WO2023175058A1

WO2023175058A1 - Verfahren zur überwachung des betriebs einer pumpe, vorzugsweise einer kreiselpumpe

Info

Publication number: WO2023175058A1
Application number: PCT/EP2023/056703
Authority: WO
Inventors: Vincent Becker; Lucas MAURER; Michael Schneider; Sven Urschel
Original assignee: KSB SE & Co. KGaA
Priority date: 2022-03-16
Filing date: 2023-03-16
Publication date: 2023-09-21
Also published as: DE102022106063A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Betriebs einer Pumpe, vorzugsweise einer Kreiselpumpe (1), mit einem mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen Antriebsmotor, mit den Verfahrensschritten: Feststellen, ob die Pumpe in einem stabilen Betriebszustand arbeitet, Bei Vorliegen eines stabilen Betriebszustands, Überwachung wenigstens einer charakteristischen Größe des Antriebsmotors, um festzustellen, ob eine Laufradblockade vorliegt, bei Erkennung einer Laufradblockade aktivieren eines Freilaufs des Pumpenlaufrades, andernfalls Auswertung des Frequenzspektrums des Motorstroms zur Erkennung einer Beeinträchtigung der Pumpe und Abschalten des Motors durch Abfahren einer abnehmenden Drehzahlrampe, falls eine Beeinträchtigung der Pumpe erkannt wird.

Description

Verfahren zur Überwachung des Betriebs einer Pumpe, vorzugsweise einer Kreisel- pumpe

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Betriebs einer Pumpe, vor- zugsweise einer Kreiselpumpe, mit einem mehrphasigen, insbesondere dreiphasi- gen Antriebsmotor.

Abwasserpumpen, auch als Schmutzwasserpumpen bezeichnet, ermöglichen die Förderung von grob verschmutztem Wasser, welches oft feste Bestandteile unter- schiedlicher organischer, anorganischer oder mineralischer Herkunft mitführt. Ab- wasserpumpen werden vorzugsweise einstufig gebaut und sind im Allgemeinen nicht selbstansaugend. Die Verwendung der Laufradformen ist abhängig von der Förder- flüssigkeit. Als Laufrad werden oftmals Kanalräder eingesetzt, insbesondere in Form eines Ein-, Zwei- oder Dreikanalrades, jeweils geschlossen oder offen. Es gibt jedoch auch Bauarten mit offenem Einkanal- und Diagonalrad sowie Freistromrad.

Durch die im Fluid mitgeführten Feststoffe können Ablagerungen an der Lauf- radstruktur anhaften, die zu einer Beeinträchtigung der Pumpenfunktion und einer damit einhergehenden Beeinträchtigung des Pumpenwirkungsgrades führen. Im Worst-Case kommt es zu einer vollständigen Blockade des Laufrades, so dass eine weitere Drehbewegung nicht mehr möglich ist. Wird in einem solchen Fall der Antrieb nicht abgeschaltet, kann es zu einer mechanischen Beschädigung der Pumpenhyd- raulik oder einer Überlastung des elektrischen Antriebsmotors kommen. Vor diesem Hintergrund ist es wichtig, dass die oftmals über einen langen Zeitraum autark be- triebenen Pumpen laufend überwacht werden und im Ernstfall automatisch deakti- viert werden.

Da jedoch die Notabschaltung einen erheblichen Eingriff in den Pumpenbetrieb be- deutet, ist es wünschenswert zwischen akuten und weniger akuten Fehlerfällen dif- ferenzieren zu können und jeweils geeignete, individuelle Gegenmaßnahmen ergrei- fen zu können. Gerade bei Laufradverschmutzungen kann die Pumpe zwar weiter- arbeiten, der erzielbare Wirkungsgrad ist jedoch beeinträchtigt, was die Energiebi- lanz verschlechtert.

Es wird daher nach Maßnahmen gesucht, um während des Pumpenbetriebs Fehler- fälle differenziert erkennen und fehlerabhängige Gegenmaßnahmen einleiten zu kön- nen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des An- spruchs 1 . Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der ab- hängigen Ansprüche. Darüber hinaus wird die Aufgabe auch durch eine Pumpe, ins- besondere Kreiselpumpe, mit einer Pumpensteuerung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 14 bzw. durch eine Pumpensteuerung mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.

Erfindungsgemäß wird zunächst vorgeschlagen, für die Erkennung einer Fehlfunk- tion zunächst einen stabilen Pumpenbetriebszustand abzuwarten. Ein stabiler Be- triebszustand kann bspw. dann vorliegen, wenn die Pumpe für eine bestimmte Dauer in einem konstanten Betriebspunkt arbeitet. Mit anderen Worten soll die Überwa- chung auf eine Pumpenfehlfunktion nicht bereits während der Inbetriebnahme aktiv sein, sondern erst dann ausgeführt werden, wenn der gewünschte Betriebspunkt er- reicht ist. Erkennt die Pumpe einen stabilen Betriebszustand, wird die Überwachung wenigstens einer charakteristischen Größe des Antriebsmotors gestartet, um basie- rend auf der Überwachung dieser charakteristischen Größe feststellen zu können, ob eine Laufradblockade vorliegt. Bei Vorliegen einer Laufradblockade dreht das Pumpenlaufrad entweder nicht mehr oder zumindest so schwerfällig, dass eine Pum- penarbeit nicht mehr sinnvoll verrichtet werden kann.

