EP4720520A1 - Verfahren zum betrieb einer mehrpumpenanlage mit wenigstens zwei hydraulisch parallel betreibbaren pumpen sowie mehrpumpenanlage - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Mehrpumpenanlage mit wenigstens zwei hydraulisch parallel betreibbaren Pumpen, die jeweils eine hydraulische Kreiselpumpe, einen elektrischen Antriebsmotor zum Antrieb der Kreiselpumpe und einen Umrichter umfassen, wobei die Pumpen in eine gemeinsame Druckleitung fördern und mit einer Soll-Drehzahl betrieben werden, und wobei in einer Steuerung wenigstens eine Abschaltkurve hinterlegt ist und die Steuerung konfiguriert ist, in Abhängigkeit der aktuellen Betriebspunktlage der Mehrpumpenanlage und der Abschaltkurve wenigstens eine der mindestens zwei parallel betriebenen Pumpen auszuschalten, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zuschalten einer inaktiven Pumpe erfolgt, wenn eine der aktuell aktiven Pumpen ihre Solldrehzahl nicht erreicht.

Description

Beschreibung

Verfahren zum Betrieb einer Mehrpumpenanlage mit wenigstens zwei hydraulisch parallel betreibbaren Pumpen sowie Mehrpumpenanlage

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Mehrpumpenanlage mit wenigstens zwei hydraulisch, parallel betreibbaren Pumpen, die jeweils eine hydraulische Kreiselpumpe, einen elektrischen Antriebsmotor zum Antrieb der Kreiselpumpe und einen Umrichter umfassen, wobei die Pumpen in eine gemeinsame Druckleitung fördern und mit einer Soll-Drehzahl betrieben werden, und wobei in einer Steuerung wenigstens eine Abschaltkurve hinterlegt ist und die Steuerung konfiguriert ist, in Abhängigkeit der aktuellen Betriebspunktlage der Mehrpumpenanlage und der Abschaltkurve wenigstens eine der mindestens zwei parallel betriebenen Pumpen auszuschalten.

Mehrpumpenanlagen werden insbesondere in Anlagen mit stark schwankendem Verbrauch und hohen Gesamtdrücken, wie zum Beispiel in Wasserwerken, eingesetzt. Die Mehrpumpenanlagen umfassen zwei oder mehr hydraulisch parallel verschaltete Pumpen, die in eine gemeinsame Druckleitung fördern. Die Anzahl der gleichzeitig aktiv betriebenen Pumpen wird bedarfsabhängig gewählt, wobei die Anlagen durch eine Steuerung zumeist in der Lage sind selbstständig und bedarfsgerecht ihre Pumpen zu- oder abschalten zu können.

Das Zuschalten einer weiteren Pumpe erfolgt in der Regel dann, wenn der Bedarf durch die aktuell aktiv betriebenen Pumpen nicht gedeckt werden kann. Sinkt der aktuelle Bedarf hingegen soweit ab, dass der Bedarf auch durch weniger als die aktuell aktiven Pumpen bereitgestellt werden könnte, so sollen nicht benötigte Pumpen ausgeschaltet werden.

Als ein mögliches Schaltkriterium wurden bisher sogenannte Schaltkurven definiert, die in der Regel von der charakteristischen Pumpenkennlinie abgeleitet werden. Die Pumpenkennlinie einer einzelnen Pumpe kennzeichnet das Verhältnis zwischen ihrem Förderstrom und ihrer erreichbaren Förderhöhe und begrenzt folglich ihren maximal möglichen Betriebsbereich, der unterhalb der Kennlinie im Q/H -Diagramm liegt. Wenn mehr als eine Pumpe aktiv läuft, dann werden die Förderstromwerte der einzelnen Pumpenkennlinien im einfachsten Fall addiert, um die Kurve bzw. den Betriebsbereich der n aktiven Pumpen zu erhalten. Figur 1 zeigt die resultierenden Betriebsbereiche einer Mehrpumpenanlage im Parallelbetrieb mit einer unterschiedlichen Anzahl an aktiven Pumpen. Die Kurve 3 definiert den Betriebsbereich einer einzelnen aktiven Pumpe, entspricht demzufolge ihrer charakteristischen Pumpenkennlinie. Als Pumpe wird nachfolgend ein System aus hydraulischer Kreiselpumpe, elektrischem Antriebsmotor und Umrichter verstanden. Die Kurve 4 beschriebt den Betriebsbereich bei zwei, parallel betriebenen Pumpen, die Kurve 5 den Betriebsbereich bei drei aktiven Pumpen und die Kurve 6 bei vier aktiven Pumpen.

