NO884240L - Fremgangsmaate og innretning for drift av pumpehjulet i envaeskepumpe. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for drift av pumpehjulet i en væskepumpe ved hjelp av en induksjonsmotor, ved hvilken motoren tilføres energi fra en regulerbar, statisk inverter hvis utgangsfrekvens reguleres i avhengighet av trykket i væsken, målt med en trykkføler. Videre angår oppfinnelsen en pumpe for utførelse av fremgangsmåten.

Den norske patentsøknad nr. 832608 (stamsøknaden) angår en spesiell fremgangsmåte og en væskepumpe som ved en regulering av frekvensen muliggjør konstruksjon av nedsenkbare pum-per med små ytre dimensjoner, og på tross av dette en økning av utgangseffekten og hastigheten for å tilveiebringe en vesentlig økning av pumpens virkningsgrad.

En følge av denne driftsmåte er imidlertid en øket fare for kavitasjon, og da særlig ved store sugehøyder.

DE-A-2934076 beskriver en væskepumpe som drives ved hjelp av en induksjonsmotor som tilføres energi fra en regulerbar, statisk inverter hvis utgangsfrekvens styres i avhengighet av væsketrykket. Det kjente pumpesystem er innrettet til å drive motoren på en slik måte at væskesøylen, dvs. belastningen på pumpens utgang, holdes i hovedsaken konstant uavhengig av væsketrykket på pumpens inngang. Også i dette tilfelle øker faren for kavitasjon, særlig ved lave inngangstrykk og høye utgangstrykk.

Det er derfor et formål med oppfinnelsen å redusere denne fare ved å styre motorens hastighet og dermed hastigheten av rotoren eller pumpens skovlhjul på en slik måte at kavitasjon forhindres eller i alle tilfeller hindres fra å fortsette, uansett om den avanserte fremgangsmåte eller den motor som er beskrevet i ovennevnte patentsøknad, eller om en motor som normalt drives med konstant hastighet bestemt av inverterens frekvens, benyttes eller ikke.

Det bør observeres at dersom det benyttes en konvensjonell pumpe som er direkte koplet til nettspenningen, og særlig i forbindelse med store sugehøyder eller i situasjoner som svarer til store sugehøyder, eksempelvis gjentettede inn-løpfiltre, har man ingen mulighet for å regulere hastigheten og dermed heller ikke mulighet til å hindre kavitasjon som raskt kan forårsake skade på pumpen.

Formålet med oppfinnelsen realiseres ved hjelp av den fremgangsmåte og den pumpe som er definert i de etter-følgende krav.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser et aksialt snitt gjennom en væskepumpe ifølge oppfinnelsen, og fig. 2-4 viser en passende, statisk inverter for væskepumpen ifølge fig. 1.

Den som eksempel valgte pumpe er forsynt med et pumpehus 1 som væsketett omslutter en børsteløs vekselspen-ningsmotor 2 med en merkeeffekt på eksempelvis 4 kW. Motoren 2 har en aksel 3 som er lagret i et kulelager 4. På akselens 3 frie ende er det fast anbrakt et pumpehjul 5. I pumpehuset 1 er det videre i et væsketett rom anordnet en statisk veksel-retter eller inverter 6 som er innrettet til via en kabel 7 å tilføres vekselspenning med nettfrekvens og å omforme denne vekselspenning først til en likespenning og deretter til en vekselspenning med en valgt frekvens. I det foreliggende tilfelle antas motoren 2 å utgjøres av en trefasemotor, og spenning tilføres over ledere 8, 9 og 10 fra den statiske inverter 6. Pumpehjulet 5 er innrettet til å pumpe væske fra væskeinn-løp 11 og 12 til en spiralkanal 13 som omgir pumpehjulet, og fra kanalen 13 til et utløp 14 som, når det dreier seg om en nedsenkbar pumpe, er tilkoplet til en slange e.l. På pumpe-husets 1 overdel er det anordnet en løftering 15 ved hjelp av hvilken pumpen kan koples til en line for å senkes ned til det sted fra hvilket væske, normalt vann eller slamblandet vann, skal pumpes opp til et visst nivå.

