CH618757A5

CH618757A5 - Method of controlling a pumping system

Info

Publication number: CH618757A5
Application number: CH226776A
Authority: CH
Inventors: Manfred Sacher
Original assignee: Vogel Pumpen
Priority date: 1975-02-28
Filing date: 1976-02-24
Publication date: 1980-08-15
Also published as: ATA154675A; DE2607285A1; AT331644B; YU49176A; DE2607285C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Pumpanlage, deren mindestens eine Pumpe durch mindestens einen in seiner Drehzahl regelbaren Motor angetrieben wird, wobei die Signale zur Steuerung der Motordrehzahl aus dem Vergleich des Sollwertes mit dem Istwert der Förderhöhe abgeleitet werden.

Um in Versorgungsnetzen schwankende Verbrauchsmengen unter möglichst konstanten Bedingungen, beispielsweise konstantem Druck, decken zu können, ist es zur Vermeidung einer Überförderung d.h. zu hohem Druck bekannt, Kreiselpumpen intermittierend einzusetzen. Dabei wird der während des Betriebes der Pumpe anfallende Fördermengenüberschuss in einem Windkessel bei gleichzeitiger Druckanhebung gespeichert und während des Stillstandes der Pumpe bei absinkendem Druck an das Verbrauchernetz abgegeben. Um die Schalthäufigkeit der Pumpe in vertretbaren Grenzen zu halten und auch das Windkesselvolumen nicht allzu gross machen zu müssen, ist es notwendig, zwischen der Einschaltung der Pumpe und deren Ausschaltung eine Druckdifferenz zuzulassen. Diese Druckdifferenz, die in der Regel 1 bis 2 bar Überdruck beträgt, verursacht für die Verbraucher eine unerwünschte Schwankung des Versorgungsdruckes. Ausserdem sind Windkessel zur Speicherung des Fördermengenüberschusses sowohl räumlich als auch kostenmässig relativ aufwendig und müssen Einrichtungen zur Versorgung derselben mit Druckluft, wie Kompressoren, Belüfter usw., vorgesehen werden.

Wenn der Verbrauch im Versorgungsnetz nicht allzu sehr schwankt und vor allem einen Mindestwert nicht unterschreitet, kann auch eine dauernd laufende Pumpe eingesetzt werden, wobei in Abhängigkeit von der Verbrauchsmenge weitere Pumpen zugeschaltet und wieder abgeschaltet werden können. Dazu müssen die Pumpen jedoch, um die beim Zu- und Abschalten einzelner derselben auftretenden Druckschwankungen in vertretbaren Grenzen zu halten, relativ flache Kennlinien auf-5 weisen. Bei einer schwankenden Verbrauchsmenge wird jedoch bei der dauernd laufenden Pumpe und bei der bedarfsweise zugeschalteten Pumpe ein Betriebspunkt auftreten, bei dem der Druck über dem Sollwert liegt. Diese Überförderung bedingt einen höheren Leistungsbedarf und damit einen un-lo günstigeren Wirkungsgrad der Anlage.

Somit ist es verständlich, dass es für den Einsatz einer Kreiselpumpe zur Deckung unterschiedlicher Verbrauchsmengen am günstigsten wäre, wenn die Fördennenge der Pumpe stufenlos und im Bereich des besten Wirkungsgrades der Verls brauchsmenge angepasst werden könnte. Dies kann bei einer Kreiselpumpe durch Regelung der Drehzahl des Antriebsmotors mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand weitgehend erreicht werden, indem beispielsweise ein Thyristorstromrichter als Speiseeinheit für einen Gleichstrommotor verwendet wird. 20 Um bei unterschiedlichem mengenmässigen Bedarf durch das Verbrauchernetz, beispielsweise bei schwankendem Bezug, mittels einer Kreiselpumpe den Druck konstant zu halten, ist diese jeweils mit jeder Drehzahl anzutreiben, bei der die Förderkurve der Pumpe (Q-H-Kennlinie d.h. Mengen-25 Förderhöhe-Kennlinie) durch den Schnittpunkt vom gewünschten Druck und momentaner Fördermenge verläuft (Fig. 1). Der konstant zu haltende Druck, der Sollwert, kann mittels eines Sollwertgebers, z.B. einem Potentiometer, dem Stromrichter eingegeben werden. Der entsprechende Wert für so den tatsächlichen Druck im Verbrauchernetz, der Istwert,

kann mit einem Istwertgeber z.B. einem Druck-Transmitter erfasst und ebenfalls dem Stromrichter eingegeben werden. Durch dauernden Sollwert-Istwertvefgleich wird über den Stromrichter der Antriebsmotor so gesteuert, dass die Pumpe 35 mit der erforderlichen Drehzahl angetrieben wird, das ist jene Drehzahl, bei der die Pumpenkurve, wie erwähnt, durch den Schnittpunkt des gewünschten Druckes und der momentanen Verbrauchsmenge verläuft.

