Verfahren zur Bestimmung der Temperatur des Fördermediums in einer Umwälzpumpe sowie Umwälzpumpe

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur des geförderten Mediums einer Umwälzpumpe, insbesondere einer Heizungsumwälzpumpe, mit integra- lern elektrischem Antriebsaggregat. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine entsprechende Umwälzpumpe zur Verfahrensausführung.

Umwälzpumpen, insbesondere Heizungsumwälzpumpen, dienen zur Umwälzung des Heizungswassers innerhalb eines Heizungskreislaufes. Im ständigen Blickpunkt solcher Heizungsanlagen steht deren Energieoptimierung. Als probates Mittel zur Energieeinsparung hat sich die sogenannte Nachtabsenkung der Vorlauftemperatur herauskristallisiert. Es ist wünschenswert, die Leistung der Umwälzpumpe an die Nachtabsenkung zu koppeln, um auch für die Pumpe durch Leistungsabsenkung eine Energieeinsparung zu erzielen. Dazu benötigt die Umwälzpumpe jedoch Kenntnis über den aktuellen Hei- zungsbetrieb, d.h. ob eine Nachtabsenkung aktiv ist.

Eine Möglichkeit besteht darin, die Aktivierung der Nachtabsenkung anhand der gemessenen Temperatur des Fördermediums zu erkennen. Dies wird im Stand der Technik bereits durch entsprechende Temperaturfühler praktiziert, die in die Umwälzpumpe inte- griert werden und der Pumpensteuerung die aktuelle Fördermediumtemperatur mitteilen. Die Integration eines zusätzlichen Temperatursensors bedeutet jedoch einen er- höhten konstruktiven Aufwand und damit einhergehend ansteigende Herstellungskosten. Informationen über die Fördermediumtemperatur sind aber nicht nur in Bezug auf eine Nachtabsenkung von Interesse. Auch für eine temperaturgeführte Regelung, Verkalkungserkennung kann das Wissen über die Mediumtemperatur von Interesse sein.

Gesucht wird daher nach einer alternativen Möglichkeit zur Temperaturmessung des Fördermediums.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 . Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Temperatur des Fördermediums auf Grundlage der Temperatur wenigstens einer Motorwicklung des elektrischen Pumpenaggre- gats zu bestimmen bzw. berechnen, insbesondere auf Grundlage des zeitlichen Verlaufs der Wicklungstemperatur des Pumpenantriebs. Daneben wird für die Berechnung/Bestimmung ergänzend der aktuelle Wicklungsstrom berücksichtigt. Das Verfahren benötigt demzufolge keinen zusätzlichen Temperatursensor für die Bestimmung der Fördermediumtemperatur, sondern kommt stattdessen mit bestehenden Komponenten der Umwälzpumpe aus. Die Umwälzpumpe ist typischerweise eine Kreiselpumpe.

