СПОСОБ ДЛЯ ОПТИМИЗИРОВАННОГО ПО МОЩНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ НАСОСА, ПРИВОДИМОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ, С ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ
METHOD FOR OPTIMISED FUNCTIONING AS TO POWER OF MOTOR-DRIVEN PUMP WITH POSITIVE FEEDBACK

Изобретение относится к способу для оптимизированного по мощности функционирования насоса, приводимого электродвигателем, в гидравлической системе с по меньшей мере одним саморегулируемым потребителем, причем заданный напор насоса регулируется в зависимости от его объема в соответствии с регулируемой базовой характеристической кривой, которая определяется посредством предопределенного заданного значения характеристической кривой. Кроме того, изобретение относится к насосу, приводимому электродвигателем, c управляющей и регулирующей электроникой, которая выполнена с возможностью осуществления способа, соответствующего изобретению. Изобретение также относится к компьютерному программному продукту с инструкциями для выполнения соответствующего изобретению способа, когда он выполняется в управляющей и регулирующей электронике насоса.
При регулировании циркуляционных насосов для нагревательных установок в уровне техники известно регулирование согласно заданной характеристической кривой, например, так называемой Δр-v характеристике. Подобная Δр-v характеристика описывает линейную взаимосвязь между нагнетаемым насосом объемным расходом Q и вырабатываемым им дифференциальным давлением Δр или его напором Н. Регулирование насоса согласно этой характеристической кривой подстраивает гидравлическую мощность насоса в зависимости от объемного напора. Недостатком при подобном решении является то, что характеристическая кривая является жестко заданной, то есть может изменяться лишь незначительно. Правда известно выполнение насосов с возможностью ручной установки характеристической кривой, при которой положение и/или крутизна характеристической кривой в семействе характеристических кривых, в общем случае, может выбираться дискретно или может изменяться. Однако выходящая за пределы этого коррекция мощности насоса не производится.
Вообще и при оптимальном расчете и произвольно выбранной форме характеристической кривой предоставляемая насосом гидравлическая мощность при регулировании вдоль подобной жесткой характеристической кривой не в каждой рабочей точке соответствует потребности установки, так как требуемый напор зависит не только от объемного расхода, но и от положения потребителей в гидравлической сети, которые требуют этого объемного расхода. По этой причине расчет насоса всегда либо должен завышаться, потому что он выбирается по наиболее слабому звену при условиях «наихудшего случая», либо должен занижаться, так что это может привести к недостаточному обеспечению отдельных потребителей в гидравлической системе.
Поэтому задачей настоящего изобретения является предоставить способ, который гарантирует оптимальное согласование гидравлической мощности насоса с его соответствующей рабочей точкой в гидравлической системе.
Эта задача решается способом с признаками пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.
В соответствии с изобретением предложен способ для оптимизированного по мощности функционирования насоса, приводимого электродвигателем, в гидравлической системе с по меньшей мере одним саморегулируемым потребителем, при котором заданный напор насоса регулируется в зависимости от его объемного расхода вдоль регулируемой базовой характеристической кривой, которая определена посредством предопределенного заданного значения характеристической кривой, причем определяется накачиваемый насосом объемный расход и определяется его тренд, и в зависимости от объемного расхода и/или его тренда заданное значение характеристической кривой повышается, когда объемный расход повышается, или сокращается, когда объемный расход снижается.
Идея, лежащая в основе изобретения, заключается в том, чтобы посредством гидравлической системы поддерживать предопределенное изменение объемного расхода, дополнительно к обычному регулированию по Δр-v характеристике, посредством подстройки характеристической кривой и, тем самым, мощность насоса. Если объемный расход в гидравлической системе снижается, то это изменение поддерживается не только посредством снижения мощности насоса на основе регулирования по характеристической кривой, но и дополнительно посредством уменьшения заданного значения характеристической кривой. Если объемный расход повышается, то выполняется повышение мощности насоса. С точки зрения техники регулирования этот основополагающий способ действий обозначается как положительная обратная связь.
Изменение объемного расхода в гидравлической системе обусловлено посредством саморегулируемых потребителей. Саморегулируемый потребитель в смысле предложенного изобретения - это такой потребитель, собственный объемный расход которого непосредственно регулируется посредством исполнительного механизма, например, термостатированного клапана на потребителе. Если гидравлическая система включает в себя множество подобных саморегулируемых потребителей, они все вместе оказывают влияние на необходимый общий объемный расход, который должен нагнетать насос. Если этот объемный расход не достигается, то возникает недостаточное снабжение по меньшей мере одного потребителя, и напротив, при превышении этого необходимого объемного расхода происходит избыточное снабжение, при котором ненужная энергия потребляется для насоса, так как насос в этом случае работает против частично закрытого клапана.
За счет соответствующего изобретению способа названные случаи функционирования исключаются тем, что гидравлическая мощность насоса постепенно изменяется. Происходит отклонение от классического регулирования вдоль жесткой характеристической кривой. Более того, заданное значение характеристической кривой, определяющее характеристическую кривую, постепенно изменяется, чтобы приблизить гидравлическую мощность насоса к актуальной рабочей точке.
К
Soll
К
Soll
Soll
К
Заданное значение Н характеристической кривой является при этом таким значением, которое указывает на положение характеристической кривой в семействе характеристических кривых (на параметрической поверхности) насоса, то есть на так называемой H/Q-диаграмме при известном или ранее установленном наклоне (крутизне). В случае Δр-постоянной характеристики с наклоном, равным нулю, то есть такой характеристики, вдоль которой напор H насоса должен поддерживаться постоянным по объемному расходу Q, заданное значение Н характеристической кривой указывает этот поддерживаемый постоянным напор H насоса. Если, альтернативно, применяется Δр-переменная характеристика, то есть такая характеристика, которая описывает линейную зависимость напора H насоса от объемного расхода Q, эта характеристика может определяться, например, через ее точку пересечения с кривой максимального числа оборотов, которая тогда соответствует заданному значению Н характеристической кривой. Наклон кривой может, например, определяться тем, что при объемном расходе, равном нулю, имеет место напор, который соответствует половинному заданному значению характеристической кривой.
