WO2015192955A1 - Verfahren zur erkennung eines trockenlaufs einer kreiselpumpe - Google Patents

Verfahren zur erkennung eines trockenlaufs einer kreiselpumpe Download PDF

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WO2015192955A1
WO2015192955A1 PCT/EP2015/001197 EP2015001197W WO2015192955A1 WO 2015192955 A1 WO2015192955 A1 WO 2015192955A1 EP 2015001197 W EP2015001197 W EP 2015001197W WO 2015192955 A1 WO2015192955 A1 WO 2015192955A1
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acceleration
energy
speed
centrifugal pump
reference value
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PCT/EP2015/001197
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Christian Schindler
Jens DOPHEIDE
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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
    • F04D15/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or systems
    • F04D15/02—Stopping of pumps, or operating valves, on occurrence of unwanted conditions
    • F04D15/0209—Stopping of pumps, or operating valves, on occurrence of unwanted conditions responsive to a condition of the working fluid
    • F04D15/0218—Stopping of pumps, or operating valves, on occurrence of unwanted conditions responsive to a condition of the working fluid the condition being a liquid level or a lack of liquid supply
    • F04D15/0236—Lack of liquid level being detected by analysing the parameters of the electric drive, e.g. current or power consumption
    • 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 detecting dry running within a centrifugal pump assembly. Furthermore, the invention relates to a
  • centrifugal pumps With centrifugal pumps, it is of particular importance to recognize whether the fluid to be delivered is present or absent. Since various rotating parts in the pump unit are lubricated and / or cooled by the liquid to be pumped, dry running inevitably leads to increased wear or increased thermal load, resulting in shorter service life and damage to the centrifugal pump unit. Essentially affected components here are plain bearings or mechanical seals. Since no liquid is pumped in the case of dry running, the pump unit consumes energy unnecessarily. Finally, various applications in which the centrifugal pump assembly is used require information as to whether delivery fluid is present or absent. Typically, heaters such as boilers or air conditioners use additional hardware (sensors) to protect a system against the threat of dry running.
  • the prior art knows various ways to detect a dry run.
  • the simplest way for example, is to use a liquid sensor that directly indicates whether liquid is present or not.
  • Another possibility is, for example, the measurement of the temperature at a critical component, for example a plain bearing by means of a temperature sensor.
  • a critical component for example a plain bearing by means of a temperature sensor.
  • European Patent Application EP 2 055 965 A1 describes the detection of dry running due to under one
  • Power decreases because, in the case of dry running, the power is proportional to the speed (P ⁇ n) during normal operation of the pump set, i. in operation with
  • the German utility model DE 20 2005 007 955 U1 describes a device for pressure control with dry run protection, in which a dry run is detected by the fact that the output power of the pump falls below half of the maximum power consumed by the frequency converter at maximum speed.
  • thermocouples which measure the frictional heat between the stator and rotor, a probe with a projecting into the liquid flow of the pump, the resistance between the pump housing and liquid-measuring electrode, see patent application DE 29 25 830 A1, or a vibration measurement, as there is a lack of fluid amplified vibrations occur on the rotor shaft.
  • International patent application WO 2009/006927 A1 describes the determination of the active power or the load current of the centrifugal pump driving
  • Centrifugal pump represents. If the deviation of the value in relation to the active power or load current reference value falls below a specified threshold value, this state is interpreted as dry run. This method works quite reliably at high speeds.
  • Figure 1 shows the performance curve over the speed of a pump unit for a flow rate of zero, see dotted line, as well as for a dry run, see solid line. Between these curves, another curve is plotted representing the mean between the other two curves.
  • Mean value is used by the applicant for dry run detection by comparing the current power with this reference value. If the electrical power consumption is below the reference value for a certain speed, it is concluded that there is a dry run. It is clear from FIG. 1 that these are
  • Centrifugal pump unit proposed in which the rotor of the
  • the core idea of the present invention is based on the recognition that the centrifugal pump assembly has a significantly different energy consumption in the entire speed range in the case of a dry run than in the normal case. This is due to the fact that in a dry run only the mass of the
  • Rotor and impeller must be accelerated, i. the mechanical inertia of these components must be overcome, whereas in the normal case additionally the hydraulic inertia of the liquid to be pumped
  • Acceleration process required energy in the case of a dry run compared to that for a corresponding acceleration process with identical
  • Speed jump at the same output speed for each output speed has a sufficient distance, so that during operation of the centrifugal pump unit for each operating speed can be clearly identified by a short speed jump, if there is a dry run.
  • the acceleration process can be started from any operating speed. This has the advantage that the inventive
  • Dry running detection can be performed in any operating state of the pump set. So it does not have to be approached until a specific speed.
  • the acceleration process can be ended according to various criteria.
  • the acceleration can be ended when a certain period of time has expired. This means that the period is predetermined, for which the acceleration is to take place. This period can for example be between 100ms and 1s, in particular between 100ms and 200ms. The process thus takes only a tenth of a second to detect any dry run.
  • the acceleration takes place to a certain target speed.
  • the acceleration is terminated when the target speed is reached.
  • This target speed can be an absolute speed, for example, the maximum speed of the centrifugal pump unit, or a relative
  • Speed act for example, by 30% to 50% faster speed than the current operating speed.
  • the second variant does not see the specification of a period but the specification of
  • Target speed the time for the acceleration results from when the target speed is reached. This depends on the acceleration torque.
  • the acceleration is terminated as soon as the energy consumed for the acceleration differs by a certain amount from the energy required to accelerate the rotor in the case of dry running or in the case of wet running. According to this variant, therefore, it is not waited until a predetermined period has expired or a certain target speed has been reached. Rather, the termination of the acceleration process already takes place when a clear decision about the operating state of the centrifugal pump assembly can already be made mathematically.
  • the energy theoretically required for acceleration can be used in a wet run of the centrifugal pump unit. Dry running can be concluded when the calculated energy is less than or equal to a certain amount less than the energy reference value.
  • the energy theoretically required for acceleration can be used in a dry run of the centrifugal pump assembly. In this case it can be concluded that a dry run, if the calculated Energy does not deviate more than a certain amount from the energy reference value.
  • Acceleration process consumed energy greater than the energy reference value in the case of dry running, so there is obviously no dry run. Is the energy consumed for the current acceleration process smaller than that
  • the described third variant can be used as an alternative or additional termination criterion for the acceleration process compared to the first and / or second variant.
  • the acceleration of the rotor is carried out with maximum torque that can apply the pump unit.
  • Centrifugal pump unit must be disabled or interrupted only for the shortest time to perform the inventive method for dry run detection.
  • Energy reference value to be a constant i. a value that is the same over the entire operating range of the pump set.
  • a constant value is particularly useful in the above embodiment, in which a certain speed jump is made for the acceleration process. Starting from the starting speed (current operating speed), the speed jump that is required to calculate the constant speed can be mathematically calculated
  • the mathematical relationship between the start speed and the necessary speed jump or necessary target speed, um reaching the predetermined energy reference value may be expressed in a function that is evaluated before the acceleration process. In this variant, therefore, the height of the speed jump is determined, which is required to reach the energy reference value.
  • the energy reference value is not a constant but speed-dependent.
  • a fixed speed jump over the operating range of the pump unit is assumed for the acceleration, for example 100 U / min.
