FI113490B - Keskipakopumpun käyttömenetelmä - Google Patents

Description

113490

Keskipakopumpun käyttömenetelmä - Förfarande för användning av en cent-rifugalpump

Keksinnössä on kyse eri taajuuksilla toimivan sähkömoottorin käyttämän keskipa-5 kopumpun käyttömenetelmästä, jossa liian pieni virtaus pumpun läpi todetaan tarkkailemalla sähköisiä suureita.

Tällainen menetelmä kuvataan EP 0 696 842 Al:ssä. Kyseisessä menetelmässä tarkkaillaan normaalia taajuus-jännitesuhdetta. Kun havaitaan, että virran arvo on pienempi kuin normaalilta taajuus-jännitesuhteelta odotetaan, päätellään, että pumppu 10 toimii ilman kuormitusta. Tällöin vaihtosuuntaaja kytketään pois päältä ja moottori sammuu.

Tällaisen pumpun sähkömoottori jäähdytetään myös yleensä pumpattavalla nesteellä. Tästä johtuen edellytetään turvatoimia pumpun vahingoittumisen estämiseksi, kun virtausta ei ole. Tällainen tilanne saattaa syntyä esimerkiksi silloin, kun tulo-15 putki tukkeutuu tai siinä oleva venttiili sulkeutuu vahingossa. Tällöin putkessa oleva neste lämpenee mahdollisesti jopa kiehumispisteeseen, ja pumppu tai sen osat ja viereiset putket voivat rikkoutua lämmön tai paineen vaikutuksesta.

Putkissa tai säiliöissä on usein antureita, jotka ilmaisevat, onko nestettä tarpeeksi. Tällaiset anturit toimivat optisesti tai ovat mekaanisia uimureita, mutta joka tapauk-20 sessa ne menevät herkästi epäkuntoon ja vaativat kunnossapitoa.

Tunnetussa tapauksessa käytettiin tästä syystä virtaa sähköisenä suureena sellaisen tilanteen havaitsemiseksi, jossa nestevirtausta ei ole. Ohjaus tai valvonta täyttää tehtävänsä, mutta vain kapeasti rajatuissa toiminnoissa.

Tämän keksinnön tarkoituksena on havaita yksinkertaisella tavalla virtauksen puut-25 tuminen.

Ongelma ratkaistaan alussa kuvatun tyyppisellä menetelmällä, jossa todetaan sähkövirta ja verrataan sitä moottorin taajuuden funktiona määritettävään ohjaussuu-reeseen.

Tämä menetelmä ei ole riippuvainen kiinteästä kynnys- tai raja-arvosta, josta poik-30 keaminen käynnistää pumpun moottorin pysäyttämiseen johtavat toimet. Sen sijaan kynnysarvo muuttuu moottorin toimintataajuuden mukaan. Tällä tavoin virtauksen olemassaolo tai puuttuminen on mahdollista havaita paljon tarkemmin riippumatta 2 1 13490 siitä, toimiiko moottori nimellistoiminta-alueella vai poikkeaako pyörimisnopeus tästä. Menetelmä sopii näin ollen erityisesti sellaisiin keskipakopumppuihin, joiden pyörimisnopeusalue on laaja, esimerkiksi pumppausmäärän säätelyä varten, kuten DE 199 31 961 Al:ssä kuvataan. Keksintö perustuu siihen tosiasiaan, että keskipa-5 kopumpun tehonkulutus alenee virtauksen laskiessa. Kun nämä ominaisuudet kuvataan moottorin taajuuden kanssa teho-virtauskaavion parametrina, saadaan selkeä yhteys virtauksen ja tehon välille suhteellisen pienten virtausmäärien alueella.

