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Dokumentenidentifikation DE60310929T2 11.10.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001512949
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des hydraulischen Durchflusses in einer Pumpe
Anmelder Askoll Holding S.r.l., Povolaro di Dueville, Vicenza, IT
Erfinder Marioni, Elio, 36031 Dueville (Vicenza), IT
Vertreter Huber & Schüssler, 81825 München
DE-Aktenzeichen 60310929
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, RO, SE, SI, SK, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 04.09.2003
EP-Aktenzeichen 034255711
EP-Offenlegungsdatum 09.03.2005
EP date of grant 03.01.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.10.2007
IPC-Hauptklasse G01F 1/78(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse F04D 15/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   G01D 5/14(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
Gebiet der Anmeldung

Die vorliegende Erfindung betrifft in ihrem allgemeiner gefassten Aspekt eine Pumpe, die von einem Synchronelektromotor angetrieben wird, wobei der Motor von der Bauart ist, bei der ein mit einem Permanentmagneten ausgestatteten Rotor von dem vom Stator erzeugten elektromagnetischen Feld in Drehung versetzt wird, welcher Stator mit Polschuhen mit entsprechenden Wicklungen ausgestattet ist.

Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der hydraulischen Durchflussmenge in einer Pumpe, die von einem Synchronelektromotor angetrieben wird.

Stand der Technik

Wie Fachleuten hinlänglich bekannt ist, sind Fluidzirkulationspumpen beispielsweise in Heizungs- und/oder Klimaanlagen montiert, aber auch in Haushalts- und Industriewaschmaschinen.

Deren aktuelle Produktion wird fast immer mit Asynchronmotoren bewerkstelligt. Modelle mit Synchronmotoren sind erst vor kurzem eingeführt worden.

Bei all diesen Anwendungen verändert sich die Durchflussmenge der Pumpe, d.h. die vom Elektromotor aufgenommene Last, mit der Zeit, manchmal auch plötzlich und unerwartet. Folglich ändern sich die Betriebsbedingungen des Motors.

Beispielsweise bei Anwendungen in Waschmaschinen muss die Pumpe ein Fluidgemisch zirkulieren oder abfließen lassen, in welchem die prozentualen Anteile von Wasser und Luft einigen Schwankungen unterliegen. Für den Motor ist es jedoch ratsam, immer bei einer Drehzahl zu arbeiten, die nahe an der Drehzahl mit dem höchsten Wirkungsgrad liegt, wodurch sich für den Benutzer auch eine Energieeinsparung ergibt.

Ferner können zu starke Lastschwankungen auch eine vorübergehende Motorabschaltung verursachen, was ein per Hand oder automatisch erfolgendes Eingreifen für einen neuen Startvorgang erfordern würde.

Um eine konstante Drehzahl zu erhalten, wäre es sehr von Nutzen, eine auf Sekundenbasis erfolgende Messung der Last, d.h. der Durchflussmenge des Hydraulikfluids zu haben.

Im Stand der Technik sind mehrere Vorrichtungen zur Messung der Durchflussmenge bekannt, auch mit kontinuierlichen Überwachungen.

Bei diesen Durchflussmessern handelt es sich im Allgemeinen um Vorrichtungen, die entsprechend den Förderbereichen der Pumpe angeordnet sind, und durch Ausnutzung mehrerer Prinzipien bestimmen sie das Volumen eines Fluids, das in einer vorbestimmten Zeit durch einen gegebenen Abschnitt fließt.

Ein Verfahren zur Bestimmung des Druckverlusts und der Durchflussmenge durch eine Pumpe ist in der europäischen Patentanmeldung Nr. 0 971 212 im Namen von Sulzer Electronics AG et al. beschrieben.

Obwohl sie das Ziel der Messung der Durchflussmenge erreichen, haben all diese Messgeräte einige Nachteile. Zuallererst ist es notwendig, im Abgabebereich eine bestimmte Zone vorzusehen, um sie unterzubringen. Außerdem sollte ganz klar zum Ausdruck gebracht werden, dass an diesen Geräte zur Überprüfung deren einwandfreien Betriebs regelmäßig stattfindende vorbeugende Instandhaltungsmaßnahmen vorgenommen werden müssen.