Im Einfachsten Fall sind die Pumpen der Mehrpumpenanlage identisch und es wird von einer identischen Pumpenkennlinie für alle Pumpen ausgegangen, die in der Steuerung der Anlage fest hinterlegt ist. Die Kurven des Betriebsbereichs für n aktive Pumpen ergibt sich demnach durch Multiplikation der Durchflusswerte der Pumpenkennlinie mit der Anzahl n der aktiven Pumpen. Die Kurve 3 des Betriebsbereichs einer Pumpe kann dann zugleich die Abschaltkurve für den Betrieb mit zwei, gleichzeitig aktiven Pumpen verwendet werden. Liegt der aktuelle Anlagen-Betriebspunkt, d.h. das zugehörige För- derstrom/Förderhöhe-Wertepaar, innerhalb der Kurve 3 des Betriebsbereichs einer Pumpe, wird eine der aktiven Pumpen abgeschaltet. Für den Fall mit drei gleichzeitig laufenden Pumpen wird die Kurve 4 des Betriebsbereichs für zwei Pumpen als Ab- schaltkurve genutzt. Liegt das zugehörige Förderstrom/Förderhöhe-Wertepaar des aktuellen Anlagen-Be- triebspunkts im Betrieb mit n aktiven Pumpen stattdessen auf oder außerhalb der den Betriebsbereich der n aktiven Pumpen definierenden Kurve, muss eine weitere Pumpe hinzugeschaltet werden. Im Fall von zwei laufenden Pumpen würden eine weitere Pumpe aktiviert werden, wenn das aktuelle Förderstrom/Förderhöhe-Wertepaar auf der Kurve 4 oder stattdessen außerhalb des durch die Kurve 4 definierten Betriebsbereichs liegt. Der Betriebspunkt kann außerhalb des definierten Betriebsbereichs liegen, da die verwendeten Pumpenkennlinien/Abschaltkurven üblicherweise nicht den realen Kurven entsprechen.

Die Pumpenkennlinie einer Pumpe und damit die Kurven 3-6 des Betriebsbereichs sind in der Realität immer nur ungenau bekannt. Zwar kann die Pumpenkennlinie im Labor vom Hersteller bestimmt werden, allerdings gibt es aufgrund von Fertigungsstreuungen Unterschiede zwischen den einzelnen produzierten Pumpen. Außerdem können äußere Einflüsse wie Temperaturen den Betriebsbereich des Motors und dadurch den Betriebsbereich der Pumpe bestehend aus hydraulischer Pumpe, Motor und Umrichter verändern. Daher wird nicht die im Labor gemessene Kurve des Betriebsbereichs in der Steuerung als Kurve hinterlegt, sondern eine deutlich verengte Kurve. Durch diesen zusätzlichen Sicherheitskorridor wird sichergestellt, dass auch in dem ungünstigsten Szenario die Pumpen nicht zu früh abschalten und immer eine ausreichende Versorgung sichergestellt ist. Dies führt dazu, dass im Übergangsbereich teilweise mehr Pumpen operieren als es für den aktuellen Bedarf eigentlich erforderlich wäre, dies jedoch unter Inkaufnahme eines erhöhten Energieverbrauchs.

Es wird daher nach einer weiterentwickelten Lösung gesucht, um eine optimierte Zu- und Abschaltung der Pumpen zu erreichen, wodurch im Resultat ein reduzierter Energieverbrauch erzielt werden soll.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, das Zuschalten nicht in Abhängigkeit einer hinterlegten Schaltkurve vorzunehmen, sondern stattdessen davon abhängig zu machen, ob eine der aktuell aktiven Pumpen ihre vorgegebene Solldrehzahl nicht erreicht. Als Pumpe wird nachfolgend ein System bestehend aus einer hydraulischen Kreiselpumpe, einem die Kreiselpumpe antreibenden Elektromotor und einem den Elektromotor speisenden Umrichter verstanden. Dabei braucht es sich bei den Pumpen nicht jeweils um ein einzelnes Produkt zu handeln, bei dem die Komponenten Kreiselpumpe, Antriebsmotor und Umrichter fest verbaut sind. Es kann auch vorgesehen sein, dass die drei Komponenten einzeln, als separate Bauteile ausgebildet sind und zur Realisierung einer Pumpenfunktion mit variabler Drehzahlanpassung Zusammenwirken, bspw. indem sie erst am Verwendungsort zu einer Pumpe zusammengebaut bzw. miteinander für den Betrieb verbunden werden.

