be a sine signal or a signal containing a sine function.
  • the latter can also be a triangle or sawtooth signal, for example.
  • the excitation signal preferably corresponds to the periodic function that is used to form the evaluation signal.
  • the weighting factor defines the amplitude of the modulation of the manipulated variable.
  • the frequency of the excitation signal can be between 0.1 Hz and 100 Hz, preferably between 0.5 Hz and 10 Hz. It should be pointed out that the frequency must be selected depending on the hydraulic system in which the pump unit is operated. There are upper limits to the frequency due to the inertia of the rotor, the impeller and the liquid being pumped. In addition, the excitation frequency and speed controller of the pump unit must be matched to one another. Because if the frequency is too high, the speed controller may not be able to regulate the modulated target speed quickly enough. In this special case, however, the actual speed can be used for the evaluation.
  • the disadvantage of a frequency that is too low is that the response time for the calculation of the evaluation signal increases in accordance with the duration of the period, so that the method takes longer. If the frequency is too low, the system response can also be weak, so that the information about the abnormal operating state is also only weak in the evaluation signal. For this reason, the excitation frequency should not be too low, for example not less than 0.1 Hz.
  • the amplitude of the excitation signal can preferably be less than 25% of the speed setpoint. In particular, it can be between 0.1% and 25% of the speed setpoint. With a setpoint speed of 2000 rpm, for example, a speed fluctuation of ⁇ 2 rpm to ⁇ 500 rpm can be used.
  • the integral of the product of the system response and the periodic function over a period of time T is calculated.
  • This integration period T can be at least one period or a multiple of the period of the excitation signal.
  • the calculation of the evaluation signal or the integration can preferably be carried out during the modulation of the hydraulic variable, in particular the setpoint speed. The calculation therefore does not only take place when the modulation has ended. This prevents only the decaying system response from being analyzed. It is also advantageous if the calculation of the evaluation signal or the integration only begins after a certain period of time, for example after one or a few periods of the excitation signal have elapsed. This ensures that the system response is only analyzed when the system consisting of the pump unit and the connected pipelines has settled. Transient effects therefore do not affect the evaluation of the system response.
  • the method according to the invention is carried out continuously while the pump assembly is in operation. As a result, changes in the operating status can be recognized immediately.
  • the method can be carried out at suitable points in time, at time intervals, in particular regularly.
  • the method according to the invention can be started by a trigger during pump operation.
  • a trigger can be, for example, that another method for detecting an abnormal operating state, as is known in the prior art and can be implemented in an electronic system of the pump parallel to the method according to the invention, detects just such an abnormal operating state. Since this recognition can be imprecise, a verification can be carried out using the method according to the invention.
  • the method according to the invention can thus be activated during operation of the pump assembly if the use of a method known in the prior art for detecting an abnormal operating state detects an abnormal operating state.
  • an error signal can be output, for example optically, acoustically or as an electronic message, so that a user or service technician or a connected system (e.g. heating system or building management system) is informed of the abnormal operating state. He can then initiate appropriate measures. Alternatively, the pump set can be shut down to prevent further or more serious damage to the pump set or other components of the system.
  • a connected system e.g. heating system or building management system
  • the mechanical and/or electrical variable as a system response to the modulation can be recorded either at discrete points in time or continuously.
  • the system response is then available as a sequence of values, so that the multiplication with the periodic function and the integration of the product obtained in this way can take place at any time.
  • pump electronics for controlling and/or regulating the target speed of a pump unit are also proposed, which are set up for carrying out the method described above.
  • a pump assembly having such pump electronics is also proposed.
  • the pump unit can be, for example, a heating pump, a coolant pump or a drinking water pump.
  • the pump assembly is preferably an electric motor-driven centrifugal pump, ideally of wet-running or dry-running design.
  • the use of the method according to the invention makes it possible to dispense with sensors that are arranged externally to the pump electronics. This structurally simplifies the pump housing and makes its production cheaper. In addition, it is possible to reliably detect an abnormal operating state over a wide speed range.
  • figure 1 shows a diagram that illustrates the mode of action of a method for determining a dry run according to the prior art in a pump assembly during operation.
  • the diagram shows the hydraulic power P_hydr over the actual speed n_act.
  • the diagram shows a curve 11 measured in normal, wet-running operation and a curve 9 measured in abnormal, dry-running operation. It becomes clear that the wet-running curve 11 indicates a higher power output than the dry-running curve 9 at the same speed.
  • the power output of the pump set is therefore always lower in the event of dry running, at least unless the pump set is brand new or one that has been dry for a long time. Because in these cases the pump assembly has a higher dry-running curve that even intersects the wet-running curve 11 .
  • a curve is drawn approximately in the middle between the two curves 9, 11, which forms a decision threshold 10. It serves as a reference for the decision as to whether dry running is present or not with regard to the current speed and the current power. This determination can be made by comparison with the decision threshold 10. If the power is below the decision threshold 10, dry running can be assumed. As a rule, instead of the hydraulic power P_hydr in the prior art, the electrical power P el is determined and used to identify dry running.
  • this method provides reliable detection of dry running.
  • the wet-running curve 11 and the dry-running curve 9 are very close to one another at low speeds, reliable dry-running detection in this speed range is not possible with this method.
  • the method described below for hydraulically determining an abnormal operating state makes use of the dynamic behavior of the system, which is formed from the pump unit 1 and the pipelines connected to it and is analyzed by targeted excitation.
  • FIG. 3 A model of the system in which an embodiment variant of the method according to the invention can be applied is shown figure 3 as a block diagram.
  • a variable-speed centrifugal pump unit 1 is shown there, which is connected to a pipeline system 5 or is integrated into it.
  • the system can be a heating system, for example, and the pump assembly 1 can be a heating pump accordingly.
  • the piping system 5 is then formed by the lines leading to the radiators or heating circuits and leading back from them to a central heating source. For example, water that is driven by the pump unit 1 can circulate in the pipelines 5 as the liquid.
  • the pump unit 1 consists of a pump unit 2, which forms the hydraulic part of the unit 1, an electric motor drive unit 3, which forms the electromechanical part of the unit 1, and control electronics 4 for controlling and/or regulating the drive unit.
  • the drive unit 3 consists of an electromagnetic part 3a and a mechanical part 3b.
  • the control electronics 4 includes hardware 4b on the one hand and software 4a on the other.
  • the hardware 4b also includes power electronics such as a frequency converter, for example, in order to set a specific speed on the drive unit.
  • a setpoint speed n 0 can be predetermined for the control electronics 4 . Although this is shown here as coming from outside the control electronics 4, for example by manual specification, it can alternatively also come from a characteristic curve control or a dynamic, needs-based adjustment of the operating point of the pump unit 1, which itself is part of the control electronics 4, in particular part of its software 4a.
  • the drive unit 3 calculates the control electronics 4 or its software 4a a voltage U which is specified for the power electronics 4b so that the drive unit 3 has a corresponding electrical power P el available .
  • the pump impeller, which is seated on the rotor shaft, of the hydraulic part 2 of the pump unit 1 is now driven at the speed n actual .
  • the pump unit 1 generates a differential pressure between the suction side and the pressure side or a delivery height H which generates a more or less large volume flow Q in the pipeline system 5 depending on the pipeline resistance.
  • a hydraulic torque M hyd can be defined, which counteracts the engine torque M act as a braking torque.
  • the basic sequence of the method according to the invention is figure 2 shown. The method is carried out when the pump assembly is operating as intended, ie when the pump assembly 1 is connected to a pipework system 5 and is operated at any setpoint speed n 0 .
  • the method can also be used to detect other faults in the pump unit or in the overall system, provided that in this case the evaluation signal determined is also outside of a normal range that is defined by a corresponding decision threshold is limited.
  • n should n 0 + ⁇ A t
  • the excitation of the speed is purely sinusoidal here, but other modulations are also conceivable.
  • the amplitude n 1 is between 0.1% and 25% of the setpoint speed n 0 and can be set and fixed at the factory, for example at 1%.
  • the excitation frequency f or ⁇ should be dimensioned in such a way that the speed controller can follow the rate of change of the speed sufficiently quickly. In this case, no correction of the controller parameters, e.g Proportional gain, are made.
  • a frequency f of 1 Hz is used in the exemplary embodiment.
  • the electrical power P el consumed is used as the system response X (t) to the speed modulation. This can be measured or determined directly from the measured current and the measured or calculated voltage. Alternatively, the torque or the current drawn can also be used as the system response.
  • the system response can be determined by sampling at discrete points in time or continuously, so that the system response X (t) is present as a discrete or continuous series of measured values or calculated values. This is from step S3 figure 3 includes. For the sake of simplicity, only the case of the continuous series is treated here.
  • the evaluation signal I(t) is first determined. This is done by first multiplying the system response X (t) by a periodic function S(t), ie the product of the system response X (t) and this periodic function S(t) is formed.
  • the product of the system response X (t) and the function S(t) is then integrated over a period of time T, which corresponds to the period or a multiple k l of the period of the excitation signal f A (t).
  • the time t 0 is therefore in the past and does not represent the present at time t.
  • the integration of the integral can go from tT to t.
  • the system response X (t) is evaluated at the excitation frequency ⁇ or a multiple k l of the excitation frequency ⁇ over one or more periods 2 ⁇ / ⁇ , see step S4 in 2 .
  • a value is obtained that allows a statement to be made about the operating status.
  • This value of the evaluation signal is now compared with a decision threshold 10, see step S5 in 2 .
  • An operating state can be derived from the fact that the value is greater or less than the decision threshold.
  • step S8 If, for example in the case of dry running, the value of the evaluation signal I(t) is above the decision threshold 10, then there is no dry running, see No branch and step S8.
  • the method can then be continued with the excitation of the system, step S2.
  • the method can be terminated and reactivated at a later point in time, for example in a time-controlled manner or triggered by another trigger.
  • the procedure can be similar if it is recognized for another abnormal operation that the signal I(t) in this case lies below another minimum curve or above a maximum curve.
  • step S6 If, for example in the case of dry running, the value of the evaluation signal I(t) is below the decision threshold 10, then an abnormal operating state is present, see Yes branch and step S6.
  • An error message can then be output, step S7, for example as an optical or acoustic signal on the pump unit or another device for monitoring the pump unit, or as an electronic message to a building management system.
  • the pump unit can be switched off immediately in order to prevent further damage.
  • Equation Eq. 4 or 5 can be carried out numerically in a microprocessor of the pump electronics 4 or by an analog circuit.
  • a structural diagram with functional units and signals for carrying out the method according to the invention is shown in 4 given.
  • These functional units include a modulation unit 12, the drive motor 3, a system response determination unit 13, a dry-running detection unit 14 and a reaction unit 4a'.
  • the modulation unit 12, the system response determination unit 13, the dry-running detection 14 and the reaction unit 4a' can also be part of the pump electronics 4, in particular its software. You can also be partially formed by hardware components.
  • the system response determination unit 13 can include a sensor in order to determine the electrical power consumption and/or the reaction unit 4a′ can include a switch in order to switch off the pump unit.
  • the modulation unit 12 is supplied with the rotational speed setpoint n 0 .
  • the modulation unit 12 generates the periodic excitation signal f A (t) in the form of a sinusoidal signal n 1 sin( ⁇ t) and adds this to the speed setpoint n 0 so that a new speed setpoint n 0 + n 1 *sin( ⁇ t) which is output from modulation unit 12 .
  • the excitation signal f A (t) can also be output directly.
  • the new speed setpoint n 0 + n 1 ⁇ sin( ⁇ t) is set for the drive motor 3 using the in 4 Not shown power electronics set 4b.
  • the path of this signal is not differentiated in more detail here. It corresponds to the usual way when specifying the speed setpoint of an electric motor.
  • the drive motor 3 has a specific electrical power consumption P el , which represents a system response X(t) to the speed modulation.
  • the electrical power consumption P el is ascertained by the system response determination unit 13 .
  • the calculated evaluation signal I(t 0 ), I(t) is then output by the system response determination unit 13 and made available to the dry-running detection unit 14 .
  • the dry-running detection 14 If the evaluation signal l(t 0 ), l(t) is below the decision threshold 10, the dry-running detection 14 outputs an error signal. This is provided to the reaction unit 4a′, which reacts to the detected dry run with a predetermined measure, for example displays the error signal, forwards it to a higher-level controller or control system and/or switches off the drive motor 3 .
  • figure 5 illustrates values of the evaluation signal according to Equation 4 or 5 at different speeds and with dry running on the one hand and wet running on the other hand, with six curves 15 being shown in the case of wet running and only one operating point each in the form of a plus sign being given in the case of dry running.
  • the investigation was carried out at speeds of 800 rpm, 1200 rpm, 1600 rpm, 2000 rpm, 2400 rpm and 2800 rpm.
  • the thick black arrow indicates that the delivery flow Q increases upwards, ie the higher Q is, the larger the evaluation signal is.
  • Q 0.
  • a speed-dependent decision threshold 10 is drawn. This is defined here by a linear relationship between the evaluation signal and the speed. It connects points that are approximately in the middle between the minimum operating points (Qmin) of the wet-running curves 15 and the dry-running operating points.
  • the method presented here for modulating a manipulated variable of the pump unit and analyzing the system response to this makes it possible to easily and reliably make a reliable statement about an abnormal operating state during operation of the pump unit without using a sensor in the entire speed range. It can be easily integrated into the electronics of the pump unit because it can be implemented purely in software. Although dry running is mentioned in the above example, the principle of the invention can be transferred to the detection of other abnormal operating states.
  • the detection of an abnormal operating condition can be used to switch off the pump to protect it from wear or a corresponding signal to a higher-level control, e.g. B. to send a building management system.

