DE19931961A1 - Verfahren zur Regelung einer Fördergröße einer Pumpe - Google Patents
Verfahren zur Regelung einer Fördergröße einer PumpeInfo
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Abstract
Bei einem bekannten Verfahren zur Regelung einer Fördergröße (H; Q) einer Pumpe, die durch einen mit Wechselstrom veränderbarer Frequenz, insbesondere über einen Umrichter, betriebenen elektrischen Motor angetrieben wird, wird als Istwert für die Fördergröße die Eingangsleistung (P) des Motors gemessen und durch Vergleich mit einem Sollwert (P soll ) geregelt. Um den Einfluß der Temperatur des Motors auf die Fördergröße bei konstanter Eingangsleistung zu vermeiden, wird erfindungsgemäß bei einer Änderung der Temperatur (T) im Motor eine entsprechende Kompensationsgröße (KP; KH) bei der Regelung im Sinne einer Korrektur der Eingangsleistung (P) berücksichtigt. DOLLAR A Eine Alternative zu dieser Lösung besteht darin, daß zusammengehörige Werte der Eingangsleistung (P) und der Drehzahl (n) des Motors bei vorgegebenem Druck-Sollwert (H soll ) empirisch ermittelt und als Tabelle gespeichert werden und daß während des Betriebs ein zu einer gemessenen oder angenähert berechneten Drehzahl (n; n a ) des Motors gehöriger Wert der Eingangsleistung (P) als Sollwert (P soll ) zur Regelung der Eingangsleistung aus der Tabelle abgerufen wird.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer
Fördergröße einer Pumpe, die durch einen mit Wechselstrom
veränderbarer Frequenz, insbesondere über einen Umrichter,
betriebenen elektrischen Motor angetrieben wird, wobei als
Istwert für die Fördergröße die Eingangsleistung des Motors
gemessen und durch Vergleich mit einem Sollwert geregelt
wird.
Bei der Fördergröße kann es sich um den Durchfluß oder den
Druck der Pumpe handeln, der jedoch nicht direkt gemessen
wird.
Ein Verfahren dieser Art ist aus der WO 98/04835 bekannt.
Dort ist der die Pumpe antreibender Elektromotor ein
Induktionsmotor (Asynchronmotor), der über einen Frequen
zwandler in Form eines Umrichters als Stellglied angetrie
ben wird. Um ohne Fühler zur Messung der Fördergröße
auszukommen, wird die Ausgangsleistung oder der Aus
gangsstrom des Umrichters bzw. die Eingangsleistung oder
der Eingangsstrom des Motors gemessen und mittels einer in
einem Speicher abgelegten Tabelle zusammengehöriger Strom
stärken (bzw. Leistungen) und Ausgangsfrequenzen des
Umrichters die Ausgangsfrequenz so geändert, daß sie mit
dem gewünschten Arbeitspunkt übereinstimmt. Hierbei wird
davon ausgegangen, daß zwischen dem gemessenen Strom und
der Drehzahl des Motors ein eindeutiger Zusammenhang
besteht: Wenn der Eingangsstrom des Motors ansteigt,
bedeutet dies auch eine Zunahme des Durchflusses und damit
einen Druckabfall im an die Pumpe angeschlossenen Rohrlei
tungssystem. Bei einer Umwälzpumpe, z. B. im Wasserkreislauf
einer Heizungsanlage, ist jedoch ein konstanter Druck
erwünscht. Die Ausgangsfrequenz des Umrichters und damit
die Drehzahl des Motors wird deshalb durch die Regelein
richtung erhöht, wenn der Eingangsstrom des Motors an
steigt.
WO 98/04835 befaßt sich im wesentlichen mit der Messung des
elektrischen Stroms, weist jedoch auch darauf hin, daß die
elektrische Leistung anstelle des Stroms als Meßgröße
dienen kann, ohne hierfür etwaige Vorteile zu nennen.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß erhebliche Regelabweichun
gen bei der Fördergröße auftreten können, wenn lediglich
der Strom als Maß für die Fördergröße gemessen wird. Eine
Ursache dafür sind Schwankungen der Betriebsspannung,
insbesondere wenn es sich um die Netzspannung handelt. Wenn
die Betriebsspannung beispielsweise um 10% abnimmt, sinkt
auch die Eingangsleistung des Motors um 10%. Die Regelein
richtung erfaßt diese Änderung nicht, wenn nur der Strom
gemessen wird. Die Folge ist, daß die Drehzahl des Motors
abfällt und die gewünschte Fördergröße der Pumpe nicht
eingehalten wird. Wird statt dessen als Maß für die Förder
größe die elektrische Eingangsleistung des Motors gemessen,
dann werden auch Änderungen der Betriebsspannung berück
sichtigt.
