WO2015144310A1 - Verfahren zur bestimmung des hydraulischen arbeitspunktes eines pumpenaggregats - Google Patents

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WO2015144310A1
WO2015144310A1 PCT/EP2015/000642 EP2015000642W WO2015144310A1 WO 2015144310 A1 WO2015144310 A1 WO 2015144310A1 EP 2015000642 W EP2015000642 W EP 2015000642W WO 2015144310 A1 WO2015144310 A1 WO 2015144310A1
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speed
pump unit
integral
hydraulic
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PCT/EP2015/000642
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Tilmann Sanders
Jens Fiedler
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Wilo Se
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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
    • 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
    • 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
    • F04D15/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or systems
    • F04D15/0088—Testing machines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D1/00—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining a first hydraulic variable of a operated at a predetermined speed
  • the invention relates to a pump control and equipped with a pump control pump unit for performing the method.
  • the hydraulic operating point in a pump unit is usually defined by the volume flow and the delivery height or the differential pressure applied by the pump. It is displayed in the so-called HQ diagram in which the delivery head or the differential pressure is plotted against the volume flow.
  • HQ diagram in which the delivery head or the differential pressure is plotted against the volume flow.
  • control and regulation methods for pump units that influence these hydraulic variables, in particular regulate along predeterminable characteristics.
  • characteristic curves are customary in which a certain delivery height is kept constant for each volume flow, so-called ⁇ -c regulations.
  • Another known regulation takes place along characteristic curves, which have a linear relationship between delivery height and
  • volumetric flow so-called ⁇ - ⁇ controls.
  • Sensors are used, for example, a flow sensor for determination the volume flow or a differential pressure sensor for determining the differential pressure, from which then the head can be calculated.
  • a flow sensor for determination the volume flow
  • a differential pressure sensor for determining the differential pressure
  • a hydraulic variable can also be determined mathematically from one or more variables known to the pump unit or its control or regulation, in particular using physical laws of existing physical relationships with the desired hydraulic variable. These relationships can be stored in mathematical form in the control or regulation of the pump unit. The calculation can be made, for example, from the electrical power consumption (engine power or
  • Speed control or regulation, in particular by a frequency converter is specified.
  • it is particularly easy to measure the current and voltage by electrical means.
  • the performance map can be measured. This means that the power consumption is determined for selected speeds for a large number of volume flows.
  • These values can for example be assigned to one another in a table and stored in the control or regulation of the pump unit.
  • a mathematical function for example a polynomial
  • a mathematical function can be determined from the factory-determined or measured values, which determines the relationship between
  • Such a function may for example be formed separately for each speed and used so that the entire performance map is described by a set of functions.
  • a single function can be used that combines the three sizes of power, speed, and flow connected.
  • Using a function instead of a table has the advantage of requiring little storage space because it does not need to store large measurement data. The disadvantage here, however, that the evaluation of the function requires computing power.
  • the use of a function in addition to the table has the advantage that a plausibility check and, if appropriate, an averaging of the value determined from the table and the function can be undertaken.
  • the volume flow can be determined from the table or the corresponding function. From this, in turn, the delivery head can be calculated via the pump characteristic, so that the operating point of the pump unit is obtained.
  • FIG. 1 shows the relationship between the absorbed electrical power and the volume flow Q in the case of a pump unit. Shown are four performance curves for different speeds, with the lowest curve being assigned to the lowest speed used and the upper one to the highest speed used. The performance curves
  • the power allocation method can only be used in a restricted area of the operating range.
  • the problem of the ambiguity of the performance characteristic can be overcome by having only the left part of the performance characteristic, i. the volume flow is considered, which is smaller than the present at the maximum of the power curve volumetric flow. This means that the hydraulics of the
  • Volumetric flow is where the power has its maximum.
  • This solution resolves ambiguities in the linking of the quantities. It allows a pump set to use the information available to it, i. via at least one electrical and / or
  • hydraulic size preferably defined by the volume flow and the delivery height.
  • the pump unit may be an electric motor operated centrifugal pump, such as a heating pump in a heating system or a
  • Coolant pump in a cooling system Coolant pump in a cooling system.
  • modulating in the sense of the invention is to be understood as a change, however, the type, height and speed of the excitation signal is in no way limited.Furthermore, as far as a control of the pump unit is mentioned below, this term is used Also to understand a scheme, since a scheme includes only a control with a feedback of a certain size.
  • the current value of the first hydraulic variable can be determined from the amplitude and / or the phase position of the alternating component of the mechanical or electrical variable using the link. This means that initially the alternating component of the mechanical or electrical variable is determined and determines its amplitude or phase position. Subsequently, the combination is used to determine the value of the hydraulic variable from the ascertained amplitude or phase position.
  • Phase used but relative values that relate to the excitation signal In the case of phasing this would mean that it is determined to how much the phase of the system response to the excitation signal is shifted. In the case of the amplitude, this means that the ratio of the amplitude of the alternating component of the system response to the amplitude of the excitation signal is determined. The evaluation of the system response based on the linkage can therefore take place both with absolute values and with relative values.
  • the link can be given by a table or at least one mathematical function.
  • this table or the at least one function at a certain speed or at a plurality of speeds would associate each value or a number of values of the first hydraulic variable with an amplitude value or phase value of the alternating component. This makes it possible in a particularly simple way to determine the current value of the first hydraulic variable. This assignment is factory set at the manufacturer of the pump set
  • Control of the pump set are deposited.
  • Phase value is searched. If this or a similar one is found, the value of the first hydraulic variable assigned to the amplitude value or phase value by the corresponding column or row can be determined.
  • a function instead of the table, it can be used, resolved to the first hydraulic variable, to calculate the value of the first hydraulic variable from the ascertained amplitude value or phase value. If the link is given by several functions, one of which is valid for a certain speed, first that function must be determined, which is valid for the current speed. In this function then only needs the Amplitude value or phase value to be input. However, if the link is given by a single function, it must be the one determined
  • Amplitude value or phase value and the current speed are input so that the function delivers the value of the first hydraulic variable.
  • the product can be formed from the system response and a periodic function of the same or a multiple of the frequency of the excitation signal. Subsequently, the integral of this product over a predetermined, in particular finite integration period is calculated and determined from the value of the integral using the link, the value of the first hydraulic variable. From the value of the integral, the value of the hydraulic variable (Q, H) is then determined using the linkage.
  • the alternating component of the mechanical or electrical variable for example the actual torque, the actual rotational speed or the electrical power consumption of the pump unit.
  • the product would be formed and integrated from the system response and this interchange.
  • the value of the hydraulic quantity (Q, H) is then determined from the value of the integral using the link.
  • the current torque (actual torque), the current speed (actual speed) or the current electrical power consumption can be measured or calculated from other variables. If necessary, measured values must first be preprocessed, for example filtered, before it is suitable for multiplication by the system response. This can be done, for example, by high- or band-pass filtering. With sufficiently large excitation of the system, the alternating component contains a dominant fundamental oscillation which approximately corresponds in phase and frequency to the excitation signal. The result of the integration then corresponds, with the exception of a scaling factor, to the result that would be obtained with a purely mathematical periodic function, for example a sine or cosine function. In particular, the result of this calculation in the usual way with the first to be determined
  • the linking of the hydraulic variable with the mechanical or electrical variable can also be given in the second embodiment in the form of a table or a mathematical function.
  • a function e.g. a polynomial l (Q) is sought which describes a curve on which the measured values of the hydraulic quantity lie.
  • a separate mathematical function polynomial
  • a general mathematical function polynomial
  • Integral value of both the first hydraulic variable (Q) and the speed (n) describes. This also applies to the first embodiment.
  • the periodic function used to multiply the system response is a sine function. It is then possible from the table or the mathematical function directly to determine a value of the first hydraulic quantity, which is assigned to the calculated value of the integral or is assigned by the mathematical function, since the sine function causes the integration leads to a value that plotted against the first hydraulic Size, is unique. This is illustrated in FIG.
  • the value of the first hydraulic variable associated with the calculated value of the integral can be determined backwards.
  • the second embodiment differs from the first
  • Pump control for example, known at least in the form of the desired speed.
  • the link is given by a table or at least a mathematical function, which is at a given speed any value of the first hydraulic Size assigns a value of mechanical or electrical size.
  • the value of the mechanical or electrical variable is preferably one
  • the ambiguity can be resolved by using as a function with which the
  • the manipulated variable applied to the excitation signal is a
  • Target speed or a desired torque of the pump unit ie a mechanical size, which is attempted by a regulation of the pump set to keep at a certain value.
  • Speed or torque controls are known per se in pump units. The periodic excitation of the desired speed or the desired torque is a simple measure to achieve a modulation of the second hydraulic variable.
  • the second hydraulic variable may then suitably be the delivery head H or the differential pressure ⁇ .
  • the latter can be easily modulated by modulating the speed or torque of the pump set.
  • the mechanical variable is preferably the torque output by the pump unit or the actual speed of the pump unit.
  • the electrical variable may be, for example, the electric power P e i received by the pump unit or the current. The change of at least one of these quantities due to the modulation of the second hydraulic variable then becomes a system response
  • any pairings between the excited manipulated variable and the system response to be analyzed can be used.
  • the target speed can be modulated and the resulting actual speed can be evaluated.
  • the output torque or the electrical power consumption can be used for the evaluation.
  • the setpoint torque can be excited and the resulting actual speed, the output torque or the
  • the excitation signal is ideally a periodic signal, in particular a sinusoidal signal or a signal containing a sinusoidal function.
  • the latter can also be, for example, a triangular or sawtooth signal.
  • the frequency of the excitation signal is advantageously between 0.01 Hz and 100 Hz.
  • the disadvantage of too low a frequency is the duration of a complete one Period, which is at an excitation frequency of, for example, 0.01 Hz at 1 minute and 40 seconds. The longer the period is, the larger the
  • Excitation frequency should not be too small. However, the frequency is limited due to the inertia of the rotor, the impeller and the liquid upwards limits.
  • the amplitude of the excitation signal is preferably less than 25% of the
  • Speed setpoint At a setpoint speed of, for example, 2000 rpm, a speed fluctuation of ⁇ 2 rpm to ⁇ 500 rpm can thus be suitable.
  • Delivery height fluctuation using a mathematical describing the relationship between the speed and the delivery height at the pump unit
  • Equation can be calculated. For example, this equation can be derived from the formula describing the stationary relationship between delivery head H, rotational speed n and volume flow Q.
  • H p (Q, n) at 2 -bQn - cQ 2 GL1 , where a, b and c are characteristics of the pump characteristic.
  • equation Eq. 7 or Eq. 8 the change of the speed excitation signal can be determined.
  • the integral of the product is calculated from the system response and the periodic function over a period of time T.
  • This integration period T may be one period or may be a multiple of the period of the excitation signal. It is advantageous if the modulation is continuous, ie during the entire operating time of the pump set. In this way, changes in the operating point can be detected immediately. This would not be possible if the method according to the invention would only be used at intervals over a limited period of time.
  • the detection of the mechanical or electrical quantity as a system response to the modulation can be done either at discrete times or continuously.
  • the system response is then presented as a series of values so that multiplication by function and integration of the product thus obtained can occur at any time.
  • At least one more integral may be calculated from the product of the system response and the function over the same integration period during the calculation of the integral, the beginning of this
  • Integration period of the first integral lies.
  • the calculated values of the integrals can then be combined into an averaged value. This has the effect of smoothing the determined system response.