Bei grösseren Pumpwerken mit mehreren Pumpensätzen 40 ist es nicht erforderlich, alle Maschinen mit drehzahlgeregeltem Antrieb auszustatten. Es genügt vielmehr, nur eine Pumpe regelbar und die anderen mit konstanter Drehzahl auszuführen. Allerdings soll die Maximalleistung dieser Pumpe etwas höher sein als die jeweiligen Leistungen der übrigen Maschi-45 nen mit konstanter Drehzahl. Sobald der Bedarf die Maximalleistung der regelbaren Pumpe erreicht, wird eine der Pumpen mit konstanter Drehzahl zugeschaltet. Dadurch steigt die Leistung an und die regelbare Maschine kann in ihrer Leistung soweit reduziert werden, dass sie nur mehr die Differenz zwi-50 sehen dem Bedarf und der Lieferleistung der zuletzt zugeschalteten Pumpe fördert. Beim Absinken der Verbrauchsmenge wird bei einer bestimmten Untergrenze die Pumpe mit konstanter Drehzahl wieder abgeschaltet. Ein Absinken des Druckes wird durch ein Anheben der Drehzahl der regelbaren 55 Pumpe auf den notwendigen Wert vermieden. Ergänzend sei erwähnt, dass es aus Gründen der Reservehaltung zweckmässig ist, mindestens zwei regelbare Pumpen vorzusehen.

Auch diesen bekannten Anlagen haftet aber der Nachteil an, dass bei gänzlich fehlendem Förderbedarf die Pumpe bzw. 60 Pumpen über längeren Zeitraum, beispielsweise über Stunden mit jener Drehzahl betrieben werden, die zur Aufrechterhaltung des gewünschten Druckes im Netz erforderlich ist. Hierdurch wird, ohne dass eine Fördermenge erbracht wird, dauernd Energie verbraucht.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung einer drehzahlgeregelten Pumpanlage anzugeben, durch das der dauernde Energieverbrauch bei fehlendem Bedarf an Fördermenge minimalisiert wird. Die

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Pumpe soll zeitweise abgestellt werden können, um Energie zu sparen. Dabei ist es für den Erfolg des Verfahrens bedeutungslos, wenn zur Anregung der Steuerung ein im Vergleich zum eingesparten Energiebetrag verschwindend kleiner Mehrbetrag an Energie aufgewendet wird oder der Druck während des Stillstandes der Pumpe geringfügig unter dem Sollwert gehalten wird. Der Druck soll jedoch nicht soweit absinken, dass die Anlage nicht mehr funktionsfähig ist.

Dies wird erfindungsgemäss dadurch erzielt, dass durch ein zeitlich begrenztes Anheben des Sollwertes oder Vortäuschen eines Istwertes, der kleiner ist als der tatsächliche Istwert bzw. durch ein zeitlich begrenztes Absinken des Sollwertes oder Vortäuschen eines Istwertes, der grösser ist als der tatsächliche Istwert eine tatsächliche oder eine vorgetäuschte Sollwert-Ist-wert-Differenz hervorgerufen wird, durch welche die Drehzahl der Pumpe abgesenkt und die Pumpe abgestellt wird.

Sofern ein zeitlich begrenztes Anheben des Sollwertes oder ein Vortäuschen eines Istwertes, der kleiner ist als der tatsächliche Istwert, vorgenommen wird, wird der Pumpe ein Signal zugeführt, das eine Verbrauchermenge anzeigt, wodurch die Drehzahl der Pumpe und damit deren Leistung kurzzeitig, vergleichsweise geringfügig erhöht wird. Dadurch wird der Istwert über den eigentlichen Sollwert angehoben. Sobald der Eingriff in das System beendet wird, besteht somit eine tatsächliche Sollwert-Istwert-Differenz, die ein Senken der Drehzahl der Pumpe bis zum Stillstand bewirkt.