  • Such a fixed speed jump leads naturally at low speeds to a different energy reference value than at high speeds. So can the
  • energy reference value may be stored as a function dependent on the current operating speed (starting speed) or as a table in which corresponding energy reference values are assigned for a plurality of starting speeds. Depending on the starting speed can then be selected from the table that energy reference value and used for the dry run detection according to the invention, which is assigned to the current starting speed for a particular speed jump.
  • the energy reference value can be calculated by means of the stored function at the current starting rotational speed for a specific rotational speed jump and used for the dry run recognition according to the invention.
  • the energy reference value may also be dependent on the speed jump achieved during the acceleration process in addition to the dependency on the current starting rotational speed.
  • the speed jump is not specified.
  • the energy reference value is determined by an equation which, during the acceleration process, takes into account the currently achieved
  • the energy reference value the energy theoretically required for acceleration during a wet run of the
  • Centrifugal pump unit which is calculated during the acceleration process. This means that during the acceleration process, an equation is evaluated which indicates the energy required for the acceleration during a wet run of the centrifugal pump assembly. This energy is dependent on the current one Operating speed and the speed jump achieved as a result of the acceleration and can be used as an energy reference value. Since the energy required for acceleration is greater in wet running than in dry running, dry running can be concluded when the calculated energy for the
  • Centrifugal pump unit is.
  • the energy reference value may be the energy theoretically required for acceleration during a dry run of the centrifugal pump assembly calculated during the acceleration process. This means that during the acceleration process, an equation is evaluated that shows the energy required for the acceleration during a dry run of the
  • the calculation of the consumed for the acceleration takes place
  • Acceleration process and the respective power consumption during the acceleration process are integrated or summed.
  • An integration is required here, if a continuous power consumption is determined, so that the power consumption of the centrifugal pump assembly at any time is present.
  • summation of the differences is required if the determination of the power consumption during the acceleration process is time-discrete, for example in discrete steps of 125 ms. Integrating a power mathematically gives you the energy that is in a physical system at the end of the integration period. In contrast, the integration of the power differences between the power at the beginning of the acceleration process and the respective times during the
  • Acceleration process the energy put into the centrifugal pump unit for the acceleration process.
  • the acceleration of the rotor takes place such that the
  • acceleration-related speed increase is higher at a low operating speed than at a high operating speed. This means that the
  • Acceleration process is longer at low operating speeds and / or must reach a higher operating speed, as an acceleration process that is started at a higher operating speed.
  • an acceleration process used at a lower operating speed (duration or jump height), which leads to a meaningful result, even at a higher operating speed
  • the inventive method may preferably be integrated in a pump electronics for a centrifugal pump, which for carrying out the method of
  • the invention therefore also relates to a pump electronics for the centrifugal pump, which is adapted to carry out the method described.
  • the invention also relates to a centrifugal pump with such a pump electronics and method implemented therein according to the present invention. Further advantages and features of the invention can be taken from the following description of exemplary embodiments, which are based on the
  • FIG. 1 shows three
  • Performance curves above the speed for a centrifugal pump unit Shown is a first power curve as a dotted line, which shows the course of the power P_Q0 over the speed for a flow rate zero. Furthermore, the curve of the power P_Dry over the speed in the case of a dry run is shown as a solid line. It becomes clear that in the case of a dry run, the performance curve is considerably flatter than in the case of normal operation, in which the impeller of the
  • Centrifugal pump unit rotates in a liquid to be pumped. This is due to the fact that normally the power P is proportional to the cube of the speed (P ⁇ n 3 ), whereas in the case of a dry run it is a simple proportional power
  • Dry run which can be used as a reference curve to determine whether or not there is dry run.
  • This speed-dependent mean value is illustrated by the dashed curve P_Drytimit.
  • the current power consumption is determined during operation of the centrifugal pump assembly and compared with the reference value of the mean curve at the current speed (start speed + current speed jump height). If the current power consumption is below the reference value, then there is a dry run. As is apparent from Figure 1 further, the power curves are congruent at low speeds. In the pump unit exemplarily selected in FIG. 1, this is the case for all speeds below 2000 rpm, so that no dry run recognition is possible in this speed range. Because a differentiation between the normal case and the dry-running case can not be made here. This disadvantage is avoided by the method according to the invention.
  • the energy E required for an acceleration process then results from the difference of the energy E en d at the end of the acceleration process to the rotational energy Estan which is present in the centrifugal pump assembly at the beginning of the acceleration
  • the energy reference E re f may be a constant, ie, a value that is the same over the entire operating range of the pump set. Since the acceleration operation can start at any startup speed ⁇ , the speed change ⁇ that must be achieved must be around this constant
  • FIG. 1 An exemplary method sequence of a variant of the method according to the invention is shown in FIG. The process can be carried out repeatedly during the operation of a centrifugal pump assembly at intervals. The distances can be regular or irregular. Alternatively or in
  • the implementation of the method can be triggered specifically, for example, when a monitoring electronics of the centrifugal pump assembly detects an abnormal condition. This supposedly abnormal condition can then be verified with dry run detection.
  • the determined current power consumption P_0 and the current operating speed n_ are then stored, block 14.
  • the acceleration process then takes place in block 16, in which the rotor of the centrifugal pump assembly is accelerated from the current operating speed to a higher rotational speed. This is done with maximum torque.
  • the required energy E is calculated for this acceleration process. This is done by repeatedly determining the current power consumption P_akt (i) again during the acceleration process in discrete time steps, and in each case calculating their difference to the power consumption P_0 at the beginning of the acceleration process. These differences are summed up and then multiplied by the sampling interval T_abt, which may be 125 ⁇ , for example, gives the energy required for the acceleration E. In the next step 20, the check is provided if a
  • Abort criterion for the acceleration process is met. If the abort criterion is not fulfilled, the process continues to be accelerated, so that the method is continued at step 16. If the abort criterion is met, however, the acceleration process is terminated and returned to the conventional speed control of the centrifugal pump assembly, before the implementation of the invention
  • Target speed n_x or the positive comparison of the calculated energy consumption E with that used during the acceleration procedure in mathematically evaluated equation 2 (for wet running).
  • the target speed n_x is again set to the speed n_0 that existed at the beginning of the acceleration operation, step 22.
  • Energy reference value E_ref is here for example the acceleration
  • FIG. 3 shows a first rotational speed profile for the acceleration process in step 16.
  • a specific acceleration curve is determined for the acceleration process
  • Target speed n_x sought which is to be achieved starting from the starting speed n_0. Until the target rotational speed n_x has been reached, the period T elapses. After the target rotational speed n_x has been reached, the original starting rotational speed n_0 is again sought. The integration of the power differences then takes place over the entire acceleration period T, which depending on the target speed n_x can be between 0.1 s and 1 s.
  • Figure 4 shows an alternative variant of the acceleration process, in which no target speed n_x but the time period T is specified, for which the rotor of the centrifugal pump assembly is to be accelerated. This here at the end of
  • Acceleration process reached speed is irrelevant, since the acceleration process is terminated when the period T has expired.
  • the period can be between 100ms and 200ms.
  • FIG. 5 shows a third variant of the acceleration process in which, although a target rotational speed n_x of the rotational speed control of the centrifugal pump assembly is specified in order to trigger the acceleration process, this target rotational speed n_x is of no significance for the acceleration process itself. It only serves to cause the frequency converter to supply the electric motor with maximum current so that a maximum acceleration torque acts on the rotor.