Erreicht eine der aktiven Pumpen ihre Solldrehzahl nicht, so ist dies ein Hinweis darauf, dass die Pumpe an ihrer Stromgrenze operiert und die zur Aufrechterhaltung der Versorgung notwendige Drehzahl nicht mehr bereitstellen kann. Diese Situation wird durch die Steuerung der Anlage selbstständig erkannt und es wird wenigstens eine weitere Pumpe hinzugeschaltet. Anders als im Stand der Technik vorgeschlagen, wird durch die Erfindung damit erst zu einem späteren Zeitpunkt eine weitere Pumpe hinzugeschaltet, und zwar erst dann, wenn der aktuelle Verbrauch durch die Anzahl der aktiven Pumpen nicht sichergestellt werden kann. Durch die Vermeidung eines zu frühen Hinzuschaltens einer weiteren Pumpe lässt sich der real erzielbare Betriebsbereich der aktiven Pumpen besser ausnutzen, sodass insgesamt eine Energieersparnis erzielt werden kann und die Effizienz der Anlage steigt. Erst wenn eine der Pumpen ihre Solldrehzahl nicht mehr erreicht, ist davon auszugehen, dass der aktuelle Bedarf nicht durch die Anzahl aktiver Pumpen gedeckt werden kann, sodass die Aktivierung wenigstens einer weiteren Pumpe zwingend erforderlich ist.

Vorzugsweise handelt es sich bei der hinterlegten Abschaltkurve um eine Q/H-Kurve, d.h. um eine Kurve, die den möglichen Betriebsbereich von n aktiven Pumpen kennzeichnet. Idealerweise wird die hinterlegte Abschaltkurve zunächst unter Berücksichtigung der in der Steuerung hinterlegten Pumpenkennlinie im Q/H-Diagramm bestimmt. Wenn mehr als eine Pumpe aktiv läuft, dann werden die Förderstromwerte der einzelnen Pumpenkennlinien addiert, um die Kurve bzw. den Betriebsbereich der n aktiven Pumpen zu erhalten. D.h. es wird nur der Vektor mit den Durchflusswerten bzw. Durchflussstützstellen der Kurve addiert, die Förderhöhe bleiben gleich. Im einfachsten Fall sind die Pumpen der Mehrpumpenanlage identisch und es wird von einer identischen Pumpenkennlinie für alle Pumpen ausgegangen, die in der Steuerung der Anlage fest hinterlegt ist. Die Kurven des Betriebsbereichs für n aktive Pumpen ergibt sich demnach durch Multiplikation der Durchflusswerte der Pumpenkennlinie mit der Anzahl n der aktiven Pumpen. Die Abschaltkurve für n aktive Pumpen der Kurve entspricht dabei dem Betriebsbereich von n-1 aktiven Pumpen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird jedoch nicht die vorgenannte, hinterlegte bzw. auf Grundlage der hinterlegten Pumpenkennlinie bestimmte Abschaltkurve als Abschaltkriterium unmittelbar herangezogen, sondern die Erfindung sieht bevorzugt eine Optimierung dieser Abschaltkurve vor. Insbesondere wird der aktuelle Betriebspunkt zum Zeitpunkt des Zuschaltens einer weiteren Pumpe, das heißt der Betriebspunkt in diesem wenigstens eine der aktiven Pumpen ihre Solldrehzahl nicht erreicht, in der Steuerung gespeichert und nachfolgend zur Optimierung der für die jetzt aktiven Pumpen geltenden Abschaltkurve herangezogen.

