EP3830947A1 - Steuerungsverfahren für maschine mit umrichterbetriebenem elektrischem antrieb - Google Patents

Steuerungsverfahren für maschine mit umrichterbetriebenem elektrischem antrieb

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EP3830947A1
EP3830947A1 EP19742720.6A EP19742720A EP3830947A1 EP 3830947 A1 EP3830947 A1 EP 3830947A1 EP 19742720 A EP19742720 A EP 19742720A EP 3830947 A1 EP3830947 A1 EP 3830947A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
frequency
machine
factor
pump
drive
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP19742720.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Eckl
Jochen Schaab
Jochen SCHULLERER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KSB SE and Co KGaA
Original Assignee
KSB SE and Co KGaA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by KSB SE and Co KGaA filed Critical KSB SE and Co KGaA
Publication of EP3830947A1 publication Critical patent/EP3830947A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D15/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or systems
    • F04D15/0066—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or systems by changing the speed, e.g. of the driving engine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D13/00—Pumping installations or systems
    • F04D13/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F04D13/06—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using DC to AC converters or inverters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2105/00—Networks for supplying or distributing electric power characterised by their spatial reach or by the load
    • H02J2105/50—Networks for supplying or distributing electric power characterised by their spatial reach or by the load for selectively controlling the operation of the loads
    • H02J2105/51—Networks for supplying or distributing electric power characterised by their spatial reach or by the load for selectively controlling the operation of the loads according to a condition being electrical
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/001—Arrangements for handling faults or abnormalities, e.g. emergencies or contingencies
    • H02J3/0014—Arrangements for handling faults or abnormalities, e.g. emergencies or contingencies for preventing or reducing power oscillations in networks
    • H02J3/00142—Oscillations concerning frequency

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a machine with at least one converter-operated electrical drive and an electrical machine with a controller for executing the method.
  • the electrical power supply networks are stabilized by frequency synchronization of all energy producers.
  • the majority of large synchronous generators are still used today for energy generation, the rotational mass of which stores rotational energy.
  • This stored rotational energy serves as an instantaneous reserve in order to be able to compensate for short-term load fluctuations in the supply network.
  • the sum of all rotational masses in the network defines the network start-up time. The larger this is, the more energy can be buffered in the rotating masses. Due to the advancing energy transition, the proportion of power electronics converters for energy feed-in is increasing. The resulting decrease in the rotational mass reduces the network startup time in the interconnected network, which is why the supply networks are subsequently more susceptible to load fluctuations.
  • the method according to the invention can generally be replaced in any machine that comprises at least one converter-operated electrical drive.
  • the electric drive is a rotary drive, the speed of which can be set by means of an upstream converter,
  • the machine is supplied with the required drive energy by an external power supply.
  • the line frequency at the power input is thus detected directly by the electronics of the machine or indirectly, preferably estimated, from one or more input parameters.
  • the determined current network frequency is compared against a standard frequency of the network supply known to the machine in order to determine a deviation of the determined current network frequency from the standard frequency.
  • a correction value for the adaptation of the target drive frequency of the electrical drive of the machine is then determined using the deviation.
  • the target drive frequency corresponds to the frequency with which the internal electric motor of the machine is operated or excited for the respective application.
  • the target drive frequency is determined by an internal speed control and by the internal converter Machine generated accordingly. This target drive frequency should now be adjusted as a function of the previously determined frequency correction value.
  • the setpoint drive frequency or speed of the electric drive and consequently the power consumption of the machine are actively influenced as soon as an unstable power supply threatens, i.e. the current network frequency deviates from the actual standard frequency.
  • the target drive frequency is increased accordingly if the current mains frequency exceeds the standard frequency. In contrast, if the current mains frequency is below the standard frequency, this can lead to a reduction in the target drive frequency.
  • the frequency correction value is determined by dynamically weighting the deviation.
  • a weighting factor k becomes dynamic depending on at least one special process variable of the machine, i.e. Determined during machine operation This should ensure that the modification of the target drive frequency and the intended network stabilization have as little effect on the actual machine process as possible.
  • the factor k is essentially set as a function of a process variable of the load machine and / or the process being operated.