  • window function that weights the values in the middle of the window more than the values at the edge of the window.
  • corruption can be at least partially corrected by assuming a linear shift of the operating point and using it in the calculation of the Integrals is corrected.
  • the values of the system response at the beginning and at the end of the integration period are determined, in particular measured, and from these two values a linear change of the system response per time is determined. This linear change is then subtracted from all values of the system response determined in the integration period and only then the integral is formed. In this case, however, the determined values must first be saved.
  • the integral can then be calculated as follows:
  • Integration period T X (t) is the system response
  • S (t) is the periodic function
  • ki is a positive integer
  • ⁇ is the frequency of the excitation signal fA, n (t), fA, H (t).
  • a pump electronics for controlling and / or
  • the pump unit may be, for example, a heating pump, coolant pump or a drinking water pump.
  • the pump unit may be, for example, a heating pump, coolant pump or a drinking water pump.
  • volumetric flow sensors are dispensed with. This simplifies structurally this
  • the pump unit is an electric motor driven centrifugal pump, ideally in wet rotor design. Such can be used in a heating, cooling or drinking water system.
  • Figure 1 diagram with performance characteristics of a pump unit at
  • FIG. 2 Diagram with four curves belonging to different rotational speeds, which give each volume flow a value of the integral of the product of FIG. 2
  • Figure 3 diagram with four belonging to different speeds curves, each volumetric flow of a value of the integral of the product
  • FIG. 6 System for using the method according to the invention
  • Figure 7 Block diagram of an analog circuit for calculating the modulated
  • FIG. 8 Diagram with four curves belonging to different rotational speeds, which modulates an amplitude value of each volumetric flow
  • FIG. 9 Diagram with four curves belonging to different speeds, which associate with each volume flow a phase value of the modulated actual speed with respect to the excitation signal.
  • working point determination uses information about the dynamic behavior of the system, which is analyzed by a targeted excitation.
  • a model of the system in which a variant of the method according to the invention can be applied is shown in FIG. 6 as a block diagram. There, a variable speed centrifugal pump unit 1 is shown, with a
  • Pipe system 5 is connected respectively involved in this.
  • the system may for example be a heating system, the pump unit 1 corresponding to a heating pump.
  • the piping system 5 is then formed by the leading to the radiators or heating circuits and leading from these to a central heating source lines.
  • the pump unit 1 consists of a pump unit 2, which forms the hydraulic part of the unit 1, an electromotive drive unit 3, which forms the electro-mechanical part of the unit 1, and a control or regulation 4.
  • the drive unit 3 consists of an electromagnetic part 3a and a mechanical part 3b.
  • the control 4 consists on the one hand of software 4a, on the other hand of hardware 4b, which includes the control and / or regulating electronics and power electronics such as a frequency converter.
  • the control electronics 4 is a set speed no specified. From the current current consumption I and the current rotational speed n is t of the drive unit 3, it calculates for this purpose a voltage U which is specified for the power electronics 4b so that it provides the drive unit 3 with a corresponding electrical power P e i.
  • the pump unit 1 thereby generates a delivery height H, which generates a more or less large volume flow Q in the piping system 5 depending on the pipe resistance. From the hydraulic power and thus forming composite losses a hydraulic torque Mh d y can be defined, which is counteracted as a braking torque to the motor torque M.
  • the basic sequence of the method according to the invention is shown in FIG. The method is carried out in the normal operation of the pump unit, that is, when the pump unit 1 is connected to a pipe power system 5 and operated at the desired speed no.
  • step S1 which may be predetermined manually or from an adjustable characteristic control (eg ⁇ -c, ⁇ - ⁇ ) or a dynamic one
  • the inventive method comprises the three successive steps to be carried out continuously
  • the hydraulic variable to be determined is exemplified by the volume flow Q of the pump unit. From the well-known physical-mathematical relationship between volume flow Q and head H at the pump unit 1, the delivery height H can be determined so that the hydraulic operating point [Q, H] of the pump set is fixed.
  • H R (Q) H p (Q, n) G. 3
  • the pump characteristic Hp (Q) is known by the manufacturer from the measurement of the pump set.
  • the parameters a, b, c are constant characteristics of the pump characteristic.
  • the piping parabola depends on the condition of the piping system connected to the pump unit, its hydraulic
  • the hydraulic resistance is largely determined by the degree of opening of the valves located in the pipeline system, so that the slope d results from the valve position.
  • the excitation of the system takes place in that the stationary nominal rotational speed n 0 is modulated with an excitation signal f A, n (t), so that the values determined by the
  • the excitation signal fA, n (t) is then, for example, a sinusoidal signal of the form
  • the amplitude is between 0.1% and 25% of the nominal speed no and can be factory-set and fixed.
  • step S3 the speed variation f A , n (t) required to achieve the desired delivery height variation f A , H (t) can be calculated, step S2:
  • step S2 follows step S5.
  • the volume flow Q determined as part of the operating point determination in step S5 can then be used directly in equation 8.
  • the excitation frequency f is to be dimensioned such that the delivery height H follows the excitation function ⁇ , ⁇ as well as possible despite the inertia of the rotor.
  • Embodiment is used a frequency f of 1 Hz.
  • electromagnetic model 3a, mechanical model 3b and hydraulic model 2 present sizes. However, it is sufficient to have a single mechanical or
  • the recorded electrical power Pei (FIGS. 1, 2, 3) and, alternatively, the mechanical torque M mo t are used as the system response X (t) to the modulation.
  • the recorded electrical power P e / is measured or determined from measured current and measured or calculated voltage.
  • the torque M is t can be measured or calculated from the torque-forming current used in the mathematical electromagnetic and
  • the determination of the power P e / and / or the torque M, si can by
  • System response X (t) is present as a discrete or continuous series of measured values or calculated values. This is included in step 4 of FIG. Of the
  • Volume flow Q determined. This is done by first multiplying the system response X (t) by a periodic function S (t), i. the product is formed from the system response X (t) and this periodic function S (t).
  • the pump unit as has also been carried out according to the prior art, the manufacturer must be measured on a hydraulic test rig, unless the relationship is known.
  • the relationship between the desired hydraulic variable Q, the rotational speed n and the electrical or mechanical parameter P e i, manure is measured and as a characteristic field as a linkage of the hydraulic variable Q on the one hand with the mechanical or electrical size Mi S t, Pei on the other hand in the manner of a table or formula in the pump electronics 4 deposited. Rather, the relationship between actual speed n, si ,
  • the integral / (to + T) is calculated by the manufacturer on a hydraulic test stand at a number, in particular a plurality of preset desired speeds no to a number, in particular a plurality of measured volume flows Q, which is due to the excitation of the system with the excitation signal fA, n (t ), fA, H (t) from the product of system response X (t) and the sine or cosine function S S i n (t), S cos (t).
  • the delivery height H can then be calculated, for example by means of Equation Eq. 1.
  • the value of the first hydraulic variable, the volume flow Q is consequently determined using the relationship.
  • the volume flow Q is consequently determined using the relationship.
  • the linkage takes place in the form of a table which assigns a value of the desired hydraulic variable Q to the number of integral values / (fo + T) used at the rotational speeds no used.
  • Volume flow values Q are interpolated.
  • a single mathematical function (for example a polynomial) which determines a characteristic or, in the case of the global function, from the values determined on the test bench for each rotational speed no used can be determined by the manufacturer
  • Characteristic field describes on which all measured values lie. In the case of using multiple functions valid for each one speed, then only the currently valid function has to be determined and the calculated integral value used to determine the corresponding value of the hydraulic variable, i. to get the volume flow value. If a global function is used to describe the entire characteristic field, the speed and the calculated integral value can be directly used in this equation to obtain the corresponding value of the hydraulic variable.
  • FIG. 3 shows four simulation curves for the integral / (Q) for the same rotational speeds as in FIG. 2, the electrical power P e / being also examined here as the system response X (t), but multiplied by a cosine function Scos ().
  • the simulation curves in FIG. 3 like the power curves in FIG. 1, do not describe a clear relationship between the volume flow Q and the integral / (to + T), since the curves initially fall as the volume flow Q increases, but then rise again.
  • the simulation curves in FIG. 3 reveal a special feature in that the calculated integral / (to + T), there has the value zero, where the associated power characteristic (see Figure 1) has its maximum.
  • the cosine signal changes the sign exactly at the vertex of the power characteristic, so that the sign of this signal can also be used to identify the operating point, ie right or left of the vertex of the power characteristic.
  • Power characteristic equation in the pump electronics 4 to deposit The table or at least one function then assigns a value of the mechanical or electrical variable to the values of the hydraulic variable at a specific speed.
  • At least one further integral / (t-i + T) may be obtained from the product of the system response X (t) and the function S (r) over the same integration period T, the start of integration ti of the further integral being offset in time by the offset o with respect to the start of integration to of the first integral / (fo + T).
  • the calculated values of the integrals / (to + T) ,, / (ti + T) are then averaged to a value.
  • the calculation of the integrals over a finite integration period means that a number of values are cut out of the system response X (t), which then represent a "window" of the system response, overlapping with the first integral in the case of the temporal offset of the integration start of the further integral the correspondingly cut out windows.
  • FIGS. 8 and 9 show, analogously to FIGS. 2 and 3, a graphic visualization of the connection of the volume flow Q as the first hydraulic variable with the actual rotational speed as a mechanical variable for four different rotational speeds, the amplitude
  • Volume flow Q can be determined, which at the present medium
  • or the phase ⁇ ( ⁇ - ⁇ ) is assigned. For example, at an operating speed of 2500 rpm and an amplitude of 120 rpm, a volume flow of 6 m 3 / h would be present.
  • the method presented here makes it possible in a simple way during operation of the pump set and without the use of a corresponding sensor, a hydraulic variable, e.g. to determine the volume flow.
  • a second hydraulic variable e.g. the delivery height, modulated, in particular to the vibration is excited, which can be done for example by modulation of the target speed or the motor torque as a manipulated variable of the pump unit.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer ersten hydraulischen Größe (Q) eines bei einer vorgebbaren Drehzahl (n o) betriebenen Pumpenaggregats (1) aus einer mechanischen oder elektrischen Größe (M ist , P el , n ist ) durch Auswertung einer Verknüpfung der hydraulischen Größe (Q) mit der mechanischen oder elektrischen Größe (M ist , P el , n ist ). Dabei wird eine Stellgröße (Μsoll, nsoll) des Pumpenaggregats (1) derart mit einem periodischen Anregungssignal (fA,n(t), fA,H(t)) einer bestimmten Frequenz (f) beaufschlagt, dass eine zweite hydraulische Größe (H, Δp) moduliert wird. Aus der mechanischen oder elektrischen Größe (M ist (t), Pel(t) nist(t)) als Systemantwort (X(t)) auf das Anregungssignal (fA,n(t), fA,H(t)) wird dann unter Verwendung der Verknüpfung der aktuelle Wert der ersten hydraulischen Größe (Q) ermittelt. Die Erfindung betrifft ferner eine Pumpenelektronik und ein Pumpenaggregat, die zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet sind.

Description

Verfahren zur Bestimmung des hydraulischen Arbeitspunktes eines Pumpenaggregats
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer ersten hydraulischen Größe eines bei einer vorgebbaren Drehzahl betriebenen
Pumpenaggregats aus einer mechanischen und/ oder elektrischen Größe durch Auswertung einer Verknüpfung der hydraulischen Größe einerseits und der mechanischen oder elektrischen Größe andererseits. Ferner betrifft die Erfindung eine Pumpensteuerung sowie ein mit einer Pumpensteuerung ausgestattetes Pumpenaggregat zur Durchführung des Verfahrens.
