Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fehlererkennung, insbesondere zur Erken- nung einer Laufradverstopfung, in einer Kreiselpumpe mit einem Dreiphasen-An- triebsmotor mittels Auswertung wenigstens einer Oberschwingung des Motor- stroms.

Zirkulationspumpen werden in Trinkwasser, Kühl- und Heizungssystemen einge- setzt. In den letzten Jahrzehnten gab es große Anstrengungen, die Effizienz von Um- wälzpumpen zu steigern. Dabei konzentrierte sich die Entwicklung im Wesentlichen auf Verbesserungen des Motor- und Laufraddesigns sowie der Regelalgorithmen. Implementierungen von Zustandsüberwachungsmethoden in Umwälzpumpen sind bisher Mangelware. In Untersuchungen wurde bereits jedoch aufgezeigt, dass etwa- ige Materialbeeinträchtigungen oder Schäden der Pumpe nicht zwingend zu einem Pumpenausfall führen, sondern zunächst nur einen Betrieb mit reduziertem Wir- kungsgrad des Motors oder der Pumpe bedingen können. Es gilt daher, solche Wir- kungsgradverschlechterungen möglichst frühzeitig durch eine Fehlererkennungsme- thode feststellen zu können. llm zusätzliche Kosten bei der Pumpenfertigung zu vermeiden, sollte die ange- wandte Fehlererkennungsmethode möglichst auf der bereits bestehenden Hardware der Pumpe ausführbar sein. Umwälzpumpen nach dem Stand der Technik sind als integrierte Produkte mit eingebauter Mikroprozessoreinheit zur Ausführung eines Re- gelungsalgorithmus, drehzahlvariablem Antrieb (Frequenzumrichter) sowie Perma- nentmagnet-Synchronmotoren (PSM) und Laufrad ausgeführt. Gesonderte Stromsensoren erfassen Stromwerte als Eingangsgrößen für die sensorlose Rege- lung des Motors. In dieser Hardwarekonfiguration mit Stromsensoren und einer Mik- roprozessoreinheit bieten Umwälzpumpen eine Plattform für die Implementierung von strombasierten Fehlererkennungsmethoden.

Für die strombasierte Fehlererkennung von Motoren werden im Stand der Technik verschiedene Methoden vorgeschlagen. Die meist verbreitete Methode dürfte die Motorstromsignaturanalyse (MCSA) sein, die mittels Spektralanalyse einer Phase des Motorstroms im eingeschwungenen Zustand eine Fehlerdetektion vornimmt. Für die Auswertung des Spektrums eines Stromsignals ist eine vorausgehende Trans- formation in den Frequenzbereich erforderlich, was per diskreter Fourier-Transfor- mation (DFT) möglich ist. Die Implementierung der DFT erfordert jedoch hohen Re- chenaufwand und eine große Speicherkapazität. Aus diesem Grund wird in der Pra- xis oftmals auf die Fast-Fourier-Transformation (FFT) zurückgegriffen. Allerdings ist auch die Implementierung der FFT auf einer Mikroprozessoreinheit mit gewissen Hürden verbunden. Als Nachteile der FFT sind die hohe erforderliche Frequenzauf- lösung, der Leckeffekt und der angenommene stationäre Betrieb während des Be- obachtungszeitraums zu nennen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein optimiertes Verfahren für die strombasierte Fehlererkennung aufzuzeigen, das sich problemlos auf einer Mik- roprozessoreinheit einer Pumpe implementieren lässt. Insbesondere soll mittels des gesuchten Verfahrens der Speicheraufwand und die Anzahl der auszuführenden Operationen minimiert werden. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des An- spruchs 1 . Vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängi- gen Ansprüche. Darüber hinaus wird das Verfahren durch eine Pumpe, insbesondere Kreiselpumpe, mit einer Mikroprozessoreinheit zur Ausführung des Verfahrens ge- löst.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt auf der integralen Mikroprozesso- reinheit der Pumpe ausgeführt, insbesondere zur regulären Laufzeit der Pumpe. Die Ausführung auf einer externen Recheneinheit ist jedoch genauso vorstellbar und soll von der Erfindung mitumfasst sein. Die nachfolgenden Erläuterungen beziehen sich vornehmlich auf eine Ausführung und Implementierung des Verfahrens auf der integ- ralen Mikroprozessoreinheit einer Pumpe, insbesondere Kreiselpumpe.