Wie bereits anhand des Standes der Technik aufgezeigt wurde, entsprechen die in der Steuerung hinterlegten Abschaltkurven nicht dem tatsächlich möglichen Betriebsbereich einer Pumpe, sondern sind stattdessen um einen entsprechenden Sicherheitskorridor verengt. Durch die erfindungsgemäße Ermittlung des Zuschaltpunktes kann die zugehörige Abschaltkurve wieder näher an den realen Betriebsbereich angenähert und damit optimiert werden, so dass ein früheres Abschalten einer Pumpe für den Fall, dass der Bedarf auch durch weniger Pumpen gedeckt werden kann, erreicht werden kann. Dadurch lässt sich insgesamt eine Energieeinsparung erreichen.

Beispielsweise kann die optimierte Abschaltkurve anhand des gespeicherten Betriebspunktes zum Zeitpunkt des Zuschaltens und der hinterlegten bzw. auf Grundlage der in der Steuerung hinterlegten Pumpenkennlinie bestimmten Abschaltkurve für die Anzahl an aktiven Pumpen berechnet werden. Eine solche Berechnung umfasst vorzugsweise eine Transformation der Abschaltkurve in eine lineare Darstellung. Wird als Abschaltkurve beispielsweise der im Q/H -Diagramm angegebene Betriebsbereich der Pumpe bzw. der Pumpen verwendet, so ist klar, dass zwischen den jeweiligen Parametern kein linearer Zusammenhang besteht, was die Optimierung erschwert, da durch den Abstand des ermittelten Zuschaltpunktes zum entsprechenden Kurvenpunkt keine Schlussfolgerung auf die übrigen Kurvenpunkte getroffen werden kann. Durch eine Transformation in eine lineare Darstellung ist es jedoch möglich, die Kurve insgesamt parallel zu verschieben, sodass eine optimierte Abschaltkurve für alle erdenklichen Betriebspunkte bestimmt werden kann.

Beispielsweise erfolgt eine Parallelverschiebung der linearen Kurvendarstellung soweit, dass diese durch den Betriebspunkt des Zuschaltpunktes verläuft.

Die vorgenannte Transformation der Abschaltkurve kann unter Ausnutzung der Affinitätsgesetze erfolgen, insbesondere in Kombination mit ein oder mehreren hinterlegten weiteren pumpenspezifischen Kurven. Derartige charakteristische Pumpenkennlinien können beispielsweise den Zusammenhang zwischen Förderstrom und mechanischer Leistung oder sonstiger Parameter umfassen.

Denkbar ist es beispielsweise, dass es sich bei der hinterlegten Abschaltkurve um eine Q / H-Darstellung handelt und per Transformation diese Kurve in ein Drehzahl-/ Drehmomentdiagramm übergeführt wird. Der Zusammenhang zwischen Drehmoment und elektrischem Wicklungsstrom ist linear. Dadurch kann die Drehmomentgrenze parallel zur Stromgrenze (die konstant ist) verschoben werden, sodass die Kurve in der Drehzahl- / Drehmomentdarstellung verschoben werden kann. Der gespeicherte Betriebspunkt stellt ein Wertepaar zwischen Förderstrom und Förderhöhe dar. Das korrespondierende Wertepaar im Drehzahl- / Drehmomentbereich liegt entweder ohnehin vor oder wird zunächst per Transformation bestimmt. Der Abstand des Drehzahl / Drehmoment Wertepaars zum korrespondierenden Kurvenpunkt, d.h. die Differenz zwischen dem Drehmomentwert des gespeicherten Betriebspunktes und dem korrespondierenden Kurvenwert, bestimmt den Umfang der Parallelverschiebung der gesamten Kurve. Mit anderen Worten, der ermittelte Differenzwert wird auf sämtliche Drehmomentwerte der transformierten Kurve aufgeschlagen.

Nach anschließender Rücktransformation in die originäre Darstellung, insbesondere die Q/H-Darstellung, erhält man die optimierte Abschaltkurve, die dann als Abschaltkriterium für den Parallelbetrieb mehrerer aktiver Pumpen herangezogen wird. Liegt der aktuelle Betriebspunkt innerhalb des durch die optimierte Abschaltkurve definierten Betriebsbereichs, so wird wenigstens eine der aktiven Pumpen abgeschaltet. Durch diese Maßnahme kann eine rechtzeitige Abschaltung einer aktiven Pumpe erreicht werden, für den Fall, dass der aktuelle Bedarf auch von weniger aktiven Pumpen gedeckt werden kann. Insgesamt wird dadurch eine erhebliche Energieeinsparung erzielt.