K,alt
К
K,alt
K,ref
K
K,alt
K
Повышение или уменьшение заданного значения характеристической кривой может осуществляться тем, что c предопределенным заданным значением H характеристической кривой суммируется значение М положительной обратной связи, причем значение М положительной обратной связи является положительным, когда объемный расход Q увеличивается, и является отрицательным, когда объемный расход Q падает. Это означает, что заданное значение Н характеристической кривой при положительном тренде δQ повышается, а при отрицательном тренде δQ снижается. Тренд δQ объемного расхода поддерживается, следовательно, посредством соответствующего изобретению способа тем, что регулирующее действие простого регулирования по характеристической кривой, в частности Δр-v характеристике, усиливается. Предопределенное заданное значение H характеристической кривой может быть заданным вручную опорным заданным значением H, которое является решающим при пуске в эксплуатацию насоса, или оно может быть последним определенным регулированием заданным значением H. Это означает, что предопределенное ранее заданное значение H характеристической кривой в рамках регулирования является последним предопределенным заданным значением H характеристической кривой.
Предложенное изобретение представляет тем самым при этом типе положительной обратной связи расширение обычного регулирования по Δр-v характеристике. В отличие от этого регулирования, соответствующая изобретению подстройка мощности насоса приводит не к регулированию по жесткой характеристической кривой, а к режиму работу, согласованному с потребностями. Фактическая рабочая точка насоса не лежит на установленной перед этим вручную или в заводских условиях опорной характеристической кривой и не перемещается вдоль таковой. Она перемещается скорее вдоль любой траектории относительно этой установленной опорной характеристической кривой. Следует отметить, что в рамках изобретения не обязательно в основу должно быть положено регулирование по Δр-v характеристике. Напротив, характеристическая кривая может иметь любую форму, в частности, также может быть постоянной.
v
<mrow><mover accent="true"><mi>Q</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
Объемный расход Q может, в частности, измеряться посредством сенсора объемного потока. Предпочтительным образом он может определяться из внутренних электрических параметров насоса или его электродвигателя. Определение объемного расхода может осуществляться непрерывно или дискретно по времени. Соответственно определение тренда δQ объемного расхода может осуществляться непрерывно или дискретно по времени. В смысле предложенного изобретения под трендом δQ понимается временное изменение объемного расхода Q. Оно может особенно простым образом вычисляться из производной dQ/dt временной характеристики объемного расхода Q(t), если объемный расход Q(t) регистрируется непрерывно. При дискретном по времени измерении объемного расхода Q(t) можно вместо производной применять разностное отношение ΔQ/ΔT для определения временного изменения объемного расхода Q. Так как производная или разностное отношение измеренных значений объемного расхода приводят к слишком сильным шумам, является особенно предпочтительным, в качестве меры изменения объемного расхода применять разность текущего объемного расхода Q и его арифметического среднего (
) по непосредственно прошедшему временному интервалу Т. Временной интервал Т может составлять, например, от 5 до 20 минут, предпочтительно примерно 10 минут. Он перемещается с течением времени, так что арифметическое среднее может рассматриваться как скользящее среднее значение.
min
min
min
min
min
min
min
min
3
3
3
Кроме того, является предпочтительным, определенный объемный расход Q умножать на нуль, если он сравнительно меньше заданного минимального значения Q. Аналогичным образом, предпочтительно, определенный тренд δQ умножать на нуль, если он сравнительно меньше заданного минимального значения δQ. Это вызывает подавление малых значений объемного расхода или изменений объемного расхода. Таким способом могут отфильтровываться малые колебания объемного расхода или колебания тренда относительно нулевой точки. Фильтрация может осуществляться умножением объемного расхода или тренда на оконную функцию, значения которой в интервале между соответствующим минимальным значением Q или δQ и его парным дополнением -Q и -δQ равны нулю, а вне его - единице. Это может осуществляться в рамках предварительной фильтрации измеренного объемного расхода или определенного тренда. В качестве минимального значения Q для объемного расхода Q может применяться, например, значение между 0,005 и 0,02 м/час, предпочтительно примерно 0,01 м/час. Кроме того, в качестве минимального значения δQ для тренда δQ может применяться, например, значение между 5 и 10 м/час за 10 минут.
Определение значения М положительной обратной связи может осуществляться различным образом. Оно может рассчитываться, например, из зависимой от объемного расхода Q(t) и/или его тренда δQ функции f(Q), f(δQ) или f(Q, δQ). Предпочтительно вычисление осуществляется на основе зависимой от тренда δQ функции f(δQ) или на основе зависимой от объемного расхода Q и от тренда δQ функции f(Q, δQ).
3
Особенно простой формой положительной обратной связи является пропорциональная тренду δQ положительная обратная связь согласно функции М(δQ)=k·δQ, причем k - положительная константа, с помощью которой изменение объемного расхода δQ масштабируется и согласуется относительно физической единицы. В качестве альтернативы, значение М положительной обратной связи может определяться на основе функции М(δQ)=k·(δQ). Подобная функция определяет кубическую функциональную взаимосвязь между трендом δQ и положительной обратной связью М. В другой альтернативной форме выполнения значение М положительной обратной связи может определяться на основе функции М(δQ)=k·arctan(δQ). Также в обоих последних вариантах k является положительной константой, с помощью которой изменение объемного расхода δQ масштабируется и согласуется относительно физической единицы. Функция арктангенса имеет преимущество, состоящее в том, что она для положительных и отрицательных трендов δQ асимптотически сближается с определенным через k предельным значением, так что достигается ограничение по величине значения положительной обратной связи, которое улучшает стабильность регулирования.