Gemäß der Erfindung wird in einem ersten Verfahrensschritt mittels eines Fehlermo- dels die Frequenz wenigstens einer fehlerindizierenden Oberschwingung des Motor- stroms bestimmt. Das Fehlermodell kann in der Pumpe hinterlegt sein. Durch diesen Schritt werden demzufolge ein oder mehrere spezifische Frequenzen im Motorstrom ermittelt, durch deren Beobachtung im laufenden Pumpenbetrieb eine Fehlererken- nung möglich ist. Insbesondere das Auftreten der Oberschwingung oder deren wahr- nehmbare Änderung kann für einen spezifischen Fehlerfall charakteristisch sein. Von Bedeutung können bspw. Frequenzen in den Seitenbändern des Stromspektrums sein. Mögliche Fehlerfälle, die sich aus den Eigenschaften wenigstens einer Ober- schwingung des Stroms ableiten lassen, sind mechanische Fehlerfälle, wie ein La- gerverschleiß der Pumpe oder des Motors sowie etwaige Laufradfehler. Dazu gehört ebenfalls ein Verstopfen des Laufrades durch anhaftende Festkörper des Förderme- diums. Auch ist die Erkennung gewisser Betriebssituationen, wie ein Trockenlauf der Pumpe, möglich.

In einem weiteren Verfahrensschritt soll die Amplitude der Oberschwingung des Mo- torstroms für die zuvor bestimmte wenigstens eine Fehlerfrequenz ermittelt werden. Hierfür wird die Transformation des mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen Mo- torstroms in ein zweiachsiges d-q-Stromkoordinatensystem vorgeschlagen. Das re- sultierende Stromkoordinatensystem rotiert mit der Fehlerfrequenz der fehlerindizie- renden Oberschwingung bzw. der entsprechenden Winkelgeschwindigkeit. Der sich dadurch ergebene Stromvektor im d-q-Koordinatensystem setzt sich demzufolge aus einem rotierenden Stromvektor sowie einem stationären Stromvektor zusammen. Letzterer entspricht dem auf die Oberschwingung entfallenden Anteil des Motor- stroms, der in der gewählten Darstellung zeitlich konstant ist und somit einen Gleich- anteil der Ströme id und i _q bildet. In der Koordinatendarstellung kann durch die Be- rechnung der geometrischen Summe dieser Gleichanteile die Amplitude der fehler- indizierenden Oberschwingung ermittelt werden. Die vorgeschlagene Vorgehens- weise benötigt deutlich weniger Operationen und Ressourcen als bspw. die Ausfüh- rung einer FFT oder DFT und lässt sich dadurch aufgrund der vergleichsweise ge- ringen Ressourcenanforderungen problemlos auf einer internen Mikroprozessorein- heit einer Pumpe implementieren. So lässt sich die Lösung vollständig softwareba- siert auf einer bestehenden Mikroprozessoreinheit zur Regelung einer Kreiselpumpe implementieren. Ohnehin bestehende Sensoren für die Strommessung der Motor- ströme können verwendet werden, eine zusätzliche Hardwareerweiterung ist nicht erforderlich.