EP2640973B1 - Verfahren und regelvorrichtung zur drehzahlvariablen regelung eines verdrängerpumpenaggregates sowie verdrängerpumpenanordnung - Google Patents

Verfahren und regelvorrichtung zur drehzahlvariablen regelung eines verdrängerpumpenaggregates sowie verdrängerpumpenanordnung Download PDF

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EP2640973B1
EP2640973B1 EP11782643.8A EP11782643A EP2640973B1 EP 2640973 B1 EP2640973 B1 EP 2640973B1 EP 11782643 A EP11782643 A EP 11782643A EP 2640973 B1 EP2640973 B1 EP 2640973B1
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EP
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displacement pump
control device
drive
pump unit
final pressure
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Thomas Paulus
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KSB SE and Co KGaA
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Definitions

  • the invention relates to a method for variable-speed control of a positive displacement pump unit for conveying a fluid consisting of a positive displacement pump and a drive, wherein the drive consists of a provided with stator and rotor electric drive motor and a frequency converter, by means of a control device, wherein a controlled variable of the positive displacement pump the control device is controlled to a desired value, wherein by the control device at least one state provided by the drive state value of the drive is detected and from the control device, the controlled variable of the positive displacement pump is determined to control the positive displacement pump unit without the use of sensors to the desired value, and a suitable control device for carrying out the method and a corresponding displacement pump arrangement.
  • Displacement pumps are often used to convey fluids, ie liquids or gases, at medium to high pressures and small flow rates.
  • the drive is usually an electric asynchronous motor with upstream frequency converter used in combination with a designed as a process controller control device for variable-speed operation of the induction motor. Due to the variable-speed operation can be achieved with a measurement of the final pressure as a controlled variable of the positive displacement pump, a regulation of the pressure with changing flow rate.
  • the control device is usually in addition to the actual regulation in addition intended for control, monitoring and / or diagnostic tasks. Frequency converter and control device are usually designed separately. To avoid overpressures and for rapid pressure reduction separate pressure relief valves are used in a conventional positive displacement pump assembly pressure side.
  • a start of the drive against a closed slide is not possible without control intervention of the pressure relief valve drive. Providing a required pressure at a flow rate equal to zero, the so-called zero flow rate is not possible in a conventional arrangement. This increases the time required to adjust the pressure when the slider is opened.
  • position a method for sensorless control of rotor angle position or rotor position, hereinafter referred to simply as position, and speed of a synchronous reluctance known.
  • the state values are speed and position of the synchronous reluctance motor and, via the torque-forming current component, its torque.
  • the DE 20 2005 001 746 U1 discloses an apparatus for controlling a fluid flow machine having a processor device with a memory module in which a mathematical model is stored.
  • the EP 0 156 399 A2 discloses a control system for a multiple displacement pump assembly.
  • the WO 03/031918 A1 discloses an apparatus and method for monitoring flow rates.
  • the EP 2 196 678 A1 discloses a method and apparatus for cavitation detection of a pump driven by a frequency converter.
  • the GB 2 352 533 A discloses a method for controlling the delivery size of a pump by measuring the input power of the motor as actual value for the delivery quantity.
  • the US 2003/0127289 A1 discloses a method for sensorless drive control of an electric vehicle.
  • the object of the invention is to provide a method for variable-speed control of a positive displacement pump unit, which increases the dynamics of the control and requires fewer individual components of the arrangement, and to provide a suitable control device for carrying out the method and a corresponding positive displacement pump arrangement.
  • This object is achieved according to the invention with a method in which torque and position of the drive motor are detected as state values of the drive.
  • controlled variables of the positive displacement pump in particular the final pressure and the delivered fluid volume are provided.
  • torque and position of the drive motor are detected as state values of the drive.
  • control device is also provided for control, monitoring and / or diagnostic tasks.
  • control device without limitation of the overall functionality of the device simplifying the term control device is used.
  • Frequency converter and control device according to the invention can also be designed integrated.
  • An embodiment of the method provides that the final pressure is determined by the control device as a controlled variable of the positive displacement pump in order to regulate the positive displacement pump unit without the use of sensors to the final pressure setpoint. As a result, a control to a final pressure setpoint is created, which manages without a sensory detection of the final pressure.
  • the final pressure of the positive displacement pump is regulated by means of a stored in the control device engine torque-end pressure dependence of the positive displacement pump unit.
  • the control device and / or the integrated with the control device running drive is parameterized or adapted by such a pressure model to the respective positive displacement pump.
  • the engine torque-final pressure dependency stored in the control device is provided in the form of a characteristic curve, a value table, or the like.
  • a formulaic relationship is also provided and can be stored in a storage device provided in the control device.
  • a rotor of a synchronous reluctance motor can be controlled sensor-less with regard to its rotor angle position, also referred to as the position below, and its speed.
  • Speed and position of the synchronous reluctance motor is still available with the torque-generating current component, the torque of the motor.
  • the nominal torque of the sensorless synchronous reluctance motor is already available when the engine is stopped, so that even with a flow rate of zero, the pressure can be maintained at the required level.
  • the method according to the invention in conjunction with the sensorless synchronous reluctance motor, enables a positive-displacement pump to start against a closed slide. The desired final pressure is available immediately.