  • the process size of the load machine reflects the load on the electric motor or is dependent on it.
  • a process variable of the operated machine process characterizes the work to be performed by the machine; for example, any process variables of an overall system into which the machine is integrated as a component are taken into account. Other possible process variables are, for example, the temperature, drive speed, any positions, distances, etc.
  • the machine is a pump, in particular a centrifugal pump.
  • the execution of the method for circulation pumps, in particular heating circulation pumps, is also advantageous.
  • the following explanations essentially refer to centrifugal pumps, but they also apply without restriction to any machine that is characterized by at least one converter-operated electrical drive.
  • the factor k can preferably be determined dynamically as a function of at least one of the relevant pump process variables, pump motor frequency, pump output, delivery rate, delivery head, medium temperature or energy input.
  • the process variable energy input corresponds to the heat flow conveyed by the pump and results from the product of the delivery rate and temperature change of the delivery medium.
  • the factor k used is determined dynamically in a range from 0 to 3, preferably 0 to 2.
  • a larger range is also conceivable, for example from 0 to 10 or 0 to 50.
  • the factor k can, for example, assume continuous values in the defined range of values. However, discrete values are also possible, for example two, three or more levels depending on at least one process variable.
  • the upper limit (2, 3, 10, 50) can advantageously be varied by a certain tolerance range, for example by +/- 10%, in order to obtain a suitable range for the highest value k (for example 1, 8 to 2.2 or 2.7 to 3.3 or 9 to 11 or 45 to 55).
  • the factor k could assume the highest (e.g.
  • the factor k can also have the highest (e.g. 2, 3, 10 or 50) or the lowest value (0).
  • the factor k by a mathematical function that depends on the at least one process variable.
  • a linear function, square function or parabola function, root function, exponential function is conceivable, for example, although this list is not exhaustive.
  • the distance between the set control curve of a centrifugal pump, preferably a circulating pump, in particular a heating circulating pump, and the system characteristic, in particular the minimum system characteristic of the heating system is relatively large, mainly with small delivery rates, i.e. the control curve lies at a sufficient distance above the minimum system characteristic.
  • the minimum system characteristic is characterized by the lowest pipe resistance that the heating system can accept during operation. This is the case, for example, when the heating valves are fully open. In such a case, a change in the speed of the pump is acceptable, especially when the flow rate is low, because an insufficient supply in the heating system is unlikely due to the sufficient curve spacing.
  • control of the machine or the pump detects when it is at its performance limit. In such a case, it is advisable if the machine or the pump completely deactivates the mains stabilization, in particular by setting the factor k to zero in order to exclude the risk of a loss of performance.
  • the control strategy of the centrifugal pump preferably the circulation pump, in particular the heating circulation pump, could also be taken into account when determining the factor k, because the distance to the system characteristic curve varies depending on the control curve.
  • a constant pressure control shows the largest th distance, while the distance is further reduced by means of proportional pressure regulation or even energy saving regulation.
  • the control of the machine can estimate the current network frequency, for example, from a specific measurement parameter that the machine taps at the network input.
  • the modification or adaptation of the target drive frequency can ideally take place by adding the frequency correction value to the target drive frequency determined by the internal control.
  • the present invention also relates to a machine with an electric converter-operated drive and a controller for carrying out the method according to the present invention.
  • the machine is preferably a centrifugal pump, particularly preferably a circulating pump, in particular a heating circulating pump.
  • the machine therefore comprises at least one electric drive, in particular an asynchronous motor, permanently excited synchronous motor or a synchronous reactance motor, the speed of which can be varied by means of a frequency converter, in particular by means of internal speed control.
  • the advantages and properties of the machine according to the invention speak obviously those of the inventive method, which is why a repetitive description is omitted here.
  • a heating circulation pump the internal electrical pump drive of which is supplied with the necessary energy by the regular mains alternating voltage.
  • the AC voltage of a supply network is usually applied, which operate with a standard frequency of 50 Hz or 60 Hz.