Der hydraulische Arbeitspunkt bei einem Pumpenaggregat wird üblicherweise durch den Volumenstrom und die Förderhöhe bzw. den von der Pumpe aufgebrachten Differenzdruck definiert. Er wird im sogenannten HQ-Diagramm dargestellt, in dem die Förderhöhe oder der Differenzdruck über dem Volumenstrom aufgetragen ist. Es gibt zahlreiche Regelungs- und Steuerungsverfahren für Pumpenaggregate, die diese hydraulischen Größen beeinflussen, insbesondere entlang vorbestimmbarer Kennlinien regeln. So sind beispielsweise Kennlinienregelungen üblich, bei denen eine bestimmte Förderhöhe für jeden Volumenstrom konstant gehalten wird, sogenannte Δρ-c Regelungen. Eine andere bekannte Regelung erfolgt entlang Kennlinien, die einen linearen Zusammenhang zwischen Förderhöhe und
Volumenstrom definieren, sogenannte Δρ-ν Regelungen.
Insoweit ist es für die Pumpenregelung erforderlich, den Volumenstrom und/oder die Förderhöhe bzw. den Differenzdruck zu kennen. Im einfachsten Fall können
Sensoren verwendet werden, beispielsweise ein Durchflusssensor zur Bestimmung des Volumenstroms oder ein Differenzdrucksensor zur Bestimmung des Differenzdrucks, aus dem dann die Förderhöhe berechnet werden kann. Derartige Sensoren verteuern jedoch die Herstellung des Pumpenaggregates. Es ist daher ein Anliegen, auf sie zu verzichten.
Neben der Messung kann eine hydraulische Größe auch rechnerisch aus einer oder mehreren dem Pumpenaggregat respektive seiner Steuerung oder Regelung bekannten Größen ermittelt werden, insbesondere unter Verwendung naturgesetzlich bestehender physikalischer Zusammenhänge mit der gesuchten hydraulischen Größe. Diese Zusammenhänge können in mathematischer Form in der Steuerung oder Regelung des Pumpenaggregates hinterlegt sein. Die Berechnung kann beispielsweise aus der elektrischen Leistungsaufnahme (Motorleistung oder
Netzeingangsleistung) erfolgen, die sich aus dem Produkt von Strom und Spannung ergibt. Dies ist eine dem Pumpenaggregat bekannte Größe, da der Strom und die Spannung je nach erforderlicher Solldrehzahl des Pumpenaggregats von der
Drehzahlsteuerung oder -regelung, insbesondere von einem Frequenzumrichter vorgegeben wird. Darüber hinaus ist es besonders einfach, mit elektrischen Mitteln den Strom und die Spannung zu messen.
Seitens des Herstellers des Pumpenaggregates kann dann das Leistungskennfeld vermessen werden. Das heißt, dass für ausgewählte Drehzahlen zu einer Vielzahl an Volumenströmen die Leistungsaufnahme bestimmt wird. Diese Werte können beispielsweise in einer Tabelle einander zugeordnet und in der Steuerung oder Regelung des Pumpenaggregates hinterlegt werden. Alternativ zur Tabelle kann aus den werksseitig ermittelten bzw. vermessenen Werten eine mathematische Funktion (z.B. ein Polynom) bestimmt werden, die den Zusammenhang zwischen
Volumenstrom und Leistung bei einer bestimmten Drehzahl beschreibt. Diese
Funktion kann dann alternativ oder zusätzlich zur Tabelle in der Regelung oder Steuerung hinterlegt sein.
Eine solche Funktion kann beispielsweise für jede Drehzahl separat gebildet sein und verwendet werden, so dass das gesamte Leistungskennfeld durch eine Schar von Funktionen beschrieben wird. Alternativ kann eine einzige Funktion verwendet werden, die die drei Größen Leistung, Drehzahl und Volumenstrom miteinander verknüpft. Die Verwendung einer Funktion anstelle einer Tabelle hat den Vorteil, dass nur wenig Speicherplatz erforderlich ist, weil keine umfangreichen Messdaten gespeichert werden müssen. Nachteilig ist dabei jedoch, dass die Auswertung der Funktion Rechenleistung erfordert. Die Verwendung einer Funktion zusätzlich zu der Tabelle hat den Vorteil, dass eine Plausibilitätsprüfung und gegebenenfalls eine Mittelung des aus der Tabelle und der Funktion bestimmten Wertes vorgenommen werden kann.
Sind die Leistungsaufnahme und die Drehzahl bekannt, kann dann aus der Tabelle oder der entsprechenden Funktion der Volumenstrom ermittelt werden. Hieraus kann dann wiederum über die Pumpenkennlinie die Förderhöhe berechnet werden, so dass man den Arbeitspunkt des Pumpenaggregats erhält.
Figur 1 zeigt den Zusammenhang zwischen der aufgenommenen elektrischen Leistung und dem Volumenstrom Q bei einem Pumpenaggregat. Dargestellt sind vier Leistungskennlinien für unterschiedliche Drehzahlen, wobei die unterste Kurve der geringsten verwendeten Drehzahl und die zu oberst liegende Leistungskennlinie der höchsten verwendeten Drehzahl zugeordnet ist. Die Leistungskennlinien
verdeutlichen, dass im oberen Volumenstrombereich eine Zweideutigkeit im
Kennlinienverlauf vorliegt, weil die Kennlinie mit zunehmendem Volumenstrom stetig bis zu einem Maximum ansteigt, bei weiter zunehmendem Volumenstrom jedoch wieder abfällt. So liegt beispielsweise bei höchster Drehzahl sowohl bei Q1 = 12m3/h als auch bei Q2 = 16m3/h dieselbe Leistungsaufnahme von etwa 250 W vor. Durch Auswertung der Tabelle oder der Funktion kann daher ausgehend von der ermittelten Leistung nicht ohne Weiteres auf den Volumenstrom geschlossen werden. Somit ist die Methode der Leistungszuordnung nur in einem eingeschränkten Bereich des Betriebsbereiches einsetzbar.
Das Problem der Zweideutigkeit der Leistungskennlinie kann dadurch umgangen werden, dass nur der linke Teil der Leistungskennlinie, d.h. derjenige Volumenstrom berücksichtigt wird, der kleiner als der beim Maximum der Leistungskennlinie vorliegende Volumenstrom ist. Dies bedeutet, dass die Hydraulik des
Pumpenaggregats in diesem Fall so ausgelegt wird, dass im vorgesehenen Betriebsbereich die Leistung immer nur stetig steigend ist und der maximale
Volumenstrom dort liegt, wo auch die Leistung ihr Maximum hat.
Dies bedeutet im Umkehrschluss, dass der hydraulische Wirkungsgrad sein
Maximum (BEP Best Efficiency Point) am rechten Rand des Betriebsbereiches hat und daher der Teillastwirkungsgrad bei geringen Volumenströmen gering ist. Für einen hohen Gesamtwirkungsgrad in typischen Pumpenanwendungen ist jedoch ein hoher Teillastwirkungsgrad weitaus wichtiger als ein hoher Volllastwirkungsgrad, da das Pumpenaggregat typischerweise nur selten bei Volllast betrieben wird. Diesem Umstand wird die Berechnung des„Energy Efficiency Index (EEI)", einer wichtigen Kenngröße für die Effizienz eines Pumpenaggregats, gerecht. Für einen optimalen Energy Efficiency Index (EEI) wäre es vorteilhaft den BEP in den Bereich mittleren Volumenstromes zu legen, weil eben hier sehr häufig der Arbeitspunkt eines
Pumpenaggregats liegt. In diesem Bereich ist dann aber die direkte Bestimmung des Volumenstroms aus der Leistung nicht mehr möglich.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung einer hydraulischen Größe eines Pumpenaggregates bereitzustellen, dass ohne Sensor für diese hydraulische Größe auskommt und die Steuerung oder Regelung des Pumpenaggregates nicht limitiert.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie eine
Pumpenelektronik nach Anspruch 21 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Bestimmung einer ersten hydraulischen Größe eines bei einer vorgebbaren Drehzahl betriebenen Pumpenaggregates aus einer mechanischen und/ oder elektrischen Größe durch Auswertung einer
Verknüpfung der hydraulischen Größe einerseits und der mechanischen oder elektrischen Größe anderseits vorgeschlagen, bei dem eine Stellgröße des
Pumpenaggregats derart mit einem periodischen Anregungssignal einer bestimmten Frequenz beaufschlagt wird, dass eine zweite hydraulische Größe moduliert wird, wobei aus der mechanischen oder elektrischen Größe als Systemantwort auf das Anregungssignal unter Verwendung der Verknüpfung der aktuelle Wert der ersten hydraulischen Größe ermittelt wird.
Diese Lösung löst Mehrdeutigkeiten in der Verknüpfung der Größen auf. Sie ermöglicht einem Pumpenaggregat unter der Verwendung der ihm zur Verfügung stehenden Informationen, d.h. über zumindest eine elektrische und/ oder
mechanische Größe, wie beispielsweise den Strom, die Spannung, die elektrische Leistung, das Drehmoment, die Drehzahl, oder die mechanische Leistung, und ohne den Einsatz eines Druck- oder Volumenstromsensors auf den hydraulischen
Arbeitspunkt zu schließen, der beispielsweise durch die erste und zweite
hydraulische Größe, vorzugsweise durch den Volumenstrom und die Förderhöhe definiert ist.
Das Pumpenaggregat kann eine elektromotorisch betriebene Kreiselpumpe sein, beispielsweise eine Heizungspumpe in einem Heizungssystem oder eine
Kühlmittelpumpe in einem Kühlsystem.
Es sei angemerkt, dass„modulieren" im Sinne der Erfindung als Änderung zu verstehen ist, jedoch die Art, Höhe und Geschwindigkeit des Anregungssignals in keiner Weise eingeschränkt ist. Ferner ist, soweit nachfolgend von einer Steuerung des Pumpenaggregat die Rede ist, unter diesem Begriff auch eine Regelung zu verstehen, da eine Regelung lediglich eine Steuerung mit einer Rückkopplung einer bestimmten Größe beinhaltet.
Gemäß einer ersten Ausführungsvariante kann aus der Amplitude und / oder der Phasenlage des Wechselanteils der mechanischen oder elektrischen Größe unter Verwendung der Verknüpfung der aktuelle Wert der ersten hydraulische Größe ermittelt werden. Dies bedeutet, dass zunächst der Wechselanteil der mechanischen oder elektrischen Größe bestimmt wird und dessen Amplitude oder Phasenlage ermittelt. Anschließend wird die Verknüpfung verwendet, um aus der ermittelten Amplitude oder Phasenlage den Wert der hydraulischen Größe zu bestimmen.
Vorzugsweise werden dabei nicht die absoluten Werte für die Amplitude und
Phasenlage verwendet sondern relative Werte, die sich auf das Anregungssignal beziehen. Im Falle der Phasenlage würde dies bedeuten, dass ermittelt wird, um wie viel Grad die Phase der Systemantwort gegenüber dem Anregungssignal verschoben ist. Im Falle der Amplitude bedeutet dies, dass das Verhältnis der Amplitude des Wechselanteils der Systemantwort gegenüber der Amplitude des Anregungssignals ermittelt wird. Die Auswertung der Systemantwort anhand der Verknüpfung kann also sowohl mit absoluten als auch mit relativen Werten erfolgen.
