DE3914342A1 - Pumpenaggregat - Google Patents
PumpenaggregatInfo
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- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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- F04B49/00—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
- F04B49/06—Control using electricity
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D15/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or systems
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- Control Of Non-Positive-Displacement Pumps (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft ein Pumpenaggregat, bei dem die
Drehzahl und/oder das Drehmoment des Motors mit einem sta
tischen Frequenzumrichter über eine Regelkennlinie U(f)
gesteuert wird, wobei U die Spannung und f die Frequenz am
Ausgang des Frequenzumrichters bedeuten, und ein Soll-Wert
I s für den die Elektronik des Frequenzumrichters belasten
den Strom vorgegeben ist, und wobei der jeweilige Ist-Wert
I i des Phasenstromes mit einem Meßkreis bestimmbar ist, wo
der Ist-Wert in einem Vergleichskreis mit dem Soll-Wert I s
vergleichbar ist, um einen eventuellen Unterschied zwischen
I i und I s festzustellen, und im gegebenen Fall um die
Frequenz f und die Spannung U entsprechend der Regelkenn
linie U(f) so zu ändern, daß der Ist-Wert I i automatisch
auf den Soll-Wert I s gebracht wird.
Kreiselpumpen gehören zu den häufig in der Technik einge
setzten Arbeitsmaschinen. Sie werden zum Liefern eines
bestimmten Förderstroms bei einer vorgegebenen Förderhöhe
angewendet. Die Abhängigkeit der Förderhöhe vom Förderstrom
wird durch die Drosselkurve H(Q) beschrieben. Die Drossel
kurve der Pumpe ist im Q-H-Diagramm bei konstanter Drehzahl
n eine mehr oder weniger stark abfallende Kurve, deren
Steilheit von der spezifischen Drehzahl der Pumpenlaufräder
abhängt.
In vielen Anlagen wird jedoch eine bestimmte Förderhöhe in
Abhängigkeit vom Förderstrom vorgeschrieben, der vom Verlauf
der bei konstanter Drehzahl erzielbaren Drosselkurve der
Pumpe abweicht. Sollen die für die Anlage gestellten Forde
rungen erfüllt werden, muß die Pumpe mit variabler Drehzahl
gefahren werden. Für solche Aufgaben bietet sich als Antrieb
der Pumpe ein über einen Frequenzumrichter gesteuerten
Motor an.
Das Pumpenaggregat kann mit Hilfe von Sensoren geregelt
werden, die die hydraulische Leistung der Pumpe erfassen.
Das Messen von hydraulischen Werten erfordert jedoch den
Einsatz teurer Geräte, durch welche die Pumpenanlage kompli
ziert und auch störanfällig wird. Aus diesem Grunde weicht
man im Zusammenhang mit der Erfassung von Meßdaten auf die
elektrische Seite des Pumpenantriebes aus und benutzt die
leichter erfaßbaren Werte, wie z.B. Strom und Spannung,
zur Drehzahlregelung der Pumpe.
Da für ein über einen Frequenzumrichter gefahrenes Pumpen
aggregat die mechanische und elektrische Leistung durch
die Bezeichnung P ∼ U × I ∼ M × f verknüpft sind, in der die
Formelzeichen U und I für die Spannung und den Strom des
Leistungsteils stehen, und M das Moment an der Pumpenwelle
ist, läßt sich die Frequenz f, also damit auch die Pumpen
drehzahl n, nach Vorgabe der Stromstärke I s in Abhängigkeit
der Spannung U steuern.
Pumpenaggregate, deren Drehzahl mittels eines regelbaren
Frequenzumrichters geändert wird, sind allgemein bekannt.
So wird z.B. in der EP-PS Nr. 1 00 390 ein Pumpenaggregat
beschrieben, dessen Drehzahlsteuerung so ausgelegt ist,
daß der Motor stets mit voller Leistung betrieben wird. In
der EP-PS Nr. 1 71 094 wird beschrieben, wie die Drehzahl
eines Pumpenaggregates so gesteuert werden kann, daß Kavita
tionen vermieden werden. US-PS Nr. 46 78 404 beschreibt
eine drehzahlgeregelte Unterwasser-Motorpumpe, die im
gesamten Leistungsbereich mit konstantem Moment in der
Pumpenwelle betrieben wird.