  • the circulation pump uses its internal control electronics to determine an estimate of the current mains frequency. For this purpose, only a measured voltage signal on the electrical input side of the drive is used. Based on this
  • the calculated deviation fff is then used to generate the necessary correction value fkorr for the target drive frequency f for the internal speed control of the heating circulation pump.
  • the correction frequency f ko rr is determined by a factor k from the frequency deviation ff.
  • the following formula defines the calculation rule for this correction reference value: fkorr - k * ⁇ f.
  • This correction frequency value r is then added to the currently requested target drive frequency f s0 n.
  • the electric drive of the circulation pump is then operated with this new frequency fAntaeb or the corresponding speed.
  • fdrive fset + fcorr.
  • the invention also provides for a dynamic adaptation of the correction factor k, in such a way that the desired network stabilization affects the network as little as possible
  • the correction factor k is varied numerically in the range from 0 to 2 (or even larger) depending on at least one process variable of the circulation pump.
  • the influence of these process variables on the factor k is exemplarily illustrated on the basis of the delivery quantity Q using the diagram of the single figure.
  • the figure shows the operating area 1 of a heating circulation pump and its system characteristic 2 with the thermostatic valves fully open.
  • a system characteristic line 2 is also referred to as a minimum system characteristic curve.
  • different control curves are shown for the operation of the heating circulation pump, ie the speed of the circulation pump is set depending on different control algorithms.
  • the first control curve 3 stands for one
  • Constant pressure control and the control curve 4 for a proportional pressure control for a proportional pressure control.
  • the control curve 5 stands for a pump control "eco-mode", in which a further demand-dependent speed reduction is carried out to save energy.
  • the method according to the invention and the associated digitized function in the drive, in particular the pump drive, can be used to specifically effect a network stabilization, the scope of the network stabilization function being dynamically adapted to the customer process of the consumer.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Maschine mit wenigstens einem umrichterbetriebenen elektrischen Antrieb, wobei durch die Maschine die momentane Netzfrequenz der Netzversorgung der Maschine ermittelt und eine Abweichung der ermittelten Netzfrequenz gegenüber einer Normfrequenz der Netzversorgung bestimmt wird, und wobei ein Frequenzkorrekturwert für die Anpassung der Soll-Antriebs-frequenz, mit der der Elektromotor der Maschine betrieben wird, durch Gewichtung der Abweichung mit einem Faktor k ermittelt wird, wobei der Faktor k in Abhängigkeit wenigstens einer Prozessgröße der Antriebslast und/oder des betriebenen Antriebsprozesses dynamisch festgelegt wird.

Description

Beschreibung
Steuerungsverfahion für Maschine mit umrichterbetriebenem elektrischem Antrieb
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Maschine mit wenigstens einem umrichterbetriebenen elektrischen Antrieb sowie eine elektrische Maschine mit Steuerung zur Ausführung des Verfahrens.
Die Stabilisierung der elektrischen Energieversorgungsnetze erfolgt mittels Frequenz synchronisierung aller Energieerzeuger. Mehrheitlich werden heute noch große Synchrongeneratoren zur Energieerzeugung eingesetzt, deren Rotationsmasse Rotationsenergie speichert. Diese gespeicherte Rotationsenergie dient als Momentanreserve, um mit deren Hilfe kurzfristige Lastschwankungen im Versorgungsnetz ausgleichen zu können. Die Summe aller Rotationsmassen im Netzverbund definiert die Netzanlaufzeit. Je größer diese ist, umso mehr Energie kann in den Rotationsmassen gepuffert werden. Aufgrund der voranschreitenden Energiewende nimmt der Anteil an leistungselektronischen Um richtein zur Energieeinspeisung zu. Die dadurch bedingt abnehmende Rotationsmasse verringert die Netzanlaufzeit im Verbundnetz, weshalb die Versorgungsnetze in der Folge anfälliger für Lastschwankungen werden.
