Fehlerdiagnose und aktive Beeinflussung in Kreiselpumpen mit Hilfe aktiver Magnetlager und elektrischer Antriebe

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1 Fehlerdiagnose und aktive Beeinflussung in Kreiselpumpen mit Hilfe aktiver Magnetlager und elektrischer Antriebe Dipl.-Ing Norman Butzek Prof. Dr.-Ing. R. Nordmann Teilprojekt im DFG-Verbund Mechatronische Fluidfördersysteme Industrietag Vortrag von Dipl.-Ing. N. Butzek u. Prof. Dr.-Ing. R. Nordmann 1

2 Gliederung Einleitung Methoden zur Fehlererkennung und diagnose und zum aktiven Eingriff in das Fluidfördersystem Phase I: Pumpenprüfstand mit aktiven Magnetlagern Phase II: Demonstrator mit zwei Pumpen Zusammenfassung Industrietag Vortrag von Dipl.-Ing. N. Butzek u. Prof. Dr.-Ing. R. Nordmann 2

3 Einleitung Motivation Beim Betrieb von Fluidfördersystemen Zunehmend höhere Anforderungen an Betriebssicherheit, Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit, Wirtschaftlichkeit Neben den Grundfunktionen werden zusätzliche Funktionen gefordert: Erkennung und Diagnose von Fehlern, Schäden und Prozesszuständen Aktiver Eingriff zur Fehlerkompensation und zur Prozessoptimierung Industrietag Vortrag von Dipl.-Ing. N. Butzek u. Prof. Dr.-Ing. R. Nordmann 3

4 Einleitung Motivation Neuer Lösungsweg zur Erfüllung dieser Anforderungen Integration mechatronischer Komponenten und zusätzlicher Funktionen (Software) in das Fluidfördersystem Anwendungen: Pumpenprüfstand mit aktiven Magnetlagern (Phase I) Demonstrator mit zwei Pumpen (Phase II) Industrietag Vortrag von Dipl.-Ing. N. Butzek u. Prof. Dr.-Ing. R. Nordmann 4

5 Einleitung Fehler an Kreiselpumpen Spaltrohre 3% Kupplungen 4% Gleitlager 8% Rotor 9% Gehäuse 3% Gleitringdichtung 31% Motor 10% Leckage 10% Quelle Wälzlager 22% Auswahl der Fehlerfälle für das Forschungsprojekt: Unwucht Strukturresonanz Trockenlauf Dichtspaltverschleiß Montagefehler Industrietag Vortrag von Dipl.-Ing. N. Butzek u. Prof. Dr.-Ing. R. Nordmann 5

6 Einleitung Ziele des Forschungsprojekts Systemaufbau: Integriertes mechatronisches Fluidsförderystem aufbauen, in Betrieb nehmen und das statische und dynamische Betriebsverhalten im Normalzustand messen Erkennung und Diagnose: Prozess-, Fehler- und mögliche Schadenszustände des Fluidfördersystems mit Hilfe der mechatronischen Komponenten und der im Projekt entwickelten zusätzlichen Funktionen (Software) erkennen und diagnostizieren Aktive Eingriffe: Durch aktive Eingriffe (Magnetlagerkräfte und - bewegungen, Antriebsdrehzahl, Schieberstellung) den Prozess optimieren und Fehler kompensieren Industrietag Vortrag von Dipl.-Ing. N. Butzek u. Prof. Dr.-Ing. R. Nordmann 6

7 Methoden der Fehlererkennung und Diagnose Ablauf, Übersicht Industrietag Vortrag von Dipl.-Ing. N. Butzek u. Prof. Dr.-Ing. R. Nordmann 7

8 Methoden der Fehlererkennung und Diagnose Parameterschätzverfahren Industrietag Vortrag von Dipl.-Ing. N. Butzek u. Prof. Dr.-Ing. R. Nordmann 8

9 Methoden der Fehlererkennung und Diagnose Zustandsschätzung mit Kalman-Filtern Industrietag Vortrag von Dipl.-Ing. N. Butzek u. Prof. Dr.-Ing. R. Nordmann 9

10 Methoden für aktive Eingriffe Ablauf aktiver Eingriff Industrietag Vortrag von Dipl.-Ing. N. Butzek u. Prof. Dr.-Ing. R. Nordmann 10

