WO2018197033A1 - Verfahren zur detektion eines abnormalen betriebszustands eines pumpenaggregats - Google Patents

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WO2018197033A1
WO2018197033A1 PCT/EP2018/000120 EP2018000120W WO2018197033A1 WO 2018197033 A1 WO2018197033 A1 WO 2018197033A1 EP 2018000120 W EP2018000120 W EP 2018000120W WO 2018197033 A1 WO2018197033 A1 WO 2018197033A1
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pump unit
speed
pump
abnormal operating
signal
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PCT/EP2018/000120
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Jens Olav FIEDLER
Tilman Philip SANDERS
Martin Kiel
Martin Oettmeier
Benedikt Meier
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Wilo Se
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    • F04B2203/02—Motor parameters of rotating electric motors
    • F04B2203/0201—Current

Definitions

  • the present invention relates to a method for detecting an abnormal operating state of a device operated at a predeterminable speed
  • Variable speed pump unit for fluid delivery for fluid delivery.
  • Abnormal operating conditions occur again and again in pump sets and can lead to damage or even total failure of the pump set.
  • Examples of abnormal operating conditions are dry running, cavitation on the impeller or bearing wear, bearing damage.
  • sealing elements such. B. mechanical seals used, the leakage of the fluid from the pump or at
  • the sealing surfaces of the sealing elements are friction surfaces which are lubricated by the conveyed medium. In the case of dry running these friction surfaces are no longer or not sufficiently lubricated and can wear out very quickly. Early detection of dry running can prevent this.
  • Power consumption of the pump set depends on the speed and the flow rate. Dry running generally results in lower power at the same speed than in the case of a filled one
  • Cavitation is the phenomenon that occurs during operation of the
  • Excitation signal to calculate an evaluation signal and to determine whether an abnormal operating condition exists.
  • the method may be software-implemented in electronics of the pump. Thus, neither a sensor external to the pump electronics nor additional hardware is required. Furthermore, the method can be used reliably over the entire speed range, since it has a very good suppression of measurement noise. It is therefore not limited to a certain speed range contrary to the methods of the prior art.
  • 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 may be a
  • modulating in the sense of the invention is generally to be understood as a change, however, the type, height and speed of the excitation signal is not limited in any way
  • control of the pump set under This term is also to be understood as a regulation, since a regulation only contains a controller with a feedback of a specific size.
  • the detection of an abnormal operating state can take place, for example, by comparing the evaluation signal with a decision threshold.
  • An abnormal operating state can then be concluded if the evaluation signal deviates from a normal range (permissible range in operation).
  • the decision threshold may form a boundary of this normal range, for example a minimum curve or a maximum curve of the normal range, or a distance to this range, in order to avoid false detections.
  • it must therefore be checked whether the evaluation signal lies above or below the decision threshold.
  • the decision threshold is thus dependent on the abnormal one
  • a particular decision threshold is associated with a particular abnormal operating condition.
  • a first abnormal operating condition can be obtained by comparing the
  • Evaluation signal with a first decision threshold and a second abnormal operating state can be determined by comparing the evaluation signal with another, second decision threshold. Similarly, there may be a third or further decision threshold (s).
  • the decision threshold defines an upper limit or a lower limit of the allowable normal range. If, for example, it defines a lower limit in the case of the first abnormal operating state, it may be based on this first abnormal operating state are closed when the evaluation signal is below the first decision threshold.
  • the decision threshold may in the simplest case be one
  • the decision threshold may alternatively be defined by a curve, preferably a straight line, which is a mathematical
  • the decision threshold is a function of the speed, it is achieved that it can be set in accordance with the speed dependency of the normal or fault mode, so that the decision against
  • the decision threshold also called the threshold curve
  • the evaluation signal can be formed from the integral of the product of the system response and a periodic function of the same or a multiple of the frequency of the excitation signal over a predetermined integration period. It should be noted at this point that integral formation within the meaning of the invention is also to be understood as a summation of values which results in the numerical implementation of the method
  • the evaluation signal may preferably be based on the following
  • Integration period T X (t) is the system response, S (t) is the periodic function, ki is a positive integer and ⁇ is the frequency of the excitation signal.
  • the periodic function may be a sine function.
  • a cosine function a combination of a sine function and a cosine function, a combination of several sine functions or cosine functions, or a combination of a plurality of sine functions and cosine functions may also be used as a periodic function
  • the manipulated variable applied to the excitation signal is a
  • Target speed or setpoint torque of the pump set i. a
  • the method according to the invention can be implemented particularly simply because the speed or the torque is often a controlled variable in a pump unit, i. a variable whose height is given by a setpoint.
  • Speed or torque controls are known per se in pump units. The control of the pump set then tries to regulate the setpoint. The periodic excitation of the desired speed or the desired torque is a simple measure to achieve a modulation of the size. Ultimately, this is the output from the drive motor
  • the manipulated variable may be a current of the pump unit.
  • This is especially suitable for pump sets a suitable control variable whose electric drive motor is controlled by a vector control such as the field-oriented control (FOR).
  • FOR field-oriented control
  • Motor models here are formed current components id and iq, which define the rotating with the frequency of the stator field current pointer.
  • id-current the field can be influenced, with the iq-current the torque.
  • modulating the current a modulation of the rotational speed or of the torque can consequently be achieved indirectly.
  • the hydraulic variable to be modulated may suitably be the delivery head H or the differential pressure ⁇ generated by the pump unit. Because the
  • the mechanical variable used is preferably the torque output by the pump unit or the actual speed.
  • An electrical quantity as the system response can be, for example, the electrical power P e i picked up by the electric motor of the pump unit or the current. The change of at least one of these variables due to the modulation of the hydraulic variable is considered according to the invention as a system response.
  • the target speed can be modulated and the resulting electrical power consumption can be evaluated.
  • the delivered power consumption instead of the delivered
  • Torque or the actual speed can be used for evaluation. And instead of the excitation of the target speed, the target torque can be excited and the resulting actual speed, the torque output or the electrical power consumption are evaluated.
  • the periodic excitation signal may ideally be a sinusoidal signal or a sinusoidal-containing signal. The latter can also be, for example, a triangular or sawtooth signal.
  • the excitation signal corresponds to a weighting factor of the periodic function, which is used for the formation of the evaluation signal. The weighting factor determines the amplitude of the modulation of the manipulated variable.
  • the frequency of the excitation signal can be between 0.1 Hz and 100 Hz, preferably between 0.5 Hz and 10 Hz. It should be noted that the frequency is to be selected depending on the hydraulic system in which the pump unit is operated , Thus, the frequency due to the inertia of the rotor, the impeller and the pumped liquid upwards limits. In addition, the excitation frequency and speed controller of the
  • the speed controller may not adjust the modulated setpoint speed fast enough. In this special case, however, the
  • the disadvantage of too low a frequency is that the response time of the calculation of the evaluation signal increases in accordance with the period, so that the process takes longer. If the frequency is too low, furthermore, the system response may be weak, so that the information about the abnormal operating state is only weakly present in the evaluation signal. That's why the frequency is too low, furthermore, the system response may be weak, so that the information about the abnormal operating state is only weakly present in the evaluation signal. That's why the
  • Excitation frequency should not be too small, for example, not less than 0.1 Hz.
  • the amplitude of the excitation signal may preferably be less than 25% of the
  • Be speed setpoint It can in particular between 0.1% and 25% of
  • Speed setpoint At a setpoint speed of, for example, 2000 rpm, it is thus possible to use a speed fluctuation of ⁇ 2 rpm to ⁇ 500 rpm.
  • This integration period T may be at least one period or a multiple of the period of the excitation signal.
  • the calculation of the evaluation signal or the integration during the modulation of the hydraulic variable, in particular the target rotational speed can be performed.
  • the calculation thus does not take place until the modulation has ended. This prevents that only the decaying system response is analyzed.
