Frequenzumrichter senken
Lebenszykluskosten in Pumpensystemen

Frequenzumrichter senken Lebenszykluskosten in Pumpensystemen
Der modulare Frequenzumrichter VLT® AQUA Drive.
29.10.2010 | In vielen Bereichen der Industrie, Gewerbe, Haus und Landwirtschaft sind Pumpensyste­me nicht mehr wegzudenken. In der Gesamtbetrachtung verbrauchen sie etwa 20% des Weltenergiebedarfs an elektrischer Energie.

Wurden bis vor einigen Jahren bei der Aus­wahl von Pumpensystemen lediglich die Anschaffungs- und Installationskosten berück­sichtigt, gewinnt heute die ganzheitliche Betrachtung zunehmend an Bedeutung. Bekannt unter dem Stichwort Lebenszykluskosten (LCC), werden hierbei die gesamten Kosten be­trachtet, die Pumpensysteme während ihrer Laufzeit verursachen.

In dieser Lebenszykluskosten-Gleichung, 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, werden innovative, geregelte Pumpenantriebe gesucht. Moderne Frequenzumrichter, wie der VLT® AQUA Drive, bieten ideale Möglichkeiten sowohl die Energie- als auch die Instandhaltungskosten zu senken.

Energiekosten senken

Einer der größten Kostenfaktoren in der Gleichung zur Berechnung der Lebenszykluskosten sind die Energiekosten. Vor allem dann, wenn Pumpensysteme mehr als 2000 Stunden im Jahr in Betrieb sind. Werden bestehende Pumpensysteme betrachtet, so schlummern darin meist erhebliche Potenziale zur Energieeinsparung. Das kommt daher, dass der Großteil aller Pumpenantriebe überdimensioniert ist, da sie auf den sog. „worst case“ Fall ausgelegt wurden. Es wird unnötig Energie verbraucht, da die Pumpen mit voller Leistung laufen und die Volumenstromänderung meist über Drosselventile erfolgt. Vergleichbar ist das mit einem Auto, das ständig Vollgas fährt und die Geschwindigkeit über das Bremsen angepasst wird.
Die Frage, – warum? – über die Drehzahlregelung mittels Frequenzumrichter Energie eingespart werden kann, liegt in den Grundgesetzen von Strömungsmaschinen begründet. Alle Kreiselpumpen zählen zu dieser Kategorie.

Den Unterschied zwischen Drosselregelung und Drehzahlregelung verdeutlicht Abb. 2. Um den Durchfluss bei der Drosselregelung zu reduzieren, wird ein Schieber oder ein Ab­sperrventil in der Anlage zugefahren. Im Diagramm verschiebt sich dabei der Betriebs­punkt auf der Pumpenkennlinie nach links oben. Es ist deutlich zu sehen, dass der Durch­fluss sinkt, der Energieverbrauch dagegen ansteigt. Anders bei der Drehzahlregelung. Hier verschiebt sich der Betriebspunkt auf der Anlagenkennlinie nach links unten. Dabei sinkt nicht nur der Durchfluss sondern vor allem auch der Energieverbrauch. Der etwas dunklere orangefarbene Kasten zeigt den zusätzlichen Energiebedarf, der bei Einsatz einer Drosselregelung aufgebracht werden muss.

Durch die Einsparungen bei den Energiekosten, amortisiert sich die Investition für Frequenzumrichter innerhalb kurzer Zeit. Erfahrungswerte gehen von 1 bis 1½ Jahren aus.

Der neue VLT® AQUA Drive setzt genau am Punkt der Energieeinsparung an und bietet weitere Möglichkeiten die Energiekosten zusätzlich zu senken.

Eine dieser Möglichkeiten ist die automatische Energieoptimierung, kurz AEO. Damit lässt sich durch Absenkung der Motorspannung im Teillastbetrieb eine zusätzliche Energieeinsparung von ca. 5% erreichen.