Alternativ kann in der Steuerung bereits eine Abschaltkurve in Drehzahl / Drehmomentdarstellung hinterlegt sein. In diesem Fall entfällt die notwendige Transformation der Kurvendarstellung und die bereits hinterlegte Kurve wird soweit verschoben, bis diese durch den gespeicherten Betriebspunkt des Zuschaltzeitpunktes verläuft. Die zugehörigen Drehzahl- / Drehmomentwerte des gespeicherten Betriebspunkts liegen entweder bereits in der Motorregelung vor oder werden auf Grundlage anderer Parameter umgerechnet bzw. geschätzt. Die Überwachung, ob eine Pumpe abgeschaltet werden kann, erfolgt dann bevorzugt unmittelbar in der Drehzahl / Drehmomentdarstellung.

Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung ebenso eine Mehrpumpenanlage mit wenigstens zwei hydraulisch parallel schaltbaren Pumpen. Die Pumpen umfassen jeweil eine hydraulische Kreiselpumpe, einen elektrischen Antriebsmotor zum Antrieb der Kreiselpumpe und einen der Pumpe zugeordneten Umrichter, wobei die Pumpen in eine gemeinsame Druckleitung fördern. Eine Steuerung der Anlage ist konfiguriert zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Für die Mehrpumpenanlage ergeben sich demzufolge dieselben Vorteile und Eigenschaften, wie bereits vorstehend anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgezeigt wurde. Auf eine wiederholende Beschreibung wird aus diesem Grund verzichtet. Dabei braucht es sich bei den Pumpen nicht jeweils um ein einzelnes Produkt zu handeln, bei dem die Komponenten Kreiselpumpe, Antriebsmotor und Umrichter fest verbaut sind. Es kann auch vorgesehen sein, dass die drei Komponenten einzeln, als separate Bauteile ausgebildet sind und zur Realisierung einer Pumpenfunktion mit variabler Drehzahlanpassung Zusammenwirken, bspw. indem sie erst am Verwendungsort zu einer Pumpe zusammengebaut bzw. miteinander für den Betrieb verbunden werden. Die Steuerung kann als zentrale Steuerung für die Pumpen ausgestaltet sein. Denkbar ist es auch, dass Einzelsteuerungen der Pumpen miteinander zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens interagieren,

Darüber hinaus betrifft die Erfindung ebenso eine Steuerung für eine Mehrpumpenanlage bestehend aus wenigstens zwei hydraulisch parallel betreibbaren Pumpen. Die Pumpen der Anlage umfassen jeweils eine hydraulische Kreiselpumpe, einen elektrischen Antriebsmotor zum Antrieb der Kreiselpumpe und einen der Pumpe zugeordneten Umrichter, wobei die Pumpen in eine gemeinsame Druckleitung fördern. Die Steuerung ist konfiguriert zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen nachfolgend anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1 : unterschiedliche Betriebsbereiche bzw. Abschaltkurven für den Betrieb von 1 - 4 Pumpen der Mehrpumpenanlage,

Figur 2: eine Q/H Darstellung des Betriebsbereichs einer aktiven Pumpe und sowie die optimierte Abschaltkurve für den Betrieb mit zwei aktiven Pumpen,

Figur 3: eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Optimierung der Abschaltkurve.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels für eine Mehrpumpenanlage beschrieben. Die Anlage besteht aus n Pumpen, die hydraulisch parallel an- geordnet sind. Als Pumpe wird ein System bestehend aus einer hydraulischen Kreiselpumpe, einem elektrischen Antriebsaggregat sowie einem Umrichter verstanden. Bei den Pumpen muss es sich nicht zwingend um ein einzelnes Produkt handeln, in dem die Komponenten Umrichter, Motor und Kreiselpumpe fest verbaut sind. Es kann auch sein, dass die drei Komponenten separate Bausteine darstellen, die am Verwendungsort installiert werden und miteinander interagieren.

Die n Pumpen der Anlage sollen durch die Steuerung bedarfsgerecht zu- oder abgeschaltet werden, so dass nur so viele Pumpen parallel laufen, wie es für den aktuellen Bedarf erforderlich ist. Beim Zuschalten der Pumpen werden diese mit einer spezifischen Soll- Drehzahl betrieben, wobei die Soll-Drehzahl in der Regel zumindest initial für alle aktiven Pumpen identisch gewählt wird. Die Soll-Drehzahl kann über einen Geber erfasst oder aber mittelbar aus elektrischen oder sonstigen Messgrößen abgeleitet werden.