  • the calculation of the evaluation signal or the integration begins only after a certain period of time, for example after one or a few periods of the excitation signal have elapsed. This ensures that the analysis of the system response takes place temporally only when the system consisting of the pump unit and connected pipelines has settled. Transient effects thus do not affect the evaluation of the system response.
  • the method according to the invention is carried out continuously during operation of the pump unit. As a result, changes in the operating state can be detected immediately. Alternatively, the method can be executed at suitable times, at intervals, in particular regularly.
  • the method according to the invention can be started by a trigger during pump operation.
  • a trigger may be, for example, that another method for detecting an abnormal operating condition, as is known in the art and may be implemented in an electronics of the pump in parallel with the method according to the invention, recognizes just such an abnormal operating condition. This one
  • the method according to the invention can be activated during operation of the pump unit, if the use of a method known in the prior art for detecting an abnormal
  • Operating state detects an abnormal operating condition. If an abnormal operating state is detected with the method according to the invention, an error signal can be output, for example visually, acoustically or as an electronic message, so that a user or service technician or a connected system (eg heating system or building management system) is informed about the abnormal operating state. This can then
  • the pump set may be shut down to prevent further or worse damage to the pump set or other components of the system.
  • the detection of the mechanical and / or electrical quantity as a system response to the modulation can be done either at discrete times or continuously.
  • the system response then exists as a series of values so that multiplication by the periodic function and integration of the product thus obtained can be done at any time.
  • the pump unit may be, for example, a heating pump, coolant pump or a drinking water pump. Preferably, it is in the
  • Figure 1 diagram with a dry-running curve, a wet-run curve and an intermediate decision threshold according to the prior art
  • FIG. 3 System for applying the method according to the invention
  • FIG. 4 Structure picture of cooperating functional units for the execution of the
  • Figure 5 Diagram with measured wet and dry running operations
  • Figure 1 shows a diagram that illustrates the mode of action of a method for determining a dry run according to the prior art in a pump unit during operation.
  • the diagram shows the hydraulic power P_hydr above the actual speed njst.
  • a measured in normal, wet-running operating case curve 11 and a measured in the abnormal, dry-running operating curve 9 are shown. It is clear that the wet run curve 11 relative to the dry-running curve 9 at the same speed indicates a higher performance.
  • the power output of the pump set is therefore always lower in the case of dry running, at least if it is not
  • a curve is drawn approximately centrally between the two curves 9, 11, which forms a decision threshold 10. It serves as a reference for the decision as to whether or not there is dry running with regard to the current speed and the currently available power. This determination can be made by comparison with the decision threshold 10. If the power is below the decision threshold 10, close to dry running.
  • the electric power Pei is determined and
  • Dry run detection used. This method provides reliable detection of dry running at higher speeds. However, since the wet-running curve 1 and the dry-running curve 9 are very close to each other at low speeds, is a reliable
  • the method of hydraulic determination of an abnormal operating condition described below exploits the dynamic behavior of the system, which is formed by pump unit 1 and connected pipelines and is analyzed by a targeted excitation.
  • FIG. 3 A model of the system in which a variant of the method according to the invention can be applied is shown in FIG. 3 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.
  • a heating source lines For example, as liquid, water can circulate in the pipelines 5 which is driven by the pump unit 1.
  • the pump unit 1 consists of a pump unit 2, which forms the hydraulic part of the unit 1, an electric motor drive unit 3, which forms the electro-mechanical part of the unit 1, and a control electronics 4 for controlling and / or regulating the drive unit.
  • the drive unit 3 consists of an electromagnetic part 3a and a mechanical part 3b.
  • the control electronics 4 comprises, on the one hand, hardware 4b and, on the other hand, software 4a.
  • the hardware 4b also includes power electronics, such as a frequency converter, in order to set a specific rotational speed on the drive unit.
  • the control electronics 4 is a solid speed no predetermined. Although this is shown here as coming from outside the control electronics 4, for example by manual specification, it can alternatively also by a characteristic control or a dynamic, needs-based adjustment of the operating point of
  • Drive unit 3 calculates the control electronics 4, or their software 4a, a voltage U of the power electronics 4b is specified so that the drive unit 3, a corresponding electrical power Pei, is available.
  • the electromagnetic part 3a of the drive unit 3 which describes the stator, rotor and their electromagnetic coupling, generates a mechanical torque Mist from the current Ui. This accelerates the rotor and leads to a corresponding speed nist of the drive unit 3, which is included in the mechanical part 3b of the model of the drive unit 3. With the rotational speed s m t is now the seated on the rotor shaft of the hydraulic pump impeller part 2 of the
  • the pump unit 1 driven.
  • the pump unit 1 thereby generates a differential pressure between suction and pressure side and a delivery height H, which generates a more or less large volume flow Q in the piping system 5 depending on the pipe resistance.
  • a hydraulic torque M d can be defined, which counteracts the engine torque crap as a braking torque.
  • FIG. 1 The basic sequence of the method according to the invention is shown in FIG. The process is carried out in the intended operation of the pump set, i. when the pump unit 1 is connected to a pipe power system 5 and operated at any desired speed no.
  • step S1 Starting from the specification of the setpoint speed no in step S1, this includes
  • step S3 Determination of the system response, for example by measurement, step S3; - Calculation of an evaluation signal due to the system response, step SA and
  • the method may also be used to detect other errors in the pump set or in the overall system, in which case the determined evaluation signal is also outside a normal range, which is a corresponding decision threshold is limited.
  • the excitation of the system takes place in that a manipulated variable, here the stationary nominal speed no, is modulated with an excitation signal fA (t), so that the new target speed nsoii to be set by the pump electronics 4 is the sum of the previously specified nominal speed no and the excitation signal fA (t) gives:
  • the excitation of the speed is here purely sinusoidal, but other modulations are conceivable.
  • the amplitude ni is between 0.1% and 25% of the setpoint speed no and may be set at the factory and fixed, for example to 1%.
  • the excitation frequency f or ⁇ should be calculated so that the speed controller of the
  • Rate of change of the speed can be sufficiently fast following. In this case, then no correction of the controller parameters, eg the Proportional gain, be made.
  • a frequency f of 1 Hz is used.
  • Evaluate pump set especially if the actual speed of the modulated setpoint speed can follow. If the actual speed can not follow the target speed, it is advisable to evaluate two or more sizes, e.g. a mechanical quantity such as the actual speed, and an electrical quantity like that of the engine
  • the recorded electrical power P e i is used as the system response X (t) to the speed modulation. This can be measured or directly from the measured current and the measured or calculated
  • the torque or the absorbed current can be used as a system response.
  • the determination of the system response may be done by sampling at discrete times or continuously such that the system response X (t) is present as a discrete or continuous series of measurements. This is covered by step S3 of FIG. For the sake of simplicity, only the case of the continuous series will be dealt with here.
  • the evaluation signal l (t) is first determined. This is done by first multiplying the system response X (t) by a periodic function S (t), ie by constructing the product of the system response X (t) and this periodic function S (t).
  • the time to is consequently in the past and does not represent the present at the time t.
  • the integration of the integral can go from t-T to t. To the present t do not agree with the integration variables
  • Evaluation signal is in normal operation above a normal range downwardly bounding minimum curve 15a. At the top, the normal range is limited by a maximum curve 15b. A dry run is present as soon as the
  • Evaluation signal l (t) is below the minimum curve 15a. This is examined in step S5 on the basis of decision threshold 10. It makes sense for the decision threshold 10 to maintain a distance to the minimum curve 15a
  • step S8 If, for example, in the case of dry running, the value of the evaluation signal l (t) is above the decision threshold 10, then there is no dry run, see no branch and step S8.
  • the method may then continue at the time the system is initiated, step S2. Alternatively, the method may be terminated and reactivated at a later time, such as timed or triggered by another trigger.
  • the signal l (t) in this case is below another minimum curve or above a maximum curve.