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird die wenigstens eine Fehlerfrequenz in Abhängigkeit der Statorfrequenz des Antriebsmotors und/oder der Anzahl der Pol- paare des Stators berechnet. Besonders bevorzugt wird die Fehlerfrequenz durch Auflösen der folgenden Formel erhalten, wobei p die Anzahl an Polpaaren des Stators darstellt, s der Schlupf des verwendeten Antriebsmotors und f _s die Statorfrequenz ist. Prinzipiell ist der Schlupf s nur bei Asynchronmotoren von Bedeutung, Für Synchronmotoren ist der Schlupf hingegen s = 0. Wie bereits vorstehend erläutert wurde, stellen die Gleichanteile der Ströme i _d und i _q , die mittels Transformation bestimmt werden, die notwendige Information für die Er- mittlung der Oberschwingungsamplitude zur Verfügung. Eine einfache Vorgehens- weise zur Bestimmung dieser Gleichstromanteile ist die Anwendung eines Tiefpass- filters, wodurch der zeitvariable Wechselanteil der entsprechenden Ströme i _d , i _q her- ausgefiltert wird. Idealerweise wird ein Tiefpassfilter erster Ordnung verwendet. Be- sonders bevorzugt kommt ein Butterworth-Filter erster Ordnung zur Anwendung des- sen Transferfunktion gemäß definiert sein kann, wobei T vorzugsweise der Abtastrate der Prozessoreinheit ent- spricht. Die Grenzfrequenz <o _c muss relativ klein gewählt werden, um die Schwingung so weit wie möglich zu entfernen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird zur Transformation der Motorströme in das d-q-Stromkoordinatensystem die Parktransformation ange- wendet, insbesondere gemäß der Formel wobei eine Raumzeigerdarstellung des dreiphasigen Motorstroms in einem Statorkoordinatensystem und a) _F die der fehlerindizierenden Schwingungsfrequenz entsprechende Winkelgeschwindigkeit gemäß ist. Erforderliche trigo- nometrische Funktionen für die Anwendung der Park-Transformation können inner- halb der Mikroprozessoreinheit durch Look-Up-Tabellen mit einer definierten Anzahl an Wertepaaren realisiert sein, um den Speicherbedarf der Mikroprozessoreinheit zu minimieren. Denkbar ist die Verwendung von 300 bis 400 Wertepaaren, insbeson- dere 360 Wertepaaren. Die vorgenannte Parktransformation wird oftmals auch bei einer feldorientierten (FOC) Drehzahlregelung eines Elektromotors angewendet, wobei dort die Ermittlung des iq-Stromkoordinatensystems nicht in Abhängigkeit einer spezifischen Frequenz einer Oberschwingung erfolgt, sondern stattdessen in Abhängigkeit der aktuellen Ro- tordrehzahl, sodass sich ein im Hinblick auf den Rotor stationäres Koordinatensys- tem ergibt. Ist dies der Fall, kann das erfindungsgemäße Verfahren bereits auf einen bestehenden Regelbaustein der Pumpe für die FOC zurückgreifen.

Da die Parktransformation eine Raumzeigerdarstellung des dreiphasigen Motor- stroms voraussetzt, muss der dreiphasige Motorstrom zunächst in eine zweidimen- sionale Raumzeigerdarstellung überführt werden. Dies kann per Transformation in ein Stator-Koordinatensystem mittels Clarke-Transformation geschehen. Auch hier kann theoretisch ein bereits bestehender Regelungsbaustein der Pumpenregelung wiederverwendet werden oder es wird stattdessen nur die Information über die Raumzeigerdarstellung aus dem Regelungsbaustein abgegriffen.

