Automatic system identification and optimization of centrifugal pump operation

Centrifugal pumps are a notable end-consumer of electrical energy. Typical application of a centrifugal pump is the filling or emptying of a reservoir tank, where the pump is often operated at a constant speed until the process is completed. Installing a frequency converter to control the motor substitutes the traditional fixed-speed pumping system, allows the optimization of rotational speed profile for the pumping tasks and enables the estimation of rotational speed and shaft torque of an induction motor without any additional measurements from the motor shaft. Utilization of variable-speed operation provides the possibility to decrease the overall energy consumption of the pumping task. The static head of the pumping process may change during the pumping task. In such systems, the minimum rotational speed changes during reservoir filling or emptying, and the minimum energy consumption can’t be achieved with a fixed rotational speed. This thesis presents embedded algorithms to automatically identify, optimize and monitor pumping processes between supply and destination reservoirs, and evaluates the changing static head –based optimization method.

Keskipakopumput kuluttavat merkittävän osan teollisuuden käyttämästä sähköenergiasta. Tyypillisesti keskipakopumppua käytetään reservisäiliön täyttö- tai tyhjennysprosesseissa, joissa pumppua operoidaan vakionopeudella, kunnes prosessi on saatu päätökseensä. Taajuusmuuttajan asentaminen sähkömoottorin kontrolloimiseksi korvaa perinteisen vakionopeudella operoitavan pumppusysteemin, sallii pumppausprosessin pyörimisnopeusprofiilin optimoinnin sekä mahdollistaa oikosulkumoottorin pyörimisnopeuden ja vääntömomentin estimoinnin ilman lisämittauksia moottorin akselilta. Pyörimisnopeussäädön hyödyntäminen mahdollistaa pumppausprosessin kokonaisenergiankulutuksen pienentämisen. Pumppausprosessin staattinen nostokorkeus saattaa muuttua prosessin aikana. Reservisäiliön täyttö- ja tyhjennysprosesseissa muuttuva staattinen nostokorkeus johtaa pumpun minimi pyörimisnopeuden vaihteluun. Tällöin pienintä mahdollista energiankulutusta ei voida saavuttaa vakiopyörimisnopeudella. Tässä kandidaatintyössä esitellään sulautettuja algoritmeja reservisäiliön täyttö- ja tyhjennysprosessin automaattista identifiointia, optimointia ja monitorointia varten. Lisäksi työssä arvioidaan staattisen nostokorkeuden muutokseen perustuvaa optimointimenetelmää.