  • a predetermined volume of fluid is conveyed by the determined actual fluid volume with the predetermined fluid volume by the control device is compared and upon reaching the predetermined fluid volume, a conveying operation of the positive displacement pump unit is stopped. For this purpose, for example, starting with a start time, the delivery volume per piston stroke of the positive displacement pump is added up. Upon reaching the predetermined fluid volume of the delivery operation of the positive displacement pump unit is stopped. For this purpose, a pressure side arranged valve can be controlled by the control device and this closed.
  • control device for carrying out the method according to the invention, wherein a controlled variable of a positive displacement pump is regulated by the control device to a desired value
  • the control device comprises means for detecting at least one state value provided by the drive and a memory device that the control device Controlled variable determined from the state value, in order to regulate the positive displacement pump unit without the use of sensors and on the basis of the state values supplied by the drive to the predetermined setpoint.
  • torque and position of the drive motor are detected according to the invention as state values of the drive.
  • the final pressure of the positive displacement pump is used as a controlled variable. This allows the regulation of the final pressure to the final pressure setpoint without pressure sensors. From the position information of the drive motor can be controlled to the control variable funded fluid volume.
  • an engine torque-end pressure dependency of the positive displacement pump unit is stored and the control device controls the final pressure of the positive displacement pump by means of the engine torque-end pressure dependency of the positive displacement pump unit.
  • the storage device serves to store the characteristic parameters or parameters characteristic of the respective positive-displacement pump. This takes place in the form of a characteristic curve, a value table, a formulaic relationship or the like. Conveniently, a linear relationship between engine torque and final pressure according to the above equation 1 is stored in the storage device.
  • control device is able to determine from the position information of the drive motor, more precisely the angular position of the drive rotor, and the value of the closed displacement pump volume, the displacement, the volume of fluid delivered and / or to regulate a predetermined fluid delivery rate.
  • a positive displacement pump assembly with a positive displacement pump unit for conveying a fluid
  • the positive displacement pump unit consists of a positive displacement pump and a variable speed drive
  • the drive consists of an electric drive motor and a frequency converter
  • a controlled variable in particular end pressure and / or delivered fluid volume
  • the positive displacement regulated is, and optionally with a pressure side arranged valve, in particular shut-off valve is characterized by a control device according to the invention.
  • the valve, in particular the shut-off valve is controlled and / or regulated by the regulating device.
  • the drive motor of the positive displacement pump unit is a sensorless synchronous reluctance motor with flow barriers.
  • a flux-locked synchronous reluctance motor can be controlled sensorless with respect to its rotor angle position, and its speed.
  • state values of the control device speed, position and torque of the synchronous reluctance motor are available.
  • the nominal torque of the sensorless synchronous reluctance motor is already available when the engine is stopped, so that even with a flow rate of zero, the pressure can be maintained at the required level.
  • With the sensorless synchronous reluctance motor it is also possible to start the positive-displacement pump unit against a closed slide. The desired final pressure is available immediately.
  • the drive has means for sensorless determination of the position and the rotational speed of the drive motor.
  • the drive has for this purpose means for measuring electrical voltages and / or electric currents of the drive motor.
  • FIG. 1 shows a Verdrängerpumpenan Aunt 1 'according to the prior art in a schematic representation.
  • a positive displacement pump 2 is connected on its pressure side 3 and on its suction side 4 to a piping system of a system not shown and by means of a shaft 5 by an existing rotor and stator electric motor 6 ', here a conventional induction motor, driven.
  • the electric motor 6 ' is variable speed operated and is supplied via a frequency converter 7' multi-phase, here three-phase, with a multi-phase, here three-phase, AC electrical network 9.
  • the frequency converter operates 7 'the electric motor 6' at a certain but variable speed.
  • Electric motor 6 'and frequency converter 7' thereby form the drive for the positive displacement pump 2.
  • a pressure sensor 10 On the pressure side 3 of the positive displacement pump 2 is detected by a pressure sensor 10, a signal according to the final pressure pist of the assembly 1 'and forwarded to a control device 11'.
  • the control device 11 ' is used to control the final pressure pist the displacement pump 2 to a predetermined Enddrucksollwert p to f set by means of a frequency reference.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a Verdrängerpumpenan extract invention 1 with a positive displacement pump unit for conveying a fluid, which consists of a positive displacement pump 2 and a variable speed drive.
  • the drive is formed by a provided with a stator and rotor electric drive motor 6 and a frequency converter 7.
  • the electric motor 6 is polyphase via the frequency converter 7, here three-phase, connected to a Wegphasigien, here three-phase, AC electrical network 9.
  • a control device 11 controls the positive displacement pump 2 to a predetermined final pressure setpoint.
  • On the pressure side 3 of the positive displacement pump 2 designed as a shut-off valve 13 is arranged for closing the pressure-side pipe.
  • the control device 11 has means for detecting the motor state values angular position ⁇ is , rotational speed ⁇ is and torque Mist of the drive motor 6 on.
  • the control device 11 has a memory device for storing parameters, dependencies and / or characteristics.
  • the control device 11 determines the final pressure pact from the torque Mist in order to regulate the displacement pump unit without the use of sensors to the predetermined final pressure p soll .