Im beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die n Pumpen der Mehrpumpenanlage identischer Bauart. Für wenigstens eine der Pumpen wurde herstellerseitig die charakteristische Pumpenkennlinie (Q/H-Diagramm) bestimmt und in der Steuerung hinterlegt. Wie dies bereits im einleitenden Teil unter Verweis auf Figur 1 beschrieben wurde, können, in Abhängigkeit der Anzahl aktiver Pumpen die Kurven 3-6 zur Begrenzung des Betriebsbereichs bestimmt werden. Nachfolgend auch als nicht optimierte Abschaltkurven bezeichnet. Anders als im Stand der Technik werden diese Kurven jedoch nicht ohne Modifikation als Abschaltkurven verwendet, sondern stattdessen im Rahmen einer Prozedur optimiert.

Zum einen ist die Steuerung derart konfiguriert, dass eine Entscheidung, ob im laufenden Betrieb der Anlage noch eine weitere Pumpe zugeschaltet werden soll, nicht unter Berücksichtigung der Kurven 3-6 erfolgt, sondern stattdessen davon abhängig gemacht wird, ob die aktiven Pumpen ihre vorgegebenen Soll-Drehzahlen tatsächlich erreichen. Mit dieser gewonnenen Information des Zuschaltpunktes lässt sich dann der tatsächlich mögliche Betriebsbereich der Pumpen bestimmen, um die jeweilige Abschaltkurve 3-6 zu optimieren. Zur detaillierten Beschreibung wird Figur 2 betrachtet. Der Einfachheit halber wird das Verfahren anhand von zwei Pumpen beschrieben. Es ist aber auf beliebig viele Pumpen anwendbar. Die Figur zeigt die hinterlegte Abschaltkurve 3 (Betriebsbereich), die der Pumpenkennlinie einer einzelnen Pumpe entspricht. Im Betriebspunkt 7 wurde seitens der Steuerung festgestellt, dass die Pumpen ihre Soll- Drehzahl nicht erreicht und die zweite Pumpe wurde zugeschaltet. Dieser tatsächlich aufgetretene Betriebspunkt 7 wird gespeichert und dient zur Berechnung einer optimierten Abschaltkurve 8, die erkennbar nach rechts verschoben durch den Zuschaltpunkt 7 verläuft.

Das Verfahren setzt sich also aus zwei Schritten zusammen. Zuschalten, wenn die Solldrehzahl nicht erreicht wird. Dieser Betriebspunkt mit dem Wertepaar Förderstrom / Förderhöhe wird gespeichert (Schritt 1 ). Schritt 2 umfasst dann das Berechnen der optimalen Abschaltkurve. Hierfür ist zunächst das Verständnis wichtig, warum der Betriebsbereich begrenzt ist. Diese Begrenzung ist letztlich auf eine Begrenzung des das Drehmoment bildenden Stroms des Motors (im folgenden Stromgrenze genannt) zurückzuführen. Diese Stromgrenze ist ein motorspezifischer Parameter und nicht veränderbar. Der das Drehmoment bildende Strom ist proportional zum Drehmoment, sodass es sich praktisch um eine Drehmomentgrenze handelt.

Aufgrund von Schritt 1 liegen der Steuerung zur Berechnung der optimalen Abschaltkurve nun folgende Informationen vor. Nichtoptimierte Q / H - Kurve 3, die in der Steuerung hinterlegt ist (Figur 2) sowie der tatsächliche Zuschaltpunkt 7 (Figur 2). Da die hinterlegte Abschaltkurve 3 bewusst verengt wurde, wird der tatsächliche Zuschaltpunkt, wie in der Figur 2 gezeigt, außerhalb der hinterlegten Kurve 3 liegen.

