Anbieter von Frequenzumrichter-Energierückkopplungsgeräten weisen darauf hin, dass der Einsatz von Pumpen, Ventilatoren und anderen Anlagen in der modernen industriellen Automatisierungsproduktion stetig zunimmt. Ihr Stromverbrauch, Drosselverluste durch Leitbleche, Ventile und andere Komponenten sowie die laufenden Wartungs- und Reparaturkosten machen fast 20 % der Gesamtkosten aus. Dies stellt einen erheblichen Produktionsaufwand dar. Mit der wirtschaftlichen Entwicklung, den fortschreitenden Reformen und dem zunehmenden Wettbewerb sind Energieeinsparung und Verbrauchsreduzierung zu wichtigen Mitteln geworden, um die Produktqualität zu verbessern und die Produktionskosten zu senken.
1. Grundlagen der Energiespartechnologie mit variabler Frequenz
Das Grundprinzip der Frequenzumwandlungstechnik besteht darin, die Frequenz des von elektrischen Geräten genutzten Wechselstroms über einen längeren Zeitraum konstant zu halten. Die Frequenzumwandlungstechnik ermöglicht es, die Frequenz als frei einstellbare und nutzbare Ressource zu nutzen. Die aktuell aktivste und sich am schnellsten entwickelnde Technologie im Bereich der variablen Frequenzumwandlung ist die Drehzahlregelung variabler Frequenz.
Die Frequenzumwandlungstechnologie umfasst Computertechnik, Leistungselektronik und Impulsübertragungstechnik. Sie ist eine umfassende Technologie, die mechanische Anlagen mit starker und schwacher Elektrizität verbindet. Dabei wird das Signal des Netzfrequenzstroms in andere Frequenzen umgewandelt, was hauptsächlich durch Halbleiterbauelemente erreicht wird. Anschließend wird der Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt, und der Wechselrichter regelt Strom und Spannung und ermöglicht so eine stufenlose Drehzahlregelung der elektromechanischen Anlage. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Frequenzumwandlungstechnologie die Drehzahl eines Motors durch Änderung der Stromfrequenz steuert und dadurch die Motoranlage effektiv kontrolliert. Dies alles basiert auf der jährlichen Erhöhung der Stromfrequenz und der Motordrehzahl. Charakteristisch für die Frequenzumwandlungstechnologie ist, dass sie einen ruhigen Motorlauf gewährleistet, Beschleunigung und Verzögerung automatisch steuert und den Energieverbrauch senkt, während gleichzeitig die Arbeitseffizienz gesteigert wird.
Im täglichen Einsatz von Frequenzumrichtern kommen hauptsächlich die direkte Drehmomentregelung und die Vektorregelung zum Einsatz. Zukünftig werden künstliche neuronale Netze und Fuzzy-Selbstoptimierungsverfahren Anwendung finden. Mit fortschreitender Entwicklung der Frequenzumrichter wird auch deren Funktionalität deutlich zunehmen. Neben der grundlegenden Drehzahlregelung verfügen sie dann auch über integrierte Kommunikations-, Programmier- und Parameteridentifikationsfunktionen.
2. Energiesparprinzip des Frequenzumrichters
2.1 Energiesparmethoden mit variabler Frequenz
Gemäß der Strömungsmechanik gilt: Leistung = Druck × Volumenstrom. Volumenstrom und Drehzahl sind proportional zur Potenz 1, der Druck proportional zum Quadrat der Drehzahl und die Leistung proportional zur dritten Potenz der Drehzahl. Bei konstantem Wirkungsgrad der Wasserpumpe sinkt die Drehzahl proportional mit abnehmendem Volumenstrom, und die abgegebene Leistung nimmt kubisch ab. Daher ist die Drehzahl der Wasserpumpe annähernd proportional zur Leistungsaufnahme des Motors. Beispielsweise beträgt die Leistungsaufnahme eines 55-kW-Wasserpumpenmotors bei 80 % seiner Nenndrehzahl 28 kWh, was einer Energieeinsparung von 48 % entspricht. Wird die Drehzahl jedoch auf 50 % der Nenndrehzahl reduziert, sinkt die Leistungsaufnahme auf 6 kWh, und die Energieeinsparung beträgt 87 %.
2.2 Anwendung der Leistungsfaktorkompensation zur Energieeinsparung
Die Blindleistung führt nicht nur zu einer Erwärmung der Geräte und erhöhtem Leitungsverschleiß, sondern vor allem zu einer Verringerung des Leistungsfaktors und damit der Wirkleistung im Stromnetz. Dies wiederum führt zu einem erhöhten Verbrauch von Blindenergie in den Stromleitungen, was die Geräteeffizienz mindert und erhebliche Energieverschwendung verursacht. Durch den Einsatz eines Frequenzumrichters mit Filterkondensator wird der Blindleistungsverlust weiter reduziert, wodurch die Wirkleistung im Stromnetz steigt.