  • the control device 11 has the in the FIG. 3 shown and explained in more detail pressure regulator 15 which generates a required frequency setpoint f soll . In contrast to the prior art, according to the invention neither a sensor signal of a pressure of the positive displacement pump nor of another sensor is required.
  • the control device rather uses a stored in the storage device of the control device 11 engine torque-end pressure dependency of the positive displacement pump unit to control the final pressure of the positive displacement pump by means of the motor torque-end pressure dependence of the positive displacement pump unit.
  • the control device 11 is capable of the position information ⁇ is of the drive motor 6 and a value of the completed displacement pump volume, the displacement volume, to determine the delivered fluid volume and / or to regulate a predetermined fluid delivery rate.
  • the accuracy of the pressure determination can be improved by taking into account the dynamic torque component in the starting state.
  • FIG. 3 shows in a control engineering view of the operation of the pressure regulator 15 according to the invention.
  • PI controller proportional-integral controller
  • the FIG. 4a shows in a control engineering representation of a method sequence according to the invention for determining a funded fluid volume with respect to initialization and valve opening.
  • the FIG. 4b shows accordingly the procedure in relation to the actual volume determination and a final valve closure.
  • a valve 13 arranged on the pressure side 3 of the positive displacement pump 2 is opened and opened for the start of a delivery with a defined fluid delivery volume V soll held.
  • the condition according to which the control difference e should be below a certain threshold ensures that a desired pressure level is built up before the delivery.
  • this start condition the determination of the volume determination on the condition that the positive displacement pump is completely filled.
  • the initial angular position ⁇ is set to the actual value of the motor angular position (pist)
  • volume takes place cyclically in successive, iterative steps marked with index k, where ⁇ k represents the value for the entire swept angular distance of the rotor.
  • V swept angular distance

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Control Of Positive-Displacement Pumps (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur drehzahlvariablen Regelung eines Verdrängerpumpenaggregates zum Fördern eines Fluids, bestehend aus einer Verdrängerpumpe und einem Antrieb, wobei der Antrieb aus einem mit Stator und Rotor versehenen elektrischen Antriebsmotor und einem Frequenzumrichter besteht, mittels einer Regelvorrichtung, wobei eine Regelgröße der Verdrängerpumpe durch die Regelvorrichtung auf einen Sollwert geregelt wird, wobei durch die Regelvorrichtung mindestens ein vom Antrieb zur Verfügung gestellter Zustandswert des Antriebs erfasst wird und daraus durch die Regelvorrichtung die Regelgröße der Verdrängerpumpe ermittelt wird, um das Verdrängerpumpenaggregat ohne Verwendung von Sensoren auf den Sollwert zu regeln, sowie eine geeignete Regelvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und eine entsprechende Verdrängerpumpenanordnung.
  • Verdrängerpumpen werden häufig zur Förderung von Fluiden, also Flüssigkeiten oder Gasen, bei mittleren bis hohen Drücken und kleinen Fördermengen eingesetzt. Als Antrieb wird üblicherweise ein elektrischer Asynchronmotor mit vorgeschaltetem Frequenzumrichter in Kombination mit einer als Prozeßregler ausgebildeten Regelvorrichtung zum drehzahlvariablen Betrieb des Asynchronmotors eingesetzt. Durch den drehzahlvariablen Betrieb kann mit einer Messung des Enddruckes als Regelgröße der Verdrängerpumpe eine Regelung des Drucks bei sich verändernder Fördermenge erreicht werden. Die Regelvorrichtung ist üblicherweise neben der eigentlichen Regelung zusätzlich für Steuer-, Überwachungs- und/oder Diagnoseaufgaben vorgesehen. Frequenzumrichter und Regelvorrichtung sind üblicherweise separat ausgeführt. Zur Vermeidung von Überdrücken und zum schnellen Druckabbau werden in einer herkömmlichen Verdrängerpumpenanordnung druckseitig separate Überdruckventile eingesetzt. Ein Anfahren des Antriebes gegen einen geschlossenen Schieber ist ohne Stelleingriffe des Überdruckventils antriebsbedingt nicht möglich. Ein Vorhalten eines geforderten Druckes bei einer Fördermenge gleich Null, der sogenannten Nullfördermenge, ist bei einer herkömmlichen Anordnung nicht möglich. Dadurch wird die benötigte Zeit zum Einregeln des Druckes bei Öffnung des Schiebers vergrößert.
  • Weiterhin ist ein Verfahren zur sensorlosen Regelung von Rotorwinkellage oder Rotorposition, nachfolgend vereinfachend Lage genannt, und Drehzahl eines synchronen Reluktanzmotors bekannt. Als Zustandswerte stehen Drehzahl und Lage des synchronen Reluktanzmotors und über die momentenbildende Stromkomponente dessen Drehmoment zur Verfügung.
  • Die DE 20 2005 001 746 U1 offenbart eine Vorrichtung zum Steuern einer Strömungsarbeitsmaschine mit einer Prozessoreinrichtung mit einem Speicherbaustein, in dem ein mathematisches Modell hinterlegt ist.
  • Die EP 0 156 399 A2 offenbart ein Steuerungssystem für eine Anordnung mit mehreren Verdrängerpumpen.
  • Die WO 03/031918 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung von Durchflussmengen.