Bei anderen Lösungen kann beispielsweise der Einsatz von Stromsensoren vorgesehen sein, um auf indirektem Weg die Durchflussmenge der Pumpe zu bestimmen, indem man eine höhere oder niedrigere Stromaufnahme an den Statorwicklungen erfasst.

Diese Lösung bietet aber keine genauen und zuverlässigen Messungen.

Eine weitere Lösung aus dem Stand der Technik ist in der europäischen Patentanmeldung Nr. 0 403 806 offenbart, die eine Zentrifugalpumpe oder ein Zentrifugalgebläse betrifft, um ein Fluid bei gesteuerter Temperatur insbesondere in Heizungssystemen zirkulieren zu lassen. Es sind auch Sensoren zum Bestimmen der Fluiddurchflussmenge und Temperatursensoren zur Bestimmung der Fluidtemperatur vorgesehen. Eine dem Elektromotor zugeordnete Steuerung verarbeitet die von den Sensoren empfangenen Werte, um den Motor so anzusteuern, dass. eine nahezu gleichmäßige Fluidtemperatur erhalten wird.

Auch diese Lösung erfordert das Vorhandensein und die Verwaltung von teueren Sensoren, die den Aufbau der Pumpe und der Antriebsvorrichtung des entsprechenden Elektromotors verkomplizieren.

Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem besteht darin, ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Bestimmung der Durchflussmenge in einer von einem Synchronelektromotor angetriebenen Pumpe bereitzustellen, und zwar mit solchen einschlägigen Merkmalen, dass alle mit Bezug auf den Stand der Technik erwähnten Nachteile überwunden werden können.

Zusammenfassung der Erfindung

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende, zur Lösung führende Idee besteht darin, eine indirekte Messung der Durchflussmenge durchzuführen, indem eine Betriebsgröße der Pumpe erfasst wird, die mit der Durchflussmenge entsprechend einem vorbestimmten, nicht linearen, experimentell erhaltenen Korrelationsverhältnis korreliert.

Auf der Basis dieses zur Lösung führenden Gedankens wird das technische Problem gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein wie zuvor angegebenes Verfahren gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es folgende Schritte umfasst:

  • – Ermittlung wenigstens einer Betriebsgröße der Pumpe;
  • – Vergleichen des Werts der Betriebsgröße anhand einer vorbestimmten Korrelationstabelle mit Werten für die hydraulische Durchflussmenge und Bestimmen eines entsprechenden Werts für die Durchflussmenge. Gemäß einer spezifischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfasst das Verfahren im Spezielleren folgende Schritte:
  • – Ermittlung eines aktuellen Werts des Lastwinkels oder Nachlaufs ϑ, d.h., des Phasenverschiebungswinkels zwischen der an die Anschlussklemmen des Motors angelegten Netzspannung und der gegenelektromotorischen Kraft, die sich ergibt, indem sich die Wirkungen des Magnetflusses des Stators und des durch die Drehung des Permanentmagneten des Rotors induzierten Magnetflusses addieren;
  • – Vergleichen des aktuellen Werts des Lastwinkels ϑ anhand einer vorher festgelegten Korrelationstabelle mit Werten für die -hydraulische Durchflussmenge und Bestimmen eines entsprechenden aktuellen Werts für die Durchflussmenge.

Die weiteren Merkmale und Vorteile des Verfahrens und der Vorrichtung zur Bestimmung der Durchflussmenge einer durch einen Synchronelektromotor angetriebenen Pumpe ergeben sich klarer aus der Beschreibung einer Ausführungsform hiervon, die nachstehend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen anhand eines aufzeigenden und nicht einschränkenden Beispiels erfolgt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 zeigt schematisch ein Diagramm der Spannung und gegenelektromotorischen Kraft eines Synchronelektromotors;

2 zeigt schematisch ein Diagramm der Spannung und gegenelektromotorischen Kraft eines Synchronelektromotors in einem anderen Betriebsstadium;

3 zeigt schematisch einen Synchronelektromotor, der mit einem erfindungsgemäßen Baustein zur Bestimmung der Durchflussmenge einer durch diesen Motor angetriebenen Pumpe ausgestattet ist;

4 zeigt ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Bausteins zur Bestimmung der Durchflussmenge in einer von einem Synchronelektromotor angetriebenen Pumpe;

die 5, 6 und 7 sind Flussdiagramme des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Durchflussmenge einer von einem Synchronelektromotor angetrieben Pumpe.

