Frequenz-
regelung

Frequenzregelung von Kreiselpumpen

Frequenzumrichter

Frequenzumrichter dienen der elektronischen Drehzahlregelung von Motoren. Sie können hierüber viel Energie einsparen und den Materialverschleiß erheblich verringern.

Frequenzumrichter starten und stoppen Motoren sanft und stufenlos. Anders als beim direkt am Netz betriebenen Motor tritt beim Frequenzumrichter kein Momentan- oder Laststoß auf, sodass der gesamte Antriebsstrang mit Motor, Pumpe und dem Rohrleitungssystem inklusive der Dichtungen geschont wird. Auf diese Weise reduziert die Drehzahlregelung den Verschleiß deutlich und die Lebensdauer der Anlage verlängert sich. Die Reparatur- und Wartungskosten sinken dank längerer Betriebsintervalle und geringerem Materialverschleiß.

Einsatzgebiete

Die Anwendungsmöglichkeiten der Frequenzumrichter in der Pumpentechnologie sind breit gefächert: Ihr Vorteil liegt vorrangig darin begründet, dass über eine Drehzahlregelung der Pumpe eine Anpassung des Betriebspunktes an die Anlagenerfordernisse erfolgen kann. Hierüber können unter anderem auch unterschiedliche Betriebspunkte gefahren werden. Ein Beispiel hierzu ist die Nachtabsenkung in Bädern. Aber auch andere Gegebenheiten machen Frequenzumrichter unentbehrlich. Wurde z.B. die Pumpe zu groß ausgewählt, erfolgt durch "zuschieben" der Rohrleitung keine Betriebspunktanpassung (die aus energetischer Sicht nicht sinnvoll wäre), sondern eine Drehzahlanpassung über den Frequenzumrichter. Auch können nachträgliche Anlagenänderungen hierüber geregelt werden. Einsatzgebiete liegen also immer dort vor, wo Pumpen einer Regelung bzw. Betriebspunktanpassung unterzogen werden. Dies kann in Ab- wie Reinwasseranlagen erforderlich sein.

Das Energiesparpotenzial beim Einsatz von Frequenzumrichtern hängt von der Art der anzutreibenden Last und von der Optimierung des Wirkungsgrades der Pumpe oder des Antriebs durch den Frequenzumrichter ab, sowie von der Zeit, die das System im Teillastbetrieb arbeitet.

Wahl des geeigneten Frequenzumrichters

Bei der Wahl eines geeigneten Frequenzumrichters müssen folgende Punkte berücksichtigt werden:

  • 1. Spannung und Art des Einspeisenetzes
  • 2. Ansteuerung (z.B.: SPS über externe Signale)
  • 3. Leistungsdaten
  • 4. Umgebungstemperatur
  • 5. Aufstellungshöhe (falls über 1000 m)
Regelung von Asynchronmotoren mittels Frequenzumrichter

Die Frequenzregelung ist eine Option und erfolgt in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen. Eingesetzt werden Frequenzumrichter in Direkt- (bis 26,4 kW) und Wand- bzw. Schaltschrankanbauweise (alle Leistungsgrößen).

Die auch als integrierter Antrieb oder Kompaktantrieb bezeichnete dezentrale Lösung des Direktanbaus an den Motor sorgt für eine bessere Abstimmung zwischen Motor und Umrichter, da sich die Problematik der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV-Richtlinie EN 61800-3) minimiert.

Regelung von PM-Motoren

Baureihen herborner.X-PM/ herborner.F-PM/ UNIBAD-PM/ UNIBLOCK-GF-PM/ WATERblue-H-PM/ UNIVERS-P/A/T-PM...

Mit der Einführung des PM-Motors (Permanent-Magnet-Motor) IE5, was der aktuell höchsten Energieeffizienzklasse für Motoren entspricht, bekommt das Pumpensystem einen weiteren Schub der energetischen Optimierung. Permanent-Magnet-Motoren können nicht direkt am Netz, sondern ausschließlich mit Frequenzumrichter betrieben werden. Der Einsatz dieser energieeffizienten Motoren ist somit ein weiterer Punkt, der für den Frequenzumrichter spricht.