Im ersten der vorerwähnten Fälle erzwingt die Fahrweise
der Pumpe eine Drosselkurve des Aggregates, die nur in
Sonderfällen erwünscht ist. Die Drehzahlregelung einer
Pumpe zur Vermeidung von Kavitationen wird ebenfalls nur
im Ausnahmefall benötigt. In der letztgenannten Schrift
geht es darum, instabile Drosselkurven zu vermeiden.
Unter den vielen Einsatzbereichen von Strömungsmaschinen
gibt es aber Gebiete, die durch Kreiselpumpen nicht abge
deckt werden können. Ein solches Einsatzgebiet ist z.B.
die Wasserversorgung aus einem Brunnen mit stark schwanken
dem Wasserstand. Hier werden normalerweise Seitenkanalpumpen
mit steilen Kennlinien eingesetzt, die den Vorteil haben,
daß sich der Förderstrom nur wenig mit der Förderhöhe
ändert.
Solche Seitenkanalpumpen haben gegenüber Kreiselpumpen
jedoch einige wesentliche Nachteile. Ihr Wirkungsgrad ist
niedriger, und sie sind gegen Sand und sonstige Schmutzteile
im Fördermedium empfindlich und sind weiterhin aufgrund
ihrer engen Bautoleranzen teurer als Kreiselpumpen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kreiselpumpen
aggregat zu schaffen, das auch auf Gebieten eingesetzt
werden kann, die vorher Seitenkanalpumpen vorbehalten waren.
Das Pumpenaggregat gemäß der Erfindung ist dadurch gekenn
zeichnet, daß die Regelkennlinie U(f) in Abhängigkeit des
Phasenstromes in Abhängigkeit der gewünschten Pumpenkenn
linie dimensioniert wird, beispielsweise so, daß die Pumpe
beim Volumenstrom Q = 0 mit der höchsten Drehzahl und An
triebsleistung P und bei steigendem Volumenstrom über den
gesamten Regelbereich mit fallender Drehzahl und Antriebs
leistung P betrieben wird.
Durch eine entsprechende Wahl der Regelkennlinie U(f) wird
ein Kreiselpumpenaggregat erreicht, das im Prinzip wie eine
Seitenkanalpumpe wirkt und damit die Vorteile beider Aggre
gattypen aufweist. Der Vorteil liegt insbesondere darin,
daß der Wasserbedarf nun durch eine Kreiselpumpe mit gutem
Wirkungsgrad abgedeckt werden kann, gleichzeitig damit,
daß die Pumpe gegen Verschmutzungen unempfindlich ist und
mit relativ großen Toleranzen gefertigt werden kann und
daher billig ist.
Im übrigen läßt sich der Frequenzumrichter aufgrund der in
der Elektronik üblichen Miniaturisierung so klein bauen,
daß er in die Pumpe integriert werden kann. Dadurch läßt
sich das Aggregat so einfach wie jede eintourige Seitenka
nalpumpe installieren.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher
erläutert. Es zeigt:
Fig. 1a die Regelkennlinie einer Kreiselpumpe bei konstanter
Drehzahl,
Fig. 1b die Regelkennlinie einer Seitenkanalpumpe bei
konstanter Drehzahl,
Fig. 1c die jeweilige Regelkennlinie einer Kreiselpumpe
bei den Drehzahlen n 1 und n 2 sowie die Regelkennlinie eines
drehzahlgeregelten Pumpenaggregates,
Fig. 2 ein Diagramm der Spannung als Funktion der Frequenz,
Fig. 3 ein Diagramm des elektronischen Regelkreislaufes,
Fig. 4 ein Diagramm eines Regelkreislaufes mit Möglichkeit
für mehrere verschiedene Überführungsfunktionen,
Fig. 5 eine Pumpenkennlinie mit konstantem Volumenstrom,
Fig. 6 eine Pumpenkennlinie, wo die Förderhöhe mit dem
Volumenstrom wächst, und
Fig. 7 eine Pumpenkennlinie mit konstanter Förderhöhe.
Es geht aus Fig. 1a hervor, daß die Drosselkurve H(Q) einer
Kreiselpumpe mit Laufrädern, die bei mittlerer spezifischer
Drehzahl rotieren, ziemlich flach ist, und daß sich der
Förderstrom Q mit schwankender Förderhöhe H stark ändert.