Ausführliche Beschreibung eine bevorzugten Ausführungsform

Zuerst mit Bezug auf das Beispiel von 4 ist ein Baustein gezeigt, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt und allgemein mit 10 angegeben ist, und der Bestimmung der Durchflussmenge in einer von einem Synchronelektromotor 12 angetriebenen Pumpe dient. Der Motor 12, der in 3 zu sehen ist, ist von der Bauart, die einen mit einem Permanentmagneten ausgestatteten Rotor 14 umfasst, der von dem von einem Stator 16 erzeugten elektromagnetischen Feld in Drehung versetzt wird, welcher Stator mit Polschuhen 18 mit entsprechenden Wicklungen ausgestattet ist.

Der Baustein 10 umfasst einen Magnetflusssensor des Rotors 14, z.B. einen Hall-Sensor, der am Stator 16 in der Nähe des Rotors 14 sitzt. Der Sensor 20 ist an eine Verarbeitungseinheit 22 angeschlossen, die den Wert der Pumpendurchflussmenge ausgibt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zur Bestimmung der Durchflussmenge in einer durch den Synchronelektromotor 12 betriebenen Pumpe die Verarbeitungseinheit 22 des Bausteins 10 verwendet, dem ein Speicherabschnitt zugeordnet ist, in dem experimentell bestimmte Daten bezüglich der Korrelation zwischen den Werten für die Durchflussmenge und den entsprechenden Werten einer Betriebsvariable des Pumpenmotors, zum Beispiel des Lastwinkels, abgelegt sind.

In der Praxis ist es gemäß dem Verfahren der Erfindung möglich, die Durchflussmenge des in einer Pumpe zirkulierenden Fluids zu bestimmen, die vom Synchronelektromotor 12 während dessen Betrieb im Beharrungszustand am Laufen gehalten wird, indem man eine Messung. einer Betriebsvariable der Pumpe vornimmt, insbesondere die Messung des Lastwinkels oder Nachlaufs ϑ.

Wie hinlänglich bekannt ist, stellt dieser Lastwinkel ϑ die Phasenverschiebung zwischen der an den Anschlüssen des Motors 12 anliegenden Spannung und der gegenelektromotorischen Kraft dar, die durch die Summe der Auswirkungen des Flusses am Stator 16 und des durch die Rotation des Permanentmagneten des Motors 14 induzierten Flusses bewirkt wird.

Wenn die an der Achse der mit dem Motor 12 verbundenen Pumpe anliegende Last eine Veränderung erfährt, verändert sich auch das am Rotor 14 des Motors 12 anliegende Widerstandsdrehmoment, wodurch sich der Phasenverschiebungswinkel zwischen der gegenelektromotorischen Kraft und der Netzspannung ändert, was genau dem Lastwinkel ϑ entspricht.

Die Erhöhung des Lastwinkels korreliert auf proportionale Art mit einer Steigerung der hydraulischen Durchflussmenge innerhalb der Pumpe, mit einer Korrelation, die intervallweise linear ist. Beispielsweise bedingt eine Steigerung der hydraulischen Durchflussmenge eine proportionale Zunahme des Lastwinkels; umgekehrt entspricht eine Verringerung des Lastwinkels einer Abnahme der entsprechenden Durchflussmenge.

Gemäß der Erfindung wird zwischen den Werten für die Durchflussmenge und den entsprechenden Lastwinkelwerten eine Korrelation bestimmt: Diese Korrelation lässt sich über experimentelle Versuche bestimmen, oder auch durch theoretische Simulationen bzw. Simulationen am Computer, vorzugsweise im Verlauf eines Kalibrierungsschrittes, der vorzugsweise dort vorgenommen wird, wo die Pumpe hergestellt wird.

Ausführlicher erklärt empfängt die Verarbeitungseinheit 22, wie sie in 4 gut zu sehen ist, außer dass sie an den Sensor 20 angeschlossen ist, an ihrem Eingang auch ein netzsynchrones Signal 24 und ein Signal, das proportional zum Effektivwert der Netzspannung 26 ist.

