СПОСОБ ДЛЯ ОПТИМИЗИРОВАННОЙ ПО МОЩНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ НАСОСА, ПРИВОДИМОГО В ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ, ПРИ МАЛЫХ ОБЪЕМНЫХ РАСХОДАХ
METHOD FOR OPTIMIZED OUTPUT OPERATION OF THE MOTOR-DRIVEN PUMP AT LOW VOLUME FLOW RATE

Изобретение относится к способу для оптимизированной по мощности эксплуатации насоса, приводимого в действие электродвигателем, в гидравлической системе при очень малых объемных расходах, причем заданный напор насоса регулируется в зависимости от объемного расхода в соответствии с характеристической кривой. Изобретение также относится к насосу, приводимому в действие электродвигателем, c управляющей и регулирующей электроникой, которая выполнена с возможностью осуществления способа, соответствующего изобретению. Кроме того, изобретение относится к компьютерному программному продукту с инструкциями для выполнения способа согласно изобретению, когда он выполняется в управляющей и регулирующей электронике насоса.
Регулирование насосов согласно заданной характеристической кривой является известным. При этом применяются так называемые Δр-с характеристики, при которых заданный напор насоса для объемного расхода поддерживается постоянным. Кроме того, известны так называемые Δр-v характеристики, при которых регулирование насоса осуществляется согласно линейной зависимости заданного напора от объемного расхода. Δр-v характеристики адаптируют гидравлическую мощность насоса в зависимости от потребности гидравлической системы в объемном напоре.
Недостатком подобного регулирования по характеристической кривой является то, заданный напор насоса при закрытых клапанах в системе, то есть при объемном расходе, равном нулю, не согласуется с фактической гидравлической потребностью установки. Регулировочная характеристика, напротив, определена в основном для объемных расходов больше нуля и применима только в этих случаях. Если, кроме того, рассмотреть регулировочную характеристику на H/Q-диаграмме, то при геометрическом продолжении регулировочной характеристики относительно Н-оси диаграммы образуется точка пересечения с этой осью, которая приводит в результате при объемном расходе, равном нулю, к сравнительно высокому заданному напору для насоса. Как следствие, насос осуществляет подачу против закрытых клапанов в установке, из-за чего происходит излишнее потребление мощности.
Поэтому задачей настоящего изобретения является предложить способ эксплуатации насоса, приводимого в действие электродвигателем, в гидравлической системе, чтобы при очень малых объемных расходах насоса обеспечивался оптимизированный по мощности, эффективный по энергии режим эксплуатации насоса.
Эта задача решается способом с признаками пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.
В соответствии с изобретением для оптимизированного по мощности насоса, приводимого в действие электродвигателем, в гидравлической системе при очень малых объемных расходах, причем заданный напор регулируется в зависимости от объемного расхода согласно предварительно установленной характеристической кривой, предложено снижать заданный напор по отношению к предварительно установленной характеристической кривой, если объемный расход опускается ниже опорного значения, которое составляет максимально десятую часть максимального объемного расхода на характеристической кривой, предпочтительно двадцатую часть этого максимального значения, причем снижение осуществляется до тех пор, пока объемный расход лежит ниже опорного значения объемного расхода, и минимальное значение напора еще не достигнуто.
Идея, лежащая в основе способа согласно изобретению, заключается в том, чтобы осуществлять сокращение заданного напора насоса при очень малых объемных расходах, то есть при этих малых объемных расходах осуществлять регулирование не по первоначально заданной характеристической кривой, а вместо этого производительность насоса целенаправленно снижать регулируемым образом, причем основополагающее регулирование согласно характеристической кривой далее снова может стать активным. Снижение заданного напора насоса может осуществляться посредством сокращения заданного значения напора, непосредственно задаваемого насосу. Это может, например, осуществляться посредством сокращения числа оборотов насоса или электрической мощности привода. Двигателю насоса в этом случае непосредственно задается определенный заданный напор от средства управления насосом. В качестве альтернативы, снижение заданного напора насоса может осуществляться путем уменьшения характеристического заданного напора, определяющего характеристическую кривую. Характеристический заданный напор задает положение характеристической кривой в семействе характеристических кривых насоса. Например, характеристический заданный напор может задаваться точкой пересечения характеристической кривой с кривой, описывающей максимальное число оборотов. Это означает, что в соответствии с изобретением снижение заданного напора насоса может также достигаться за счет того, что положение предварительно установленной характеристической кривой при опускании ниже опорного значения объемного расхода сдвигается вниз. Двигателю насоса в этом случае опосредованно задается определенный заданный напор от средства управления насосом, причем заданное значение напора для насоса непосредственно выводится из основополагающего регулирования по характеристической кривой.