  • the acceleration process is aborted as soon as the calculated energy required for the acceleration is meaningful to determine if a
  • the acceleration variant according to FIG. 5 is the one in which the
  • inventive method takes the shortest time. This has the Advantage that the parent speed control of the centrifugal pump unit must be interrupted for a minimum short period of time to the
  • the new method of dry run detection is therefore based on the energy required for a short acceleration process.
  • the difference in energy needed to accelerate the rotor due to its inertia is significantly different than the energy needed to accelerate the rotor and the fluid in the impeller.
  • Acceleration procedure takes about 100ms or less and another 100ms to return to the original speed. Rapid speed jumps, as required by the method according to the invention, can be achieved with a conventional
  • Speed control for example, with the field-oriented control (FOR) can be achieved. Due to the fast dynamics of the steady state of the hydraulic system is not affected and the new process for
  • Dry run detection is not noticed by a user of the centrifugal pump unit.
  • the inventive method is particularly user-friendly and does not affect the conventional control of the centrifugal pump assembly in any way.
  • the inventive method operates in the entire speed range of
  • a fail-safe and reliable dry-running detection is provided, which works reliably especially at low speeds. Due to the low speed jumps and / or the very short acceleration times, the higher speed control of the
  • Centrifugal pump unit is not affected.

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines Trockenlaufs innerhalb eines Kreiselpumpenaggregats, bei dem der Rotor des Kreiselpumpenaggregats von der aktuellen Betriebsdrehzahl (n_0) aus für einen Zeitraum (T) beschleunigt und die zur Beschleunigung benötigte Energie (E) berechnet wird. Die berechnete Energie (E) wird dann mit einem Energiereferenzwert (Eref) verglichen und in Abhängigkeit des Ergebnisses dieses Vergleichs auf einen Trockenlauf geschlossen. Die Erfindung betrifft femer eine Pumpenelektronik für eine Kreiselpumpe zur Ausführung des Verfahrens sowie eine Kreiselpumpe mit einer derartigen Pumpenelektronik.

Description

VERFAHREN ZUR ERKENNUNG EINES TROCKENLAUFS EINER KREISELPUMPE
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines Trockenlaufs innerhalb eines Kreiselpumpenaggregats. Ferner betrifft die Erfindung eine
Pumpenelektronik für eine Kreiselpumpe zur Ausführung des Verfahrens sowie eine Kreiselpumpe mit einer solchen Pumpenelektronik.
Bei Kreiselpumpen ist es von besonderer Bedeutung zu erkennen, ob die zu fördernde Flüssigkeit vorhanden ist oder fehlt. Da verschiedene drehende Teile im Pumpenaggregat von der zu fördernden Flüssigkeit geschmiert und/ oder gekühlt werden, führt ein Trockenlauf unweigerlich zu einem erhöhten Verschleiß oder einer erhöhten thermischen Belastung, so dass kürzere Standzeiten und Schäden am Kreiselpumpenaggregat die Folge sind. Im Wesentlichen betroffene Komponenten sind hier beispielsweise Gleitlager oder Gleitringdichtungen. Da im Falle eines Trockenlaufs keine Flüssigkeit gefördert wird, verbraucht das Pumpenaggregat unnötig Energie. Schließlich benötigen verschiedene Anwendungen, in denen das Kreiselpumpenaggregat benutzt werden, die Information, ob Förderflüssigkeit vorhanden ist oder fehlt. Typischerweise verwenden Heizungen wie Boiler oder Klimatisierungseinrichtungen zusätzliche Hardware (Sensoren), um ein System gegen die Bedrohung eines Trockenlaufs zu schützen.
Der Stand der Technik kennt verschiedene Möglichkeiten, einen Trockenlauf zu detektieren. Die einfachste Möglichkeit ist beispielsweise, einen Flüssigkeitssensor zu verwenden, der direkt angibt, ob Flüssigkeit vorhanden ist oder nicht. Eine andere Möglichkeit ist beispielsweise die Messung der Temperatur an einem kritischen Bauteil, beispielsweise einem Gleitlager mittels eines Temperatursensors. Hier wird indirekt auf einen Trockenlauf geschlossen, da im Falle einer erhöhten Temperatur
BESTÄTIGUNGSKOPIE an dem überwachten Bauteil offensichtlich das Kühlmittel fehlt. Eine solche Lösung ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2010 039 531 A1 bekannt. Ein Nachteil der genannten Möglichkeiten besteht darin, dass ein zusätzlicher Sensor erforderlich ist, der zu einem erhöhten baulichen Aufwand und zu zusätzlichen Kosten führt.
Eine weitere Alternative besteht darin, den Druck auslassseitig des
Pumpenaggregates zu messen. Die europäische Patentanmeldung EP 2 055 965 A1 beschreibt die Erkennung eines Trockenlaufs aufgrund eines unter einen
Referenzdruck fallenden Druckwerts in der Pumpe in Bezug zu einer bestimmten Drehzahl.
Fließt kein Medium durch die Pumpe so sinkt der Druck im System und der den Elektromotor des Pumpenaggregats speisende Frequenzumrichter würde die
Drehzahl des Pumpenaggregats erhöhen, um das Absinken des Drucks
auszugleichen. Hieraus folgt, dass im Falle eines Trockenlaufs auf die maximale Drehzahl beschleunigt werden würde, wobei demgegenüber die abgegebene
Leistung sinkt, da die Leistung im Falle eines Trockenlaufs proportional zur Drehzahl ist (P~n), im Normalbetrieb des Pumpenaggregats, d.h. im Betrieb mit
Förderflüssigkeit, die abgegebene Leistung jedoch proportional zu der 3. Potenz der Drehzahl (P~n3) ist. Die deutsche Gebrauchsmusterschrift DE 20 2005 007 955 U1 beschreibt eine Vorrichtung zur Druckregelung mit Trockenlaufschutz, bei dem ein Trockenlauf dadurch detektiert wird, dass die abgegebene Leistung der Pumpe unter die Hälfte der maximalen aufgenommenen Leistung des Frequenzumrichters bei Maximaldrehzahl fällt.
Andere bekannte Arten des Trockenlaufschutzes verwenden Thermoelemente, welche die Reibungswärme zwischen Stator und Rotor messen, eine Sonde mit einer in den Flüssigkeitsstrom der Pumpe hinein ragenden, den Widerstand zwischen Pumpengehäuse und Flüssigkeit messenden Elektrode, siehe Offenlegungsschrift DE 29 25 830 A1 , oder eine Vibrationsmessung, da bei fehlender Flüssigkeit verstärkt Vibrationen an der Rotorwelle auftreten. Die internationale Patentanmeldung WO 2009/006927 A1 beschreibt die Ermittlung der Wirkleistung oder des Laststroms des die Kreiselpumpe antreibenden
Elektromotors beim Anfahren der Kreiselpumpe, wobei der ermittelte Wert oder ein daraus abgeleiteter Wert mit einem Wirkleistungs- oder Laststromreferenzwert verglichen wird, der eine ausreichende Menge von Fördermediums in der
Kreiselpumpe repräsentiert. Wenn die Abweichung des Werts in Bezug zu den Wirkleistungs- oder Laststromreferenzwert einen festgelegten Schwellenwert unterschreitet, wird dieser Zustand als Trockenlauf interpretiert. Dieses Verfahren arbeitet bei hohen Drehzahlen durchaus zuverlässig.