Im Gegensatz hierzu hat die Seitenkanalpumpe eine steile
Drosselkurve, vgl. Fig. 1b, und hier ist die Veränderung des
Förderstromes bei der gleichen Veränderung der Förderhöhe
H wesentlich geringer.
Fig. 1c zeigt, daß man mit einer drehzahlgeregelten Kreisel
pumpe mittlerer spezifischer Drehzahl n die Regelkennlinie
H R (Q) fahren kann. Das Pumpenaggregat hat beim Förderstrom
Q = 0 die höchste Drehzahl n 1, die dann bei einem steigenden
Förderstrom auf den unteren Grenzwert n 2 abgesenkt wird.
Hierdurch wird eine Kennlinie in der Nähe der gewünschten
Kennlinie erreicht. Versuche erwiesen, daß man eine Kenn
linie im HQ-Diagramm erreicht, die der Kennlinie einer
Seitenkanalpumpe annähernd entspricht.
Eine Pumpenradform mit einer flachen Leistungskurve weist
eine steile HQ-Kurve auf. Umgekehrt führt eine steigende
Leistungskurve eine flache HQ-Kurve mit sich. Falls man
im Stande ist, die Leistung derart zu regeln, daß sie kon
stant wird, dann wirkt dies auf die HQ-Kurve ein, die dabei
stark steigend oder stark abfallend wird, was im wesentlich
der Kennlinie einer Seitenkanalpumpe entspricht.
Im allgemeinen ist die Rede davon, daß man durch ein Zusam
menstellen der Frequenz (d.h. der Drehzahl) und einer
Ableitung der Leistung beinahe jede Kennlinie erreichen
kann, beispielsweise die Kennlinie einer Seitenkanalpumpe
oder gegebenenfalls einer senkrechten Pumpe, die einer
positiven Pumpe entspricht. Eine Überführungsfunktion läßt
sich generell finden. Man kann gegebenenfalls ein Proto
koll oder eine Tabelle haben, in der man die Frequenz (die
Spannung) und den gemessenen Strom zusammenkettet. Das
Zusammenketten läßt sich beispielsweise mittels eines
Mikroprozessors erreichen, wobei ein Überführen einer
Pumpenkennlinie auf eine andere solche einer elektronischen
Überführungsfunktion ermöglicht wird.
Gemäß einem konkreten Ausführungsbeispiel wird der Aus
gangsstrom vom Frequenzumrichter gemessen. Der Strom wird
als Steuerparameter auf der Frequenz-Spannungskurve angewen
det, die im größten Teil ihres Arbeitsbereiches eine gerade
Linie ist, vgl. Fig. 2. Wir versuchen jetzt, den Ausgangs
strom vom Frequenzumrichter konstant zu halten, wobei das
Moment auch konstant wird, falls der Motor ideal ist. Wir
tasten den Strom ab und stellen eine Rückkoppelung her, so
daß das System automatisch gegen Gleichgewicht sucht. Um
den Strom konstant zu halten, müssen die Spannung und die
Frequenz verändert werden.
Im allgemeinen kann man die Regelkennlinien im n, I-Diagramm
entsprechend einer gewünschten HQ-Kurve durch Versuche
finden. Die gewünschte HQ-Kurve wird dann durch Vergleichen
mit einer entsprechenden Referenzkurve im n, I-Diagramm
zum Schaffen eines Fehlersignals erreicht. Das Fehlersignal
Δ I oder eine dazu proportionale Spannung geht in einer
Rückkoppelungsschleife für den Frequenzumrichter ein und
sichert, daß das System automatisch gegen Gleichgewicht,
d.h. gegen die gewünschte Referenzkurve, sucht, vgl. Fig.
4. Die Regelkennlinie kann beispielsweise derart dimen
sioniert sein, daß der Volumenstrom Q über dem gesamten
Förderhöhebereich hauptsächlich konstant ist, vgl. Fig. 5.
Alternativ läßt sich die Regelkennlinie derart dimen
sionieren, daß die Förderhöhe H beinahe über dem gesamten
Volumenstrombereich im wesentlichen konstant ist, vgl. Fig.
7.