  • step S6 If, for example, in the case of dry running, the value of the evaluation signal l (t) is below the decision threshold 0, then there is an abnormal operating state, see Yes branch and step S6. An error message can then be output, step S7, for example as an optical or acoustic signal on
  • Fig. 4 These functional units comprise a modulation unit 12, the drive motor 3, a
  • System response determination unit 13 the dry run detection 14 and the reaction unit 4a 'may also be part of the pump electronics 4, in particular their software. But it could also be partially formed by hardware components.
  • the system response determination unit 13 may include a sensor to determine the electrical power consumption, and / or the reaction unit 4a 'may include a switch to the pump unit
  • the modulation unit 12 is supplied to the speed setpoint no.
  • Modulation unit 12 generates the periodic excitation signal fA (t) in the form of a sinusoidal signal m sin (red) and adds this to the desired speed value no, so that a new desired speed value no + ni-sin (cat ) output from modulation unit 12.
  • the sinusoidal signal S (t) sin (cot) is output separately from the modulation unit 12 from the excitation signal fA (t) and the
  • System response determination unit 13 is provided.
  • the excitation signal fA (t) can also be output directly.
  • the new speed setpoint no + ni-sin (cot) is set in the drive motor 3 by means of the power electronics 4b, not shown in FIG.
  • the path of this signal is not differentiated here. It corresponds to the usual way in the speed setpoint specification of an electric motor.
  • the speed setting of the drive motor 3 has a specific
  • the calculated evaluation signal l (to), l (t) becomes
  • Reaction unit 4a which responds with a predetermined measure to the detected dry run, for example, displays the error signal, forwards to a higher-level control or control technology and / or shuts off the drive motor 3.
  • a higher-level control eg. B. a

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion eines abnormalen Betriebszustands eines bei einer vorgebbaren Drehzahl (n 0) betriebenen, drehzahlregelbaren Pumpenaggregats (1). Dabei wird eine Stellgröße (nsoll) des Pumpenaggregats (1) derart mit einem periodischen Anregungssignal (fA(t)) einer bestimmten Frequenz (f) beaufschlagt, dass eine hydraulische Größe (H, Δρ) des Pumpenaggregats (1) moduliert wird. Aus einer mechanischen und/ oder elektrischen Größe (Pel) des Pumpenaggregats (1) als Systemantwort (X(t)) auf das Anregungssignal (fA(t)) wird anschließend ein Auswertesignal (l(t0), l(t)) berechnet und daraus ermittelt, ob ein abnormaler Betriebszustand vorliegt. Ferner betrifft die Erfindung eine Pumpenelektronik zur Steuerung und/ oder Regelung der Solldrehzahl eines Pumpenaggregats (1), die zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist sowie ein Pumpenaggregat mit einer solchen Pumpenelektronik.

Description

Verfahren zur Detektion eines abnormalen Betriebszustands eines Pumpenaggregats
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion eines abnormalen Betriebszustands eines bei einer vorgebbaren Drehzahl betriebenen,
drehzahlregelbaren Pumpenaggregats zur Flüssigkeitsförderung.
Abnormale Betriebszustände treten bei Pumpenaggregaten immer wieder auf und können zu Beschädigungen oder sogar zum Totalausfall des Pumpenaggregats führen. Beispiele für abnormale Betriebszustände sind der Trockenlauf, Kavitation am Laufrad oder Lagerverschleiß, Lagerschäden.
Bei Pumpen werden in der Regel Dichtelemente wie z. B. Gleitringdichtungen eingesetzt, die das Austreten des Fluides aus der Pumpe oder bei
Nassläuferpumpen das Eindringen von Partikeln in den Rotorraum verhindern sollen. Die dichtenden Flächen der Dichtelemente sind Reibflächen, die durch das geförderte Medium geschmiert werden. Im Falle eines Trockenlaufs werden diese Reibflächen nicht mehr oder nicht ausreichend geschmiert und können dadurch sehr schnell verschleißen. Eine frühzeitige Erkennung eines Trockenlaufs kann dies verhindern.
Herkömmliche Verfahren zur Trockenlauferkennung basieren z. B. auf der
Leistungsaufnahme des Pumpenaggregats. Die Leistungsaufnahme hängt von der Drehzahl und vom Volumenstrom ab. Im Trockenlauf ergibt sich in der Regel bei gleicher Drehzahl eine geringere Leistung als im Falle einer gefüllten
BESTÄTIGUNGSKOPIE Pumpenkammer, da das sich drehende Laufrad die mechanische Energie an das zu fördernde Medium abgeben muss, d.h. durch dieses Medium belastet ist. Im Falle des Trockenlaufs fehlt dieses Medium bzw. die Last, oder es befindet sich zu wenig Medium in der Pumpenkammer. Bei gleicher Drehzahl ist die Leistungsaufnahme im Trocken lauf folglich geringer, als im Normalbetrieb, weil das Laufrad im Trockenlauf weniger belastet ist. Aus diesem Grunde wird eine drehzahlabhängige
Entscheidungsschwelle zwischen der minimalen Leistung im Nassbetrieb und der Leistungsaufnahme im Trockenlauf gewählt, um den Trockenlauf zu erkennen, was in Figur 1 dargestellt ist. Dies ist jedoch nicht frei von Nachteilen.
Denn es ergibt sich bei geringen Drehzahlen das Problem, dass die Nass- und Trockenlaufkurven nahe zusammenliegen und die minimale Nasslaufkennlinie die Trockenlaufkennlinie auch unterschreiten kann. Aus diesem Grund ist eine zuverlässige Trockenlauferkennung mit diesem Verfahren nur oberhalb einer gewissen Drehzahl möglich.
Eine andere Art der Trockenlauferkennung besteht darin, das Laufrad kurzzeitig zu beschleunigen und die zur Beschleunigung nötige Energie zu bestimmen. Ist die Energieaufnahme kleiner als erwartet, d.h. als im Fall des Nassbetriebs, so wird auf einen Trockenlauf geschlossen. Nachteilig hierbei ist, dass für den
Beschleunigungsvorgang der Betriebspunkt signifikant verändert werden muss, um eine Auswertung der Energieaufnahme durchführen zu können.
Als Kavitation bezeichnet man das Phänomen, dass sich im Betrieb des
Pumpenaggregats beim Fördern einer Flüssigkeit dampfgefüllte Hohlräume rückseitig der Laufradschaufeln bilden, die schnell wieder in sich zusammenbrechen und den Schaufeln damit einen Schlag versetzen. Dies kann zur Zerstörung des Laufrads führen.
Ein Lagerverschleiß oder Schäden an den Lagern, insbesondere an den
Radiallagern äußert sich vor allem in Vibrationen der Welle. Dies kann mittels eines Vibrationssensors erfasst werden. Ein solcher Sensor ist jedoch ein zusätzliches Bauteil, das ausfallen kann und zudem die Herstellung des Pumpenaggregats aufwändiger und schwieriger macht. Zudem verteuert er die Herstellung des
Pumpenaggregates. Es ist daher ein Anliegen, auf Sensoren zu verzichten.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Verfahren zur Detektion eines abnormalen Betriebszustands bereitzustellen, dass ohne Sensor auskommt und ohne Aufwand in einem Pumpenaggregat implementiert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 , eine Pumpenelektronik nach Anspruch 19 sowie ein Pumpenaggregat nach Anspruch 20 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
Zur Erkennung eines abnormalen Betriebszustandes im Betrieb des
Pumpenaggregats wird vorgeschlagen, eine Stellgröße des Pumpenaggregats derart mit einem periodischen Anregungssignal einer bestimmten Frequenz zu
beaufschlagen, dass eine hydraulische Größe des Pumpenaggregats, beispielsweise die Förderhöhe, moduliert wird, und dann aus einer mechanischen und/ oder elektrischen Größe des Pumpenaggregats als Systemantwort auf das
Anregungssignal ein Auswertesignal zu berechnen und daraus zu ermitteln, ob ein abnormaler Betriebszustands vorliegt.