Ohjaussuure todetaan mielellään ennalta määrätyllä vertailutaajuudella esiintyvän vertailutehon avulla. Ennalta määrätty vertailutaajuus voidaan ottaa esimerkiksi 10 pumpun teknisestä erittelystä. Teknisessä erittelyssä näkyy tavallisesti tietyllä vertailutaajuudella kulutettava teho, jolla pumppu toimisi ilman virtaustakin. Jos todellinen moottorin taajuus kuitenkin poikkeaa vertailutaajuudesta, sähkömoottorin virtaa ei voi verrata suoraan viitearvoon. Sen vuoksi vertailuteho muunnetaan todellisen taajuuden ja vertailutaajuuden funktioksi, jolloin saadaan vastaava, vertailussa 15 käytettävä ohjaussuure.

Ohjaussuureessa huomioidaan mielellään tuote, ja yksi tekijä on käyttäjän määritettävissä. Tällöin lukemaan vaikuttaa se, että eri käyttäjät edellyttävät erilaista lähestymistapaa kriittisissä tilanteissa. Korkeita turvavaatimuksia edellyttävät käyttäjät valitsevat korkeamman kertoimen. Tässä tapauksessa vika ilmaistaan ja/tai vikatoi-20 menpiteet käynnistetään ja moottori pysäytetään, vaikka virtausta olisi vielä jonkin verran. Sellaiset käyttäjät, jotka hyväksyvät suuremman riskin, voivat toimia lähellä moottorin kuormitusrajaa ja pysäyttää moottorin itse asiassa vasta, kun virtausta ei ole lainkaan. Valinnan vapauden takaa yksinkertaisesti tämän kertoimen käyttäminen.

25 Erityisesti suositellaan yhtä suuremman tehokertoimen valintaa. Silloin oletetaan, että todellinen teho ei voi olla periaatteessa pienempi kuin moottorin pienin teoreettinen teho. Näin ollen ohjaussuureen määrittäminen aina yhtä suuremman tehokertoimen avulla mahdollistaa sen, että pysytään aina turvallisissa lukemissa ja vältetään mahdolliset käyttäjän tekemät virheet.

30 Edullisessa toteutusmuodossa tehdään vähintään kaksi moottorin tehon mittausta eri taajuuksilla ja ilman keskipakopumpun läpi kulkevaa virtausta, ja ohjaussuureen perusta määritetään tästä. Tähän lähestymistapaan ei vaikuta edes moottorin nimellis-tehon tietäminen nimellistaajuudella. Päinvastoin tällä tavoin on mahdollista ottaa huomioon muut häviöt, esimerkiksi sellaiset, joita voi ilmetä sähkömoottorille eri 35 taajuuksilla jännitettä syöttävässä muuntimessa.

3 113490 Tässä tapauksessa suositellaan erityisesti käyttämään määrityksen pohjana seuraa-vaa kaavaa: (f y

Gf,~Gf, 7 G =--A. 1

fa (f V

1- ^ jossa Gfix on kiinteä tehonhäviö 5 f! on ensimmäinen taajuus f2 on toinen taajuus

Gfl on moottorin sähköteho taajuudella fi Go on moottorin sähköteho taajuudella f2.

Tässä lähestymistavassa otetaan huomioon sellaisten ilmiöiden sähköteho, joille ei 10 löydy selitystä suoraan pumpun toimitustehosta. Ohjaussuure voidaan määrittää paljon tarkemmin, kun käytetään tämäntyyppisiä tehoarvoja.

Ohjaussuure määritetään edullisesti seuraavan kaavan mukaan: f f λ3

G,= (ο,-gJx i +G„ XF

) jossa fx on todellinen taajuus 15 Gx on ohjaussuure : t F on kerroin ! “ ja muut suureet ovat edellä kuvattuja. Havaitaan, että ohjaussuure määritetään taa- ; , juuden funktiona, jossa sähkötehot (häviöt) eivät johdu suoraan pumpun toimituste- ' · ’ hosta, joka otetaan myös huomioon.

20 Keksintö liittyy myös pumppulaitteistoon, jossa on keskipakopumppu, keskipakopumppua käyttävä sähkömoottori, sähkömoottoria syöttävä ohjattu taajuusmuunnin, ,·, · anturilaitejaarviointilaite.