При этом, в соответствии с основным аспектом изобретения, снижение мощности насоса необходимо осуществлять тогда, когда объемный расход равен нулю, так как в этом случае собственно не требуется производительность насоса. Однако если насос полностью отключается, то систему более невозможно контролировать и более невозможно реагировать на изменяющуюся потребность в объемном расходе. Кроме того, ввиду неточностей измерения при определении объемного расхода, а также ввиду непредусмотренных утечек в клапанах гидравлической системы, целесообразно учитывать не только случай режима эксплуатации при объемном расходе, равном нулю, а напротив, определить область снижения, в пределах которой выполняется соответствующий изобретению способ.
ref
Эта область снижения ограничена верхним опорным значением объемного расхода, который составляет максимально десятую часть от максимального объемного расхода, который достижим согласно предварительно установленной характеристической кривой. Предпочтительным образом может применяться и меньшее опорное значение объемного расхода, например опорное значение, которое составляет двадцатую часть от максимального объемного расхода, определяемого посредством характеристической кривой. Путем установления опорного значения объемного расхода напор снижается не исключительно при Q=0 л/час, а в определенной области объемного расхода 0<Q<=Q. Эта область далее упоминается как область снижения. Предпочтительным образом опорное значение находится между 10 л/час и 250 л/час. Так как типовой расчетный массовый расход отопительного элемента находится в пределах от 30 до 50 л/час, то при нижнем предельном значении опорного значения, составляющем примерно 10 л/час, обеспечивается достаточный режим эксплуатации отдельного нагревательного контура в малых системах. В больших системах целесообразным является более высокое предельное значение для опорного значения, так как одновременная эксплуатация нескольких потребителей приводит к повышенному минимальному режиму эксплуатации, составляющему примерно 250 л/час, то есть к повышенному минимальному объемному расходу, обеспечивающему минимальное снабжение одновременно находящихся в эксплуатации потребителей.
Если требуемый гидравлической системой объемный расход снижается до значения ниже опорного значения, то в соответствии с изобретением снижается заданный напор насоса. Это происходит до тех пор, пока объемный расход лежит ниже опорного значения, и минимальное значение напора еще не достигнуто. В области снижения может снижаться либо заданное значение основополагающего регулирования в соответствии с характеристической кривой, либо может непосредственно снижаться число оборотов насоса. В последнем случае насос эксплуатируют полностью управляемым образом.
Минимальное значение напора определяется согласно разности давлений, которая требуется на клапанах гидравлической системы, чтобы вообще в системе протекал объемный расход. При этом следует учитывать, что в гидравлической системе могут применяться обратные клапаны, в частности клапаны обратного течения, которые требуют определенного давления открытия, чтобы протекала среда. Только когда это давление открытия превышено, обратный клапан допускает соответствующий объемный расход. Поэтому предпочтительно ориентировать минимальное значение напора на то, насколько высоким должен быть по меньшей мере напор насоса, чтобы достичь давления открытия клапанов в гидравлической системе. Например, минимальное значение напора в зависимости от конструкции установки, в частности применяемого в зависимости от клапана обратного течения, находится в пределах от 60 см до 200 см.
Определение подобного минимального значения напора является необходимым, чтобы объемный расход в гидравлической системе оставался контролируемым. Так как, если напор насоса лежит ниже этого минимального значения, давление открытия клапана в системе не достигается, и, ввиду гидравлического сопротивления, в соответствии с принципом действия объемный расход не протекает, так что при подобном режиме эксплуатации насоса невозможно установить, открыт ли регулирующий клапан системы и когда он открывается. Если система образована, например, установкой отопления, то за счет открытия клапана, например термостатного клапана, не вызывалось бы никакого изменения управления насосом, потому что это открытие клапана оставалось бы нераспознанным. То же самое происходит, если система является системой микроклимата для охлаждения.