Mit einem digitalen Hall-Sensor 20 wird der Durchlauf des Spitzenwerts des Magnetflusses des Rotors 14 gemessen. Mit dem Wissen, dass der Magnetfluss der gegenelektromotorischen Kraft um 90° nachläuft, ist der Lastwinkel ϑ präzise als Phasenverschiebung zwischen der an den Anschlüssen des Motors 12 anliegenden Spannung, die dank des netzsynchronen Signals 24 bekannt ist, und der gegenelektromotorischen Kraft bestimmt, die sich ergibt, indem sich die Auswirkungen des Flusses im Stator 16 und des durch die Rotation des Permanentmagneten des Rotors 14 induzierten Flusses addieren.

Die Phasenverschiebung ϑ wird somit von der Verarbeitungseinheit 22 bestimmt, die das netzsynchrone Signal 24, bei welchem es sich um ein Rechtecksignal handelt, als Referenz hernimmt, wobei die steigenden und fallenden Flanken mit dem Nulldurchgang der Netzspannung zusammenfallen.

Die Aufmerksamkeit wird auf die Tatsache gelenkt, dass der digitale Hall-Sensor 20 ein Rechtecksignal ausgibt, wobei die steigenden und fallenden Flanken mit der Polaritätsumkehr des Permanentmagneten des Rotors 14 während der Rotation zusammenfallen.

Die Zeit, die zwischen der Flanke des Synchronisierungssignals 24 und der Flanke des Signals vom Sensor 20 vergeht, wobei letzteres die Position des Rotors 14 angibt, ist proportional zum Lastwinkel ϑ.

Gleichwohl schwankt diese Zeitspanne aber entsprechend der Durch flussmenge, der Speisespannung des Motors 12 und der Betriebstemperatur des Magneten des Rotors 14.

Es sollte an dieser Stelle präzisiert werden, dass die Abhängigkeit des Lastwinkels ϑ von der Durchflussmenge mit den elektrophysikalischen Eigenschaften der Pumpe zusammenhängt. Lässt man die konstruktiven Aspekte (wie etwa Hydraulikelemente, Statorwicklungen und mechanische Teile) außer Acht, die in einem gängigen Produkt den Lastwinkel ϑ in erster Linie aufgrund der Herstellungstoleranzen beeinflussen, allerdings mit kleinen und relativ konstanten Werten, dann sind die anderen entscheidenden Parameter, die sich direkt auf die Veränderung des Lastwinkels auswirken, genau die Netzspannung und die Temperatur des Magneten des Rotors 14. Im Falle von Pumpen mit einem Synchronmotor 12 und Rotor 14, die in ein Betriebsfluid eingetaucht sind, entspricht die Magnettemperatur der Temperatur dieses Betriebsfluids.

Wenn die Netzspannung absinkt, nimmt auch die Intensität des vom Stator 16 produzierten Magnetflusses ab, mit einer darauf folgenden Untererregung des Motors 12.

Diese Untererregung macht es schwieriger, die Synchronizitätssituation im Motor 12 aufrechtzuerhalten und wird als Zunahme der Arbeitslast interpretiert, aus der sich direkt eine Zunahme des Lastwinkels ergibt.

Umgekehrt bedeutet eine Zunahme der Netzspannung eine Übererregung des Motors 12 und somit eine Abnahme des Lastwinkels.

Die Anhängigkeit von der Temperatur des Betriebsfluids ist darauf zurückzuführen, dass das ferromagnetische Material, aus dem der Rotor 14 besteht, eine Restmagnetinduktion BR hat, die sich entsprechend der Temperatur verändert.

Eine Zunahme der Betriebstemperatur des Magneten des Rotors 14 lässt die Restmagnetinduktion BR sinken, was sich wiederum auf die Intensität des damit verbundenen Flusses auswirkt, der abnimmt und den Motor 12 zu einer Situation ähnlich dem Fall führt, bei dem die Speisespannung nachlässt.

Was den Lastwinkel anbelangt, verursacht eine Zunahme der Temperatur eine Steigerung des Lastwinkels und umgekehrt.

Um zu unterscheiden, ob die Veränderung des Lastwinkel ϑ auf die Speisespannung zurückzuführen ist, oder ob diese Veränderung von einer Änderung der Durchflussmenge der Pumpe herrührt, wird das Signal verwendet, das proportional zum Effektivwert der Netzspannung 26 ist.