:.. Tässä pumppulaitteistossa edellä kuvattu ongelma ratkaistaan siten, että anturilaite : "i toteaa sähkötehon määrittämisen pohjana olevat arvot, ja arviointilaitteessa on dy- 25 naaminen raja-arvolaskin, joka määrittää ohjaussuureen moottorin taajuuden funk- • · tiona.

11349Γ 4 Tällaisen pumppulaitteiston avulla on mahdollista suhteellisen yksinkertaisilla keinoilla valvoa virtausta tai sen puuttumista ilman suurta epävarmuutta siitä, poikkeaako moottorin toimintataajuus vertailutaajuudesta.

Keksintö kuvataan seuraavaksi käyttäen apuna suositeltua esimerkkitoteutusta ja 5 piirustuksia:

Kuva 1 pumppulaitteiston ensimmäinen toteutus

Kuva 2 pumppulaitteiston toinen toteutus.

Kuvassa 1 olevassa pumppulaitteistossa 1 on keskipakopumppu 2, joka pumppaa nestettä, esimerkiksi vettä, putkijärjestelmän 3 läpi, jonka tuloputki ja lähtöputki 10 näkyvät kuvassa. Tuloputkessa on venttiili 4, jonka avulla on mahdollista saada aikaan tilanne, jossa virtaus pumpun 2 läpi katkeaa. Tätä kuvataan seuraavassa tarkemmin.

Keskipakopumppua käyttää moottori 5 tai tarkemmin sähkömoottori, mielellään epätahtimoottori kuten asynkronimoottori. Moottorissa 5 on monivaihesyöttö, tässä 15 tapauksessa kolmivaihesyöttö muuntimelta 6, jota puolestaan syötetään tasavirtavä-lipiirin 7 kautta. Tasavirtavälipiiri 7 saa sähkötehon tasasuuntaimelta 8, joka ottaa tehon verkosta 9. Periaatteessa on kuitenkin mahdollista käyttää tasasuuntaimen 8 sijasta muuta tasavirtalähdettä, esimerkiksi akkua.

\ Ohjauslaite 10 ohjaa muunninta 6 pulssileveysmodulaation avulla. Tällainen lait- 20 teisto, jossa on sähkömoottorille 5 syöttävä, PWM-ohjattu muunnin 6, on yleisesti ; ‘. tunnettu.

I I ·

Tasavirtavälipiirissä 7 on jänniteanturi 11 ja virta-anturi 12, jotka on merkitty nuo-. ‘ lilla. Esimerkiksi jänniteanturi 11 toteaa jännitteen välivirtakondensaattorin 13 avul- :. la ja virta-anturi määrittää jännitteen alenemisen välipiiriresistorissa 14. Välipiirivir- 25 ta I ja välipiirijännite U syötetään tehontoteamislaitteeseen 15, joka toteaa moottorin 5 sähkökäyttötehon jännitteestä U ja virrasta I. Todellisuudessa todetaan hieman suurempi teho, koska tällä tavalla todettu teho sisältää myös muuntimen 6 ja moot-,'. · torin 5 tehonhäviöt.

' · Laitteisto esitetään vain kaavion muodossa. Muita mahdollisuuksia tehon toteami- ; ; 30 seksi on tietenkin myös mahdollista käyttää.

•;'. Kytkimellä S on tarkoitus siirtyä kuvan esittämästä toiminnosta, jossa tehontotea- j mislaite 15 on kytketty koskettimeen b, testitoimintoon, jossa tehontoteamislaite 15

11349C

5 on kytketty koskettimeen a, ja päinvastoin. Siirtyminen tapahtuu ohjausyksikön 16 valvonnassa.

Kytkimen S kosketin b on kytketty vertailijan 17 positiiviseen tuloon +, ja vertaili-jan lähtö on kytketty ohjausyksikköön 16. Vertailijan 17 negatiivinen tulo - on kyt-5 ketty dynaamiseen raja-arvolaskimeen 18, jonka toimintaa kuvataan seuraavassa. Ohjausyksikkö 16 on puolestaan kytketty ohjauslaitteeseen 10, jolle se voi ohjata vähintään kaksi toimintasignaalia, jotka on merkitty kaavioon määreillä "Test" ja "Stop".