Anhand der beigefügten Figur 1 wird jedoch klar, dass die Verwendung der
Wirkleistung respektive des Laststroms für kleine Drehzahlen nicht zielführend ist. Mathematisch ist dies bereits daran erkennbar, dass sich die
Proportionalitätsverhältnisse im Normalfall (P~n3) und im Trockenlauffall (P~n) bei niedrigen Drehzahlen nur wenig unterscheiden. Dies kommt in Figur 1 zum
Ausdruck.
Figur 1 zeigt den Leistungsverlauf über der Drehzahl bei einem Pumpenaggregat für einen Förderstrom von Null, siehe punktierte Linie, sowie für einen Trockenlauf, siehe durchgezogene Linie. Zwischen diesen Kurven ist eine weitere Kurve eingezeichnet, die den Mittelwert zwischen den anderen beiden Kurven repräsentiert. Dieser
Mittelwert wird bei der Anmelderin zur Trockenlauferkennung verwendet, indem die aktuelle Leistung mit diesem Referenzwert verglichen wird. Liegt die elektrische Leistungsaufnahme unterhalb des Referenzwertes für eine bestimmte Drehzahl, wird auf einen Trockenlauf geschlossen. An Figur 1 wird deutlich, dass diese
Entscheidung für Drehzahlen unter 2000 U/min nicht funktioniert, da sich die Kurven dort überlagern und keine eindeutige Aussage über den Betriebszustand des
Pumpenaggregats getroffen werden kann.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Verfahren zur Trockenlauferkennung bereit zu stellen, das ohne die Verwendung zusätzlicher Sensoren auskommt und auf einfache Weise in Pumpensteuerungen implementiert werden kann, ohne dabei die herkömmliche Pumpenregelung zu stören. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Es wird ein Verfahren zur Erkennung eines Trockenlaufs innerhalb eines
Kreiselpumpenaggregats vorgeschlagen, bei dem der Rotor des
Kreiselpumpenaggregats von der aktuellen Betriebsdrehzahl aus für einen
bestimmten Zeitraum beschleunigt und die zur Beschleunigung benötigte Energie berechnet wird, wobei die berechnete Energie mit einem Energiereferenzwert verglichen und in Abhängigkeit des Ergebnisses dieses Vergleichs auf einen
Trockenlauf geschlossen wird.
Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass das Kreiselpumpenaggregat in seinem gesamten Drehzahlbereich einen erheblich anderen Energieverbrauch im Falle eines Trockenlaufs als im Normalfall aufweist. Dies liegt darin begründet, dass bei einem Trockenlauf lediglich die Masse des
Rotors und Laufrades beschleunigt werden muss, d.h. die mechanische Trägheit dieser Komponenten überwunden werden muss, wohingegen im Normalfalle zusätzlich die hydraulische Massenträgheit der zu fördernden Flüssigkeit
überwunden werden muss. Versuche haben gezeigt, dass die für einen
Beschleunigungsvorgang benötigte Energie in Falle eines Trockenlaufs gegenüber der für einen entsprechenden Beschleunigungsvorgang mit identischem
Drehzahlsprung bei gleicher Ausgangsdrehzahl für jede Ausgangsdrehzahl einen ausreichenden Abstand aufweist, sodass im Betrieb des Kreiselpumpenaggregats für jede Betriebsdrehzahl durch einen kurzen Drehzahlsprung eindeutig erkannt werden kann, ob ein Trockenlauf vorliegt.
Der Beschleunigungsvorgang kann von einer beliebigen Betriebsdrehzahl aus gestartet werden. Dies hat den Vorteil, dass die erfindungsgemäße
Trockenlauferkennung in jedem Betriebszustand des Pumpenaggregats ausgeführt werden kann. Es muss also nicht erst eine spezielle Drehzahl angefahren werden.
Der Beschleunigungsvorgang kann nach verschiedenen Kriterien beendet werden. Gemäß einer ersten Variante kann die Beschleunigung dann beendet werden, wenn ein bestimmter Zeitraum abgelaufen ist. Dies bedeutet, dass der Zeitraum vorgegeben ist, für den die Beschleunigung erfolgen soll. Dieser Zeitraum kann beispielsweise zwischen 100ms und 1s, insbesondere zwischen 100ms und 200ms betragen. Das Verfahren braucht also nur eine Zehntelsekunde, um einen etwaigen Trockenlauf zu erkennen.
Gemäß einer zweiten Variante, die alternativ oder in Kombination mit der ersten Variante verwendet werden kann, erfolgt die Beschleunigung auf eine bestimmte Zieldrehzahl. Die Beschleunigung wird damit beendet, wenn die Zieldrehzahl erreicht ist. Bei dieser Zieldrehzahl kann es sich um eine absolute Drehzahl, beispielsweise um die Maximaldrehzahl des Kreiselpumpenaggregats, oder um eine relative
Drehzahl handeln, beispielsweise um eine um 30% bis 50% schnellere Drehzahl als die aktuelle Betriebsdrehzahl. Anders als bei der ersten Variante sieht die zweite Variante also nicht die Vorgabe eines Zeitraums sondern die Vorgabe der
Zieldrehzahl vor, wobei sich der Zeitraum für die Beschleunigung allerdings daraus ergibt, wann die Zieldrehzahl erreicht ist. Dies ist vom Beschleunigungsmoment abhängig.
Gemäß einer dritten Variante wird die Beschleunigung dann beendet, sobald sich die zur Beschleunigung verbrauchte Energie um einen bestimmten Betrag von der im Falle eines Trockenlaufs oder im Falle eines Nasslaufs benötigten Energie zur Beschleunigung des Rotors unterscheidet. Gemäß dieser Variante wird also nicht abgewartet, bis ein vorbestimmter Zeitraum abgelaufen ist oder eine bestimmte Zieldrehzahl erreicht ist. Vielmehr erfolgt der Abbruch des Beschleunigungsvorgangs bereits dann, wenn mathematisch bereits eine eindeutige Entscheidung über den Betriebszustand des Kreiselpumpenaggregats getroffen werden kann.
Als Energiereferenzwert kann die zur Beschleunigung theoretisch benötigte Energie bei einem Nasslauf des Kreiselpumpenaggregats verwendet werden. Auf einen Trockenlauf kann dann geschlossen werden, wenn die berechnete Energie kleiner als oder um einen bestimmten Betrag kleiner als der Energiereferenzwert ist.
Alternativ kann als Energiereferenzwert die zur Beschleunigung theoretisch benötigte Energie bei einem Trockenlauf des Kreiselpumpenaggregats verwendet werden. In diesem Fall kann auf einen Trockenlauf geschlossen werden, wenn die berechnete Energie nicht mehr als einen bestimmten Betrag von dem Energiereferenzwert abweicht.
Als Energiereferenz zu der ermittelten Ist-Situation am Kreiselpumpenaggregatkann also entweder diejenige zur Beschleunigung des Rotors theoretisch benötigte Energie verwendet werden, die für einen Trockenlauf erforderlich ist, oder die Energie, die für einen Nasslauf erforderlich ist. Ist die für den aktuellen
Beschleunigungsvorgang verbrauchte Energie größer als der Energiereferenzwert im Falle eines Trockenlaufs, so liegt offensichtlich kein Trockenlauf vor. Ist die für den aktuellen Beschleunigungsvorgang verbrauchte Energie kleiner als der
Energiereferenzwert im Falle eines Nasslaufs, so liegt offensichtlich ein Trockenlauf vor.