Besonderes Merkmal der Kombination zwischen PM-Motor und Frequenzumrichter ist die prozessoptimierte Regelung des Frequenzumrichters zum Motor und die daraus resultierende Energieeinsparung. Hierbei zeigen sich die Vorteile von PM-Motoren gegenüber herkömmlichen Drehstrom-Asynchronmotoren, vor allem in der Abnahme geringer Leistungen über die Drehzahlreduktion.

Betriebspunktsteuerung mittels Frequenzumrichter

Grundsätzlicher Gedanke der Frequenzregelung von Pumpen ist die Drehzahlanpassung. Hierdurch resultiert,

1. eine Energieeinsparung im Fall wechselnder Betriebspunkte und / oder

2. eine Reduktion des Förderstroms bzw. Anpassung an die Anlagenerfordernisse.

Punkt 2 ist eine Alternative zur Möglichkeit Pumpen an die wechselnden Betriebsverhältnisse von Anlagen anzupassen. Bisher wurde hierfür zumeist eine sogenannte Drosselregelung verwendet, die mittels Schieber oder Blende Einfluss auf die Widerstandsparabel der Anlage nimmt. Hierbei ändert sich die Widerstandsparabel 1 z.B. in die geänderte Widerstandsparabel 2 (siehe Diagramm).

Zum Vergleich bei Ansteuerung der Pumpen durch Frequenzumformer wandert der Betriebspunkt der Pumpe bei Frequenzregelung entlang der ursprünglichen Widerstandsparabel 1. Die daraus resultierende Energieeinsparung zeigt sich im Leistungsdiagramm (Q-P- Kennfeld) in der Differenz von Punkt II zu Punkt III.

Vorrangig findet Frequenzregelung jedoch Einsatz zur Energieeinsparung bei wechselnden (meist zwei) Betriebspunkten. Unter Verwendung des vorgenannten Beispiels reduziert sich der Leistungsbedarf der Pumpe hierbei im Q-P- Kennfeld von Punkt I auf Punkt III.

Unterschreitet die Drehzahl jedoch eine Größe bei der keine akzeptable Ausbildung der Strömung mehr stattfindet (bei etwa 30 Hz), können die Gesetze nicht mehr angewandt werden. Zwar stimmen die Werte Q, H, P und Eta zueinander, doch führen Verwirbelungen und Luft im Medium zu ungenauen Messungen. Hierdurch sind der Frequenzregelung Grenzen gesetzt.

Letztendlich gilt es bei genauer Betrachtung der Systemoptimierung auch den optimalen Wirkungsgradverlauf (Eta optimal) der Pumpe zu berücksichtigen. Dieser besitzt ebenfalls Einfluss auf die bestmögliche Abstimmung der Pumpe zur Anlage.

Die Energieeinsparung durch Frequenzsteuerung lässt sich mit Hilfe der Ähnlichkeitsgesetze für Kreiselpumpen berechnen. Kreiselpumpen erreichen das größte Energiesparpotenzial. Sie gehören zu den Strömungsmaschinen mit quadratischem Drehmomentverlauf und es gelten für sie die nebenstehenden Proportionalitätsgesetze.

Der entscheidende Faktor für die Energieeinsparung ist der kubische Zusammenhang von Drehzahl und Energieaufnahme. Eine mit halber Drehzahl laufende Pumpe benötigt nur ein Achtel der beim Betrieb mit voller Drehzahl erforderlichen Leistung.

Beispiel für die nutzung eines Frequenzumrichters in der Badewassertechnik

Nachtabsenkung

Betriebspunkt: Q = 215 m3/h
H = 14 m
P = 11,5 kW
Nachtabsenkung durch Abschalten einer Pumpe: Q = 170 m3/h
H = 1 m
P = 5,5 kW
Frequenzregelung von 2 Pumpen: Q = 107,5 m3/h
H = 6 m
P = 4,5 kW
Energieeinsparung durch Nachtabsenkung: P = 1,0 kW
Betriebsstunden im Jahr bei Nachabsenkung: 3000 h
Einsparung 3000 kWh