Ohjauslaitteen 10 lähtö ohjaa moottorin taajuuden fmotor dynaamiselle raja-arvo-10 laskimelle 18. Dynaamisessa raja-arvolaskimessa 18 on lisäksi tulo, jonka avulla käyttäjä voi syöttää kertoimen F. Tähän tarkoitukseen vaadittua syöttölaitetta ei ole kuvattu yksityiskohtaisemmin.

Dynaaminen raja-arvolaskin 18 liitetään lisäksi laskinlaitteeseen 19, joka on liitetty kytkimen S koskettimeen a. Laskinlaitteessa 19 on tulo, johon voidaan syöttää kaksi 15 eri taajuusarvoa fj, f2, jotka on merkitty kahdella nuolella.

Osat 15—19 ja kytkin S muodostavat arviointilaitteen.

Ennen kuin pumppulaitteisto otetaan käyttöön, se asetetaan testitilaan, jossa kytkin S liittää tehontoteamislaitteen 15 koskettimeen a. Venttiili 4 suljetaan, jolloin pumppu 2 toimii ilman virtausta. Sitten moottoria 5 käytetään ensimmäisellä taa-20 juudella fi, ja sen jälkeen toisella taajuudella f2. Molemmissa tapauksissa käyttö kestää vain vähän aikaa eikä lämpökuormitusta synny.

Käyttäjä voi edelleen syöttää vapaasti kertoimen F dynaamiseen raja-arvolaskimeen 18. Jos käyttäjä ei tee tätä, käytetään ennalta määrättyä kerrointa F, joka voi olla ; , esimerkiksi 1,2.

25 Kahden taajuuksilla fi ja f2 suoritettavan testiajon aikana todetaan kaksi tehoa, Gfi taajuudella f! ja taajuudella f2. Teho-virtauskaaviossa, jossa teho on ordinaatalla, Gfi ja Gf2 vastaavat ordinaatan leikkauskohtia. Näistä kahdesta sähkötehosta voidaan sitten todeta arvo Gfix, joka kuvastaa staattorin, roottorin ja vaihtosuuntaajan tehonhäviötä ja sisältää lisäksi periaatteessa kaikki parasiittiset virrankulutusilmiöt 30 ja tehonhäviöt, jotka eivät vaikuta suoraan pumpun 2 käyttötehoon.

1 13490 6

Teho GfjX todetaan seuraavan yhtälön mukaisesti:

I7Y

7 G =-LAJ_

fa ( f Y

l- ^

Jx >

Yhtälö osoittaa, että Gflx riippuu kolmannesta kahden taajuuden tehosuhteesta. Sen vuoksi on hyvä valita riittävän iso taajuuksien väli, taajuus fj voi olla esimerkiksi 5 kaksinkertainen taajuuteen f2 nähden.

Kun testi on suoritettu, kytkin S siirretään ja arvoa Gflx voidaan sitten käyttää dynaamisen ohjaussuureen Gx toteamiseen, joka saadaan seuraavasta yhtälöstä: fr N3

G,= fo-Gjx if +G/U xF

{JlJ

Jokaisella moottoritaajuudella todetaan näin ollen ohjaussuure, jota verrataan vertai-10 lijassa 17 moottorin todelliseen tehoon Pact. Jos havaitaan, että teho Pact on pienempi kuin dynaaminen ohjaussuure Gx, päätellään, että pumppu toimii ilman kuormitusta, toisin sanoen pumppulaitteisto 1 toimii ilman virtausta, tai virtaus on liian pieni. Tässä tapauksessa ohjausyksikkö 16 tuottaa "Stop"-signaalin, jonka avulla ohjauslaite 10 ja näin ollen myös muunnin 6 pysähtyvät.