Sofern hingegen der Sollwert abgesenkt bzw, ein höherer Istwert vorgetäuscht wird, besteht, solange dieser Eingriff vorgenommen wird, eine vorgetäuschte Sollwert-Istwert-Dif-ferenz, die ein sofortiges Senken der Drehzahl der Pumpe hervorruft, wobei eine kleine Druckreduktion bestehen bleibt.

Bei mangelndem Förderbedarf wird somit in beiden Fällen die Drehzahl des Antriebsmotors für die Pumpe auf einen vorgegebenen Mindestwert abgesenkt bzw. wird der Antriebsmotor abgestellt und somit der dauernde Energieverbrauch bei fehlendem Bedarf an Fördermenge minimalisiert.

Bei Wiedereinsetzen eines Förderbedarfes verschwindet diese Sollwert-Istwert-Differenz und der Antriebsmotor wird eingeschaltet, resp. dessen Drehzahl erhöht.

Auch ein Fortsetzen der vorgeschriebenen Massnahme könnte zu einer Erhöhung der Drehzahl des Antriebsmotors führen.

Vorzugsweise wird daher die tatsächliche oder die vorgetäuschte Sollwert-Istwert-Differenz, nur solange im Verbrauchernetz ein Förderbedarf besteht, in periodischen Zeitabständen hervorgerufen. Demnach wird der Eingriff in den Soll-Istwert-Vergleich in periodischen Zeitabständen so lange wiederholt bzw. rückgängig gemacht, als im Verbrauchernetz Schwankungen auftreten, d.i. so lange ein Förderbedarf besteht. Die Eingriffe setzen aber aus, so lange durch die Speicherwirkung des Verbrauchernetzes oder eines hydraulischen Kleinspeichers eine tatsächliche Sollwert-Istwert-Differenz bestehen bleibt, das ist bei fehlendem Förderbedarf. Es kann aber die tatsächliche oder die vorgetäuschte Sollwert-Istwert-Differenz auch hervorgerufen werden, nachdem innerhalb einer festgelegten Zeitspanne kein Anheben der Drehzahl der Pumpe erfolgt ist. Schliesslich kann die tatsächliche oder die vorgetäuschte Sollwert-Istwert-Differenz hervorgerufen werden, wenn die Pumpe einen vorgewählten Mindestwert der Fördermenge erreicht hat, wobei dieser Wert direkt oder über einen Messwert am Motor, wie der Drehzahl, der Stromaufnahme oder der Ankerspannung erfasst wird, da gemäss Motorcharakteristik diese Werte in gegenseitiger Abhängigkeit stehen.

Das Anheben oder Absenken des Sollwertes bzw. das Vortäuschen eines Ist-Wertes, der kleiner oder grösser ist als der tatsächliche Istwert, kann dabei so lange erfolgen, bis sich der jeweils andere Wert dem angehobenen oder abgesenkten Sollwert bzw. dem vorgetäuschten Istwert angenähert hat, worauf das Anheben oder das Absenken des Sollwertes bzw. das Vortäuschen eines Istwertes wieder aufgehoben wird, was bei einsetzendem Verbrauch automatisch eintritt. Gemäss einer Alternative kann die Veränderung des Sollwertes oder des Istwertes bzw. das Vortäuschen eines unrichtigen Sollwertes oder Istwertes über eine vorgegebene Zeitspanne hindurch erfolgen, in der erfahrungsgemäss nach den Verbrauchsgewohnheiten des Netzes der fehlende Verbrauch möglich ist, beispielsweise Nacht oder Wochenende.

Bei der Genauigkeit der bekannten elektronischen Bauelemente genügt eine Sollwert-Istwert-Differenz um Bruchteile eines bar, also Werte, die im Netz nicht als Schwankung empfunden werden. Zweckmässigerweise wird im Versorgungsnetz ein kleiner hydraulischer Speicher vorgesehen, durch den Tropfverluste ausgeglichen werden. Dies ist besonders bei kleineren Anlagen von Vorteil, wo die Eigenelastizität des durch gelöste Luft unter Druck stehenden Wassers nicht genügend Tropfverluste ausgleicht.

Zum besseren Verständnis ist das Verfahren gemäss der Erfindung nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert.

Es zeigen:

| Fig. 1 ein Diagramm des Kennlinienverlaufes, nämlich die Abhängigkeit der Förderhöhe H von der Fördermenge Q einer Kreiselpumpe bei variabler Drehzahl, wobei der Druck konstant gehalten werden soll,

Fig. 2 ein vereinfachtes Diagramm zur Erläuterung des erfindungsgemässen Verfahrens und

Fig. 3 ein Schaltschema zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens.