Obwohl Änderungen der Betriebsspannung als Fehlerquelle der
Regelung der Fördergröße bei Messung der elektrischen
Eingangsleistung des Motors damit weitgehend ausgeschlossen
sind, hat sich gezeigt, daß der Arbeitspunkt des Elektromo
tors und damit der Pumpe trotzdem nach einiger Zeit vom
gewünschten Arbeitspunkt abweicht. Die Folge können erheb
liche Abweichungen vom gewünschten Druck sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der
eingangs genannten Art, ohne direkte Messung des Drucks
oder Durchflusses der Pumpe, das heißt ohne einen Druck-
oder Durchflußfühler zu verwenden, jedoch die Eingangslei
stung des elektrischen Motors als Regelgröße heranzuziehen,
dahingehend zu verbessern, daß der gewünschte Arbeitspunkt
des Motors und damit der Pumpe stabil bleibt.
Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei
einer Änderung der Temperatur im Motor eine entsprechende
Kompensationsgröße bei der Regelung im Sinne einer Korrek
tur der Eingangsleistung berücksichtigt wird.
Diese Lösung basiert auf der Erkenntnis, daß die Änderung
des Arbeitspunktes die Folge einer Änderung des ohmschen
Widerstands im Ständer und Läufer des Motors ist. Diese
Änderung ist wiederum vorwiegend die Folge einer Erwärmung
des Motors durch elektrische Verluste oder Konvektionswär
me, zum Beispiel durch heißes Wasser, das durch die Pumpe
gefördert wird. Dadurch erhöhen sich die elektrischen
Verluste im Motor und damit der Schlupf, so daß die Aus
gangsleistung des Motors, seine Drehzahl und damit auch der
Druck der Pumpe abnehmen. Die Erwärmung des Motors hat
somit zwei Wirkungen: Erstens werden die Verluste im Läufer
erhöht, wodurch weniger Leistung an die Welle abgegeben
wird. Dieser Leistungsverlust wird bei einer Regelung der
Eingangsleistung des Motors, bei der nur die Eingangslei
stung gemessen wird, nicht festgestellt. Somit würde bei
einer derartigen Regelung der Leistungsverlust im Läufer
nicht ausgeglichen. Zweitens hat die Erwärmung des Motors
zur Folge, daß sein Schlupf ansteigt. Dies bedeutet, daß
weniger Leistung an den Läufer übertragen wird. Die Ein
gangsleistungsregelung interpretiert das fälschlich als
verminderten Leistungsbedarf und regelt die Betriebsfre
quenz des Motors herab. Der Arbeitspunkt der Pumpe weicht
damit vom gewünschten Arbeitspunkt ab. Durch die Erfindung
wird der temperaturabhängige Druckabfall ausgeglichen, ohne
daß der Druck unmittelbar gemessen wird.
Auf besonders einfache Weise kann dies dadurch erreicht
werden, daß die Kompensationsgröße aus einer empirisch
erstellten, gespeicherten Tabelle zusammengehöriger Ein
gangsleistungsänderungs- und Temperaturwerte des Motors in
Abhängigkeit von der Betriebstemperatur des Motors abgeru
fen wird.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß eine Tabelle
empirisch erstellt und gespeichert wird, die die Druckände
rung der Pumpe bei verschiedenen Eingangsleistungen des
Motors zum Zeitpunkt des Erreichens der Betriebstemperatur
des Motors enthält, und daß aus der Tabelle eine Druckände
rung in Abhängigkeit vom Istwert der Eingangsleistung als
Kompensationsgröße bei der Regelung abgerufen wird.
Eine etwas genauere Lösung besteht darin, daß aus der
Kompensationsgröße und einer Frequenzsteuergröße ein
angenäherter Drehzahl-Istwert berechnet wird, der zusammen
mit einem Drucksollwert zum Abrufen eines zugehörigen
Eingangsleistungssollwerts aus einer gespeicherten, empi
risch erstellten Tabelle zusammengehöriger Werte von
Eingangsleistung und Drehzahl des Motors benutzt wird.
