技术领域
[0001] 本
发明涉及一种
离心泵组，具有电驱动
马达和包括
变频器的用于控制该驱动马达的转速的控制装置。
背景技术
[0002] 在公知的离心泵组中，借助变频器来控制电驱动马达，从而能够使驱动马达的转速变化，进而能够使离心泵组的转速变化。在此处，十分期望的是，能够以尽可能高的效率来驱动泵组。在公知的离心泵组中，通过变频器的最大
频率和最大负载周期(Lastzyklus)来限定可用的最大液压功率。在此，泵组通常构造成，在泵特征曲线的具有最大转速的至少一点上给出具有变频器最大
输出电压的最大负载周期，从而在此可实现泵的最大电功率。然而，这会导致在泵特征曲线的具有最大转速的其他区域无法充分利用驱动马达提供的最大电功率。也就是说，存在一些区域，在其中提供的最大电功率不能完全转换为泵组的液压功率。在这些区域中，通过变频器的常规控制不可能进一步提高泵的转速，因为已经达到了变频器的最大电压和/或最大负载周期。也就是说，以传统的泵控制无法在泵的全部工作区域上充分利用最大电功率。
发明内容
[0003] 因此，本发明的目的在于，提供一种改进的离心泵组，其能够在泵的所有工作区域中进一步充分利用提供的最大电功率。
[0004] 为了实现此目的，提出具有
权利要求1给出特征的离心泵组。优选的实施方式由
从属权利要求、以下的说明及
附图给出。
[0005] 根据本发明的离心泵组具有电驱动马达，该驱动马达以公知的方式可以通过轴来旋转地驱动离心泵组的至少一个
叶轮。此外，设有用于调节或控制驱动马达的控制装置。根据本发明该控制装置具有变频器，通过该变频器来改变驱动马达的转速，进而改变泵的转速。原理上，该控制装置首先与传统的控制装置相似地工作。这种传统的控制装置具有调节图(Regelschema)，根据此调节图使
电流与感应的反向电压保持同
相位，即使电流与磁
转子之间的负载
角ρ基本上保持为90°，因为在此调节状态下可得到驱动马达的最大效率。
[0006] 然而，为了能够在可通过该调节策略实现驱动马达的最大转速的区域中进一步提高泵组的液压功率并由此可以完全充分利用最大电功率，在根据本发明的控制装置中对该区域设置了另外的调节策略。也就是说，根据本发明，控制装置构造成，在至少一个控制区域中在驱动马达中产生场削弱( )。通过这种场削弱可以在变频器输出电压频率相同的情况下进一步提高驱动马达的转速。也就是说，在此控制区域中也可以不提高最大输出电压(即变频器的最大占空比和变频器输出电压的频率)而进一步提高驱动马达的转速。由此，通过驱动马达的场削弱可以提高转速使其超过在传统调节策略中可实现的最大转速。通过提高最大转速可提高联接的离心泵的液压功率。
[0007] 具有场削弱的控制区域优选用于离心泵的在最大转速下驱动马达的最大可用电驱动功率尚未耗尽的工作区域。这样，在该区域中可以通过场削弱来理想地将转速提高至电功率的边界，从而在离心泵的所有工作区域中都可以充分利用驱动马达的最大电连接功率，并由此提供最大可产生的液压功率。
[0008] 驱动马达优选为永磁马达，即具有永磁转子的马达。
[0009] 控制装置优选构造成，为了产生场削弱，将电流相对于转子
磁场的负载角ρ增加到超过90°，从而使电流与感应的反向电压不再处于同一相。也就是说，在该使用场削弱的控制区域中不使用在其他控制区域中应用的要使电流与感应的反向电压处于同相位的调节策略。
[0010] 特别优选的是，控制装置构造成，在其中产生场削弱的控制区域处于在压
力较高时流量较小的区域中和/或在压力较低时流量较大的区域中。这些区域是在传统的马达调节中由最大转速限定泵的液压功率，然而同时没有完全充分利用提供的最大电连接功率的区域。通过在此区域中使用场削弱，可以增加驱动马达的转速并由此将离心泵的转速提高到超过通常的最大值，并由此进一步提高液压功率，直至达到理想地完全充分利用驱动马达的最大电连接功率。
[0011] 由此，根据本发明可提供一种离心泵组，其在各个工作区域中(即特别是在流量较小且压力较高的区域及压力较小时流量较大的区域中)提供较大的液压功率，而不必提高驱动马达的最大电连接功率或离心泵组的最大电连接功率。
[0012] 由此，控制装置优选构造成，使用场削弱，使得就是在流量较小的区域中也能使用泵组的最大电功率。
