Frequency
control

Frequency control of centrifugal pumps

Frequency converter

Frequency converters are used for the electronic regulation of the speed of motors. Using frequency converters, you can save a lot of energy and considerably reduce material wear.

Frequency converters gently start and stop motors in an infinitely variable manner. In contrast with motors operated directly through the mains, no torque or power impulse occurs in the case of the frequency converter, which means that the entire drive train with motor, pump, and pipeline system, including the seals, is protected. In this way, speed regulation considerably reduces the wear and the lifetime of the plant is extended. Repair and maintenance costs decrease thanks to longer operating intervals and lower material wear.

Applications

A wide range of applications available for frequency converters in pump technology: the advantage of frequency converters mainly lies in the adaptability of the duty point to plant requirements through pump speed regulation. Various duty points can also be operated in this manner, among other things. An example of this is the night-time energy reduction in swimming pools. Other situations, however, also make frequency converters absolutely necessary. If the selected pump size is too large, for example, the valve of the pipeline will close, which means that the duty point is not adapted (which makes no sense energetically), and the speed will be adapted using the frequency converter. Subsequent plant changes can also be regulated in this way. Additional applications include the regulation of pumps or the adaptation of pump duty points. This may be necessary in waste water or clean water systems.

The energy savings potential arising through the use of frequency converters depends on the type of load to be driven, the optimisation of the efficiency of the pump or drive by the frequency converter, and the time in which the system runs in partial load operation.

Selection of the suitable frequency converter

For the selection of the most suitable frequency converter, you must take the following points into consideration:

  • 1. Voltage and type of the supply network
  • 2. Control (e.g. PLC via external signals)
  • 3. Performance data
  • 4. Ambient temperature
  • 5. Installation height (if above 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