Dieses Signal 26 wird beispielsweise mittels eines Aufbereitungsblocks 28, wie etwa einer Spannungsregler-Hardwareschaltung, aus einem Netzspannungssignal 30 gewonnen. Dieses Signal 26 ermöglicht es der Verarbeitungseinheit 22, auf den Effektivwert der Versorgung zurückzugreifen. Auf diese Weise ist die Verarbeitungseinheit 22 dazu in der Lage, vollständig unabhängig von der Versorgungsspannung ein Signal bereitzustellen, das proportional zur hydraulischen Durchflussmenge und von der Versorgungsspannung vollständig unabhängig ist.

Dagegen muss zur Unterscheidung, ob die Veränderung des Lastwinkel ϑ auf eine thermische Drift zurückzuführen ist, oder diese Veränderung von einer Änderung der Durchflussmenge der Pumpe herrührt, ein analoger Hall-Sensor 20A verwendet werden.

Außer dass er die Registrierung der Polaritätsumkehr des Magneten des Rotors 14 ermöglicht, ist der analoge Hall-Sensor 20A in der Lage, ein sinusförmiges Signal auszugeben, dessen Amplitude proportional zur Restinduktion BR des ferromagnetischen Materials ist, aus dem der Rotor 14 besteht.

Da wie bereits vorstehend erwähnt die Restinduktion BR eines Magneten stark von der Betriebstemperatur anhängig ist, ist die Verarbeitungseinheit 22 mit diesem Signal deshalb darüber hinaus in der Lage, die von einer Änderung der Durchflussmenge herrührende Veränderung des Lastwinkels von der Veränderung des Lastwinkels zu unterscheiden, die auf eine Temperaturänderung zurückgeht.

Im Wesentlichen umfasst das Verfahren der Erfindung, das mittels der Verarbeitungseinheit 22 des Bausteins 10 durchgeführt wird, folgende Schritte:

  • – Ermittlung eines aktuellen Werts des Lastwinkels ϑ;
  • – Vergleichen dieses aktuellen Werts des Lastwinkels anhand einer vorher festgelegten Korrelationstabelle mit Werten für die Durchflussmenge und Bestimmen eines entsprechenden, aktuellen Werts für die Durchflussmenge.

Die Ermittlung kann kontinuierlich oder durch einzelne Abtastvorgänge erfolgen.

Für eine genauere und sicherere Bestimmung der Durchflussmenge umfasst das Verfahren folgende Schritte:

  • – Ermittlung von aktuellen Werten der Lastwinkel ϑ, der Netzspannung und der Magnettemperatur des Rotors 14;
  • – Vergleichen des aktuellen Werts des Lastwinkels anhand einer vorher festgelegten Korrelationstabelle mit Werten für die Durchflussmenge;
  • – Korrigieren der Werte für die Durchflussmenge entsprechend den Werten der Netzspannung und/oder der Rotormagnettemperatur, und Bestimmen eines aktuellen Werts für die Durchflussmenge.

Noch allgemeiner gefasst bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Bestimmung der Durchflussmenge in einer von einem Synchronelektromotor angetriebenen Pumpe, welches Verfahren eine indirekte Menge der Durchflussmenge durch folgende Schritte umfasst:

  • – Ermittlung wenigstens einer Betriebsgröße der Pumpe;
  • – Vergleichen dieses aktuellen Werts der Betriebsgröße anhand einer vorher festgelegten Korrelationstabelle mit Werten für die Durchflussmenge und Bestimmung eines entsprechenden Werts für die Durchflussmenge.

Vorzugsweise handelt es sich bei der wenigstens einen Betriebsgröße um einen Wert, der normalerweise in den Steuerungseinheiten von Pumpen aus dem Stand der Technik ermittelt wird, oder es handelt sich um einen Wert, der leicht bei niedrigen Kosten bestimmt werden kann: Beispielsweise eignet sich der Wert des Lastwinkels ϑ, der aus dem Signal des Hall-Sensors 20 erhalten wird, besonders gut für die praktische Umsetzung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung.

Es wird nun mit speziellem Bezug auf die Flussdiagramme der 5, 6 und 7 der algorithmische Ablauf der Verarbeitungseinheit 22 im Einzelnen beschrieben, wodurch die Anwendung des Verfahrens der Erfindung im Falle eines Beispiels ermöglicht ist, bei dem die Betriebsgröße der Lastwinkel ϑ ist.

