Elektrotechnik

Frequenzumrichter gibt es in diversen Grössen. (Bild: Danfoss)

Kosten senken – Komfort erhöhen

Bei der Projektierung drehzahlgeregelter Antriebe treten häufig Fragen auf, die nicht unmittelbar mit den eigentlichen Aufgaben eines Frequenzumrichters verknüpft sind. Vielmehr betreffen sie die Einbindung dieser Geräte in das Antriebssystem und die Gesamtanlage. Daher ist es absolut notwendig, nicht nur den Frequenzumrichter, sondern das gesamte Antriebssystem zu betrachten.

Eine elektronische Drehzahlregelung kann im Vergleich zu mechanischen Lösungen viel Energie einsparen und den Materialverschleiss erheblich verringern. Beides reduziert die Betriebskosten deutlich. Je häufiger Antriebssysteme im Teillastbetrieb arbeiten (müssen), desto höher ist das Einsparpotenzial bei Energie- und Wartungskosten. Auf Grund des hohen Energieeinsparpotenzials amortisieren sich die Mehrkosten für eine elektronische Drehzahlregelung bereits innerhalb weniger Monate. Dabei beeinflussen moderne Lösungen den Prozess und die Verfügbarkeit des Gesamtsystems an vielen Stellen äusserst positiv.

Hohes Energieeinsparpotenzial

Die Regelung des Durchflusses, Drucks oder Differenzdrucks erfolgt bei einer elektronischen Drehzahlregelung, angepasst an den tatsächlich benötigten Bedarf. In der Praxis laufen Anlagen überwiegend im Teillastbetrieb und nicht unter Volllast. Die Differenz zwischen Voll- und Teillastbetrieb bestimmt die Höhe der Energieeinsparung, bei Strömungsmaschinen mit quadratischer Drehmoment-Kennlinie. Je grösser diese ausfällt, desto kürzer ist die Amortisationszeit. In der Regel liegt diese bei ca. 12 Monaten.

Anlaufstrombegrenzung

Direktes Einschalten von Anlagen am Versorgungsnetz erzeugt Stromspitzen, die das Sechs- bis Achtfache des Nennstroms erreichen können. Frequenzumrichter begrenzen den Anlaufstrom auf den Motornennstrom. Dadurch eliminieren sie die Stromspitzen beim Einschalten und vermeiden Spannungseinbrüche durch eine kurzzeitig sehr hohe Belastung des Versorgungsnetzes. Durch das Vermeiden dieser Stromspitzen ist der Anschlusswert der Pumpenanlage beim Energieversorger geringer; dies senkt die Bereitstellungskosten und eventuelle Emax-Regelungen entfallen.

Reduzierter Anlagenverschleiss

Frequenzumrichter starten und stoppen Motoren sanft und stufenlos. Anders als beim direkt am Netz betriebenen Motor tritt beim Frequenzumrichterbetrieb kein Momenten- oder Laststoss auf. Das schont den gesamten Antriebsstrang mit Motor, Getriebe, Kupplung, Pumpe/Gebläse/Verdichter und das Rohrleitungssystem inklusive der Dichtungen. So reduziert die Drehzahlregelung den Verschleiss deutlich und die Lebensdauer der Anlage verlängert sich. Die Reparatur- und Wartungskosten sinken dank längerer Betriebsintervalle und geringerem Materialverschleiss.

Optimale Betriebspunktanpassung

Der Wirkungsgrad von wasser- und abwassertechnischen Anlagen hängt vom optimalen Betriebspunkt ab. Dieser Betriebspunkt schwankt mit der Auslastung der Anlage. Je genauer sie diesen Betriebspunkt erreichen, desto effizienter arbeitet sie und desto höher ist folglich auch ihr Wirkungsgrad. Durch die stufenlose Regelung haben Frequenzumrichter die Möglichkeit, diesen optimalen Betriebspunkt exakt anzufahren.

Erweiterter Regelbereich

Frequenzumrichter bieten die Möglichkeit, Motoren in den sogenannten übersynchronen Bereich (Ausgangsfrequenz > 50 Hz) zu regeln. Dadurch lässt sich eine kurzzeitige Leistungssteigerung erreichen. In wie weit übersynchroner Betrieb möglich ist, hängt vom maximalen Ausgangsstrom und der Überlastfähigkeit des Frequenzumrichters ab. In der Praxis werden häufig Pumpen mit einer Frequenz von 87 Hz betrieben. Der Betrieb im übersynchronen Bereich ist unbedingt mit dem Motorenhersteller zu klären.

Geräuschentwicklung und Lebensdauer

Anlagen im Teillastbetrieb laufen leiser. Drehzahlgeregelter Betrieb senkt die Geräuschentwicklung dabei deutlich. Antriebssysteme im Teillastbetrieb unterliegen einer geringeren Abnutzung, die sich in einer längeren Lebensdauer bemerkbar macht. Vorteilhaft wirkt sich auch der reduzierte, optimierte Systemdruck an Frequenzumrichter lassen sich nachträglich mit wenig Aufwand in bestehende Antriebssysteme integrieren.