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion eines Betriebszustands eines bei einer vorgebbaren Solldrehzahl betriebenen, drehzahlregelbaren Kreiselpumpenaggregats zur Flüssigkeitsförderung.The present invention relates to a method for detecting an operating state of a speed-controllable centrifugal pump unit operated at a predefinable target speed for pumping liquid.

Die Druckschrift DE-A-102014004336 offenbart ein Verfahren zur Detektion eines bestimmten Betriebszustandes eines bei einer vorgebbaren Drehzahl betriebenen, drehzahlregelbaren Kreiselpumpenaggregats durch Bestimmung einer ersten hydraulischen Größe aus einer mechanischen und/oder elektrischen Größe. Jedoch handelt es sich bei diesem Betriebszustand nicht um einen abnormalen Betriebszustand.The pamphlet DE-A-102014004336 discloses a method for detecting a specific operating state of a speed-controllable centrifugal pump unit operated at a predefinable speed by determining a first hydraulic variable from a mechanical and/or electrical variable. However, this operating condition is not an abnormal operating condition.

Abnormale Betriebszustände treten bei Pumpenaggregaten immer wieder auf und können zu Beschädigungen oder sogar zum Totalausfall des Pumpenaggregats führen. Beispiele für abnormale Betriebszustände sind der Trockenlauf, Kavitation am Laufrad oder Lagerverschleiß, Lagerschäden.Abnormal operating states occur again and again in pump units and can lead to damage or even total failure of the pump unit. Examples of abnormal operating states are dry running, cavitation on the impeller or bearing wear, bearing damage.

Bei Pumpen werden in der Regel Dichtelemente wie z. B. Gleitringdichtungen eingesetzt, die das Austreten des Fluides aus der Pumpe oder bei Nassläuferpumpen das Eindringen von Partikeln in den Rotorraum verhindern sollen. Die dichtenden Flächen der Dichtelemente sind Reibflächen, die durch das geförderte Medium geschmiert werden. Im Falle eines Trockenlaufs werden diese Reibflächen nicht mehr oder nicht ausreichend geschmiert und können dadurch sehr schnell verschleißen. Eine frühzeitige Erkennung eines Trockenlaufs kann dies verhindern.In the case of pumps, sealing elements such as e.g. B. Mechanical seals are used, which are intended to prevent the escape of the fluid from the pump or, in the case of glandless pumps, the ingress of particles into the rotor space. The sealing surfaces of the sealing elements are friction surfaces that are lubricated by the pumped medium. In the event of dry running, these friction surfaces are no longer lubricated or not sufficiently lubricated and can therefore wear out quickly. Early detection of a dry run can prevent this.

Herkömmliche Verfahren zur Trockenlauferkennung basieren z. B. auf der Leistungsaufnahme des Pumpenaggregats. Die Leistungsaufnahme hängt von der Drehzahl und vom Volumenstrom ab. Im Trockenlauf ergibt sich in der Regel bei gleicher Drehzahl eine geringere Leistung als im Falle einer gefülltenConventional methods for dry-running detection are based e.g. B. on the power consumption of the pump set. The power consumption depends on the speed and the volume flow. When running dry, the performance is usually lower at the same speed than when it is filled

Pumpenkammer, da das sich drehende Laufrad die mechanische Energie an das zu fördernde Medium abgeben muss, d.h. durch dieses Medium belastet ist. Im Falle des Trockenlaufs fehlt dieses Medium bzw. die Last, oder es befindet sich zu wenig Medium in der Pumpenkammer. Bei gleicher Drehzahl ist die Leistungsaufnahme im Trockenlauf folglich geringer, als im Normalbetrieb, weil das Laufrad im Trockenlauf weniger belastet ist. Aus diesem Grunde wird eine drehzahlabhängige Entscheidungsschwelle zwischen der minimalen Leistung im Nassbetrieb und der Leistungsaufnahme im Trockenlauf gewählt, um den Trockenlauf zu erkennen, was in Figur 1 dargestellt ist. Dies ist jedoch nicht frei von Nachteilen.Pump chamber, since the rotating impeller must deliver the mechanical energy to the medium to be pumped, ie it is loaded by this medium. In the case of dry running, this medium or the load is missing, or there is not enough medium in the pump chamber. At the same speed, the power consumption in dry running is therefore lower than in normal operation because the impeller is less loaded in dry running. For this reason, a speed-dependent decision threshold between the minimum power in wet operation and the power consumption in dry running is selected in order to detect dry running, which is figure 1 is shown. However, this is not free from disadvantages.

Denn es ergibt sich bei geringen Drehzahlen das Problem, dass die Nass- und Trockenlaufkurven nahe zusammenliegen und die minimale Nasslaufkennlinie die Trockenlaufkennlinie auch unterschreiten kann. Aus diesem Grund ist eine zuverlässige Trockenlauferkennung mit diesem Verfahren nur oberhalb einer gewissen Drehzahl möglich.Because at low speeds there is the problem that the wet and dry running curves are close together and the minimum wet running characteristic can also fall below the dry running characteristic. For this reason, reliable dry-running detection with this method is only possible above a certain speed.

Eine andere Art der Trockenlauferkennung besteht darin, das Laufrad kurzzeitig zu beschleunigen und die zur Beschleunigung nötige Energie zu bestimmen. Ist die Energieaufnahme kleiner als erwartet, d.h. als im Fall des Nassbetriebs, so wird auf einen Trockenlauf geschlossen. Nachteilig hierbei ist, dass für den Beschleunigungsvorgang der Betriebspunkt signifikant verändert werden muss, um eine Auswertung der Energieaufnahme durchführen zu können.Another way of detecting dry running is to briefly accelerate the impeller and determine the energy required for acceleration. If the energy consumption is less than expected, i.e. less than in the case of wet operation, dry running is assumed. The disadvantage here is that the operating point must be changed significantly for the acceleration process in order to be able to carry out an evaluation of the energy consumption.

Als Kavitation bezeichnet man das Phänomen, dass sich im Betrieb des Pumpenaggregats beim Fördern einer Flüssigkeit dampfgefüllte Hohlräume rückseitig der Laufradschaufeln bilden, die schnell wieder in sich zusammenbrechen und den Schaufeln damit einen Schlag versetzen. Dies kann zur Zerstörung des Laufrads führen.Cavitation is the phenomenon in which, during operation of the pump unit and pumping a liquid, vapor-filled cavities form on the back of the impeller blades, which quickly collapse and cause the blades to hit. This can destroy the impeller.

Ein Lagerverschleiß oder Schäden an den Lagern, insbesondere an den Radiallagern äußert sich vor allem in Vibrationen der Welle. Dies kann mittels eines Vibrationssensors erfasst werden. Ein solcher Sensor ist jedoch ein zusätzliches Bauteil, das ausfallen kann und zudem die Herstellung des Pumpenaggregats aufwändiger und schwieriger macht. Zudem verteuert er die Herstellung des Pumpenaggregates. Es ist daher ein Anliegen, auf Sensoren zu verzichten.Bearing wear or damage to the bearings, especially the radial bearings, is primarily reflected in shaft vibrations. This can be detected using a vibration sensor. However, such a sensor is an additional component that can fail, and besides, the manufacture of the pump unit more complex and difficult. In addition, it makes the production of the pump unit more expensive. It is therefore a concern to dispense with sensors.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Verfahren zur Detektion eines abnormalen Betriebszustands bereitzustellen, dass ohne Sensor auskommt und ohne Aufwand in einem Pumpenaggregat implementiert werden kann.It is therefore the object of the present invention to provide an alternative method for detecting an abnormal operating state that does not require a sensor and can be implemented in a pump unit without any effort.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1, eine Pumpenelektronik nach Anspruch 19 sowie ein Pumpenaggregat nach Anspruch 20 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.This object is achieved by the method according to claim 1, pump electronics according to claim 19 and a pump assembly according to claim 20. Advantageous developments are given in the dependent claims.

Zur Erkennung eines abnormalen Betriebszustandes im Betrieb des Pumpenaggregats wird vorgeschlagen, eine Stellgröße des Pumpenaggregats derart mit einem periodischen Anregungssignal einer bestimmten Frequenz zu beaufschlagen, dass eine hydraulische Größe des Pumpenaggregats, beispielsweise die Förderhöhe, moduliert wird, und dann aus einer mechanischen und/ oder elektrischen Größe des Pumpenaggregats als Systemantwort auf das Anregungssignal ein Auswertesignal zu berechnen und daraus zu ermitteln, ob ein abnormaler Betriebszustands vorliegt.In order to detect an abnormal operating state during operation of the pump unit, it is proposed to apply a periodic excitation signal of a specific frequency to a manipulated variable of the pump unit in such a way that a hydraulic variable of the pump unit, for example the delivery head, is modulated, and then from a mechanical and/or electrical Size of the pump unit as a system response to the excitation signal to calculate an evaluation signal and determine whether an abnormal operating condition is present.