Если заданный напор остается выше минимального значения напора, то обеспечивается, что открытие по меньшей мере одного клапана в системе может вызвать то, что объемный расход соответственно возрастает и вновь превышает опорное значение объемного расхода. В соответствии с изобретением затем заданный напор может снова увеличиваться и переходить на регулирование согласно характеристической кривой, если объемный расход возрастает или превышает опорное значение объемного расхода. Вне области снижения заданный напор насоса, следовательно, вновь повышается, в частности, непрерывно, пока не будет достигнута первоначальная регулировочная характеристическая кривая.
Характеристическая кривая, по которой регулируется насос, может быть чисто Δр-с характеристикой, чисто Δр-v характеристикой или такой Δр-с или Δр-v характеристикой, которая изменяется во времени, например, в зависимости от температуры. То есть характеристика может описывать линейную, квадратичную или постоянную взаимосвязь между объемным расходом и напором и/или быть изменяемой во времени.
Снижение заданного напора может осуществляться в непрерывном режиме эксплуатации с постоянной скоростью снижения. Также после снижения может осуществляться повышение заданного напора в непрерывном режиме эксплуатации с постоянной скоростью повышения. Предпочтительным образом, скорость снижения и скорость повышения могут быть выбраны для заданного значения напора разными. При этом, в частности, является предпочтительным устанавливать скорость снижения меньшей, чем скорость повышения. Тогда при возрастающей потребности в объемном расходе последняя может быть максимально быстро удовлетворена.
Если объемный расход остается ниже опорного значения, то заданный напор снижается все больше. Это осуществляется предпочтительно не путем переключения, а непрерывно, так что в гидравлической системе не могут возникнуть нелинейные эффекты, в частности срыв подачи.
Предпочтительным образом снижение осуществляется с постоянной скоростью снижения. Это означает, что заданный напор понижается тем больше, чем дольше рабочая точка системы находится в области снижения семейства характеристических кривых. Показано, что рабочая точка перемещается на H/Q-диаграмме вниз по соответствующей текущей параболе для трубопроводной сети, до тех пор пока спустя определенное время не будет достигнут минимальный напор.
В предпочтительном усовершенствованном варианте осуществления способа согласно изобретению насос после достижения минимального значения напора управляется тактируемым образом. При этом попеременно выполняется переключение между первым значением напора и вторым значением напора, которое лежит ниже первого значения напора. Посредством переключения между первым и вторым значениями напора в среднем значение напора устанавливается ниже первого значения напора.
Переключение между обоими значениями напора осуществляется предпочтительно с равномерным тактом. При этом насос в течение первого интервала времени работает с первым значением напора в качестве заданного значения. А в течение второго временного интервала насос урегулируется, напротив, по второму значению напора.
Второе значение напора предпочтительно может соответствовать напору, равному нулю. Это означает, что насос в течение второго временного интервала выключается. В этом случае, исходя из первого значения напора, осуществляется периодическое выключение (на нулевые такты) или циклическое включение насоса, за счет чего достигается прерывистый, но оптимизированный по отношению к энергопотреблению режим эксплуатации. Альтернативно этому второе значение напора может составлять любое значение напора между минимальным значением напора и нулевым значением.
Циклическое выключение насоса имеет преимущество, состоящее в том, что может достигаться максимальная экономия энергии в насосе. В противоположность этому, второе значение напора на уровне выше нулевого напора имеет преимущество, состоящее в том, что обеспечивается, что во всей трубопроводной сети имеется достаточное давление, чтобы обеспечивать объемный расход. Тем самым система остается и во время минимальных значений напора полностью контролируемой. Тогда при тактировании между первым и вторым значениями напора выше нулевого значения напора может предотвращаться то, что массовый расход в частях системы вследствие очень низких давлений и возможных нелинейных эффектов, таких как термическая нестабильность или закрытие заслонки клапанов в случае обратных клапанов, приводит к срыву подачи.