Es sei angemerkt, dass die beschriebene dritte Variante als alternatives oder zusätzliches Abbruchkriterium für den Beschleunigungsvorgang gegenüber der ersten und/oder zweiten Variante verwendet werden kann.
Vorzugsweise erfolgt die Beschleunigung des Rotors mit maximalem Drehmoment, dass das Pumpenaggregat aufbringen kann. Dies hat den Vorteil, dass
Drehzahlsprünge einer bestimmten Höhe in kürzester Zeit erreicht werden. Dies hat wiederum den Vorteil, dass eine überlagerte Drehzahlregelung des
Kreiselpumpenaggregates nur für kürzeste Zeit deaktiviert bzw. unterbrochen werden muss, um das erfindungsgemäße Verfahren zur Trockenlauferkennung durchzuführen.
Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der
Energiereferenzwert eine Konstante sein, d.h. ein Wert, der über den gesamten Betriebsbereich des Pumpenaggregats gleich ist. Ein solch konstanter Wert ist vor allem bei der vorgennannte Ausführungsvariante sinnvoll, bei der ein bestimmter Drehzahlsprung für den Beschleunigungsvorgang vorgenommen wird. Ausgehend von der Startdrehzahl (aktuelle Betriebsdrehzahl) kann mathematisch derjenige Drehzahlsprung berechnet werden, der erforderlich ist, um den konstanten
Energiereferenzwert zu erreichen. Der mathematische Zusammenhang zwischen Startdrehzahl und notwendigem Drehzahlsprung oder notwendiger Zieldrehzahl, um den vorgegebenen Energiereferenzwert zu erreichen, kann in einer Funktion ausgedrückt sein, die vor dem Beschleunigungsvorgang ausgewertet wird. Bei dieser Variante wird folglich die Höhe des Drehzahlsprungs ermittelt, der erforderlich ist, um den Energiereferenzwert zu erreichen.
Gemäß einer anderen Variante ist der Energiereferenzwert keine Konstante, sondern drehzahlabhängig. Hier wird ein über den Betriebsbereich des Pumpenaggregats fester Drehzahlsprung für die Beschleunigung vorausgesetzt, beispielsweise 100 U/min. Ein solch fester Drehzahlsprung führt naturgemäß bei kleinen Drehzahlen zu einem anderen Energiereferenzwert als bei hohen Drehzahlen. So kann der
Energiereferenzwert beispielsweise als eine von der aktuellen Betriebsdrehzahl (Startdrehzahl) abhängige Funktion oder als Tabelle hinterlegt sein, in der für eine Vielzahl von Startdrehzahlen entsprechende Energiereferenzwerte zugeordnet sind. Je nach Startdrehzahl kann dann aus der Tabelle derjenige Energiereferenzwert ausgewählt und für die erfindungsgemäße Trockenlauferkennung verwendet werden, der der aktuellen Startdrehzahl für einen bestimmten Drehzahlsprung zugeordnet ist. Alternativ kann mittels der abgespeicherten Funktion zu der aktuellen Startdrehzahl für einen bestimmten Drehzahlsprung der Energiereferenzwert berechnet und für die erfindungsgemäße Trockenlauferkennung verwendet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante kann der Energiereferenzwert zusätzlich zur Abhängigkeit von der aktuellen Startdrehzahl auch von dem im Rahmen des Beschleunigungsvorgangs erreichten Drehzahlsprung abhängig sein. Bei dieser Variante ist der Drehzahlsprung nicht festgelegt. In diesem Fall ist es von Vorteil, wenn der Energiereferenzwert durch eine Gleichung bestimmt ist, die während des Beschleunigungsvorgangs unter Berücksichtigung der aktuell erreichten
Drehzahlsprunghöhe ständig berechnet wird.
Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Energiereferenzwert die zur Beschleunigung theoretisch benötigte Energie bei einem Nasslauf des
Kreiselpumpenaggregats ist, die während des Beschleunigungsvorgangs berechnet wird. Dies bedeutet, dass während des Beschleunigungsvorgangs eine Gleichung ausgewertet wird, die die zur Beschleunigung benötigte Energie bei einem Nasslauf des Kreiselpumpenaggregats angibt. Diese Energie ist abhängig von der aktuellen Betriebsdrehzahl und dem in Folge der Beschleunigung erreichten Drehzahlsprung und kann als Energiereferenzwert verwendet werden. Da die zur Beschleunigung benötigte Energie bei einem Nasslauf größer ist als bei einem Trockenlauf, kann auf einen Trockenlauf geschlossen werden, wenn die berechnete Energie für die
Beschleunigung des Rotors des Kreiselpumpenaggregats kleiner als die mit berechnete theoretisch benötigte Energie bei einem Nasslauf des
Kreiselpumpenaggregats ist.
Alternativ kann der Energiereferenzwert die zur Beschleunigung theoretisch benötigte Energie bei einem Trockenlauf des Kreiselpumpenaggregats sein, die während des Beschleunigungsvorgangs berechnet wird. Dies bedeutet, dass während des Beschleunigungsvorgangs eine Gleichung ausgewertet wird, die die zur Beschleunigung benötigte Energie bei einem Trockenlauf des
Kreiselpumpenaggregats angibt. Bei dieser Variante ist es so, dass im Normalbetrieb des Kreiselpumpenaggregats stets eine erhebliche Abweichung von dem
verwendeten Energiereferenzwert vorliegt. Dagegen kann auf einen Trockenlauf dann geschlossen werden, wenn die zur Beschleunigung des Rotors benötigte Energie nicht um einen bestimmten Betrag von dem Energiereferenzwert abweicht.
Die Verwendung einer Gleichung für den Energiereferenzwert, die gleichzeitig mit der Berechnung der für den Beschleunigungsvorgang verbrauchten Energie ausgewertet wird, kann für die Realisierung des Abbruchkriteriums bei der oben genannten dritten Variante verwendet werden, da der aktuelle Energieverbrauch zu jedem Zeitpunkt mit dem für Trockenlauf oder Nasslauf erwarteten Energiewert aus der Gleichung verglichen werden kann.
Vorzugsweise erfolgt die Berechnung der für die Beschleunigung verbrauchten
Energie dadurch, dass die Leistungsaufnahme des Kreiselpumpenaggregats zu Beginn und während des Beschleunigungsvorgangs ermittelt wird und die
Differenzen zwischen der Leistungsaufnahme zu Beginn des
Beschleunigungsvorgangs und der jeweiligen Leistungsaufnahme während des Beschleunigungsvorgangs integriert oder summiert werden. Eine Integration ist hier erforderlich, wenn eine zeitkontinuierliche Ermittlung der Leistungsaufnahme erfolgt, so dass die Leistungsaufnahme des Kreiselpumpenaggregats zu jedem Zeitpunkt vorliegt. Demgegenüber ist eine Aufsummierung der Differenzen erforderlich, wenn die Bestimmung der Leistungsaufnahme während des Beschleunigungsvorgangs zeitdiskret erfolgt, beispielsweise in diskreten Schritten von 125ms. Durch die Integration einer Leistung erhält man mathematisch die Energie, die am Ende des Integrationszeitraums in einem physikalischen System steckt. Demgegenüber ergibt die Integration der Leistungsdifferenzen zwischen der Leistung zu Beginn des Beschleunigungsvorgangs und den jeweiligen Zeitpunkten während des
Beschleunigungsvorgangs die in das Kreiselpumpenaggregat gesteckte Energie für den Beschleunigungsvorgang.