Eine weitere Möglichkeit bietet der Energiesparmodus. Er ermöglicht einem Pumpensystem zu stoppen, das bei minimaler Drehzahl arbeitet und nahezu keine Last aufnimmt. Steigt die Leistungsnachfrage im System wieder an, erkennt der Frequenzumrichter dies automatisch und regelt auf den erforderlichen Durchfluss. So läuft die Pumpe nur, wenn sie tatsächlich benötigt wird. Die Energiekosten werden weiter gesenkt und der Verschleiß reduziert.


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Gleichung zur Berechnung der Lebenszykluskosten LCC.
Der VLT® AQUA Drive geht selbst mit gutem Beispiel voran. Er benötigt weniger Energie als sein Vorgänger und hat damit einen höheren Wirkungsgrad.

Instandhaltungs- und Reparaturkosten reduzieren

Frequenzumrichter starten und stoppen sanft und sie regeln die Pumpensysteme stufenlos. Anders als beim direkt am Versorgungsnetz betriebenen Motor oder bei Stern-/ Dreieck-Kombinationen, tritt beim Betrieb am Frequenzumrichter kein Momentenstoß auf. Die gefürchteten „Wasserschläge“ bleiben aus. Das schont den gesamten Antriebsstrang bestehend aus dem Motor mit seinen nachgeschalteten Komponenten (Getriebe, Kupplung, Pumpe und Rohrleitungssystem). In Bezug auf die Kosten für Instanthaltung und Reparatur, hat der Einsatz von frequenzumrichtergeregelten Pumpensystemen vor allem 2 Vorteile. Zum einen müssen während der Instandhaltungsarbeiten weniger Verschleißteile erneuert werden. Dadurch sinken die Kosten für den Materialeinsatz. Zum anderen verlängern sich die Intervalle zwischen den Instandhaltungsarbeiten. Das senkt die Arbeitskosten. Die Gründe für den Einsatz von Frequenzumrichtern liegen neben den Energieeinsparungen auch in der geringeren Abnutzung der Systemkomponenten und in der Verlängerung der Lebensdauer des gesamten Pumpensystems.

Der VLT® AQUA Drive bietet einige interessante Merkmale, die zusätzlich helfen, den Verschleiß von Pumpensystemen zu minimieren.

So bieten die 2-stufigen Start-/Stopprampen die Möglichkeit, Pumpen schnell bis zu einer frei wählbaren Drehzahl zu beschleunigen oder abzubremsen. Diese Drehzahl kann z.B. die Mindestdrehzahl der Pumpe sein. Mit der 2. Stufe der Rampe wird dann während des normalen Regelbetriebes gearbeitet. Der Vorteil für den Pumpenanwender sind niedrige Kosten durch Verschleiß während der Start- und Stoppphase.

Frequenzenausblendung ist ein weiteres Merkmal. Treten während des Betriebes Schwingungen oder Resonanzen im Medium oder im Antriebsstrang auf, können die zugehörigen Frequenzen im Frequenzumrichter ausgeblendet und dadurch der Anlagenverschleiß gemindert werden.

Mit dem Trockenlaufschutz überwacht der VLT® AQUA Drive die Pumpe. Befindet sich im Zulauf wegen eines Rohrbruches oder wegen eines geschlossenen Ventils kein Wasser, so schützt der Frequenzumrichter die Pumpe durch abschalten. Zusätzlich wird eine Störmeldung an das übergeordnete Leitsystem ausgegeben.