In der Praxis sind Kreiselpumpen, insbesondere Umwälzpumpen, oftmals druckge- regelt. Dies hat zur Folge, dass sich bei Lastvariation auch die Drehzahl der Pumpe während des Betriebs ändern kann. Gleiches gilt entsprechend für die Motorstrom- aufnahme. Um dies zu berücksichtigen, ist es vorteilhaft, wenn aus der berechneten Schwingungsamplitude ein lastunabhängiger Schadensfaktor abgeleitet wird, so- dass dieser betriebspunktunabhängig gegen einen Referenzwert vergleichbar ist. Denkbar ist es beispielsweise, dass die Berechnung eines lastunabhängigen Scha- densfaktors durch Bildung des Verhältnisses zwischen der Oberschwingungs- amplitude und der Amplitude der drehmomenterzeugenden Komponente des Motor- stroms, insbesondere der Amplitude des Motorstroms i _q , erfolgt. Der resultierende Schadensfaktor ist damit normiert und unabhängig von der aktuellen Stromaufnahme des Motors. ln einer vorteilhaften Erweiterung des Verfahrens kann nach der abgeschlossenen Berechnung der Oberschwingungsamplitude und/oder des Schadensfaktors ein Ab- gleich gegen einen Referenzwert oder einen Grenzwert erfolgen. Denkbar ist auch die Überprüfung, ob der berechnete Wert innerhalb eines zulässigen Werteintervalls liegt. Diese Prüfung kann die Pumpe kontinuierlich, periodisch oder zu ausgewählten Zeitpunkten während des laufenden Pumpenbetriebs ausführen. Wird eine Abwei- chung vom Referenzwert, eine Über- oder Unterschreitung des Grenzwertes oder ein Herausfallen aus dem zulässigen Intervall festgestellt, wird auf eine Anomalität bzw. einen Fehlerfall der Pumpe geschlossen. Das Verfahren kann die Ausgabe ei- ner Fehlermeldung oder gar den Eingriff in die reguläre Pumpensteuerung bzw. - regelung veranlassen, um etwaige Folgeschäden zu vermeiden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung kann zu dem vorge- sehen sein, dass eine externe, zentrale Auswertungseinheit vorgesehen ist, die mit zwei oder mehreren Kreiselpumpen mittelbar oder unmittelbar in Kommunikation steht. In diesem Fall ist es sinnvoll, wenn die von den jeweiligen Kreiselpumpen in- dividuell berechneten Werte für die Oberschwingungsamplitude und/oder den Scha- densfaktor an die zentrale Auswertungseinheit zum Zweck der Fehlererkennung und Fehlerüberwachung übermittelt werden. Damit überwachen die Kreiselpumpen die berechneten Werte nicht selbstständig, sondern übermitteln diese stattdessen an eine zentrale Auswertungseinheit. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass eine externe Auswertungseinheit eine Vielzahl von möglichen Schadensfaktorwerten bzw. Oberschwingungsamplitudenwerten sammeln und diese gegeneinander abglei- chen kann. Dadurch lassen sich Wertausreißer aus einer Vielzahl vergleichbarer Pumpentypen ermitteln. Die vergleichbaren Pumpentypen sind bspw. gleicher oder ähnlicher Bauart und zeichnen sich ebenfalls durch einen ähnlichen Anwendungsfall aus. Auch liegen die Betriebsparameter der vergleichbaren Pumpen innerhalb defi- nierter Wertebereiche. Betriebsparameter umfassen bspw. den Betriebspunkt, die Drehzahl, etwaige Temperaturwerte des Fördermediums, die Laufzeit bzw. das Alter der Pumpe. Entsprechend ist also vorgesehen, dass neben dem Abgleich der ge- sammelten Werte für die Oberschwingungsamplitude und/oder den Schadensfaktor auch Betriebsparameter und/oder Eigenschaften der bereitstellenden Kreiselpum- pen berücksichtigt werden.

Wie bereits vorstehend beschrieben wurde, ist die Auswertungseinheit als externe Entität ausgestaltet. Sinnvollerweise kann diese als cloudbasierte Lösung umgesetzt sein. Die Kommunikation mit den Kreiselpumpen kann über eine dedizierte Schnitt- stelle erfolgen. Denkbar ist jedoch ebenso, auf eine bestehende Kommunikationsinf- rastruktur und Technologie zurückzugreifen, beispielsweise durch Erweiterung einer Pumpe mit einem entsprechenden Gateway, das die Daten über bestehende Kom- munikationstechnologien an die Auswertungseinheit überträgt.

Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren bezieht sich die Anmeldung auch auf eine Pumpe, bevorzugt Kreiselpumpe und insbesondere eine Umwälzpumpe, deren Hydraulikeinheit durch einen dreiphasigen Antriebsmotor, insbesondere Permanent- magnet-Synchronmotor, angetrieben wird. Die Kreiselpumpe umfasst weiterhin eine Mikroprozessoreinheit, die konfiguriert ist, das Verfahren gemäß der Erfindung aus- zuführen. Ebenso kann die Kreiselpumpe ein etwaiges Kommunikationsmodul auf- weisen oder mit diesem in Verbindung stehen, um berechnete Oberschwingungs- amplitudenwerte und/oder Schadensfaktorwerte an eine externe Auswertungseinheit übertragen zu können. Die Mikroprozessoreinheit übernimmt vorzugsweise die regu- läre Drehzahlregelung der Pumpe, insbesondere auf Grundlage einerfeldorientierten Regelung.

Neben der erfindungsgemäßen Kreiselpumpe betrifft die Erfindung noch ein überge- ordnetes System bestehend aus zwei oder mehreren Kreiselpumpen sowie eine ex- terne Auswertungseinheit, die kommunikativ mit den wenigstens zwei Kreiselpumpen in Verbindung steht. Dabei führen die Kreiselpumpen das entsprechende Verfahren zur Berechnung der Oberschwingungsamplitude bzw. eines Schadensfaktors aus, wobei diese an die externe Auswertungseinheit übertragen werden. Letztere ver- gleicht die empfangenen Werte miteinander, um fehlerhafte Pumpen aus den über- mittelten Datensätzen ermitteln zu können. Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1 a, 1 b, 1 c: unterschiedliche Strom-Spektrumsdiagramme zur Visualisie- rung der fehlerindizierenden Oberschwingungsfrequenzen,

Figur 2: eine Gegenüberstellung des stationären Stator-Koordinatensystems so- wie des rotierenden d-q-Koordinatensystems,

Figur 3: eine Darstellung des mit der Fehlerfrequenz rotierenden d-q-Koordinaten- systems für die Fehleranalyse,

Figur 4: eine Blockdarstellung zur Verdeutlichung der einzelnen Verfahrens- schritte zur Fehlerüberwachung und

Figur 5: ein Systemschaubild des erfindungsgemäßen Systems.

Die Erfindung beschäftigt sich mit einem hinsichtlich des Speicheraufwands und der Anzahl der auszuführenden Operationsschritte optimierten Verfahren zur stromba- sierten Fehlerüberwachung einer Kreiselpumpe, insbesondere einer Umwälzpumpe. Dem Erfindungsgedanken liegt zunächst die Annahme zu Grunde, dass mechani- sche Fehler der Pumpe oder des Antriebsmotors gewisse Frequenzen des Strom- spektrums beeinflussen.

Die Figuren 1 a, 1 b und 1c zeigen exemplarisch das jeweilige Stromspektrum der gleichen Motorphase bei den Drehzahlen 1600 U/min, 2200 U/min und 2800 U/min einer Heizungsumwälzpumpe mit einem Laufrad mit sieben Kanälen. In der jeweili- gen Diagrammdarstellung ist das Stromspektrum sowohl für den fehlerfreien Fall (Kurve mit durchgezogener Linie) als auch für den Fehlerfall (Kurve mit gestrichelter

BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP Linie) enthalten, wobei letzterer durch eine künstlich herbeigeführte Verstopfung ei- nes Kanals des Laufrades herbeigeführt wurde. Die jeweiligen Spektren sind in dB dargestellt, wobei die Grundschwingung der dargestellten Motorphase auf 0 dB nor- miert ist. Die Amplituden der Seitenbänder , im Folgenden als oberes Sei- tenband bezeichnet, und , im Folgenden als unteres Seitenband bezeichnet, sind in den Figuren gekennzeichnet.