Ein vergleichbarer Effekt liegt auf der Verbraucherseite vor, da die Last aller Verbrau cher in Summe frequenzabhängig ist. Der Verbraucherselbstregeleffekt beträgt typi scherweise 1 % pro Hz. Sinkt die Netzfrequenz infolge einer Überlast ab, so sinkt auch die Leistungsabnahme der jeweiligen Verbraucher. Das Netz wird dadurch stabilisiert. Durch umrichterbetriebene rotatorische Verbraucher wird dieser Selbstregeleffekt je- doch verkleinert, da die Antriebsfrequenz der Last durch den Umrichter von der Metzfrequenz entkoppelt wird, ln Anbetracht dieser Problematik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung geeignete Gegenmaßnahmen auf Verbraucherseite aufzufinden, die aktiv zu einer Stabilisierung des Versorgungsnetzes beitragen können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahiens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich allgemein bei beliebigen Maschinen ersetzen, die wenigstens einen umrichterbetriebenen elektrischen Antrieb umfassen. Bei dem elektrischen Antrieb handelt es sich um einen rotatorischen Antrieb, dessen Drehzahl mittels vorgeschaltetem Umrichter einstellbar ist,
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die momentane Netzfrequenz des Versorgungs- netzes zur Energieversorgung der Maschine zu überwachen bzw. zu ermitteln. Dies kann bspw, durch die interne Elektronik der Maschine erfolgen. Üblicherweise wird die
Maschine durch eine externe Netzversorgung mit der benötigten Antriebsenergie ver- sorgt. Die am Leistungseingang liegende Netzfrequenz wird somit von der Elektronik der Maschine unmittelbar erfasst oder mittelbar aus ein oder mehreren Eingangsparametern berechnet, vorzugsweise geschätzt.
Die ermittelte momentane Netzfrequenz wird gegen eine der Maschine bekannte Normfrequenz der Netzversorgung verglichen, um eine Abweichung der ermittelten momentanen Netzfrequenz von der Normfrequenz zu bestimmen. Unter Verwendung der Abweichung wird sodann ein Korrekturwert für die Anpassung der Soll-Antriebsfrequenz des elektrischen Antriebs der Maschine bestimmt. Die Soll-Antriebsfrequenz entspricht derjenigen Frequenz, mit der der interne Elektromotor der Maschine für die jeweilige Anwendung betrieben bzw. angeregt wird. Die Soll-Antriebsfrequenz wird durch eine maschineninterne Drehzahlregeiung bestimmt und durch den internen Umrichter der Maschine entsprechend erzeugt. Diese Soll-Antriebsfrequenz soll nunmehl in Abhängigkeit des zuvor bestimmten Frequenzkorrekturwertes angepasst werden.
Demzufolge wird also aktiv auf die Soll-Antriebsfrequenz bzw. Drehzahl des elektrischen Antriebs und demzufolge die Leistungsaufnahme der Maschine Einfluss genommen, sobald eine instabile Netzversorgung droht, d.h. die aktuelle Netzfrequenz von der eigentlichen Normfrequenz abweicht. Idealerweise wird die Soll-Antriebsfrequenz entsprechend erhöht, sofern die aktuelle Netzfrequenz die Normfrequenz übersteigt. Liegt die aktuelle Netzfrequenz im Gegensatz dazu unterhalb der Normfrequenz, kann dies zu einer Reduktion der Antriebs-Sollfrequenz führen.
Ein wesentlicher Erfindungsaspekt besteht nun darin, dass der Frequenzkorrekturwert durch eine dynamische Gewichtung der Abweichung ermittelt wird. Hierbei wird ein Gewichtungsfaktor k in Abhängigkeit wenigstens einer speziellen Prozessgröße der Maschine dynamisch, d.h. während des Maschinenbetriebs festgelegt Dies soll sicher- steilen, dass sich die Modifikation der Soll-Antriebsfrequenz und die damit bezweckte Netzstabilisierung möglichst wenig auf den eigentlichen Maschinenprozess auswirkt. Im Wesentlichen wird der Faktor k in Abhängigkeit einer Prozessgröße der Lastmaschine und/oder des betriebenen Prozesses eingestellt. Die Prozessgröße der Lastmaschine spiegelt die am Elektromotor anliegende Last wieder bzw. ist von dieser abhängig. Eine Prozessgröße des betriebenen Maschinenprozesses charakterisiert die zu verrichtende Arbeit der Maschine, es werden bspw. etwaige Prozessgrößen eines Gesamtsystems berücksichtigt, in dieses die Maschine als Teilkomponente eingebunden ist. Weitere mögliche Prozessgrößen sind bspw. die Temperatur, Antriebsgeschwindigkeit, etwaige Positionen, Abständen, usw.