Drehzahlregelung spart Energie

Das Energiesparpotenzial beim Einsatz von Frequenzumrichtern hängt von der Art der anzutreibenden Last und von der Optimierung des Wirkungsgrads der Pumpe oder des Antriebs durch den Frequenzumrichter ab, sowie von der Zeit, die das System im Teillastbetrieb arbeitet. Trink- und Abwasseranlagen beispielsweise sind für selten auftretende Spitzenlasten ausgelegt und laufen daher meist im Teillastbetrieb. Das grösste Energiesparpotenzial erreichen Kreiselpumpen und Ventilatoren. Sie gehören zu den Strömungsmaschinen mit quadratischem Drehmomentverlauf und es gelten für sie die nachfolgenden Proportionalitätsgesetze. Mit steigender Drehzahl erhöht sich der Durchfluss proportional, der Druck steigt quadratisch und die Energieaufnahme nimmt kubisch zu. 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. Bereits geringe Drehzahlverminderungen führen so schon zu deutlichen Energieeinsparungen. So ergibt eine Drehzahlverringerung von 20 % bereits eine Energieeinsparung von 50 % . Der grosse Vorteil beim Einsatz von Frequenzumrichtern liegt darin, dass die Drehzahlregelung keine Energie verschwendet, wie beispielsweise eine Drosselregelung, sondern die Leistungsaufnahme des Motors exakt an den jeweiligen Bedarf anpasst.  Weiteres Energieeinsparpotential liegt in der Optimierung des Wirkungsgrads der Pumpe/des Antriebs bei Frequenzumrichterbetrieb. Die Spannungssteuerkennlinie (U/f-Kennlinie) liefert dem Motor bei jeder Frequenz (und damit Drehzahl) auch die passende Spannung. Dadurch vermeidet die Regelung Verluste im Motor durch zu hohem Blindstrom.

Betrachtung der Lebenszykluskosten

Bis vor einigen Jahren berücksichtigten Anlagenbauer und Betreiber bei der Auswahl von Pumpensystemen lediglich die Anschaffungs- und Installationskosten. Heute gewinnt die ganzheitliche Betrachtung aller Kosten zunehmend an Bedeutung. Bekannt unter dem Stichwort Lebenszykluskosten (LCC) umfasst sie die gesamten Kosten, die Pumpensysteme während ihrer Laufzeit verursachen. In dieser Lebenszykluskostengleichung sind neben den Anschaffungs- und Installationskosten auch die Kosten für Energie, Betrieb, Instandhaltung, Ausfall, Umwelt und Entsorgung enthalten . Einen entscheidenden Einfluss auf die Höhe der Lebenszykluskosten haben die beiden Parameter Energie- und Instandhaltungskosten. Um diese zu senken, suchen Betreiber nach innovativ geregelten Pumpenantrieben.

Energiekosten senken

Einer der grössten Kostenfaktoren in der Gleichung zur Berechnung der Lebenszykluskosten sind die Energiekosten. Dies gilt vor allem dann, wenn Pumpensysteme mehr als 2000 Stunden im Jahr in Betrieb sind. In bestehenden Pumpensystemen schlummern meist erhebliche Potenziale zur Energieeinsparung. Das kommt daher, dass der Grossteil aller Pumpenantriebe überdimensioniert ist, da sie auf den „worst case“ ausgelegt sind. Häufig erfolgt die Volumenstromänderung über Drosselventile. Bei dieser Regelung laufen die Pumpen immer mit voller Leistung und verbrauchen somit unnötig Energie. Vergleichbar ist das mit einem Auto, das ständig Vollgas fährt und der Fahrer die Geschwindigkeit über das Bremsen anpasst. Moderne intelligente Frequenzumrichter bieten ideale Möglichkeiten, sowohl die Energie- als auch die Instandhaltungskosten zu senken.

Fazit

In den Ausführungen obigen Ausführungen standen vor allem die Grundlagen mit den möglichen Einsparungen in Anlagen der Wasser/Abwasser-Technik im Mittelpunkt der Betrachtungen. So haben Sie mehr über die Lebenszykluskosten, die Einsparungen bei Energieverbrauch sowie Wartungs- und Servicekosten erfahren. Jetzt gilt es, die aus den Vorteilen resultierenden Einsparungen auch durch eine vernünftige und genaue Planung in die Praxis umzusetzen. Dazu führt Sie „ET Elektrotechnik“ in späteren Berichten durch die Planung. In den Themen

- Netzversorgung

- Umgebungs- und Umweltbedingungen

- Motor und Kabel

- Frequenzumrichter

erhalten Sie alle notwendigen Informationen über die Kenngrössen und Daten, die Sie für einen sicheren Betrieb der Anlage, sowie bei Auswahl und Dimensionierung benötigen. Für tiefer gehendes Wissen ist es von Vorteil sich mit den Spezialisten des jeweiligen Herstellers in Verbindung zu setzen. Hilfestellung geben dabei auch Checklisten und dergleichen. Nutzen wir das Wissen der Spezialisten und die vorhandenen Unterlagen und Dokumente, um weiter an der Energieeinsparung zu arbeiten. Es werden Zeiten kommen, da die Energie wesentlich teurer sein wird als heute.