11 Methoden für aktive Eingriffe Unwuchtkompensation, autojustierender Dichtspalt Ziel: kleiner Orbitradius im Bereich der Dichtspalte Gesetzmäßigkeit der Anregung ist bekannt F u 2 = meω ( Asin( ωt) + B cos( ωt)) Ziel: Geringe Dichtspalthöhe zur Verbesserung des Wirkungsgrades Dichtspalt wird konisch ausgeführt Axiale Verschiebung des Rotors/Laufrades erlaubt das Einstellen der Dichtspalthöhe Kombination mit Unwuchtkompensation optimaler Dichtspalt im Betrieb Kombination mit der Diagnose des Dichtspaltverschleißes axiale Verschiebung Industrietag Vortrag von Dipl.-Ing. N. Butzek u. Prof. Dr.-Ing. R. Nordmann 11

12 Methoden für aktive Eingriffe Optimierung des Wirkungsgrads, Vermeidung von Kavitation H A, Q A, n A, F A H B, Q B,n B, F B Diagramm für Pumpe B H B1 (Q) Pumpe A Pumpe B Förderhöhe H H B2 (Q) H B3 (Q) n 3 H ges = H A + H B Q soll = Q A = Q B n 1 n 2 Messung der Lagerkraft Beeinflussung der Drehzahlen n A und n B Förderstrom Q Q soll Gegenmaßnahme bei Auftreten von Kavitation an Stufe B: Steigern der Drehzahl von Stufe A Senken der Drehzahl von Stufe B Lagerkraft F n 1 n 2 n 3 Kombination beider Eingriffsmethoden Förderstrom Q Industrietag Vortrag von Dipl.-Ing. N. Butzek u. Prof. Dr.-Ing. R. Nordmann 12

13 Phase I - Pumpenprüfstand mit aktiven Magnetlagern Aufbau des Prüfstands Eigenschaften: Kreiselpumpe in aktiven Magnetlagern Antrieb durch Frequenzumrichter Krafterregung der Struktur mithilfe der Magnetaktoren Messung der Signale durch Wegsensorik und sehr genaue Kraftsensorik (Hallsensoren) Im Rahmen des Projekts: Umbau der Rechnerplattform für eine neue Funktionalität Industrietag Vortrag von Dipl.-Ing. N. Butzek u. Prof. Dr.-Ing. R. Nordmann 13

14 Phase I - Pumpenprüfstand mit aktiven Magnetlagern Schematischer Aufbau des Prüfstands Benutzer EbeneSoftware Ebene Modell des magnetgelagerten Fluidfördersystems Benutzer Aktiver Eingriff Eingriff Management Diagnose Diagnose Erkennung Erkennung Regelung digitale Regelung Signalverarbeitung Drehfrequenz Auslenkung Steuerstrom Drehzahl Lagerkraft Motor elastische Kupplung AMB Laufrad der Pumpe AMB Industrietag Vortrag von Dipl.-Ing. N. Butzek u. Prof. Dr.-Ing. R. Nordmann 14

15 Phase I - Pumpenprüfstand mit aktiven Magnetlagern Schematischer Aufbau des Prüfstands Benutzer Ebene Software Ebene Modell d. Fluidfördersystems Benutzer Aktiver Eingriff Management Diagnose Erkennung digitale Regelung Regelung Signalverarbeitung Drehfrequenz Steuerstrom Auslenkung Drehzahl Lagerkraft Motor elastische Kupplung AMB Laufrad der Pumpe AMB Industrietag Vortrag von Dipl.-Ing. N. Butzek u. Prof. Dr.-Ing. R. Nordmann 15

16 Phase I - Pumpenprüfstand mit aktiven Magnetlagern Modell des Prüfstands, radiale Bewegungsrichtungen Komponente Modellbildung Modellabgleich Rotor FEM Modalanalyse Substruktur / Lagerbock FEM Modalanalyse Dichtspalte FEM - Magnetaktor elektrischer Kreis analytisches Modell Messung von Frequenzgängen Magnetfeld FEM Messung des Kraftkennfeldes Sensor Position analytisches Modell Kalibrierung Flussdichte (Kraft) Kennfeld aus FEM Messung des Kraftkennfeldes pos. Regler µ-synthese Modell des fehlerfreien Systems Modelle des fehlerbehafteten Systems Industrietag Vortrag von Dipl.-Ing. N. Butzek u. Prof. Dr.-Ing. R. Nordmann 16