  • Die EP 2 196 678 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kavitationsdetektion einer Pumpe, die von einem Frequenzumrichter angetrieben wird.
  • Die GB 2 352 533 A offenbart ein Verfahren zur Regelung der Fördergröße einer Pumpe, indem als Istwert für die Fördergröße die Eingangsleistung des Motors gemessen wird.
  • Die US 2003/0127289 A1 offenbart ein Verfahren zur sensorlosen Antriebsregelung eines Elektrofahrzeugs.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur drehzahlvariablen Regelung eines Verdrängerpumpenaggregates zu schaffen, das die Dynamik der Regelung erhöht und weniger Einzelkomponenten der Anordnung erfordert, und eine geeignete Regelvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie eine entsprechende Verdrängerpumpenanordnung bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gelöst, bei dem als Zustandswerte des Antriebs Drehmoment und Lage des Antriebsmotors erfasst werden. Als Regelgrößen der Verdrängerpumpe sind insbesondere der Enddruck und das geförderte Fluidvolumen vorgesehen. Erfindungsgemäß werden als Zustandswerte des Antriebs Drehmoment und Lage des Antriebsmotors erfasst. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist eine Regelung auf einen Sollwert geschaffen, die gänzlich ohne eine sensorische Erfassung der Regelgröße auskommt und rein auf der vom Antrieb gelieferten Zustandswerte basiert.
  • Die Regelvorrichtung ist darüber hinaus für Steuer-, Überwachungs und/oder Diagnoseaufgaben vorgesehen. In dieser Anmeldung wird ohne Beschränkung der Gesamtfunktionalität der Vorrichtung vereinfachend der Begriff Regelvorrichtung verwendet. Frequenzumrichter und Regelvorrichtung können erfindungsgemäß auch integriert ausgeführt sein.
  • Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass durch die Regelvorrichtung der Enddruck als Regelgröße der Verdrängerpumpe ermittelt wird, um das Verdrängerpumpenaggregat ohne Verwendung von Sensoren auf den Enddrucksollwert zu regeln. Dadurch ist eine Regelung auf einen Enddrucksollwert geschaffen, die ohne eine sensorische Erfassung des Enddruckes auskommt.
  • Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Enddruck der Verdrängerpumpe mittels einer in der Regelvorrichtung gespeicherten Motormoment-Enddruck-Abhängigkeit des Verdrängerpumpenaggregates geregelt wird. Die Regelvorrichtung und/oder der mit der Regelvorrichtung integriert ausgeführte Antrieb ist durch ein solches Druckmodell auf die jeweilige Verdrängerpumpe parametriert oder angepasst. Über die Regelung des Motormomentes wird der Enddruck der Pumpe geregelt. Die in der Regelvorrichtung gespeicherte Motormoment-Enddruck-Abhängigkeit ist in Form einer Kennlinie, einer Wertetabelle, oder dergleichen vorgesehen. Auch ein formelmäßiger Zusammenhang ist vorgesehen und in einer in der Regelvorrichtung vorgesehenen Speichervorrichtung hinterlegbar. Als zweckmäßig und in erster Näherung ausreichend hat sich ein einfacher linearer Zusammenhang zwischen Motormoment und Enddruck erwiesen, der mit dem Istwert des Enddruckes pist, dem Istwert des Motormomentes Mist und der Konstanten k1 durch folgende Gleichung gegeben ist: p ist = k 1 ⋅ M ist
    Figure imgb0001
  • Für eine präzise Bestimmung des Enddruckes hat es sich bewährt, dass durch die Regelvorrichtung zusätzlich die Drehzahl des Motors erfasst werden kann. Durch ein solches dynamisches Druckmodell kann für den Anfahrvorgang die Druckbestimmung unter Berücksichtigung des dynamischen Momentenanteils, gebildet aus dem Produkt der Motorträgheitskonstanten Θ und der Ableitung der Drehzahl ωist, gemäß folgender Gleichung erfolgen: p ist = k 1 ⋅ M ist − Θ ⋅ ω ist ′
    Figure imgb0002
  • Es hat sich weiterhin als zweckmäßig erwiesen, durch die Regelvorrichtung Zustandswerte, insbesondere Lage, Drehzahl und Drehmoment, eines sensorlosen Synchronreluktanzmotors mit Flusssperrenschnitt zu erfassen. Ein mit Flussssperren oder Flussbarrieren genannten Aussparungen im Rotorblechschnitt versehener Rotor eines Synchronreluktanzmotors kann sensorlos hinsichtlich seiner Rotorwinkellage, nachfolgend auch Lage genannt, und seiner Drehzahl geregelt werden. Neben den Zustandswerten Drehzahl und Lage des synchronen Reluktanzmotors steht weiterhin mit der momentenbildenden Stromkomponente das Drehmoment des Motors zur Verfügung. Das Nennmoment des sensorlosen Synchronreluktanzmotors ist bereits bei stillstehendem Motor verfügbar, so dass auch bei einer Fördermenge von Null der Druck auf dem geforderten Niveau gehalten werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht in Verbindung mit dem sensorlosen Synchronreluktanzmotor ein Anlaufen einer Verdrängerpumpe gegen einen geschlossenen Schieber. Der gewünschte Enddruck steht dabei sofort zur Verfügung.