Falls ein bestimmter Zusammenhang zwischen der Drehzahl n
und der Spannung U besteht, entspricht eine Kurve im n, I-
Diagramm einer ganz bestimmten Kurve im n, P-Diagramm, wo
P die gespeicherte Leistung bedeutet. Falls n zu U propor
tional ist, entspricht dies, daß ein Punkt im (n,I)-Diagramm
im Punkt n, n × I × k im n, P-Diagramm überführt wird, da n × I
zu P proportional ist, was mit Bezug auf eine Regelung
ausgenutzt werden kann. Durch Versuche kann man dabei die
Regelkurven im n, P-Diagramm finden, die gewünschten Kurven
im HQ-Diagramm entsprechen. Eine erwünschte HQ-Kurve wird
dann dadurch erreicht, daß die aktuellen Werte für n und P
mit einer Referenzkurve entsprechend der erwünschten HQ-
Kurve zum Schaffen eines I-Fehlersignales verglichen werden.
Das I-Fehlersignal des betrefffenden Wertes von n geht in
einer Rückkoppelungsschleife für den Frequenzumrichter ein
und sichert, daß das System automatisch gegen Gleichgewicht
mit Bezug auf I beim betreffenden Wert von n sucht, d.h.
gegen die erwünschte Referenzkurve im n, P-Diagramm.
Alternativ läßt sich auch eine HQ-Kurve schaffen, wo H mit
Q wächst, vgl. Fig. 6.
Gemäß der Erfindung wird somit gezeigt, auf welche Weise
eine geringere Anzahl Pumpentypen ausreichend sind. Der
Benutzer hat den Vorteil, daß trotz unterschiedlicher
Verhältnisse, wie z.B. im Sommer und Winter, die Möglichkeit
besteht, von einer Pumpenkennlinie zu einer anderen mittels
eines Umrichters zu wechseln, so daß die Pumpe optimal in
beiden Fällen fährt.
Claims (16)
1. Pumpenaggregat, bei dem die Drehzahl und/oder das Dreh
moment des Motors mit einem statischen Frequenzumrich
ter über eine Regelkennlinie U(f) gesteuert wird,
wobei U die Spannung und f die Frequenz am Ausgang
des Frequenzumrichters bedeuten, und ein Soll-Wert I s
für den die Elektronik des Frequenzumrichters belasten
den Strom vorgegeben ist, und wobei der jeweilige Ist-
Wert I i des Phasenstromes mit einem Meßkreis bestimmbar
ist, wo der Ist-Wert in einem Vergleichskreis mit dem
Soll-Wert I s vergleichbar ist um einen eventuellen
Unterschied zwischen I i und I s festzustellen, und im
gegebenen Fall um die Frequenz f und die Spannung U
entsprechend der Regelkennlinie U(f) so zu ändern,
daß der Ist-Wert I i automatisch auf den Soll-Wert I s
gebracht wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die Regelkennlinie U(f) in Abhängigkeit des Phasen
stromes in Abhängigkeit der gewünschten Pumpenkennlinie
dimensioniert wird, beispielsweise so, daß die Pumpe
beim Volumenstrom Q = 0 mit der höchsten Drehzahl und
Antriebsleistung P und bei steigendem Volumenstrom
über den gesamten Regelbereich mit fallender Drehzahl
und Antriebsleistung P betrieben wird.
2. Pumpenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß man ausnutzt, daß eine bestimmte
Kurve im H-Q-Diagramm einer bestimmten Kurve in n, I-
Diagramm entspricht.
3. Pumpenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß man ausnutzt, daß eine bestimmte
Kurve im H-Q-Diagramm einer bestimmten Kurve im n, P-
Diagramm entspricht.
4. Pumpenaggregat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß man durch Versuche die
Regelkennlinien im n, P-Diagramm entsprechend gewünsch
ter HQ-Kurven findet.
5. Pumpenaggregat nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß man durch Versuche die Regelkenn
linien im n, I-Diagramm entsprechend gewünschter HQ-
Kurven findet.
6. Pumpenaggregat nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Referenzkurven in
einem elektronischen Speicher eingegeben sind.
7. Pumpenaggregat nach jedem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß eine ge
wünschte Kurve durch Vergleichen mit einer entsprechen
den Referenzkurve zum Schaffen eines Fehlersignals
erreicht wird, das in einer Rückkoppelungsschleife
für den Frequenzumrichter eingeht und sichert, daß
das System automatisch gegen Gleichgewicht sucht.