Dersom i det viste utførelseseksempel motoren 8, som på konvensjonell måte er topolet og mates med en spenning med frekvens 50 Hz, ved hjelp av inverteren 6 tilføres spenning med frekvensen 100 Hz, vil turtallet øke fra 3000 omdreininger pr. minutt (r/min) til 6000 r/min, og momentet forblir ufor-andret. Et pumpehjul med det dobbelte spesifikke turtall kan således velges ved forøvrig uforandrede verdier. Dersom en topolet motor erstattes med en firepolet motor med samme vekt, dvs. samme ytre dimensjoner, og frekvensen økes til 200 Hz, får man fremdeles turtallet 6000 r/min og det dobbelte moment på grunn av at rotoren i en firepolet motor kan gjøres betydelig større enn rotoren i en topolet motor. Effekten vil samtidig øke da den er en funksjon av produktet av turtall og moment, men inverteren 6 er innrettet til å begrense effekten for å hindre overbelastning av motoren.

Det økede turtall for motoren tillater en overgang fra pumpehjul med trange kanaler, dvs. et høytrykkspumpehjul, til et pumpehjul av åpen type og i det ekstreme tilfelle til et propellhjul.

Med denne spesifikt høyere utnyttelse av pumpen er det imidlertid forbundet en øket fare for kavitasjon, særlig ved store sugehøyder. Ifølge oppfinnelsen begrenses denne fare ved å styre turtallet på en slik måte at kavitasjon ikke opptrer eller i alle tilfeller hindres fra å fortsette.

Ved pumpehjulet 5 er det i det viste utførelseseksem-pel for detektering av kavitasjon anbrakt en trykkstøtgiver eller akselerometer 16 som er innrettet til å avføle de trykk-støt som oppstår i væsken når kavitasjon opptrer, og til via en leder 17 å avgi et signal til inverteren 6 for reduksjon av utgangsspenningens frekvens og dermed en reduksjon av motorens 2 og pumpehjulets 5 turtall. I det viste utførelseseksem-pel finnes det videre en væskenivåføler 18 som via en leder 19 sender et signal til inverteren 6 for å redusere frekvensen og dermed motorens 2 og pumpehjulets 5 turtall, dersom væskenivået i huset synker under en bestemt verdi.

Inverteren innstilles hensiktsmessig på en høy frekvens og reguleres samtidig slik at den utgående effekt holdes konstant, dvs. motoreffekten holdes konstant eller i det minste, slik som beskrevet i ovennevnte søknad nr. 832608, i hovedsaken konstant. Dersom løftehøyden eller trykkhøyden skulle avvike fra en nominell verdi, vil motoren derfor søke å oppnå et turtall som svarer til den høyere frekvens, og dermed øke strømmen. Det er foran antatt at inverteren inngår i pumpehuset, men det er underforstått at inverteren kan utgjøre en enhet som er beliggende utenfor pumpen.

Dersom kavitasjon skulle opptre, skjer det som nevnt en frekvensomstilling, slik at motorens 2 turtall avtar og frekvensreduksjonssignalet fås fra akselerometeret 16 (fig. 1) som via lederen 17 avgir et frekvensreduksjonssignal til inverteren. Akselerometeret er hensiktsmessig av piezoelektrisk type og reagerer på de lydtopper som forplantes gjennom væsken når kavitasjon opptrer. Signalene på lederen 17 mates i dette tilfelle til en styrekrets for inverteren og medfører en reduksjon av frekvensen. Væskenivåføleren 18 er innrettet til å generere et frekvensreduksjonssignal over lederen 19 dersom trykkvæske skulle mangle i kanalen 13, og dette frekvens-reduks jonssignal medfører at inverterens 6 frekvens reduseres, slik at man sikrer at motoren 2 ikke overskrider et bestemt tomgangsturtall. Eventuelt kan signalet danne et stoppsignal.

En for formålet med oppfinnelsen særlig egnet, statisk inverter skal nå beskrives i tilslutning til fig. 2-4.

Det bør observeres at de viste elektroniske kretser også danner reguleringskretser for å tillate motoren å arbeide med i hovedsaken konstant inngangseffekt så lenge kavitasjon ikke opptrer.