Bei einer Drehzahl von 1600 U/rnin (Figur 1 a) verursacht der Fehler „Laufradverstop- fung“ einen Anstieg der Amplitude des unteren Seitenbandes von -103,5 dB im ge- sunden Zustand auf -90,1 dB im fehlerhaften Zustand. Die Amplitude des oberen Seitenbandes bleibt in etwa gleich. Bei einer Drehzahl von 2200 U/min (Figur 1 b) wird der Unterschied zwischen den Stromspektren deutlicher. Die untere Seitenban- damplitude steigt von -104,8 dB auf -75,5 dB und die obere Seitenbandamplitude von -131 ,0 dB auf -98,8 dB. Das Spektrum bei 2800 U/min sieht ähnlich aus wie das Spektrum von 2200 U/min, aber die Amplituden an den Seitenbändern sind noch stärker ausgeprägt. Die Amplitude des unteren Seitenbandes steigt von -114,8 dB auf -76,0 dB und die des oberen Seitenbandes von -127,1 dB auf -90,9 dB. Die Er- gebnisse der obigen Spektrumsanalyse zeigen, dass Informationen über den Zu- stand der Pumpe im Stromsignal enthalten sind, wobei die Unterschiede zwischen gesund und fehlerhaft mit höherer Drehzahl offensichtlich größer werden.

Für die Fehlerüberwachung sind daher spezifische Frequenzen des Stromspektrums auszuwerten, wobei der im Hinblick auf die Minimierung des Speicheraufwands und der Anzahl der Operationen für die Anwendung bei Umwälzpumpen vielverspre- chendste Ansatz auf der Multiple Reference Frame-Theorie basiert. Die Idee ist, ähn- lich wie bei der Feldorientierten Regelung (FOC), ein Koordinatensystem rotieren zu lassen. Während bei der FOC das Koordinatensystem in der Frequenz des Rotors rotiert, rotiert es im Sinne der Fehlererkennung mit der Frequenz eines Fehlers.

Wie bereits anhand der Figuren 1 a, 1 b, 1 c gezeigt wurde, beeinflussen Unwucht und Ausrichtungsfehler der Mechanik im Hydraulik- als auch Antriebsteil der Pumpe die Amplituden der Seitenbänder des Stromspektrums. Erzeugt kann besagte Unwucht und Ausrichtungsfehler durch ein verstopftes Laufrad, einen Lagerfehler oder auch einen Trockenlauf der Pumpe sein. Der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vereinfacht im Blockdiagramm der Figur 4 gezeigt. Die oben erwähnte, relevante Fehlerfrequenz lässt sich unter Rückgriff auf ein Fehlermodell 10 berechnen, das die Fehlerfrequenz gemäß der Formel (1 ) in Abhängigkeit der Statorfrequenz (Rotordrehzahl n), des Motorschlupfes s und der Anzahl p an Polpaaren des An- triebsmotors berechnet:

Bei einem Drehstrommotor können die Motorströme in einem Raumvektor zusam- mengefasst werden. Dazu wird angenommen, dass die Summe der Phasenströme Null ist. Der Realteil des Raumvektors wird mit a-Strom und der Imaginärteil mit ß- Strom bezeichnet. Das a-ß-Koordinatensystem (siehe Figur 2) wird als statorfestes Koordinatensystem (Stator-Koordinatensystem) bezeichnet. Die Transformation von den dreiphasigen Statorströmen in den zweiphasigen a-ß-Strom wird als Clarke- Transformation bezeichnet.