15 Jos useassa peräkkäisessä tutkimuksessa todetaan, että virtaus on liian pieni, kerrointa F on pienennettävä hieman, jotta laite toimisi. Tällöin on kuitenkin käytettävä tiettyä erotteluastetta, koska liian pieni kerroin estää vian havaitsemisen.

Kuvassa 2 näkyy muunneltu sovellus, jossa samoja osia kuvaavat samat viitesym-bolit. Toisiaan vastaavien osien viitesymboleissa on pilkku.

20 Tässä sovelluksessa testitoimintoa ei tarvitse suorittaa kahdella eri taajuudella. Sen sijaan erityistä taajuutta fj varten määritetään tehon arvo Gfl. Nämä kaksi arvoa saadaan esimerkiksi keskipakopumpun 2 teknisestä erittelystä. Arvot fj ja Gfl syötetään dynaamiseen raja-arvolaskimeen 18' ja laskentalaitteeseen 19'. Testauksessa tarvitaan tällöin vain yksi testiajo, joka suoritetaan taajuudella f2, joka puolestaan voi-25 daan valita käytännöllisesti katsoen vapaasti, mutta se ei saa olla sama kuin f!. Prosessin loppuosa on samanlainen kuin on kuvattu kuvan 1 yhteydessä.

11349C

7

Toteutuksessa, jota ei esitetä graafisessa muodossa, arviointilaite määrittää perustan ja ohjaussuureen täysin automaattisesti. Testitaajuudet fj ja f2 tallennetaan valmis-tushetkellä arviointilaitteeseen, testaustila etenee automaattisesti, kun venttiili on suljettu ja kerroin on syötetty.

5 Keksintö perustuu moottorin taajuuteen f. Koska moottorin taajuus ja moottorin pyörimisnopeus n liittyvät kuitenkin toisiinsa tunnetulla suhteella (P on napojen määrä, S on luisto) asynkronisella moottorilla, ohjaussuure voidaan muodostaa vastaavasti myös pyöri-10 misnopeuden funktiona.

Claims (10)

11349Γ

1. Eri taajuuksilla toimivan sähkömoottorin käyttämän keskipakopumpun käyt-tömenetelmä, jossa liian pieni virtaus pumpun läpi todetaan tarkkailemalla sähköisiä suureita, tunnettu siitä, että sähköteho todetaan ja sitä verrataan moottorin taajuu- 5 den funktiona muodostettuun ohjaussuureeseen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ohjaussuure todetaan ennalta määrätyllä vertailutaajuudella esiintyvän vertailutehon avulla.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ohjaus-suure sisältää tulon, jonka yksi kerroin on käyttäjän määritettävissä.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että valittu ker roin on suurempi kuin yksi.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1—4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että suoritetaan vähintään kaksi moottoritehon mittausta eri taajuuksilla ja ilman virtausta keskipakopumpun läpi, ja tästä todetaan ohjaussuureen perusta.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että perusta tode taan seuraavan kaavan mukaan: (f V Gf>-Gf>*T :: -TTy 1- ^ UJ • jossa Gflx on kiinteä tehohäviö fi on ensimmäinen taajuus 20 f2 on toinen taajuus ,: Gf! on moottorin sähköteho taajuudella fi : Gn on moottorin sähköteho taajuudella f2. ’ 7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ohjaussuure • määritetään seuraavan kaavan mukaan: r / f Y

25 G,= (g.-gJx i +G„ xF \J i / 9 11349C jossa fx on todellinen taajuus Gx on ohjaussuure F on kerroin ja muut suureet on kuvattu edellä.

8. Pumppulaitteisto, jossa on keskipakopumppu, keskipakopumppua käyttävä sähkömoottori, sähkömoottoria syöttävä ohjattu taajuusmuunnin, anturilaite ja arvi-ointilaite, tunnettu siitä, että anturilaite ilmaisee sähkötehon määrityksen pohjana olevat arvot ja arviointilaitteessa on dynaaminen raja-arvolaskin, joka muodostaa ohjaussuureen moottorin taajuuden funktiona.

10 Patentkrav