Den på fig. 2 viste, statiske inverter, som er valgt som eksempel, omfatter en trefaselikeretter 60 som mates fra et vekselspenningsnett 61. Likeretteren 60 mater likespenning med i hovedsaken konstant amplitude via ledere 62 og 63, idet lederen 62 ligger på positivt potensial og lederen 63 på negativt potensial og spenningen mates til en statisk omformer eller inverter som omfatter seks omkoplings- eller vekslings-elementer 64, 65, 66, 67, 68 og 69 som her består av transistorer og som er innrettet til sukessivt å tilkople motorens 2 polklemmer 70, 71 og 72 til den positive mateleder 62 og den negative mateleder 63 fra likeretteren 60. Ved behov er det mulig å benytte tyristorer eller liknende elementer i stedet for transistorer. En diode 141 er antiparallellkoplet over hver transistor for å oppta reaktive strømmer ved struping av den respektive transistor. For å styre omformeren, mates styresignaler fra utganger 73, 74, 75, 76, 77 og 78 fra en styreanordning 79 som er vist i detalj på fig. 4. Disse styresignaler mates via forsterkere 80 til basisen i den respektive transistor. Styreanordningen 79 er forsynt med signalinnganger 81, 82 for avfølingssignaler som genereres ved avføling av likestrømmen i ledningen 62, samt signalinnganger fra lederne 56, 57. Motorens 2 hastighet endres i avhengighet av ampli tuden av et spenningssignal på inngangen 56 fra et potensio-meter 59 (fig. 4). Over lederen 57 innmates et start/stoppsignal til inverteren.

Styreanordningen 79, som er vist i detalj på fig. 4, omfatter en avfølingsanordning 85 for avføling av amplituden av likestrømmen i lederen 62. Størrelsen av denne strøm står i direkte forhold til spenningen mellom signalinngangene eller signallederne 81 og 82. Utgangssignalet fra avfølingsanord-ningen 85, som omfatter en forsterker 86, mates til en første toppspenningsdetektor 87, et lavpassfilter 88, en andre toppspenningsdetektor 89 og en sammenlikner 90. Detektoren 87 inneholder en diode 91 for gjennomslipning av positive signaler, og detektoren 89 inneholder en diode 92 for gjennomslipning av negative signaler. I hver detektor inngår også et lavpassfilter. Den første detektor 87 har fortrinnsvis en tidskonstant på rundt 4/f, der f er den maksimale grunnfrekvens for den til motoren 2 tilførte spenning. Detektorens 87 sperrefrekvens, -3dB, ligger fortrinnsvis ved 0,1 f. Lavpassfilteret 88 har fortrinnsvis den samme sperrefrekvens. Den andre detektor 89 har fortrinnsvis en tidskonstant på ca. l/f og en sperrefrekvens på ca. 0,5 f.

Utgangssignalet fra detektoren 87 mates til en første reguleringskrets 93 som er vist i detalj på fig. 3. Inngangs-signalet fra lederne 56, 57 mates til en rampegenerator 94 som består av to operasjonsforsterkere som er koplet for dannelse av en integrerende krets for til reguleringskretsen 93 å mate en økende rampespenning når motoren akselererer ved start, og en avtagende rampespenning under motorens retardasjon til stopp. På denne måte elimineres faren for at en ved normal hastighet rådende belastningsstrøm overskrides når motoren startes eller stoppes. En endring av frekvensstyresignalet, som bestemmer motorstrømmens frekvens og således motorens rotasjonshastighet, og som opptrer på lederen 56, integreres likeledes av rampegeneratoren 94. Det medgår derfor en viss tid før utgangssignalet fra rampegeneratoren 94 er helt tilpasset til inngangs-signalene.

Signalet fra den første detektor 87 (fig. 3) mates over en motstand 95 til den ene inngang på en operasjonsfor sterker 96. Dette signal sammenliknes av forsterkeren 96 med et referansesignal som innstilles ved hjelp av en variabel motstand 97 og som mates til den nevnte ene inngang via en motstand 98. Forsterkerens 96 andre inngang er jordet, og videre er forsterkeren tilbakekoplet ved hjelp av en motstand 99. En avvikelse mellom signalet fra detektoren 87 og referan-sesignalet forårsaker et utgangssignal fra forsterkeren 96, og dette utgangssignal mates via en motstand 100 og en diode 103 til den ene inngang på en operasjonsforsterker 101 hvis andre inngang er jordet. Rampegeneratorens 94 utgangssignal mates likeledes til den nevnte ene inngang på forsterkeren 101 via en motstand 102. Forsterkeren 101 er tilbakekoplet ved hjelp av en første motstand 104 og en andre motstand 105 i serie med dioden 103. Motstanden 105 har betydelig lavere motstandsver-di enn motstanden 104, og motstandsforholdet er fortrinnsvis ca. 1:20. Dersom den første operasjonsforsterkers 96 utgangssignal, målt på dioden 103, er mer negativt enn utgangssignalet fra den andre operasjonsforsterker 101, målt på dioden 103, er positivt, forspennes dioden 103 i sperreretningen. Forsterkerens 101 forsterkning i den lukkede sløyfe blir da høy. Dersom utgangssignalet fra den første detektor 87 øker på grunn av at likeretterens 60 likestrøm øker, vil utgangssignalet fra forsterkeren 96 bli mindre negativt, og ved at visst signalnivå som forinnstilles ved hjelp av motstanden 97, vil dioden 103 bli forspent i lederetningen. Dette innebærer at forsterkerens 101 forsterkning drastisk avtar, slik at reguleringskretsen 93 utsender et frekvensstyresignal. Frekvensstyresignalet fra forsterkerens 101 utgang mates til en spenningsstyrt oscillator 109 og til en analog divisjonskrets 110. Denne divisjonskrets 110, som eksempelvis er av den kommersielt tilgjengelige type Analog Devices AD 534, danner et signal som er I . , ,/f der