Bei allen Ausführungsvarianten der Erfindung kann die Verknüpfung durch eine Tabelle oder wenigstens eine mathematische Funktion gegeben sein. Im Falle der ersten Ausführungsvariante würde diese Tabelle oder die wenigstens eine Funktion zu einer bestimmten Drehzahl oder zu einer Vielzahl von Drehzahlen jedem Wert oder einer Anzahl von Werten der ersten hydraulischen Größe einen Amplitudenwert oder Phasenwert des Wechselanteils zuordnen. Dies ermöglicht auf besonders einfache Art, den aktuellen Wert der ersten hydraulischen Größe zu bestimmen. Diese Zuordnung ist werksseitig beim Hersteller des Pumpenaggregats
durchzuführen, indem er das Pumpenaggregat jeweils bei verschiedenen Drehzahlen unter Beaufschlagung der Stellgröße mit dem Anregungssignal betreibt und dabei die erste hydraulische Größe misst sowie die Amplitude und Phasenlage des
Wechselanteils misst oder aus ihm bekannten Zusammenhängen berechnet. Diese ermittelten Werte können dann tabellarisch einander zugeordnet und in einer
Steuerung des Pumpenaggregats hinterlegt werden.
Die Verwendung der Verknüpfung kann dann im Falle der Tabelle derart erfolgen, dass in derjenigen Zeile oder Spalte, in der eine der aktuellen Drehzahl
entsprechende Drehzahl steht, nach dem ermittelten Amplitudenwert oder
Phasenwert gesucht wird. Ist dieser oder ein ähnlicher gefunden, kann der dem Amplitudenwert oder Phasenwert durch die entsprechende Spalte oder Zeile zugeordnete Wert der ersten hydraulischen Größe bestimmt werden.
Wird anstelle der Tabelle eine Funktion verwendet, kann diese, aufgelöst zur ersten hydraulischen Größe, verwendet werden, um aus dem ermittelten Amplitudenwert oder Phasenwert den Wert der ersten hydraulischen Größe zu berechnen. Ist die Verknüpfung durch mehrere Funktionen gegeben, von denen jeweils ein für eine bestimmte Drehzahl gültig ist, muss zunächst diejenige Funktion bestimmt werden, die für die aktuelle Drehzahl gültig ist. In diese Funktion braucht dann nur der Amplitudenwert oder Phasenwert eingegebenen zu werden. Ist die Verknüpfung dagegen durch eine einzige Funktion gegeben, muss dieser der ermittelte
Amplitudenwert oder Phasenwert und die aktuelle Drehzahl eingegeben werden, damit die Funktion den Wert der ersten hydraulischen Größe liefert.
Gemäß einer zweiten Ausführungsvariante kann das Produkt aus der Systemantwort und einer periodischen Funktion der gleichen oder eines Vielfachen der Frequenz des Anregungssignals gebildet werden. Anschließend wird das Integral dieses Produkts über einen vorgegebenen, insbesondere endlichen Integrationszeitraum berechnet und aus dem Wert des Integrals unter Verwendung der Verknüpfung der Wert der ersten hydraulischen Größe ermittelt. Aus dem Wert des Integrals wird anschließend unter Verwendung der Verknüpfung der Wert der hydraulischen Größe (Q, H) ermittelt.
Alternativ zur periodischen Funktion kann auch der Wechselanteil der mechanischen oder elektrischen Größe, beispielsweise des Istdrehmoments, der Istdrehzahl oder der elektrischen Leistungsaufnahme des Pumpenaggregats verwendet werden. In diesem Fall würde das Produkt aus der Systemantwort und diesem Wechselanteil gebildet und integriert werden. Auch wird dann aus dem Wert des Integrals unter Verwendung der Verknüpfung der Wert der hydraulischen Größe (Q, H) ermittelt.
Das aktuelle Drehmoment (Istdrehmoment), die aktuelle Drehzahl (Istdrehzahl) oder die aktuelle elektrische Leistungsaufnahme können hierfür gemessen oder aus anderen Größen berechnet werden. Gemessene Werte müssen gegebenenfalls zunächst vorverarbeitet werden, zum Beispiel gefiltert werden, bevor sie/ es zur Multiplikation mit der Systemantwort geeignet ist. Dies kann beispielsweise durch eine Hoch- oder Bandpassfilterung. Bei hinreichend großer Anregung des Systems enthält der Wechselanteil eine dominierende Grundschwingung, die in Phase und Frequenz dem Anregungssignal annähernd entspricht. Das Ergebnis der Integration entspricht dann bis auf einen Skalierungsfaktor hinreichend genau dem Ergebnis, das man mit einer rein mathematischen periodischen Funktion, zum Beispiel einer Sinus- oder Cosinusfunktion, erhalten würde. Insbesondere kann das Ergebnis dieser Berechnung in gewohnter Weise mit der zu bestimmenden ersten
hydraulischen Größe verknüpft und diese so eindeutig bestimmt werden. Die Verknüpfung der hydraulischen Größe mit der mechanischen oder elektrischen Größe kann auch bei der zweiten Ausführungsvariante in Form einer Tabelle oder einer mathematischen Funktion gegeben sein.
Beispielsweise kann in einer solchen Tabelle zu einer bestimmten Drehzahl einer Anzahl von Werten der ersten hydraulischen Größe jeweils ein Wert des Integrals zuordnet sein. Diese Zuordnung ist werksseitig beim Hersteller des
Pumpenaggregats durchzuführen, indem er das Pumpenaggregat jeweils bei verschiedenen Drehzahlen betreibt und dabei die erste hydraulische Größe misst und das Integral wie zuvor genannt oder aus anderen ihm bekannten
Zusammenhängen berechnet. Diese ermittelten Werte können dann tabellarisch einander zugeordnet und in einer Steuerung des Pumpenaggregats hinterlegt werden.
Alternativ zu der Tabelle kann durch die mathematische Funktion zu einer
bestimmten Drehzahl jedem Wert der hydraulischen Größe jeweils ein Wert des Integrals zugeordnet sein bzw. zugeordnet werden. Auch diese Zuordnung setzt zunächst voraus, dass der Hersteller das Pumpenaggregats zunächst vermisst, indem er das Pumpenaggregat jeweils bei verschiedenen Drehzahlen betreibt und dabei die erste hydraulische Größe misst und das Integral wie zuvor genannt oder aus anderen ihm bekannten Zusammenhängen berechnet. Diese ermittelten
Integralwerte werden dann jedoch nicht in einer Tabelle abgelegt. Vielmehr wird eine Funktion, z.B. ein Polynom l(Q) gesucht, das eine Kurve beschreibt, auf der die gemessenen Werte der hydraulischen Größe liegen. Dabei kann entweder für eine Anzahl verschiedener bestimmter Drehzahlen jeweils eine eigene mathematische Funktion (Polynom) aufgestellt werden oder eine allgemeine mathematische Funktion (Polynom) bestimmt werden, die das gesamte Kennfeld des Pumpenaggregats beschreibt, d.h. eine Funktion (Polynom) l(Q,n), die die Abhängigkeit des
Integralwerts sowohl von der ersten hydraulischen Größe (Q) als auch von der Drehzahl (n) beschreibt. Dies gilt auch für die erste Ausführungsvariante.
Es ist von Vorteil, wenn die periodische Funktion, mit der die Systemantwort multipliziert wird, eine Sinusfunktion ist. Es ist dann möglich, aus der Tabelle oder der mathematischen Funktion direkt einen Wert der ersten hydraulischen Größe zu ermitteln, der dem berechneten Wert des Integrals zugeordnet ist oder durch die mathematische Funktion zugeordnet wird, da die Sinusfunktion zur Folge hat, dass die Integration zu einem Wert führt, der, aufgetragen über der ersten hydraulischen Größe, eindeutig ist. Dies ist in Figur 2 veranschaulicht.
Somit kann aus der Tabelle, die jedem Wert der ersten hydraulischen Größe einen Integralwert zuordnet, rückwärts derjenige Wert der ersten hydraulischen Größe ermittelt werden, der dem berechneten Wert des Integrals zugeordnet ist. Somit unterscheidet sich die zweite Ausführungsvariante von der ersten
Ausführungsvariante im Hinblick auf die Tabelle lediglich darin, dass anstelle der Amplitudenwerte oder Phasenwerte die Integralwerte in der Tabelle stehen.
Sofern eine direkte Zuordnung nicht erfolgen kann, weil der Integralwert zwischen zwei Tabellenwerten liegt, kann durch Interpolation der diesen beiden
Tabellenwerten zugeordneten Integralwerten ein dem berechneten Integralwert zuzuordnender Wert der ersten hydraulischen Größe gefunden werden. Dies ist auch bei der ersten Ausführungsvariante möglich.
Ferner kann dann im Fall der Verwendung einer mathematischen Funktion aus dieser mathematischen Funktion durch Einsetzen des berechneten Integralwerts der Wert der hydraulischen Größe berechnet werden. Sofern mehrere mathematische Funktionen verwendet werden, die jeweils nur für eine bestimmte Drehzahl gültig sind, muss natürlich zuvor ermittelt werden, wie hoch die aktuelle Drehzahl ist, um dann zu ermitteln, welche der mathematischen Funktionen zur Berechnung der ersten hydraulischen Größe zu verwenden ist. Die Drehzahl ist der
Pumpensteuerung beispielsweise zumindest in Gestalt der Solldrehzahl bekannt.
Gemäß einer anderen Ausführungsvariante sind in der Tabelle oder der
mathematischen Funktion anstelle der Integralwerte Werte der mechanischen und/ oder elektrischen Größe mit Werten der ersten hydraulischen Größe verknüpft, wie dies an sich im Stand der Technik bekannt ist. Dies bedeutet, dass hier die Verknüpfung durch eine Tabelle oder wenigstens eine mathematische Funktion gegeben ist, die zu einer bestimmten Drehzahl jedem Wert der ersten hydraulischen Größe einen Wert der mechanischen oder elektrischen Größe zuordnet. Wie bereits einleitend erläutert, besteht in diesem Fall eine Mehrdeutigkeit der Verknüpfung. Der Wert der mechanischen oder elektrischen Größe ist dabei vorzugsweise ein
Mittelwert, oder mit anderen Worten, ein solcher Wert, der bei Abwesenheit einer periodischen Anregung vorliegt.
Die Mehrdeutigkeit kann aufgelöst werden, indem als Funktion, mit der die
Systemantwort multipliziert wird, eine Cosinusfunktion verwendet wird und der berechnete Wert des Integrals zur Unterscheidung verwendet wird, welcher Teil der Tabelle oder welcher Wertebereich der mathematischen Funktion zur Bestimmung des Wertes der ersten hydraulischen Größe für den aktuellen Betriebspunkt gültig ist. Dies lässt sich anhand von Figur 3 beispielhaft erklären. Das Integral über das Produkt von Systemantwort und Cosinusfunktion (in Figur 3 ist beispielhaft die
Leistung als Systemantwort verwendet) besitzt dort einen Nulldurchgang, wo die mechanische oder elektrische Größe als Funktion der hydraulischen Größe ihr Maximum hat. Insoweit kann dann zur Bestimmung des Werts der ersten
hydraulischen Größe der Wert des berechneten Integrals herangezogen werden wobei der Integralwert mit einem Schwellwert verglichen wird. Für einen Schwellwert null ergibt sich dann der in Figur 3 dargestellte Fall, bei dem das Vorzeichen verwendet werden kann, um zu bestimmen, welcher Teil der Tabelle oder welcher Wertebereich der mathematischen Funktion zur Bestimmung des Wertes der ersten hydraulischen Größe für den aktuellen Betriebspunkt gültig ist.