Альтернативно установленному второму значению напора также второе значение напора может быть переменным. Поэтому в соответствии с изобретением напор насоса после достижения минимального значения напора предпочтительно может в среднем далее снижаться за счет того, что насос тактируется между минимальным значением напора в качестве первого значения напора и вторым значением напора, причем второе значение напора постепенно снижается.
Особенно предпочтительным является применять в качестве первого значения напора минимальное значение напора, так как выключение насоса от этого минимального значения напора или переключение с этого минимального значения напора на второе значение напора вызывает минимальное шумообразование. В противном случае шумы, возникающие при включении и выключении или при переключении, воспринимались бы и приводили к соответствующим рекламациям конечного потребителя.
В течение второго интервала времени, то есть когда насос либо эксплуатируется с вторым значением напора или выключен, гидравлическая система не является надежно контролируемой. Это означает, что релевантная для системы информация об объемном расходе не может быть получена. Повторное включение насоса на минимальное значение напора или переключение насоса на это значение обеспечивает, что система вновь становится контролируемой, и может быть установлена повышенная потребность в объемном расходе. Поэтому является предпочтительным, по меньшей мере в течение временного интервала, в котором насос эксплуатируют с первым значением напора, проверять, превышает ли или превысил объемный расход опорное значение объемного расхода.
Если при проверке объемного расхода устанавливается, что он превышает или превысил опорное значение объемного расхода, то заданный напор вновь повышается, и переходят к регулированию в соответствии с характеристической кривой. Предпочтительно, при этом выполняется непрерывный, то есть плавный переход к регулировочной характеристике, чтобы плавно согласовать мощность с фактической потребностью установки.
Предпочтительным образом переключение между первым значением напора и вторым значением напора происходит с равномерным тактом, причем насос во временном интервале от 10 до 120 секунд эксплуатируется со вторым значением напора или выключается.
За счет активирования снижения напора, по сравнению с продолжительным выключением насоса, в гидравлической системе всегда подается небольшое количество жидкости, в частности горячей воды. За счет этого при восстановлении регулярного режима эксплуатации имеет место состояние, из которого возможен непрерывный переход в режим нормальной эксплуатации в соответствии с характеристической кривой.
За счет снижения заданного напора насоса и циклического переключения на самое низкое значение напора, в частности за счет периодического отключения насоса, система, с одной стороны, остается контролируемой и находится в состоянии, в котором исполнительные элементы гидравлической системы могут самостоятельно реагировать, например, на температуру воды, повышаемую при подготовке питьевой воды. Избыточная мощность, введенная в систему из-за повышенной температуры воды, своевременно компенсируется снижением до минимального значения напора.
Кроме того, предложен насос, приводимый в действие электродвигателем, с управляющей и регулирующей электроникой, который выполнен с возможностью осуществления соответствующего изобретению способа. А также предложен компьютерный программный продукт с инструкциями для осуществления соответствующего изобретению способа, когда он выполняется в управляющей и регулирующей электронике насоса.
Другие преимущества, признаки и свойства соответствующего изобретению способа поясняются ниже со ссылками на приложенные чертежи, на которых показано:
фиг. 1 - H/Q-диаграмма с Δр-v характеристикой и маркированной областью снижения при уменьшении заданного напора,
фиг. 2 - H/Q-диаграмма для перехода из области снижения к Δр-v характеристике,
Фиг. 3 - представление перехода от непрерывного к тактируемому режиму эксплуатации насоса с увеличивающимся снижением второго значения напора.
На фиг. 1 показана H/Q-диаграмма 1 для гидравлической системы, в данном случае установки отопления с насосом, приводимым в действие электродвигателем. Ссылочной позицией 2 обозначены рабочие точки, лежащие на характеристической кривой, при максимальном числе оборотов насоса. Насос в нормальном режиме эксплуатации регулируется по Δр-v характеристике К, согласно которой заданный напор Н устанавливается в линейной зависимости от потребности системы в объемном расходе Q. При максимальном числе оборотов насоса на характеристической кривой К достигается максимальный объемный расход Q_max. Соответствующий заданный напор Н обозначен как H_soll и соответствует характеристическому заданному напору.