Diese Vorgehensweise ermöglicht es, auf sehr einfachem Wege, einen abnormalen Betriebszustand zu erkennen. Das Verfahren kann softwarebasiert in einer Elektronik der Pumpe implementiert sein. Es wird somit weder ein zur Pumpenelektronik externer Sensor noch zusätzliche Hardware benötigt. Ferner kann das Verfahren im gesamten Drehzahlbereich zuverlässig eingesetzt werden, da es eine sehr gute Unterdrückung von Messrauschen aufweist. Es ist also entgegen den Verfahren des Standes der Technik nicht auf einen bestimmten Drehzahlbereich beschränkt.
Das Pumpenaggregat kann eine elektromotorisch betriebene Kreiselpumpe sein, beispielsweise eine Heizungspumpe in einem Heizungssystem oder eine
Kühlmittelpumpe in einem Kühlsystem. Insbesondere kann es sich um eine
Nassläuferpumpe handeln. Hier ist auf Grund der flüssigkeitsgeschmierten radialen und gegebenenfalls des axialen Gleitlagers ein Trockenlauf besonders schädlich und muss deshalb frühzeitig erkannt werden.
Die Modulation der hydraulischen Größe wird durch Modulation einer Stellgröße, z.B. der Drehzahl erreicht. Es sei angemerkt, dass„modulieren" im Sinne der Erfindung allgemein als Änderung zu verstehen ist, jedoch die Art, Höhe und Geschwindigkeit des Anregungssignals noch in keiner Weise eingeschränkt ist. Ferner ist, soweit nachfolgend von einer Steuerung des Pumpenaggregats die Rede ist, unter diesem Begriff auch eine Regelung zu verstehen, da eine Regelung lediglich eine Steuerung mit einer Rückkopplung einer bestimmten Größe beinhaltet.
Die Detektion eines abnormalen Betriebszustands kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das Auswertesignal mit einer Entscheidungsschwelle verglichen wird. Auf einen abnormalen Betriebszustand kann dann geschlossen werden, wenn das Auswertesignal von einem Normalbereich (im Betrieb zulässiger Bereich) abweicht. Die Entscheidungsschwelle kann eine Begrenzung dieses Normalbereichs bilden, beispielsweise eine Minimumkurve oder eine Maximumkurve des Normalbereichs, oder einen Abstand zu diesem Bereich aufweisen, um Fehlfeststellungen zu vermeiden. Je nach festzustellendem abnormalen Betriebszustand, ist somit zu prüfen, ob das Auswertesignal oberhalb oder unterhalb der Entscheidungsschwelle liegt. Die Entscheidungsschwelle ist folglich abhängig vom abnormalen
Betriebszustand, der erkannt werden soll. Mit anderen Worten ist eine bestimmte Entscheidungsschwelle einem bestimmten abnormalen Betriebszustand zugeordnet. So kann also ein erster abnormaler Betriebszustand durch Vergleich des
Auswertesignals mit einer ersten Entscheidungsschwelle und ein zweiter abnormaler Betriebszustand durch Vergleich des Auswertesignals mit einer anderen, zweiten Entscheidungsschwelle festgestellt werden. In entsprechender Weise kann es auch eine dritte oder weitere Entscheidungsschwelle(n) geben.
Es ist zudem vom abnormalen Betriebszustand, der erkannt werden soll, abhängig, ob die Entscheidungsschwelle eine obere Grenze oder eine untere Grenze des zulässigen Normalbereichs definiert. Definiert sie beispielsweise im Falle des ersten abnormalen Betriebszustands eine untere Grenze, so kann auf diesen ersten abnormalen Betriebszustand geschlossen werden, wenn das Auswertesignal unterhalb der ersten Entscheidungsschwelle liegt. Definiert die
Entscheidungsschwelle beispielsweise im Falle des zweiten abnormalen
Betriebszustands eine obere Grenze, so kann auf diesen zweiten abnormalen Betriebszustand geschlossen werden, wenn das Auswertesignal oberhalb der zweiten Entscheidungsschwelle liegt.
Beispielsweise kann auf einen Trockenlauf als abnormaler Betriebszustand geschlossen werden, wenn das Auswertesignal unterhalb der
Entscheidungsschwelle liegt.
Bei der Entscheidungsschwelle kann es sich im einfachsten Fall um einen
konstanten Wert handeln. Die Entscheidungsschwelle kann alternativ durch eine Kurve, vorzugsweise eine Gerade definiert sein, die einen mathematischen
Zusammenhang zwischen dem Auswertesignal und der Drehzahl, insbesondere der Ist-Drehzahl, definiert. Wenn die Entscheidungsschwelle eine Funktion der Drehzahl ist, wird erreicht, dass sie entsprechend der Drehzahlabhängigkeit des Normal- bzw. Fehlerbetriebs so gelegt werden kann, dass die Entscheidung gegenüber
Messrauschen und Störungen möglichst unempfindlich ist. Im Falle des Trockenlaufs liegt die Entscheidungsschwelle, hier auch Schwellwertkurve genannt,
geeigneterweise zwischen der Trockenlaufkurve und der minimalen Nasslaufkurve.
Gemäß einer Ausführungsvariante kann das Auswertesignal gebildet werden aus dem Integral des Produkts aus der Systemantwort und einer periodischen Funktion der gleichen oder eines Vielfachen der Frequenz des Anregungssignals über einen vorgegebenen Integrationszeitraum. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass als Integralbildung im Sinne der Erfindung auch eine Aufsummierung von Werten zu verstehen ist, welche bei der numerischen Durchführung des Verfahrens
beispielsweise auf einem Mikroprozessor aufgrund der vorliegenden diskreten Werte zwangläufig erfolgen muss. Denn es ist dem Fachmann wohl bekannt, dass die Integralbildung im diskreten Zeitbereich durch eine Summenbildung zu realisieren ist. Das Auswertesignal kann vorzugsweise anhand der folgenden
Berechnungsvorschrift ermittelt werden:
Figure imgf000008_0001
wobei l(t) das zu berechnende Auswertesignal zum Zeitpunkt t über einen
Integrationszeitraum T, X(t) die Systemantwort, S(t) die periodische Funktion, ki eine positive ganze Zahl und ω die Frequenz des Anregungssignals ist.
Bei der periodischen Funktion kann es sich um eine Sinusfunktion handeln.
Untersuchungen haben gezeigt, dass diese einfache Funktion zur Bildung des Auswertesignals für die Erkennung eines Trockenlaufs ausreicht. Je nach zu detektierenden abnormalen Betriebszustand kann jedoch auch eine Cosinusfunktion, eine Kombination einer Sinusfunktion und einer Cosinusfunktion, eine Kombination mehrerer Sinusfunktionen oder Cosinusfunktionen, oder eine Kombination aus mehreren Sinusfunktionen und Cosinusfunktionen als periodische Funktion
verwendet werden.
Vorzugsweise ist die mit dem Anregungssignal beaufschlagte Stellgröße eine
Solldrehzahl oder ein Solldrehmoment des Pumpenaggregats, d.h. eine
mechanische Größe. Hier lässt sich das erfindungsgemäß Verfahren besonders einfach implementieren, weil die Drehzahl oder das Drehmoment häufig eine geregelte Größe in einem Pumpenaggregat ist, d.h. eine Größe, deren Höhe durch einen Sollwert vorgegeben wird. Drehzahl- oder Drehmomentregelungen sind bei Pumpenaggregaten an sich bekannt. Die Regelung des Pumpenaggregats versucht dann, den Sollwert einzuregeln. Die periodische Anregung der Solldrehzahl oder des Solldrehmoments ist eine einfache Maßnahme, eine Modulation der Größe zu erreichen. Letztendlich wird hierdurch die vom Antriebsmotor abgegebene
mechanische Leistung moduliert.
Alternativ kann es sich bei der Stellgröße um einen Strom des Pumpenaggregats handeln. Dies ist vor allem bei Pumpenaggregaten eine geeignete Stellgröße, deren elektrischer Antriebsmotor mittels einer Vektorregelung wie beispielsweise der feldorientierten Regelung (FOR) gesteuert wird. Auf der Grundlage eines
Motormodells werden hier Stromkomponenten id und iq gebildet, die den mit der Frequenz des Statorfeldes rotierenden Stromzeiger definieren. Mit dem sogenannten id-Strom kann dabei das Feld, mit dem iq-Strom das Drehmoment beeinfluss werden. Durch Modulation des Stroms kann folglich indirekt eine Modulation der Drehzahl oder des Drehmoments erreicht werden.