Diese Vorgehensweise ermöglicht es, auf sehr einfachem Wege, einen abnormalen Betriebszustand zu erkennen. Das Verfahren kann softwarebasiert in einer Elektronik der Pumpe implementiert sein. Es wird somit weder ein zur Pumpenelektronik externer Sensor noch zusätzliche Hardware benötigt. Ferner kann das Verfahren im gesamten Drehzahlbereich zuverlässig eingesetzt werden, da es eine sehr gute Unterdrückung von Messrauschen aufweist. Es ist also entgegen den Verfahren des Standes der Technik nicht auf einen bestimmten Drehzahlbereich beschränkt.This procedure makes it possible to detect an abnormal operating state in a very simple way. The method can be implemented on a software basis in electronics of the pump. Neither a sensor external to the pump electronics nor additional hardware is required. Furthermore, the method can be used reliably in the entire speed range, since it has very good suppression of measurement noise. In contrast to the methods of the prior art, it is therefore not limited to a specific speed range.

Das Pumpenaggregat kann eine elektromotorisch betriebene Kreiselpumpe sein, beispielsweise eine Heizungspumpe in einem Heizungssystem oder eine Kühlmittelpumpe in einem Kühlsystem. Insbesondere kann es sich um eine Nassläuferpumpe handeln. Hier ist auf Grund der flüssigkeitsgeschmierten radialen und gegebenenfalls des axialen Gleitlagers ein Trockenlauf besonders schädlich und muss deshalb frühzeitig erkannt werden.The pump unit can be a centrifugal pump operated by an electric motor, for example a heating pump in a heating system or a coolant pump in a cooling system. In particular, it can be a glandless pump. Here is due to the liquid-lubricated radial and possibly the axial plain bearing, dry running is particularly harmful and must therefore be detected at an early stage.

Die Modulation der hydraulischen Größe wird durch Modulation einer Stellgröße, z.B. der Drehzahl erreicht. Es sei angemerkt, dass "modulieren" im Sinne der Erfindung allgemein als Änderung zu verstehen ist, jedoch die Art, Höhe und Geschwindigkeit des Anregungssignals noch in keiner Weise eingeschränkt ist. Ferner ist, soweit nachfolgend von einer Steuerung des Pumpenaggregats die Rede ist, unter diesem Begriff auch eine Regelung zu verstehen, da eine Regelung lediglich eine Steuerung mit einer Rückkopplung einer bestimmten Größe beinhaltet.The modulation of the hydraulic variable is achieved by modulating a manipulated variable, e.g. the speed. It should be noted that "modulate" within the meaning of the invention is generally to be understood as a change, but the type, level and speed of the excitation signal is not restricted in any way. Furthermore, insofar as control of the pump assembly is discussed below, this term also means regulation, since regulation only includes control with feedback of a specific variable.

Die Detektion eines abnormalen Betriebszustands kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das Auswertesignal mit einer Entscheidungsschwelle verglichen wird. Auf einen abnormalen Betriebszustand kann dann geschlossen werden, wenn das Auswertesignal von einem Normalbereich (im Betrieb zulässiger Bereich) abweicht. Die Entscheidungsschwelle kann eine Begrenzung dieses Normalbereichs bilden, beispielsweise eine Minimumkurve oder eine Maximumkurve des Normalbereichs, oder einen Abstand zu diesem Bereich aufweisen, um Fehlfeststellungen zu vermeiden. Je nach festzustellendem abnormalen Betriebszustand, ist somit zu prüfen, ob das Auswertesignal oberhalb oder unterhalb der Entscheidungsschwelle liegt. Die Entscheidungsschwelle ist folglich abhängig vom abnormalen Betriebszustand, der erkannt werden soll. Mit anderen Worten ist eine bestimmte Entscheidungsschwelle einem bestimmten abnormalen Betriebszustand zugeordnet. So kann also ein erster abnormaler Betriebszustand durch Vergleich des Auswertesignals mit einer ersten Entscheidungsschwelle und ein zweiter abnormaler Betriebszustand durch Vergleich des Auswertesignals mit einer anderen, zweiten Entscheidungsschwelle festgestellt werden. In entsprechender Weise kann es auch eine dritte oder weitere Entscheidungsschwelle(n) geben.An abnormal operating state can be detected, for example, by comparing the evaluation signal with a decision threshold. An abnormal operating state can then be concluded if the evaluation signal deviates from a normal range (range permissible during operation). The decision threshold can form a boundary of this normal range, for example a minimum curve or a maximum curve of the normal range, or have a distance to this range in order to avoid erroneous determinations. Depending on the abnormal operating state to be determined, it is therefore necessary to check whether the evaluation signal is above or below the decision threshold. Consequently, the decision threshold depends on the abnormal operating state that is to be detected. In other words, a specific decision threshold is associated with a specific abnormal operating condition. Thus, a first abnormal operating state can be determined by comparing the evaluation signal with a first decision threshold and a second abnormal operating state can be determined by comparing the evaluation signal with another, second decision threshold. Correspondingly, there can also be a third or further decision threshold(s).

Es ist zudem vom abnormalen Betriebszustand, der erkannt werden soll, abhängig, ob die Entscheidungsschwelle eine obere Grenze oder eine untere Grenze des zulässigen Normalbereichs definiert. Definiert sie beispielsweise im Falle des ersten abnormalen Betriebszustands eine untere Grenze, so kann auf diesen ersten abnormalen Betriebszustand geschlossen werden, wenn das Auswertesignal unterhalb der ersten Entscheidungsschwelle liegt. Definiert die Entscheidungsschwelle beispielsweise im Falle des zweiten abnormalen Betriebszustands eine obere Grenze, so kann auf diesen zweiten abnormalen Betriebszustand geschlossen werden, wenn das Auswertesignal oberhalb der zweiten Entscheidungsschwelle liegt.It also depends on the abnormal operating state that is to be detected whether the decision threshold defines an upper limit or a lower limit of the permissible normal range. For example, if it defines a lower limit in the case of the first abnormal operating state, then this first abnormal operating state are closed when the evaluation signal is below the first decision threshold. For example, if the decision threshold defines an upper limit in the case of the second abnormal operating state, this second abnormal operating state can be inferred if the evaluation signal is above the second decision threshold.

Beispielsweise kann auf einen Trockenlauf als abnormaler Betriebszustand geschlossen werden, wenn das Auswertesignal unterhalb der Entscheidungsschwelle liegt.For example, dry running can be inferred as an abnormal operating state if the evaluation signal is below the decision threshold.

Bei der Entscheidungsschwelle kann es sich im einfachsten Fall um einen konstanten Wert handeln. Die Entscheidungsschwelle kann alternativ durch eine Kurve, vorzugsweise eine Gerade definiert sein, die einen mathematischen Zusammenhang zwischen dem Auswertesignal und der Drehzahl, insbesondere der Ist-Drehzahl, definiert. Wenn die Entscheidungsschwelle eine Funktion der Drehzahl ist, wird erreicht, dass sie entsprechend der Drehzahlabhängigkeit des Normal- bzw. Fehlerbetriebs so gelegt werden kann, dass die Entscheidung gegenüber Messrauschen und Störungen möglichst unempfindlich ist. Im Falle des Trockenlaufs liegt die Entscheidungsschwelle, hier auch Schwellwertkurve genannt, geeigneterweise zwischen der Trockenlaufkurve und der minimalen Nasslaufkurve.In the simplest case, the decision threshold can be a constant value. Alternatively, the decision threshold can be defined by a curve, preferably a straight line, which defines a mathematical relationship between the evaluation signal and the speed, in particular the actual speed. If the decision threshold is a function of the rotational speed, it can be set according to the rotational speed dependency of normal or faulty operation in such a way that the decision is as insensitive as possible to measurement noise and disturbances. In the case of dry running, the decision threshold, also referred to here as the threshold value curve, suitably lies between the dry running curve and the minimum wet running curve.

Gemäß einer Ausführungsvariante kann das Auswertesignal gebildet werden aus dem Integral des Produkts aus der Systemantwort und einer periodischen Funktion der gleichen oder eines Vielfachen der Frequenz des Anregungssignals über einen vorgegebenen Integrationszeitraum. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass als Integralbildung im Sinne der Erfindung auch eine Aufsummierung von Werten zu verstehen ist, welche bei der numerischen Durchführung des Verfahrens beispielsweise auf einem Mikroprozessor aufgrund der vorliegenden diskreten Werte zwangläufig erfolgen muss. Denn es ist dem Fachmann wohl bekannt, dass die Integralbildung im diskreten Zeitbereich durch eine Summenbildung zu realisieren ist.According to one embodiment variant, the evaluation signal can be formed from the integral of the product of the system response and a periodic function of the same frequency or a multiple of the frequency of the excitation signal over a predetermined integration period. It should be noted at this point that integral formation within the meaning of the invention is also to be understood as a summation of values, which must necessarily take place when the method is carried out numerically, for example on a microprocessor, due to the discrete values present. Because it is well known to the person skilled in the art that the integral formation in the discrete time domain can be realized by a sum formation.

Das Auswertesignal kann vorzugsweise anhand der folgenden Berechnungsvorschrift ermittelt werden: I t = t T t X t S t d t mit T = k I 2 π ω

Figure imgb0001
wobei I(t) das zu berechnende Auswertesignal zum Zeitpunkt t über einen Integrationszeitraum T, X(t) die Systemantwort, S(t) die periodische Funktion, kl eine positive ganze Zahl und ω die Frequenz des Anregungssignals ist.The evaluation signal can preferably be determined using the following calculation rule: I t = t T t X t S t i.e t with T = k I 2 π ω
Figure imgb0001
where I(t) is the evaluation signal to be calculated at time t over an integration period T , X(t) is the system response, S(t) is the periodic function, k l is a positive integer and ω is the frequency of the excitation signal.

Bei der periodischen Funktion kann es sich um eine Sinusfunktion handeln. Untersuchungen haben gezeigt, dass diese einfache Funktion zur Bildung des Auswertesignals für die Erkennung eines Trockenlaufs ausreicht. Je nach zu detektierenden abnormalen Betriebszustand kann jedoch auch eine Cosinusfunktion, eine Kombination einer Sinusfunktion und einer Cosinusfunktion, eine Kombination mehrerer Sinusfunktionen oder Cosinusfunktionen, oder eine Kombination aus mehreren Sinusfunktionen und Cosinusfunktionen als periodische Funktion verwendet werden.The periodic function can be a sine function. Investigations have shown that this simple function is sufficient for generating the evaluation signal for detecting a dry run. However, depending on the abnormal operating state to be detected, a cosine function, a combination of a sine function and a cosine function, a combination of several sine functions or cosine functions, or a combination of several sine functions and cosine functions can also be used as the periodic function.