Wird eine Laufradblockade erkannt, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Pumpe in einen Freilauf zu schalten, in dem das Pumpenlaufrad frei drehen kann. Idealerweise kann dies durch mechanisch Entkopplung der Pumpenwelle vom An- triebsmotor erfolgen. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Motor im Frei- lauf stromlos geschaltet wird und an der Pumpenwelle lediglich das Bremsmoment des Motors anliegt.

Liegt eine Laufradblockade nicht vor bzw. wird eine solche nicht erkannt, so führt das Verfahren stattdessen eine Auswertung des Frequenzspektrums des Motorstroms durch, insbesondere wenigstens einer Phase des Statorstroms. Durch Auswertung des Frequenzspektrums lässt sich eine mögliche Beeinträchtigung des Pumpenbe- triebs, insbesondere des Pumpenlaufrades erkennen, da bestimmte Beeinträchti- gungen, wie bspw. ein sich ankündigender Lagerschaden oder eine Laufradverstop- fung bzw. Laufradverschmutzung durch Ablagerungen von Feststoffen am Laufrad, zu Unwuchten führen können, die oszillierende Harmonische des Motorstroms oder eine Verstärkung dieser Harmonischen hervorrufen können, was mittels Spektral- analyse, auch Spektralanalyse genannt, zuverlässig erkennbar ist.

Wird durch die Spektralanalyse des Motorstroms, insbesondere wenigstens einer Phase des Statorstroalms, eine Beeinträchtigung der Pumpe festgestellt, so wird der Motor durch Abfahren einer definierten Drehzahlrampe bis zu einer Motordrehzahl von 0 heruntergeregelt und deaktiviert. Es erfolgt also keine abrupte Abschaltung des Antriebs und ein sofortiges Abbremsen des Pumpenlaufrades, sondern stattdessen wird eine sanfte Drehzahlreduzierung bis zum vollständigen Stillstand der Pumpe vorgenommen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt auf der integralen Mikroprozesso- reinheit der Pumpe ausgeführt, insbesondere zur regulären Laufzeit der Pumpe. Die Ausführung auf einer externen Recheneinheit ist jedoch genauso vorstellbar und soll von der Erfindung mitumfasst sein. Bei der Pumpe handelt es sich vorzugsweise um eine Kreiselpumpe, insbesondere eine Pumpe zur Förderung von Feststoffe enthal- tenden Medien.

Die Detektion eines stabilen Betriebszustandes kann beispielsweise durch Beobach- tung wenigstens eines charakteristischen Betriebsparameters der Pumpe bzw. des Antriebsmotors erfolgen. Als besonders vorteilhaft erweist sich die Überwachung ei- ner elektrischen Größe des Antriebsmotors, insbesondere des aufgenommenen Mo- torstroms. Bleibt der beobachtete, charakteristische Parameter über einen definier- baren Zeitraum konstant bzw. annähernd konstant bzw. unterliegt lediglich tolerier- baren Schwankungen, so wird von einem stabilen Betriebszustand der Pumpe aus- gegangen und das Verfahren beginnt mit der Erkennung von Pumpenbeeinträchti- gungen mittels Spektralanalyse.

Vorstellbar ist es beispielsweise, dass im Fall einer erkannten Laufradblockade und/oder einer Pumpenbeeinträchtigung, insbesondere Laufradverunreinigung ein Reinigungsprogramm initiiert wird, während diesem der Antriebsmotor, insbesondere das Pumpenlaufrad definiert angesteuert wird. Idealerweise werden definierbare Drehzahländerungen und Umkehrungen der Drehrichtung zyklisch ausgeführt, um Laufradblockaden oder Laufradverunreinigungen zu lösen. Idealerweise lassen sich abhängig vom erkannten Fehlerfall individuelle Reinigungsprogramme ausführen. Vorstellbar ist beispielsweise die Ausführung einer ersten Reinigungsprozedur, wenn eine Laufradblockade erkannt wird, und die Ausführung einer zweiten Reinigungs- prozedur, wenn hingegen eine Pumpen- oder Laufradbeeinträchtigung festgestellt wird. Insbesondere werden die Reinigungsprozeduren gezielt auf den jeweiligen Fehlerfall abgestimmt, um ein optimales Reinigungsergebnis zur erzielen.

Die Erkennung einer Laufradblockade kann beispielsweise durch die Überwachung wenigstens eines charakteristischen Betriebsparameters des Pumpenantriebs erfol- gen, insbesondere des aufgenommenen Motorstroms. Eine Blockade wird beispiels- weise dann angenommen, wenn die beobachtete charakteristische Größe einen ent- sprechenden Grenzwert überschreitet bzw. außerhalb eines definierbaren Intervalls liegt. Idealerweise wird von einer Laufradblockade dann ausgegangen, wenn der auf- genommene Motorstrom um einen bestimmten Wert größer ist als der Nennstrom des Antriebsaggregates, insbesondere um ein Vielfaches des Nennstromes größer ist, bspw. über dem doppelten des Nennstroms liegt.