[0013] 根据本发明的另一优选实施方式，在驱动马达的控制装置中，在变频器之前连接有
变压器，通过该变压器可以改变输入变频器的中间电压。通常而言，变频器被输入固定的中间电压或输入电压并且变频器的输出电压通过改变占空比来改变，在此，在最大占空比下，即占空比接近于1(实际中约为0.97)时，变频器的输出电压近似等于输入电压。在实现较小的变频器的输出电压所需的较小的占空比下，会增加变频器中的
开关损耗(Schaltverluste)。这在部分泵特征场(kennfeld)中表现为不需要离心泵组的最大转速而是需要减小的转速的情况，因为不需要最大压力和/或最大流量。
[0014] 通过优选将变压器设置在变频器的
输入侧，能够使上述变频器的
开关损耗最小化，因为可以降低变频器的输出电压而不必减小占空比。更确切地说是通过控制装置以下述方式来降低变频器的输出电压，即使变频器的输入电压降低到特定的工作区域中。为此，通过控制装置这样控制变压器，使变压器产生降低的、作为输入电压输入变频器的中间电压。也就是说，变压器使得变频器不必再输入固定的输入电压(例如
电源电压)，而是可以通过变压器来改变变频器的输入电压，从而由此改变输入驱动马达的变频器的输出电压并同时使变频器的占空比保持在最大值。由此可以使变频器的开关损耗最小。
[0015] 所使用的变压器优选为具有可变输出电压的AC-DC转换器(交流电压-直流电压转换器)或DC-DC转换器(直流电压-直流电压转换器)。由此可以改变输出电压，以便能够将期望的输入电压输入变频器以产生特定的输出电压。变压器是否为AC-DC转换器或DC-DC转换器取决于对系统(即控制装置)输入何种输入电压。其可以为电源电压、即交流电压，或者当例如还设有前置连接的
整流器(Gleichrichter)或要以直流电压来驱动加压泵组时也可以为直流电压。
[0016] 变 压 器 可 以 是 升 压 变 压 器(Boost-Converter) 和/或 降 压 变 压 器(Buck-Converter)。根据用以驱动变频器的变压器的输入电压及输入电压的范围，所选的变压器可以提高或降低输入电压。可选地，也可以设有一种可以相对于输入电压既能提高电压又能降
低电压的变压器(Buck-Boost-Converter)。
[0017] 在变压器的输出极之间优选设置至少一个电容器，通过该电容器产生中间电压的电压降(Potentialabfall)。
[0018] 控制装置优选构造成，在第一控制区域中通过改变中间电压来改变变频器的输出电压，与此同时变频器以对变频器输出电压的最大占空比工作。所述区域是可通过连接在变频器之前的变压器改变中间电压(特别是可相对于变压器的输入电压改变中间电压)的区域，从而将减小的输入电压输入变频器。以此方式，也可以改变(特别是减小)变频器的输出电压。与此同时，占空比不变地保持为最大，从而可保证开关损耗极小。最大的占空比理想地为1，但是实际上通常无法完全实现，实际上最大占空比约为0.97，从而可以保持反向调节(Regelreserve)并能够稳定地控制整个系统。
[0019] 还优选的是，控制装置构造成，在第二控制区域中通过减小变频器的占空比来改变变频器的输出电压，与此同时中间电压优选设定为固定的最小电压或具有与电源电压的预定比例的最小电压。该最小电压通常为可由变压器产生的最小输出电压。当为了控制驱动马达(例如为了进一步减小泵组的压力和流量)而要进一步降低驱动马达的输入电压时，则必须为此而减小变频器的占空比。所述第二控制区域特别是由变压器产生的中间电压在其中不会进一步减小的区域。中间电压的最小值例如可以通过如果进一步降低中间电压就会使离心泵组的电源连接给出不期望的连接侧的干扰来预先给定。
[0020] 还优选的是，控制装置构造成，在其中通过改变输入变频器的中间电压而改变变频器的输出电压的第一控制区域是泵组的高功率区域。而在其中在中间电压最小时改变变频器占空比的第二控制区域理想地是功率小于第一控制区域中的功率的控制区域。也就是说，当要进一步减小泵组的液压功率(即要进一步减小压力和/或流量，如可能在第一控制区域中发生的)时，控制装置应用第二控制区域。