Vorzugsweise ist die mit dem Anregungssignal beaufschlagte Stellgröße eine Solldrehzahl oder ein Solldrehmoment des Pumpenaggregats, d.h. eine mechanische Größe. Hier lässt sich das erfindungsgemäß Verfahren besonders einfach implementieren, weil die Drehzahl oder das Drehmoment häufig eine geregelte Größe in einem Pumpenaggregat ist, d.h. eine Größe, deren Höhe durch einen Sollwert vorgegeben wird. Drehzahl- oder Drehmomentregelungen sind bei Pumpenaggregaten an sich bekannt. Die Regelung des Pumpenaggregats versucht dann, den Sollwert einzuregeln. Die periodische Anregung der Solldrehzahl oder des Solldrehmoments ist eine einfache Maßnahme, eine Modulation der Größe zu erreichen. Letztendlich wird hierdurch die vom Antriebsmotor abgegebene mechanische Leistung moduliert.The manipulated variable to which the excitation signal is applied is preferably a target speed or a target torque of the pump assembly, i.e. a mechanical variable. The method according to the invention can be implemented particularly easily here, because the speed or the torque is often a controlled variable in a pump unit, i.e. a variable whose magnitude is specified by a setpoint. Speed or torque controls are known per se in pump units. The control of the pump unit then attempts to regulate the setpoint. The periodic excitation of the target speed or the target torque is a simple measure to achieve a modulation of the size. Ultimately, this modulates the mechanical power output by the drive motor.

Alternativ kann es sich bei der Stellgröße um einen Strom des Pumpenaggregats handeln. Dies ist vor allem bei Pumpenaggregaten eine geeignete Stellgröße, deren elektrischer Antriebsmotor mittels einer Vektorregelung wie beispielsweise der feldorientierten Regelung (FOR) gesteuert wird. Auf der Grundlage eines Motormodells werden hier Stromkomponenten id und iq gebildet, die den mit der Frequenz des Statorfeldes rotierenden Stromzeiger definieren. Mit dem sogenannten id-Strom kann dabei das Feld, mit dem iq-Strom das Drehmoment beeinfluss werden. Durch Modulation des Stroms kann folglich indirekt eine Modulation der Drehzahl oder des Drehmoments erreicht werden.Alternatively, the manipulated variable can be a current from the pump unit. This is a suitable manipulated variable, especially for pump units electric drive motor is controlled by means of a vector control such as field-oriented control (FOR). On the basis of a motor model, current components id and iq are formed here, which define the current vector rotating with the frequency of the stator field. With the so-called id current, the field with the iq current can influence the torque. Consequently, modulation of the speed or the torque can be achieved indirectly by modulating the current.

Die zu modulierende hydraulische Größe kann geeigneterweise die Förderhöhe H oder der vom Pumpenaggregat erzeugte Differenzdruck Δp sein. Denn die unmittelbare Wirkung der Beaufschlagung der Drehzahl oder des Drehmoments mit dem Anregungssignal lässt sich anhand der Modulation Förderhöhe bzw. des Differenzdrucks erkennen. Diese Modulation bewirkt dann je nach Betriebspunkt eine mehr oder weniger ausgeprägte Modulation des Förderstroms des Pumpenaggregats.The hydraulic variable to be modulated can suitably be the delivery height H or the differential pressure Δp generated by the pump unit. Because the direct effect of applying the excitation signal to the speed or the torque can be seen from the modulation of the delivery head or the differential pressure. Depending on the operating point, this modulation then causes a more or less pronounced modulation of the flow rate of the pump unit.

Bezüglich der Systemantwort wird als mechanische Größe vorzugsweise das vom Pumpenaggregat abgegebene Drehmoment oder die Istdrehzahl verwendet. Eine elektrische Größe als Systemantwort kann beispielsweise die vom Elektromotor des Pumpenaggregats aufgenommene elektrische Leistung Pel oder der Strom sein. Die Änderung zumindest einer dieser Größen infolge der Modulation der hydraulischen Größe wird erfindungsgemäß als Systemantwort betrachtet.With regard to the system response, the torque delivered by the pump assembly or the actual speed is preferably used as the mechanical variable. An electrical variable as a system response can be, for example, the electrical power P el consumed by the electric motor of the pump unit or the current. According to the invention, the change in at least one of these variables as a result of the modulation of the hydraulic variable is regarded as a system response.

Es können somit unterschiedliche Paarung zwischen der angeregten Stellgröße und der zu analysierenden Systemantwort verwendet werden. So kann beispielsweise die Solldrehzahl moduliert und die daraus resultierende elektrische Leistungsaufnahme ausgewertet werden. Anstelle der Leistungsaufnahme kann das abgegebenen Drehmoment oder die Istdrehzahl zur Auswertung herangezogen werden. Und anstelle der Anregung der Solldrehzahl kann das Solldrehmoment angeregt werden und die daraus resultierende Istdrehzahl, das abgegebenen Drehmoment oder die elektrische Leistungsaufnahme ausgewertet werden.It is thus possible to use different pairings between the excited manipulated variable and the system response to be analyzed. For example, the target speed can be modulated and the resulting electrical power consumption can be evaluated. Instead of the power consumption, the output torque or the actual speed can be used for evaluation. And instead of excitation of the setpoint speed, the setpoint torque can be excited and the resulting actual speed, the torque output or the electrical power consumption can be evaluated.

Das periodische Anregungssignal kann idealerweise ein Sinussignal oder ein eine Sinusfunktion enthaltendes Signal sein. Letzteres kann auch beispielsweise ein Dreieck- oder Sägezahnsignal sein. Vorzugsweise entspricht das Anregungssignal bis auf einen Gewichtungsfaktor der periodischen Funktion, die für die Bildung des Auswertesignals verwendet wird. Der Gewichtungsfaktor legt dabei die Amplitude der Modulation der Stellgröße fest.The periodic excitation signal can ideally be a sine signal or a signal containing a sine function. The latter can also be a triangle or sawtooth signal, for example. Except for a weighting factor, the excitation signal preferably corresponds to the periodic function that is used to form the evaluation signal. The weighting factor defines the amplitude of the modulation of the manipulated variable.

Die Frequenz des Anregungssignals kann zwischen 0,1Hz und 100 Hz liegen, vorzugsweise zwischen 0,5 Hz und 10 Hz. Dabei sei darauf hingewiesen, dass die Frequenz in Abhängigkeit von der hydraulischen Anlage, in der das Pumpenaggregat betrieben wird, zu wählen ist. So sind der Frequenz aufgrund der Trägheit des Rotors, des Laufrads und der geförderten Flüssigkeit nach oben hin Grenzen gesetzt. Zudem müssen Anregungsfrequenz und Drehzahlregler des Pumpenaggregats aufeinander abgestimmt sein. Denn im Falle einer zu hohen Frequenz kann der Drehzahlregler die modulierte Solldrehzahl gegebenenfalls nicht schnell genug einregeln. In diesem speziellen Fall wiederum kann aber die Istdrehzahl zur Auswertung verwendet werden.The frequency of the excitation signal can be between 0.1 Hz and 100 Hz, preferably between 0.5 Hz and 10 Hz. It should be pointed out that the frequency must be selected depending on the hydraulic system in which the pump unit is operated. There are upper limits to the frequency due to the inertia of the rotor, the impeller and the liquid being pumped. In addition, the excitation frequency and speed controller of the pump unit must be matched to one another. Because if the frequency is too high, the speed controller may not be able to regulate the modulated target speed quickly enough. In this special case, however, the actual speed can be used for the evaluation.

Nachteilig bei einer zu geringen Frequenz ist, dass die Antwortzeit der Berechnung des Auswertesignals entsprechend der Periodendauer steigt, so dass das Verfahren länger dauert. Bei einer zu geringen Frequenz kann ferner die Systemantwort schwach ausfallen, so dass die Information über den abnormalen Betriebszustand auch nur schwach im Auswertesignal vorhanden ist. Deshalb sollte die Anregungsfrequenz nicht zu klein sein, beispielsweise nicht unter 0,1Hz liegen.The disadvantage of a frequency that is too low is that the response time for the calculation of the evaluation signal increases in accordance with the duration of the period, so that the method takes longer. If the frequency is too low, the system response can also be weak, so that the information about the abnormal operating state is also only weak in the evaluation signal. For this reason, the excitation frequency should not be too low, for example not less than 0.1 Hz.

Die Amplitude des Anregungssignals kann vorzugsweise kleiner als 25% des Drehzahlsollwerts sein. Sie kann insbesondere zwischen 0,1% und 25% des Drehzahlsollwerts betragen. Bei einer Solldrehzahl von beispielsweise 2000 U/min kann also eine Drehzahlschwankung von ± 2 U/min bis ± 500 U/min verwendet werden.The amplitude of the excitation signal can preferably be less than 25% of the speed setpoint. In particular, it can be between 0.1% and 25% of the speed setpoint. With a setpoint speed of 2000 rpm, for example, a speed fluctuation of ±2 rpm to ±500 rpm can be used.

Zur Berechnung des Auswertesignals wird das Integral des Produkts aus der Systemantwort und der periodischen Funktion über einen Zeitraum T berechnet.To calculate the evaluation signal, the integral of the product of the system response and the periodic function over a period of time T is calculated.

Dieser Integrationszeitraum T kann zumindest eine Periode oder ein Vielfaches der Periode des Anregungssignals betragen.This integration period T can be at least one period or a multiple of the period of the excitation signal.

Vorzugsweise kann die Berechnung des Auswertesignals bzw. die Integration während der Modulation der hydraulischen Größe, insbesondere der Solldrehzahl, durchgeführt werden. Die Berechnung erfolgt somit nicht erst, wenn die Modulation beendet ist. Hierdurch wird verhindert, dass nur die ausklingende Systemantwort analysiert wird. Es ist zudem von Vorteil, wenn die Berechnung des Auswertesignals bzw. die Integration erst nach einem gewissen Zeitraum beginnt, beispielsweise nachdem eine oder einige wenige Perioden des Anregungssignals verstrichen sind. Hierdurch wird erreicht, dass die Analyse der Systemantwort zeitlich erst dann erfolgt, wenn das aus Pumpenaggregat und angeschlossenen Rohleitungen bestehende System eingeschwungen ist. Einschwingeffekte wirken sich somit nicht auf die Auswertung der Systemantwort aus.The calculation of the evaluation signal or the integration can preferably be carried out during the modulation of the hydraulic variable, in particular the setpoint speed. The calculation therefore does not only take place when the modulation has ended. This prevents only the decaying system response from being analyzed. It is also advantageous if the calculation of the evaluation signal or the integration only begins after a certain period of time, for example after one or a few periods of the excitation signal have elapsed. This ensures that the system response is only analyzed when the system consisting of the pump unit and the connected pipelines has settled. Transient effects therefore do not affect the evaluation of the system response.

Es ist von Vorteil, wenn das erfindungsgemäße Verfahren kontinuierlich im Betrieb des Pumpenaggregats durchgeführt wird. Hierdurch können Änderungen des Betriebszustands unverzüglich erkannt werden. Alternativ kann das Verfahren zu geeigneten Zeitpunkten, in zeitlichen Abständen, insbesondere regelmäßig ausgeführt werden.It is advantageous if the method according to the invention is carried out continuously while the pump assembly is in operation. As a result, changes in the operating status can be recognized immediately. Alternatively, the method can be carried out at suitable points in time, at time intervals, in particular regularly.