Названные функции имеют свойство, заключающееся в том, что они симметричны, в частности, обладают симметрией по точкам относительно нулевой точки, так что для положительного и отрицательного тренда δQ с одинаковыми величинами ассоциируется соответственно одинаковое по величине значение М положительной обратной связи.
Согласно другой альтернативной формуле расчета для значения положительной обратной связи, оно может вычисляться из асимметричной функции. Асимметричная функция имеет преимущество, заключающееся в том, что для положительного и отрицательного тренда δQ с одинаковыми величинами ассоциируются соответственно соразмерные различные значения М положительной обратной связи. Таким способом для положительных и отрицательных изменений объемного расхода может определяться разная по величине положительная обратная связь. При этом предпочтительно значение положительной обратной связи выбирается соразмерно большим для положительных трендов δQ, чем для отрицательных трендов δQ, чтобы быстро реагировать на возрастание объемного расхода, то есть на повышенную потребность объемного расхода.
Предпочтительным образом, вычисление осуществляется из асимметричной функции, которая описывает наложение двух сдвинутых относительно друг друга, различным образом взвешенных функций арктангенса. Это может осуществляться, например, согласно следующей функции положительной обратной связи:
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
где М - значение положительной обратной связи, δQ - тренд, а, а, b и b - соответственно положительные масштабирующие коэффициенты, с, с, d и d - соответственно положительные коэффициенты смещения и Е - сдвиг для коррекции нулевой точки, и причем а не равно а. Сдвиг Е соответствует значению суммы вышеупомянутых функций арктангенса для тренда δQ, равного нулю. Естественные точки симметрии функций арктангенса из нулевой точки сдвинуты относительно друг друга на коэффициенты смещения с, с.
1
2
В особенно предпочтительном варианте осуществления соответствующего изобретению способа масштабирующий коэффициент а сдвинутой вправо функции арктангенса выбирается большим, чем масштабирующий коэффициент а сдвинутой влево функции арктангенса. Это означает, что большая положительная обратная связь М применяется для положительных трендов δQ, и меньшая положительная обратная связь М применяется для отрицательных трендов δQ. Тем самым достигается более быстрая реакция регулирования насоса на увеличение объемного расхода по сравнению с реакцией на уменьшение объемного расхода. Это, в свою очередь, предотвращает недостаточное снабжение потребителей, в частности, при открытии исполнительных механизмов, регулирующих их объемный расход.
К
Вышеназванные примерные функции М(δQ) имеют действие, состоящее в том, что при постоянном объемном расходе Q, то есть при тренде δQ, равном 0, имеет место положительная обратная связь М, равная 0, то есть вычисленная согласно этим функциям М(δQ) положительная обратная связь М при постоянном объемном расходе Q ведет к поддержанию текущего заданного напора Н.
0
В отдельных случаях, однако, в гидравлической системе могут иметь место нелинейные эффекты, которые могут иметь следствием остановку течения, например, в случае термического колебания или в случае закрывающегося клапана обратного течения в одной или нескольких частях гидравлической системы. Остановка течения может также возникать тогда, когда существует потребность в объемном расходе отдельных потребителей, которая более не может обеспечиваться. Чтобы избежать остановки течения и, тем самым, повысить устойчивость соответствующего изобретению способа по отношению к таким нелинейным эффектам, предпочтительно к положительной обратной связи М добавлять сдвиг М, если тренд δQ является положительным или нулевым.
Soll
Soll
2
При вышеназванных примерных функциях М(δQ) положительная обратная связь М вычисляется исключительно в зависимости от изменения объемного расхода δQ. Однако оказалось, что в общем случае при малом объемном расходе Q положительная обратная связь М может выбираться большей, чем при больших объемных расходах. Изменение объемного расхода δQ при изменении заданного напора H может вычисляться непосредственно на основе параболы сети трубопроводов: H=d·Q, так как объемный расход рассчитывается согласно Q=√(H/d). Так как сопротивление d сети трубопроводов стоит в знаменателе этого выражения, при крутых характеристических кривых установок с высоким сопротивлением d сети трубопроводов изменение заданного напора H вызывает меньшее изменение объемного расхода Q, чем при более «отлогих» характеристических кривых установок с меньшим сопротивлением d сети трубопроводов. Поэтому является рациональным положительную обратную связь М при малом объемном расходе Q выбирать большей, чем при большом объемном расходе Q. Поэтому в соответствии с изобретением можно для вычисления положительной обратной связи М дополнительно применять текущий объемный расход Q согласно функции М=f(Q, δQ).
max
0
В простой форме выполнения ранее вычисленная в зависимости от изменения объемного расхода δQ положительная обратная связь М умножается на зависимую от объемного расхода Q функцию масштабирования, например, S(Q)=S/(1+Q/Q), так что М(Q, δQ)=S(Q)·f(δQ).
Дополнительная мера для повышения устойчивости соответствующего изобретению способа может быть реализована путем ограничения значения М положительной обратной связи соразмерно ее высоте. Тем самым можно избежать слишком сильных изменений характеристических кривых. Предпочтительным образом значению М положительной обратной связи присваивается максимальное значение M_max, если оно превышает верхнее предельное значение. Соответствующим образом значению М положительной обратной связи может присваиваться минимальное значение M_min, если оно спадает ниже нижнего предельного значения. Таким образом, текущее вычисленное значение М положительной обратной связи может сравниваться с верхним пределом M_max, а также с нижним пределом M_min и при превышении верхнего предела M_max или спадании ниже нижнего предела M_min устанавливаться на верхний предел M_max или нижний предел M_min.