Für die Spektralanalyse kann es ausreichend sein, die Spektralamplitude bei wenigs- tens einer definierbaren, charakteristischen Frequenz zu bestimmen und zu überwa- chen. Die Spektralamplitude wird nachfolgend auch als Oberschwingungsamplitude bezeichnet. Bspw. ist vorstellbar, dass gewisse Pumpenbeeinträchtigungen zu Har- monischen mit bestimmten Frequenzen führen, die nachfolgend als Fehlerfrequen- zen bezeichnet werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird die wenigstens eine definierbare Fehlerfrequenz in Abhängigkeit der Statorfrequenz des Antriebsmotors und/oder der Anzahl der Polpaare des Stators und/oder in Abhängigkeit des Motor- schlupfes berechnet. Die entsprechende Fehlerfrequenz ist insbesondere charakte- ristisch für mögliche Verunreinigungen des Pumpenlaufrades.

Handelt es sich beim Antriebsmotor um eine Synchronmaschine, entfällt der Schlupf und die Berechnungsformel für die Fehlerfrequenz f_r,pump kann wie folgt definiert sein:

wobei p die Anzahl an Polpaaren des Stators darstellt und f_s die Statorfrequenz ist. Bei Asynchronmotoren, insbesondere Induktionsmaschinen, ist zusätzlich der Schlupf s des Antriebsmotors zu berücksichtigen und die Formel lautet bevorzugt wie folgt:

Für die Spektralanalyse kann der über einen Zeitraum gemessene Motorstrom/Sta- torstrom per Fast Fourier Transformation (FFT) oder Diskreter Fourier Transforma- tion (DFT) in sein Frequenzspektrum transformiert werden, um daraus die Spektral- amplitude bei wenigstens einer Fehlerfrequenz zu erhalten. Die Spektralanalyse wird vorzugsweise für wenigstens eine Phase des Motorstromes im eingeschwungenen Zustand ausgeführt.

Da die Durchführung einer FFT oder DFT sehr ressourcenhungrig ist, kann die Spekt- ralamplitude des Motorstroms für wenigstens eine Fehlerfrequenz alternativ auch per Koordinatentransformation ermittelt werden. Hierfür wird die Transformation des mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen Motorstroms in ein zweiachsiges d-q- Stromkoordinatensystem vorgeschlagen. Das resultierende Stromkoordinatensys- tem rotiert mit der Fehlerfrequenz der fehlerindizierenden Oberschwingung bzw. der entsprechenden Winkelgeschwindigkeit. Der sich dadurch ergebende Stromvektor im d-q-Koordinatensystem setzt sich demzufolge aus einem rotierenden Stromvektor sowie einem stationären Stromvektor zusammen. Letzterer entspricht dem auf die Oberschwingung entfallenden Anteil des Motorstroms, der in der gewählten Darstel- lung zeitlich konstant ist und somit einen Gleichanteil der Ströme i_d und i_q bildet. In der Koordinatendarstellung kann durch die Berechnung der geometrischen Summe dieser Gleichanteile die Amplitude der fehlerindizierenden Oberschwingung ermittelt werden. Die vorgeschlagene Vorgehensweise benötigt deutlich weniger Operationen und Ressourcen als bspw. die Ausführung einer FFT oder DFT und lässt sich dadurch aufgrund der vergleichsweise geringen Ressourcenanforderungen problem- los auf einer internen Mikroprozessoreinheit einer Pumpe implementieren. So lässt sich die Lösung vollständig softwarebasiert auf einer bestehenden Mikroprozesso- reinheit zur Regelung einer Kreiselpumpe implementieren. Ohnehin bestehende Sensoren für die Strommessung der Motorströme können verwendet werden, eine zusätzliche Hardwareerweiterung ist nicht erforderlich.

Wie bereits vorstehend erläutert wurde, stellen die Gleichanteile der Ströme i_d und i_q, die mittels Transformation bestimmt werden, die notwendige Information für die Er- mittlung der Oberschwingungsamplitude zur Verfügung. Eine einfache Vorgehens- weise zur Bestimmung dieser Gleichstromanteile ist die Anwendung eines Tiefpass- filters, wodurch der zeitvariable Wechselanteil der entsprechenden Ströme i_d, i_q her- ausgefiltert wird. Idealerweise wird ein Tiefpassfilter erster Ordnung verwendet. Be- sonders bevorzugt kommt ein Butterworth-Filter erster Ordnung zur Anwendung des- sen Transferfunktion gemäß

definiert sein kann, wobei T vorzugsweise der Abtastrate der Prozessoreinheit ent- spricht. Die Grenzfrequenz ω_c muss relativ klein gewählt werden, um die Schwingung so weit wie möglich zu entfernen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird zur Transformation der Motorströme in das d-q-Stromkoordinatensystem die Parktransformation ange- wendet, insbesondere gemäß der Formel

wobei eine Raumzeigerdarstellung des dreiphasigen Motorstroms in einem Statorkoordinatensystem und ω_F die der fehlerindizierenden Schwingungsfrequenz entsprechende Winkelgeschwindigkeit gemäß ω_F = 2π f_r,pump ist. Erforderliche trigo- nometrische Funktionen für die Anwendung der Park-Transformation können inner- halb der Mikroprozessoreinheit durch Look-Up-Tabellen mit einer definierten Anzahl an Wertepaaren realisiert sein, um den Speicherbedarf der Mikroprozessoreinheit zu minimieren. Denkbar ist die Verwendung von 300 bis 400 Wertepaaren, insbeson- dere 360 Wertepaaren.