Eine andere Lösung der gestellten Aufgabe besteht er
findungsgemäß darin, daß zusammengehörige Werte der
Eingangsleistung und der Drehzahl des Motors bei vorge
gebenem Drucksollwert empirisch ermittelt und als Ta
belle gespeichert werden und daß während des Betriebs
ein zu einer gemessenen oder angenähert berechneten
Drehzahl des Motors gehöriger Wert der Eingangsleistung
als Sollwert zur Regelung der Eingangsleistung aus der
Tabelle abgerufen wird. Bei dieser Lösung kommt man oh
ne eine vorherige Messung der Abhängigkeit des Pumpen
drucks von der Motortemperatur aus, indem die Drehzahl
des Motors beziehungsweise der Pumpe direkt gemessen
oder angenähert berechnet und zur Kompensation einer
temperaturabhängigen Änderung der Ausgangsleistung des
Motors herangezogen wird.
Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachste
hend anhand der beigefügten Zeichnungen von Beispielen
näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 die Abhängigkeit des Drucks einer durch einen
Elektromotor angetriebenen Pumpe von der Zeit
bei einer Regelung einer Fördergröße der Pum
pe, wenn als Maß für den Istwert der Förder
größe die Eingangsleistung des Motors ermit
telt, Änderungen des Drucks bei einer Ände
rung der Temperatur des Motors jedoch nicht
berücksichtigt werden,
Fig. 2 die Abhängigkeit der Eingangsleistung des Mo
tors von der Zeit, wobei die Eingangsleistung
bei einer Änderung der Temperatur des Motors
abfällt und dadurch den in Fig. 1 dargestell
ten Druckabfall verursacht,
Fig. 3 Kennlinien der Abhängigkeit der Eingangslei
stung eines eine Pumpe antreibenden Asyn
chronmotors von der Frequenz seiner Betriebs
spannung für unterschiedliche Drucksollwerte
Hsoll als Parameter,
Fig. 4 ein Blockschaltbild zur Erläuterung eines er
sten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemä
ßen Verfahrens,
Fig. 5 ein Blockschaltbild zur Erläuterung eines
zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungs
gemäßen Verfahrens,
Fig. 6 ein Blockschaltbild zur Erläuterung eines
dritten Ausführungsbeispiels des erfindungs
gemäßen Verfahrens und
Fig. 7 ein Blockschaltbild zur Erläuterung eines
vierten Ausführungsbeispiels des erfindungs
gemäßen Verfahrens.
Zunächst sei anhand der Fig. 1 bis 3 die dem erfin
dungsgemäßen Verfahren zugrunde liegende Aufgabe näher
erläutert.
Die Fig. 1 bis 3 stellen empirisch ermittelte Diagramme
dar. Die Diagramme nach den Fig. 1 und 2 stellen bei
einem herkömmlichen Regelverfahren, bei dem eine För
dergröße - der Druck oder Durchfluß - einer durch einen
elektrischen Motor angetriebenen Pumpe geregelt, die
Fördergröße jedoch nicht direkt gemessen wird, den
Druck (Fig. 1) und die an den Motor abgegebene Leistung
(Fig. 2) in Abhängigkeit von der Zeit t dar. Im bekann
ten Falle wird als Maß für den Istwert der Fördergröße
die Eingangsleistung P, speziell die Wirkleistung und
nicht die Schein- oder Blindleistung, des Motors gemes
sen. Bei dem untersuchten Motor handelte es sich um ei
nen Asynchronmotor (auch "Induktionsmotor" genannt) mit
einer Nennleistung von 1,5 kW, dessen Drehzahl durch
Änderung der Frequenz seiner Betriebsspannung mittels
eines Umrichters gesteuert wurde.
