Effiziente Frequenzumrichterantriebe für Pumpen und Lüfter Optimal drehen und damit Energie sparen - wirautomatisierer

Effiziente Frequenzumrichterantriebe für Pumpen und Lüfter

Optimal drehen und damit Energie sparen

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Drehzahlvariable Antriebe für Pumpen und Lüfter sind ein probates Mittel gegen steigende Energiekosten. Speziell für die Gebäude- und Anlagentechnik entwickelte Frequenzumrichter reduzieren den Energieverbrauch um bis zu 60 %. Gleichzeitig vermindert die effiziente Regelungstechnik den Verschleiß der angeschlossenen Motoren. Längere Wartungsintervalle, kürzere Stillstandszeiten und eine höhere Lebensdauer der elektrischen Antriebssysteme sind die Folge, sodass sich die Investition in moderne Umrichtertechnologien innerhalb kurzer Zeit amortisiert.

Dipl.-Ing. Michael Orant, Business Development, Mitsubishi Electric Europe in Ratingen (www.mitsubishi-automation.de)

Steigende Energiepreise, gesetzliche Vorgaben und das wachsende Bewusstsein für die Folgen des Klimawandels rücken Maßnahmen zur Senkung des Energieverbrauchs in Gebäuden und Industrieanlagen immer stärker in den Vordergrund. Gefragt sind energieeffiziente Technologien und ein wirksames Energiemanagement. Große, vielfach noch ungenutzte Einsparpotenziale bergen Pumpen und Lüfter, die heute etwa zwei Drittel der in der Antriebstechnik genutz- ten elektrischen Energie verbrauchen. Der Schlüssel zum niedrigen Stromverbrauch liegt im drehzahlvariablen Betrieb der Motoren mit modernen Frequenzumrichtern. Der Markt bietet speziell auf Pumpen und Lüfter zugeschnittene Geräte, die sich leicht nachrüsten und in ein gebäude- und anlagenübergreifendes Energiemanagementsystem einbinden lassen.
Wie effizient die Kombination aus Standard-Asynchronmotor und Frequenzumrichter ist, zeigt beispielhaft die Nachrüstung einer Anlage zur Sickerwasserbehandlung, die der Zweckverband Abfallwirtschaft Region Hannover (aha), zuständig für die Abfallentsorgung von mehr als 1 Mio. Einwohnern, auf der eigenen Deponie Hannover-Lahe betreibt. Rund 100 000 m3 Sickerwasser werden jährlich in der Behandlungsanlage aufbereitet.
Zwölf Drehkolbenpumpen mit einer Förderleistung von je 35 m3/h arbeiten ununterbrochen an 365 Tagen im Jahr in einer Nachklärstufe der Sickerwasserbehandlungsanlage. Die Pumpen beschicken die Schlammtrennung und entziehen dem Klärungsprozess das biologisch gereinigte Wasser. Nach dieser Reinigungsstufe durchläuft das von Stickstoff- und leicht abbaubaren organischen Verbindungen gereinigte Abwasser sechs Aktivkohlefilter, die schwer abbau- bare organische Substanzen, wie halogenierte Kohlenwasserstoffe, entfernen. Das vorgereinigte Abwasser wird anschließend zur kommunalen Kläranlage nach Hannover-Herrenhausen gepumpt, zusammen mit den häuslichen Abwässern gereinigt und danach in die Leine geleitet.
Wie in der Gebäude- und Industrietechnik bis heute weit verbreitet, betrieb die aha die Drehkolbenpumpen in den ersten Monaten direkt am Stromnetz. Einmal eingeschaltet liefen die Drehstromasynchronmotoren auch bei geringen Fördermengen mit nahezu festen Drehzahlen knapp unterhalb der Nenndrehzahl des Motors – und verschwendeten dabei viel Energie. Denn bei ungeregelten elektrischen Pumpen- und Lüfterantrieben wird bei niedrigeren Fördermengen meist einfach der Massenstrom mit mechanischen Stellgliedern gedrosselt oder es wird ein Bypass geöffnet, wobei der Motor jedoch mit hoher Leistungsaufnahme weiterläuft.
Energieverschwendung plus Mechanikprobleme
Doch das war nicht der einzige Nachteil der ungeregelten Technik: Die Pumpen waren zudem starken mechanischen Belastungen ausgesetzt, da bei einer Netzaufschaltung die volle Netzspannung wirksam ist und kein geregeltes Hochfahren der Pumpen stattfindet. Die Folgen waren immer wiederkehrende Lagerschäden, Dichtungsprobleme und Leckagen am Gehäuse sowie Schwierigkeiten mit der gesamten Verrohrung des Pumpensystems. Alle zwei bis drei Monate mussten neue Lager installiert werden, die als Ersatzteil rund 700 Euro kosteten. Zudem kam es bei plötzlichen Druckanstiegen immer wieder zu Membranbrüchen in der Ultrafiltration.
Umweltschutz auf höchstem Niveau – diese aha-Philosophie gilt auch beim Betrieb der Sickerwasserbehandlungsanlage. Ein schonungsloser Umgang mit Umwelt und Energie passt nicht zu den Zielen des Verbands, der sich zudem zur Wirtschaftlichkeit verpflichtet sieht. Deshalb entschied sich der Betreiber, speziell auf die Anforderungen von Pumpen und Lüftern zugeschnittene Energiespar-Frequenzumrichter von Mitsubishi Electric in die Anlage einzubauen. Technische Beratung, Lieferung und Montage der Geräte erfolgte durch die Fritsche Industrievertretungen GmbH (www.fritschegmbh.de), Isernhagen, Partner im Automation Network von Mitsu-bishi Electric. Das Unternehmen installierte zwölf Frequenzumrichter vom Typ FR-F740 mit einer Nennleistung von gesamt 66 kW. Die Antriebe sind via Profibus DP vernetzt und mit einem Prozessleitsystem verbunden.