Die vorgenannte Parktransformation wird oftmals auch bei einer feldorientierten (FOC) Drehzahlregelung eines Elektromotors angewendet, wobei dort die Ermittlung des i_q-Stromkoordinatensystems nicht in Abhängigkeit einer spezifischen Frequenz einer Oberschwingung erfolgt, sondern stattdessen in Abhängigkeit der aktuellen Ro- tordrehzahl, sodass sich ein im Hinblick auf den Rotor stationäres Koordinatensys- tem ergibt. Ist dies der Fall, kann das erfindungsgemäße Verfahren bereits auf einen bestehenden Regelbaustein für die Implementierung einer FOC zur Ausführung der Parktransformation zurückgreifen.

Da die Parktransformation eine Raumzeigerdarstellung des dreiphasigen Motor- stroms voraussetzt, muss der dreiphasige Motorstrom zunächst in eine zweidimen- sionale Raumzeigerdarstellung überführt werden. Dies kann per Transformation in ein Stator-Koordinatensystem mittels Clarke-Transformation geschehen. Auch hier kann theoretisch ein bereits bestehender Regelungsbaustein einer FOC wiederver- wendet werden oder es wird stattdessen nur die Information über die Raumzeiger- darstellung aus dem Regelungsbaustein abgegriffen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Verfahren insbesondere für eine Abwasserpumpe ausgeführt, da gerade bei der Förderung von Feststoffe ent- haltenden Fluiden Laufradverschmutzungen und damit einhergehende Beeinträchti- gungen der Pumpe häufig vorkommen. Die oftmals autark betriebenen Abwasser- pumpen werden durch das erfindungsgemäße Verfahren in die Lage versetzt, eine unerwünschte Beeinträchtigung ihres Pumpenwirkungsgrades frühzeitig zu erken- nen und geeignete Maßnahmen zu ergreifen, um entsprechende Laufradbeeinträch- tigungen selbsttätig zu beheben. Auch die Erkennung und Unterscheidung einer voll- ständigen Laufradblockade von einer Laufradverschmutzung ist möglich.

Die vorliegende Erfindung betrifft nicht nur ein Verfahren, sondern ebenfalls eine Pumpe, bevorzug eine Kreiselpumpe, die insbesondere für den Betrieb als Abwas- serpumpe ausgestaltet ist. Die erfindungsgemäße Pumpe weist eine Pumpensteue- rung auf, die konfiguriert ist, das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung aus- zuführen. Dementsprechend ergeben sich für die Pumpe dieselben Vorteile und Ei- genschaften, wie sie bereits vorstehend anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgezeigt wurden. Auf eine wiederholende Beschreibung wird aus diesem Grund verzichtet. Ebenso betrifft die Erfindung eine Pumpensteuerung zur Verwendung in bzw. mit einer Pumpe, insbesondere einer Kreiselpumpe, besonders bevorzugt mit einer Ab- wasserpumpe, wobei die Steuerung konfiguriert ist, das Verfahren gemäß der vorlie- genden Erfindung auszuführen. Eine solche Pumpensteuerung kann beispielsweise integraler Bestandteil einer Pumpe sein, jedoch auch als externes Modul ausgeführt sein, das lediglich kommunikativ mit einem entsprechenden Pumpenaggregat in Ver- bindung steht, um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Denkbar ist es auch, dass eine solche Pumpensteuerung mit mehr als einem Pumpenaggregat in Verbindung steht und eine Überwachung, insbesondere parallele Überwachung, mehrerer Pumpenaggregate möglich ist.

Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen nachstehend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1 : ein Ablaufdiagramm einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemä- ßen Verfahrens,

Figur 2: eine Diagrammdarstellung des Spektrums einer Phase des aufgenom- menen Motorstroms,

Figur 3: ein zweites Ablaufdiagramm zur Verdeutlichung einer zweiten Ausgestal- tung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Figur 4: eine Gegenüberstellung des stationären Stator-Koordinatensystems so- wie des rotierenden d-q-Koordinatensystems,

Figur 5: eine Darstellung des mit der Fehlerfrequenz rotierenden d-q-Koordina- tensystems für die Fehleranalyse und

Figur 6: eine Blockdarstellung zur Verdeutlichung der einzelnen Verfahrens- schritte zur Fehlerüberwachung Figur 1 zeigt das Ablaufdiagramm einer ersten Ausführungsform des erfindungsge- mäßen Verfahrens für die Überwachung des Betriebs einer Abwasserpumpe. Die Pumpe weist wenigstens ein Laufrad auf, dass durch einen mehrphasig gespeisten Elektromotor angetrieben wird.