1
2
1
2
В качестве альтернативы, ограничение значения положительной обратной связи может осуществляться простым способом посредством вышеназванной функции положительной обратной связи. За счет этого устраняются дополнительные этапы сравнения и присвоения значений. Так как функция арктангенса для нарастающих значений асимптотически сходится к значению π/2, а для спадающих значений - к значению -π/2, то за счет соответствующего выбора константы k или масштабирующего коэффициента а для сдвинутой вправо функции арктангенса можно реализовать верхнее ограничение диапазона для значения М положительной обратной связи, а за счет соответствующего выбора масштабирующего коэффициента а для сдвинутой влево функции арктангенса реализовать нижнее ограничение диапазона для значения М положительной обратной связи. Предпочтительным образом при симметричной функции М(δQ) положительной обратной связи типа арктангенса константа k выбирается как k=M_max·2/π. Предпочтительным образом ограничение при несимметричной функции М(δQ) положительной обратной связи типа арктангенса достигается тем, что масштабирующий коэффициент а выбирается как максимальное значение M_max, а масштабирующий коэффициент а как минимальное значение M_min.
К
Альтернативно или в комбинации с ограничением значения М положительной обратной связи устойчивость соответствующего изобретению способа может быть улучшена за счет того, что повышение или снижение заданного значения Н характеристической кривой осуществляется только в определенном рабочем диапазоне. Этот рабочий диапазон может определяться, например, полосой вокруг установленной опорной характеристической кривой К, которая может устанавливаться для насоса в заводских условиях или вручную. Следует отметить, что в смысле предложенного изобретения «рабочий диапазон» должен пониматься не как рабочий диапазон насоса, а скорее как рабочий диапазон соответствующего изобретению принципа регулирования, который может быть наглядно представлен как рабочий диапазон насоса на H/Q-диаграмме.
К
K,max
K,min
K_ref
К
K,max
K,min
Предпочтительным образом подобный рабочий диапазон образован таким образом, что заданное значение Н характеристической кривой ограничивается значением внутри диапазона между максимальным заданным значением H и минимальным заданным значением H, причем опорное заданное значение H установленной или устанавливаемой опорной характеристической кривой К лежит внутри этого диапазона. Так как изменение заданного значения Н характеристической кривой для базового регулирования по характеристической кривой, исходя из первоначально установленной опорной характеристической кривой К, вызывает сдвиг этой характеристической кривой К, то получается рабочий диапазон (полоса) вокруг этой опорной характеристической кривой К, который сверху ограничен той характеристической кривой, которая определяется посредством максимального заданного значения H, снизу ограничен той характеристической кривой, которая определяется посредством минимального заданного значения H, причем насос соответственно регулируется по текущей характеристической кривой внутри этого диапазона.
К
K,max
K,min
K,max
K_ref
Альтернативно ограничению рабочего диапазона посредством полосы вокруг установленной опорной характеристической кривой К, рабочий диапазон может быть определен таким образом, что он лежит ниже установленной опорной характеристической кривой К. Это имеет преимущество, состоящее в том, что требуемая для работы насоса энергия минимизируется. Как показали опыты с обычно применяемыми в настоящее время Δр-v характеристиками, в общем случае не возникает недостаточное снабжение гидравлической системы, так что можно отказаться от работы в диапазоне выше предварительно установленной опорной характеристической кривой К. Поэтому предпочтительным образом заданное значение Н характеристической кривой ограничено значением внутри диапазона между максимальным заданным значением H и минимальным заданным значением H, причем максимальное заданное значение H соответствует опорному заданному значению H установленной или устанавливаемой опорной характеристической кривой К.
K,min
К
К
К
K,min
В простом случае нижний предел рабочего диапазона образован прямой. Например, эта прямая может соответствовать прямой, получаемой параллельным сдвигом опорной характеристической кривой на определенное значение вниз. Если этот предел, напротив, определяется минимальным заданным значением H, то может быть получена прямая, которая не только сдвинута вниз, но и ее наклон также становится больше. Это, в частности, было бы в том случае, когда заданное значение Н характеристической кривой таком образом определяет характеристическую кривую, что она при напоре Н пересекает кривую максимального числа оборотов и при 0,5*Н пресекает ось напора. В предпочтительном дальнейшем развитии изобретения нижняя граница рабочего диапазона, однако, образована не жестко заданной прямой или прямой, зависимой от опорной характеристической кривой, а определяется зависимой от объемного расхода Q функцией H=f(Q).
К
Кроме того, является предпочтительным, осуществлять ограничение рабочего диапазона относительно больших объемных расходов Q. Поэтому в соответствии с изобретением повышение или снижение заданного значения Н характеристической кривой может осуществляться только тогда, когда объемный расход Q лежит ниже заданного опорного значения объемного расхода Q_ref. Предпочтительным образом это опорное значение объемного расхода Q_ref по существу соответствует половинному максимальному объемному расходу Q_max, то есть тому объемному расходу, который имеет место в рабочей точке, которая лежит в точке пересечения предварительно установленной опорной характеристической кривой с кривой максимального числа оборотов. Это имеет следующие предпосылки:
В рамках проектирования гидравлической установки проектировщик вычисляет так называемую расчетную точку установки, то есть расчетный объемный расход Q_A и соответствующий расчетный напор Н_А, см. фиг. 4а, 4b, на которых расчетная точка обозначена ссылочной позицией 4. Подлежащий применению насос выбирается проектировщиком таким образом, что расчетная точка лежит внутри семейства характеристических кривых (параметрической поверхности) насоса. Так как не любые параметры насоса являются доступными, расчетная точка лежит, как правило, заметно ниже кривой 2 максимального числа оборотов насоса. Ручная установка заданного значения Δр-v характеристики на этом насосе осуществляется таким образом, что регулировочная характеристическая кривая К проходит по возможности через расчетную точку, причем, ввиду дискретной возможности установки регулировочной характеристической кривой, в типовом случае имеются малые отклонения. Поэтому для работы насоса вблизи расчетной точки можно исходить из того, что на основе выполненного проектировщиком вычисления, напор предварительно установленной регулировочной характеристической кривой соответствует по существу потребности установки. По этой причине является рациональным работать вблизи расчетной точки насоса вдоль предварительно установленной регулировочной характеристической кривой, то есть опорной характеристической кривой, и снижение заданного значения характеристической кривой ниже этой опорной характеристической кривой выполнять только ниже опорного значения объемного расхода Q_ref, причем опорное значение объемного расхода Q_ref предпочтительно несколько ниже или равно объемному расходу Q_А в расчетной точке гидравлической системы.