Bedarfsgerechte Drehzahlregelung
Frequenzumrichter wandeln die feste Spannung und Frequenz des Stromnetzes in variable Spannungen und Frequenzen um. Aus einem einfachen Drehstromasynchronmotor wird so ein Antrieb mit veränderbarer Drehzahl, der sich bedarfsgerecht steuern lässt. Mit anderen Worten: Der Motor nimmt nur die Leistung auf, die gerade notwendig ist. Die Anpassung an die aktuelle Fördermenge erfolgt durch Verstellen der Drehzahl auf der für die Arbeitsmaschine charakteristischen Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie.
Pumpen und Lüfter weisen eine variable Kennlinie und einen mit der Drehzahl quadratisch ansteigenden Lastmomentverlauf auf. Der Arbeitspunkt des drehzahlgeregelten Motors bestimmt dabei die Höhe der Energieeinsparung, die bei Lüfter- und Pumpenantrieben besonders groß ist. Bereits geringe Drehzahlabsenkungen bringen einen großen Einspareffekt – der je nach Motor und Kennlinie bis zu 50 % beträgt.
Noch mehr Energie lässt sich mit den Fre- quenzumrichtern der Baureihe FR-F700 einsparen, die mit einem neuartigen Regelverfahren ausgestattet sind: Die von Mitsubishi Elec-tric entwickelte Technologie „Optimum Exitation Control“ spart gegenüber herkömmli-chen Frequenzumrichtern noch einmal zusätzlich rund 10 % Energie. Diese Technologie versorgt den angeschlossenen Motor zu jeder Zeit mit dem optimalen magnetischen Fluss, was einen höchstmöglichen Wirkungsgrad zur Folge hat. Dies wirkt sich besonders positiv im unteren Drehzahlbereich sowie in der Hochlauf- und Bremsphase aus. Die Folge: Der Motor läuft äußerst netz- und mechanikschonend, „lebt“ länger und arbeitet wirtschaftlicher.
Gewinn für Klima und Betreiber
Die fortschrittliche Regelungstechnik hat auch aha-Betriebsleiter Frank-Dieter Schulz überzeugt: „Wir konnten nicht nur die Mechanikprobleme beseitigen, sondern auch den Wirkungsgrad der gesamten Anlage um 4 bis 5 % verbessern. Dazu kommt der Energiespareffekt, der bares Geld wert ist.“ Denn rund 95 % der Lebenszykluskosten eines Elektromotors entfallen auf die im Betrieb verbrauchte Energie, nur 5 % auf Anschaffung, Installation und Wartung. Die Nachrüstung amortisierte sich in nur zwei Jahren. Jetzt spart der Betreiber jedes Jahr 70 000 Euro Betriebskosten – und die Umwelt profitiert vom reduzierten Kohlendioxid-Ausstoß.
Bewährt hat sich auch das einfache Kontroll- und Datenmanagement der Geräte. Aktuelle Betriebsgrößen wie Strom, Spannung und Leistung lassen sich schnell und einfach ablesen. Auch die gesparte Energie kann direkt über die übersichtliche Bedieneinheit angezeigt werden. Eine komfortable Einknopfbedienung mit einem Jog-Shuttle, dem sogenannten Digital Dial, ermöglicht einen schnellen Zugriff auf alle wichtigen Antriebspara-meter. Ebenso leicht ist die Inbetriebnahme der Umrichter: Dank neuester Schaltungstechnologie und einem eingebauten EMV-Filter ist der Antrieb sofort betriebsbereit.
Passende Geräteversion
Die Frequenzumrichter der Serie FR-F740 (in Schutzart IP00/IP20) sind in einem weiten Leistungsbereich von 0,75 bis 630 kW erhältlich und für eine Betriebsspannung von 380 bis 480/500 V ausgelegt. Für Geräte ab 45 kW ist eine separate IP20-Unterbaueinheit für die frei stehende Montage in der Betriebsstätte verfügbar. Zudem stehen staub- und spritzwassergeschützte Geräteversionen in der Schutzart IP54 bis 55 kW Leistung zur Auswahl (Serie FR-F746). Typische Einsatzorte in Industrie und Gebäudetechnik sind Gebläse, Absaug-, Klima- und Hydraulikanlagen, Kompressoren, Abwasser-, Grundwasser- und Wärmepumpen sowie Antriebe mit hohem Leerlaufanteil.
Die robusten und sehr langlebigen Geräte sind nicht nur als Einzelantrieb geeignet, sie fügen sich auch nahtlos in einen Automatisierungsverbund ein. Schnittstellen zu offenen Feldbussystemen wie CC-Link, Devicenet, Lonworks und Profibus DP sind über Optionskarten erhältlich. Weitere Kommunikationswege, z.B. über die integrierte RS485- und Modbus-RTU-Schnittstelle oder einen optionalen USB-Adapter, erlauben den Aufbau von Multidrop-Netzwerken mit bis zu 32 Stationen sowie die Anbindung an moderne PC- und Visualisierungssysteme.
Diagnose- und Wartungsfunktionen schützen den Umrichter zuverlässig vor Ausfällen. Ein integriertes Selbstdiagnosesystem überwacht verschleißbehaftete Bauteile wie interner Lüfter oder Zwischenkreiskondensatoren und warnt rechtzeitig vor Ablauf der technischen Lebensdauer. Der wartungsfreundliche Aufbau sorgt für kurze Servicezeiten. Zahlreiche Schutz- und Überlastfunktionen, wie eine Phasenausfall- erkennung für Eingangs- und Ausgangskreis, sorgen für einen störungsfreien Betrieb und damit für hohe Verfügbarkeit und Betriebssicherheit – nicht nur bei der Abwasserentsorgung.
eA 464