Bei der Inbetriebnahme der Pumpe wird die Pumpe zunächst gemäß einer definier- ten Drehzahlrampe auf die gewünschte Betriebsdrehzahl hochgefahren (Block 100). Nach Erreichen der Betriebsdrehzahl geht die Pumpe in den regulären Pumpenbe- trieb über (Block 200). Im regulären Pumpenbetrieb wird geprüft, ob sich die Pumpe in einem stabilen Betriebszustand befindet (Block 300). Hierfür wird der vom Motor aufgenommenen Motorstrom erfasst. Bleibt der Motorstrom während eines gewissen Zeitraums konstant oder nahezu konstant, wird das Vorliegen eines stabilen Be- triebspunktes angenommen und das Verfahren geht über zum Schritt 400.

Im Block 400 wird der aufgenommene Motorstrom wenigstens einer Phase des An- triebsmotors gegen einen Grenzwert verglichen, der hier dem zweifachen des Mo- tornennstroms 2*l_Nenn entspricht. Übersteigt der aufgenommene Motorstrom diesen Grenzwert, wird auf eine vorliegende Blockade des Pumpenlaufrades geschlossen und die Pumpensteuerung initiiert einen sofortigen Pumpenstopp. Hierfür wird der Motor sofort stromlos geschaltet und ein Freilauf des Pumpenlaufrades erzwungen (Block 500), wodurch die Gefahr einer Beschädigung des Laufrades durch die er- kannte Blockade verringert wird. Das Verfahren geht dann zum Block 600 über, um einen speziell auf eine Laufradblockade abgestimmten Reinigungsprozess der Pumpe zu starten. Der Reinigungsprozess kann eine Abfolge von Drehrichtungs- wechseln des Laufrades beinhalten, um ein Lösen der Blockade zu erzwingen. War der Reinigungsprozess erfolgreich, so kehrt das Verfahren zum Ausgangspunkt für die Inbetriebnahme der Pumpe (Block 100) zurück.

Bleibt der erfasste Motorstrom im Block 400 hingegen unter dem Grenzwert 2*l_Nenn, d.h. es liegt keine Laufradblockade vor, so wird stattdessen eine Spektralanalyse des Motorstroms wenigstens einer Phase ausgeführt (Block 700). Dies erfolgt bspw. durch eine hochfrequente und hoch abgetastete Strommessung und sekündliche Auswertung des Frequenzbandes des Stromsignals. Darauf basierend erfolgt eine Berechnung und Überwachung der Spektralamplitude iF bei der Fehlerfrequenz f_r,pump . In der Ausführung der Figur 1 erfolgt die Berechnung der Spektralamplitude mittels Transformation des zeitlichen Verlaufs des erfassten Motorstroms in sein Fre- quenzspektrum, entweder per Diskreter Fourier Transformation (DFT) oder per Fast Fourier Transformation (FFT).

In Figur 2 ist beispielsweise das Frequenzspektrum einer Phase des aufgenomme- nen Statorstroms dargestellt und zwar für den Fehlerfreienfall „free“ und für den Fall einer Laufradverschmutzung „clogged“. Die beiden markierten Kreise 80 kennzeich- nen die Amplituden der Seitenbänder des Stromspektrums, die charakteristisch sind für bestimmte Beeinträchtigungen der Pumpenfunktion und demzufolge als Fehler- oder Schadfrequenzen bezeichnet werden. Oszillierende Harmonische des Motor- stroms mit diesen Frequenzen sind als Indiz für das Vorliegen einer Beeinträchtigung zu werten, bspw. eine Unwucht bzw. ein Ausrichtungsfehler der Mechanik im Hyd- raulik- als auch Antriebsteil der Pumpe. Erzeugt kann besagte Unwucht und Ausrich- tungsfehler durch ein verstopftes Laufrad, einen Lagerfehler oder auch einen Tro- ckenlauf der Pumpe sein. Klar erkennbar ist in diesem Fall, dass die Spektralamplitu- den bei den identifizierten Schadfrequenzen 80 deutlich zunehmen, wenn das Lauf- rad der Pumpe erhebliche Anhaftungen aufweist.

Die erwähnte, relevante Fehlerfrequenz f_r,pump lässt sich unter Rückgriff auf ein Feh- lermodell berechnen, das die Fehlerfrequenz gemäß der Formel (1 ) in Abhängigkeit der Statorfrequenz (Rotordrehzahl n), des Motorschlupfes s und der Anzahl p an Pol- paaren des Antriebsmotors berechnet:

Der Schlupf s ist klarerweise nur bei Verwendung einer Asynchronmaschine als An- triebsmotor zu verwenden. Wird stattdessen eine Synchronmaschine als An- triebsmotor eingesetzt, kann in obiger Formel ein Schlupf s = 0 eingesetzt werden. Die für die wenigstens eine charakteristische Fehlerfrequenz f_r,pump bestimmte Spektralamplitude iF wird im Block 800 gegen eine Grenzwert iF, Lim verglichen. Wird der Grenzwert überschritten, so schließt das Verfahren auf eine Beeinträchtigung des Pumpenlaufrades, insbesondere eine wirkungsgradbeeinträchtigende Laufrad- verschmutzung, und initiiert als Reaktion ein Abschalten des Antriebsaggregates. Als zweite Voraussetzung wird hier jedoch verlangt, dass eine Grenzwertüberschreitung mindestens für 3 Sekunden vorliegt (Block 900).

