Energieeffizienz im Fokus

Frequenzumrichter: Partner der Hygiene-Pumpe

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20.02.2015 Energieeffizienz ist nach wie vor in aller Munde: Investiert der Pumpen-Betreiber in einen Hocheffizienzmotor, profitiert er gegenüber einem Standardmotor von zwei bis vier Prozentpunkten höheren Wirkungsgraden.  

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • State of the art ist heute die stufenlose Regelung über einen im Motor fest integrierten Mikrofrequenzumformer. Dieses Antriebskonzept ist als dezentrale Lösung eine preiswerte, komfortable und auf die Pumpenanwendung hin optimierte Alternative zu externen Frequenzumformern.
  • Manchmal sind externe FU aus betriebstechnischen Gründen vorgeschrieben; auch bei Leistungen über 22 kW ist nur eine externe Lösung möglich.
  • Ganz allgemein gilt der Frequenzumformer heute als Bestandteil des Hygienic Designs.

Mit einem zusätzlichen Frequenzumformer spart er – wechselnde Lastzustände vorausgesetzt – locker das Mehrfache an Energie ein. Hinzu kommen Hygiene-Vorteile im Prozess. Doch gibt es bei Frequenzumrichtern designbedingt Unterschiede, die es zu beachten gilt.

Elektromotoren zum Antrieb von Kompressoren, Zentrifugen, Pumpen, Ventilatoren und Linearachsen sind in Europa für rund zwei Drittel des industriellen Stromverbrauchs verantwortlich – sie sind damit in jeder Anlage ein zentraler Kostenfaktor. Dabei ist der Kaufpreis des Motors die kleinste Position: Gerade einmal 2,5 % der Kosten über die gesamte Lebensdauer entfallen auf den Kauf, gigantische 96 % hingegen auf den Stromverbrauch.

Energieeffizienz im Fokus
Kein Wunder also, dass bei der Diskussion der optimalen Antriebstechnik die Energieeffizienz im Mittelpunkt steht – zumeist im Zusammenhang mit dem Einsatz eines Frequenzumrichters (FU). Es entsteht leicht der Eindruck, dass allein die Kombination eines Motors mit einem FU zur bestmöglichen Nutzung der zugeführten Energie führt.

Dem ist natürlich nicht so: Auch ein Frequenzumrichter arbeitet nicht mit Luft und Liebe allein, er „verbraucht“ erst einmal selbst Energie. Deshalb gilt es zunächst zu klären, ob ein FU überhaupt erforderlich ist – das Mehr an Technik kostet schließlich auch Geld. Bei wechselnden Lastzuständen ist diese Frage in aller Regel positiv zu beantworten; im Food- und Pharmabereich kommen weitere Aspekte, wie sanfter Start, Wärmeeintrag ins Medium etc., hinzu.

Ansonsten gilt: Eine Pumpe, die bei konstanter Last mit gleichbleibender Drehzahl am oder nahe dem Betriebspunkt arbeitet, ist in jedem Fall die energieeffizienteste Lösung. Statt einem zu groß dimensionierten Motor einen FU vorzuschalten, kann es in diesem Fall günstiger sein, einen effizienteren kleineren Antrieb zu wählen. Merke: Hocheffiziente Einzelkomponenten garantieren nicht in jedem Fall ein hocheffizientes Gesamtsystem.

Was gegen den Einsatz eines Frequenzumrichters spricht:

  • die höheren Kosten (auch wenn die Investitionskosten in den vergangenen Jahren deutlich günstiger wurden);
  • die Verluste an Wirkungsgrad (bei Volllast schlechterer Wirkungsgrad als bei Netzbetrieb; häufig Verluste auch im Teillastbereich);
  • Kosten für die EMV-Abschirmung und Nebenwirkungen wie beispielsweise Oberwellen im Netz (Zusatzverluste im Motor). Externe Filter erzeugen immer zusätzliche Verluste. Platz- und Klimatisierungsbedarf für Filter muss bei externen FU im Schaltschrank berücksichtigt werden.

Was für den Einsatz eines Frequenzumrichters spricht:

  • ein FU ist da sinnvoll, wo durch die einstellbare Drehzahl der wechselnde Leistungsbedarf des Prozesses exakt nachgeführt werden kann;
  • wenn aus Gründen der Prozessführung die einstellbare Drehzahl notwendig bzw. vorteilhaft ist;
  • nicht zuletzt können drehzahlgeregelte Pumpen den Inbetriebnahmeaufwand und die Anzahl von Regelventilen in der Anlage reduzieren. Dadurch sinken die Gesamtanlagenkosten.