Durchdachte Frequenzumrichter – Projektierung

Um die Möglichkeiten eines Frequenzumrichters optimal zu nutzen, bedarf es im Vorfeld einer durchdachten Projektierung. Bereits während der Planungsphase werden die Weichen in punkto Betriebssicherheit und Kosten für Energie, Betrieb, Instandhaltung und Reparatur der künftigen Pumpensysteme gestellt. Checklisten zur Projektierung von Frequenzumrichtern helfen bereits bei der Ausschreibung. Sie geben hilfreiche Ratschläge und Informationen mit dem Ziel, energieeffiziente und betriebssichere Pumpensysteme aufzubauen.
Das durchdachte Design und der Einbau aller erforderlichen Komponenten, wie Funkentstörfilter, Netzrückwirkdrosseln in den Frequenzumrichter, machen den VLT® AQUA Drive auch in rauen Umgebungen zu einem zuverlässigen Gerät. Es entsteht kein zusätzlicher Verdrahtungsaufwand zum Anschluss von externen Komponenten, der Platz, Material und Arbeitszeit kostet. Die Frequenzumrichter sind in den Gehäuseschutzarten IP00/20/21, für den Schaltschrankeinbau und in IP54/55 für die dezentrale Wandmontage lieferbar. Die Spritzwasser geschützte Schutzart IP54 eignet sich sehr gut für Pumpensysteme, die durch Modernisierungsmaßnahmen nachträglich mit einem Frequenzumrichter ausgerüstet werden. Sollten die Umgebungsbedingungen einmal besonders rau sein, ist der VLT® AQUA Drive auch in Schutzart IP66 lieferbar.

Vorteile für den Anwender

Moderne Frequenzumrichter bieten dem Betreiber von Pumpensystemen entscheidende Vorteile die Kosten für Investition, Energie, Betrieb, Instandhaltung und Reparatur zu senken. Sie beeinflussen damit positiv die Gleichungskomponenten der Lebenszykluskosten beschrieben sind. Dies gilt nicht nur für Neuanlagen, sondern auch für die Modernisierung bestehender Anlagen.

Der Wirkungsgrad von Pumpensystemen hängt vom optimalen Betriebspunkt ab. Dieser Betriebspunkt schwankt je nach Auslastung. Je genauer allerdings dieser Betriebspunkt getroffen wird, desto effizienter arbeitet das System und desto höher ist folglich auch der Wirkungsgrad. Durch die stufenlose Regelung bieten Frequenzumrichter die Möglichkeit diesen Betriebspunkt exakt anzufahren. Das ermöglicht eine deutliche Senkung der Energiekosten. Weitere Kosten werden durch längere Instandhaltungsintervalle und geringere Reparaturkosten in Folge geringerer mechanischer Beanspruchung des Pumpensystems eingespart. Aufgaben, für die bisher externe Geräte benötigt wurden, wie beispielsweise die Überwachung des Motorkaltleiters, werden vom Frequenzumrichter übernommen. Dadurch wird an den Investitionskosten gespart. Diese Kosten werden weiter reduziert, da Schutzmechanismen wie Motorschutz und Pumpenschutz direkt vom Frequenzumrichter übernommen werden. Einstellbare Hochlauframpen verhindern unerwünschte Einschalt-Stromspitzen. Der Anschlusswert der Pumpensysteme ist geringer und evtl. notwendige Emax-Regelungen können entfallen. Die Bereitstellungskosten beim Energieversorgungsunternehmen sinken. Da das Pumpensystem nicht konstant bei Nenndrehzahl läuft, entsteht eine geringere Abnutzung, wodurch die Lebensdauer des Systems erhöht wird. Auch der Geräuschpegel des Pumpensystems wird durch den Betrieb im Teillastbetrieb erheblich verringert. Frequenzumrichter erlauben auch eine Erweiterung des Regelbereiches. Ein Betrieb im übersynchronen Bereich, über der normalen Nennfrequenz von 50 Hz ist möglich.

Geregelte Pumpenantriebe sind weiter auf dem Vormarsch. Moderne Frequenzumrichter treiben Pumpen schonend an und schützen diese gleichzeitig. Zusätzlich wird die Betriebssicherheit durch eine ausgeklügelte Systemkontrolle und -überwachung erhöht. Neben der Komfortsteigerung im laufenden Betrieb, sinken die Instandhaltungskosten aufgrund längerer Wartungsintervalle und die Energiekosten aufgrund des geringeren Verbrauchs. Danfoss, weltweit einer der führenden Hersteller von Frequenzumrichtern, verfügt über langjährige und umfangreiche Erfahrungen in den Bereichen Wasser-, Abwassertechnik und der Pumpenindustrie. Ausführliche Unterlagen sowie Tipps und Hinweise zum neuen VLT® AQUA Drive erhalten Sie kostenfrei bei Danfoss.

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