Figur 3 a zeigt exemplarisch die Stützstellen 3a der hinterlegte Q/H-Kurve 3 sowie das Q/H-Wertepaar für den Zuschaltpunkt 7. Diese Darstellung transformiert die Steuerung nun in eine Drehzahl / Drehmoment Darstellung (Figur 3 b) mit den resultierenden Stützstellen 9 einer solchen Kurvendarstellung. Die Umrechnung erfolgt anhand der Affinitätsgesetze sowie anhand von hinterlegten pumpenspezifischen Kurven. Auch der Zuschaltpunkt 7 wird in die Drehzahl / Drehmoment-Darstellung transformiert und entspricht nun einem Drehzahl-/ Drehmoment-Wertepaar 7a. Alternativ kann das Drehzahl-/ Drehmomentpaar 7a bereits in der Steuerung vorliegen, da die Drehzahl ohnehin in der Steuerung ermittelt und im jeweiligen Zuschaltpunkt vorliegt.

Vielmehr kann es in der Praxis so sein, dass die Anlage keine gesonderten Geber zur Erfassung des Förderstroms bzw. der Förderhöhe besitzen und diese Werte stattdessen mittels einer Betriebspunktschätzung berechnet werden.

Da die Begrenzung des Betriebsbereichs maßgeblich von der Stromgrenze (und somit von der Drehmomentgrenze) abhängt, kann angenommen werden, dass der eine gefundene Zuschaltpunkt 7 repräsentativ für alle anderen Punkte entlang der Abschaltkurve 3 gilt. Das in Figur 3b dargestellte Differenzmoment AM entspricht der Differenz zwischen dem im Zuschaltpunkt 7 erfassten Drehmoment (transformierter Zuschaltpunkt 7a) und dem Drehmomentwert bei der entsprechenden Drehzahl in den Stützstellen 9 der Drehzahl / Drehmomentkurve. Folglich kann die gesamte Kurve 9 um AM verschoben werden

Schließlich werden die Drehzahl / Drehmoment - Stützstellen 9 wieder zurück zur Durchfluss / Förderstrom Darstellung transformiert, wodurch die neue Abschaltkurve 8 mit den Stützstellen 8 erhalten wird (Figur 3 c). Durch die Parallelverschiebung um den Wert AM verläuft die optimierte Abschaltkurve nun durch den Zuschaltpunkt 7.

Grundsätzlich ist es vorstellbar, dass anstelle von Q/H-Kurven nur mit Drehzahl / Drehmomentkurven für die Abschaltung gearbeitet wird. In diesem Fall könnte auch auf eine Transformation bzw. Rücktransformation der Kurven verzichtet werden.

Vorstehend wurde bereits erwähnt, dass die Förderhöhe und der Förderstrom in einer Ausführung der Erfindung durch die Steuerung per Betriebspunktschätzung geschätzt werden. Dies soll vorsorglich nachfolgend erläutert werden.

Damit die Steuerung der Pumpe die Drehzahl bedarfsgerecht einstellen kann, benötigt sie das Wissen über den aktuellen Betriebspunkt (Förderstrom Q und Förderhöhe /-/). Aus Kostengründen sind in der Regel kein Durchflusssensor und u.U. auch kein Druck- sensor vorhanden. Stattdessen schätzt die Pumpensteuerung den aktuellen Betriebspunkt anhand des Motordrehmoments und der Motordrehzahl, die entweder von der Motorregelung direkt bereitgestellt werden oder aus den von der Motorregelung bereitgestellten Größen ableitbar sind.

Aus dem Drehmoment lässt sich die mechanische Leistung gemäß (Gl. 1 ) bestimmen:

P = 2* pi *M *n (Gl. 1 )

Beide Daten liefern ein mathematisches Modell des Motors, welches redundant zur Pumpe auf dem Prozessor mitläuft. Die Betriebspunktschätzung erfolgt anhand der Affinitätsgesetze, anhand von in der Steuerung hinterlegten Kennlinien (Zusammenhang von mechanischer Leistung und Förderstrom sowie Förderhöhe und Förderstrom bei Nenndrehzahl) sowie einer Korrektur mechanischer Leistungsverluste. Die Affinitätsgesetze sind in der Literatur allgemein bekannt und besagen, dass sich Leistung, Förderstrom und Förderhöhe bei einer Änderung der Drehzahl wie folgt verhalten:

Die Eingangsgrößen für die Betriebspunktschätzung sind bspw. die von der Motorege- lung bereitgestellten Werte für die Drehzahl und die mechanische Leistung (Drehmoment). Nach Abzug der mechanischen Verluste von der Motorleistung ist die Anwendung der Affinitätsgesetze möglich, um im Ergebnis die geschätzten Werte für die Förderhöhe und den Förderstrom zu erhalten. Die Berechnung kann in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden, um bspw. die Transformation der hinterlegten Abschaltkurve in die lineare Drehzahl / Drehmoment-Darstellung auszuführen.