Gemäß vorteilhafter Ausführung ist die Maschine eine Pumpe, insbesondere Kreiselpumpe. Weiterhin vorteilhaft ist die Verfahrensausführung bei Umwälzpumpen, insbesondere Heizungsumwälzpumpen. Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich im Wesentlichen auf Kreiselpumpen, sie gelten jedoch ohne Einschränkung auch für jede Maschine, die sich durch wenigstens einen umrichterbetriebenen elektrischen Antrieb auszeichnet. Wird das Verfahren zur Steuerung einer Kreiselpumpe eingesetzt, kann der Faktor k vorzugsweise in Abhängigkeit wenigstens einer der maßgeblichen Pumpenprozessgrö- ßen Pumpenmotorfrequenz, Pumpenleistung, Fördermenge, Förderhöhe, Medium- temperatur oder Energieeintrag dynamisch bestimmt werden. Die Prozessgröße Energieeintrag entspricht dem von der Pumpe geförderten Wärmestrom und ergäbt sich aus dem Produkt aus Fördermenge und Temperaturänderung des Fördermediums.
Vorteilhaft ist es, wenn der verwendete Faktor k in einem Bereich von 0 bis 3, vorzugsweise 0 bis 2 dynamisch festgelegt wird. Denkbar ist auch ein größerer Bereich, bspw. von 0 bis 10 oder 0 bis 50. Der Faktor k kann bspw. kontinuierliche Werte im definierten Wertebereich annehmen. Möglich sind jedoch auch diskrete Werte, bspw. zwei, drei oder mehrere Abstufungen in Abhängigkeit wenigstens einer Prozessgröße. Vorteilhafterwiese kann die obere Grenze (2, 3, 10, 50) um einen gewissen Toleranzbereich, bspw. um +/-10% variiert werden, um so einen zweckmäßigen Bereich für den höchsten Wert k zu erhalten (also bspw. 1 ,8 bis 2,2 bzw. 2,7 bis 3,3 bzw, 9 bis 11 bzw. 45 bis 55). Konkret könnte der Faktor k bei geringen Werten der Prozessgröße den höchsten (bspw. 2, 3, 10, 50) oder niedrigsten Wert (0) annehmen, so dass es zur maximal möglichen Korrektur oder zu keiner Korrektur der Soll-Frequenz kommt. Bei mittleren Werten nimmt der Wert k bspw. den Wert 1 an, so dass die Soll-Frequenz um den berechneten Frequenzkorrekturwert geändert wird. Bei hohen Werten der Prozessgröße kann der Faktor k ebenfalls den höchsten (bspw. 2, 3, 10 oder 50) bzw. den niedrigsten Wert einnehmen (0).
Generell ist es auch vorstellbar, den Faktor k durch eine mathematische Funktion zu definieren, die von der wenigstens einen Prozessgröße abhängt. Denkbar ist bspw. eine Linearfunktion, Quadratfunktion bzw. Parabelfunktion, Wurzelfunktion, Exponentialfunktion, wobei diese Aufzählung nicht abschließend ist.
Besonders zweckmäßig ist es bei einer Kreiselpumpe, bevorzugt Umwälzpumpe und insbesondere einer Heizungsumwälzpumpe, wenn der Faktor k in Abhängigkeit des aktuellen Förderstroms der Pumpe definiert wird. Hierbei erweist es sich als ideal, wenn der Faktor k mit zunehmendem Förderstrom der Pumpe reduziert wird.