Ausgangspunkt der Erfindung sind die folgenden physikalischen Erkenntnisse. Die Temperatur der Wicklungen des Elektromotors stellt physikalisch einen Energiespeicher dar. Der Wicklungsstrom führt aufgrund von Kupferverlusten zur Erwärmung der Wick- lungen. Aufgrund der konstruktiven Ausgestaltung solcher Umwälzpumpen als Nassläufer hat zudem auch das geförderte Medium der Umwälzpumpe Einfluss auf die Temperatur der Wicklungen des Pumpenaggregats. In der Regel hat das Fördermedium eine kühlende Wirkung auf die Wicklungen, in Ausnahmefällen kann auch eine wärmende Wirkung vorliegen. Unter der Voraussetzung, dass sowohl die vorliegende Wicklungs- temperatur als auch der anliegende Wicklungsstrom bekannt sind, lässt sich der Einfluss der Fördermediumtemperatur und damit die Temperatur des Fördermediums selbst bestimmen. Die tatsächlich vorliegende Wicklungstemperatur des Motors wird idealerweise direkt gemessen, insbesondere durch einen integralen Fühler der Umwälzpumpe. Zudem könnte die Wicklungstemperatur auch aus anderen, geeigneten Messwerten abgeleitet werden. Der Einfachheit halber wird nachfolgend stets von einer Messung der Wicklungstemperatur gesprochen, auch wenn die Wicklungstemperatur aus geeigneten Messgrößen abgeleitet wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zur Berechnung der Fördermediumtemperatur auf die Funktion eines Beobachters zurückgegriffen, der aus dem Wicklungsstrom und der Wicklungstemperatur die entsprechende Fördermediumtemperatur bestimmt. Bevorzugt verwendet der Beobachter ein Pumpenmodell zur Simulation des Pumpenverhaltens, wobei hier als Eingangsgrößen der Wicklungsstrom und eine geschätzte Fördermediumtemperatur dienen. Auf Basis dieser Eingangsgrö- ßen gibt das Modell eine simulierte Wicklungstemperatur aus. Die Beobachterfunktion ist innerhalb der Pumpensteuerung der Umwälzpumpe implementiert.

Weiterhin kann der Beobachter die Differenz zwischen simulierter und gemessener Wicklungstemperatur bestimmen, um darauf basierend eine Anpassung der geschätz- ten Fördermediumtemperatur vorzunehmen. Idealerweise wird auf Grundlage der Differenz ein Korrekturwert ermittelt, der dem eingesetzten Pumpenmodell des Beobachters zugeführt wird.

Da der Beobachter bei Inbetriebnahme die reale Fördermediumtemperatur nicht kennt, ist die Differenz zwischen gemessener und simulierter Wicklungstemperatur zu Beginn groß, dies wird jedoch mittels der Korrekturrückführung rasch auf null eingeregelt, vorzugsweise nach dem Prinzip der kleinsten Fehlerquadrate. Da der Ausgang des Korrekturblocks der realen Fördermediumtemperatur mit kurzem Zeitversatz folgt, steht der Pumpensteuerung nach kurzer Zeit die nahezu exakte Fördermediumtemperatur zur Verfügung. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der physikalische Zusammenhang zwischen Wicklungsstrom, Wicklungstemperatur und Fördermediumtemperatur innerhalb des Pumpenmodells des Beobachters durch wenigstens zwei Tiefpassfilter mathematisch beschrieben, vorzugsweise Tiefpassfilter erster Ordnung. Beide Tiefpassfilter teilen sich einen gemeinsamen Energiespeicher in Form der Motorwicklungen.

Insbesondere wird ein erster Tiefpassfilter mit der statischen Verstärkung Ki und der Zeitkonstante Ti definiert, der den Zusammenhang zwischen Wicklungsstrom und Wicklungstemperatur modelliert.

Der Einfluss des Fördermediums auf die Wicklungstemperatur wird hingegen durch einen weiteren, zweiten Tiefpassfilter mit der statischen Verstärkung K2 und der Zeitkonstanten T2 modelliert, d.h. dieser definiert den Zusammenhang zwischen Wicklungstem- peratur und der Differenz zwischen Fördermediumtemperatur und Wicklungstemperatur. Da dieser Zusammenhang zudem durch die Strömungsgeschwindigkeit des Fördermediums durch die Umwälzpumpe beeinflusst sein kann, ist es besonders hilfreich, wenn der Tiefpassfilter in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit spezifisch definiert ist, vorteilhafterweise durch die Auswahl individueller Parameter K2 und T2 in Ab- hängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit.

Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn innerhalb der Pumpensteuerung entsprechende Parameter verfügbar sind, beispielsweise tabellarisch hinterlegt sind, um eine eindeutige Zuordnung der Parameter K2, T2 für unterschiedliche Strö- mungsgeschwindigkeitswerte sicherzustellen. Die Pumpensteuerung kann dann im Pumpenbetrieb die passenden Parameter in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit für die sensorlose Bestimmung der Fördermediumtemperatur heraussuchen und einsetzen. Gemäß einer Erweiterung des Verfahrens wird die bestimmte Fördermediumtemperatur dazu eingesetzt, um in der Pumpe eine aktivierte Nachtabsenkung des Heizkreislaufs zu erkennen. Denkbar ist es ebenso, auf Grundlage der erfassten Fördermediumtemperatur eine temperaturgeführte Regelung der Pumpendrehzahl umzusetzen. Ferner könnte die ermittelte Fördermediumtemperatur auch dazu eingesetzt werden, um innerhalb der Pumpensteuerung eine Verkalkungserkennung zu implementieren. Grundsätz- lieh ist das Verfahren für jede Anwendung vorteilhaft, die Informationen bezüglich der aktuellen Fördermediumtemperatur benötigt.

Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung zudem eine Umwälzpumpe, insbesondere eine Heizungsumwälzpumpe, mit einer Pumpens- teuerung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dementsprechend gelten für die erfindungsgemäße Umwälzpumpe dieselben Vorteile und Eigenschaften, wie sie zuvor anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführlich erläutert wurden. Auf eine wiederholende Beschreibung wird aus diesem Grund verzichtet. Die Umwälzpumpe ist typischerweise eine Kreiselpumpe. Besonders bevorzugt umfasst die Umwälzpumpe wenigstens einen Sensor zur Messung der Wicklungstemperatur ihres elektrischen Antriebsaggregates. Darüber hinaus sieht die Umwälzpumpe keinen gesonderten Sensor zur Messung der Fördermediumtemperatur vor, sondern diese wird stattdessen mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens berechnet.

Die unbekannten Parameter für die mathematischen Zusammenhänge der zuvor beschriebenen Pumpengrößen lassen sich beispielsweise mathematisch anhand der Materialkennwerte sowie der Geometrie von Motor und Pumpenkonstruktion bestimmen. Besser geeignet ist jedoch eine messtechnische Parametrierung. Nachfolgend werden zwei erfindungsgegenständliche Verfahren zur messtechnischen Parametrierung der für die zuvor beschriebene Verfahrensausführung optional notwendigen Parameter Ki, Ti sowie K2, T2 beschrieben.

Für die Bestimmung der zuerst genannten Parameter K1 , T1 wird die erfindungsgemäße Umwälzpumpe zunächst in einem Versuchsstand bei konstanter Fördermediumtemperatur betrieben. Nacheinander wird das Antriebsaggregat mit unterschiedlichen Wicklungsströmen gespeist und die resultierende Sprungantwort der Wicklungstemperatur aufgezeichnet. Anhand dieser unterschiedlichen Kurvenverläufe lassen sich individuelle Zeitkonstanten und statische Verstärkungen für die Definition der Tiefpassfilter erster Ordnung herausarbeiten. Da es sich bei dem Tiefpassfilter um ein lineares System handelt, kann durch Mittelung der aus den Kurvenverläufen bestimmten unterschiedlichen Werte der Zeitkonstanten (T) als auch der Verstärkungswerte (K) ein universeller Wert für die Parameter Ki und Ti bestimmt werden.

Des Weiteren betrifft die Anmeldung ein Verfahren zur Bestimmung der Parameter K2 und T2 für eine Umwälzpumpe. Hierbei wird in einem Versuchsstand die Umwälzpumpe bei konstantem Wicklungsstrom mit unterschiedlichen Fördermediumtemperaturen betrieben. Aus der erfassten Sprungantwort der gemessenen Wicklungstemperatur lassen sich ebenfalls die Parameter für die Zeitkonstante T2 und die statische Verstärkung K2 bestimmen. Aufgrund des möglichen Einflusses der Strömungsgeschwindigkeit werden hierbei idealerweise für unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten individuelle Werte für T2 und K2 ermittelt.

Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen: Figur 1 : ein Blockschaltbild zur Verdeutlichung des Zusammenhangs zwischen

Fördermediumtemperatur, Wicklungsstrom und Wicklungstemperatur,

Figur 2: ein Blockschaltbild zur Verdeutlichung der in der Pumpensteuerung implementierten Beobachterstruktur und

Figur 3: ein Zeit-Wicklungstemperatur-Diagramm mit mehreren exemplarischen

Sprungantworten .

Das erfindungsgemäße Verfahren soll anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels in Form einer Heizungsumwälzpumpe beschrieben werden. Das Pumpenlaufrad wird durch ein elektrisches Antriebsaggregat angetrieben, wobei die Pumpe als sogenannter Nassläufer ausgeführt ist. Die Temperatur der Wicklungen von Stator und/oder Rotor lässt sich durch einen Sensor erfassen und der Pumpensteuerung mitteilen.

Das Ziel des Verfahrens ist die sensorlose Erfassung der Fördermediumtemperatur, was durch mathematische Berechnung innerhalb der Pumpensteuerung erfolgen soll. Hierbei wird ein sogenannter Beobachter in der Pumpensteuerung implementiert, der auf Grundlage bekannter Eingangsgrößen die Temperatur des Fördermediums mit Hilfe eines Pumpenmodells ausreichend exakt rekonstruiert. Ausgangspunkt für die Definition eines geeigneten Pumpenmodells ist hier die Erkenntnis, dass die Temperatur der Wicklungen des Pumpenantriebs physikalisch einen Energiespeicher darstellt. Der durch die Wicklungen durchfließende Wicklungsstrom führt aufgrund von Kupferverlusten der Wicklungen zu deren Erwärmung. Der Zusammenhang zwischen Wicklungsstrom und Wicklungstemperatur kann mathematisch als Tief- pass erster Ordnung beschrieben werden. Da es sich um einen Nassläufer handelt, wird der Motor gleichzeitig durch das Fördermedium gekühlt (oder in seltenen Betriebssituationen erwärmt). Der Einfluss der Wicklungstemperatur auf die Differenz zwischen Fördermedium und Wicklungstemperatur ist ebenfalls ein Tiefpass erster Ordnung. Der gesuchte Zusammenhang zwischen Wicklungsstrom, Wicklungstemperatur und Förder- mediumtemperatur kann folglich durch zwei Tiefpassfilter, die sich einen gemeinsamen Energiespeicher teilen, modelliert werden.

Verdeutlicht wird dieser mathematische Zusammenhang durch das Blockschaltbild der Figur 1 . Jeder Tiefpass erster Ordnung wird durch zwei Parameter, nämlich die stati- sehe Verstärkung K und seine Zeitkonstante T eindeutig beschrieben. In der Darstellung der Figur 1 besitzt der den Zusammenhang zwischen anliegendem Stromsignal des Pumpenantriebs und der Wicklungstemperatur beschreibende Tiefpassfilter die statische Verstärkung Ki und die Zeitkonstante Ti . Der zweite Tiefpassfilter mit der statischen Verstärkung K2 und der Zeitkonstanten T2 beschreibt den Einfluss der Differenz der Fördermediumtemperatur zur Wicklungstemperatur auf die Wicklungstemperatur. Die unbekannten Parameter Τι , Κι , T2, K2 können mathematisch anhand der Materialkennwerte sowie der Geometrie von Motor und Pumpe bestimmt werden. Besser geeignet ist jedoch die messtechnische Parametrierung. Hierfür werden zunächst im Versuchsstand die Fördermedientemperatur konstant gehalten und der Elektromotor der Umwälzpumpe nacheinander mit unterschiedlichen Wicklungsströmen h , I2, I3, U gespeist. Das Stromsignal und die resultierenden Wicklungstemperaturen werden aufgezeichnet. Figur 3 zeigt exemplarisch die resultierenden Sprungantworten der Wicklungstemperaturen auf die vier unterschiedlichen Eingangsströme (h , I2, I3, U). Aus jedem dieser vier Kurvenverläufe lässt sich eine entsprechende Zeitkonstante T und statische Verstärkung K bestimmen. Die Zeitkonstante entspricht hier der Anfangssteigung des gezeigten Kurvenverlaufs der Sprungantwort. Die statische Verstärkung K ist der Quotient zwischen Temperaturendwert (Zeit— und dem entsprechenden Eingangsstrom I. Die so bestimmten Parameter aus den vier Messungen werden anschlie- ßend gemittelt. Der gemittelte Wert wird für K1 , T1 verwendet. Dies ist zulässig, da es sich bei einem Tiefpass um ein lineares System handelt.