^ ^ mxddel

"'"middel er middelverdien av ^en f°r øyeblikket rådende magneti-seringsstrøm til motoren, og f er frekvensen. Dette signal er et bra mål på motorens akselmoment. Den spenningsstyrte oscillator 109 genererer et utgangssignal med en frekvens som er proporsjonal med inngangsspenningen.

Det likerettede middelverdisignal som fås fra lav-passf ilteret 88, tilsvarer den effekt som mates til motoren 2, ettersom spenningen på mateledningene 62 og 63 er i hovedsaken konstant. Signalet mates til divisjonskretsen 110 der det divi-deres med det frekvensstyrende signal fra forsterkeren 101, som utgjør et ordresignal for bestemmelse av motorens rotasjonshastighet. Divisjonskretsens 110 utgangssignal vil således tilsvare kravet til vridningsmoment for motoren. Utgangssignalet fra divisjonskretsen 110 mates til en andre reguleringskrets 111 og utgjør et første spenningsreguleringssignal. Det negative signal fra den andre toppverdidetektor 89 danner et andre spenningsreguleringssignal som mates til den andre reguleringskrets 111, slik at utgangssignalet fra reguleringskretsen 111 blir propor-sjonalt med forskjellen mellom de første og andre spenningsre-guleringssignaler. Det negative signal fra detektoren 89 tilsvarer motorens 2 magnetiseringsgrad og fås fra negative pulser som mates tilbake til likespenningskilden når transistorene 64 - 69 er ikke-ledende. Ved å styre amplituden av disse negative pulser, er det mulig å nå et bestemt magnetiseringsnivå

for motoren, og dermed får man et høyt forhold mellom effekt og vekt og unngår overmetning som forårsaker tap. Den foran be-skrevne motorkonstruksjon har derved store fordeler.

Dersom signalet fra avfølingsanordningen 85 overskrider en viss bestemt verdi, vil utgangssignalet fra sammenlikne-ren 90, som sammenlikner dette utgangsignal med et referansesignal som fås ved hjelp av en innstillbar motstand 112, ligge på en lav verdi. Som en følge av dette vil utgangene 74, 76 og 78 fra OG-portene 116, 117 og 118 ligge på lavt nivå. Dette innebærer at transistorene 65, 67 og 69 vil gå over til ikke-ledende tilstand, slik at motorens klemmer 70, 71 og 72 ikke er forbundet med likespenningskildens negative klemme eller leder 63. Denne bortkopling beskytter omformeren mot skader forårsaket av tran-siente strømmer.

Utgangssignalet fra den spenningsstyrte oscillator 109 mates til en tidsinnstillingsanordning eller timer 119, fortrinnsvis en industritimer av standardtype 555, og en divisjonskrets 120. Divisjonskretsen 120 utgjøres fortrinnsvis av en programmerbar teller som er innrettet til å utsende et pulstog med en frekvens som er lik inngangssignalets frekvens dividert med en valgt konstant. Timeren 119 utsender et pulstog med en frekvens som er lik frekvensen av utgangssignalet fra oscilla-toren 109. Pulsbredden styres av utgangssignalet fra den andre reguleringskrets 111. Pulstoget fra timeren 119 mates til OG-porter 121, 122 og 123. Pulstoget fra divisjonskretsen 120 danner et klokkesignal til en ringteller 124. I ringtelleren 124 lagres en "1" og fem "0". "l"-verdien forskyves i telleren av pulstoget fra tellerens Utgang 125 til utgangen 126, fra denne utgang til utgangen 127, videre til utgangen 128, fra denne utgang til utgangen 129 og videre til utgangen 130, samt fra denne utgang tilbake til utgangen 125. En sådan forflyt-ning av den i telleren 124 lagrede "1" fra utgangen 125 og tilbake til utgangen 125, tilsvarer en periode av grunnfrekven-sen av den spenning som mates til motoren 2. Utgangssignalene fra tellerens 124 utganger 125 - 130 dekodes av ELLER-porter 131, 132 og 133. Utgangssignalet fra en respektiv port ligger halve tiden på høyt nivå og halve tiden på lavt nivå. En lo-gisk signalinverterer 134 og NAND-porter 135, 136, 137, 138, 139 og 140 er innrettet til å styre motorens 2 rotasjonsinnret-ning dersom dette skulle kreves. Utgangssignalene fra portene 131, 132 og 133 mates til OG-portene 116, 117, 118, 121, 122