  • Besonders vorteilhaft ist es dabei, dass ein solcher Synchronreluktanzmotor ohne Drehzahl- und ohne Lagesensoren geregelt wird. Somit besteht mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Regelung auf einen Enddrucksollwert, die ohne eine sensorische Erfassung des Enddruckes und ohne Postions- und Drehzahlsensoren auskommt.
  • Zusätzliche Vorteile bringt eine Ausgestaltung des Verfahrens, wonach von der Regelvorrichtung die Lage des Antriebsmotors, also die Winkellage des Antriebsrotors zum Antriebsstator, erfasst wird, und mit dem Wert des abgeschlossen Verdrängerpumpenvolumens, dem Hubvolumen, das geförderte Fluidvolumen ermittelt wird. Dabei ergibt sich das geförderte Fluidvolumen aus der zurückgelegten Winkelstrecke des Antriebsrotors und dem Hubvolumen der Verdrängerpumpe. Somit lassen sich mit dem Verfahren definierte Fluidvolumen fördern. Enddruck und gefördertes Fluidvolumen des Verdrängerpumpenaggregates sind somit gleichzeitig ermittelbar.
  • Weiterhin kann durch die Kombination von Enddruckregelung und Ermittlung des geförderten Fluidvolumens eine nicht vollständige Füllung der Verdrängerpumpe mit dem zu fördernden Fluid erkannt werden. Durch die Erkennung einer gegebenenfalls vorhandenen nicht vollständigen Füllung kann eine richtige Berechnung der geförderten Menge erfolgen.
  • Dabei ist es vorgesehen, dass ein vorgegebenes Fluidvolumen gefördert wird, indem durch die Regelvorrichtung das ermittelte Ist-Fluidvolumen mit dem vorgegebenen Fluidvolumen verglichen wird und bei Erreichen des vorgegebenen Fluidvolumens ein Förderbetrieb des Verdrängerpumpenaggregates gestoppt wird. Dazu wird beispielsweise beginnend mit einem Startzeitpunkt das Fördervolumen pro Kolbenhub der Verdrängerpumpe aufsummiert. Bei Erreichen des vorgegebenen Fluidvolumens wird der Förderbetrieb des Verdrängerpumpenaggregates gestoppt. Dazu kann durch die Regelvorrichtung ein druckseitig angeordnetes Ventil angesteuert werden und dieses geschlossen werden.
  • Bei einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei eine Regelgröße einer Verdrängerpumpe durch die Regelvorrichtung auf einen Sollwert geregelt wird, ist vorgesehen, dass die Regelvorrichtung Mittel zur Erfassung mindestens eines vom Antrieb zur Verfügung gestellten Zustandswertes und eine Speichervorrichtung aufweist, dass die Regelvorrichtung die Regelgröße aus dem Zustandswert ermittelt, um das Verdrängerpumpenaggregat ohne Verwendung von Sensoren und auf Basis der vom Antrieb gelieferten Zustandswerte auf den vorgegebenen Sollwert zu regeln. Dazu werden erfindungsgemäß als Zustandswerte des Antriebs Drehmoment und Lage des Antriebsmotors erfasst. Insbesondere ist es vorgesehen, dass der Enddruck der Verdrängerpumpe als Regelgröße verwendet wird. Dies ermöglicht die Regelung des Enddruckes auf den Enddrucksollwert ohne Drucksensoren. Aus der Lageinformation des Antriebsmotors kann auf die Regelgröße gefördertes Fluidvolumen geregelt werden.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass in der Speichervorrichtung der Regelvorrichtung eine Motormoment-Enddruck-Abhängigkeit des Verdrängerpumpenaggregates gespeichert ist und die Regelvorrichtung den Enddruck der Verdrängerpumpe mittels der Motormoment-Enddruck-Abhängigkeit des Verdrängerpumpenaggregates regelt. Die Speichervorrichtung dient der Speicherung der für die jeweilige Verdrängerpumpe charakteristischen Parameter oder Kenngrößen. Dies erfolgt in Form einer Kennlinie, einer Wertetabelle, durch einen formelmäßigen Zusammenhang oder dergleichen. Zweckmäßigerweise ist in der Speichervorrichtung ein linearer Zusammenhang zwischen Motormoment und Enddruck gemäß obiger Gleichung 1 gespeichert.
  • Weiterhin ist die erfindungsgemäße Regelvorrichtung in der Lage, aus der Lageinformation des Antriebsmotors, genauer der Winkellage des Antriebsrotors, und dem Wert des abgeschlossenen Verdrängerpumpenvolumens, dem Hubvolumen, das geförderte Fluidvolumen zu ermitteln und/oder eine vorgegebene Fluidfördermenge zu regeln.
  • Eine erfindungsgemäße Verdrängerpumpenanordnung mit einem Verdrängerpumpenaggregat zum Fördern eines Fluids, wobei das Verdrängerpumpenaggregat aus einer Verdrängerpumpe und einem drehzahlvariablen Antrieb besteht, wobei der Antrieb aus einem elektrischen Antriebsmotor und einem Frequenzumrichter besteht, wobei eine Regelgröße, insbesondere Enddruck und/oder gefördertes Fluidvolumen, der Verdrängerpumpe geregelt wird, und gegebenenfalls mit einem druckseitig angeordneten Ventil, insbesondere Absperrventil, ist gekennzeichnet durch eine erfindungsgemäße Regelvorrichtung. Gegebenenfalls wird das Ventil, insbesondere das Absperrventil, durch die Regelvorrichtung gesteuert und/oder geregelt.