Die zu modulierende hydraulische Größe kann geeigneterweise die Förderhöhe H oder der vom Pumpenaggregat erzeugte Differenzdruck Δρ sein. Denn die
unmittelbare Wirkung der Beaufschlagung der Drehzahl oder des Drehmoments mit dem Anregungssignal lässt sich anhand der Modulation Förderhöhe bzw. des Differenzdrucks erkennen. Diese Modulation bewirkt dann je nach Betriebspunkt eine mehr oder weniger ausgeprägte Modulation des Förderstroms des
Pumpenaggregats.
Bezüglich der Systemantwort wird als mechanische Größe vorzugsweise das vom Pumpenaggregat abgegebene Drehmoment oder die Istdrehzahl verwendet. Eine elektrische Größe als Systemantwort kann beispielsweise die vom Elektromotor des Pumpenaggregats aufgenommene elektrische Leistung Pei oder der Strom sein. Die Änderung zumindest einer dieser Größen infolge der Modulation der hydraulischen Größe wird erfindungsgemäß als Systemantwort betrachtet.
Es können somit unterschiedliche Paarung zwischen der angeregten Stellgröße und der zu analysierenden Systemantwort verwendet werden. So kann beispielsweise die Solldrehzahl moduliert und die daraus resultierende elektrische Leistungsaufnahme ausgewertet werden. Anstelle der Leistungsaufnahme kann das abgegebenen
Drehmoment oder die Istdrehzahl 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 periodische Anregungssignal kann idealerweise ein Sinussignal oder ein eine Sinusfunktion enthaltendes Signal sein. Letzteres kann auch beispielsweise ein Dreieck- oder Sägezahnsignal sein. Vorzugsweise entspricht das Anregungssignal bis auf einen Gewichtungsfaktor der periodischen Funktion, die für die Bildung des Auswertesignals verwendet wird. Der Gewichtungsfaktor legt dabei die Amplitude der Modulation der Stellgröße fest.
Die Frequenz des Anregungssignals kann zwischen 0,1 Hz und 100 Hz liegen, vorzugsweise zwischen 0,5 Hz und 10 Hz. Dabei sei darauf hingewiesen, dass die Frequenz in Abhängigkeit von der hydraulischen Anlage, in der das Pumpenaggregat betrieben wird, zu wählen ist. So sind der Frequenz aufgrund der Trägheit des Rotors, des Laufrads und der geförderten Flüssigkeit nach oben hin Grenzen gesetzt. Zudem müssen Anregungsfrequenz und Drehzahlregler des
Pumpenaggregats aufeinander abgestimmt sein. Denn im Falle einer zu hohen Frequenz kann der Drehzahlregler die modulierte Solldrehzahl gegebenenfalls nicht schnell genug einregeln. In diesem speziellen Fall wiederum kann aber die
Istdrehzahl zur Auswertung verwendet werden.
Nachteilig bei einer zu geringen Frequenz ist, dass die Antwortzeit der Berechnung des Auswertesignals entsprechend der Periodendauer steigt, so dass das Verfahren länger dauert. Bei einer zu geringen Frequenz kann ferner die Systemantwort schwach ausfallen, so dass die Information über den abnormalen Betriebszustand auch nur schwach im Auswertesignal vorhanden ist. Deshalb sollte die
Anregungsfrequenz nicht zu klein sein, beispielsweise nicht unter 0,1 Hz liegen.
Die Amplitude des Anregungssignals kann vorzugsweise kleiner als 25% des
Drehzahlsollwerts sein. 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 verwendet werden.
Zur Berechnung des Auswertesignals wird das Integral des Produkts aus der
Systemantwort und der periodischen Funktion über einen Zeitraum T berechnet. Dieser Integrationszeitraum T kann zumindest eine Periode oder ein Vielfaches der Periode des Anregungssignals betragen.
Vorzugsweise kann die Berechnung des Auswertesignals bzw. die Integration während der Modulation der hydraulischen Größe, insbesondere der Solldrehzahl, durchgeführt werden. Die Berechnung erfolgt somit nicht erst, wenn die Modulation beendet ist. Hierdurch wird verhindert, dass nur die ausklingende Systemantwort analysiert wird. Es ist zudem von Vorteil, wenn die Berechnung des Auswertesignals bzw. die Integration erst nach einem gewissen Zeitraum beginnt, beispielsweise nachdem eine oder einige wenige Perioden des Anregungssignals verstrichen sind. Hierdurch wird erreicht, dass die Analyse der Systemantwort zeitlich erst dann erfolgt, wenn das aus Pumpenaggregat und angeschlossenen Rohleitungen bestehende System eingeschwungen ist. Einschwingeffekte wirken sich somit nicht auf die Auswertung der Systemantwort aus.
Es ist von Vorteil, wenn das erfindungsgemäße Verfahren kontinuierlich im Betrieb des Pumpenaggregats durchgeführt wird. Hierdurch können Änderungen des Betriebszustands unverzüglich erkannt werden. Alternativ kann das Verfahren zu geeigneten Zeitpunkten, in zeitlichen Abständen, insbesondere regelmäßig ausgeführt werden.
Gemäß einer anderen Alternative kann das erfindungsgemäße Verfahren während des Pumpenbetriebs durch einen Auslöser gestartet werden. Ein solcher Auslöser kann beispielsweise darin liegen, dass ein anderes Verfahren zur Erkennung eines abnormalen Betriebszustandes, wie es im Stand der Technik bekannt ist und in einer Elektronik der Pumpe parallel zum erfindungsgemäßen Verfahren implementiert sein kann, einen eben solchen abnormalen Betriebszustand erkennt. Da diese
Erkennung ungenau sein kann, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Verifikation durchgeführt werden. So kann das erfindungsgemäße Verfahren im Betrieb des Pumpenaggregats aktiviert werden, wenn die Verwendung eines im Stand der Technik bekannten Verfahrens zur Detektion eines abnormalen
Betriebszustands einen abnormalen Betriebszustand erkennt. Wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein abnormaler Betriebszustand erkannt, kann ein Fehlersignal ausgegeben werden, beispielsweise optisch, akustisch oder als elektronische Nachricht, sodass ein Nutzer oder Servicetechniker oder ein angeschlossenes System (z.B. Heizungsanlage oder Gebäudeleitsystem) über den abnormalen Betriebszustand informiert wird. Dieser kann dann
entsprechende Maßnahmen einleiten. Alternativ kann das Pumpenaggregat abgeschaltet werden, um weitere oder schlimmere Schäden am Pumpenaggregat oder anderen Komponenten des Systems zu verhindern.
Die Erfassung der mechanischen und/ 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 periodischen Funktion und die Integration des so erhaltenen Produkts jederzeit erfolgen können.
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. Vorzugsweise handelt es sich bei dem
Pumpenaggregat um eine elektromotorisch betriebene Kreiselpumpe, idealerweise in Nassläuferbauweise oder Trockenläuferbauweise.
Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auf Sensoren, die extern zur Pumpenelektronik angeordnet sind, verzichtet werden. Dies vereinfacht baulich das Pumpengehäuse und verbilligt seine Herstellung. Zudem ist die
Detektion eines abnormalen Betriebszustands in einem weiten Drehzahlbereich zuverlässig möglich.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen und der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 : Diagramm mit einer Trockenlaufkurve, einer Nasslaufkurve sowie einer dazwischenliegenden Entscheidungsschwelle nach dem Stand der Technik
Figur 2: Ablaufdiagramm des Verfahrens
Figur 3: System zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
Figur 4: Strukturbild zusammenwirkender Funktionseinheiten zur Ausführung des
Verfahrens
Figur 5: Diagramm mit vermessenen Nass- und Trockenlaufbetriebsfällen
Figur 1 zeigt ein Diagramm, dass die Wirkweise eines Verfahrens zur Bestimmung eines Trockenlaufs nach dem Stand der Technik bei einem Pumpenaggregat im laufenden Betrieb veranschaulicht. Das Diagramm stellt die hydraulische Leistung P_hydr über der Istdrehzahl njst da. In dem Diagramm sind eine im normalen, nasslaufenden Betriebsfall vermessene Kurve 11 sowie eine im abnormalen, trockenlaufenden Betriebsfall vermessene Kurve 9 dargestellt. Dabei wird deutlich, dass die Nasslaufkurve 11 gegenüber der Trockenlaufkurve 9 bei gleicher Drehzahl eine höhere Leistung angibt. Die Leistungsabgabe des Pumpenaggregats ist somit im Falle des Trockenlaufs stets geringer, jedenfalls sofern es sich um kein
brandneues Pumpenaggregat oder um ein solches handelt, das sehr lange trocken gestanden hat. Denn in diesen Fällen hat das Pumpenaggregat eine höhere
Trockenlaufkurve, die die Nasslaufkurve 11 sogar schneidet.
Zwischen der Trockenlaufkurve 9 und der Nasslaufkurve 11 ist eine Kurve etwa mittig zwischen den beiden Kurven 9, 11 eingezeichnet, die eine Entscheidungsschwelle 10 bildet. Sie dient als Referenz für die Entscheidung, ob im Hinblick auf die aktuell vorliegende Drehzahl sowie die aktuell vorliegende Leistung ein Trockenlauf vorliegt oder nicht. Diese Feststellung kann durch Vergleich mit der Entscheidungsschwelle 10 erfolgen. Liegt die Leistung unterhalb der Entscheidungsschwelle 10 ist auf einen Trockenlauf zu schließen. In der Regel wird anstelle der hydraulischen Leistung P_hydr im Stand der Technik die elektrische Leistung Pei bestimmt und zur
Trockenlauferkennung herangezogen. Dieses Verfahren ergibt bei höheren Drehzahlen eine zuverlässige Erkennung des Trockenlaufs. Da jedoch die Nasslaufkurve 1 und die Trockenlaufkurve 9 bei geringen Drehzahlen sehr nah aneinander liegen, ist eine zuverlässige
Trockenlauferkennung in diesem Drehzahlbereich mit diesem Verfahren nicht möglich.
Das im Folgenden beschriebene Verfahren der hydraulischen Bestimmung eines abnormalen Betriebszustandes nutzt das dynamische Verhalten des Systems aus, das aus Pumpenaggregat 1 und daran angeschlossenen Rohrleitungen gebildet ist und durch eine gezielte Anregung analysiert wird.
Ein Modell des Systems, in dem eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahren angewendet werden kann, zeigt Figur 3 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 Regelungselektronik 4 zur Steuerung und/ oder Regelung der Antriebseinheit. Die Antriebseinheit 3 besteht aus einem elektromagnetischen Teil 3a und einem mechanischen Teil 3b. Die Regelungselektronik 4 umfasst zum einen Hardware 4b, zum anderen Software 4a Die Hardware 4b umfasst auch eine Leistungselektronik wie beispielsweise einen Frequenzumrichter, um eine bestimmte Drehzahl an der Antriebseinheit einzustellen.
Der Regelungselektronik 4 ist eine Solidrehzahl no vorgebbar. Obgleich diese hier als von außerhalb der Regelungselektronik 4 kommend dargestellt ist, beispielsweise durch manuelle Vorgabe, kann sie alternativ auch von einer Kennlinienregelung oder einer dynamischen, bedarfsgerechten Anpassung des Arbeitspunktes von
Pumpenaggregat 1 stammen, die selbst Teil der Regelungselektronik 4,
insbesondere Teil ihrer Software 4a ist.
Aus der aktuellen Stromaufnahme i und der aktuellen Drehzahl nist der
Antriebseinheit 3 berechnet die Regelungselektronik 4, bzw. deren Software 4a 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 Ui ein mechanisches Drehmoment Mist. Dieses beschleunigt den Rotor und führt zu einer entsprechenden Drehzahl nist der Antriebseinheit 3, was in dem mechanischen Teil 3b des Modells der Antriebseinheit 3 umfasst ist. Mit der Drehzahl mst wird nun das auf der Rotorwelle sitzende Pumpenlaufrad des hydraulischen Teils 2 des
Pumpenaggregats 1 angetrieben. Das Pumpenaggregat 1 erzeugt dadurch einen Differenzdruck zwischen Saug- und Druckseite bzw. eine Förderhöhe H, die in dem Rohrleitungssystem 5 je nach Rohrleitungswiderstand einen mehr oder weniger großen Volumenstrom Q erzeugt. Aus der hydraulischen Leistung P_hydr und den damit verbundenen Verlusten kann ein hydraulisches Moment M d definiert werden, das dem Motormoment Mist als Bremsmoment entgegenwirkt.
Der prinzipielle Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Figur 2 dargestellt. Das Verfahren wird im bestimmungsgemäßen Betrieb des Pumpenaggregats durchgeführt, d.h. wenn das Pumpenaggregat 1 mit einem Rohrleistungssystem 5 verbunden und mit einer beliebigen Solldrehzahl no betrieben wird.
Ausgehend von der Vorgabe der Solldrehzahl no in Schritt S1 umfasst das
erfindungsgemäße Verfahren die folgenden nacheinander durchzuführenden
Schritte, die fortlaufend wiederholt werden können:
- Anregung des Systems, Schritt S2;
- Ermittlung der Systemantwort beispielsweise durch Messung, Schritt S3; - Berechnung eines Auswertesignals aufgrund der Systemantwort, Schritt SA und
- Auswertung des Auswertesignals durch Vergleich mit einer
Entscheidungsschwelle, Schritt S5.
Obgleich das Verfahren nachfolgend anhand der Erkennung eines Trockenlaufs als abnormaler Zustand beschrieben wird, kann das Verfahren auch zur Erkennung anderer Fehler im Pumpenaggregat oder im Gesamtsystem verwendet werden, sofern in diesem Fall das ermittelte Auswertesignal ebenfalls außerhalb eines normalen Bereichs liegt, der durch eine entsprechende Entscheidungsschwelle begrenzt ist.
Die Anregung des Systems erfolgt dadurch, dass eine Stellgröße, hier die stationäre Solldrehzahl no, mit einem Anregungssignal fA(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 (t) ergibt:
"«rf/ = «b + <( Gu
Die Anregung der Drehzahl erfolgt hier rein sinusförmig, wobei aber auch andere Modulationen denkbar sind. Das Anregungssignal fA (t) hat dann beispielsweise die Form
Figure imgf000016_0001
mit der Amplitude rn und der Frequenz ω = 2 f.
Die Amplitude ni beträgt zwischen 0,1 % und 25% der Solldrehzahl no und kann werksseitig eingestellt und fest sein, beispielsweise auf 1 %. Die Anregungsfrequenz f bzw. ω sollte so bemessen werden, dass der Drehzahlregler der
Änderungsgeschwindigkeit der Drehzahl ausreichend schnell folgend kann. In diesem Fall muss dann keine Korrektur der Reglerparameter, z.B. der Proportionalverstärkung, vorgenommen werden. In dem Ausführungsbeispiel ist eine Frequenz f von 1 Hz verwendet.
Die als Reaktion auf die Anregung folgende Systemantwort manifestiert sich in verschiedenen physikalischen Größen des Pumpenaggregats gleichzeitig. Ferner zeigen auch rein mathematische Größen der Modelle, d.h. dem elektrischen Modell 4b, elektromagnetischen Modell 3a, mechanischen Modell 3b und dem hydraulischen Modell 2 eine Reaktion auf die Drehzahlmodulation. Gleichwohl genügt es, eine einzige Größe, insbesondere eine mechanische oder elektrische Größe des
Pumpenaggregats auszuwerten, insbesondere wenn die Istdrehzahl der modulierten Solldrehzahl folgen kann. Kann die Istdrehzahl der Solldrehzahl nicht folgen, so empfiehlt es sich, zwei oder mehr Größen auszuwerten, z.B. eine mechanische Größe wie die Istdrehzahl, und eine elektrische Größe wie die vom Motor
aufgenommene Leistung.