Nach Fig. 1 nahm der Druck H im Mittel von einem als
Sollwert vorgegebenen Anfangswert von etwa 840 hPa zur
Zeit t = 0 innerhalb von etwa 20 bis 25 Minuten bis auf
etwa 780 hPa ab. Dieser Druckabfall ist erstens eine
Folge der geringeren an die Motorwelle abgegebenen Lei
stung wegen der temperaturbedingten Leistungsverluste
im Läufer und zweitens einer kleineren zur Verfügung
gestellten Eingangsleistung des Motors. Letzeres ist in
Fig. 2 dargestellt, wonach die Eingangsleistung inner
halb der gleichen Zeit von etwa 1150 W auf etwa 1025 W
abfällt. Dieser Druckabfall ist eine Folge des höheren
Schlupfes: Die Regeleinrichtung stellt hierbei fest,
daß weniger Leistung benötigt wird (weil sie irrtümlich
annimmt, daß ein Verbraucher weniger die Pumpe bela
stet), und regelt die Ausgangsfrequenz des Umrichters
herab. Diese Ausgangsfrequenz wird zum Nachschlagen in
einer P-f-Tabelle benutzt, wobei ein kleinerer Lei
stungssollwert Psoll vorgegeben wird, um gemäß Fig. 3
den Druck (auf der gleichen Kennlinie) konstant zuhal
ten. Es entsteht somit eine unerwünschte Mittkopplung,
durch die die an den Motor abzugebende Leistung noch
weiter herabgeregelt wird.
Als eine Ursache für den Druck- und Leistungsabfall ist
eine Änderung der Temperatur des Motors und demzufolge
seines ohmschen Widerstands erkannt worden. Denn mit
zunehmender Betriebsdauer der Pumpe steigt die Tempera
tur im Ständer und im Läufer an. Demzufolge steigen
auch die ohmschen Widerstände von Läufer und Ständer
nach der Gleichung
Rs, ν = Rs,20(1 + α20Δν) (1)
Rs, ν = Rs,20(1 + α20Δν) (1)
Darin sind α20 der Temperaturkoeffizient für das Wider
standsmaterial bei einer Umgebungstemperatur von 20°C und
Δν die Temperaturänderung. Beispielsweise beträgt der
Temperaturkoeffizient von Kupfer 0,00393/°C und von Alumi
nium 0,00403/°C bei 20°C. Die Ständertemperatur kann Werte
im Bereich von 20°C bis 120°C annehmen. Dementsprechend kann
die Läufertemperatur Werte von 20°C bis 220°C annehmen,
wodurch sich der Läuferwiderstand um etwa 81% ändern kann.
Die Verluste im Motor sind mithin im wesentlichen eine
Folge der Verluste im Läufer und Ständer und können bis zu
etwa 40% betragen. Ein höherer Läuferwiderstand Rr hat auch
zur Folge, das der Schlupf s des Asynchronmotors ansteigt.
Für den Schlupf s gilt nachstehende Gleichung:
Darin ist m die Anzahl der Phasenwicklungen, Ir der Läufer
strom, Rr der Läuferwiderstand und Ps die vom Ständer über
den Luftspalt auf den Läufer übertragene Leistung.
Da der Schlupf proportional zum Läuferwiderstand ist, kann
er sich mithin ebenfalls um etwa 40% ändern. Bei kleineren
Motoren kann der Schlupf etwa 10% betragen; das bedeutet,
daß die Temperaturerhöhung eine weitere Änderung der
Drehzahl um etwa 4% bei Nennbelastung bewirkt.
Die nachstehende Gleichung (3) stellt angenähert die
Eingangsleistung einer durch einen elektrischen Motor
angetriebenen Strömungsmaschine (unter der Voraussetzung,
daß der Wirkungsgrad konstant ist) dar:
Darin bezeichnen P1, n1, s1 und f1 jeweils die Größen
Leistung, Drehzahl, Schlupf und Frequenz in einem ersten
und P2, n2, s2 und f2 diese Größen in einem zweiten Ar
beitspunkt.
Bei einer durch einen Elektromotor angetriebenen Pumpe
müßte sich die Eingangsleistung, um eine Drehzahlabnahme um
4% auszugleichen, gemäß Gleichung (3) um ((1,04)3 - 1), das
heißt 12,5%, erhöhen. Wenn mithin die Ausgangsleistung des
Motors aufgrund einer Temperaturerhöhung um 12,5% abnimmt,
hat dies auch einen erheblichen Einfluß auf den Druck der
Pumpe, da die Leistungs-Frequenz-Kennlinien (P-f-Kenn
linien) bei relativ weit auseinanderliegenden Drucksollwer
ten Hsoll gemäß Fig. 3 sehr dicht beieinanderliegen.