Im Anschluss erfolgt analog die Bestimmung der Parameter K2, T2 des zweiten Tiefpasses. Hierfür wird der anliegende Motorstrom konstant gehalten und die Temperatur des durch die Umwälzpumpe geförderten Mediums variiert. Der Einfluss auf die gemessene Wicklungstemperatur wird aufgezeichnet und ausgewertet. Hier ist zu beachten, dass sich die Parameter K2 und T2 in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit des Fördermediums ändern können. Dieser Einfluss ist im Versuchsstand zu untersuchen. Falls es einen signifikanten Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit gibt, so muss dieser mit Hilfe von Messreihen erfasst werden. Im nachfolgenden Pumpenbetrieb werden dann Tabellen verwendet, die die Parameter K2 und T2 in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit festlegen. Alternativ zu den Tabellen kann auch ein Polynom verwendet werden. Da die Strömungsgeschwindigkeit in der Pumpensteuerung bekannt ist, hätte dieser Einfluss keinen Nachteil auf die Qualität des hier vorgestellten Verfahrens.

Sind die vier Parameter T1 , T2, K1 und K2 bekannt, so kann die Fördermediumtemperatur aus dem Stromsignal und der Wicklungstemperatur unter Einsatz eines Beobachters bestimmt werden. Die grundlegende Struktur des in der Pumpensteuerung implementierten Beobachters ist in Figur 2 gezeigt.

Der Block„Strecke", gekennzeichnet mit dem Bezugszeichen 10, beschreibt die reale Umwälzpumpe. Der Block„Modell", gekennzeichnet mit dem Bezugszeichen 20, entspricht dem zuvor beschriebenen Modell gemäß Figur 1 , das die Zusammenhänge der bekannten Eingangsgrößen mit der zu rekonstruierenden Ausgangsgröße (Fördermediumtemperatur) mathematisch beschreibt. Beide Blöcke 10, 20 haben als Eingangsgröße den Wicklungsstrom. Die Strecke 1 0 hat als weiteren Eingang die reale Temperatur des Fördermediums. Das Modell 20 kann diesen Eingang aufgrund des fehlenden Sensors nicht nutzen. Da das Modell 20 die reale Fördermedientemperatur nicht kennt, startet die Simulation zunächst mit einem initialen Temperaturwert für das Fördermedium. Dadurch bedingt wird in der Praxis regel- mäßig zunächst eine vergleichsweise große Differenz zwischen gemessener und simulierter Wicklungstemperatur vorliegen. Der bestimmte Differenzwert wird über den Korrekturblock 30 ins Modell 20 als„korrigierte geschätzte Fördermediumtemperatur" zurückgeführt. Hierdurch wird nach dem Prinzip der kleinsten Fehlerquadrate die Differenz zwischen gemessener und simulierter Wicklungstemperatur zu null geregelt. Da der Ausgang des Korrekturblocks 30 der realen Fördermediumtemperatur mit kurzem Zeitversatz folgt, steht die reale Fördermedientemperatur der Pumpensteuerung zur Verfügung.