[0021] 还优选的是，控制装置构造成，在其中如上所述产生场削弱的控制区域是第三控制区域，在该第三控制区域中变压器的中间电压优选设定为它的最大值。该第三控制区域理想地如上所述是可以提高压力或流量超过可在第一控制区域中实现的最大值，即超过通常可实现的最大转速的区域，从而充分利用驱动马达的最大电连接功率。这样，在此区域中，变压器由控制装置设定成，中间电压达到其最大值。与此同时，在此区域中变频器的占空比也设定为最大值。
[0022] 根据本发明的离心泵组可以优选构造为加热
循环泵组、用于
空调设备的泵组、用于
太阳能加热应用的泵组或高压泵组。对于所有这些类型的离心泵组，通过使用场削弱和/或减小的输入变频器的中间电压给出的、扩展的控制区域或调节区域是有利的。
附图说明
[0023] 以下参照附图对本发明进行示例性说明。在附图中：
[0024] 图1示出了根据本发明的离心泵组的HQ图，
[0025] 图2示出了根据本发明的离心泵组的PQ图，
[0026] 图3示出了在第一控制区域中的驱动马达工作的矢量图，
[0027] 图4示出了在第二控制区域中的驱动马达工作的矢量图，
[0028] 图5示出了在第三控制区域中的驱动马达工作的矢量图，以及
[0029] 图6至图8示出了在中间
电路中变压器的三种可能设置的原理电路图。
具体实施方式
[0030] 参照图1和图2，对根据本发明的离心泵的基本的控制或调节区域进行说明。在此处，图1示出了根据本发明的离心泵组的HQ(压力-流量)图，而图2示出了根据本发明的离心泵组的PQ(功率-流量)图。在此，P是输入电功率。在图2中，点划线表示恒定转速ωkonst的曲线。在借助变频器对驱动马达的传统控制中，泵组的工作范围(Betriebsfeld)在HQ图中由线CB1B2A限定。其是在区域CB1和区域B2A中最大转速的线。如图2所示，在B1与B2之间特征场(Kennfeld)由最大电连接功率限定。在传统的控制中，通过变频器的最大输出电压和最大占空比来限定最大转速。通常而言，如下进行调节，即电流与感应的反向电压(back EMF)保持为同相位，即在电流与转子的磁场λ之间的负载角ρ为90°。
[0031] 对比图1和图2可见，在此领域中存在其中最大连接功率不能完全转换为液压功率的区域。在借助调频器对驱动马达的传统控制中无法充分利用区域HC B1和AB2I。也就是说，在上述区域中提供的电连接功率不能完全转换为液压功率。
[0032] 然而，在这些区域中，无法通过传统的控制来简单地提高转速，液压功率基本上与感应的反向电压E1和相电流I1的q轴分量的乘积(参见图3中的矢量图)成比例。为了能够提高此液压功率并进而提高输入电功率，必须提高E1和I1的乘积。在HQ图或PQ图的区域B1CH和B2IA中必须进一步提高转速。在具有
永磁体的马达中，这相当于提高感应的反向电压E1的分量E1。然而，通过传统的调节策略(其中E1和相电流I1同相位)无法提高E1，因为如图3所示，必须为此提高相电压U1。然而其已经是最大中间电压UVDC_max。UVDC_max是最大中间电压，即变频器的最大输入电压。在变频器的最大占空比下无法进一步提高此电压。
[0033] 对此可见，通过传统的控制特性，无法充分利用HQ图中上述未使用的区域。根据本发明，将这些区域作为第三控制区域S3同样加以使用，即在区域B1 CH和B2 IA中可以将泵的液压功率提高到由最大电连接功率给定的边界HI。为了实现此目的，根据本发明的离心泵组的控制装置构造成，其在第三控制区域S3中引起驱动马达的场削弱。为了产生这种场削弱，控制装置控制相电流I1，使其不再与感应的反向电压E1同相位。也就是说，控制装置使转子磁场λ与相电流I1之间的负载角ρ扩大到超过90°。在根据图5的矢量图中，示出了上述第三控制区域，由图可见，相对于根据图3的矢量图所示的第一控制区域S1由此可以提高感应的反向电压E1的q轴分量。因此，不必将电压U1提高到超过最大值UVDC_max，也可以增加驱动马达的转速。
[0034] 由此可见，通过在第三控制区域S3中使用的场削弱，在离心泵组的所有工作区域中都可在给定最大电连接功率时提供最大液压功率。也就是说，相对于传统的控制，特别是在流量Q较小的区域中，可进一步提高压力H，此外，在压力H较低的区域中可以将流量Q提高直至超过平常的量。