Nachstehend wird anhand von Fig. 4 das erste Ausführungs
beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert,
bei dem der Einfluß von Änderungen der Temperatur auf den
Druck und die Fördermenge vermieden wird.
Nach Fig. 4 enthält eine Regeleinrichtung 1 einen Regler 2
mit einem Vergleicher 3, einem Summierglied 4 und einem
Regelglied 5. Der Vergleicher 3 und das Summierglied 4
liegen auf der Eingangsseite des Regelglieds 5 hintereinan
der. Das Regelglied 5 enthält einen Regelverstärker, der
eine negative Rückführung (Gegenkopplung) aufweist, die das
Übertragungsverhalten des Regelglieds bestimmt, so daß es
beispielsweise als PI-Glied wirkt. Dem Regler 2 folgt ein
Stellglied 6, das einen frequenzgesteuerten Umrichter
enthält, der seinerseits einen mehrphasigen Gleichrichter
zur Gleichrichtung einer Wechselspannung, einen Gleich
stromzwischenkreis und einen Wechselrichter enthält. Der
Gleichrichter bewirkt die Gleichrichtung einer Wechselspan
nung, beispielsweise der üblichen Netzspannung, in eine
Gleichspannung, die der Wechselrichter in eine Wechselspan
nung mit einer Frequenz f umformt, die durch das Ausgangs
signal des Reglers 2 bestimmt wird. Die Ausgangswechsel
spannung des Wechselrichters beziehungsweise des Stell
glieds bildet die Betriebsspannung U für den elektrischen
Motor eines Pumpenaggregats 7, der eine Pumpe in dem
Pumpenaggregat 7 antreibt, so daß sie mit einer vorbestimm
ten Fördergröße, einem Druck H oder Durchfluß Q, arbeitet.
Um die Fördergröße bei der Regelung nicht unmittelbar
mittels eines Druck- bzw. Durchflußfühlers messen zu
müssen, wird als Maß für ihren Istwert die Eingangsleistung
des Motors der Pumpe in dem Pumpenaggregat 7 oder die
Ausgangsleistung des Stellglieds 6 ermittelt, und zwar
durch Messung der Spannung U und des Stroms I zwischen
Stellglied und Pumpenaggregat 7. Aus diesen Meßwerten wird
dann in einem Leistungsrechenglied 8 der Leistungsistwert
Pist berechnet, genauer gesagt, die Wirkleistung aus dem
Produkt von Spannung U und Strom I bei Kenntnis des Lei
stungsfaktors cos ϕ. Die Wirkleistung könnte aber auch
unmittelbar durch Messung der Gleichspannung und des
Gleichstroms im Gleichstromzwischenkreis ermittelt werden.
Der Leistungsistwert Pist wird dem einen Eingang des
Vergleichers 3 zugeführt und dort mit dem dem anderen
Eingang des Vergleichers 3 zugeführten Leistungssollwert
Psoll verglichen, um in Abhängigkeit von einer Regelabwei
chung Pw durch entsprechende Änderung der Frequenz f auf
der Ausgangsseite des Umrichters im Stellglied 6 die
Leistung auf der Eingangsseite des Pumpenaggregats 7 so
lange nachzuregeln, bis die Regelabweichung Pw zumindest
annähernd ausgeglichen ist. Da als Steuergröße für das
Stellglied 6 die gewünschte Frequenz f der Betriebsspannung
des Motors im Pumpenaggregat 7 anstelle der erforderlichen
Eingangsleistung benutzt wird, um den gewünschten Druck H
der Pumpe zu erzielen und aufrechtzuerhalten, ist in einem
Speicher 9 eine empirisch ermittelte Tabelle des Zusammen
hangs zwischen der Eingangsleistung des Pumpenaggregats 7
und der Frequenz f für verschiedene Drucksollwerte Hsoll
als Parameter gemäß den in Fig. 3 dargestellten Kennlinien
gespeichert. Aus der gespeicherten P-f-Tabelle wird dann in
Abhängigkeit von dem am Ausgang des Reglers 2 auftretenden
Frequenzsteuersignal f und dem gewünschten Drucksollwert
Hsoll, die beide dem Speicher 9 zur Adressierung zugeführt
werden, der dazugehörige Leistungssollwert Psoll aufgerufen
und dem Vergleicher 3 zugeführt. Da jedoch die Fördergröße
des Pumpenaggregats beziehungsweise der Pumpe wegen der im