Üblicherweise ist der Abstand zwischen der eingestellten Regelkurve einer Kreisel- pumpe, bevorzugt Umwälzpumpe, insbesondere Heizungsumwälzpumpe, und der An- lagenkennlinie, insbesondere der minimalen Anlagenkennlinie der Heizungsanlage, vorwiegend bei kleinen Fördermengen verhältnismäßig groß, d.h. die Regelkurve liegt mit ausreichend Abstand oberhalb der minimalen Anlagenkennlinie. Die minimale Anlagenkennlinie zeichnet sich durch den ger ingsten Rohrleitungswiderstand aus, den die Heizungsanlage im Betrieb annehmen kann. Dies ist bspw. bei vollständig geöffneten Heizungsventilen der Fall. In einem solchen Fall ist gerade bei geringer Fördermenge eine Drehzahländerung der Pumpe hinnehmbar, denn aufgrund des ausreichenden Kurvenabstandes ist eine Unterversorgung im Heizungssystem eher unwahrscheinlich. Demgegenüber ist die Gefahr, dass es durch gewisse Drehzahlvariation zu einer Unter- Versorgung kommt, bei großen Fördermengen ungleich höher, denn aufgrund des deutlich geringeren Kurvenabstandes kann die Regelkurve bei entsprechender Drehzahlab- senkung unter die minimale Anlagenkennlinie fallen. Vor diesem Hintergrund erweist es sich als ideal, wenn bei einem Heizungsumwälzprozess bei kleinen Fördermengen ein Korrekturfaktor k von >1 gewählt wird, während mit zunehmender Fördermenge der Faktor auf den Wert 1 reduziert wird.
Darüber hinaus ist es vorstellbar, dass die Steuerung der Maschine bzw. der Pumpe erkennt, wenn sie sich an ihrem Leistungslimit befindet. In solch einem Fall empfiehlt es sich, wenn die Maschine bzw. die Pumpe die Netzstabilisierung vollständig deaktiviert, insbesondere indem der Faktor k auf Null gesetzt wird, um die Gefahr eines Leistungsverlustes auszuschließen.
Ergänzend zur Fördermenge könnte in diesem Fall auch die gefahrene Regelstrategie der Kreiselpumpe, bevorzugt Umwälzpumpe, insbesondere Heizungsumwälzpumpe bei der Festlegung des Faktors k Berücksichtigung finden, denn je nach Regelkurve variiert der Abstand zur Anlagenkennlinie. Hierbei zeigt eine Konstantdruckregelung den größ- ten Abstand, während der Abstand mittels Proportionaldruckreglung oder gar Energiesparregelung weiter reduziert wird.
Die momentane Netzfrequenz kann die Steuerung der Maschine bspw. aus einem spezifischen Messparameter abschätzen, den die Maschine am Netzeingang abgreift.
Denkbar ist hier bspw. eine Ableitung der momentanen Netzfrequenz aus der gemessenen Eingangsspannung am Eingang des elektrischen Antriebs der Maschine.
Die Modifikation bzw. Anpassung der Soll-Antriebsfrequenz kann idealerweise durch Addition des Frequenzkorrekturwertes zur durch die interne Regelung bestimmten Soll- Antriebsfrequenz erfolgen.
Ferner ist es besonders vorteilhaft, keine Begrenzung der angepassten Soll-Antriebsfrequenz nach oben und/oder unten vorzusehen. Es wird demnach kein oberer und/oder unterer Grenzwert für die modifizierte Soll-Antriebsfrequenz vorgesehen, so dass diese theoretisch bei entsprechender Abweichung der momentanen Netzfrequenz nach unten und/oder oben offen ist Da in der Praxis üblicherweise nur von geringen Abweichungen der tatsächlichen Netzfrequenz von der Normfrequenz auszugehen ist, kann durch das Weglassen von derartigen Begrenzungen das Verfahren deutlich vereinfacht werden. Das Verhältnis zwischen Netzstabilisierungsfunktion und Maschinenfunktion wird stattdessen einzig über den Faktor k beeinflusst.
Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung zudem eine Maschine mit elektrischem umrichterbetriebenen Antrieb und einer Steuerung zur Ausführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung. Bevorzugt handelt es sich bei der Maschine um eine Kreiselpumpe, besonders bevorzugt um eine Umwälzpumpe, insbesondere um eine Heizungsumwälzpumpe. Selbstredend umfasst die Maschine daher wenigstens einen Elektroantrieb, insbesondere einen Asynchronmotor, permanent erregten Synchronmotor oder einen Synchronrcluktanzmotor, dessen Dreh- zahl mittels Frequenzumrichter variabel, insbesondere durch interne Drehzahlregelung einstellbar ist. Die Vorteile und Eigenschaften der erfindungsgemäßen Maschine ent- sprechen offensichtlich denen des erfindungsgemäßen Verfahrens, weshalb an dieser Stelle auf eine wiederholende Beschreibung verzichtet wird.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen anhand eines Ausführungsbei- spiels näher erläutert werden.
Konkret wird - ohne dass die Erfindung hierauf eingeschränkt wäre - ein Ausführungsbeispiel für eine Heizungsumwälzpumpe vorgeschlagen, deren interner elektrischer Pumpenantrieb durch die reguläre Netzwechselspannung mit der notwendigen Energie versorgt wird. Üblicherweise wird bei derartigen Pumpen die Wechseispannung eines Versorgungsnetzes angelegt, die mit einer Normfrequenz von 50 Hz bzw. 60 Hz arbei- ten.
Mittels ihrer internen Steuerungselektronik ermittelt die Umwälzpumpe einen Schätz- wert der momentanen Netzfrequenz. Dazu wird allein ein gemessenes Spannungs- signal der elektrischen Eingangsseite des Antriebs verwendet. Auf Basis dieses
Schätzwertes, nachfolgend als fschatz bezeichnet, wird dann die Frequenzabweichung fff wie folgt berechnet fff = f schätz— fti, wobei f« hier die Normfrequenz des Versorgungsnetzes darstellt. Die berechnete Abweichung fff wird dann herangezogen, um den notwendigen Korrekturwert fkorr für die Soll-Antriebsfrequenz f sonder internen Drehzahlregelung der Heizungsumwälzpumpe zu generieren. Die Korrekturfrequenz fkorr wird dabei über einen Faktor k aus der Frequenzabweichung ff bestimmt. Die nachfolgende Formel definiert die Rechnungsvor schrift für diesen Korrektu rf req uenzwert: fkorr - k * Öf. Dieser Korrekturfrequenzwert rwird dann zur aktuell angeforderten Soll-Antriebs- frequenz fs0n hinzu addiert. Der Elektroantrieb der Umwälzpumpe wird dann mit dieser neuen Frequenz fAntaeb bzw. der korrespondierenden Drehzahl betrieben. fAntrieb = fsoll + fkorr.
Dabei wird auf eine Begrenzung des Terms bewusst verzichtet. Dieser Wert kann also theoretisch beliebig groß werden. In der Praxis wird dieser Wert jedoch erwar tungsgemäß klein bleiben, da die Netzfrequenz immer nur wenig von der Netzfrequenz fw abweichen wird.
Die Erfindung sieht ferner eine dynamische Anpassung des Korrekturfaktor k vor, und zwar in der Art, dass sich die angestrebte Netzstabilisierung möglichst wenig auf den
Pumpenprozess selbst auswirkt. Dazu wird der Korrekturfaktor k zahlenmäßig im Bereich von 0 bis 2 {oder auch noch größer) in Abhängigkeit wenigstens einer Prozessgröße der Umwälzpumpe variiert.
Hierbei sind als mögliche Prozessgrößen die folgenden hervorzuheben:
Pumpmotorfrequenz,
Pumpenleistung,
Pumpfördermenge,
Pumpförderhöhe,
Pumpmedientemperatur,
Pumpenergieeintrag bzw. der von der Pumpe geförderte Wärmestrom (Q*öT).
Der Einfluss dieser Prozessgrößen auf den Faktor k wird exemplarisch anhand der Fördermenge Q mithilfe des Diagramms der einzigen Figur veranschaulicht. Die Figur zeigt den Betriebsbereich 1 einer Heizungsumwälzpumpe sowie deren Anlagenkennlinie 2 bei vollständig geöffneten Thermostatventilen. Eine solche Anlagenkenntinie 2 wird auch als minimale Anlagenkennlinie bezeichnet. Weiterhin eingezeichnet sind unterschiedliche Regeikurven für den Betrieb der Heizungsumwälzpumpe, d.h. die Drehzahl der Umwälzpumpe wird in Abhängigkeit unterschiedlicher Regelalgorithmen eingestellt. Hierbei steht die erste Regelkurve 3 für eine
Konstantdruckregelung und die Regelkurve 4 fui eine Proportionaldruckregelung. Die Regelkurve 5 steht für eine Pumpenregelung„eco-mode", bei der eine weitere bedarfsabhängige Drehzahlabsenkung zur Energieeinsparung vorgenommen wird.