Anders als im Fall einer Laufradblockade wird bei Detektion einer Laufradverschmut- zung jedoch keine sofortige Abschaltung des Antriebsmotors ausgelöst, sondern die Pumpe stattdessen durch Abfahren einer Drehzahlrampe bis zur Drehzahl 0 gemä- ßigt abgebremst (Block 1000), bis das Laufrad zum Stillstand kommt. Erst im An- schluss wird eine zweite Reinigungsprozedur (Block 1100) ausgeführt, die von der ersten Reinigungsprozedur 600 abweicht.

Die Figuren 3-6 zeigen eine modifizierte Ausführung des erfindungsgemäßen Ver- fahrens. Die Blockdiagramme der Figuren 2 und 3 stimmen bis auf die Blöcke 700, 800, 700‘, 800‘, d.h. die Spektralanalyse des Motorstroms, überein, so dass in beiden Figuren identische Bezugszeichen für identische Verfahrensschritte verwendet wer- den und nachfolgend nur auf den Unterschied in den Blöcken 700‘, 800' eingegangen wird. Die Figuren 4, 5 zeigen eine Diagrammdarstellung zur Verdeutlichung der Vor- gehensweise. Figur 6 zeigt ein Blockdiagramm, dass den Ablauf im Block 700' noch- mals im Detail beschreibt.

Für die Fehlerüberwachung bei den spezifischen Frequenzen des Stromspektrums wird anstelle einer Durchführung mittels FFT oder DFT im Hinblick auf die Minimie- rung des Speicheraufwands und der Anzahl der Operationen auf das Prinzip der Multiple Reference Frame-Theorie zurückgegriffen. Die Idee ist, ähnlich wie bei der Feldorientierten Regelung (FOC), ein Koordinatensystem rotieren zu lassen. Wäh- rend bei der FOC das Koordinatensystem in der Frequenz des Rotors rotiert, rotiert es im Sinne der Fehlererkennung mit der Frequenz eines Fehlers. Wie bereits vor- stehend erläutert wurde, wird wenigstens eine Fehlerfrequenz mittels der unter (1 ) angegebenen Formel bestimmt. Dies ist im Diagramm der Figur 6 durch das Bezugs- zeichen 10 gekennzeichnet.

Bei einem Drehstrommotor können die Motorströme in einem Raumvektor zusam- mengefasst werden. Dazu wird angenommen, dass die Summe der Phasenströme Null ist. Der Realteil des Raumvektors wird mit a-Strom und der Imaginärteil mit ß- Strom bezeichnet. Das α-β-Koordinatensystem (siehe Figur 4) wird als statorfestes Koordinatensystem (Stator-Koordinatensystem) bezeichnet. Die Transformation von den dreiphasigen Statorströmen in den zweiphasigen α-β-Strom wird als Clarke- Transformation bezeichnet.

Um einen Wechselstrommotor anzutreiben, wird von der Steuerung der statorfeste α-β-Strom in den rotorfesten d-q-Strom transformiert, was als Park-Transformation bezeichnet wird. Mathematisch gesehen wird ein Koordinatensystem dazu gebracht, sich entsprechend der Drehzahl n des Rotors zu drehen. Als Ergebnis ist der d-q- Strom ein Gleichstromwert, der für die Motorsteuerung verwendet werden kann. Der interessante Aspekt ist, dass die Vektorsumme aus d- und q-Strom genau der Amplitude der Grundschwingung des Motorstroms entspricht. Dieses Prinzip macht sich die modifizierte Ausführung des Verfahrens für die Fehlererkennung zu Nutze.

Betrachtet man einen realen Motor, so ist der Phasenstrom und damit der Strom- Raumvektor mit Schwingungen überlagert, deren Umfang im fehlerhaften Betrieb der Pumpe bzw. des Antriebsmotors zunehmen. Für das erfindungsgemäße Verfahren wird nun angenommen, dass der Motorstrom die Summe aus dem drehmomentbil- denden Strom mit der Amplitude î_T und der Drehzahl ω_S und einer Oberschwingung mit der Amplitude î_F und der Drehzahl ω_F ist. Die Motorströme der drei Phasen las- sen sich nach den folgenden Gleichungen (2) berechnen: i_a(t) = î_T cos(ω_S t) + î_F cos(ω_F t + θ)

In diesem Fall enthält î_F Informationen über den Zustand der Pumpe und über die Fehlerschwere. Als Beispiel kann ω_F auf Basis von Gleichung (1 ) berechnet werden.