Claims

Patentansprüche Verfahren zum Betrieb einer Mehrpumpenanlage mit wenigstens zwei hydraulisch parallel betreibbaren Pumpen sowie Mehrpumpenanlage

1. Verfahren zum Betrieb einer Mehrpumpenanlage mit wenigstens zwei hydraulisch parallel betreibbaren Pumpen, die jeweils eine hydraulische Kreiselpumpe, einen elektrischen Antriebsmotor zum Antrieb der Kreiselpumpe und einen Umrichter umfassen, wobei die Pumpen in eine gemeinsame Druckleitung fördern und mit einer Soll-Drehzahl betrieben werden, und wobei in einer Steuerung wenigstens eine Abschaltkurve hinterlegt ist und die Steuerung konfiguriert ist, in Abhängigkeit der aktuellen Betriebspunktlage der Mehrpumpenanlage und der Abschaltkurve wenigstens eine der mindestens zwei parallel betriebenen Pumpen auszuschalten, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zuschalten einer inaktiven Pumpe erfolgt, wenn eine der aktuell aktiven Pumpen ihre Solldrehzahl nicht erreicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Ab- schaltkurve um eine Q/H-Kennlinie handelt, die die Oberbegrenze des möglichen Betriebsbereichs für n Pumpen definiert.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschaltkurve für n aktive Pumpen der Kurve des Betriebsbereichs von n-1 aktiven Pumpen entspricht.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Abschaltkriterium für wenigstens eine Pumpe eine optimierte Abschaltkurve (8) verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle Betriebspunkt zum Zeitpunkt des Zuschaltens einer weiteren Pumpe gespeichert und für die Optimierung der hinterlegten Abschaltkurve verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die optimierte Ab- schaltkurve (8) anhand des gespeicherten Betriebspunktes (7) zum Zeitpunkt des Zuschaltens und der hinterlegten Abschaltkurve (3-6) berechnet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung eine Transformation der Abschaltkurve in eine transformierte Kurvendarstellung umfasst, um eine Parallelverschiebung der transformierten Abschaltkurve in Abhängigkeit des gespeicherten Betriebspunktes auszuführen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformation unter Ausnutzung der Affinitätsgesetze, vorzugsweise in Verbindung mit ein oder mehrerer hinterlegter pumpenspezifischer Kurven, erfolgt.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die transformierte Darstellung der Abschaltkurve eine Dreh- zahl/Drehmoment-Darstellung ist.

10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die transformierte Abschaltkurve parallelverschoben wird, so dass die verschobene Abschaltkurve durch den gespeicherten Betriebspunkt verläuft.

11 . Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optimierte Abschaltkurve (8) durch Rücktransformation der parallelverschobenen linearen Kurvendarstellung in die ursprüngliche Darstellung erhalten wird.

12. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschaltkurve in einer Drehzahl- / Drehmomentdarstellung in der Steuerung hinterlegt ist und zur Optimierung der Abschaltkurve diese soweit parallelverschoben wird, bis die verschobene Abschaltkurve durch den gespeicherten Betriebspunkt verläuft.

13. Mehrpumpenanlage mit wenigstens zwei hydraulisch parallel betreibbaren Pumpen bestehend aus jeweils einer hydraulischen Kreiselpumpe, einem elektrischen Antriebsmotor zum Antrieb der Kreiselpumpe und einem Umrichter, wobei die Pumpen in eine gemeinsame Druckleitung fördern, sowie mit einer Steuerung konfiguriert zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche.

14. Steuerung zur Ansteuerung einer Mehrpumpenanlage mit wenigstens zwei hyd- raulisch parallel betreibbaren Pumpen bestehend aus jeweils einer hydraulischen

Kreiselpumpe, einem elektrischen Antriebsmotor zum Antrieb der Kreiselpumpe und einem Umrichter, wobei die Pumpen in eine gemeinsame Druckleitung fördern, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung konfiguriert ist zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12.