Ist das Vorzeichen negativ werden nur diejenigen Werte der ersten hydraulischen Größe berücksichtigt, die unterhalb desjenigen Werts der ersten hydraulischen Größe liegen, bei der die mechanische oder elektrische Größe ihr Maximum hat. Anderenfalls, d.h. wenn das Vorzeichen positiv ist, werden nur diejenigen Werte der ersten hydraulischen Größe berücksichtigt, die oberhalb desjenigen Werts der hydraulischen Größe liegen, bei der die mechanische oder elektrische Größe ihr Maximum hat. Gegebenenfalls kann auch ein anderer Schwellwert, der von Null verschieden ist, zur Auflösung der Mehrdeutigkeit verwendet werden.
Vorzugsweise ist die mit dem Anregungssignal beaufschlagte Stellgröße eine
Solldrehzahl oder ein Solldrehmoment des Pumpenaggregats, d.h. eine mechanische Größe, die von einer Regelung des Pumpenaggregats versucht wird, auf einem bestimmen Wert zu halten. Drehzahl- oder Drehmomentregelungen sind bei Pumpenaggregaten an sich bekannt. Die periodische Anregung der Solldrehzahl oder des Solldrehmoment ist eine einfache Maßnahme, eine Modulation der zweiten hydraulischen Größe zu erreichen.
Als erste hydraulische Größe kann beispielsweise der Volumenstrom Q des
Pumpenaggregats verwendet werden. Die zweite hydraulische Größe kann dann geeigneterweise die Förderhöhe H oder der Differenzdruck Δρ sein. Letztere können sehr einfach moduliert werden, indem die Drehzahl oder das Drehmoment des Pumpenaggregats moduliert wird.
Vorzugsweise ist die mechanische Größe das vom Pumpenaggregat abgegebene Drehmoment oder die Istdrehzahl des Pumpenaggregats. Die elektrische Größe kann beispielsweise die vom Pumpenaggregat aufgenommene elektrische Leistung Pei oder der Strom sein. Die Änderung zumindest einer dieser Größen infolge der Modulation der zweiten hydraulischen Größe wird dann als Systemantwort
betrachtet.
Es kann somit eine beliebige Paarungen zwischen der angeregten Stellgröße und der zu analysierenden Systemantwort verwendet werden. So kann beispielsweise die Solldrehzahl moduliert und die daraus resultierende Istdrehzahl ausgewertet werden. Anstelle der Istdrehzahl kann das abgegebenen Drehmoment oder die elektrische Leistungsaufnahme zur Auswertung herangezogen werden. Und anstelle der
Anregung der Solldrehzahl kann das Solldrehmoment angeregt werden und die daraus resultierende Istdrehzahl, das abgegebenen Drehmoment oder die
elektrische Leistungsaufnahme ausgewertet werden.
Das Anregungssignal ist idealerweise ein periodisches Signal, insbesondere ein Sinussignal oder ein eine Sinusfunktion enthaltendes Signal. Letzteres kann auch beispielsweise ein Dreieck- oder Sägezahnsignal sein.
Die Frequenz des Anregungssignals liegt vorteilhaft zwischen 0,01 Hz und 100 Hz. Nachteilig bei einer zu geringen Frequenz ist allerdings die Dauer einer vollständigen Periode, die bei einer Anregungsfrequenz von beispielsweise 0,01 Hz bei 1 Minute und 40 Sekunden liegt. Je länger die Periodendauer ist, desto größer ist die
Wahrscheinlichkeit, dass sich der hydraulische Widerstand des Systems, und infolge dessen auch der Arbeitspunkt des Pumpenaggregats verändert, so dass die
Bestimmung des aktuellen Arbeitspunktes verfälscht wird. Deshalb sollte die
Anregungsfrequenz nicht zu klein sein. Gleichwohl sind der Frequenz aufgrund der Trägheit des Rotors, des Laufrads und der Flüssigkeit nach oben hin Grenzen gesetzt.
Die Amplitude des Anregungssignals ist vorzugsweise kleiner als 25% des
Drehzahlsollwerts. Sie kann insbesondere zwischen 0,1 % und 25% des
Drehzahlsollwerts betragen. Bei einer Solldrehzahl von beispielsweise 2000 U/min kann also eine Drehzahlschwankung von ± 2 U/min bis ± 500 U/min geeignet sein.
Die Amplitude des Anregungssignals kann aus einer gewünschten
Förderhöhenschwankung mit Hilfe einer den Zusammenhang zwischen der Drehzahl und der Förderhöhe am Pumpenaggregat beschreibenden mathematischen
Gleichung berechnet werden. Diese Gleichung kann beispielsweise aus dem den stationären Zusammenhang zwischen Förderhöhe H, Drehzahl n und Volumenstrom Q beschreibenden Formel
Hp(Q,n) = an2 -bQn - cQ2 GL1 ermittelt werden, wobei a, b und c Kenngrößen der Pumpenkennlinie sind. Setzt man für Hp - Ho + fA.H ein, wobei fA,H die gewünschte Schwankung der Förderhöhe H um die stationäre Förderhöhe Ho beschreibt, so ergibt sich: HQ + fA>H = an2 - bQn - cQ2
bQ . cQ2 H0 fA,H __
n2 - n - a a a a
2 bQ cQ2 {anQ 2 - bQnQ - cQ2) A,H
n —— n 0 a a a a
Figure imgf000015_0001
a a a
Figure imgf000015_0002
Für Q=0 gilt also:
Figure imgf000015_0003
Sofern eine bestimmte Änderung fA H der Förderhöhe H erreicht werden soll, kann also mit Gleichung Gl. 7 oder Gl. 8 die Änderung des Drehzahl-Anregungssignals ermittelt werden.
Bei der zweiten und weiteren Ausführungsvariante wird das Integral des Produkts aus der Systemantwort und der periodischen Funktion über einen Zeitraum T berechnet. Dieser Integrationszeitraum T kann eine Periode oder kann ein Vielfaches der Periode des Anregungssignals betragen. Es ist von Vorteil, wenn die Modulation ununterbrochen, d.h. während der gesamten Betriebszeit des Pumpenaggregats erfolgt. Auf diese Weise können Änderungen des Arbeitspunktes unmittelbar erkannt werden. Dies wäre nicht möglich, wenn das erfindungsgemäße Verfahren nur in zeitlichen Abständen für jeweils einen begrenzten Zeitraum angewendet werden würde. Die Erfassung der mechanischen oder elektrischen Größe als Systemantwort auf die Modulation kann entweder zu diskreten Zeitpunkten oder kontinuierlich erfolgen. Die Systemantwort liegt dann als Folge von Werten vor, so dass die Multiplikation mit der Funktion und die Integration des so erhaltenen Produkts jederzeit erfolgen können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens kann während der Berechnung des Integrals mindestens ein weiteres Integral aus dem Produkt aus der Systemantwort und der Funktion über denselben Integrationszeitraum berechnet werden, wobei der Beginn dieses
Integrationszeitraums des weiteren Integrals zeitlich versetzt zum Beginn des
Integrationszeitraums des ersten Integrals liegt. Die berechneten Werte der Integrale können dann zu einem gemittelten Wert zusammengefasst werden. Dies hat den Effekt, dass die ermittelte Systemantwort geglättet wird.
Durch die Verwendung eines endlichen Integrationszeitraums werden die zu integrierenden Werte aus der Reihe erfasster Systemantwortwerte quasi
„ausgeschnitten". Dies ist in der Signalverarbeitung als„Fensterung" bekannt, d.h. dass die Werte durch Multiplikation mit einer Fensterfunktion Fp(t) ausgeschnitten werden, die die Form FF(t) = f(t) für to < t < ti und Fp(t) = 0 sonst, aufweist. Im einfachsten Fall, für f(t) = 1 (Rechteckfenster), werden die„ausgeschnittenen" Werte unverändert mit der Funktion multipliziert und anschließend integriert, d.h. es findet keine Gewichtung der Werte statt. Es ist aber von Vorteil, wenn eine Filterung der Werte angewendet wird, indem eine Gewichtung der zu integrierenden Werte angewendet wird. Eine solche Gewichtung kann beispielsweise durch eine
Multiplikation der Systemantwort mit einer Fensterfunktion erfolgen, die die in der Mitte des Fensters liegenden Werte stärker gewichtet als die am Rand des Fensters liegenden Werte. Für eine solche Gewichtung stehen eine Vielzahl bekannter und in der Praxis üblicher Fensterfunktionen zur Verfügung, z.B. Hamming-Fenster, Gauß- Fenster, etc.
Falls der Arbeitspunkt des hydraulischen Systems nicht konstant ist, wird durch die Arbeitspunktänderung der Wert des berechneten Integrals verfälscht. Diese
Verfälschung kann jedoch zumindest teilweise korrigiert werden, indem eine lineare Verschiebung des Arbeitspunktes angenommen und diese bei der Berechnung des Integrals korrigiert wird. Im einfachsten Fall werden dazu die Werte der Systemantwort zu Beginn und zum Ende des Integrationszeitraumes ermittelt, insbesondere gemessen, und aus diesen beiden Werten eine lineare Änderung der Systemantwort pro Zeit ermittelt. Diese lineare Änderung wird dann von allen im Integrationszeitraum ermittelten Werten der Systemantwort subtrahiert und erst dann das Integral gebildet. In diesem Fall müssen dazu jedoch die ermittelten Werte zunächst gespeichert werden. Das Integral kann dann wie folgt berechnet werden:
Figure imgf000017_0001
ω wobei l(to+T) das zu berechnende Integral vom Zeitpunkt to über den
Integrationszeitraum T, X(t) die Systemantwort ist, S(t) die periodische Funktion, ki eine positive ganze Zahl und ω die Frequenz des Anregungssignals fA,n(t), fA,H(t) ist.
Es ist auch möglich diese Korrektur erst nach der Berechnung des Integrals durchzuführen, um auf die Zwischenspeicherung der gemessenen Werte verzichten zu können. Dazu sei hier auf die entsprechende Fachliteratur zu
Integraltransformationen nach dem Stand der Technik verwiesen.
Erfindungsgemäß wird auch eine Pumpenelektronik zur Steuerung und/ oder
Regelung der Solldrehzahl eines Pumpenaggregats vorgeschlagen, die zur
Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens eingerichtet ist. Gleichfalls wird ein Pumpenaggregat aufweisend eine solche Pumpenelektronik vorgeschlagen. Das Pumpenaggregat kann beispielsweise eine Heizungspumpe, Kühlmittelpumpe oder eine Trinkwasserpumpe sein. Hier ist es regelmäßig erforderlich, den Volumenstrom zu ermitteln, um eine energieeffiziente Pumpenregelung durchführen zu können. Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auf
Volumenstromsensoren verzichtet werden. Dies vereinfacht baulich das
Pumpengehäuse und verbilligt die Herstellung des Pumpenaggregats. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Pumpenaggregat um eine elektromotorisch betriebene Kreiselpumpe, idealerweise in Nassläuferbauweise. Ein solches kann in einer Heizungs-, Kühl- oder Trinkwasseranlage verwendet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen und der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 : Diagramm mit Leistüngskennlinien eines Pumpenaggregats bei
verschiedenen Drehzahlen.