17 Phase I - Pumpenprüfstand mit aktiven Magnetlagern Modellbasierte Fehlererkennung und -diagnose/ Parameterschätzverfahren Anregung des rotordynamischen Systems durch die Magnetaktoren Messung der Läuferschwingungen q q Schätzen von Frequenzgängen Schätzen von modalen Parametern -60 Lager A Referenzzustand G A Trockenlauf G A Lager B Amplitude / db Frequenz / Hz Industrietag Vortrag von Dipl.-Ing. N. Butzek u. Prof. Dr.-Ing. R. Nordmann 17

18 Phase I - Pumpenprüfstand mit aktiven Magnetlagern Modellbasierte Fehlererkennung und -diagnose/ Parameterschätzverfahren D Symptome X X X X X Referenzzustand f /Hz s D /% s 148,46 0,585 0,05 0, ,49 4,451 0,149 0,118 X 326,18 2,55 0,053 0, ,33 12,797 0,181 0,035 X 429,23 3,662 0,035 0, ,18 1,862 0,035 0, ,12 1,367 0,035 0, ,25 6,288 0,057 0,012 f/hz Industrietag Vortrag von Dipl.-Ing. N. Butzek u. Prof. Dr.-Ing. R. Nordmann 18

19 Phase I - Pumpenprüfstand mit aktiven Magnetlagern Modellbasierte Fehlererkennung und -diagnose/ Bank aus Kalman-Filtern Bank von stationären Kalman-Filtern: Fehler können identifiziert werden Industrietag Vortrag von Dipl.-Ing. N. Butzek u. Prof. Dr.-Ing. R. Nordmann 19

20 Phase I - Pumpenprüfstand mit aktiven Magnetlagern Aktiver Eingriff: Minimierung der Rotorauslenkungen Normaler Betrieb: Rotor versucht um Hauptträgheitsachse zu drehen kompensierter Betrieb: Rotor dreht um die geometrische Achse Industrietag Vortrag von Dipl.-Ing. N. Butzek u. Prof. Dr.-Ing. R. Nordmann 20

21 Phase I - Pumpenprüfstand mit aktiven Magnetlagern Aktiver Eingriff: Minimierung der Lagerauslegung Einflusszahlenverfahren Industrietag Vortrag von Dipl.-Ing. N. Butzek u. Prof. Dr.-Ing. R. Nordmann 21

22 Phase I - Pumpenprüfstand mit aktiven Magnetlagern Aktiver Eingriff: Minimierung der Lagerauslegung Adaptives Filter Industrietag Vortrag von Dipl.-Ing. N. Butzek u. Prof. Dr.-Ing. R. Nordmann 22

23 Phase II: Demonstrator mit zwei Pumpen Integriertes mechatronisches Fluidfördersystem Mechanisches System: Rotor Substruktur / Gehäuse Fluid-Elemente / Dichtspalte, Pumpenschaufeln Sensoren: Wegsensoren magn. Flussdichtesensoren (in Radialstufe) Druck- und Temperatursensoren im Laufrad Drehzahl elektrische Antriebsleistung Aktoren: Magnetaktoren zum Aufbringen der Lagerkräfte elektrischer Antrieb Software auf Digitalrechner: Positionsregelkreis (Lagerfunktion) Drehzahlregelung Management Erkennung und Diagnose von Prozess- und Fehlerzuständen Aktiven Eingriff in das System Modell des Fluidfördersystems Benutzereingriff Benutzer Ebene Benutzer AMB A: Lagerströme Hardware Ebene Software Ebene Aktiver Eingriff AMB A: Lagerkräfte, Rotorbewegungen Pumpe A: Drehzahl Motorstrom Pumpe A: Antrieb Industrietag Vortrag von Dipl.-Ing. N. Butzek u. Prof. Dr.-Ing. R. Nordmann 23 Digitale Regelung Pumpe B: Kavitation Modell des magnetgelagerten Fluidfördersystems, Demonstrator AMB B: Lagerströme Überwachung, Management AMB B: Lagerkräfte Rotorbewegungen Diagnose Erkennung Signalverwaltung und -auswertung Pumpe B: Drehzahl Motorstrom Pumpe B: Antrieb

24 Zusammenfassung Realisiert: Prüfstand zum Erproben von Methoden zur Fehlerdiagnose Parameterschätzverfahren zur Fehlerdiagnose Bank aus Kalman-Filtern zur Fehlerdiagnose Aktiver Eingriff zur Minimierung der Lagerauslenkungen Geplant: Aufbau des Demonstrators mit zwei Pumpen Erweiterung der vorhandenen Methoden auf das System mit zwei Pumpen Prozessoptimierung: Kavitation, Wirkungsgrad

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