  • Vorteilhafterweise ist der Antriebsmotor des Verdrängerpumpenaggregates ein sensorlos betriebener Synchronreluktanzmotors mit Flusssperren. Ein mit Flussssperren versehener Synchronreluktanzmotor kann sensorlos hinsichtlich seiner Rotorwinkellage, und seiner Drehzahl geregelt werden. Als Zustandswerte stehen der Regelvorrichtung Drehzahl, Lage und Drehmoment des synchronen Reluktanzmotors zur Verfügung. Das Nennmoment des sensorlosen Synchronreluktanzmotors ist bereits bei stillstehendem Motor verfügbar, so dass auch bei einer Fördermenge von Null der Druck auf dem geforderten Niveau gehalten werden kann. Mit dem sensorlosen Synchronreluktanzmotor ist ein Anlaufen des Verdrängerpumpenaggregates auch gegen einen geschlossenen Schieber möglich. Der gewünschte Enddruck steht dabei sofort zur Verfügung.
  • Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass der Antrieb Mittel zum sensorlosen Bestimmen der Lage und der Drehzahl des Antriebsmotors aufweist. Der Antrieb besitzt dazu Mittel zum Messen von elektrischen Spannungen und/oder von elektrischen Strömen des Antriebsmotors.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen die
    • Fig. 1
    eine Verdrängerpumpenanordnung gemäß dem Stand der Technik, die
    Fig. 2
    eine erfindungsgemäße Verdrängerpumpenanordnung, die
    Fig. 3
    eine regelungstechnische Darstellung einer erfindungsgemäßen Druckregelung, die
    Fig. 4a
    eine regelungstechnische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs hinsichtlich Initialisierung Fluidvolumenbestimmung und Ventilöffnung, und die
    Fig. 4b
    eine regelungstechnische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs hinsichtlich Fluidvolumenbestimmung und Ventilschließung.
  • Die Figur 1 zeigt eine Verdrängerpumpenanordnung 1' gemäß dem Stand der Technik in schematischer Darstellung. Eine Verdrängerpumpe 2 ist auf ihrer Druckseite 3 und auf ihrer Saugseite 4 an ein Rohrleitungssystem einer nicht näher dargestellten Anlage angeschlossen und wird mittels einer Welle 5 von einem aus Rotor und Stator bestehenden Elektromotor 6', hier einem herkömmlichen Asynchronmotor, angetrieben. Der Elektromotor 6' ist drehzahlvariabel betreibbar und wird über einen Frequenzumrichter 7' mehrphasig, hier dreiphasig, mit einem mehrphasigen, hier dreiphasigen, elektrischen Wechselspannungsnetz 9 versorgt. Mittels eines vorgegebenen Frequenzsollwertes fsoll betreibt der Frequenzumrichter 7' den Elektromotor 6' bei einer bestimmten, aber veränderlichen Drehzahl. Elektromotor 6' und Frequenzumrichter 7' bilden dabei den Antrieb für die Verdrängerpumpe 2. Auf der Druckseite 3 der Verdrängerpumpe 2 wird mittels eines Drucksensors 10, ein Signal gemäß dem Enddruck pist der Anordnung 1' erfasst und an eine Regelvorrichtung 11' weitergeleitet. Die Regelvorrichtung 11' dient der Regelung des Enddruckes pist der Verdrängerpumpe 2 auf einen vorgegebenen Enddrucksollwert psoll mittels eines Frequenzsollwertes fsoll. Zur Vermeidung von
  • Überdrücken und zum schnellen Druckabbau werden bei einer solchen Verdrängerpumpenanordnung 1' druckseitig separate, hier nicht dargestellte, Überdruckventile notwendig. Ein Vorhalten eines geforderten Druckes bei einer Fördermenge gleich Null, der sogenannten Nullfördermenge, ist bei dieser Anordnung nicht möglich. Die Zeit zum Einregeln des Druckes bei Öffnung eines druckseitig angeordneten, hier nicht dargestellten, Schiebers ist vergrößert.