Vorteilhafterweise erfolgt die Beschleunigung des Rotors derart, dass die
beschleunigungsbedingte Drehzahlzunahme bei einer niedrigen Betriebsdrehzahl höher ist, als bei einer hohen Betriebsdrehzahl. Dies bedeutet, dass der
Beschleunigungsvorgang bei niedrigen Betriebsdrehzahlen länger ist und/oder eine höhere Betriebsdrehzahl erreichen muss, als ein Beschleunigungsvorgang, der bei einer höheren Betriebsdrehzahl gestartet wird. Zwar kann ein bei einer niedrigeren Betriebsdrehzahl verwendeter Beschleunigungsvorgang (Dauer oder Sprunghöhe), der zu einem aussagereichen Ergebnis führt, auch bei einer höheren
Betriebsdrehzahl verwendet werden. Jedoch geht dies umgekehrt nicht, weil bei niedrigeren Drehzahlen eine größere Drehzahlzunahme erforderlich ist, um eindeutig eine Aussage treffen zu können, ob ein Trockenlauf vorliegt oder nicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorzugsweise in einer Pumpenelektronik für eine Kreiselpumpe integriert sein, die zur Ausführung des Verfahrens der
vorbeschriebenen Art eingerichtet ist. Die Erfindung betrifft daher ebenfalls eine Pumpenelektronik für die Kreiselpumpe, die zur Ausführung des beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch eine Kreiselpumpe mit einer derartigen Pumpenelektronik und darin implementiertem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung können der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen entnommen werden, die auf die
beigefügten Figuren Bezug nehmen. Es zeigen:
Figur 1 : Leistungskurven über der Drehzahl für verschiedene
Pumpenbetriebszustände
Figur 2: Diagramm zur Darstellung des Verfahrensablaufs
Figur 3: Beschleunigungsvorgang mit Vorgabe einer Zieldrehzahl
Figur 4: Beschleunigungsvorgang mit Vorgabe eines Beschleunigungszeitraums Figur 5: Beschleunigungsvorgang unter Verwendung eines aussagekräftigen
Energieverbrauchs als Abbruchkriterium
Wie bereits in der Beschreibungseinleitung erläutert, zeigt Figur 1 drei
Leistungskurven über der Drehzahl für ein Kreiselpumpenaggregat. Dargestellt ist eine erste Leistungskurve als punktierte Linie, die den Verlauf der Leistung P_Q0 über die Drehzahl für einen Volumenstrom Null zeigt. Ferner ist als durchgezogene Linie der Verlauf der Leistung P_Dry über der Drehzahl im Falle eines Trockenlaufs dargestellt. Es wird deutlich, dass der Leistungsverlauf im Falle eines Trockenlaufs erheblich flacher ist als im Falle des Normalbetriebs, bei dem das Laufrad des
Kreiselpumpenaggregats in einer zu fördernden Flüssigkeit dreht. Dies liegt daran, dass im Normalfall die Leistung P proportional zur dritten Potenz der Drehzahl (P~n3) ist, wohingegen im Falle eines Trockenlaufs eine einfache proportionale
Abhängigkeit besteht (P~n).
Für eine Trockenlauferkennung kann ein drehzahlabhängiger Mittelwert zwischen der Leistungsaufnahme im Normalfall und der Leistungsaufnahme im Falle eines
Trockenlaufs gebildet werden, der als Referenzkurve für die Feststellung verwendet werden kann, ob ein Trockenlauf vorliegt oder nicht. Dieser drehzahlabhängige Mittelwert ist durch die gestrichelte Kurve P_Drytimit veranschaulicht. Für eine
Trockenlauferkennung wird im Betrieb des Kreiselpumpenaggregats die aktuelle Leistungsaufnahme ermittelt und mit dem Referenzwert der Mittelwertkurve bei der aktuellen Drehzahl (Startdrehzahl + aktueller Drehzahlsprunghöhe) verglichen. Liegt die aktuelle Leistungsaufnahme unter dem Referenzwert, so liegt ein Trockenlauf vor. Wie sich aus Figur 1 weiter ergibt, sind die Leistungskurven bei kleinen Drehzahlen deckungsgleich. Bei dem in Figur 1 beispielhaft gewählten Pumpenaggregat ist dies für alle Drehzahlen unterhalb 2000rpm der Fall, so dass in diesem Drehzahlbereich keine Trockenlauferkennung möglich ist. Denn eine Differenzierung zwischen dem Normalfall und dem Trockenlauffall kann hier nicht vorgenommen werden. Dieser Nachteil wird durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden.
Das Trägheitsmoment ü für ein Kreiselpumpenaggregat wird im Falle des
Trockenlaufs, d.h. ohne Flüssigkeit im Laufrad, nur durch die Masse des Rotors und des Laufrads bestimmt: J = ÜMotor- Demgegenüber ist das Trägheitsmoment J im Normalfall zusätzlich durch einen hydraulischen Anteil gebildet: J = Ü otor + ÜHydrauiik-
Für die rotatorische Energie gilt allgemein Erot = 1/2-JGD2. In Bezug auf das
Kreiselpumpenaggregat gilt damit für eine beliebige Betriebsdrehzahl ω0 = 2π·ηο im Normalfall Erot = 1/2· (ÜMotor + üHydrauiik)<öo2. Wird das Pumpenaggregat ausgehend von dieser Drehzahl ωο, nachfolgend auch Startdrehzahl genannt, beschleunigt, so steigt die Drehzahl um Δω am Ende des Beschleunigungsvorgangs an. Fehlt es dem Pumpenaggregat gegenüber dem Normalbetrieb an Förderflüssigkeit, beträgt die rotatorische Energie am Ende des Beschleunigungsvorgangs Erot,dry = 1/2· ÜMotor (ωο + Δω)2.