Um einen Wechselstrommotor anzutreiben, wird von einer Pumpenregelung der statorfeste a-ß-Strom in den rotorfesten d-q-Strom transformiert, was als Park-Trans- formation bezeichnet wird. Mathematisch gesehen wird ein Koordinatensystem dazu gebracht, sich entsprechend der Drehzahl n des Rotors zu drehen. Als Ergebnis ist der d-q-Strom ein Gleichstromwert, der für die Motorsteuerung verwendet werden kann. Der interessante Aspekt ist, dass die Vektorsumme aus d- und q-Strom genau der Amplitude der Grundschwingung des Motorstroms entspricht. Dieses Prinzip aus dem Stand der Technik macht sich das erfindungsgemäße Verfahren für die auto- matisierte Fehlererkennung zu Nutze.

Betrachtet man einen realen Motor, so ist der Phasenstrom und damit der Strom- Raumvektor mit Schwingungen überlagert, deren Umfang im fehlerhaften Betrieb der Pumpe bzw. des Antriebsmotors zunehmen. Für das erfindungsgemäße Verfahren wird nun angenommen, dass der Motorstrom die Summe aus dem drehmomentbil- denden Strom mit der Amplitude und der Drehzahl ω _s und einer Oberschwingung mit der Amplitude und der Drehzahl ω _F ist. Die Motorströme der drei Phasen las- sen sich nach den folgenden Gleichungen (2) berechnen:

In diesem Fall enthält Informationen über den Zustand der Pumpe und über die Fehlerschwere. Als Beispiel kann ω _F auf Basis von Gleichung (1 ) berechnet werden.

Wie in Figur 2 dargestellt, ist der Stromraumvektor im Stator-Koordinatensys- tem gleich der Summe aus der drehmomentbildenden Komponente die mit der Drehzahl ω _s rotiert, und der Fehlerkomponente , die mit der Drehzahl ω _F rotiert. Die Berechnung des Stromraumvektors des dreiphasigen Motorstroms erfolgt gemäß der nachfolgenden Gleichung (3): (3)

Im gezeigten Blockdiagramm der Figur 4 wird dieser Schritt bereits durch die vorhan- dene feldorientierte Regelung 20 der Pumpensteuerung ausgeführt, die als Aus- gangsgrößen die beiden Ströme i _a und i _ß liefert.

Im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Länge von von Interesse. Nun wird das d-q-Koordinatensystem mit der Geschwindigkeit der Oberschwin- gungsfrequenz (ω) _K = (ω _F ) gedreht. Zur Berechnung des Stromvektors in d-q-Koordi- naten wird die Standardgleichung für die Park-Transformation verwendet, was im Blockdiagramm durch den Schritt 30 gekennzeichnet ist. Die Park-Transformation lässt sich mathematisch gemäß folgender Gleichung umsetzen: (4)

Wenn die Formel (3) in die Formel (4) eingesetzt wird, ergibt sich Formel (5) für den aktuellen Vektor im d-q-Koordinatensystem: (5)

Der Drehstromvektor ist gleich der Summe der Vektoren die mit der Ge- schwindigkeit (ω _s - ω _F ) rotieren, und dem stationären Vektor siehe Figur 3. Wenn ω _F größer als ist, drehen sich sowohl als auch in die andere Rich- tung.

Betrachtet man zeitabhängige Größen, bestehen i _d und i _q aus einer DC- Komponente und einer AC-Komponente, wie in den Gleichungen (6) und (7) zu se- hen ist. (6) (7)

Die Anfangsamplitude kann aus der geometrischen Summe von und be- rechnet werden, siehe nachfolgende Gleichung (8). (8)

Im Blockschaltbild der Figur 4 ist dieser Verfahrensschritt mit dem Bezugszeichen 50 gekennzeichnet. Wenn die Gleichstromanteile von i _d und i _q ermittelt werden, kann die Amplitude daraus berechnet werden. So kann durch Anwendung einfacher Transformationen die Amplitude einer Harmonischen berechnet werden. Eine einfa- che und speicherfreundliche Methode zur Berechnung der Gleichstromkomponenten von i _d und i _q ist ein Filter erster Ordnung, der im Blockschaltbild der Figur 4 mit dem Bezugszeichen 40 gekennzeichnet ist.