praxis Plus
Die fortschrittliche Regelungstechnik mit den Mitsubishi-Frequenzumrichtern bietet in einer Anlage zur Sickerwasserbehandlung u.a. folgende Vorteile:
  • reduzierte Mechanikprobleme bei den Drehkolbenpumpen,
  • um 4 bis 5 % höherer Anlagenwirkungsgrad,
  • in nur zwei Jahren amortisierte Nachrüstungskosten bei jährlich um 70 000 Euro reduzierten Betriebskosten und verringertem CO2-Ausstoß.

  • „Umweltschutz auf höchstem Niveau“ ist wie im Beitrag erwähnt die Philosophie von aha. Hierzu gehört die umfassende Information zu aktuellen Themen im Umgang mit der Umwelt. So gibt es auf der unten genannten Website Antworten auf Fragen wie „Wohin kann ich meine Grünabfälle bringen? Im eigenen Garten kompostieren?! Wie kann ich einen Container für meine Baumaßnahme bekommen?“.
    Weitere Informatione zur Frequenzumrichterreihe FR-F700 sind hier verlinkt.
    Technische Beratung, Lieferung und Montage der Mitsubishi-Frequenzumrichter in der Anlage zur Sickerwasserbehandlung übernahm die hier verlinkte Fritsche Industrievertretungen GmbH.

    eA-INFO-TIPP
    „Umweltschutz auf höchstem Niveau“ ist wie im Beitrag erwähnt die Philosophie von aha. Hierzu gehört die umfassende Information zu aktuellen Themen im Umgang mit der Umwelt. So gibt es auf der unten genannten Website Antworten auf Fragen wie „Wohin kann ich meine Grünabfälle bringen? Im eigenen Garten kompostieren? Wie kann ich einen Container für meine Baumaßnahme bekommen?“:
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