Betrieb erfolgenden Erwärmung des Motors und der dadurch
bewirkten Änderung seines Widerstands im Läufer und Ständer
auch bei gleichbleibender Eingangsleistung des Motors
unterschiedlich sein kann, wird erfindungsgemäß eine von
der Temperatur des Motors abhängige Kompensationsgröße ΔP
durch das Summierglied 4 der Regelabweichung Pw überlagert
(addiert oder subtrahiert). Zur Ermittlung der Kompensati
onsgröße ΔP ist eine Funktionseinheit 10 vorgesehen, die in
einem Speicher eine zu jeder Temperatur T des Motors
gehörige Kompensationsgröße ΔP in Form einer empirisch
erstellten Tabelle enthält, aus der in Abhängigkeit von der
ermittelten Temperatur T die zugehörige Kompensationsgröße
ΔP abgerufen wird. Die Temperatur T kann entweder direkt im
Motor gemessen oder, wie im vorliegenden Beispiel, durch
Messung des Eingangsstroms I des Pumpenaggregats und
Bildung des Integrals über das Quadrat des Stroms I nach
der Zeit ermittelt wird. Die Kompensation mittels der
Kompensationsgröße ΔP kann entweder kontinuierlich oder,
wenn der Elektromotor seine Betriebstemperatur erreicht
hat, durchgeführt werden.
Die Kompensationsgröße ΔP kann dem Regler 2 auch an anderer
Stelle zugeführt werden, beispielsweise vor einem der
Eingänge des Vergleichers 3.
Fig. 5 stellt ein Blockschaltbild eines zweiten Ausfüh
rungsbeispiels dar, bei dem empirisch ermittelte, zusammen
gehörige Werte der Eingangsleistung P des Pumpenmotors und
von Kompensationsgrößen in Form von zu jedem Drucksollwert
Hsoll gehöriger Druckänderungen ΔH in einem Speicher 11
abgelegt sind. Aus dem Speicher 11 wird dann für den
betreffenden Drucksollwert Hsoll und den jeweils durch das
Leistungsrechenglied 8 ermittelten Leistungsistwert Pist
der zugehörige Kompensationswert ΔH abgerufen und über
ein Übertragungsglied 12 mit einer vorbestimmten Übertra
gungsfunktion als zeitabhängige Kompensationsgröße ΔH(t)
dem in diesem Falle vor dem Speicher 9 liegenden Summier
glied 4 zugeführt, das die zeitabhängige Kompensationsgröße
ΔH(t) zum jeweiligen Drucksollwert Hsoll addiert und in
Abhängigkeit von dem auf diese Weise korrigierten Druck
sollwert und dem Frequenzsteuersignal f den zugehörigen
kompensierten Leistungssollwert Psoll abruft. Die Kompensa
tionsgröße ΔH ist in diesem Falle der Druckabfall, der
gemessen werden kann, wenn der Läufer und die Ständerwick
lungen des die Pumpe antreibenden Motors im Pumpenaggregat
7 ihre Betriebstemperatur erreicht haben. Dieser Druckab
fall hängt von der Leistung ab, mit der die Pumpe betrieben
wird. Deshalb wird für jede gemessene Leistung der zugehö
rige Druckabfall ΔH als ΔH-P-Tabelle empirisch ermittelt.
Wie Fig. 1 zeigt, beträgt der Druckabfall etwa 60 hPa nach
Ablauf von ungefähr 20 Minuten bei einem vorgegebenen Druck
Hsoll von 840 hPa. Durch Verwendung des Drucksollwerts Hsoll
und des Leistungsistwerts Pist als Adresse für den Speicher
11 erhält man dann als Kompensationsgröße ΔH den Wert 60
hPa, der zum Drucksollwert Hsoll addiert wird. Aufgrund des
zwischengeschalteten Übertragungsglieds 12 wird die Kompen
sationsgröße ΔH jedoch nicht sofort in voller Größe
addiert, sondern linear ansteigend, bis die Übertragungs
funktion des Übertragungsglieds 12 in der bis zum Erreichen
der Betriebstemperatur des Motors erforderlichen Zeit den
vollen Übertragungsbeiwert von 1 im Knick der Übertragungs
funktion erreicht hat. Die Steigung der Übertragungsfunkti
on des Übertragungsgliedes 12 bis zum Knick ist hierbei so
gewählt, daß sie der Steigung ΔH/Δt in Fig. 1, hier dem
Gefälle, des Drucks bis zum Erreichen der Betriebstempera
tur des Motors entspricht.