Figur 2: Diagramm mit vier zu unterschiedlichen Drehzahlen gehörenden Kurven, die jedem Volumenstrom einen Wert des Integrals aus dem Produkt der
Leistung und einer Sinusfunktion über einen Integrationszeitraum von einer Periode des Anregungssignals zuordnen.
Figur 3: Diagramm mit vier zu unterschiedlichen Drehzahlen gehörenden Kurven, die jedem Volumenstrom einen Wert des Integrals aus dem Produkt der
Leistung und einer Cosinusfunktion über einen Integrationszeitraum von einer Periode des Anregungssignals zuordnen.
Figur 4: Ablaufdiagramm des Verfahrens
Figur 5: Arbeitspunkt eines Pumpenaggregats im HQ-Diagramm
Figur 6: System zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
Figur 7: Blockschaltbild einer analogen Schaltung zur Berechnung der modulierten
Solldrehzahl
Figur 8: Diagramm mit vier zu unterschiedlichen Drehzahlen gehörenden Kurven, die jedem Volumenstrom einen Amplitudenwert der modulierten
Istdrehzahl zuordnen.
Figur 9: Diagramm mit vier zu unterschiedlichen Drehzahlen gehörenden Kurven, die jedem Volumenstrom einen Phasenwert der modulierten Istdrehzahl gegenüber dem Anregungssignal zuordnen.
Das im Folgenden beschriebene Verfahren der hydraulischen
Arbeitspunktbestimmung nutzt neben der statischen Hydraulikkennline zusätzlich Informationen über das dynamische Verhalten des Systems, das durch eine gezielte Anregung analysiert wird. Ein Modell des Systems, in dem eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahren angewendet werden kann, zeigt Figur 6 als Blockdiagramm. Dort ist ein drehzahlregelbares Kreiselpumpenaggregat 1 dargestellt, das mit einem
Rohrleitungssystem 5 verbunden respektive in dieses eingebunden ist. Das System kann beispielsweise eine Heizungsanlage, das Pumpenaggregat 1 entsprechend eine Heizungspumpe sein. Das Rohrleitungssystem 5 ist dann durch die zu den Heizkörpern oder Heizkreisläufen führenden und von diesen zu einer zentralen Heizquelle zurückführenden Leitungen gebildet. Beispielsweise kann als Flüssigkeit Wasser in den Rohrleitungen 5 zirkulieren, das durch das Pumpenaggregat 1 angetrieben ist. Das Pumpenaggregat 1 besteht aus einer Pumpeneinheit 2, die den hydraulischen Teil des Aggregats 1 bildet, einer elektromotorischen Antriebseinheit 3, die den elektro-mechanischen Teil des Aggregats 1 bildet, und einer Steuerung oder Regelung 4. Die Antriebseinheit 3 besteht aus einem elektromagnetischen Teil 3a und einem mechanischen Teil 3b. Die Regelung 4 besteht zum einen aus Software 4a, zum anderen aus Hardware 4b, die die Steuer- und/ oder Regelungselektronik sowie Leistungselektronik wie beispielsweise einen Frequenzumrichter umfasst.
Der Regelungselektronik 4 ist eine Solldrehzahl no vorgegeben. Aus der aktuellen Stromaufnahme I und der aktuellen Drehzahl nist der Antriebseinheit 3 berechnet sie hierzu eine Spannung U die der Leistungselektronik 4b vorgegeben wird, damit diese der Antriebseinheit 3 eine entsprechende elektrische Leistung Pei, zur Verfügung stellt. Der elektromagnetische Teil 3a der Antriebseinheit 3, der den Stator, Rotor sowie ihre elektromagnetische Kopplung beschreibt, erzeugt aus dem Strom ein mechanisches Drehmoment Mist. Dieses beschleunigt den Rotor und führt zu einer entsprechenden Drehzahl n der Antriebseinheit 3, was in dem mechanischen Teil 3b des Modells der Antriebseinheit 3 umfasst ist. Mit der Drehzahl nist wird das auf der Rotorwelle sitzende Pumpenlaufrad des hydraulischen Teils 2 des Pumpenaggregats 1 angetrieben. Das Pumpenaggregat 1 erzeugt dadurch eine Förderhöhe H, die in dem Rohrleitungssystem 5 je nach Rohrleitungswiderstand einen mehr oder weniger großen Volumenstrom Q erzeugt. Aus der hydraulischen Leistung und den damit verbundenden Verlusten kann ein hydraulisches Moment Mhyd definiert werden, das dem Motormoment Mist als Bremsmoment entgegenwirkt. Der prinzipielle Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Figur 4 dargestellt. Das Verfahren wird im bestimmungsgemäßen Betrieb des Pumpenaggregats durchgeführt, d.h. wenn das Pumpenaggregat 1 mit einem Rohrleistungssystem 5 verbunden und mit der Solldrehzahl no betrieben wird. Ausgehend von der Vorgabe der Solldrehzahl no in Schritt S1 , die manuell vorgegeben sein kann oder aus einer einstellbaren Kennlinienregelung (z.B. Δρ-c, Δρ-ν) oder einer dynamischen
Anpassung des Arbeitspunktes resultieren kann, umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die drei nacheinander durchzuführenden Schritte, die fortlaufend
wiederholt werden können:
- Anregung des Systems, Schritt S3;
- Ermittlung der Systemantwort, Schritt S4;
- Bestimmung der gesuchten hydraulischen Größe respektive des
Arbeitspunktes aus der Anregung und der Systemantwort, Schritt S5.
Die zu bestimmende hydraulische Größe ist beispielhaft der Volumenstrom Q des Pumpenaggregats. Aus dem allgemein bekannten physikalisch-mathematischen Zusammenhang zwischen Volumenstrom Q und Förderhöhe H am Pumpenaggregat 1 kann die Förderhöhe H ermittelt werden, so dass der hydraulische Arbeitspunkt [Q, H] des Pumpenaggregats feststeht. Der physikalisch-mathematische
Zusammenhang ist durch die Pumpenkennlinie HP(Q,n)
Figure imgf000020_0001
und die Rohrnetzparabel HR(Q)
Figure imgf000020_0002
definiert, wobei der stationäre Arbeitspunkt im Schnittpunkt der Pumpenkennlinie und der Rohrnetzparabel liegt, siehe Figur 5. Dort gilt
HR (Q) = Hp (Q, n) G . 3 Die Pumpenkennlinie Hp(Q) ist seitens des Herstellers aus der Vermessung des Pumpenaggregats bekannt. Die Parameter a, b, c sind konstante Kenngrößen der Pumpenkennlinie. Die Rohrnetzparabel ist abhängig vom Zustand des mit dem Pumpenaggregat verbundenen Rohrleitungssystems, dessen hydraulischer
Widerstand sich in der Steigung d der Rohrnetzparabel ausdrückt. Der hydraulische Widerstand wird durch den Öffnungsgrad der im Rohrleitungssystem befindlichen Ventile weitgehend bestimmt, so dass sich die Steigung d aus der Ventilstellung ergibt.
Die Anregung des Systems erfolgt dadurch, dass die stationäre Solldrehzahl n0 mit einem Anregungssignal fA,n(t) moduliert wird, so dass sich die von der
Pumpenelektronik 4 einzustellende neue Solldrehzahl nSOii aus der Summe der zuvor vorgegebenen Solldrehzahl no und dem Anregungssignal fA,n (t) ergibt:
Figure imgf000021_0001
Es kann sich z.B. eine sinusförmige Variation der Drehzahl ergeben, wobei aber auch andere Modulationen denkbar sind. Das Anregungssignal fA,n(t) ist dann beispielsweise ein Sinussignal der Form
Λ,« ( = .«ι sin©* Gl. 6 mit der Amplitude r>i und der Frequenz ω - 2 ί.
Die Amplitude beträgt zwischen 0,1 % und 25% der Solldrehzahl no und kann werksseitig eingestellt und fest sein.
Es ist jedoch vorteilhaft, wenn nicht die Drehzahl n, sondern die Förderhöhe H sinusförmig angeregt wird, so dass gilt
H(t) = H0 + fAfH (t) = H0 + Hx · sin(tftf) Gi. i mit der Amplitude Hi und der Frequenz ω
Sofern also nicht eine bestimmte Drehzahlschwankung fA,n(t) sondern vielmehr eine bestimmte Förderhöhenschwankung fA,H(t) erreicht werden soll, beispielsweise ±15cm, welche aber abhängig vom aktuellen Betriebspunkt des Pumpenaggregats 2 ist, d.h. von der aktuellen Drehzahl n=n,si und dem aktuell geförderten Volumenstrom Q, so kann vor der Anregung des Systems, Schritt S3 die zur Erreichung der gewünschten Förderhöhenschwankung fA,H(t) erforderliche Drehzahlschwankung fA,n(t), berechnet werden, Schritt S2:
Figure imgf000022_0001
Da der Volumenstrom Q im allgemeinen hier erst durch das erfindungsgemäße Verfahren bestimmt werden soll und somit unbekannt ist, kann Gl. 8 durch die Näherung Q = 0 zu Gl. 9 vereinfacht werden.
Figure imgf000022_0002
Die Berechnung nach Gleichung Gl. 8 oder 9 kann numerisch in einem
Mikroprozessor der Pumpenelektronik 4 oder aber durch eine analoge Schaltung ausgeführt werden, wie sie beispielhaft in Figur 7 als Blockschaltbild dargestellt ist.
Wird das erfindungsgemäße Verfahren immer wieder wiederholt, folgt Schritt S2 auf Schritt S5. Der im Rahmen der Arbeitspunktbestimmung in Schritt S5 ermittelte Volumenstrom Q kann dann direkt in Gleichung 8 verwendet werden.
Es ist aber auch möglich, das Anregungssignal ohne Berücksichtigung des
Volumenstroms Q zu ermitteln, in diesem Fall gilt Gl. 9; Die Anregungsfrequenz f ist so zu bemessen, dass die Förderhöhe H trotz der Trägheit des Rotors der Anregungsfunktion ΪΑ,Η möglichst gut folgt. In dem
Ausführungsbeispiel ist eine Frequenz f von 1 Hz verwendet.
Die in Reaktion auf die Anregung folgende Systemantwort manifestiert sich in verschiedenen physikalischen Größen des Pumpenaggregats, sowie auch rein mathematisch in den Modellen, d.h. dem elektrischen Modell 4b,
elektromagnetischen Modell 3a, mechanischen Modell 3b und hydraulischen Modell 2 vorliegenden Größen. Es genügt jedoch, eine einzige mechanische oder
elektrische Größe des Pumpenaggregats auszuwerten. In dem Ausführungsbeispiel ist als Systemantwort X(t) auf die Modulation die aufgenommene elektrische Leistung Pei (Figuren 1 , 2, 3) und, alternativ dazu, das mechanische Drehmoment Mmot verwendet. Die aufgenommene elektrische Leistung Pe/ wird gemessen bzw. aus gemessenem Strom und gemessener oder berechneter Spannung ermittelt. Das Drehmoment Mist kann gemessen oder aus dem drehmomentbildenden Strom berechnet werden, der in dem mathematischen elektromagnetischen und
mechanischen Modell in der Regelungselektronik 4 für die Durchführung der
Regelung oder zur Beobachtung des Systems zur Verfügung steht.