Bei allen drei Betriebsarten gemäß den Regelkurven 3, 4, 5 ist jedoch der Abstand zwischen jeder der Regelkurven 3, 4, 5 und der minimalen Anlagenkennlinie 2 bei kleinen Förderströmen am größten und reduziert sich jeweils mit steigendem Förderstrom. Die Wahrscheinlichkeit einer Unterversorgung (wenn der Betriebspunkt der Pumpe unter die minimale Anlagenkennlinie 2 fällt) ist folglich bei niedrigem Förderstrom geringer als bei hohem Förderstrom. Demzufolge ist es bei einem Heizungsumwälzprozess sinnvoll, bei kleinen Fördermengen einen Korrekturfaktor k>1 zu wählen, während bei großen Fördermengen der Faktor k auf den Wert 1 reduziert wird
Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die damit einhergehende digitalisierte Funktion im Antrieb, insbesondere Pumpenantrieb, kann gezielt eine Netzstabilisierung bewirkt werden, wobei der Umfang der Netzstabilisierungsfunktion an den Kundenprozess des Verbrauchers dynamisch angepasst wird.

Claims

io Patentansprüche Steuerungsverfahren für Maschine mit umrichterbetriebenem elektrischem Antrieb
1. Verfahren zur Steuerung einer Maschine mit wenigstens einem umrichterbetriebe- nen elektrischen Antrieb, wobei durch die Maschine die momentane Netzfrequenz der Netzversorgung der Maschine ermittelt und eine Abweichung der ermittelten Netzfrequenz gegenüber einer Normfrequenz der Netzversorgung bestimmt wird, und wobei ein Frequenzkorrekturwert für die Anpassung der Soll-Antriebsfrequenz, mit der der Elektromotor der Maschine betrieben wird, durch Gewichtung der Abweichung mit einem Faktor k ermittelt wird, wobei der Faktor k in Abhängigkeit wemgs- tens einer Prozessgröße der Antriebslast und/oder des betriebenen Antriebsprozesses dynamisch festgelegt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch kennzeichnet, dass die Maschine eine Kreisel- pumpe, bevorzugt Umwälzpumpe, idealerweise eine Heizungsumwälzpumpe ist, und der Faktor k in Abhängigkeit wenigstens einer der Pumpenprozessgrößen Mo- torfrequenz, Pumpenleistung, Fördermenge, Förderhöhe, Mediumtemperatur oder Energieeintrag dynamisch festgelegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Faktor k in einem Bereich von 0 bis 50, bevorzugt 0 bis 10, besonders bevorzugt 0- 3, insbesondere 0 bis 2 oder gar 0 bis 1 festgelegt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Faktor k mit zunehmendem Förderstrom der Pumpe reduziert wird.
5 Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Faktor k bei kleinen Fördermengen einen Wert >1 annimmt und bei großen Fördermengen auf einen Wert gegen 1 oder gegen Null reduziert wird
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, daduich gekennzeichnet, dass die momentane Netzfrequenz der Netzversorgung aus einem Messparameter geschätzt wird, insbesondere anhand eines gemessenen Spannungssignals am Eingang des elektrischen Antriebs.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Antriebsfrequenz durch Addition des Frequenzkorrekturwertes angepasst wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass keine Wertbegrenzung der angepassten Soll-Antriebsfrequenz nach oben und/oder unten vorgesehen ist.
9. Maschine, bevorzugt Kreiselpumpe, besonders bevorzugt Umwälzpumpe, insbe- sondere Heizungsumwälzpumpe, mit einer Steuerung zur Ausführung des Verfah- rens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
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