Gemäß einer anderen Alternative kann das erfindungsgemäße Verfahren während des Pumpenbetriebs durch einen Auslöser gestartet werden. Ein solcher Auslöser kann beispielsweise darin liegen, dass ein anderes Verfahren zur Erkennung eines abnormalen Betriebszustandes, wie es im Stand der Technik bekannt ist und in einer Elektronik der Pumpe parallel zum erfindungsgemäßen Verfahren implementiert sein kann, einen eben solchen abnormalen Betriebszustand erkennt. Da diese Erkennung ungenau sein kann, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Verifikation durchgeführt werden. So kann das erfindungsgemäße Verfahren im Betrieb des Pumpenaggregats aktiviert werden, wenn die Verwendung eines im Stand der Technik bekannten Verfahrens zur Detektion eines abnormalen Betriebszustands einen abnormalen Betriebszustand erkennt.According to another alternative, the method according to the invention can be started by a trigger during pump operation. Such a trigger can be, for example, that another method for detecting an abnormal operating state, as is known in the prior art and can be implemented in an electronic system of the pump parallel to the method according to the invention, detects just such an abnormal operating state. Since this recognition can be imprecise, a verification can be carried out using the method according to the invention. The method according to the invention can thus be activated during operation of the pump assembly if the use of a method known in the prior art for detecting an abnormal operating state detects an abnormal operating state.

Wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein abnormaler Betriebszustand erkannt, kann ein Fehlersignal ausgegeben werden, beispielsweise optisch, akustisch oder als elektronische Nachricht, sodass ein Nutzer oder Servicetechniker oder ein angeschlossenes System (z.B. Heizungsanlage oder Gebäudeleitsystem) über den abnormalen Betriebszustand informiert wird. Dieser kann dann entsprechende Maßnahmen einleiten. Alternativ kann das Pumpenaggregat abgeschaltet werden, um weitere oder schlimmere Schäden am Pumpenaggregat oder anderen Komponenten des Systems zu verhindern.If an abnormal operating state is detected using the method according to the invention, an error signal can be output, for example optically, acoustically or as an electronic message, so that a user or service technician or a connected system (e.g. heating system or building management system) is informed of the abnormal operating state. He can then initiate appropriate measures. Alternatively, the pump set can be shut down to prevent further or more serious damage to the pump set or other components of the system.

Die Erfassung der mechanischen und/ oder elektrischen Größe als Systemantwort auf die Modulation kann entweder zu diskreten Zeitpunkten oder kontinuierlich erfolgen. Die Systemantwort liegt dann als Folge von Werten vor, so dass die Multiplikation mit der periodischen Funktion und die Integration des so erhaltenen Produkts jederzeit erfolgen können.The mechanical and/or electrical variable as a system response to the modulation can be recorded either at discrete points in time or continuously. The system response is then available as a sequence of values, so that the multiplication with the periodic function and the integration of the product obtained in this way can take place at any time.

Erfindungsgemäß wird auch eine Pumpenelektronik zur Steuerung und/ oder Regelung der Solldrehzahl eines Pumpenaggregats vorgeschlagen, die zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens eingerichtet ist. Gleichfalls wird ein Pumpenaggregat aufweisend eine solche Pumpenelektronik vorgeschlagen. Das Pumpenaggregat kann beispielsweise eine Heizungspumpe, Kühlmittelpumpe oder eine Trinkwasserpumpe sein. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Pumpenaggregat um eine elektromotorisch betriebene Kreiselpumpe, idealerweise in Nassläuferbauweise oder Trockenläuferbauweise.According to the invention, pump electronics for controlling and/or regulating the target speed of a pump unit are also proposed, which are set up for carrying out the method described above. A pump assembly having such pump electronics is also proposed. The pump unit can be, for example, a heating pump, a coolant pump or a drinking water pump. The pump assembly is preferably an electric motor-driven centrifugal pump, ideally of wet-running or dry-running design.

Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auf Sensoren, die extern zur Pumpenelektronik angeordnet sind, verzichtet werden. Dies vereinfacht baulich das Pumpengehäuse und verbilligt seine Herstellung. Zudem ist die Detektion eines abnormalen Betriebszustands in einem weiten Drehzahlbereich zuverlässig möglich.The use of the method according to the invention makes it possible to dispense with sensors that are arranged externally to the pump electronics. This structurally simplifies the pump housing and makes its production cheaper. In addition, it is possible to reliably detect an abnormal operating state over a wide speed range.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen und der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1:
Diagramm mit einer Trockenlaufkurve, einer Nasslaufkurve sowie einer dazwischenliegenden Entscheidungsschwelle nach dem Stand der Technik
Figur 2:
Ablaufdiagramm des Verfahrens
Figur 3:
System zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
Figur 4:
Strukturbild zusammenwirkender Funktionseinheiten zur Ausführung des Verfahrens
Figur 5:
Diagramm mit vermessenen Nass- und Trockenlaufbetriebsfällen
The invention is explained in more detail below using examples and the attached figures. Show it:
Figure 1:
Diagram with a dry-running curve, a wet-running curve and a decision threshold in between according to the prior art
Figure 2:
Flow chart of the procedure
Figure 3:
System for applying the method according to the invention
Figure 4:
Structural diagram of interacting functional units for executing the method
Figure 5:
Diagram with measured wet and dry running cases

Figur 1 zeigt ein Diagramm, dass die Wirkweise eines Verfahrens zur Bestimmung eines Trockenlaufs nach dem Stand der Technik bei einem Pumpenaggregat im laufenden Betrieb veranschaulicht. Das Diagramm stellt die hydraulische Leistung P_hydr über der Istdrehzahl n_ist da. In dem Diagramm sind eine im normalen, nasslaufenden Betriebsfall vermessene Kurve 11 sowie eine im abnormalen, trockenlaufenden Betriebsfall vermessene Kurve 9 dargestellt. Dabei wird deutlich, dass die Nasslaufkurve 11 gegenüber der Trockenlaufkurve 9 bei gleicher Drehzahl eine höhere Leistung angibt. Die Leistungsabgabe des Pumpenaggregats ist somit im Falle des Trockenlaufs stets geringer, jedenfalls sofern es sich um kein brandneues Pumpenaggregat oder um ein solches handelt, das sehr lange trocken gestanden hat. Denn in diesen Fällen hat das Pumpenaggregat eine höhere Trockenlaufkurve, die die Nasslaufkurve 11 sogar schneidet. figure 1 shows a diagram that illustrates the mode of action of a method for determining a dry run according to the prior art in a pump assembly during operation. The diagram shows the hydraulic power P_hydr over the actual speed n_act. The diagram shows a curve 11 measured in normal, wet-running operation and a curve 9 measured in abnormal, dry-running operation. It becomes clear that the wet-running curve 11 indicates a higher power output than the dry-running curve 9 at the same speed. The power output of the pump set is therefore always lower in the event of dry running, at least unless the pump set is brand new or one that has been dry for a long time. Because in these cases the pump assembly has a higher dry-running curve that even intersects the wet-running curve 11 .

Zwischen der Trockenlaufkurve 9 und der Nasslaufkurve 11 ist eine Kurve etwa mittig zwischen den beiden Kurven 9, 11 eingezeichnet, die eine Entscheidungsschwelle 10 bildet. Sie dient als Referenz für die Entscheidung, ob im Hinblick auf die aktuell vorliegende Drehzahl sowie die aktuell vorliegende Leistung ein Trockenlauf vorliegt oder nicht. Diese Feststellung kann durch Vergleich mit der Entscheidungsschwelle 10 erfolgen. Liegt die Leistung unterhalb der Entscheidungsschwelle 10 ist auf einen Trockenlauf zu schließen. In der Regel wird anstelle der hydraulischen Leistung P_hydr im Stand der Technik die elektrische Leistung Pel bestimmt und zur Trockenlauferkennung herangezogen.Between the dry-running curve 9 and the wet-running curve 11, a curve is drawn approximately in the middle between the two curves 9, 11, which forms a decision threshold 10. It serves as a reference for the decision as to whether dry running is present or not with regard to the current speed and the current power. This determination can be made by comparison with the decision threshold 10. If the power is below the decision threshold 10, dry running can be assumed. As a rule, instead of the hydraulic power P_hydr in the prior art, the electrical power P el is determined and used to identify dry running.

Dieses Verfahren ergibt bei höheren Drehzahlen eine zuverlässige Erkennung des Trockenlaufs. Da jedoch die Nasslaufkurve 11 und die Trockenlaufkurve 9 bei geringen Drehzahlen sehr nah aneinander liegen, ist eine zuverlässige Trockenlauferkennung in diesem Drehzahlbereich mit diesem Verfahren nicht möglich.At higher speeds, this method provides reliable detection of dry running. However, since the wet-running curve 11 and the dry-running curve 9 are very close to one another at low speeds, reliable dry-running detection in this speed range is not possible with this method.

Das im Folgenden beschriebene Verfahren der hydraulischen Bestimmung eines abnormalen Betriebszustandes nutzt das dynamische Verhalten des Systems aus, das aus Pumpenaggregat 1 und daran angeschlossenen Rohrleitungen gebildet ist und durch eine gezielte Anregung analysiert wird.The method described below for hydraulically determining an abnormal operating state makes use of the dynamic behavior of the system, which is formed from the pump unit 1 and the pipelines connected to it and is analyzed by targeted excitation.

Ein Modell des Systems, in dem eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahren angewendet werden kann, zeigt Figur 3 als Blockdiagramm. Dort ist ein drehzahlregelbares Kreiselpumpenaggregat 1 dargestellt, das mit einem Rohrleitungssystem 5 verbunden respektive in dieses eingebunden ist. Das System kann beispielsweise eine Heizungsanlage, das Pumpenaggregat 1 entsprechend eine Heizungspumpe sein. Das Rohrleitungssystem 5 ist dann durch die zu den Heizkörpern oder Heizkreisläufen führenden und von diesen zu einer zentralen Heizquelle zurückführenden Leitungen gebildet. Beispielsweise kann als Flüssigkeit Wasser in den Rohrleitungen 5 zirkulieren, das durch das Pumpenaggregat 1 angetrieben ist.A model of the system in which an embodiment variant of the method according to the invention can be applied is shown figure 3 as a block diagram. A variable-speed centrifugal pump unit 1 is shown there, which is connected to a pipeline system 5 or is integrated into it. The system can be a heating system, for example, and the pump assembly 1 can be a heating pump accordingly. The piping system 5 is then formed by the lines leading to the radiators or heating circuits and leading back from them to a central heating source. For example, water that is driven by the pump unit 1 can circulate in the pipelines 5 as the liquid.