Die Bestimmung der Leistung Pe/ und/ oder des Drehmoments M,si kann durch
Abtastung zu diskreten Zeitpunkten oder kontinuierlich erfolgen, so dass die
Systemantwort X(t) als eine diskrete oder kontinuierliche Reihe von Messwerten bzw. berechneten Werten vorliegt. Dies ist von Schritt 4 der Figur 4 umfasst. Der
Einfachheit halber wird hier nur der Fall der kontinuierlichen Reihe behandelt.
Für die Berechnung des Arbeitspunktes in Schritt S5 wird zunächst der
Volumenstrom Q ermittelt. Dies erfolgt dadurch, dass die Systemantwort X(t) zuerst mit einer periodischen Funktion S(t) multipliziert wird, d.h. das Produkt aus der Systemantwort X(t) und dieser periodischen Funktion S(t) gebildet wird. Die
periodische Funktion S(t) ist in dem vorliegenden Beispiel eine Sinusfunktion Si(t) = Ssin(t) oder Cosinusfunktion S2(t) = Scos(t) der Form g sm(k - t) GI. 10
oder scos(t) g2 · COS(k · G)t) Gl. 1 1 wobei gi, g2 Skalierungsfaktoren sind und k eine positive ganze Zahl. Die Parameter g-i, g2 und k können unabhängig voneinander gewählt werden. In dem Beispiel sind gi = g2 = k = 1 gesetzt. Dies verdeutlicht, dass die Funktionen SSin(t), Scos(t) im einfachsten Fall dieselbe periodische Grundstruktur wie das Anregungssignal fA,n(t), fA,H(t) insbesondere dieselbe Frequenz ω bzw. f haben kann, um das
erfindungsgemäße Ergebnis zu erreichen.
Das Produkt aus Systemantwort X(t) und der Funktion SSin(t), Scos(t) wird
anschließend über einen Zeitraum T integriert, der der Periodendauer oder einem Vielfachen ki der Periodendauer des Anregungssignals entspricht. Dies kann sowohl für die elektrische Größe X(t) = Pei(t) als auch für die mechanische Größe X(t) = Mmot(t) erfolgen. Die Integrale /(to) über das Produkt ergeben sich dann zu:
Isin(to + T =
Figure imgf000024_0001
Gl. 12
Figure imgf000024_0002
wobei to den Integrationsbeginn angibt. Durch die Bildung der Integrale /(to+T ) erfolgt eine Auswertung der Systemantwort X(t) bei der Anregungsfrequenz » oder einem Vielfachen ki der Anregungsfrequenz ω über eine oder mehrere Perioden 2π/ω.
Gleichzeitig erfolgt die Auswertung zu einem Zeitpunkt, bei dem vom
Pumpenaggregat 1 ein bestimmter Volumenstrom Q bei einer bestimmten Drehzahl n0 gefördert wird, was durch den aktuellen Zustand des Rohrleitungssystems, d.h. die aktuell gültige Rohrnetzparabel bedingt ist. Dies bedeutet, dass jedem berechneten Integralwert l{to+T) ein bestimmter Volumenstromwert bei einer bestimmten Drehzahl zugeordnet ist.
Aus diesem Grunde muss das Pumpenaggregat, wie dies auch bisher nach dem Stand der Technik durchgeführt wurde, herstellerseitig an einem Hydraulikprüfstand vermessen werden, sofern der Zusammenhang nicht bekannt ist. Gemäß, der Erfindung wird jedoch nicht oder nicht nur der Zusammenhang zwischen der gesuchten hydraulischen Größe Q, der Drehzahl n und der elektrischen oder mechanischen Größe Pei, Mist vermessen und als Kennlinienfeld als Verknüpfung der hydraulischen Größe Q einerseits mit der mechanischen oder elektrischen Größe MiSt, Pei andererseits in der Art einer Tabelle oder Formel in der Pumpenelektronik 4 hinterlegt. Vielmehr wird der Zusammenhang zwischen Istdrehzahl n,si,
Volumenstrom Q und einem der oben genannten Integrale /(to+T) ermittelt. Hierzu wird herstellerseitig an einem Hydraulikprüfstand bei einer Anzahl, insbesondere Vielzahl vorgegebener Solldrehzahlen no zu einer Anzahl, insbesondere Vielzahl gemessener Volumenströme Q jeweils das Integral /(to+T) berechnet, das sich infolge der Anregung des Systems mit dem Anregungssignal fA,n(t), fA,H(t) aus dem Produkt aus Systemantwort X(t) und der Sinus- oder Cosinusfunktion SSin(t), Scos(t) ergibt. Man kann dann das Integral /(to+T) in Abhängigkeit der Drehzahl nist über dem Volumenstrom Q darstellen, d.h. als /(Q, n).
Figur 2 zeigt vier Kurven für das integral /(Q) für die Drehzahlen no = 1350 rpm, 2415 rpm, 2880 rpm und 3540 rpm (von unten nach oben), wobei hier die elektrische Leistung Pei als Systemantwort X(f) untersucht und mit einer Sinusfunktion Ssiri(t) multipliziert wurde. Es wird deutlich, dass die Simulationskurven in Figur 2 im
Gegensatz zu den Leistungskurven in Figur 1 einen eindeutigen Zusammenhang zwischen dem Volumenstrom und dem Integral beschreiben, da die Kurven über den gesamten Volumenstrombereich monoton steigen. Dies ermöglicht es, im
bestimmungsgemäßen Betrieb des Pumpenaggregats 1 zu einem berechneten Integralwert /(t0+T) aus dem am Prüfstand ermittelten Zusammenhang /(Q) den aktuell geförderten Volumenstrom Q zu ermitteln. Aus diesem kann dann auch die Förderhöhe H berechnet werden, z.B. mittels Gleichung Gl. 1.
Aus dem Wert des Integrals wird folglich unter Verwendung des Zusammenhangs der Wert der ersten hydraulischen Größe, der Volumenstrom Q ermittelt. Zur Ermittlung des Volumenstroms Q aus den am Prüfstand bestimmten Werten /(to+T), no, Q werden diese Werte miteinander verknüpft und in der
Pumpensteuerung 4 hinterlegt. Die Verknüpfung erfolgt in Gestalt einer Tabelle, die bei den verwendeten Drehzahlen no einer Vielzahl von Integralwerten /(fo+T) jeweils einen Wert der gesuchten hydraulischen Größe Q zuordnet. Im Betrieb des
Pumpenaggregats 1 muss dann zu einem berechneten Integralwert /(t0+T), lediglich der diesem Wert zugeordnete Volumenstromwert Q aus der Tabelle extrahiert werden. Sofern ein berechneter Integralwert /(to+T) vorliegt, der zwischen zwei in der Tabelle vorhandenen Integralwerten /(to+T) liegt, kann in bekannter Weise zwischen den diesen beiden tabellarischen Integralwerten /(Q) zugeordneten
Volumenstromwerten Q interpoliert werden.
Alternativ oder zusätzlich zu der tabellarischen Verknüpfung kann herstellerseitig aus den am Prüfstand ermittelten Werten für jede verwendete Drehzahl no eine einzelne oder für alle Drehzahlen eine globale mathematische Funktion (z.B. ein Polynom) bestimmt werden, die eine Kennlinie oder im Falle der globalen Funktion ein
Kennlinienfeld beschreibt, auf der/ dem alle gemessenen Werte liegen. Im Falle der Verwendung mehrerer Funktionen, die für jeweils eine Drehzahl gültig sind, muss dann lediglich die aktuell gültige Funktion ermittelt und der berechnete Integralwert eingesetzt werden, um den entsprechenden Wert der hydraulischen Größe, d.h. den Volumenstromwert zu erhalten. Wird eine globale Funktion für die Beschreibung des gesamten Kennlinienfeldes verwendet, kann in diese Gleichung die Drehzahl und der berechnete Integralwert direkt eingesetzt werden, um den entsprechenden Wert der hydraulischen Größe zu erhalten.
Figur 3 zeigt vier Simulationskurven für das Integral /(Q) für die selben Drehzahlen wie in Figur 2, wobei auch hier die elektrische Leistung Pe/ als Systemantwort X(t) untersucht, jedoch mit einer Cosinusfunktion Scos( ) multipliziert wurde. Es zeigt sich, dass die Simulationskurven in Figur 3 wie die Leistungskurven in Figur 1 keinen eindeutigen Zusammenhang zwischen dem Vplumenstrom Q und dem Integral /(to+T), beschreiben, da die Kurven bei zunehmendem Volumenstrom Q zunächst fallen, dann jedoch wieder steigen. Die Simulationskurven in Figur 3 lassen jedoch eine Besonderheit erkennen, die darin besteht, dass das berechnete Integral /(to+T), dort den Wert null besitzt, wo die zugehörige Leistungskennlinie (siehe Figur 1 ) ihr Maximum besitzt. In der Simulation wechselt das Cosinus-Signal das Vorzeichen exakt im Scheitelpunkt der Leistungskennlinie, so dass hier das Vorzeichen dieses Signals auch für eine Identifizierung des Betriebspunktes, d.h. rechts oder links des Scheitelpunktes der Leistungskennlinie, dienen kann.
Diese Erkenntnis ermöglicht es, im bestimmungsgemäßen Betrieb des
Pumpenaggregats 1 anhand eines Schwellwertes, bei einem Schwellwert 0 also anhand des Vorzeichens des berechneten Integrals /(to+T) entscheiden zu können, welcher der beiden im nichteindeutigen Bereich der Leistungskennlinie (siehe Figur 1.) einer bestimmten Leistungsaufnahme zugeordnete Volumenstromwerte Q1 , Q2 der Richtige ist. So kann bei negativem Vorzeichen des Integrals /(to+T), der kleinere Volumenstromwert Q1 und bei positivem Vorzeichen der größere Volumenstromwert Q2 verwendet werden.
Sofern diese Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Einsatz kommen soll, erübrigt es sich, herstellerseitig am Hydraulikprüfstand zu verschiedenen Drehzahlen den Volumenstrom und den diesem zugeordneten Integralwert zu ermitteln. Vielmehr genügt es, wie im Stand der Technik das Leistungskennfeld zu vermessen und den Schwellwert zu ermitteln und als Tabelle oder wenigstens eine
Leistungskennliniengleichung in der Pumpenelektronik 4 zu hinterlegen. Die Tabelle oder wenigstens eine Funktion ordnet dann zu einer bestimmten Drehzahl den Werten der hydraulischen Größe jeweils einen Wert der mechanischen oder elektrischen Größe zu.
Im bestimmungsgemäßen Betrieb des Pumpenaggregats kann dann aus dem
Vorzeichen des Integrals /(t0+T) aus der Systemantwort X(t) und der Cosinusfunktion SCos(t) entschieden werden, welcher Teil der Tabelle bzw. welcher Wertebereich der Gleichung auszuwerten ist. So wird für /(t0+T), < 0 der in Bezug zum Maximalwert der Leistung Pel linke Teil der Leistungskennlinie berücksichtigt. Entsprechend wird für /(to+T), > 0 der in Bezug zum Maximalwert der Leistung Pe/ rechte Teil der
Leistungskennlinie berücksichtigt. Zur weiteren Verbesserung des Verfahrens kann während der Berechnung des Integrals /(to+T) mindestens ein weiteres Integral /(t-i+T), aus dem Produkt aus der Systemantwort X(t) und der Funktion S(r) über denselben Integrationszeitraum T berechnet werden, wobei der Integrationsbeginn ti des weiteren Integrals zeitlich um die Verschiebung o versetzt zum Integrationsbeginn to des ersten Integrals /(fo+T) liegt, Die berechneten Werte der Integrale /(to+T),, /(ti+T), werden dann zu einem Wert gemittelt.