Im Wesentlichen wird ein Durchflussmengen-Ausgangssignal 50 erzeugt, das proportional zum Wert eines in der Einheit 22 eingebauten Zählers 52 für den Lastwinkel ϑ ist, welcher Wert somit proportional zur hydraulischen Durchflussmenge ist, wobei die Verarbeitung auf einer Tabelle beruht, die aus experimentell erhaltenen Werten besteht.

Kennt man die Zeit, die die Einheit 22 zur Ausführung eine Unterbrechungsroutine braucht, d.h. die Ausführungszeit des in 5 schematisch gezeigten Programms, und multipliziert man sie mit dem vom Zähler 52 stammenden Wert für den Nachlauf ϑ, erhält man die Zeit, die zwischen einer Flanke des netzsynchronen Signals 24 und einer Flanke des Ausgangssignals vom Hall-Sensor 20 vergeht, was zum Lastwinkel ϑ führt.

Die Unterbrechungsroutine von 5 beginnt in einem Ursprungszustand, Block 54, wo ein Anfangswert des Durchflussmengen-Ausgangssignals 50 angegeben ist.

Es erfolgt ein erster Prüfschritt im Block 56, wo beurteilt wird, ob eine Anstiegsflanke des netzsynchronen Signals 24 eingelangt ist.

Wenn dem so ist, erfolgt in Block 58 eine Zunahme des Zählers 52 für den Winkel ϑ. Dann wird in Block 60 ein zweiter Prüfschritt ausgeführt, wo beurteilt wird, ob eine Anstiegsflanke des Ausgangssignals vom Hall-Sensor 20 eingetroffen ist.

Wenn dem so ist, geht ein Berechnungsblock 62 in Aktion, durch den der Zähler 52 abgeschaltet wird und die Betriebsgröße bezüglich des Nachlaufs ϑ aktualisiert wird.

Der Vollständigkeit der Beschreibung halber ist das Vorhandensein von zweierlei Maßnahmen, die beide optional sind und in 6 bzw. 7 gezeigt sind, auch angegeben: eine erste Maßnahme 64 zur Spannungskompensation und eine zweite Maßnahme 66 zur Temperaturkompensation. Der einschlägige Signalverarbeitungsfluss ist im Einzelnen in 6 und 7 gezeigt, wird aber später noch erläutert, um jetzt die Beschreibung der Hauptunterbrechungsroutine nicht zu unterbrechen.

An diesem Punkt erreicht der Fluss einen Erzeugungsblock 68 für das Ausgangssignal, das auf der Grundlage der Betriebsgröße bezüglich des Nachlaufs ϑ proportional zur hydraulischen Durchflussmenge ist.

Dieser Erzeugungsblock 68 wird auch im Falle einer negativen Antwort im ersten Prüfblock 56 oder im zweiten Prüfblock 60 erreicht, nachdem ein Halteblock 70 durchlaufen wurde, in dem die Betriebsgröße des Nachlaufs ϑ auf ihrem letzten Wert gehalten wird.

Ein Übertragungsblock 72 gestattet die Übertragung des im Erzeugungsblock 68 erzeugten Ausgangssignals von der Verarbeitungseinheit 22 nach außen.

Somit wird ein Abschaltblock 64 der Unterbrechungsroutine erreicht.

6 zeigt ein Flussdiagramm, das im Einzelnen die Verarbeitung im Spannungskompensationsblock 64 von 5 zeigt.

Nach dem in einem Block 76 erfolgenden Auslesen eines zur Netzspannung proportionalen Werts wird ein Block 78 zur Zuweisung eines ersten Skalierungsfaktors an die Betriebsgröße des Nachlaufs ϑ erreicht. Diese Zuweisung erfolgt auf der Grundlage des im Leseblocks 76 erhaltenen Werts und einer vorab erstellten Tabelle, die anhand von experimentellen Werten erhalten wurde.

Dann gelangt man zu einem Aktualisierungsblock 80, in dem die Betriebsgröße des Nachlaufs ϑ entsprechend dem ersten Skalierungsfaktor des Zuweisungsblocks 78 modifiziert wird.

7 zeigt das Flussdiagramm, das im Einzelnen die Verarbeitung im Temperaturkompensationsblock 66 5 beschreibt.