In dem Ausführungsbeispiel ist als Systemantwort X(t) auf die Drehzahlmodulation die aufgenommene elektrische Leistung Pei verwendet. Diese kann gemessen bzw. direkt aus dem gemessenem Strom und der gemessenen oder berechneten
Spannung ermittelt werden. Alternativ kann auch das Drehmoment oder der aufgenommene Strom als Systemantwort herangezogen werden.
Die Bestimmung der Systemantwort 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 S3 der Figur 3 umfasst. Der Einfachheit halber wird hier nur der Fall der kontinuierlichen Reihe behandelt.
Für die Trockenlauferkennung in Schritt S5 wird zunächst das Auswertesignal l(t) 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 der Form S(t) = g ' Sm(k ' COt)
Gl. 3 wobei g ein Skalierungsfaktor sind und k eine positive ganze Zahl ist und ein
Vielfaches der Grundfrequenz definiert. Im einfachsten Fall sind g = k = 1 gesetzt. Dies verdeutlicht, dass die periodische Funktion im einfachsten Fall dieselbe periodische Grundstruktur wie das Anregungssignal fA(t), vgl. Gl. 2, insbesondere dieselbe Frequenz ω bzw. f haben kann, um das erfindungsgemäße Ergebnis zu erreichen.
Das Produkt aus Systemantwort X(t) und der Funktion S(t) wird anschließend über einen Zeitraum T integriert, der der Periodendauer oder einem Vielfachen ki der Periodendauer des Anregungssignals fA(t) entspricht. Das Integral /(to) über das Produkt stellt das erfindungsgemäße Auswertesignal dar und ergibt sich dann zu:
I(t0 + T) = jx(t) - S(t)dt = fX(t)sin(aX)0t mit T = ^-^-
Ό ω G| 4 wobei to den Zeitpunkt des Integrationsbeginns angibt. Da zur Integration die
Systemantwort für den Integrationszeitraum vorliegen müssen, kann das Integral frühestens nach Ablauf des Integrationszeitraums berechnet werden, d.h. bei t = to + T. Der Zeitpunkt to liegt folglich in der Vergangenheit und stellt nicht die Gegenwart zum Zeitpunkt t dar. Um dies zu verdeutlichen kann die Integration des Integrals von t-T bis t gehen. Um die Gegenwart t nicht mit der Integrationsvariablen zu
verwechseln, ist nachfolgend als Integrationsvariable t' gewählt:
t-T Gl. 5
Durch die Bildung des Integrals /(to) erfolgt die Auswertung der Systemantwort X(t) bei der Anregungsfrequenz ω oder einem Vielfachen ki der Anregungsfrequenz ω über eine oder mehrere Perioden 2π/ω, siehe Schritt S4 in Fig. 2. Man erhält einen Wert, der eine Aussage über den Betriebszustand zulässt. Dieser Wert des Auswertesignals wird nun mit einer Entscheidungsschwelle 10 verglichen, siehe Schritt S5 in Fig. 2. Aus der Tatsache, dass der Wert größer oder kleiner als die Entscheidungsschwelle ist, lässt sich ein Betriebszustand ableiten.
Im Falle der Trockenlauferkennung wurde erkannt, dass der Wert des
Auswertesignals im Normalbetrieb oberhalb einer einen Normalbereich nach unten begrenzenden Minimumkurve 15a liegt. Nach oben wird der Normalbereich durch eine Maximumkurve 15b begrenzt. Ein Trockenlauf liegt vor, sobald das
Auswertesignal l(t) unterhalb der Minimumkurve 15a liegt. Dies wird in Schritt S5 anhand der Entscheidungsschwelle 10 untersucht. Sinnvollerweise wird für die Entscheidungsschwelle 10 ein Abstand zur Minimumkurve 15a gewahrt, um
Fehlauslösungen zu vermeiden.
Liegt, wie beispielsweise im Falle des Trockenlaufs, der Wert des Auswertesignals l(t) oberhalb der Entscheidungsschwelle 10, so liegt kein Trockenlauf vor, siehe Nein- Zweig und Schritt S8. Das Verfahren kann dann bei der Anregung des Systems, Schritt S2, fortgesetzt werden. Alternativ kann das Verfahren beendet und zu einem späteren Zeitpunkt, beispielsweise zeitgesteuert oder durch einen anderen Auslöser getriggert, wieder aktiviert werden.
In ähnlicher weise kann verfahren werden, wenn für einen anderen abnormalen Betrieb erkannt wird, dass das Signal l(t) in diesem Fall unterhalb einer anderen Minimumkurve oder oberhalb einer Maximumkurve liegt.
Liegt, wie beispielsweise im Falle des Trockenlaufs, der Wert des Auswertesignals l(t) unterhalb der Entscheidungsschwelle 0, so liegt ein abnormaler Betriebszustand vor, siehe Ja-Zweig und Schritt S6. Es kann dann eine Fehlermeldung ausgegeben werden, Schritt S7, beispielsweise als optisches oder akustisches Signal am
Pumpenaggregat oder einer anderen Einrichtung zur Überwachung des
Pumpenaggregats, oder als elektronische Nachricht an eine Gebäudeleittechnik. Alternativ oder zusätzlich kann eine sofortige Abschaltung des Pumpenaggregats erfolgen, um einen weiteren Schaden zu verhindern. Die Berechnung nach Gleichung GI.4 oder 5 kann numerisch in einem Mikroprozessor der Pumpenelektronik 4 oder durch eine analoge Schaltung ausgeführt werden.
Ein Strukturbild mit Funktionseinheiten und Signalen zur Ausführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Fig. 4 gegeben. Diese Funktionseinheiten umfassen eine Modulationseinheit 12, den Antriebsmotor 3, eine
Systemantwortbestimmungseinheit 13, eine Trockenlauferkennung 14 und eine Reaktionseinheit 4a'. Die Modulationseinheit 12, die
Systemantwortbestimmungseinheit 13, die Trockenlauferkennung 14 und die Reaktionseinheit 4a' können ebenfalls Teil der Pumpenelektronik 4, insbesondere deren Software sein. Sie könne aber auch teilweise durch Hardwarekomponenten gebildet sein. So kann die Systemantwortbestimmungseinheit 13 einen Sensor umfassen, um die elektrische Leistungsaufnahme zu bestimmen, und/ oder die Reaktionseinheit 4a' einen Schalter umfassen, um das Pumpenaggregat
abzuschalten.
Der Modulationseinheit 12 wird der Drehzahlsollwert no zugeführt. Die
Modulationseinheit 12 erzeugt das periodisches Anregungssignal fA(t) in Form eines Sinussignals m sin(rot) und addiert dieses auf den Drehzahlsollwert no, so dass ein entsprechend der Frequenz ω dieses Anregungssignals fA(t) modulierter neuer Drehzahlsollwert no + ni-sin(cat) gebildet ist, der von Modulationseinheit 12 ausgegeben wird. Gleichzeitig wird von der Modulationseinheit 12 das Sinussignal S(t) = sin(cot) aus dem Anregungssignal fA(t) separat ausgegeben und der
Systemantwortbestimmungseinheit 13 bereitgestellt. Alternativ kann auch direkt das Anregungssignal fA(t) ausgegeben werden.
Der neue Drehzahlsollwert no + ni-sin(cot) wird beim Antriebsmotor 3 mit Hilfe der in Fig. 4 nicht dargestellten Leistungselektronik 4b eingestellt. Aus Gründen der Einfachheit ist hier der Weg dieses Signals nicht näher differenziert. Er entspricht dem üblichen Weg bei der Drehzahlsollwertvorgabe eines Elektromotors. Infolge der Drehzahleinstellung besitzt der Antriebsmotor 3 eine bestimmte
elektrische Leistungsaufnahme Pei, die eine Systemantwort X(t) auf die
Drehzahlmodulation darstellt. Die elektrische Leistungsaufnahme Pei wird von der Systemantwortbestimmungseinheit 13 ermittelt.