Если рабочая точка установки отопления перемещается согласно характеристической кривой К в направлении меньших объемных расходов Q, и объемный расход Q достигает опорного значения Q_ref, которое составляет примерно 5% максимального объемного расхода Q_max, например, 150 л/час, то заданный напор Н насоса по отношению к характеристической кривой снижается. Рабочая точка перемещается тогда в заштрихованную на фиг. 1 область 3 снижения. Снижение продолжается так долго, пока объемный расход Q находится ниже опорного значения Q_ref объемного расхода, и минимальное значение H_min напора еще не достигнуто.
Минимальное значение H_min напора рассчитано таким образом, что при его применении как раз преодолевается давление открывания имеющихся в гидравлической системе клапанов и обратных клапанов, то есть при открытых термостатических клапанах возможен объемный расход. Например, минимальный напор H_min составляет в типовом случае примерно 70 см в случае насосов для одно- или двухквартирного дома и примерно 1 м в случае насосов для больших зданий.
После опускания ниже опорного значения Q_ref объемного расхода рабочая точка системы отопления перемещается за счет снижения заданного напора Н вдоль не изображенной параболы для трубопроводной сети дальше в направлении меньших объемных расходов Q до достижения минимального значения H_min напора. Снижение осуществляется непрерывно с постоянной скоростью снижения, так что заданный напор Н тем больше снижается, чем дольше рабочая точка находится в области 3 снижения.
То, что в непрерывном режиме снижение происходит не ниже минимального напора H_min, имеет преимущество, состоящее в том, что система отопления остается контролируемой, потому что всегда возможен по меньшей мере минимальный объемный расход Q при не полностью закрытых клапанах. Скорость снижения может, например, составлять 10 об/мин.
Если заданный напор Н понижается настолько, что достигается минимальное значение H_min напора, то в соответствии с изобретением переходят к тактируемому управлению циркуляционным насосом системы отопления, то есть к прерывистому режиму эксплуатации, причем попеременно выполняют переключение между минимальным значением H_min напора и лежащим ниже него вторым значением напора.
В зависимости от тактового режима, то есть временного интервала, в течение которого применяется минимальное значение H_min напора, с одной стороны, и второе значение напора, с другой стороны, может в среднем устанавливаться любое значение Н напора между минимальным значением H_min напора и меньшим вторым значением напора. При сравнительно инерционных системах отопления, как, например, системах обогреваемых полов, выключение насоса может осуществляться также и во втором временном интервале. При этом система отопления как при переключении между минимальным значением H_min напора и лежащим ниже него значением напора, так и при периодическом отключении насоса остается контролируемой, если по меньшей мере в течение временного интервала, в котором насос эксплуатируется с минимальным значением H_min напора, проверяется, превышает ли или превысил ли объемный расход Q опорное значение Q_ref объемного расхода.
Как показано на фиг. 2, в этом случае заданный напор Н непрерывно повышается, причем выполняется переход к регулированию в соответствии с характеристической кривой К. При этом скорость повышения выбрана выше, чем скорость снижения, чтобы мощность насоса плавно согласовывалась с требуемым объемным расходом Q.
На Фиг. 3 показан временной переход от непрерывного к тактируемому режиму эксплуатации насоса с увеличивающимся снижением второго значения напора. Достижение опорного значения Q_ref объемного расхода принимается в момент времени t=0. Напор Н насоса затем непрерывно снижается до минимального значения Н_min напора. Если минимальное значение H_min напора достигается к моменту времен t1, то переходят в прерывистый режим эксплуатации и выполняют тактирование между первым значением напора и вторым значением напора, то есть периодическое переключение. При этом периоды переключения выбраны идентичными.
Первое значение напора соответствует достигнутому перед этим минимальному значению H_min напора. Второе значение напора лежит ниже этого минимального значения напора и постепенно снижается, пока не будет достигнуто второе минимальное значение H_min2 напора. В примере согласно фиг. 3 при каждом новом такте второе значение напора снижается, пока не будет достигнуто второе минимальное значение напора. В качестве альтернативы, определенное второе значение напора может также поддерживаться на протяжении нескольких тактов. Вариант выполнения согласно фиг. 3 имеет преимущество, состоящее в том, что гидравлическая система остается постоянно контролируемой, независимо от того, имеются ли в системе клапаны обратного течения.