Nach dem in einem Block 77 stattfindenden Auslesen eines Werts, der proportional zur magnetischen Restinduktion BR ist und vom analogen Hall-Sensor 20 stammt, wird ein Block 79 zur Zuweisung eines zweiten Skalierungsfaktors an die Betriebsgröße des Nachlaufs ϑ erreicht. Diese zweite Zuweisung erfolgt auf der Grundlage des im Leseblock 77 erhaltenen Werts und einer vorab erstellten Tabelle, die anhand von experimentellen Werten erhalten wurde.

Dann wird ein Aktualisierungsblock 81 erreicht, in dem die Betriebsgröße des Nachlaufs ϑ entsprechend dem zweiten Skalierungsfaktor des Zuweisungsblocks 79 modifiziert wird.

Das Ziel besteht auch darin, zum Ausdruck zu bringen, wie der aus der Verarbeitungseinheit 22 erhaltene Wert der hydraulischen Durchflussmenge von der Pumpensteuereinheit wieder verwendet werden kann, um die von der Pumpe aufgenommene Leistung zu regeln (in diesem Fall enthält der elektronische Steuerungsbaustein die Verarbeitungseinheit 22); der Wert kann auch nach außen an einen anderen Steuerungsbaustein zur weiteren Verarbeitung geschickt werden, oder er kann für beide vorgenannte Optionen verwendet werden.

Der durch das Verfahren zur Bestimmung der Durchflussmenge einer von einem Synchronelektromotor angetriebenen Pumpe erzielten Hauptvorteils der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass mit ihm die Durchflussmenge in einer ungewöhnlich schnellen und zuverlässigen Weise bestimmt werden kann.

An dem vorstehend beschriebenen Verfahren und der Vorrichtung zur Bestimmung der Durchflussmenge in einer von einem Synchronelektromotor angetriebenen Pumpe können einige Modifikationen vorgenommen werden, die alle innerhalb des Vermögens eines Fachmanns liegen und in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung fallen, wie er in den folgenden Ansprüchen definiert ist.


Anspruch[de]
Verfahren zur Bestimmung der hydraulischen Durchflussmenge in einer Pumpe, die von einem Synchronelektromotor (12) angetrieben wird, wobei der Motor (12) von der Bauart ist, die einen mit einem Permanentmagneten ausgestatteten Rotor (14) umfasst, der von dem von einem Stator (16) erzeugten elektromagnetischen Feld in Drehung versetzt wird, welcher Stator mit Polschuhen (18) mit entsprechenden Wicklungen ausgestattet ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

– indirektes Messen der Durchflussmenge durch Ermittlung wenigstens einer Betriebsgröße der Pumpe,

– Vergleichen des Werts der Betriebsgröße mit einer vorher festgelegten Korrelationstabelle, und