Beispielsweise kann ein Butterworth-Filter erster Ordnung gewählt werden, dessen Übertragungsfunktion wie folgt gemäß Gleichung (9) bestimmt werden kann wobei T gleich der Abtastzeit der Mikroprozessoreinheit ist. Das Filter erlaubt eine einfache Implementierung. Allerdings muss die Grenzfrequenz ω _c relativ klein ge- wählt werden, um die Schwingung so weit wie möglich zu entfernen. Dadurch wird die Zeitkonstante des Filters relativ hoch, was das System langsam macht und in dynamischen Systemen ein Problem darstellen kann. Beim Einsatz in einer Pumpe ist dies jedoch unkritisch, da keine schnellen Lastwechsel zu erwarten sind.

Umwälzpumpen werden in der Regel druckgeregelt betrieben. Dies bedeutet, dass die Last und die Drehzahl der Pumpe sich während des Betriebs ändern können, was gleichzeitig eine Änderung der Stromaufnahme der Pumpe bedeutet. Um dies zu berücksichtigen, wird ein Schadensfaktor („Severity Factor“ SF) für einen Fehler be- rechnet, der sich auf die Stromaufnahme bezieht. Dargestellt ist dies im Blockschalt- bild der Figur 4 mit dem Bezugszeichen 60. Moderne Umwälzpumpen haben eine FOC 10, aus der die Information über die Stromaufnahme gewonnen werden kann. Um die Lastunabhängigkeit zu gewährleisten, wird der Schadensfaktor aus dem Ver- hältnis des Fehlerindikators und der Amplitude der drehmomentbildenden Kom- ponente, die gleich dem q-Strom in der verwendeten FOC ist, gebildet, wobei der d- Strom auf Null geregelt wird:

Anhand des Schadensfaktors SF kann dann eine Entscheidung getroffen werden, ob bei der Pumpe ein Fehlerfall vorliegt oder nicht. Die Entscheidung kann lokal durch die Pumpensteuerung getroffen werden, siehe Block 70 der Figur 4. Alternativ kann dazu jedoch auch eine externe Auswertungseinheit eingerichtet werden, die den Schadensfaktor SF von einer Vielzahl von Pumpen erhält. Exemplarisch ist ein sol- ches System in der Figur 5 gezeigt. Die Pumpe 1 , hier eine Heizungsumwälzpumpe, berechnet mittels des zuvor vorgestellten Verfahrens den Schadensfaktor SF und übermittelt diesen über ein Gateway 2 an eine externe Auswertungseinheit 3, die vorliegend cloudbasiert implementiert ist. In der Cloud 3 werden die übermittelten Daten, insbesondere der Schadensfaktor sowie weitere Betriebsparameter (bspw. Betriebspunkt, Drehzahl, Temperaturen, Lebensdauer) der Pumpe, mit entsprechen- den Daten weiterer Pumpen aus der gleichen Flotte zusammengeführt.

Aufgrund der großen Datenlage einer kompletten Pumpenflotte kann dann ein Ver- gleich der Schadensfaktoren unter ähnlichen Randbedingungen (Betriebspunkt, Drehzahl, Temperaturen, Lebensdauer) durchgeführt werden. Dies dient zum Her- ausfiltern von schadhaften Pumpen, sowie dem Erkennen des baldigen Ausfalls von Pumpen. Eine große Abweichung des Schadensfaktors einer Pumpe von den jewei- ligen Werten der übrigen Pumpen bzw. einem Mittelwert der übrigen Pumpen kann als Degenerierung bzw. Verstopfung des Laufrades interpretiert werden. In diesem Fall kann der Pumpeninhaber bzw. -betreiber direkt informiert und bei Bedarf ein Service-Mitarbeiter vorbeigeschickt werden: Die Information des Pumpeninhabers bzw. -betreibers und/oder der Service-Auftrag kann bevorzugt durch das System 4 automatisch erfolgen und generiert werden.