Die Kennlinie 1 ist diejenige bei konstruktiv maximal zulässiger Drehzahl, die Kennlinien 2 und 3 sind solche bei reduzierter Drehzahl und die Kennlinie 4 ist diejenige, bei der der gewünschte Förderwert 5 (Förderhöhe) bei fehlender Fördermenge gerade noch erbracht wird. Die Kennlinie 4 entspricht derjenigen Drehzahl, mit der der Antrieb, sofern kein Eingriff in die Regelung erfolgt und keine Förderung erforderlich ist, dauernd laufen würde. Der Wert 6 stellt diejenige Fördermenge dar, die sich bei Förderung mit maximal zulässiger Drehzahl und bei Einhaltung des vorgegebenen Druckes 5 einstellt.

Anhand der Fig. 2 ist die Wirkungsweise des erfindungsgemässen Verfahrens erläutert. Diese Darstellung zeigt wiederum das Diagramm der Förderhöhe H in Abhängigkeit von der Fördermenge Q einer Pumpe, wobei die Kennlinie 1 diejenige bei maximaler Drehzahl darstellt, der Sollwert der Förderhöhe durch die Linie 5 dargestellt ist und die Kennlinie 4 jene darstellt, bei welcher auch bei Nullförderung die gewünschte Förderhöhe gewährleistet ist. Die Linie 7 stellt einen geringfügig erhöhten Sollwert dar, der durch den Eingriff in die Steuerung dem Sollwert-Istwert-Vergleich zeitweilig zugrundegelegt wird. Da die Steuerung der Pumpe durch einen Vergleich des Sollwertes mit dem Istwert erfolgt, bewirkt eine Differenz dieser beiden Werte einen Steuerbefehl für die Regelung der Drehzahl so lange, bis diese beiden Werte wieder einander entsprechen, wobei diese Steuerung von der absoluten Höhe der Drehzahl unabhängig ist.

Wird der Sollwert 5 auf den Wert 7 angehoben, so wird die Drehzahl erhöht, wodurch der Istwert dem angehobenen Sollwert 7 angenähert wird. Sobald der Sollwert wieder auf den eigentlichen Sollwert 5 zurückverstellt wird, wird die Drehzahl so lange abgesenkt, bis der Verbrauch der Förderung entspricht. Bei fehlender Verbrauchermenge hingegen bleibt im Verbrauchernetz durch seine eigene Speicherwirkung oder den eventuell vorgesehenen kleine Speicher der Wert 7 bestehen, der über dem eigentlichen Sollwert 5 liegt, wodurch die Pumpe abgestellt wird. Sobald der im Speisenetz bestehen5

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de Wert durch einsetzenden Bedarf oder durch Leckage über längere Zeit hindurch unter den Sollwert 5 absinkt, wird die Pumpe wieder in Betrieb gesetzt, bzw. die Drehzahl erhöht.

Vorstehend ist erläutert worden, dass der Sollwert über den eigentlichen Sollwert angehoben wird und dass hierdurch im Speisenetz ein Istwert herbeigeführt wird, der über dem eigentlichen Sollwert liegt, wodurch nach Herstellung der ursprünglichen Verhältnisse, sofern kein Förderbedarf besteht, ein Absenken der Drehzahl, bzw. ein Abstellen der Pumpe erfolgt.

Ähnliche Verhältnisse werden dann bewirkt, wenn ein verringerter Istwert vorgetäuscht wird, da hierdurch gegenüber den tatsächlichen Verhältnissen eine Sollwert-Istwert-Differenz vorgetäuscht wird, die eine Anhebung des Istwertes über den Sollwert bewirkt. Sobald dieser Eingriff beendet wird, besteht somit ebenfalls eine Sollwert-Istwert-Differenz, die bei mangelndem Förderbedarf ein Absenken der Drehzahl bzw. ein Abstellen der Pumpe bewirkt.

Sofern der Sollwert abgesenkt oder ein höherer Istwert vorgetäuscht wird, besteht eine tatsächliche oder vorgetäuschte Sollwert-Istwert-Differenz, die bei mangelndem Förderbedarf ebenfalls ein Absenken der Drehzahl der Pumpe bewirkt.