К
K,max
K,min
К
К
В другом предпочтительном развитии соответствующего изобретению способа выполняется постепенное возвращение рабочей точки насоса в рабочий диапазон, если эта рабочая точка находится вне рабочего диапазона. Поэтому в соответствии с изобретением заданное значение Н характеристической кривой постепенно, ступенчато снижается, если оно превышает максимальное заданное значение H, или постепенно ступенчато повышается, если оно снизилось ниже минимального заданного значения H. Предпочтительным образом, в случае выхода из рабочего диапазона, положительная обратная связь может быть деактивирована или деактивируется. «Постепенно» в этой связи означает, что осуществляется только незначительное изменение заданного значения Н характеристической кривой. Если, например, выход из рабочего диапазона, исходя из рабочей точки при малом объемном расходе Q и малом напоре Н, вызван тем, что дополнительные клапаны открываются, так что рабочая точка перемещается из рабочего диапазона к большим объемным расходам, то заданное значение Н характеристической кривой в соответствии с изобретением повышается не скачкообразно на высокое значение. Напротив, это осуществляется путем постепенного возвращения заданного значения в рабочий диапазон. За счет этого могут исключаться неприятные шумы из-за быстрого изменения числа оборотов в гидравлической системе.
К
То, находится ли рабочая точка насоса вне рабочего диапазона, может отслеживаться путем сравнения с определяющими диапазон максимальным и минимальным значениями. Скорость возвращения может задаваться либо высотой шага (ступеньки) и/или шириной шага, то есть временной длительностью шага. Предпочтительным образом ступенчатое изменение заданного значения Н характеристической кривой находится в пределах от 1 см до 3 см, предпочтительно 2 см в минуту. В случае дискретного по времени определения объемного расхода Q ширина шага может соответствовать интервалу выборки или кратному значению интервала выборки. Так ширина шага может составлять 30 секунд, одну минуту или также быть больше. Могут применяться и любые другие значения ширины шага.
К
К
К
K,max
K,min
Изменение заданного значения Н характеристической кривой может осуществляться таким способом заново для каждого следующего временного интервала или для каждого следующего временного шага, пока текущая рабочая точка насоса продолжает находиться вне рабочего диапазона. Это означает, что заданное значение Н характеристической кривой насоса повторно незначительно подстраивается, если рабочая точка на следующем временном шаге продолжает находиться вне рабочего диапазона. Поэтому в соответствии с изобретением ступенчатое изменение заданного значения Н характеристической кривой повторяется так долго, пока оно вновь не окажется внутри диапазона между максимальным заданным значением H и минимальным заданным значением H. Преимущество такого способа действий заключается в непрерывном согласовании рабочей точки насоса, не вызывая нежелательных скачкообразных изменений состояния системы, которые могут привести к перерегулированиям и шумам течения.
Предложенный способ особенно предпочтительно может применяться для управления циркуляционным насосом, в особенности циркуляционным насосом нагревательной установки, в замкнутой гидравлической системе. В этом случае гидравлическая система может представлять собой нагревательную установку с по меньшей мере одним нагревательным элементом, снабжаемым посредством циркуляционного насоса нагревательной установки. Альтернативно, гидравлическая система может быть системой охлаждения, которая снабжает охлаждающие агрегаты в качестве потребителей охлаждающей жидкостью, которая перекачивается насосом охлаждающей жидкости.
Предпочтительным образом предложенный способ реализуется в управляющей и регулирующей электронике насоса, в частности подобного циркуляционного насоса, так что он может быть реализован в этой управляющей и регулирующей электронике.
Согласно этому применению, соответствующий изобретению способ образован программными инструкциями, которые образуют компьютерный программный продукт, который соответственно предназначен для выполнения способа и может выполняться на управляющей и регулирующей электронике насоса, чтобы приводить в действие насос. Поэтому изобретение также относится к компьютерному программному продукту с инструкциями для выполнения способа функционирования насоса, приводимого электродвигателем, когда он выполняется в управляющей и регулирующей электронике этого насоса.
Другие преимущества, признаки и свойства соответствующего изобретению способа поясняются ниже со ссылками на приложенные чертежи, на которых показано следующее:
фиг. 1а - схематичное представление способа регулирования согласно первому варианту выполнения,
фиг. 1b - схематичное представление способа регулирования согласно второму варианту выполнения,
Фиг. 1с - схематичное представление способа регулирования согласно третьему варианту выполнения с возвратом в диапазон,
Фиг. 1d - схематичное представление блока возврата в диапазон,
Фиг. 2а - схематичное представление предварительной обработки измерительного сигнала объемного расхода согласно первому варианту,
Фиг. 2b - схематичное представление предварительной обработки измерительного сигнала объемного расхода согласно второму варианту,
Фиг. 3а - определение значения положительной обратной связи согласно линейной зависимости от тренда объемного расхода,
Фиг. 3b - определение значения положительной обратной связи согласно линейной зависимости от тренда объемного расхода с учетом сдвига,
Фиг. 3с - определение значения положительной обратной связи на основе несимметричной функции,
Фиг. 3d - представление масштабирующей функции S(Q),
Фиг. 4а - H/Q-диаграмма с рабочим диапазоном в форме полосы и траектория рабочей точки,
Фиг. 4b - H/Q-диаграмма с ограниченным рабочим диапазоном,
Фиг. 4с - H/Q-диаграмма с рабочим диапазоном в форме облака.