Die Systemantwortbestimmungseinheit 13 bildet nun das Auswertesignal l(to) oder l(t) entsprechend einer der Gleichungen 4 oder 5 aus dem Integral des Produkts aus der Systemantwort X(t) = Pei(t) und der periodischen Funktion S(t) über eine Periode T des Anregungssignals fA(t). Das berechnete Auswertesignal l(to), l(t) wird
anschließend von der Systemantwortbestimmungseinheit 13 ausgegeben und der Trockenlauferkennungseinheit 14 bereitgestellt. Diese ermittelt nun aus dem
Auswertesignal l(to), l(t), ob ein abnormaler Betriebszustand vorliegt. Hierzu wird der aktuelle Wert des Auswertesignals l(to), l(t) mit der Entscheidungsschwelle 10 verglichen. Liegt das Auswertesignal l(to), l(t) unterhalb der Entscheidungsschwelle 10 gibt die Trockenlauferkennung 14 ein Fehlersignal aus. Dieses wird der
Reaktionseinheit 4a' bereitgestellt, welche mit einer vorbestimmten Maßnahme auf den erkannten Trockenlauf reagiert, beispielsweise das Fehlersignal anzeigt, an eine übergeordnete Steuerung oder Leittechnik weiterleitet und/ oder den Antriebsmotor 3 abschaltet.
Figur 5 veranschaulicht Werte des Auswertesignals nach Gleichung 4 oder 5 bei verschiedenen Drehzahlen und bei Trockenlauf einerseits und Nasslauf andererseits, wobei im Falle des Nasslaufs sechs Kurven 15 dargestellt sind und im Falle des Trockenlaufs nur je ein Betriebspunkt in Gestalt eines Pluszeichens angegeben ist. Die Untersuchung erfolgte jeweils bei den Drehzahlen 800 U/min, 1200 U/min, 1600 U/min, 2000 U/min, 2400 U/min und 2800 U/min. Bei den Nasslaufkurven 15 zeigt der dicke schwarze Pfeil an, dass der Förderstrom Q nach oben hin zunimmt, d.h. das Auswertesignal umso größer ist, je höher Q ist. Bei Trockenlauf ist Q=0.
Gleichwohl ist in Fig. 5 eine drehzahlabhängige Entscheidungsschwelle 10
eingezeichnet. Diese ist hier durch einen linearen Zusammenhang zwischen dem Auswertesignal und der Drehzahl definiert. Sie verbindet Punkte, die etwa mittig zwischen den minimalen Betriebspunkten (Qmin) der Nasslaufkurven 5 und den Trockenlaufbetriebspunkten liegen. Das hier vorgestellte Verfahren der Modulation einer Stellgröße des
Pumpenaggregats und Analyse der Systemantwort hierauf ermöglicht es, auf einfache Weise während des Betriebs des Pumpenaggregats, ohne Verwendung eines Sensors im gesamten Drehzahlbereich eine zuverlässige Aussage über einen abnormalen Betriebszustand treffen zu können. Es lässt sich leicht in die Elektronik des Pumpenaggregats integrieren, da es rein in Software implementiert werden kann. Obgleich im obigen Beispiel der Trockenlauf angeführt ist, lässt sich das Prinzip der Erfindung auf die Detektion anderer abnormaler Betriebszustände übertragen. Die Erkennung eines abnormalen Betriebszustands kann dazu
verwendet werden, die Pumpe abzuschalten, um sie vor Verschleiß zu schützen oder ein entsprechendes Signal an eine Übergeordnete Regelung, z. B. ein
Gebäudeleitsystem zu senden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Detektion eines abnormalen Betriebszustands eines bei einer vorgebbaren Drehzahl (ηό) betriebenen, drehzahlregelbaren
Pumpenaggregats (1), dadurch gekennzeichnet, dass eine Stellgröße (nsoii) des Pumpenaggregats (1) derart mit einem periodischen
Anregungssignal (ίΆ(.)) einer bestimmten Frequenz (f) beaufschlagt wird, dass eine hydraulische Größe {H, Δρ) des Pumpenaggregats (1) moduliert wird, und dass aus einer mechanischen und/ oder elektrischen Größe (Pei) des Pumpenaggregats (1 ) als Systemantwort (X(t)) auf das
Anregungssignal (fA(t)) ein Auswertesignal (l(to), l(t)) berechnet und daraus ermittelt wird, ob ein abnormaler Betriebszustand vorliegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das
Auswertesignal (l(to), l(t)) mit einer Entscheidungsschwelle (10) verglichen und auf den abnormalen Betriebszustand geschlossen wird, wenn das Auswertesignal (l(to), l(t)) oberhalb oder unterhalb der
Entscheidungsschwelle (10) liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen Trockenlauf als abnormaler Betriebszustand geschlossen wird, wenn das Auswertesignal (l(to), l(t)) unterhalb der Entscheidungsschwelle (10) liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die
Entscheidungsschwelle drehzahlabhängig ist.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Auswertesignal (l(to), l(t)) gebildet wird aus dem Integral des Produkts aus der Systemantwort (X(t)) und einer periodischen Funktion (S(t)) der gleichen oder eines Vielfachen der Frequenz (f) des Anregungssignals (fA(t)) über einen vorgegebenen Integrationszeitraum (T).
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die periodische Funktion (S(t)) eine Sinusfunktion (Si(t)) ist.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Stellgröße eine Solldrehzahl (nSoii, no), ein Drehmoment oder ein Strom des Pumpenaggregats (1) ist.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die hydraulische Größe (H) die Förderhöhe (H) oder der Differenzdruck (Δρ) des Pumpenaggregats (1) ist.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die mechanische Größe das vom Pumpenaggregat (1) abgegebene Drehmoment (Mist) oder die Istdrehzahl ( st) des
Pumpenaggregats (1) ist.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die elektrische Größe die vom Elektromotor des Pumpenaggregats (1) aufgenommene elektrische Leistung (Pei) oder ein aufgenommener Strom ist.
11.Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Anregungssignal (fA(t)) ein Sinussignal oder ein eine Sinusfunktion enthaltendes Signal ist.
12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Frequenz (f) des Anregungssignals (fA(t)) zwischen 0,1 Hz und 100 Hz liegt.
13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Amplitude (m) des Anregungssignals (fA(t)) kleiner als 25% des Drehzahlsollwerts (no) einer Drehzahlregelung des Pumpenaggregats (1) ist, insbesondere zwischen 0,1% und 25% des Drehzahlsollwerts (no) beträgt.
1 . Verfahren nach Anspruch 5 oder nach einem der darauf rückbezogenen Ansprüche 6 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der
Integrationszeitraum (T) eine Periode oder ein Vielfaches (ki) der Periode (2π/ω) des Anregungssignals (fA(t)) beträgt.
15. Verfahren nach Anspruch 5 oder nach der einem darauf rückbezogenen Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Integration während der Modulation der hydraulischen Größe (H), insbesondere der Solldrehzahl (nson) durchgeführt wird.
16. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass es kontinuierlich im Betrieb des Pumpenaggregats (1 ) ausgeführt wird.
17. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass es im Betrieb des Pumpenaggregats (1 ) aktiviert wird, wenn die Verwendung eines Verfahrens zur Detektion eines abnormalen Betriebszustands einen abnormalen Betriebszustand erkennt.
18. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass im Falle der Detektion eines abnormalen
Betriebszustands ein Fehlersignal ausgegeben und/ oder das
Pumpenaggregat (1 ) abgeschaltet wird.
19. 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 18 eingerichtet ist.
20. Pumpenaggregat aufweisend eine Pumpenelektronik nach Anspruch 19.
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