Entsprechend den Verhältnissen in den Anlage kann der Eingriff in das Steuersystem in periodischen Zeitabständen oder dann erfolgen, wenn innerhalb einer festgelegten Zeitspanne kein Anheben der Drehzahl erfolgt. Letzteres ist sinnvoll, da einerseits durch den Eingriff in das Steuersystem die Häufigkeit der Erhöhung resp. Absenkung der Drehzahl der Pumpe nicht erhöht werden soll und andererseits bei mangelndem Förderbedarf (Nullverbrauch) über längere Zeiträume hinweg, beispielsweise in Nachtstunden, ein Abstellen der Pumpe erfolgen soll. Sofern innerhalb einer festgelegten

Zeitspanne keine Drehzahlerhöhung der Pumpe erfolgt, besteht somit kein Förderbedarf und kann die Pumpe abgestellt werden, was durch den vorstehend erläuterten Eingriff bewirkt wird.

5 Ein Hervorrufen der Sollwert-Istwert-Differenz kann auch dann vorgenommen werden, wenn die Pumpe einen Mindestwert an Fördermenge erreicht hat, wobei dieser Wert direkt oder über ein Kriterum des Motors, wie der Drehzahl, der Stromaufnahme oder der Ankerspannung erfasst wird, io Schliesslich kann ein Hervorrufen der Sollwert-Istwert-Differenz in das System über eine vorgegebene Zeitspanne hindurch oder solange erfolgen, bis sich der jeweils andere Wert dem veränderten oder vorgetäuschten Sollwert oder Istwert angenähert hat.

15 Fig. 3 ist schliesslich die Schaltung einer Pumpanlage zur Durchführung eines Verfahrens, bei dem der Sollwert zeitweise verändert wird, schematisch dargestellt. In dieser Anlage wird die Pumpe 8 von dem zugeordneten Antriebsmotor 9, z.B. einem Gleichstrommotor, angetrieben. Der Motor 9 20 wird über ein Thyristor-Speisegerät 10 mit Energie versorgt. Im druckseitigen Rohrleistungsnetz 11 sind ein hydraulischer Speicher 12 und ein Istwerterfasser 13 für den Druck eingebaut. Im saugseitigen Pumpennetz 15 verhindert eine Klappe 14 den Druckausgleich zur Saugseite. Dem Speisegerät 10 ist 25 ein Sollwertgeber 16 zugeordnet, von dem der Sollwert 5 für den Sollwert-Istwert-Vergleich abgegeben wird. Mittels eines Sollwertverstellers 17, der gegebenenfalls durch ein Zeitglied 18 gesteuert wird, wird der Sollwertgeber 16 auf den Wert 7 und wieder zurückverstellt, wodurch bei fehlendem Förder-30 bedarf die Abschaltung des Antriebes für die Pumpe bewirkt wird. Damit ist es möglich, Energieverluste durch Laufen des Antriebsmotors mit Minimaldrehzahl (Kennlinie 4) während dieser Zeit zu minimalisieren.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

618 757 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Regelung einer Pumpanlage, deren mindestens eine Pumpe durch mindestens einen in seiner Drehzahl regelbaren Motor angetrieben wird, wobei die Signale zur Steuerung der Motordrehzahl aus dem Vergleich des Sollwertes mit dem Istwert der Förderhöhe abgeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein zeitlich begrenztes Anheben des Sollwertes oder Vortäuschen eines Istwertes, der kleiner ist als der tatsächliche Istwert bzw. durch ein zeitlich begrenztes Absenken des Sollwertes oder Vortäuschen eines Istwertes, der grösser ist als der tatsächliche Istwert eine tatsächliche oder eine vorgetäuschte Sollwert-Istwert-Differenz hervorgerufen wird, durch welche die Drehzahl der Pumpe abgesenkt und die Pumpe abgestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die tatsächliche oder die vorgetäuschte Sollwert-Istwert-Differenz, in periodischen Zeitabständen so lange hervorgerufen wird, als ein Förderbedarf besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die tatsächliche oder die vorgetäuschte Sollwert-Istwert-Differenz hervorgerufen wird, nachdem innerhalb einer festgelegten Zeitspanne kein Anheben der Drehzahl der Pumpe erfolgt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die tatsächliche oder die vorgetäuschte Sollwert-Istwert-Differenz hervorgerufen wird, wenn die Pumpe auf einen vorgewählten Mindestwert der Fördermenge abgesunken ist, wobei dieser Wert direkt oder über einen Messwert des Motors, wie der Drehzahl, der Stromaufnahme oder der Ankerspannung, erfasst wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Anheben oder das Absenken des Sollwertes bzw. das Vortäuschen eines Istwertes der kleiner oder grösser ist als der tatsächliche Istwert über eine vorgegebene Zeitspanne hindurch erfolgt.