Wie in Figur 4 dargestellt, ist der Stromraumvektor im Stator-Koordinatensys-

tem gleich der Summe aus der drehmomentbildenden Komponente ,

die mit der Drehzahl ω_S rotiert, und der Fehlerkomponente

^ß, die mit der Drehzahl ω_F rotiert. Die Berechnung des Strom raum vektors

des dreiphasigen Motorstroms erfolgt gemäß der nachfolgenden Gleichung (3):

Im gezeigten Blockdiagramm der Figur 6 wird dieser Schritt bereits durch die vorhan- dene feldorientierte Regelung 20 der Pumpensteuerung ausgeführt, die als Aus- gangsgrößen die beiden Ströme i_a und i_ß liefert.

Im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Länge von

von Interesse. Nun wird das d-q-Koordinatensystem mit der Geschwindigkeit der Oberschwin- gungsfrequenz ( ω_K = ω_F ) gedreht. Zur Berechnung des Stromvektors in d-q-Koordi- naten wird die Standardgleichung für die Park-Transformation verwendet, was im Blockdiagramm durch den Schritt 30 gekennzeichnet ist. Die Park-Transformation lässt sich mathematisch gemäß folgender Gleichung umsetzen:

Wenn die Formel (3) in die Formel (4) eingesetzt wird, ergibt sich Formel (5) für den aktuellen Vektor im d-q-Koordinatensystem:

Der Drehstromvektor ist gleich der Summe der Vektoren die mit der Ge-

schwindigkeit (ω_S - ω_F ) rotieren, und dem stationären Vektor

siehe Figur 5. Wenn ω_F größer als ω_S ist, drehen sich sowohl als auch in die andere Rich-

tung.

Betrachtet man zeitabhängige Größen, bestehen i_d und i_q aus einer DC- Komponente und einer AC-Komponente, wie in den Gleichungen (6) und (7) zu se- hen ist. i_d = i_F|d + i_T|d . cos((ω_S - ω_F )t) (6) i_q = i_F|q + i_T|q . sin((ω_S - ω_F )t) (7)

Die Anfangsamplitude î_f kann aus der geometrischen Summe von i_F|d und i_F|q be- rechnet werden, siehe nachfolgende Gleichung (8).

Im Blockschaltbild der Figur 6 ist dieser Verfahrensschritt mit dem Bezugszeichen 50 gekennzeichnet. Wenn die Gleichstromanteile von i_d und i_q ermittelt werden, kann die Amplitude î_f daraus berechnet werden. So kann durch Anwendung einfacher Transformationen die Amplitude einer Harmonischen berechnet werden. Eine einfa- che und speicherfreundliche Methode zur Berechnung der Gleichstromkomponenten von i_d und i_q ist ein Filter erster Ordnung, der im Blockschaltbild der Figur 6 mit dem Bezugszeichen 40 gekennzeichnet ist.

Beispielsweise kann ein Butterworth-Filter erster Ordnung gewählt werden, dessen Übertragungsfunktion wie folgt gemäß Gleichung (9) bestimmt werden kann

wobei T gleich der Abtastzeit der Mikroprozessoreinheit ist. Das Filter erlaubt eine einfache Implementierung. Allerdings muss die Grenzfrequenz ω_c relativ klein ge- wählt werden, um die Schwingung so weit wie möglich zu entfernen. Dadurch wird die Zeitkonstante des Filters relativ hoch, was das System langsam macht und in dynamischen Systemen ein Problem darstellen kann. Beim Einsatz in einer Pumpe ist dies jedoch unkritisch, da keine schnellen Lastwechsel zu erwarten sind.

Der wie oben beschrieben bestimmte Wert für die Spektralamplitude î_f könnte dann im Block 800' alternativ zur der Darstellung in Figur 3 gegen einen Grenzwert iF, Lim verglichen, wobei bei dessen Überschreitung für die Dauer von mindestens 3s (Block 900) ebenfalls ein Anhalten der Pumpe (Block 1000) bewirkt und dann die Reini- gungsprozedur (Block 1100) ausgelöst wird.

Alternativ zu dieser Variante wird jedoch, wie in Figur 3 gezeigt, in Block 700' nicht nur die Spektralamplitude î_f , wie vorstehend beschrieben, bestimmt, sondern statt- dessen auch der Schadensfaktor SF. Insbesondere bei geregelten Pumpen, bspw. druckgeregelten Pumpen, kann sich die Last und die Drehzahl der Pumpe während des Betriebs ändern, was gleichzeitig auch eine Änderung der Stromaufnahme der Pumpe bedeutet. Um dies zu berücksichtigen, wird der Schadensfaktor („Severity Factor“ SF) für einen Fehler berechnet, der sich auf die Stromaufnahme bezieht. Dargestellt ist dies im Blockschaltbild der Figur 6 mit dem Bezugszeichen 60. Sofern die Motorregelung der Pumpe eine FOC 20 aufweist, steht die Information über die Stromaufnahme zur Verfügung. Um die Lastunabhängigkeit zu gewährleisten, wird der Schadensfaktor SF aus dem Verhältnis des fehlerindizierenden Spektral- amplitude î_f und der Amplitude î_T der drehmomentbildenden Komponente, die gleich dem q-Strom in der verwendeten FOC ist, gebildet, wobei der d-Strom auf Null gere- gelt wird:

Anhand des Schadensfaktors SF kann dann eine Entscheidung im Block 800' (siehe Figuren 3 und 6) durch Abgleich mit einem Grenzwert SF, Lim getroffen werden, ob bei der Pumpe eine Laufradverunreinigung vorliegt oder nicht. Wird eine solche er- kannt, und zwar für eine Dauer von mehr als 3 Sekunden, so wird die Pumpe auf eine Drehzahl von Null heruntergefahren (Block 1000) und anschliessend die Reini- gungsprozedur 2 gestartet (Block 1100).

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zur Überwachung des Betriebs einer Pumpe, vorzugsweise einer Kreiselpumpe (1 ), mit einem mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen An- triebsmotor, mit den Verfahrensschritten: - Feststellen, ob die Pumpe in einem stabilen Betriebszustand arbeitet, - Bei Vorliegen eines stabilen Betriebszustands, Überwachung wenigstens einer charakteristischen Größe des Antriebsmotors, um festzustellen, ob eine Laufradblockade vorliegt, - bei Erkennung einer Laufradblockade aktivieren eines Freilaufs des Pum- penlaufrades, - andernfalls Auswertung des Frequenzspektrums des Motorstroms zur Er- kennung einer Beeinträchtigung der Pumpe und Abschalten des Motors durch Abfahren einer abnehmenden Drehzahlrampe, falls eine Beein- trächtigung der Pumpe erkannt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei einer Beeinträchtigung der Pumpe um eine Beeinträchtigung des Pumpenlaufrades handelt, insbesondere um eine Laufradverschmutzung.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erken- nen einer Laufradblockade und/oder Erkennung einer Laufradverstopfung ein Reinigungsprogramm initiiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erkennung einer Laufradblockade ein erstes Reinigungsprogramm ausgeführt wird und nach Erkennung einer Laufradverstopfung ein zweites Reinigungsprogramm ausgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Laufradblockade durch Überwachung des aufgenommenen Motor- stroms erfolgt, wobei eine Blockade dann erkannt wird, wenn der Motorstrom einen definierbaren Grenzwert überschreitet, insbesondere den Nennstrom um einen bestimmten Wert überschreitet, bevorzugt über einem Vielfachen des Nennstromes liegt.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung des Frequenzspektrums die Überwachung einer Spekt- ralamplitude des Motorstroms bei wenigstens einer definierbaren Fehlerfre- quenz umfasst.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Fehlerfrequenz in Abhängigkeit der Polpaare des Stators und/oder der Statorfrequenz und/oder eines möglichen Motorschlupfes bestimmt wird, insbe- sondere gemäß für einen Induktionsmotor und für

einen Synchronmotor , wobei p die Anzahl an Polpaaren

des Stators, s der Motorschlupf und f_s die Statorfrequenz sind.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermitt- lung der Spektralamplitude per Fast Fourier Transformation oder per Diskreter Fourier Transformation erfolgt.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Spektralamplitude î_f des Motorstroms für die wenigstens eine bestimmte Fehlerfrequenz f_r,pump durch Transformation des dreiphasigen Motorstroms in ein mit der Fehlerfrequenz f_r,pump rotierendes d-/q-Stromkoor- dinatensystem mit den Strömen i_d und i_q berechnet wird, wobei die geometri- sche Summe der Gleichanteile der Ströme i_d und i_q im d-/q-Stromkoordinaten- system der Spektralamplitude î_f entspricht.

10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichanteile der transformierten Ströme i_d und i_q durch Anwendung eines Tiefpassfilters, bevorzugt eines Tiefpassfilters erster Ordnung, besonders bevorzugt eines Butterworth-Filters erster Ordnung, ermittelt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Trans- formation in das d-q-Stromkoordinatensystem mittels Park-Transformation er- folgt, insbesondere gemäß

wobei eine Raumzeigerdarstellung des dreiphasigen Motorstroms in einem Stator-Koordinatensystem ist und die Winkelgeschwindigkeit ω_F aus der Feh- lerfrequenz f_r,pump gemäß ω_F = 2π f_r,pump berechnet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Transforma- tion des dreiphasigen Motorstroms in die Raumzeigerdarstellung im Stator-Ko- ordinatensystem durch eine Clark-Transformation erfolgt, wobei der Raumzei- ger vorzugsweise durch einen bestehenden Regelungsbaustein der Pum- -enregelung bestimmt wird, der eine feldorientierte Drehzahlregelung (20) aus- führt.

13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Pumpe um eine Abwasserpumpe handelt.

14. Pumpe, bevorzugt Kreiselpumpe, insbesondere für den Betrieb als Abwasser- pumpe, mit einer Pumpensteuerung die konfiguriert ist, das Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche auszuführen.

15. Pumpensteuerung für eine Pumpe, insbesondere eine Kreiselpumpe, konfigu- riert zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprü- che 1 bis 13.