На фиг.1 показана схема регулирования, в которой реализован соответствующий изобретению способ для оптимизированного по мощности функционирования циркуляционного насоса, приводимого электродвигателем, в нагревательной системе. Циркуляционный насос является компонентом насосного агрегата 11, который включает в себя этот насос и приводящий его электродвигатель.
Soll
Soll
Soll
Нагнетаемый насосным агрегатом 11 объемный расход Q измеряется и подается на регулирование 9 по характеристической кривой. Согласно предварительно установленной регулировочной характеристической кривой, которая согласно примеру по фиг. 1а является Δр-v характеристикой, с объемным расходом Q сопоставляется и выдается заданное значение H напора для насоса. Это заданное значение H напора представляет управляющее воздействие последующего контура регулирования и подается на регулятор 10. Одновременно измеряется напор Н и с отрицательным знаком подается по обратной связи на вход регулятора, так что на входе регулятора приложено регулируемое отклонение в форме разности из заданного значения H напора и текущего напора Н.
Регулятор 10 выполнен как PID (пропорционально-интегрально-дифференциальный) регулятор. Он выдает в качестве управляющего воздействия напряжение, которое пропорционально устанавливаемому заданному числу оборотов n. Это управляющее воздействие n задается насосному агрегату 11 или приводящему насос электродвигателю. В зависимости от числа оборотов n насосного агрегата 11, устанавливается его дифференциальное давление Δр или его напор Н. Кроме того, посредством числа оборотов насосного агрегата 11 также устанавливается объемный расход Q, но объемный расход Q зависит от гидравлического сопротивления нагревательной системы, то есть от степени открытия регулирующих клапанов потребителя. Это описанное регулирование по характеристической кривой соответствует уровню техники.
К
K_ref
В соответствии с изобретением это регулирование по характеристической кривой расширено тем, что предварительно установленная характеристическая кривая в регулировании 9 по характеристической кривой при работе насосного агрегата 11 непрерывно подстраивается по своему положению на H/Q-диаграмме. Для этого, исходя из измеренного объемного расхода Q, определяется его тренд, и, в зависимости от тренда δQ, заданное значение Н характеристической кривой повышается, если объемный расход Q увеличивается, или снижается, если объемный расход Q падает. В заводских условиях или вручную на насосном агрегате устанавливается опорная характеристическая кривая К с опорным заданным значением H характеристической кривой, вдоль которой сначала осуществляется регулирование при пуске в эксплуатацию насосного агрегата 11.
К,alt
К
К
Тренд δQ определяется в предварительной обработке 6. Затем в блоке 7 вычислений определяется значение М положительной обратной связи, которое в последующем каскаде 8 положительной обратной связи суммируется с текущим заданным значением Н характеристической кривой. Эта сумма образует новое заданное значение Н характеристической кривой для последующего регулирования 9 по характеристической кривой. Значение М положительной обратной связи является положительным для положительного тренда δQ и отрицательным для отрицательного тренда δQ. Первоначально установленная регулировочная характеристика за счет этого сдвигается на H/Q-диаграмме вверх или вниз и образует новую, временно действительную регулировочную характеристическую кривую, вдоль которой насосный агрегат 11 регулируется с помощью регулирования 9 по характеристической кривой. Это осуществляется до тех пор, пока не будет задано новое заданное значение Н характеристической кривой.
max
0
max
0
3
Фиг. 1b показывает альтернативную форму схемы регулирования, которая отличается от первого варианта выполнения согласно фиг. 1а блоком 7' вычислений и регулированием 9' по характеристической кривой. Входным параметром для вычисления значения М положительной обратной связи для блока 7' вычислений является не только тренд δQ, но и текущий объемный расход Q. В блоке 7' вычислений сначала вычисленное в зависимости от тренда δQ значение М=f(δQ) положительной обратной связи умножается на зависимую от объемного расхода масштабирующую функцию S(Q)=S/(1+Q/Q). Фиг. 3d показывает соответствующий вид масштабирующей функции для S=2 и Q=1 м/час.
Soll
К
Soll
К
Кроме этого, на фиг. 1b в регулировании 9' по характеристической кривой устанавливается Δр-с характеристика, которая по всему диапазону объемного расхода Q поддерживает постоянным напор H насосного агрегата 11. В этом случае предопределенное для регулирования 9' по характеристической кривой заданное значение Н характеристической кривой соответствует заданному значению H напора, так как заданное значение Н характеристической кривой без изменения передается далее на выход регулирования 9' по характеристической кривой. Выход каскада 8 положительной обратной связи мог бы поэтому в данном выполнении непосредственно соединяться с входом регулятора 10. Следует отметить, что показанные на фиг. 1b оба изменения не обязательно должны присутствовать одновременно в одном варианте выполнения. Так один вариант выполнения может отличаться от показанного на фиг. 1а тем, что в нем положительная обратная связь вычисляется только из тренда δQ, причем далее осуществляется базовое регулирование по Δр-v характеристике согласно фиг. 1а. В качестве альтернативы, в другом варианте выполнения положительная обратная связь может определяться только на основе тренда δQ, при этом осуществляется базовое регулирование по Δр-с характеристике, как на фиг. 1b.
Фиг. 1с показывает другой вариант выполнения схемы регулирования, который отличается от первого и второго варианта по фиг. 1а и 1b тем, что между каскадом 8 положительной обратной связи и регулированием 9' по характеристической кривой имеется блок 14 возврата в диапазон. Он проверяет, находится ли текущая рабочая точка насоса внутри рабочего диапазона 3 (см. фиг. 4а-с).