[0035] 在本发明的一个特别优选的实施方式中，在与在较小的液压功率下液压功率最大的区域相邻的第二控制区域S2中，通过借助变压器减小输入变频器的中间电压来降低变频器的输出电压。所述第二控制区域是在根据图1和图2的图中由点A、B2、B1、C、G和F限定的区域。在此区域中，不执行前述的场削弱，即在磁通λ与电流I1之间的负载角ρ为90°。在该第二控制区域中，中间电压UVDC(参照根据图3至图5的矢量图)通过连接在变频器之前的变压器在UVDC_min与UVDC_max之间变化。
[0036] 图6至图8示出了这种变压器的可能的设置。根据图6至图8的三个
实施例的共同之处在于，在电源接头2与离心泵组的驱动马达4之间设置控制装置6。控制装置6具有作为基本组件的变频器8，变频器改变输入驱动马达4的电压的频率，从而改变驱动马达4的转速。驱动马达4构造为永磁同步马达，在当前的情况下构造为三相马达。
[0037] 此外，在电源接头2与变频器8之间，控制装置6还具有中间电路，在该中间电路中设置有变压器10。在根据图6和图7的实施方式中，变压器10为AC-DC转换器。也就是说，电源接头2与交流电压(通常为230伏特的交流电压)连接。变压器10将交流电转换为直流电。根据图6，变压器10构造为
降压变压器( )，其可以输出可变的输出电压，从而能够通过控制装置6在UVDC_min与UVDC_max之间改变变压器10
输出侧的中间电压。以此方式，可以减小变频器8的输出电压而无需改变变频器的占空比。
[0038] 在根据图7的实施例中，变压器12连接在变压器10之后。在此实施方式中，变压器10产生恒定的直流电作为输出电压，随后可以由后置连接的变压器12、优选为降压变压器改变该输出电压，从而如前所述地将可变的输入电压输入变频器8。
[0039] 根据图8的第三实施例仅具有一个变压器10，然而其在这种情况下构造为直流变压器。在此处，电源接头2与直流电源连接。变压器10在此处优选也构造为降压变压器，由此改变电压，从而可以将可变的输入电压输入变频器8。
[0040] 随后变频器将电压调节为期望的频率并将此电压输入驱动马达4的三个相14、16、18，在此对该三个相14、16、18以公知的方式进行
相移地控制，以实现驱动马达的期望的转动。
[0041] 在根据图6和图8的实施方式中，变压器10可以为降压变压器或
升压变压器或者也可以为升压/降压变压器(Buck-Boost-Converter)。根据图7的实施例中的变压器12同样可以为降压变压器或升压变压器或者也可以为升压/降压变压器。优选的是，在根据图6和图8的实施例中的变压器10和在根据图7的实施例中的变压器12由控制装置这样控制，即其产生的中间电压或输出电压具有与电源电压或输入电压的预定的、可调节的比例。
[0042] 在所有三个实施例中，作为输入电压输入变频器8的中间电压UVDC仅下降至预定的最小值UVDC_min。因此，在离心泵组的于图1和图2中由点G、F、E、D限定并构成第二控制区域S2的工作区域中，控制装置6对变频器8的控制使得，在最小输入电压UVDC_min下也能通过改变变频器的占空比进一步降低电压。
[0043] 根据本发明，由此存在三个控制区域S1、S2和S3，其
覆盖如根据图1和图2的图示出的离心泵组的全部工作区域。在第一控制区域S1中，变频器8以恒定的最大占空比工作并且通过变压器来改变输入的中间电压UVDC。在第二控制区域S2中，在恒定的最小中间电压UVDC下改变变频器的占空比，即相对于第一控制区域S1减小。在第三控制区域S3中，变频器8的占空比为最大，同时中间电压UVDC最大。在此区域中，应用上述的驱动马达的场削弱，从而在此控制区域S3中可以使驱动马达和离心泵组的转速ω提高到超过传统控制中通常的最大值。
[0044] 附图标记列表
[0045] 2电源接头
[0046] 4马达
[0047] 6控制装置
[0048] 8变频器
[0049] 10，12变压器
[0050] 14，16，18马达4的相
[0051] 20电容器
[0052] S1，S2，S3控制区域
[0053] B功率
[0054] Q流量
[0055] H压力
[0056] UVDC中间电压
[0057] ρ负载角
[0058] λ磁通量
[0059] I电流
[0060] U电压
[0061] E感应的反向电压(Back-Electromagnetic Force)
[0062] ω转速
[0063] L电感