Die Berechnung der Integrale über einen endlichen Integrationszeitraum bedeutet, dass aus der Systemantwort X(t) jeweils eine Reihe von Werten herausgeschnitten wird, die dann ein„Fenster" der Systemantwort darstellen. Im Falle des zeitlichen Versatzes des Integrationsbeginns des weiteren Integrals zum ersten Integral überlappen sich die entsprechend ausgeschnittenen Fenster.
Figuren 8 und 9 zeigen analog zu den Figuren 2 und 3 eine grafische Visualisierung der Verknüpfung des Volumenstroms Q als erste hydraulische Größe mit der Istdrehzahl als mechanische Größe für vier verschiedenen Drehzahlen, wobei in Figur 8 die Amplitude |n-i| der Istdrehzahl in Umdrehungen pro Minute und in Figur 9 die Phase φ(η-ι) in Grad angegeben ist. Die Verknüpfungen sind jeweils durch vier Kurven gegeben, die, von oben nach unten gesehen, den unangeregten Drehzahlen n0 = 1500 rpm, no = 2000rpm, n0 = 2500 rpm und no = 3000rpm zugeordnet sind. Die zu oberste Kurve gehört entsprechend zur Drehzahl 1500rpm, die zu unterste zur Drehzahl 3000rpm.
Angeregt wurde in den Fällen der Figuren 8 und 9 die Solldrehzahl nson, indem auf eine statische Solldrehzahl ein periodisches Signai aufmoduliert wurde. Die
Istdrehzahl nist ergibt sich dann unter Vernachlässigung von Störungen aus der Summe der mittleren Drehzahl no und dem periodischen Anteils n-i(t). Die Phase φ(η·ι) in Figur 9 ist bezogen auf das Anregungssignal und stellt somit quasi eine Phasenverschiebung dar. Die in den Figuren 8 und 9 dargestellten Werte werden werksseitig vermessen und als Tabelle oder mathematische Funktion in der
Steuerung des Pumpenaggregats hinterlegt. Es wird hier deutlich, dass die Amplitude |ni| und die Phase φ(η-ι) für jede Drehzahl über dem Volumenstrom eindeutig ist. So kann dann für eine bestimmte
Betriebsdrehzahl, die der Pumpensteuerung bekannt ist, nach Ermittlung der
Amplitude |ητ| oder der Phase φ(η-ι) der angeregten Istdrehzahl derjenige
Volumenstrom Q ermittelt werden, der bei der vorliegenden mittleren
Betriebsdrehzahl no der ermittelten Amplitude |ni| oder der Phase φ(η-ι) zugeordnet ist. So läge z.B. bei Betriebsdrehzahl 2500rpm und einer Amplitude von 120rpm ein Volumenstrom von 6 m3/h vor.
Das hier vorgestellte Verfahren ermöglicht es, auf einfache Weise während des Betriebs des Pumpenaggregats und ohne Verwendung eines entsprechenden Sensors eine hydraulische Größe, z.B. den Volumenstrom zu bestimmen.
Dabei wird eine zweite hydraulische Größe, z.B. die Förderhöhe, moduliert, insbesondere zur Schwingung angeregt wird, was beispielsweise durch Modulation der Solldrehzahl oder des Motordrehmoments als Stellgröße des Pumpenaggregats erfolgen kann.
Die Bestimmung der Systemantwort, z.B. der Istdrehzahl, des vom
Pumpenaggregats abgegebenen Drehmoments oder der elektrischen Leistung, und deren Auswertung durch Bestimmung von Amplitude oder Phasenlage des
Wechselanteils der Systemantwort oder durch Multiplikation mit einer Funktion gleicher Frequenz wie die Anregung und Integration des erhaltenen Produkts, werden Werte erhalten, die einen mathematisch eindeutigen Zusammenhang mit der gesuchten hydraulischen Größe besitzen. Durch die Auswertung dieses, in der Pumpenelektronik des Pumpenaggregats zu hinterlegenden Zusammengangs, lässt sich dann der Wert der gesuchten hydraulischen Größe bestimmen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung einer ersten hydraulischen Größe (Q) eines bei einer vorgebbaren Drehzahl (n0) betriebenen Pumpenaggregats (1 ) aus einer mechanischen oder elektrischen Größe (Mist, Pei, n,sf) durch
Auswertung einer Verknüpfung der hydraulischen Größe (Q) mit der mechanischen oder elektrischen Größe {Mist, Pe\, Rist), dadurch
gekennzeichnet, dass eine Stellgröße (nSOii) des Pumpenaggregats (1 ) derart mit einem periodischen Anregungssignal (fA,n(t), A,H(t)) einer bestimmten Frequenz (f) beaufschlagt wird, dass eine zweite hydraulische Größe (H, Δρ) moduliert wird, und dass aus der mechanischen oder elektrischen Größe (M,si(t), Pei(t), nist(t)) als Systemantwort (X(t)) auf das Anregungssignal (fA,n(t), fA,H( )) unter Verwendung der Verknüpfung der aktuelle Wert der ersten hydraulischen Größe (Q) ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass aus der
Amplitude und / oder der Phasenlage des Wechselanteils der
mechanischen oder elektrischen Größe (M,Sf(t), Pei(t), nist(t)), insbesondere gegenüber dem Anregungssignal (fA,n(t), A,H(t)), unter Verwendung der Verknüpfung der aktuelle Wert der ersten hydraulische Größe (Q) ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Verknüpfung durch eine Tabelle oder wenigstens eine mathematische Funktion gegeben ist, die zu einer bestimmten Drehzahl (n,sf) oder einer Vielzahl von Drehzahlen (n/si) jedem Wert oder einer Anzahl von Werten der ersten hydraulischen Größe (Q) einen Amplitudenwert (\ni\) oder
Phasenwert { (η1)) des Wechselanteils zuordnet.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt aus der Systemantwort ( (t)) und einer periodischen Funktion (S(t)) der gleichen oder eines Vielfachen der Frequenz (f) des Anregungssignals oder das Produkt aus der Systemantwort (X(t)) und dem Wechselanteil der mechanischen oder elektrischen Größe des Pumpenaggregats (1 ) gebildet, und das Integral . (/(to+T)) dieses Produkts über einen vorgegebenen
Integrationszeitraum (T) berechnet wird, und dass aus dem Wert des Integrals (/(t0+T)) unter Verwendung der Verknüpfung der Wert der ersten hydraulischen Größe (Q) ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Verknüpfung durch eine Tabelle oder wenigstens eine mathematische Funktion gegeben ist, die zu einer bestimmten Drehzahl (nist) oder einer Vielzahl von Drehzahlen (nist) jedem Wert oder einer Anzahl von Werten der ersten hydraulischen Größe (Q) jeweils einen Wert des Integrals (/(to+T)) zuordnet.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
periodische Funktion (S(t)) eine Sinusfunktion (S-i(t)) ist und aus der Tabelle oder der mathematischen Funktion ein Wert der ersten hydraulischen Größe (Q) ermittelt wird, der dem berechneten Wert des Integrals (/(to+T)) in der Tabelle zugeordnet ist oder durch die mathematische Funktion zugeordnet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Verknüpfung durch eine Tabelle oder wenigstens eine mathematische Funktion gegeben ist, die zu einer bestimmten Drehzahl (n/si) oder einer Vielzahl von Drehzahlen (nist) jedem Wert der ersten hydraulischen Größe (Q) einen Wert der mechanischen oder elektrischen Größe (MiSt, Pei) zuordnet und die periodische Funktion (S(t)) eine Cosinusfunktion (S2(t)) ist und der Wert oder das Vorzeichen des berechneten Werts des Integrals (/(to+T)) zur Unterscheidung verwendet wird, welcher Teil der Tabelle oder welcher Wertebereich der mathematischen Funktion zur Bestimmung des Wertes der ersten hydraulischen Größe (Q) für den aktuellen Betriebspunkt gültig ist.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche , dadurch
gekennzeichnet, dass die Stellgröße eine Solldrehzahl (nsou) oder ein Solldrehmoment des Pumpenaggregats (1 ) ist.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste hydraulische Größe (Q) der
Volumenstrom (Q) des Pumpenaggregats (1 ) ist.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die zweite hydraulische Größe (H) die Förderhöhe (H) oder der Differenzdruck (Δρ) des Pumpenaggregats (1 ) ist.
1 1 . Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die mechanische Größe das vom Pumpenaggregat abgegebene Drehmoment (Mist) oder die Istdrehzahl (nist) des
Pumpenaggregats (1 ) ist.
12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die elektrische Größe die vom Pumpenaggregat (1 ) aufgenommene elektrische Leistung (Pe/) oder der Strom ist.
13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Anregungssignal (fA,n(t) A,H(t)) ein Sinussignal oder ein eine Sinusfunktion enthaltendes Signal ist. 4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Frequenz (ω) des Anregungssignals (fA,n(t), fA,H(t)) zwischen 0,01 Hz und 100 Hz liegt.
15. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Amplitude (η-ι) des Anregungssignals (fA,n(t), fA,H( )) kleiner als 25% des Drehzahlsollwerts (no) einer Drehzahlregelung des Pumpenaggregats (1 ) ist, insbesondere zwischen 0,1 % und 25% des Drehzahlsollwerts (no) beträgt.
16. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Amplitude (n-i) des Anregungssignals (fA(t)) aus einer gewünschten Förderhöhenschwankung (fA,H)) mit Hilfe einer den Zusammenhang zwischen der Istdrehzahl (nist) und der Förderhöhe (H) am Pumpenaggregat (1 ) beschreibenden mathematischen Gleichung (Gl. 8, Gl.9) berechnet wird.
1 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Integrationszeitraum (T) eine Periode oder ein Vielfaches (k|) der Periode (2-π/ω) des Anregungssignals (fA,n(t), fA,H(t)) beträgt.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Integration während der Modulation der zweiten hydraulischen Größe (H), insbesondere der Solldrehzahl (nS0n) durchgeführt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass während der Berechnung des Integrals (/(to+T)) mindestens ein weiteres Integral aus dem Produkt aus der Systemantwort ( (T)) und der periodischen Funktion (S(t)) oder des Wechselanteils des Istdrehmoments (Mmot) oder der Istdrehzahl (n) des Pumpenaggregats (1 ) über denselben Integrationszeitraum (T) berechnet wird, wobei der Integrationsbeginn des weiteren Integrals zeitlich versetzt zum Integrationsbeginn (t0) des ersten Integrals (/(to+T)) liegt, und dass die berechneten Werte der Integrale zu einem Wert gemittelt werden.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte der Systemantwort (X(t)) zu Beginn (to) und zum Ende des Integrationszeitraumes (T) ermittelt und daraus eine vorzugsweise lineare Änderung der Systemantwort (X(t)) pro Zeit ermittelt wird, wobei diese Änderung dann von allen im Integrationszeitraum (T) ermittelten Werten der Systemantwort (X(t)) subtrahiert und erst dann das Integral (l(to+T)) gebildet wird.
21 . Pumpenelektronik zur Steuerung und/ oder Regelung der Solldrehzahl
eines Pumpenaggregats (1 ), dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 20
eingerichtet ist.
22. Pumpenaggregat aufweisend eine Pumpenelektronik nach Anspruch 21.
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