– Bestimmen eines entsprechenden Werts für die Durchflussmenge,

dadurch gekennzeichnet, dass man durch den Schritt des Ermittelns der wenigstens einen Betriebsgröße der Pumpe einen Lastwinkel oder Nachlauf ϑ erhält, also einen Phasenverschiebungswinkel zwischen einer an die Anschlussklemmen des Motors (12) angelegten Netzspannung und der gegenelektromotorischen Kraft, die sich ergibt, indem sich die Wirkungen des Magnetflusses des Stators (16) und des durch die Drehung des Permanentmagneten des Rotors (14) induzierten Magnetflusses addieren, und dass mittels der Korrelationstabelle Werte für die Durchflussmenge mit Werten für den Lastwinkel verknüpft werden.
Verfahren nach Anspruch 1, zur Bestimmung der Durchflussmenge in einer Pumpe, dadurch gekennzeichnet, dass es darüber hinaus einen Kalibrierungsschritt umfasst, bei dem die Korrelationstabelle mittels experimenteller Versuche, theoretischer Simulationen oder Computersimulationen erstellt wird. Verfahren nach Anspruch 1, zur Bestimmung der Durchflussmenge in einer Pumpe, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Ermittelns des Lastwinkels oder Nachlaufs ϑ kontinuierlich erfolgt. Verfahren nach Anspruch 1, zur Bestimmung der Durchflussmenge in einer Pumpe, dadurch gekennzeichnet, dass es darüber hinaus einen Schritt umfasst, eine weitere Betriebsgröße der Pumpe zu ermitteln, wie eine an die Anschlussklemmen des Motors (12) angelegte Netzspannung. Verfahren nach Anspruch 1, zur Bestimmung der Durchflussmenge in einer Pumpe, dadurch gekennzeichnet, dass es darüber hinaus einen Schritt umfasst, eine weitere Betriebsgröße der Pumpe zu ermitteln, wie die Magnettemperatur des Rotors (14). Verfahren nach Anspruch 1, zur Bestimmung der Durchflussmenge in einer Pumpe, dadurch gekennzeichnet, dass es darüber hinaus einen Schritt umfasst, den Wert der Durchflussmenge auszugleichen, wenn die elektrische Versorgungsspannung am Motor schwankt; wobei diese Kompensation durch eine weitere vorher festgelegte Korrelationstabelle erhalten wird. Verfahren nach Anspruch 1, zur Bestimmung der Durchflussmenge in einer Pumpe, dadurch gekennzeichnet, dass es darüber hinaus einen Schritt umfasst, eine Temperatur des Rotors (14) zu messen, um den Wert der Durchflussmenge auszugleichen, wenn sich die Temperatur ändert, was durch eine weitere vorher festgelegte Korrelationstabelle erfolgt. Verfahren nach Anspruch 1, zur Bestimmung der Durchflussmenge in einer Pumpe, dadurch gekennzeichnet, dass es darüber hinaus einen Schritt umfasst, ein zur Restinduktion (BR) des ferromagnetischen Materials des Rotors (14) proportionales und von der Betriebstemperatur abhängiges Signal mittels eines analogen Hall-Sensors (20A) zu erfassen. Elektronischer Baustein (10) zur Bestimmung der hydraulischen Durchflussmenge einer Pumpe, die von einem Synchronelektromotor (12) angetrieben ist, wobei der Motor (12) von der Bauart ist, die einen mit einem Permanentmagneten ausgestatteten Rotor (14) umfasst, der von dem von einem Stator (16) erzeugten elektromagnetischen Feld in Drehung versetzt wird, welcher Stator mit Polschuhen (18) mit entsprechenden Wicklungen ausgestattet ist, und mit einer Verarbeitungseinheit (22), die an ihrem Eingang ein erstes, von einem Magnetflusssensor (20, 20A) des Rotors (14) stammendes Signal empfängt und mit einem Speicherabschnitt ausgestattet oder diesem zugeordnet ist, in dem eine Korrelationstabelle gespeichert ist, in der Werte für die hydraulische Durchflussmenge mit Werten für eine Betriebsgröße des Pumpenmotors verknüpft sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsgröße der Pumpe ein Lastwinkel oder Nachlauf ϑ ist, also ein Phasenverschiebungswinkel zwischen einem netzsynchronen Signal (24) und einer gegenelektromotorischen Kraft, die sich ergibt, indem sich die Wirkungen des Magnetflusses des Stators (16) und des durch die Drehung des Permanentmagneten am Rotor (14) induzierten Magnetflusses addieren, und dass die Verarbeitungseinheit (22) den Lastwinkel mit dem in der Korrelationstabelle gespeicherten Wert der Betriebsgröße vergleicht, um einen entsprechenden Wert für die hydraulische Durchflussmenge zu bestimmen. Elektronischer Baustein nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (20) ein digitaler Hall-Sensor ist. Elektronischer Baustein nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (20A) ein analoger Hall-Sensor ist. Elektronischer Baustein nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass er einen dritten Signaleingang hat, um ein Signal (26) zu empfangen, das proportional zum tatsächlichen Wert der mittels eines Spannungsreglers (28) erhaltenen Netzspannung ist, um völlig unabhängig von der elektrischen Versorgungsspannung ein zur hydraulischen Durchflussmenge proportionales Signal (50) zu erzeugen. Elektronischer Baustein nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass er einen internen Zähler (52) umfasst, um bei jeder Anstiegsflanke des Netztaktsignals (24) den Zählwert des Lastwinkels ϑ zu erhöhen. Elektronischer Baustein nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der analoge Sensor (20A) ein zur Restinduktion (BR) des ferromagnetischen Materials des Rotors (14) proportionales und von der Betriebstemperatur abhängiges Signal erfasst.






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