Das Pumpenaggregat 1 besteht aus einer Pumpeneinheit 2, die den hydraulischen Teil des Aggregats 1 bildet, einer elektromotorischen Antriebseinheit 3, die den elektro-mechanischen Teil des Aggregats 1 bildet, und einer Regelungselektronik 4 zur Steuerung und/ oder Regelung der Antriebseinheit. Die Antriebseinheit 3 besteht aus einem elektromagnetischen Teil 3a und einem mechanischen Teil 3b. Die Regelungselektronik 4 umfasst zum einen Hardware 4b, zum anderen Software 4a Die Hardware 4b umfasst auch eine Leistungselektronik wie beispielsweise einen Frequenzumrichter, um eine bestimmte Drehzahl an der Antriebseinheit einzustellen.The pump unit 1 consists of a pump unit 2, which forms the hydraulic part of the unit 1, an electric motor drive unit 3, which forms the electromechanical part of the unit 1, and control electronics 4 for controlling and/or regulating the drive unit. The drive unit 3 consists of an electromagnetic part 3a and a mechanical part 3b. The control electronics 4 includes hardware 4b on the one hand and software 4a on the other. The hardware 4b also includes power electronics such as a frequency converter, for example, in order to set a specific speed on the drive unit.

Der Regelungselektronik 4 ist eine Solldrehzahl n0 vorgebbar. Obgleich diese hier als von außerhalb der Regelungselektronik 4 kommend dargestellt ist, beispielsweise durch manuelle Vorgabe, kann sie alternativ auch von einer Kennlinienregelung oder einer dynamischen, bedarfsgerechten Anpassung des Arbeitspunktes von Pumpenaggregat 1 stammen, die selbst Teil der Regelungselektronik 4, insbesondere Teil ihrer Software 4a ist.A setpoint speed n 0 can be predetermined for the control electronics 4 . Although this is shown here as coming from outside the control electronics 4, for example by manual specification, it can alternatively also come from a characteristic curve control or a dynamic, needs-based adjustment of the operating point of the pump unit 1, which itself is part of the control electronics 4, in particular part of its software 4a.

Aus der aktuellen Stromaufnahme lel und der aktuellen Drehzahl nist der Antriebseinheit 3 berechnet die Regelungselektronik 4, bzw. deren Software 4a eine Spannung U die der Leistungselektronik 4b vorgegeben wird, damit diese der Antriebseinheit 3 eine entsprechende elektrische Leistung Pel, zur Verfügung stellt.From the current current consumption l el and the current speed n, the drive unit 3 calculates the control electronics 4 or its software 4a a voltage U which is specified for the power electronics 4b so that the drive unit 3 has a corresponding electrical power P el available .

Der elektromagnetische Teil 3a der Antriebseinheit 3, der den Stator, Rotor sowie ihre elektromagnetische Kopplung beschreibt, erzeugt aus dem Strom lel ein mechanisches Drehmoment Mist. Dieses beschleunigt den Rotor und führt zu einer entsprechenden Drehzahl nist der Antriebseinheit 3, was in dem mechanischen Teil 3b des Modells der Antriebseinheit 3 umfasst ist. Mit der Drehzahl nist wird nun das auf der Rotorwelle sitzende Pumpenlaufrad des hydraulischen Teils 2 des Pumpenaggregats 1 angetrieben. Das Pumpenaggregat 1 erzeugt dadurch einen Differenzdruck zwischen Saug- und Druckseite bzw. eine Förderhöhe H, die in dem Rohrleitungssystem 5 je nach Rohrleitungswiderstand einen mehr oder weniger großen Volumenstrom Q erzeugt. Aus der hydraulischen Leistung P_hydr und den damit verbundenen Verlusten kann ein hydraulisches Moment Mhyd definiert werden, das dem Motormoment Mist als Bremsmoment entgegenwirkt.The electromagnetic part 3a of the drive unit 3, which describes the stator, rotor and their electromagnetic coupling, generates a mechanical torque M actual from the current l el . This accelerates the rotor and leads to a corresponding speed n actual of the drive unit 3, which is included in the mechanical part 3b of the model of the drive unit 3. The pump impeller, which is seated on the rotor shaft, of the hydraulic part 2 of the pump unit 1 is now driven at the speed n actual . As a result, the pump unit 1 generates a differential pressure between the suction side and the pressure side or a delivery height H which generates a more or less large volume flow Q in the pipeline system 5 depending on the pipeline resistance. From the hydraulic power P_hydr and the associated losses, a hydraulic torque M hyd can be defined, which counteracts the engine torque M act as a braking torque.

Der prinzipielle Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Figur 2 dargestellt. Das Verfahren wird im bestimmungsgemäßen Betrieb des Pumpenaggregats durchgeführt, d.h. wenn das Pumpenaggregat 1 mit einem Rohrleistungssystem 5 verbunden und mit einer beliebigen Solldrehzahl n0 betrieben wird.The basic sequence of the method according to the invention is figure 2 shown. The method is carried out when the pump assembly is operating as intended, ie when the pump assembly 1 is connected to a pipework system 5 and is operated at any setpoint speed n 0 .

Ausgehend von der Vorgabe der Solldrehzahl n0 in Schritt S1 umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden nacheinander durchzuführenden Schritte, die fortlaufend wiederholt werden können:

  • Anregung des Systems, Schritt S2;
  • Ermittlung der Systemantwort beispielsweise durch Messung, Schritt S3;
  • Berechnung eines Auswertesignals aufgrund der Systemantwort, Schritt S4 und
  • Auswertung des Auswertesignals durch Vergleich mit einer Entscheidungsschwelle, Schritt S5.
Based on the specification of the setpoint speed n 0 in step S1, the method according to the invention comprises the following steps to be carried out one after the other, which can be repeated continuously:
  • excitation of the system, step S2;
  • Determination of the system response, for example by measurement, step S3;
  • Calculation of an evaluation signal based on the system response, step S4 and
  • Evaluation of the evaluation signal by comparison with a decision threshold, step S5.

Obgleich das Verfahren nachfolgend anhand der Erkennung eines Trockenlaufs als abnormaler Zustand beschrieben wird, kann das Verfahren auch zur Erkennung anderer Fehler im Pumpenaggregat oder im Gesamtsystem verwendet werden, sofern in diesem Fall das ermittelte Auswertesignal ebenfalls außerhalb eines normalen Bereichs liegt, der durch eine entsprechende Entscheidungsschwelle begrenzt ist.Although the method is described below based on the detection of dry running as an abnormal condition, the method can also be used to detect other faults in the pump unit or in the overall system, provided that in this case the evaluation signal determined is also outside of a normal range that is defined by a corresponding decision threshold is limited.

Die Anregung des Systems erfolgt dadurch, dass eine Stellgröße, hier die stationäre Solldrehzahl n0, mit einem Anregungssignal fA(t) moduliert wird, so dass sich die von der Pumpenelektronik 4 einzustellende neue Solldrehzahl nsoll aus der Summe der zuvor vorgegebenen Solldrehzahl n0 und dem Anregungssignal fA (t) ergibt: n soll = n 0 + ƒ A t

Figure imgb0002
The system is excited by a manipulated variable, here the steady-state setpoint speed n 0 , being modulated with an excitation signal f A (t), so that the new setpoint speed n setpoint to be set by the pump electronics 4 is the sum of the previously specified setpoint speed n 0 and the excitation signal f A (t) gives: n should = n 0 + ƒ A t
Figure imgb0002

Die Anregung der Drehzahl erfolgt hier rein sinusförmig, wobei aber auch andere Modulationen denkbar sind. Das Anregungssignal fA (t) hat dann beispielsweise die Form ƒ A t = n l sin ωt

Figure imgb0003
mit der Amplitude n1 und der Frequenz ω = 2πf. The excitation of the speed is purely sinusoidal here, but other modulations are also conceivable. The excitation signal f A (t) then has the form, for example ƒ A t = n l sin ωt
Figure imgb0003
with amplitude n 1 and frequency ω = 2 πf.

Die Amplitude n1 beträgt zwischen 0,1% und 25% der Solldrehzahl n0 und kann werksseitig eingestellt und fest sein, beispielsweise auf 1%. Die Anregungsfrequenz f bzw. ω sollte so bemessen werden, dass der Drehzahlregler der Änderungsgeschwindigkeit der Drehzahl ausreichend schnell folgend kann. In diesem Fall muss dann keine Korrektur der Reglerparameter, z.B. der Proportionalverstärkung, vorgenommen werden. In dem Ausführungsbeispiel ist eine Frequenz f von 1 Hz verwendet.The amplitude n 1 is between 0.1% and 25% of the setpoint speed n 0 and can be set and fixed at the factory, for example at 1%. The excitation frequency f or ω should be dimensioned in such a way that the speed controller can follow the rate of change of the speed sufficiently quickly. In this case, no correction of the controller parameters, e.g Proportional gain, are made. A frequency f of 1 Hz is used in the exemplary embodiment.

Die als Reaktion auf die Anregung folgende Systemantwort manifestiert sich in verschiedenen physikalischen Größen des Pumpenaggregats gleichzeitig. Ferner zeigen auch rein mathematische Größen der Modelle, d.h. dem elektrischen Modell 4b, elektromagnetischen Modell 3a, mechanischen Modell 3b und dem hydraulischen Modell 2 eine Reaktion auf die Drehzahlmodulation. Gleichwohl genügt es, eine einzige Größe, insbesondere eine mechanische oder elektrische Größe des Pumpenaggregats auszuwerten, insbesondere wenn die Istdrehzahl der modulierten Solldrehzahl folgen kann. Kann die Istdrehzahl der Solldrehzahl nicht folgen, so empfiehlt es sich, zwei oder mehr Größen auszuwerten, z.B. eine mechanische Größe wie die Istdrehzahl, und eine elektrische Größe wie die vom Motor aufgenommene Leistung.The system response that follows as a reaction to the excitation manifests itself simultaneously in various physical parameters of the pump unit. Furthermore, purely mathematical quantities of the models, i.e. the electrical model 4b, electromagnetic model 3a, mechanical model 3b and the hydraulic model 2, also show a reaction to the speed modulation. Nevertheless, it is sufficient to evaluate a single variable, in particular a mechanical or electrical variable of the pump assembly, particularly if the actual speed can follow the modulated setpoint speed. If the actual speed cannot follow the target speed, it is advisable to evaluate two or more variables, e.g. a mechanical variable such as the actual speed and an electrical variable such as the power consumed by the motor.

In dem Ausführungsbeispiel ist als Systemantwort X(t) auf die Drehzahlmodulation die aufgenommene elektrische Leistung Pel verwendet. Diese kann gemessen bzw. direkt aus dem gemessenem Strom und der gemessenen oder berechneten Spannung ermittelt werden. Alternativ kann auch das Drehmoment oder der aufgenommene Strom als Systemantwort herangezogen werden.In the exemplary embodiment, the electrical power P el consumed is used as the system response X (t) to the speed modulation. This can be measured or determined directly from the measured current and the measured or calculated voltage. Alternatively, the torque or the current drawn can also be used as the system response.