Die für einen Beschleunigungsvorgang benötigte Energie E ergibt sich dann aus der Differenz der Energie Eend am Ende des Beschleunigungsvorgangs zur rotatorischen Energie Estan, die in dem Kreiselpumpenaggregat zu Beginn des
Beschleunigungsvorgangs gespeichert war. Für den Trockenlauf gilt dann: rot.dry ΔΕ rot.dry.end - AE, rot.dry .start ω)2 - - J Motor ω0 + Δω2] (Gleichung 1 )
Figure imgf000013_0001
Und für den Normalfall gilt analog: rot,normal = 2 ^ f Motor + JHydraulik [2<*) 0A(xi + Δω ] (Gleichung 2)
Wie zuvor ausgeführt, kann der Energiereferenzwert Eref eine Konstante sein, d.h. ein Wert, der über den gesamten Betriebsbereich des Pumpenaggregats gleich ist. Da der Beschleunigungsvorgang bei irgendeiner Startdrehzahl ωο beginnen kann, muss der Drehzahlsprung Δω, der erreicht werden muss, um diesen konstanten
Energiereferenzwert Eref zu erhalten, berechnet werden. Dies kann aus dem
mathematischen Zusammenhang Δω = f(Eref, coo) zwischen Startdrehzahl ω0 und notwendigem Drehzahlsprung Δω erfolgen. Gesucht ist also die Höhe eines
Drehzahlsprunges Δω, die einen identischen Energieunterschied Eref zwischen Normalfall und Trockenlauf ergibt. Dieser mathematische Zusammenhang ergibt sich mit Eref = Enormai - Edry = konstant aus der Differenzbildung der Gleichungen 1 und 2:
Eref — + Δω)2— Q)2,]
Figure imgf000014_0001
1 1
- ö( >r[(<*>0 + Δω)2 - Ü)* = -JHydraulikK<»0 + Aü))2 - Q)2,]
Figure imgf000014_0002
Physikalisch sinnvoll ist lediglich die Lösung mit der positiven Wurzel, so dass sich für den zu bestimmenden Drehzahlsprung
Figure imgf000014_0003
ergibt. Aus Gleichung 3 kann nun abhängig von der Startdrehzahl co0 sie Sprunghöhe Δω der Drehzahl ermittelt werden, so dass ein konstanter Energieunterschied zwischen Normal- und Trockenlauf über den gesamten Betriebsbereich des
Pumpenaggregats angenommen und damit ein konstanter Energiereferenzwert festgelegt werden kann. Ein beispielhafter Verfahrensablauf einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Figur 2 dargestellt. Das Verfahren kann während des Betriebs eines Kreiselpumpenaggregats in Abständen immer wieder durchgeführt werden. Dabei können die Abstände regelmäßig oder unregelmäßig sein. Alternativ oder in
Kombination kann die Durchführung des Verfahrens speziell ausgelöst werden, beispielsweise wenn eine Überwachungselektronik des Kreiselpumpenaggregats einen abnormalen Zustand detektiert. Dieser vermeintlich abnormale Zustand kann dann mit der Trockenlauferkennung verifiziert werden.
Das Verfahren beginnt bei Block 10. Es wird zunächst die vom
Kreiselpumpenaggregat aktuell aufgenommene elektrische Leistung P_0 sowie die aktuelle Betriebsdrehzahl n_0 ermittelt, Block 12. Es sei angemerkt, dass n_0 = ωο/2π ist. Die Ermittlung kann jeweils durch Messung oder Berechnung aus
elektrischen und/oder mechanischen Größen des Kreiselpumpenaggregats erfolgen. In der Regel liegt die Drehzahl aber ohnehin für die Drehzahlregelung in der
Pumpenelektronik vor, so dass keine gesonderte Messung oder Berechnung der Drehzahl erforderlich ist. Selbiges gilt bei Kreiselpumpenaggregaten mit
umfangreicher Funktionsausstattung auch für die Leistung, die für verschiedene Pumpenapplikationen ebenfalls benötigt wird, u.U. auch für die Drehzahlregelung.
Die ermittelte aktuelle Leistungsaufnahme P_0 und die aktuelle Betriebsdrehzahl n_ werden anschließend gespeichert, Block 14.
Es erfolgt dann in Block 16 der Beschleunigungsvorgang, bei dem der Rotor des Kreiselpumpenaggregats ausgehend von der aktuellen Betriebsdrehzahl auf eine höhere Drehzahl beschleunigt wird. Dies erfolgt mit maximalem Drehmoment.
In Block 18 wird für diesen Beschleunigungsvorgang die benötigte Energie E berechnet. Dies erfolgt, indem während des Beschleunigungsvorgangs in diskreten Zeitschritten die aktuelle Leistungsaufnahme P_akt (i) immer wieder neu erneut ermittelt und jeweils deren Differenz zur Leistungsaufnahme P_0 zu Beginn des Beschleunigungsvorgangs berechnet wird. Diese Differenzen werden aufsummiert und ergeben dann multipliziert mit dem Abtastintervall T_abt, das beispielsweise 125μβ betragen kann, die für die Beschleunigung benötigte Energie E. Im nächstfolgenden Schritt 20, ist die Überprüfung vorgesehen, ob ein
Abbruchkriterium für den Beschleunigungsvorgang erfüllt ist. Ist das Abbruchkriterium nicht erfüllt, wird weiter beschleunigt, so dass das Verfahren bei Schritt 16 fortgesetzt wird. Ist das Abbruchkriterium dagegen erfüllt, wird der Beschleunigungsvorgang beendet und zu der konventionellen Drehzahlregelung des Kreiselpumpenaggregats zurückgekehrt, die vor der Durchführung des erfindungsgemäßen
Trockenlauferkennungsverfahrens vorlag.
Als Abbruchkriterium kann der Ablauf eines vorgegebenen
Beschleunigungszeitraums, z.B. T=100ms, das Erreichen einer vorgegebenen
Zieldrehzahl n_x oder der positive Vergleich des berechneten Energieverbrauchs E mit der während des Beschleunigungsvorgängs rechnerisch mit ausgewerteten Gleichung 2 (für Nasslauf) verwendet werden.
Um zur herkömmlichen Drehzahlregelung zurückzukehren wird die Zieldrehzahl n_x wieder auf die Drehzahl n_0 gesetzt, die zu Beginn des Beschleunigungsvorgangs vorlag, Schritt 22.
Im nächsten Schritt 24 wird dann überprüft, ob die für den Beschleunigungsvorgang benötigte Energie E kleiner als ein Energiereferenzwert E_ref ist. Als
Energiereferenzwert E_ref wird hier beispielsweise die zur Beschleunigung
theoretisch benötigte Energie bei einem Nasslauf des Kreiselpumpenaggregats verwendet, die gegenüber einem Trockenlauf deutlich höher sein muss, wie der Vergleich der Gleichungen 1 und 2 zeigt. Wird also im Rahmen des Vergleichs in Schritt 24 erkannt, dass die zur Beschleunigung benötigte Energie E kleiner oder vorzugsweise um einen bestimmten Betrag kleiner als der auf den Normalfall bezogene Energiereferenzwert E_ref (Gleichung 2) ist, so wird auf einen Trockenlauf geschlossen. Dieser Zustand kann von dem Kreiselpumpenaggregat dann angezeigt werden, Schritt 28, beispielsweise optisch, akustisch, über eine Femmeldeleitung oder direkt am Kreiselpumpenaggregat.
Ist die für den Beschleunigungsvorgang benötigte Energie E jedoch nicht kleiner, insbesondere nicht um den bestimmten Betrag kleiner als der Energiereferenzwert Eref, liegt der Normalfall vor, d.h. ein in der Förderflüssigkeit drehendes Laufrad, so 1197
15 dass das erfindungsgemäße Verfahren ohne Erkennung eines Fehlerzustandes in Gestalt eines Trockenlaufs beendet werden kann, Schritt 26.
Figur 3 zeigt einen ersten Drehzahlverlauf für den Beschleunigungsvorgang in Schritt 16. Bei dieser Variante wird für den Beschleunigungsvorgang eine bestimmte
Zieldrehzahl n_x angestrebt, die ausgehend von der Startdrehzahl n_0 erreicht werden soll. Bis zur Erreichung der Zieldrehzahl n_x vergeht der Zeitraum T. Nach dem Erreichen der Zieldrehzahl n_x wird wieder die ursprüngliche Startdrehzahl n_0 angestrebt. Die Integration der Leistungsdifferenzen erfolgt dann über den gesamten Beschleunigungszeitraum T, der je nach Zieldrehzahl n_x zwischen 0,1s und 1s betragen kann.
