Identifikation und Steuerung des hydraulischen Betriebspunktes von Nassläufer-Umwälzpumpenaggregaten mittels Drehzahlvariation
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Date
2020
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Abstract
Der Energiebedarf von Pumpensystem entspricht etwa 8% bis 9% des weltweiten elektrischen Energieverbrauchs. Folglich hat die Energieeffizienz von Pumpensystemen
einen signifikanten Einfluss auf den weltweiten Energiebedarf.
Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Betrachtung von Pumpenaggregaten, welche in
Wärme- und Kältesystemen eingesetzt werden. In diesem Anwendungsbereich kann
der Energieverbrauch durch den Einsatz energieeffizienter Regelungskonzepte im Vergleich
zum konventionellen Betrieb des Pumpenaggregates bei konstanter Drehzahl
signifikant reduziert werden.
Zum Einsatz energieeffizienter Regelungskonzepte ist die Kenntnis des hydraulischen
Betriebspunktes des Pumpenaggregates, welches die Kombination aus Antrieb und
Pumpe darstellt, notwendig. Üblicherweise ist die entsprechende Sensorik zur Erfassung
der hydraulischen Größen aus Kostengründen nicht vorhanden, weshalb alternative
Ansätze entwickelt wurden, um den hydraulischen Betriebspunkt indirekt
beispielsweise anhand der Leistungsaufnahme des Pumpenaggregates zu ermitteln.
Diese konventionellen Verfahren besitzen jedoch Einschränkungen, wie die Limitierung
des Einsatzes auf einen begrenzten Betriebsbereich des Pumpenaggregates. Um
auch bei nicht Vorhandensein der Sensorik zur Erfassung der hydraulischen Größen
einen energieeffizienten Betrieb zu ermöglichen, wird in dieser Arbeit ein neues
modellbasiertes Verfahren zur Volumenstrombestimmung vorgestellt, welches einen
Einsatz über den gesamten Betriebsbereich des Pumpenaggregates ermöglicht.
Der Ansatz dieses Verfahrens beruht auf der Überlagerung der Drehzahl des Pumpenaggregates mit einer sinusförmigen Drehzahlvariation und der Extraktion der resultierenden Leistungsschwankung bei der Anregungsfrequenz. Auf Grundlage der extrahierten Leistungskomponenten erfolgt basierend auf in dieser Arbeit entwickelten und
anhand von Messungen validierten Modellen der von der Pumpe generierten Förderhöhe
und der Eingangsleistung des Antriebs des Pumpenaggregates eine Bestimmung
des hydraulischen Betriebspunktes, welcher durch den geförderten Volumenstrom
und die generierte Förderhöhe beziehungsweise den Differenzdruck definiert wird.
Die Ansätze zur energieeffizienten Regelung von Pumpenaggregaten basieren auf
der Regelung der generierten Förderhöhe beziehungsweise dem Differenzdruck statt
dem Betrieb bei konstanter Drehzahl. Da die Identifikation des hydraulischen Betriebspunktes des Pumpenaggregates in dieser Arbeit auf Grundlage der entwickelten
Modelle erfolgt, stehen dem Pumpenaggregat während des Betriebs keine Messwerte
zur Regelung der Förderhöhe durch Sensorik zur Erfassung der hydraulischen Größen
zur Verfügung. Daher wird neben dem Ansatz zur Identifikation des hydraulischen
Betriebspunktes des Pumpenaggregates ebenfalls ein Ansatz zur Steuerung der generierten
Förderhöhe basierend auf den entwickelten Modellen vorgestellt, um einen
energieeffizienten Betrieb des Pumpenaggregates zu ermöglichen.
Description
Table of contents
Keywords
Pumpenaggregate, Energieeffizienz, Identifikation, Modellbildung