Die Bestimmung der Systemantwort kann durch Abtastung zu diskreten Zeitpunkten oder kontinuierlich erfolgen, so dass die Systemantwort X(t) als eine diskrete oder kontinuierliche Reihe von Messwerten bzw. berechneten Werten vorliegt. Dies ist von Schritt S3 der Figur 3 umfasst. Der Einfachheit halber wird hier nur der Fall der kontinuierlichen Reihe behandelt.The system response can be determined by sampling at discrete points in time or continuously, so that the system response X (t) is present as a discrete or continuous series of measured values or calculated values. This is from step S3 figure 3 includes. For the sake of simplicity, only the case of the continuous series is treated here.

Für die Trockenlauferkennung in Schritt S5 wird zunächst das Auswertesignal l(t) ermittelt. Dies erfolgt dadurch, dass die Systemantwort X(t) zuerst mit einer periodischen Funktion S(t) multipliziert wird, d.h. das Produkt aus der Systemantwort X(t) und dieser periodischen Funktion S(t) gebildet wird. Die periodische Funktion S(t) ist in dem vorliegenden Beispiel eine Sinusfunktion der Form S t = g sin k ωt

Figure imgb0004
wobei g ein Skalierungsfaktor sind und k eine positive ganze Zahl ist und ein Vielfaches der Grundfrequenz definiert. Im einfachsten Fall sind g = k = 1 gesetzt. Dies verdeutlicht, dass die periodische Funktion im einfachsten Fall dieselbe periodische Grundstruktur wie das Anregungssignal fA(t), vgl. Gl. 2, insbesondere dieselbe Frequenz ω bzw. f haben kann, um das erfindungsgemäße Ergebnis zu erreichen.For the dry-running detection in step S5, the evaluation signal I(t) is first determined. This is done by first multiplying the system response X (t) by a periodic function S(t), ie the product of the system response X (t) and this periodic function S(t) is formed. In the present example, the periodic function S(t) is a sine function of the form S t = G sin k ωt
Figure imgb0004
where g is a scale factor and k is a positive integer and defines a multiple of the fundamental frequency. In the simplest case g = k = 1 are set. This makes it clear that in the simplest case the periodic function has the same periodic basic structure as the excitation signal f A (t), see Eq. 2, in particular can have the same frequency ω or f in order to achieve the result according to the invention.

Das Produkt aus Systemantwort X(t) und der Funktion S(t) wird anschließend über einen Zeitraum T integriert, der der Periodendauer oder einem Vielfachen kl der Periodendauer des Anregungssignals fA(t) entspricht. Das Integral I(t0) über das Produkt stellt das erfindungsgemäße Auswertesignal dar und ergibt sich dann zu: I t 0 + T = t 0 t 0 + T X t S t d t = t 0 t 0 + T X t sin ωt d t mit T = k l 2 π ω

Figure imgb0005
wobei t0 den Zeitpunkt des Integrationsbeginns angibt. Da zur Integration die Systemantwort für den Integrationszeitraum vorliegen müssen, kann das Integral frühestens nach Ablauf des Integrationszeitraums berechnet werden, d.h. bei t = t0 + T. Der Zeitpunkt t0 liegt folglich in der Vergangenheit und stellt nicht die Gegenwart zum Zeitpunkt t dar. Um dies zu verdeutlichen kann die Integration des Integrals von t-T bis t gehen. Um die Gegenwart t nicht mit der Integrationsvariablen zu verwechseln, ist nachfolgend als Integrationsvariable t' gewählt: I t = t T t X t S t d t
Figure imgb0006
The product of the system response X (t) and the function S(t) is then integrated over a period of time T, which corresponds to the period or a multiple k l of the period of the excitation signal f A (t). The integral I (t 0 ) over the product represents the evaluation signal according to the invention and then results in: I t 0 + T = t 0 t 0 + T X t S t i.e t = t 0 t 0 + T X t sin ωt i.e t with T = k l 2 π ω
Figure imgb0005
where t 0 indicates the time at which integration begins. Since the system response for the integration period must be available for integration, the integral can only be calculated after the integration period has expired, i.e. at t = t 0 + T. The time t 0 is therefore in the past and does not represent the present at time t. To illustrate this, the integration of the integral can go from tT to t. In order not to confuse the present t with the integration variable, t' is chosen below as the integration variable: I t = t T t X t S t i.e t
Figure imgb0006

Durch die Bildung des Integrals I(t0) erfolgt die Auswertung der Systemantwort X(t) bei der Anregungsfrequenz ω oder einem Vielfachen kl der Anregungsfrequenz ω über eine oder mehrere Perioden 2π/ω, siehe Schritt S4 in Fig. 2. Man erhält einen Wert, der eine Aussage über den Betriebszustand zulässt.By forming the integral I (t 0 ), the system response X (t) is evaluated at the excitation frequency ω or a multiple k l of the excitation frequency ω over one or more periods 2π/ω, see step S4 in 2 . A value is obtained that allows a statement to be made about the operating status.

Dieser Wert des Auswertesignals wird nun mit einer Entscheidungsschwelle 10 verglichen, siehe Schritt S5 in Fig. 2. Aus der Tatsache, dass der Wert größer oder kleiner als die Entscheidungsschwelle ist, lässt sich ein Betriebszustand ableiten.This value of the evaluation signal is now compared with a decision threshold 10, see step S5 in 2 . An operating state can be derived from the fact that the value is greater or less than the decision threshold.

Im Falle der Trockenlauferkennung wurde erkannt, dass der Wert des Auswertesignals im Normalbetrieb oberhalb einer einen Normalbereich nach unten begrenzenden Minimumkurve 15a liegt. Nach oben wird der Normalbereich durch eine Maximumkurve 15b begrenzt. Ein Trockenlauf liegt vor, sobald das Auswertesignal l(t) unterhalb der Minimumkurve 15a liegt. Dies wird in Schritt S5 anhand der Entscheidungsschwelle 10 untersucht. Sinnvollerweise wird für die Entscheidungsschwelle 10 ein Abstand zur Minimumkurve 15a gewahrt, um Fehlauslösungen zu vermeiden.In the case of dry-running detection, it was recognized that the value of the evaluation signal in normal operation is above a minimum curve 15a that delimits a normal range from below. The normal range is delimited at the top by a maximum curve 15b. A dry run occurs as soon as the evaluation signal I(t) is below the minimum curve 15a. This is examined in step S5 using decision threshold 10 . It makes sense for the decision threshold 10 to be kept at a distance from the minimum curve 15a in order to avoid false triggering.

Liegt, wie beispielsweise im Falle des Trockenlaufs, der Wert des Auswertesignals l(t) oberhalb der Entscheidungsschwelle 10, so liegt kein Trockenlauf vor, siehe Nein-Zweig und Schritt S8. Das Verfahren kann dann bei der Anregung des Systems, Schritt S2, fortgesetzt werden. Alternativ kann das Verfahren beendet und zu einem späteren Zeitpunkt, beispielsweise zeitgesteuert oder durch einen anderen Auslöser getriggert, wieder aktiviert werden.If, for example in the case of dry running, the value of the evaluation signal I(t) is above the decision threshold 10, then there is no dry running, see No branch and step S8. The method can then be continued with the excitation of the system, step S2. Alternatively, the method can be terminated and reactivated at a later point in time, for example in a time-controlled manner or triggered by another trigger.

In ähnlicher Weise kann verfahren werden, wenn für einen anderen abnormalen Betrieb erkannt wird, dass das Signal l(t) in diesem Fall unterhalb einer anderen Minimumkurve oder oberhalb einer Maximumkurve liegt.The procedure can be similar if it is recognized for another abnormal operation that the signal I(t) in this case lies below another minimum curve or above a maximum curve.

Liegt, wie beispielsweise im Falle des Trockenlaufs, der Wert des Auswertesignals l(t) unterhalb der Entscheidungsschwelle 10, so liegt ein abnormaler Betriebszustand vor, siehe Ja-Zweig und Schritt S6. Es kann dann eine Fehlermeldung ausgegeben werden, Schritt S7, beispielsweise als optisches oder akustisches Signal am Pumpenaggregat oder einer anderen Einrichtung zur Überwachung des Pumpenaggregats, oder als elektronische Nachricht an eine Gebäudeleittechnik. Alternativ oder zusätzlich kann eine sofortige Abschaltung des Pumpenaggregats erfolgen, um einen weiteren Schaden zu verhindern.If, for example in the case of dry running, the value of the evaluation signal I(t) is below the decision threshold 10, then an abnormal operating state is present, see Yes branch and step S6. An error message can then be output, step S7, for example as an optical or acoustic signal on the pump unit or another device for monitoring the pump unit, or as an electronic message to a building management system. Alternatively or additionally, the pump unit can be switched off immediately in order to prevent further damage.

Die Berechnung nach Gleichung Gl.4 oder 5 kann numerisch in einem Mikroprozessor der Pumpenelektronik 4 oder durch eine analoge Schaltung ausgeführt werden.The calculation according to equation Eq. 4 or 5 can be carried out numerically in a microprocessor of the pump electronics 4 or by an analog circuit.

Ein Strukturbild mit Funktionseinheiten und Signalen zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Fig. 4 gegeben. Diese Funktionseinheiten umfassen eine Modulationseinheit 12, den Antriebsmotor 3, eine Systemantwortbestimmungseinheit 13, eine Trockenlauferkennung 14 und eine Reaktionseinheit 4a'. Die Modulationseinheit 12, die Systemantwortbestimmungseinheit 13, die Trockenlauferkennung 14 und die Reaktionseinheit 4a' können ebenfalls Teil der Pumpenelektronik 4, insbesondere deren Software sein. Sie könne aber auch teilweise durch Hardwarekomponenten gebildet sein. So kann die Systemantwortbestimmungseinheit 13 einen Sensor umfassen, um die elektrische Leistungsaufnahme zu bestimmen, und/ oder die Reaktionseinheit 4a' einen Schalter umfassen, um das Pumpenaggregat abzuschalten.A structural diagram with functional units and signals for carrying out the method according to the invention is shown in 4 given. These functional units include a modulation unit 12, the drive motor 3, a system response determination unit 13, a dry-running detection unit 14 and a reaction unit 4a'. The modulation unit 12, the system response determination unit 13, the dry-running detection 14 and the reaction unit 4a' can also be part of the pump electronics 4, in particular its software. You can also be partially formed by hardware components. Thus, the system response determination unit 13 can include a sensor in order to determine the electrical power consumption and/or the reaction unit 4a′ can include a switch in order to switch off the pump unit.

Der Modulationseinheit 12 wird der Drehzahlsollwert n0 zugeführt. Die Modulationseinheit 12 erzeugt das periodisches Anregungssignal fA(t) in Form eines Sinussignals n1·sin(ωt) und addiert dieses auf den Drehzahlsollwert n0, so dass ein entsprechend der Frequenz ω dieses Anregungssignals fA(t) modulierter neuer Drehzahlsollwert n0 + n1·sin(ωt) gebildet ist, der von Modulationseinheit 12 ausgegeben wird. Gleichzeitig wird von der Modulationseinheit 12 das Sinussignal S(t) = sin(ωt) aus dem Anregungssignal fA(t) separat ausgegeben und der Systemantwortbestimmungseinheit 13 bereitgestellt. Alternativ kann auch direkt das Anregungssignal fA(t) ausgegeben werden.The modulation unit 12 is supplied with the rotational speed setpoint n 0 . The modulation unit 12 generates the periodic excitation signal f A (t) in the form of a sinusoidal signal n 1 sin(ωt) and adds this to the speed setpoint n 0 so that a new speed setpoint n 0 + n 1 *sin(ωt) which is output from modulation unit 12 . At the same time, the modulation unit 12 outputs the sinusoidal signal S(t)=sin(ωt) from the excitation signal f A (t) separately and makes it available to the system response determination unit 13 . Alternatively, the excitation signal f A (t) can also be output directly.