Im übrigen entspricht das Verfahren nach Fig. 5 dem Verfah
ren nach Fig. 4.
Während bei den beiden Ausführungsbeispielen nach den Fig.
4 und 5 die Leistung unter Anwendung einer P-f-Tabelle im
Speicher 9 geregelt wird, ist es auch möglich, die Leistung
anhand einer P-n-Tabelle zu regeln, in der n die Drehzahl
des Motors beziehungsweise des Pumpenaggregats 7 ist.
Die Regelung nach einer P-n-Tabelle ist genauer als nach
einer P-f-Tabelle, wie sich aus den nachstehend angegebenen
Gleichungen (4), (5) und (6) ergibt, in denen die Indizes
"1" und "2" für verschiedene Arbeitspunkte gelten. So
beschreibt die Gleichung (4) das Verhältnis zweier Durch
flüsse Q1 und Q2, die Gleichung (5) das Verhältnis zweier
Drücke H1 und H2 und die Gleichung (6) das Verhältnis
zweier Leistungen P1 und P2 in Abhängigkeit von dem Ver
hältnis zweier Drehzahlen n1 und n2 beziehungsweise zweier
Betriebsfrequenzen f1 und f2 in den beiden Arbeitspunkten:
Man sieht, daß die Frequenz f nur angenähert als Maß für
den Durchfluß, den Druck oder die Eingangsleistung benutzt
werden kann. Aus Gleichung (3) ergibt sich, daß die Nähe
rung nur für den Fall gilt, daß der Schlupf in beiden
Arbeitspunkten jeweils gleich ist. Wenn daher eine Regelung
angewandt wird, bei der die Drehzahl n des Motors gemessen
oder ein Näherungswert der Drehzahl anstelle der Frequenz
steuergröße f des Motors benutzt wird, ist eine genauere
Regelung des Drucks oder Durchflusses möglich, weil die
Steuerfrequenz f aufgrund der Temperaturänderungseinflüsse
nicht exakt der Fördergröße (Druck oder Durchfluß) des
Pumpenaggregats entspricht. Da sich der Schlupf s eines
Elektromotors mit dessen Drehmoment und Temperatur (siehe
Gleichung (2)) ändert, kann bei Kenntnis der Frequenzsteu
ergröße f ein hinreichend genauer Näherungswert na der
Drehzahl ermittelt werden.
Fig. 6 zeigt daher ein weiteres Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Blockschalt
bilds, bei dem im Speicher 9 eine Tabelle zusammengehöri
ger, empirisch für jeden Drucksollwert Hsoll ermittelter
Werte von Leistung P und Drehzahl n gespeichert ist. Die
Drehzahl kann mittels eines Drehzahlfühlers unmittelbar an
der Welle des Pumpenaggregats 7 oder mittels eines Magnet
feldfühlers im Ständer gemessen werden. Bei dem in Fig. 6
dargestellten Beispiel wird jedoch ein Näherungswert na
indirekt ermittelt, und zwar durch ein Drehzahlrechenglied
14 nach folgender Gleichung:
Darin ist p die Polzahl und sa ein Näherungswert für den
Schlupf des Motors. Um den Näherungswert sa des Schlupfes
zu berechnen, werden die Spannung U und der Strom I auf der
Eingangsseite des Motors gemessen und zusammen mit der
Frequenzsteuergröße f dem Drehzahlrechenglied 14 zugeführt.
Das Drehzahlrechenglied 14 errechnet aus diesen Größen,
nach Ermittlung einer temperaturabhängigen Kompensations
größe ΔR = Rs,20 . α . Δν des Läuferwiderstands Rr nach Gleichung
(1), aus dem, zusammen mit den Eisen- und Kupferverlusten,
nach Gleichung (2) der Näherungswert sa des Schlupfes
berechnet wird, den Näherungswert na der Drehzahl. Mittels
des Drehzahlnäherungswertes na wird dann wiederum aus der
empirisch ermittelten, im Speicher 9 gespeicherten P-n-
Tabelle der zum jeweiligen Drucksollwert Hsoll gehörige
Leistungssollwert Psoll abgerufen.