2.3 Nutzung des Sanftanlaufverfahrens zur Energieeinsparung
Da der Motor per Stern-/Dreieck- oder Direktstart angelaufen wird, ist der Anlaufstrom vier- bis siebenmal so hoch wie der Nennstrom. Dies kann das Stromnetz und elektromechanische Anlagen stark belasten. Zudem erfordert dies eine sehr hohe Netzkapazität, da beim Anlauf ein relativ hoher Strom entsteht. Vibrationen können Ventile und Leitbleche erheblich beschädigen und die Lebensdauer von Rohrleitungen und Anlagen deutlich verkürzen. Der Einsatz von Frequenzumrichtern nutzt deren Sanftanlauffunktion, um den Anlaufstrom von Null zu starten. Der Maximalwert überschreitet dabei nicht den Nennstrom. Dadurch werden die Belastung des Stromnetzes und die Anforderungen an die Netzkapazität erheblich reduziert und die Lebensdauer von Ventilen und Anlagen deutlich verlängert.
3. Anwendungsbeispiele der energiesparenden Technologie mit variabler Frequenz
Wir nutzten die Installation eines Frequenzumrichters an einer 160-kW-Umwälzpumpe als Beispiel, um die Umrüstung auf energiesparende Frequenzumrichter zu demonstrieren. Wir testeten den Stromverbrauch vor und nach der Umrüstung und erzielten sehr zufriedenstellende Ergebnisse.
3.1 Steuermodus vor der Frequenzumwandlung
Beim Betrieb einer Umwälzpumpe muss bei prozessbedingten Änderungen der Fördermenge die Öffnung von Ein- und Auslass angepasst werden, um die tatsächliche Fördermenge zu ändern. Diese Anpassungsmethode wird als Drosselung bezeichnet. In diesem Beispiel beträgt die Ventilöffnung an Ein- und Auslass etwa 60 %. Aus energetischer Sicht ist dies eine sehr unwirtschaftliche Anpassungsmethode.
3.2 Steuermodus nach der Frequenzumwandlung
Beim Betrieb einer Umwälzpumpe öffnen sich bei prozessbedingten Durchflussänderungen sowohl das Einlass- als auch das Auslassventil vollständig. Durch Anpassen der Motordrehzahl lässt sich ein geeigneter Betriebspunkt finden, um den gewünschten Durchfluss zu erzielen. Je nach Situation und Bedarf vor Ort kann die Steuerung manuell oder automatisch erfolgen. Da in diesem Beispiel der Durchfluss nicht häufig angepasst werden muss, wurde die Betriebsfrequenz des Motors basierend auf den Gegebenheiten vor Ort auf 40 Hz festgelegt. Die manuelle Steuerung dient primär der Energieeinsparung.
4. Änderungen im Betrieb nach Verwendung eines Drehzahlregelungssystems mit variabler Frequenz
Der sanfte Anlauf wurde vollständig realisiert. Beim Anlauf des Motors steigt die Rotordrehzahl allmählich mit der Frequenz der Eingangsspannung an, was zu einem gleichmäßigen Drehzahlanstieg führt. Die Anlaufzeit des Gesamtsystems beträgt etwa 20 Sekunden, was keine Auswirkungen auf das System hat und sanfter ist als die ursprüngliche Anlaufmethode.
Der Stromverbrauch im Stromnetz wurde deutlich reduziert, wodurch die Nutzung elektrischer Geräte sicherer wird. Gleichzeitig sinkt mit der Frequenz auch die Motordrehzahl, was den mechanischen Verschleiß verringert und somit die Ausfallwahrscheinlichkeit und die Wartungskosten erheblich senkt. Der Transformator, der die Wasserpumpe mit Strom versorgt, spart einen Großteil seiner Leistungskapazität. Durch die Reduzierung der Wirklast werden rund 50 Kilowatt eingespart, was die Auslastung der Anlage verbessert. Der Leistungsfaktor des Motors verbessert sich entsprechend, wodurch der Motor wirtschaftlicher arbeitet.
Der Einsatz von Frequenzumrichtertechnologie hat die Produktqualität verbessert, den Energieverbrauch gesenkt, Energie gespart und die Wirtschaftlichkeit von Unternehmen weiter gesteigert. Die Anwendung der Frequenzumrichtertechnologie zur Drehzahlregelung erfordert die Umrüstung dieser Anlagen, um Energieeinsparungen zu erzielen.