8. Pumpenaggregat nach jedem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Regel
kennlinien so sind, daß der Volumenstrom Q hauptsäch
lich konstant ist.
9. Pumpenaggregat nach den vorhergehenden Ansprüchen 1
bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Regelkennlinien so sind, daß die Förderhöhe H haupt
sächlich konstant ist.
10. Pumpenaggregat nach den vorhergehenden Ansprüchen 1
bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der
Soll-Wert des Phasenstromes I s hauptsächlich konstant
ist.
11. Pumpenaggregat nach den vorhergehenden Ansprüchen 1
bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Regelkennlinien U(f) im größten Teil ihres Arbeits
bereiches hauptsächlich geradlinig sind.
12. Pumpenaggregat nach jedem der vorhergehenden Ansprüche
und mit einem Rückkoppelungskreis, der den Unterschied
zwischen dem Ist-Wert des Phasenstromes I i und dem
Soll-Wert des Phasenstromes I s zum Regeln der Drehzahl
n (der Frequenz) und der mit dieser Frequenz propor
tionalen Spannung anwendet.
13. Pumpenaggregat nach jedem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Regel
kennlinien U(f, I) in einem Speicher eingegeben sind,
der mit einem Vergleichskreis in Verbindung steht.
14. Pumpenaggregat nach jedem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Ist-
Wert I i an einer Meßstelle zwischen dem Meßkreis und
dem Wechselrichter des Frequenzumrichters bestimmt
wird.
15. Pumpenaggregat nach jedem der vorhergehenden Ansprüche,
bei welcher der für eine Phase vorgesehene Leistungs
teil (die Treiberstufe) auf zwei Schalter (Transisto
ren, Thyristoren oder dergleichen) arbeitet, dadurch
gekennzeichnet, daß der Ist-Wert I i
durch Messen des durch einen der Schalter fließenden
Stromes bestimmt wird.
16. Pumpenaggregat nach den Ansprüchen 1 und 2, bei dem
die Drehzahl und/oder das Drehmoment des Motors mit
einem statischen Frequenzumrichter über eine Regelkenn
linie U(f) gesteuert wird, wobei U die Spannung und
f die Frequenz am Ausgang des Frequenzumrichters
bedeuten, und ein Soll-Wert I s für den die Elektronik
des Frequenzumrichters belastenden Strom vorgegeben
ist, und wobei der jeweilige Ist-Wert I i des Phasen
stromes mit einem Meßkreis bestimmbar ist, wo der
Ist-Wert in einem Vergleichskreis mit dem Soll-Wert
I s vergleichbar ist, um einen eventuellen Unterschied
zwischen I i und I s festzustellen, und im gegebenen
Fall um die Frequenz f und die Spannung U entsprechend
der Regelkennlinie U(f) so zu ändern, daß der Ist-
Wert I i auf den Soll-Wert I s gebracht wird, dadurch
gekennzeichnet, daß die Regelkennlinie
U(f) oder U(n, I s ) in Abhängigkeit des Phasenstromes
in Abhängigkeit der gewünschten Pumpenkennlinie dimen
sioniert wird, wo ausgenutzt wird, daß eine bestimmte
Kurve im H-Q-Diagramm einer bestimmten Kurve im n, I-
Diagramm entspricht, und daß eine gewünschte HQ-Kurve
durch ein Vergleichen von n, I mit einer entsprechenden
Referenzkurve im n, I-Diagramm zum Schaffen eines
Fehlersignals erreicht wird, das in einer Rückkoppe
lungsschleife für den Frequenzumrichter eingeht und
sichert, daß das System automatisch gegen Gleichge
wicht sucht.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19893914342 DE3914342A1 (de) | 1989-04-29 | 1989-04-29 | Pumpenaggregat |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19893914342 DE3914342A1 (de) | 1989-04-29 | 1989-04-29 | Pumpenaggregat |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3914342A1 true DE3914342A1 (de) | 1990-11-08 |
Family
ID=6379844
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19893914342 Ceased DE3914342A1 (de) | 1989-04-29 | 1989-04-29 | Pumpenaggregat |
Country Status (1)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8131 | Rejection |