На фиг. 1d представлена функция блока 14 возврата в диапазон:
Если (Q, H) находится выше рабочего диапазона 3,
k
K,alt
то H=H-dH;
Если (Q, H) находится ниже рабочего диапазона 3,
k
K,alt
то H=H+dH;
Если (Q, H) находится в пределах рабочего диапазона 3,
k
то не происходит никакой настройки H.
К
k
K,alt
К
k
K,alt
К
Если текущая рабочая точка Q, H находится выше рабочего диапазона 3, то осуществляется постепенное, пошаговое снижение заданного значения Н характеристической кривой с шириной шага dH согласно H=H-dH. Если текущая рабочая точка Q, H находится ниже рабочего диапазона 3, то осуществляется постепенное, пошаговое повышение заданного значения Н характеристической кривой с шириной шага dH согласно H=H+dH. Если текущая рабочая точка Q, H находится в пределах рабочего диапазона 3, то не осуществляется никакой подстройки Н.
g
g
g
Фиг. 2а и 2b показывают реализацию предварительной обработки 6 согласно фиг. 1а, 1b и 1с. В первом варианте выполнения согласно фиг. 2а предварительная обработка включает в себя фильтрацию 13 измеренного объемного расхода Q, формирование 12 скользящего среднего значения и вычисление изменения объемного расхода, то есть тренда δQ. Фильтрация 13 осуществляется посредством умножения измеренного объемного расхода Q на оконную функцию f(Q), которая для значений ниже заданного минимального значения Q объемного расхода равна нулю, и для значений больших или равных этому минимальному значению Q объемного расхода равна единице. Минимальное значение Q объемного расхода лежит между 10 и 80 л/час. Посредством этого умножения малые значения объемного расхода подавляются.
<mrow><mover accent="true"><mi>Q</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>Q</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>Q</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
Частью предварительной обработки 6 является, кроме того, формирование 12 скользящего среднего значения, которое вычисляет арифметическое среднее (
) измеренного объемного расхода Q по прошедшему временному интервалу Т. Тренд δQ вычисляется из разности отфильтрованного объемного расхода Q и его арифметического среднего значения (
). Математически тренд δQ может быть записан как выходной параметр предварительной обработки 6 в виде: δQ=Q(t)·f(Q)-
(t). В этом варианте выполнения согласно фиг. 2а фильтрация 13 и формирование 12 среднего значения осуществляются почти параллельно.
<mrow><mover accent="true"><mi>Q</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>Q</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
g
Фиг. 2b показывает альтернативный вариант выполнения предварительной обработки 6. Согласно этому варианту, происходит не подавление малых объемных расходов Q, а подавление малых изменений δQ' объемного расхода посредством фильтра 13'. На предыдущем этапе 12 сначала вновь вычисляется арифметическое среднее значение (
) измеренного объемного расхода Q для прошедшего временного интервала Т, и затем формируется тренд δQ' как разность объемного расхода Q и его среднего значения (
). Этот тренд δQ' затем фильтруется тем, что он умножается на оконную функцию известного типа согласно фиг. 2а. Фильтрация обеспечивает то, что малые тренды δQ'< δQ' устанавливаются в нуль, то есть далее не учитываются. Отфильтрованный тренд δQ является выходным параметром предварительной обработки 6 согласно фиг. 2b.
Фиг. 3а показывает функцию М(δQ) положительной обратной связи в форме прямой, которая описывает линейную взаимосвязь между значением М положительной обратной связи и трендом δQ. Согласно этой линейной зависимости, для каждого тренда δQ может быть определено соответствующее значение М положительной обратной связи. Эта функция М(δQ) положительной обратной связи может быть реализована в блоке 7, 7' вычислений по фиг. 1а и 1b.
0
Альтернатива определению значения М положительной обратной связи показана на фиг. 3b. Здесь положительная обратная связь М дополнительно имеет, по сравнению с вариантом выполнения по фиг. 3а, сдвиг М для нулевого тренда объемного расхода и для положительных трендов δQ объемного расхода.
Другая альтернативная функция положительной обратной связи, которая может быть реализована в блоке 7, 7' вычислений, показана на фиг. 3с. Согласно этому варианту выполнения, значение М положительной обратной связи определяется на основе асимметричной функции положительной обратной связи. Функция положительной обратной связи согласно фиг. 3с имеет следующее математическое выражение:
с параметрами:
Максимальная позитивнаяположительная обратная связь
M_max
0,02 м
Максимальная негативнаяположительная обратная связь
M_min
0,01 м
Тренд
δQ
вычисляется в м<sup>3</sup>/часпредварительнойобработке 6
Масштабирующий коэффициент
b<sub>1</sub>=b<sub>2</sub>=
0,01 м<sup>3</sup>/час
Величина нулевого диапазона
с<sub>1</sub>=с<sub>2</sub>=
0,05 м<sup>3</sup>/час
Коэффициент сдвига
d<sub>1</sub>=d<sub>2</sub>=
0,5 м
Коррекция нулевой точки
Е
0,000628 м
1
2
1
2
Асимметричная функция М(δQ) положительной обратной связи в соответствии с этим состоит из наложения двух функций арктангенса, которые сдвинуты относительно друг друга на одно и то же значение с=с сдвига. Обе функции арктангенса в соответствии с этим, по отношению к их естественной точке симметрии в нулевой точке системы координат, сдвинуты на значение с вправо (путем вычитания с) или влево (путем суммирования с). Между этими коэффициентами сдвига функция М(δQ) положительной обратной связи приближенно равна нулю.
1
2
Так как обычная функция арктангенса имеет область значений между +π/2 и -π/2, эта область значений изменяется посредством умножения на 1/π на область значений от -0,5 до +0,5. Дополнительно к сдвинутой вправо функции арктангенса добавляется значение d=0,5, так что область значений находится в пределах от 0 до 1. Аналогичным образом, из сдвинутой влево функции арктангенса вычитается значение d=0,5, так что ее область значений лежит в пределах от -1 до 0.