  • Die Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Verdrängerpumpenanordnung 1 mit einem Verdrängerpumpenaggregat zum Fördern eines Fluids, das aus einer Verdrängerpumpe 2 und einem drehzahlvariablen Antrieb besteht. Der Antrieb ist gebildet durch einen mit Stator und Rotor versehenen elektrischen Antriebsmotor 6 und einen Frequenzumrichter 7. Der Elektromotor 6 ist über den Frequenzumrichter 7 mehrphasig, hier dreiphasig, mit einem mehrphasigien, hier dreiphasigen, elektrischen Wechselspannungsnetz 9 verbunden. Eine Regelvorrichtung 11 regelt die Verdrängerpumpe 2 auf einen vorgegebenen Enddrucksollwert. Auf der Druckseite 3 der Verdrängerpumpe 2 ist ein als Absperrventil gestaltetes Ventil 13 zum Verschließen der druckseitigen Rohrleitung angeordnet. Die Regelvorrichtung 11 weist Mittel zur Erfassung der Motor-Zustandswerte Winkellage ϕist, Drehzahl ωist und Drehmoment Mist des Antriebsmotors 6 auf. Die Regelvorrichtung 11 besitzt eine Speichervorrichtung zur Speicherung von Parametern, Abhängigkeiten und/oder Kennlinien. Die Regelvorrichtung 11 ermittelt den Enddruck pist aus dem Drehmoment Mist, um das Verdrängerpumpenaggregat ohne Verwendung von Sensoren auf den vorgegebenen Enddruck psoll zu regeln. Die Regelvorrichtung 11 besitzt dazu den in der Figur 3 gezeigten und näher erläuterten Druckregler 15, der einen erforderlichen Frequenzsollwert fsoll generiert. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird dafür erfindungsgemäß weder ein Sensorsignal eines Druckes der Verdrängerpumpe noch eines anderen Sensors benötigt. Erfindungsgemäß nutzt die Regelvorrichtung vielmehr eine in der Speichervorrichtung der Regelvorrichtung 11 hinterlegte Motormoment-Enddruck-Abhängigkeit des Verdrängerpumpenaggregates, um den Enddruck pist der Verdrängerpumpe mittels der Motormoment-Enddruck-Abhängigkeit des Verdrängerpumpenaggregates zu regeln. Darüber hinaus ist die Regelvorrichtung 11 in der Lage, aus der Lageinformation ϕist des Antriebsmotors 6 und einem Wert des abgeschlossenen Verdrängerpumpenvolumens, dem Hubvolumen, das geförderte Fluidvolumen zu ermitteln und/oder eine vorgegebene Fluidfördermenge zu regeln. Über das Stellsignal r kann die Regelvorrichtung 11 das Absperrventil 13 ansteuern und dieses öffnen oder schließen. Zusätzlich kann mit Hilfe der Drehzahlinformation ωist die Genauigkeit der Druckermittlung verbessert werden, indem der dynamische Momentenanteil im Anfahrzustand berücksichtigt wird.
  • Die Figur 3 zeigt in einer regelungstechnischen Darstellung die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Druckreglers 15. Der Istwert des Verdrängerpumpenenddruckes pist ergibt sich gemäß einer in der Speichervorrichtung der Regelvorrichtung 11 hinterlegten Motormoment-Enddruck-Abhängigkeit 17 aus Mist. In diesem Ausführungsbeispiel ist diese Abhängigkeit durch ein lineares Modell angenähert und mit der Konstanten k1 durch folgende Formel gegeben: p ist = k 1 ⋅ M ist
    Figure imgb0003
  • Erfindungsgemäß sind weitere Modelle 17 vorgesehen, beispielsweise ein Druckmodell, das das dynamische Anfahrverhalten gemäß obiger Gleichung 2 abbildet. Eine Regeldifferenz e zwischen Sollwert psoll und berechneter Regelgröße pist wird einem Regler 16, hier einem Proportional-Integral-Regler (PI-Regler), zugeführt, der daraus den erforderlichen Frequenzsollwert fsoll berechnet.
  • Die Figur 4a zeigt in einer regelungstechnischen Darstellung einen erfindungsgemäßen Verfahrensablauf zur Bestimmung eines geförderten Fluidvolumens in Bezug auf Initialisierung und Ventilöffnung. Die Figur 4b zeigt entsprechend den Verfahrensablauf in Bezug auf die eigentliche Volumenbestimmung und eine abschließende Ventilschließung. Bei gegebener Startbedingung ("start=1") und im Falle einer unter einer Schwelle s liegenden Regeldifferenz e wird mittels eines Stellsignals r ein auf der Druckseite 3 der Verdrängerpumpe 2 angeordnetes Ventil 13 für den Beginn einer Förderung mit definiertem Fluidfördervolumen Vsoll geöffnet und offen gehalten. Die Bedingung, wonach die Regeldifferenz e unter einer bestimmten Schwelle sein soll, stellt dabei sicher, dass vor der Förderung ein gewünschtes Druckniveau aufgebaut ist. Außerdem erfolgt durch die Berücksichtigung dieser Startbedingung die Ermittlung der Volumenbestimmung unter der Voraussetzung, dass die Verdrängerpumpe vollständig gefüllt ist. Zwecks Initialisierung der Mengenbestimmung wird die Anfangswinkellage ϕist,0 auf den Istwert der Motorwinkellage (pist gesetzt. Das geförderte Volumen Vist ergibt sich mit k2 als Faktor gemäß Fig. 4b entsprechend dem abgeschlossenen Fördervolumen der Verdrängerpumpe (Hubvolumen) zu: V ist , k = k 2 ⋅ ϑ k
    Figure imgb0004
  • Die Volumenbestimmung erfolgt dabei zyklisch in aufeinanderfolgenden, mit Index k gekennzeichneten, Iterationsschritten, wobei ϑk den Wert für die gesamte überstrichene Winkelstrecke des Rotors darstellt. Im Falle einer erreichten, vorgegebenen Fluidfördermenge Vsoll ("Vist,k > Vsoll") wird der Förderbetrieb gestoppt ("start:= 0") und das Absperrventil 13 geschlossen ("r:=0"). Durch ein solches Verfahren ermittelt die erfindungsgemäße Regelvorrichtung aus der Lageinformation ϕist des Antriebsmotors und dem Wert des abgeschlossenen Verdrängerpumpenvolumens das geförderte Fluidvolumen und kann auf eine vorgegebene Fluidfördermenge Vsoll bei vorgegebenem Druck regeln.