Der neue Drehzahlsollwert n0 + n1·sin(ωt) wird beim Antriebsmotor 3 mit Hilfe der in Fig. 4 nicht dargestellten Leistungselektronik 4b eingestellt. Aus Gründen der Einfachheit ist hier der Weg dieses Signals nicht näher differenziert. Er entspricht dem üblichen Weg bei der Drehzahlsollwertvorgabe eines Elektromotors.The new speed setpoint n 0 + n 1 · sin(ωt) is set for the drive motor 3 using the in 4 Not shown power electronics set 4b. For reasons of simplicity, the path of this signal is not differentiated in more detail here. It corresponds to the usual way when specifying the speed setpoint of an electric motor.

Infolge der Drehzahleinstellung besitzt der Antriebsmotor 3 eine bestimmte elektrische Leistungsaufnahme Pel, die eine Systemantwort X(t) auf die Drehzahlmodulation darstellt. Die elektrische Leistungsaufnahme Pel wird von der Systemantwortbestimmungseinheit 13 ermittelt.As a result of the speed setting, the drive motor 3 has a specific electrical power consumption P el , which represents a system response X(t) to the speed modulation. The electrical power consumption P el is ascertained by the system response determination unit 13 .

Die Systemantwortbestimmungseinheit 13 bildet nun das Auswertesignal l(t0) oder l(t) entsprechend einer der Gleichungen 4 oder 5 aus dem Integral des Produkts aus der Systemantwort X(t) = Pel(t) und der periodischen Funktion S(t) über eine Periode T des Anregungssignals fA(t). Das berechnete Auswertesignal l(t0), l(t) wird anschließend von der Systemantwortbestimmungseinheit 13 ausgegeben und der Trockenlauferkennungseinheit 14 bereitgestellt. Diese ermittelt nun aus dem Auswertesignal l(t0), l(t), ob ein abnormaler Betriebszustand vorliegt. Hierzu wird der aktuelle Wert des Auswertesignals l(t0), l(t) mit der Entscheidungsschwelle 10 verglichen. Liegt das Auswertesignal l(t0), l(t) unterhalb der Entscheidungsschwelle 10 gibt die Trockenlauferkennung 14 ein Fehlersignal aus. Dieses wird der Reaktionseinheit 4a' bereitgestellt, welche mit einer vorbestimmten Maßnahme auf den erkannten Trockenlauf reagiert, beispielsweise das Fehlersignal anzeigt, an eine übergeordnete Steuerung oder Leittechnik weiterleitet und/ oder den Antriebsmotor 3 abschaltet.The system response determination unit 13 now forms the evaluation signal l(t 0 ) or l(t) according to one of the equations 4 or 5 from the integral of the product of the system response X (t) = P el (t) and the periodic function S(t) over a period T of the excitation signal f A (t). The calculated evaluation signal I(t 0 ), I(t) is then output by the system response determination unit 13 and made available to the dry-running detection unit 14 . This now determines from the evaluation signal l(t 0 ), l(t) whether an abnormal operating state is present. For this purpose, the current value of the evaluation signal I(t 0 ), I(t) is compared with the decision threshold 10 . If the evaluation signal l(t 0 ), l(t) is below the decision threshold 10, the dry-running detection 14 outputs an error signal. This is provided to the reaction unit 4a′, which reacts to the detected dry run with a predetermined measure, for example displays the error signal, forwards it to a higher-level controller or control system and/or switches off the drive motor 3 .

Figur 5 veranschaulicht Werte des Auswertesignals nach Gleichung 4 oder 5 bei verschiedenen Drehzahlen und bei Trockenlauf einerseits und Nasslauf andererseits, wobei im Falle des Nasslaufs sechs Kurven 15 dargestellt sind und im Falle des Trockenlaufs nur je ein Betriebspunkt in Gestalt eines Pluszeichens angegeben ist. Die Untersuchung erfolgte jeweils bei den Drehzahlen 800 U/min, 1200 U/min, 1600 U/min, 2000 U/min, 2400 U/min und 2800 U/min. Bei den Nasslaufkurven 15 zeigt der dicke schwarze Pfeil an, dass der Förderstrom Q nach oben hin zunimmt, d.h. das Auswertesignal umso größer ist, je höher Q ist. Bei Trockenlauf ist Q=0. Gleichwohl ist in Fig. 5 eine drehzahlabhängige Entscheidungsschwelle 10 eingezeichnet. Diese ist hier durch einen linearen Zusammenhang zwischen dem Auswertesignal und der Drehzahl definiert. Sie verbindet Punkte, die etwa mittig zwischen den minimalen Betriebspunkten (Qmin) der Nasslaufkurven 15 und den Trockenlaufbetriebspunkten liegen. figure 5 illustrates values of the evaluation signal according to Equation 4 or 5 at different speeds and with dry running on the one hand and wet running on the other hand, with six curves 15 being shown in the case of wet running and only one operating point each in the form of a plus sign being given in the case of dry running. The investigation was carried out at speeds of 800 rpm, 1200 rpm, 1600 rpm, 2000 rpm, 2400 rpm and 2800 rpm. In the case of the wet-running curves 15, the thick black arrow indicates that the delivery flow Q increases upwards, ie the higher Q is, the larger the evaluation signal is. When running dry, Q=0. Nevertheless is in figure 5 a speed-dependent decision threshold 10 is drawn. This is defined here by a linear relationship between the evaluation signal and the speed. It connects points that are approximately in the middle between the minimum operating points (Qmin) of the wet-running curves 15 and the dry-running operating points.

Das hier vorgestellte Verfahren der Modulation einer Stellgröße des Pumpenaggregats und Analyse der Systemantwort hierauf ermöglicht es, auf einfache Weise während des Betriebs des Pumpenaggregats, ohne Verwendung eines Sensors im gesamten Drehzahlbereich eine zuverlässige Aussage über einen abnormalen Betriebszustand treffen zu können. Es lässt sich leicht in die Elektronik des Pumpenaggregats integrieren, da es rein in Software implementiert werden kann. Obgleich im obigen Beispiel der Trockenlauf angeführt ist, lässt sich das Prinzip der Erfindung auf die Detektion anderer abnormaler Betriebszustände übertragen. Die Erkennung eines abnormalen Betriebszustands kann dazu verwendet werden, die Pumpe abzuschalten, um sie vor Verschleiß zu schützen oder ein entsprechendes Signal an eine Übergeordnete Regelung, z. B. ein Gebäudeleitsystem zu senden.The method presented here for modulating a manipulated variable of the pump unit and analyzing the system response to this makes it possible to easily and reliably make a reliable statement about an abnormal operating state during operation of the pump unit without using a sensor in the entire speed range. It can be easily integrated into the electronics of the pump unit because it can be implemented purely in software. Although dry running is mentioned in the above example, the principle of the invention can be transferred to the detection of other abnormal operating states. The detection of an abnormal operating condition can be used to switch off the pump to protect it from wear or a corresponding signal to a higher-level control, e.g. B. to send a building management system.

Claims (20)

  1. Method for detecting an operating state of a rotational-speed-controllable centrifugal pump unit (1) operated at a specifiable rotational speed (n 0), characterised by the operating state being an abnormal operating state and a periodic excitation signal (fA(t)) of a certain frequency (f) being applied to a manipulated variable of the pump unit (1) in such a way that a hydraulic variable (H, Δp) of the pump unit (1) is modulated and that, from a mechanical and/or electrical variable (Pel) of the pump unit (1) as a system response (X(t)) to the excitation signal (fA(t)), an evaluation signal (l(t0), l(t)) is calculated and this is used to determine whether an abnormal operating state exists.
  2. Method according to claim 1, characterised by the evaluation signal (l(t0), l(t)) being compared to a decision threshold (10) and the abnormal operating state being inferred when the evaluation signal (l(t0), l(t)) is above or below the decision threshold (10).
  3. Method according to claim 2, characterised by dry running being inferred as an abnormal operating state when the evaluation signal (l(t0), l(t)) is below the decision threshold (10).
  4. Method according to claim 2 or 3, characterised by the decision threshold being dependent on the rotational speed.
  5. Method according to one of the preceding claims, characterised by the evaluation signal (l(t0), l(t)) being formed from the integral of the product of the system response (X(t)) and a periodic function (S(t)) of the same or a multiple of the frequency (f) of the excitation signal (fA(t)) over a specified integration period (T).
  6. Method according to claim 5, characterised by the periodic function (S(t)) being a sine function (S1(t)).
  7. Method according to one of the preceding claims, characterised by the manipulated variable being the nominal rotational speed (n0), a torque value, or a current of the pump unit (1).
  8. Method according to one of the preceding claims, characterised by the hydraulic variable (H) being the pumping head (H) or the differential pressure (Δp) of the pump unit (1).
  9. Method according to one of the preceding claims, characterised by the mechanical variable being the output torque (Mist ) or the current rotational speed (nist) of the pump unit (1).
  10. Method according to one of the preceding claims, characterised by the electrical variable being the electric power consumed by the electric motor of the pump unit (1) (Pel ) or a current draw.
  11. Method according to one of the preceding claims, characterised by the excitation signal (fA(t)) being a sinusoidal signal or a signal containing a sine function.
  12. Method according to one of the preceding claims, characterised by the frequency (f) of the excitation signal (fA(t)) being between 0.1 Hz and 100 Hz.
  13. Method according to one of the preceding claims, characterised by the amplitude (n1) of the excitation signal (fA(t)) being less than 25% of the target rotational speed (n0) for speed control of the pump unit (1), in particular between 0.1% and 25% of the target rotational speed (n0).
  14. Method according to claim 5 or according to one of the claims 6 through 13 referring back to claim 5, characterised by the integration period (T) being a period or a multiple (kl) of the period (2π/ω) of the excitation signal (fA(t)).
  15. Method according to claim 5 or according to one of the claims 6 through 14 referring back to claim 5, characterised by the integration being performed during the modulation of the hydraulic variable (H), in particular the nominal rotational speed (nsoll ).
  16. Method according to one of the preceding claims, characterised by it being carried out continuously during the operation of the pump unit (1).
  17. Method according to one of the preceding claims, characterised by it being activated during the operation of the pump unit (1) when the use of a method for the detection of an abnormal operating state recognises an abnormal operating state.
  18. Method according to one of the preceding claims, characterised by an error signal being output and/or the pump unit (1) being shut off when an abnormal operating state is detected.
  19. Pump electronics for the management and/or control of the nominal rotational speed of a pump unit (1), characterised by being configured to carry out the method according to one of the claims 1 through 18.
  20. Pump unit having pump electronics according to claim 19.
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