og 123 for å styre omkoplingstransistorene 64 - 69 i omformeren. Inngangene til portene 116, 117 og 118 er koplet til logiske

-re

signalinverter e?142, 143 og 144.

På grunn av at pulsbredden på pulsene fra timeren

119 er konstant, uavhengig av frekvensen dersom signalet fra reguleringskretsen 111 er konstant, vil middelverdien over en halv periode av spenningens grunnfrekvens bli endret samtidig med frekvensen. En ytterligere regulering av middelspenningen kan oppnås ved å variere pulsbredden som reguleres ved hjelp av reguleringskretsen 111.

Frekvenssignalet fra den frekvensgivende krets, som innmates over lederen 56 til rampegeneratoren 94, danner en børverdi som bestemmer frekvensen og dermed motorens turtall.

Dersom kavitasjon skulle opptre, skjer det som nevnt en frekvensomstilling, slik at motorens 2 turtall avtar, og frekvensreduksjonssignalet fås fra akselerometeret 16 (fig. 1) som via lederen 17 avgir et frekvensreduksjonssignal til inverteren. Akselerometeret er hensiktsmessig av piezoelektrisk type og reagerer på de lydtopper som forplantes gjennom væsken når kavitasjon opptrer. Signalene på lederen 17 mates i dette tilelle til lederen 56 og medfører en senkning av frekvensen. Væskenivåføleren 18 (fig. 1) er innrettet til å generere et frekvenssenkningssignal over lederen 19 dersom trykkvæske skulle mangle i kanalen 13, og dette frekvenssenkningssignal, som mates til lederen 56, sikrer at motoren 2 ikke overskrider et bestemt tomgangsturtall. Eventuelt kan signalet mates inn på lederen 57 og danne et stoppsignal.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte for drift av pumpehjulet (5) i en væskepumpe ved hjelp av en induksjonsmotor (2) , ved hvilken motoren tilføres energi fra en regulerbar, statisk inverter (6) hvis utgangsfrekvens reguleres i avhengighet av trykket i væsken, målt med en trykkføler (16) , karakterisert ved at trykkføleren (16) er innrettet til å avføle pumpehjulets (5) kavitasjonstilstand, og at inverterens (6) utgangsfrekvens reguleres slik at pumpehjulets (5) rotasjonshastighet holdes på eller under en kavitasjonsfri maksimumsverdi.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at inverteren (6) er innstilt for i uregulert tilstand å avgi en utgangsfrekvens ved hvilken motoren (2) og derved pumpehjulet (5) drives med et turtall som overstiger den kavitasjonsfrie maksimumsverdi.

3. Væskepumpe for utførelse av fremgangsmåten ifølge krav 1, omfattende et i et pumpehus (1) anordnet pumpehjul (5) som er drevet av en induksjonsmotor (2), og en regulerbar, statisk inverter (6) som er innrettet til å levere energi til motoren og hvis utgangsfrekvens styres i avhengighet av trykket i væsken, målt ved hjelp av en trykkføler (16), karakterisert ved at trykkføleren (16) er innrettet til å avføle pumpehjulets (5) kavitasjonstilstand, og til ved opptreden av kavitasjon å frembringe et reguleringssignal til inverteren (6) og bringe denne til å endre utgangsfrekven-sen på en slik måte at pumpehjulets (5) rotasjonshastighet holdes på eller under en kavitasjonsfri maksimumsverdi.

4. Væskepumpe ifølge krav 3, karakterisert ved at inverteren i uregulert tilstand er innstilt for å frembringe en utgangsfrekvens ved hvilken kavitasjon opptrer.

5. Væskepumpe ifølge krav 3 eller 4, karakterisert ved at den nevnte føler består av en trykkstøtgiver (16) ved pumpehjulet (5).