Путем умножения отдельных функций арктангенса на масштабирующий коэффициент M_max, M_min могут устанавливаться предварительно определенные предельные значения для значения М положительной обратной связи, к которым, соответственно, асимптотически приближаются функции арктангенса для соразмерно возрастающих трендов δQ. Таким способом, значение М положительной обратной связи принимает максимальное значение M_max, которое достигается при положительном тренде δQ, а также минимальное значение M_min, которое достигается при отрицательном тренде δQ.
Если эти масштабирующие коэффициенты M_max, M_min выбраны разными, то положительная обратная связь для положительных трендов δQ устанавливается иначе, чем для отрицательных. По этой причине сдвинутая вправо функция арктангенса умножается на масштабирующий коэффициент M_max, который больше, чем масштабирующий коэффициент M_min, на который умножается сдвинутая влево функция арктангенса. M_max здесь выбирается большим, чтобы для положительных трендов δQ получить более высокую положительную обратную связь, так как на увеличивающуюся потребность в объемном расходе Q следовало бы реагировать быстрее, чтобы избежать недостаточного снабжения.
Чтобы функция положительной обратной связи проходила через нуль, к сумме обеих функций арктангенса добавляется отрицательный сдвиг Е, который согласно своей величине, соответствует сумме обеих функций арктангенса для тренда δQ=0.
Вычисление значения М положительной обратной связи может осуществляться численно на основе одной из функций М(δQ) положительной обратной связи в блоке 7, 7' вычислений на основе предварительно определенного тренда δQ. Альтернативно, асимметричная функция может сохраняться посредством подстановки в позиции так называемой таблицы перекодировки в блоке 7, 7' вычислений, причем в случае промежуточных значений для тренда δQ между этими опорными позициями может выполняться интерполяция.
К
K,ref
Фиг. 4а показывает H/Q-диаграмму 1 с предварительно установленной опорной характеристической кривой К, у которой заданное значение Н характеристической кривой лежит там, где характеристическая кривая К пересекает кривую максимального числа оборотов. В этой точке пересечения имеет место максимальный объемный расход Q_max, который может быть достигнут при регулировании вдоль этой опорной характеристической кривой К. Крутизна характеристической кривой определяется тем, что ее точка пересечения лежит при половинном значении 0,5·H.
K,max
K,min
K
K,max
K,min
Вокруг опорной характеристической кривой К образован рабочий диапазон 3 в форме полосы, внутри которой осуществляется положительная обратная связь тренда δQ объемного расхода. Стрелка 5 описывает при этом траекторию, вдоль которой рабочая точка регулируемого насоса могла бы, например, перемещаться, когда выполняется соответствующий изобретению способ. Рабочий диапазон 3 ограничивается верхней предельной характеристической кривой, с которой ассоциировано максимальное заданное значение H характеристической кривой. Соответственно, рабочий диапазон 3 ограничивается нижней предельной характеристической кривой, с которой ассоциировано минимальное заданное значение H характеристической кривой. В рамках соответствующего изобретению регулирования задается заданное значение H характеристической кривой между этими предельными заданными значениями H, H, и, исходя из первоначальной опорной характеристической кривой К, заданная последней посредством регулирования характеристическая кривая сдвигается.
Кроме того, на H/Q-диаграмме 1 на фиг. 4а представлена расчетная точка для нагревательной установки, которая хотя и лежит в рабочем диапазоне, однако не на предварительно установленной опорной характеристической кривой К, так как эта опорная характеристическая кривая К на типовом насосном агрегате 11 может устанавливаться вручную только дискретно, и поэтому расчетная точка со своим расчетным объемным расходом Q_A и своим расчетным напором Н_А, как правило, лежит рядом с выбранной характеристической кривой К. По этой причине оптимальная рабочая точка на обычной, жестко устанавливаемой характеристической кривой К никогда не достигается.
K,ref
K,min
Фиг. 4b показывает H/Q-диаграмму 1 с альтернативным рабочим диапазоном 3, который в направлении вверх ограничен опорной характеристической кривой К, то есть лежит исключительно ниже этой характеристической кривой К и к тому же в направлении возрастающих объемных расходов Q ограничен опорным значением Q_ref объемного расхода. Соответствующая изобретению положительная обратная связь тренда δQ в этом примере выполнения предпринимается только тогда, когда рабочая точка насосного агрегата 11 лежит ниже опорного значения Q_ref объемного расхода и на или ниже опорной характеристической кривой К, то есть в рабочем диапазоне 3. Рабочий диапазон 3 к тому же ограничен в направлении вниз примерной прямой, которая при нулевом объемном расходе имеет напор в одну шестую H. Альтернативно, любая функция H=f(Q) может ограничивать рабочий диапазон 3 в направлении вниз.
Представленные на фиг. 4а и 4b рабочие диапазоны 3 ограничены простыми функциями в форме прямой. В общем случае возможны и целесообразны существенно более сложно описываемые пределы рабочего диапазона 3. Из математического моделирования, например, известно, какие рабочие точки насоса требуются, чтобы покрыть потребность в нагреве здания. Рациональный рабочий диапазон 3 для соответствующего изобретению способа получается в этом примере посредством взаимосвязанной, обрамленной области на фиг. 4d, в которой подавляющее большинство рабочих точек получено из численного моделирования. Эти рабочие точки достаточны для покрытия потребностей в тепле смоделированного дома. Заштрихованный диапазон внутри обрамленной области 3 обозначает рабочие точки для ночных условий. Вне этого заштрихованного диапазона, но внутри обрамленной области 2 расположены рабочие точки для дневных условий.