Claims (15)

  1. Verfahren zur drehzahlvariablen Regelung eines Verdrängerpumpenaggregates zum Fördern eines Fluids, mittels einer Regelvorrichtung, das Verdrängerpumpenaggregat bestehend aus einer Verdrängerpumpe und einem Antrieb, wobei der Antrieb aus einem mit Stator und Rotor versehenen elektrischen Antriebsmotor und einem Frequenzumrichter besteht, wobei eine Regelgröße der Verdrängerpumpe durch die Regelvorrichtung auf einen Sollwert geregelt wird, wobei durch die Regelvorrichtung (11) mindestens ein vom Antrieb zur Verfügung gestellter Zustandswert des Antriebs erfasst wird und daraus durch die Regelvorrichtung (11) die Regelgröße der Verdrängerpumpe (2) ermittelt wird, um das Verdrängerpumpenaggregat ohne Verwendung von Sensoren auf den Sollwert zu regeln,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    als Zustandswerte des Antriebs Drehmoment und Lage des Antriebsmotors (6) erfasst werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Regelvorrichtung (11) der Enddruck als Regelgröße der Verdrängerpumpe (2) ermittelt wird, um das Verdrängerpumpenaggregat ohne Verwendung von Sensoren auf den Enddrucksollwert zu regeln.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Enddruck der Verdrängerpumpe (2) mittels einer in der Regelvorrichtung (11) gespeicherten, Motormoment-Enddruck-Abhängigkeit des Verdrängerpumpenaggregates geregelt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Enddruck unter Berücksichtigung eines dynamischen Momentenanteils ermittelt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Regelvorrichtung (11) Zustandswerte, insbesondere Lage, Drehzahl und Drehmoment, eines sensorlosen Synchronreluktanzmotors mit Flusssperren erfasst werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Synchronreluktanzmotor ohne Drehzahl- und ohne Lagesensoren geregelt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass von der Regelvorrichtung (11) die Lage des Antriebsmotors (6) erfasst wird, und mit dem Wert des abgeschlossen Verdrängerpumpenvolumens das geförderte Fluidvolumen ermittelt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein vorgegebenes Fluidvolumen gefördert wird, indem durch die Regelvorrichtung (11) das ermittelte Fluidvolumen mit dem vorgegebenen Fluidvolumen verglichen wird und bei Erreichen des vorgegebenen Fluidvolumens ein Förderbetrieb des Verdrängerpumpenaggregates gestoppt wird.
  9. Regelvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine Regelgröße einer Verdrängerpumpe durch die Regelvorrichtung auf einen Sollwert geregelt wird, wobei die Regelvorrichtung (11) Mittel zur Erfassung mindestens eines vom Antrieb zur Verfügung gestellten Zustandswertes des Antriebs und eine Speichervorrichtung aufweist, dass die Regelvorrichtung (11) die Regelgröße aus dem Zustandswert ermittelt, um das Verdrängerpumpenaggregat ohne Verwendung von Sensoren auf den vorgegebenen Sollwert zu regeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelvorrichtung (11) Mittel zur Erfassung der vom Antrieb zur Verfügung gestellten Zustandswerte Drehmoment und Lage des Antriebsmotors (6) aufweist.
  10. Regelvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Enddruck der Verdrängerpumpe (2) als Regelgröße verwendet wird.
  11. Regelvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Speichervorrichtung der Regelvorrichtung (11) eine Motormoment-Enddruck-Abhängigkeit des Verdrängerpumpenaggregates gespeichert ist und die Regelvorrichtung (11) den Enddruck der Verdrängerpumpe (2) mittels der Motormoment-Enddruck-Abhängigkeit des Verdrängerpumpenaggregates regelt.
  12. Regelvorrichtung nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelvorrichtung (11) aus der Lageinformation des Antriebsmotors (6) und dem Wert des abgeschlossenen Verdrängerpumpenvolumens das geförderte Fluidvolumen ermittelt und/oder eine vorgegebene Fluidfördermenge regelt.
  13. Verdrängerpumpenanordnung mit einem Verdrängerpumpenaggregat zum Fördern eines Fluids, wobei das Verdrängerpumpenaggregat aus einer Verdrängerpumpe und einem drehzahlvariablen Antrieb besteht, wobei der Antrieb aus einem mit Stator und Rotor versehenen elektrischen Antriebsmotor und einem Frequenzumrichter besteht, wobei eine Regelgröße der Verdrängerpumpe geregelt wird, und gegebenenfalls mit einem druckseitig angeordneten Ventil, gekennzeichnet durch eine Regelvorrichtung (11) nach einem der Ansprüche 9 bis 12.
  14. Verdrängerpumpenanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (6) des Verdrängerpumpenaggregates ein sensorlos betriebener Synchronreluktanzmotors mit Flusssperren ist.
  15. Verdrängerpumpenanordnung nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb Mittel zum sensorlosen Bestimmen der Lage und der Drehzahl des Antriebsmotors (6) aufweist.
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