Figur 4 zeigt eine alternative Variante des Beschleunigungsvorgangs, bei der keine Zieldrehzahl n_x sondern der Zeitraum T vorgegeben wird, für den der Rotor des Kreiselpumpenaggregats beschleunigt werden soll. Die hierbei am Ende des
Beschleunigungsvorgangs erreichte Drehzahl ist dabei ohne Bedeutung, da der Beschleunigungsvorgang beendet wird, sobald der Zeitraum T abgelaufen ist. Der Zeitraum kann zwischen 100ms und 200ms betragen.
Figur 5 zeigt eine dritte Variante des Beschleunigungsvorgangs, bei der zwar eine Zieldrehzahl n_x der Drehzahlregelung des Kreiselpumpenaggregats vorgegeben wird, um den Beschleunigungsvorgang auszulösen, diese Zieldrehzahl n_x jedoch für den Beschleunigungsvorgang selbst ohne Bedeutung ist. Sie dient lediglich dazu, den Frequenzumrichter dazu zu bringen, den Elektromotor mit Maximalstrom zu versorgen, damit ein maximales Beschleunigungsmoment am Rotor wirkt.
Der Beschleunigungsvorgang wird abgebrochen, sobald die für die Beschleunigung benötigte, berechnete Energie aussagekräftig ist, um festzustellen, ob ein
Trockenlauf vorliegt, oder nicht. Diese Feststellung ist mit einem Vergleich der aktuell berechneten Energieaufnahme und der zeitgleich ausgewerteten Gleichung 2 möglich. Ein aussagekräftiges Ergebnis kann möglicherweise bereits nach einem Beschleunigungszeitraum T vorliegen, der weniger als 100ms beträgt. Demgemäß ist die Beschleunigungsvariante gemäß Figur 5 diejenige, bei der das
erfindungsgemäße Verfahren die kürzeste Zeit in Anspruch nimmt. Dies hat den Vorteil, dass die übergeordnete Drehzahlregelung des Kreiselpumpenaggregats für einen minimalen kurzen Zeitraum unterbrochen werden muss, um das
erfindungsgemäße Verfahren zur Trockenlauferkennung durchführen zu können.
Das neue Verfahren zur Trockenlauferkennung basiert folglich auf der Energie, die für einen kurzen Beschleunigungsvorgang erforderlich ist. Die Differenz der Energie, die zur Beschleunigung des Rotors aufgrund seiner Trägheit benötigt wird, unterscheidet sich signifikant gegenüber der Energie die zur Beschleunigung des Rotors und der im Laufrad befindlichen Flüssigkeit benötigt wird. Die
Beschleunigungsprozedur benötigt dabei etwa 100ms oder weniger und weitere 100ms zur Rückkehr zur ursprünglichen Drehzahl. Schnelle Drehzahlsprünge, wie sie das erfindungsgemäße Verfahren benötigt, können mit einer üblichen
Drehzahlregelung, beispielsweise mit der feldorientierten Regelung (FOR), erreicht werden. Aufgrund der schnellen Dynamik wird der eingeschwungene Zustand des hydraulischen Systems nicht beeinträchtigt und das neue Verfahren zur
Trockenlauferkennung wird von einem Nutzer des Kreiselpumpenaggregats nicht bemerkt. Insoweit ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders nutzerfreundlich und beeinträchtigt die konventionelle Steuerung des Kreiselpumpenaggregats in keinster Weise.
Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet im gesamten Drehzahlbereich des
Kreiselpumpenaggregats sicher und zuverlässig. Sofern der Energiereferenzwert während des Beschleunigungsvorgangs mitberechnet wird, erübrigt sich die
Vornahme einer Vielzahl an Messungen, die zur Erstellung einer Referenzkurve, wie sie die gestrichelte Leistungskurve in Figur 1 darstellt, erforderlich ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Ausfallsicherung und zuverlässige Trockenlauferkennung bereitgestellt, die insbesondere auch bei kleinen Drehzahlen zuverlässig funktioniert. Aufgrund der geringen Drehzahlsprünge und/oder der sehr kurzen Beschleunigungszeiten, wird die übergeordnete Drehzahlregelung des
Kreiselpumpenaggregats nicht beeinträchtigt.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Erkennung eines Trockenlaufs innerhalb eines
Kreiselpumpenaggregats, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor des Kreiselpumpenaggregats von der aktuellen Betriebsdrehzahl (n_0) aus für einen Zeitraum (T) beschleunigt und die zur Beschleunigung benötigte Energie (E) berechnet wird, wobei die berechnete Energie (E) mit einem Energiereferenzwert (Eref) verglichen und in Abhängigkeit des Ergebnisses dieses Vergleichs auf einen Trockenlauf geschlossen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Beschleunigung dann beendet wird, wenn der Zeitraum (T) abgelaufen ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
Zeitraum zwischen 100ms und 200ms beträgt.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigung dann beendet wird, wenn eine bestimmte
Zieldrehzahl (n_x) erreicht ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zieldrehzahl (n_x) die maximale Drehzahl des Pumpenaggregats ist.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiereferenzwert (Eref) die zur Beschleunigung theoretisch benötigte Energie bei einem Nasslauf des Kreiselpumpenaggregats ist, wobei auf einen Trockenlauf geschlossen wird, wenn die berechnete Energie (E) kleiner als oder um einen bestimmten Betrag kleiner als der
Energiereferenzwert (Eref) ist, oder
dass der Energiereferenzwert (Eref) die zur Beschleunigung theoretisch benötigte Energie bei einem Trockenlauf des Kreiselpumpenaggregats ist, wobei auf einen Trockenlauf geschlossen wird, wenn die berechnete Energie (E) nicht mehr als einen bestimmten Betrag von dem Energiereferenzwert (Ere abweicht.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der
Energiereferenzwert (Eref) während des Beschleunigungsvorgangs mit berechnet wird.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigung dann beendet wird, sobald sich die zur
Beschleunigung verbrauchte Energie (E) um einen bestimmten Betrag von dem Energiereferenzwert (Eref) unterscheidet.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigung mit maximalem Drehmoment erfolgt.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der für die Beschleunigung verbrauchten Energie (E) dadurch erfolgt, dass die elektrische Leistungsaufnahme (P_0) des
Kreiselpumpenaggregats zu Beginn und kontinuierlich oder in diskreten Schritten während des Beschleunigungsvorgangs ermittelt und die Differenzen zwischen der Leistungsaufnahme (P_0) zu Beginn des
Beschleunigungsvorgangs und der jeweiligen Leistungsaufnahme (P_akt) während des Beschleunigungsvorgangs integriert oder summiert werden.
11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigung derart erfolgt, dass die beschleunigungsbedingte Drehzahlzunahme (Δω) bei einer niedrigen aktuellen Betriebsdrehzahl (n_0) größer ist, als bei einer hohen aktuellen Betriebsdrehzahl (n_0).
12. Pumpenelektronik für eine Kreiselpumpe, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11
eingerichtet ist.
13. Kreiselpumpe, insbesondere Nassläuferpumpe, gekennzeichnet durch eine Pumpenelektronik nach Anspruch 12.
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