Im übrigen ist das Verfahren wiederum das gleiche wie bei
den vorhergehenden Ausführungsbeispielen.
Das in Fig. 7 dargestellte Blockschaltbild veranschau
licht eine Abwandlung des Verfahrens nach Fig. 6, bei
dem die Drehzahl n des Pumpenaggregats direkt gemessen
und dem Speicher 9 zugeführt wird. In diesem Fall ent
fällt das Berechnen oder Messen der Temperatur des Mo
tors, und die Regelung der Fördergröße ist genauer.
Wenn anstelle eines Asynchronmotors ein Synchronmotor
für den Antrieb der Pumpe im Pumpenaggregat 7 verwendet
wird, kann eine Temperaturkompensation entfallen, weil
bei einem Synchronmotor kein Schlupf auftritt. Dement
sprechend kann das Drehzahlrechenglied 14 entfallen und
die Frequenzsteuergröße f dem Speicher 9 unmittelbar
zugeführt werden.
Bei allen Ausführungsbeispielen wird die Wirkleistung
am Eingang des Motors beziehungsweise Pumpenaggregats 7
als Regelgröße herangezogen. Da das Drehmoment M = P/n
ist, kann auch das Drehmoment M anstelle der Wirklei
stung P verwendet werden. In beiden Fällen ist die Re
gelung und Kompensation die gleiche.
Claims (5)
1. Verfahren zur Regelung einer Fördergröße (H; Q) einer
Pumpe, die durch einen mit Wechselstrom veränderbarer
Frequenz, insbesondere über einen Umrichter, betriebe
nen elektrischen Motor angetrieben wird, wobei als Ist
wert für die Fördergröße die Eingangsleistung (P) des
Motors gemessen und durch Vergleich mit einem Sollwert
(Psoll) geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei
einer Änderung der Temperatur (T) im Motor eine ent
sprechende Kompensationsgröße (ΔP; ΔH; ΔR) bei der Re
gelung im Sinne einer Korrektur der Eingangsleistung
(P) berücksichtigt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kompensationsgröße (ΔP) aus einer gespeicherten Ta
belle zusammengehöriger Eingangsleistungsänderungs- und
Temperaturwerte des Motors in Abhängigkeit von der Tem
peratur des Motors abgerufen wird (Fig. 4).
3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß
eine Tabelle empirisch erstellt und gespeichert wird,
die die Druckänderung (ΔH) der Pumpe bei verschiedenen
Eingangsleistungen (P) des Motors zum Zeitpunkt des Er
reichens der Betriebstemperatur des Motors enthält, und
daß aus der Tabelle eine Druckänderung in Abhängigkeit
vom Istwert (Pist) der Eingangsleistung (P) als Kompen
sationsgröße bei der Regelung abgerufen wird (Fig. 5).
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
aus der Kompensationsgröße (ΔR) und einer Frequenzsteu
ergröße (f) ein angenäherter Drezahl-Istwert (na) be
rechnet wird, der zusammen mit einem Drucksollwert
(Hsoll) zum Abrufen eines zugehörigen Eingangslei
stungsollwerts (Psoll) aus einer gespeicherten, empi
risch erstellten Tabelle zusammengehöriger Werte von
Eingangsleistung (P) und Drehzahl (n) des Motors be
nutzt wird (Fig. 6).
5. Verfahren zur Regelung einer Fördergröße (H; Q) einer
Pumpe, die durch einen mit Wechselstrom veränderbarer
Frequenz, insbesondere über einen Umrichter, betriebe
nen elektrischen Motor angetrieben wird, wobei als Ist
wert für die Fördergröße die Eingangsleistung (P) des
Motors gemessen und durch Vergleich mit einem Sollwert
(Psoll) geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zu
sammengehörige Werte der Eingangsleistung (P) und der
Drehzahl (n) des Motors bei vorgegebenem Druck-Sollwert
(Hsoll) empirisch ermittelt und als Tabelle gespeichert
werden und daß während des Betriebs ein zu einer gemes
senen oder angenähert berechneten Drehzahl (n; na)des
Motors gehöriger Wert der Eingangsleistung (P) als
Sollwert (Psoll) zur Regelung der Eingangsleistung aus
der Tabelle abgerufen wird.
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