Frequenzumrichter: extern, aufmontiert, integriert?
Im Prinzip sind alle Frequenzumrichter aus denselben Funktionsblöcken aufgebaut. Die Funktion besteht darin, die Netzspannungsversorgung in eine neue Wechselspannung mit anderer Frequenz und Amplitude umzuwandeln. Der Frequenzumrichter richtet zunächst die Eingangsnetzspannung gleich und speichert die Energie in einem Zwischenkreis (Kondensator). Die Gleichspannung wird dann in eine neue Wechselspannung mit anderer Frequenz und Amplitude umgewandelt.

Wo sollte dieser Frequenzumrichter untergebracht sein? Es gibt grundsätzlich drei Möglichkeiten: Die externe Lösung, also die Installation im mehr oder weniger weit entfernt sitzenden Schaltschrank, wobei FU und Motor über ein entsprechend langes Kabel verbunden sind. Oder der FU ist auf dem Motorgehäuse montiert bzw. im Motorinneren fest integriert.

Bei einer ortsfesten komplexen Anlage, bei der bereits viele Komponenten über eine SPS angesteuert werden, greifen Planer gerne zur Lösung „Pumpe mit externem Frequenzumformer“. Der Aufwand dazu: Die Pumpen werden über geschirmte Spannungsversorgungskabel an den Schaltschrank mit den eingebauten Frequenzumrichtern angeschlossen. Spannungsversorgung und Ansteuerkabel müssen auf separate Trassen verlegt werden, um eine Beeinflussung der Signalleitungen zu verhindern. Alle Funktionen der Pumpe müssen in der SPS einprogrammiert und anschließend getestet werden. Aufgrund unterschiedlicher Komponenten findet kein oder nur ein geringer Datenaustausch zwischen den Komponenten statt.

Bei einer einfachen Systemkonfiguration mit nur wenigen Komponenten eignet sich die Installation einer „drehzahlgestellten Pumpe mit integriertem Frequenzumrichter“ als zentrale Lösung. Da der Frequenzumrichter direkt im Motor installiert ist, entfällt das Verkabeln mit geschirmten Leitungen. Das Einstellen des Sollwertes kann direkt am Display des Frequenzumrichters oder mittels der Pumpenfernbedienung vorgenommen werden. Diese Lösung ist ein betriebsfertiges System bestehend aus Pumpe, Frequenzumrichter, Sensor und hinterlegten Pumpenfunktionen. Alle Betriebsparameter der Pumpe, wie Drehzahl, Volumenstrom, Motortemperatur usw., können ausgelesen werden.

Auch in komplexen Systemen mit einer SPS (Analogansteuerung oder Feldbus) bietet der Einsatz von Pumpen mit integriertem Frequenzumrichter die genannten Vorteile.

MGE-Motor mit integriertem Mikrofrequenzumrichter
1993 bereits führte Grundfos als erster Anbieter Motoren mit integriertem Frequenzumformer bis zu einer Leistung von 7,5 kW ein. Heute offeriert das Unternehmen dem Betreiber als bislang einziger Anbieter einen IE3-Hocheffizienzmotor mit fest integriertem Mikrofrequenzumrichter für den Leistungsbereich zwischen 0,37 (1phasig) und 22 kW (3phasig). Diese Leistungsbreite deckt einen Großteil aller Förderaufgaben in der Food- und Pharma-Industrie ab. Der MGE-Motor Modell H & I bis 2,2 kW erfüllt sogar die in der IEC TS 60034-31 Ed.1 angeführten IE4-Anforderungen.
E-Pumpen mit einem MGE-Motor bieten im Vergleich zu Pumpen mit separatem Frequenzumrichter diese Vorteile:

  • vollständige Systemintegration;
  • einbaufertiges Komplett-Aggregat ermöglicht eine einfache Montage wie bei Standardpumpen mit konstanter Drehzahl;
  • sehr robust, da unter anderem kein zusätzlicher Lüfter zur Kühlung des Frequenzumformers erforderlich ist;
  • geringere Kosten für Verkabelung – kein geschirmtes EMV-Kabel und kein zusätzlicher EMV-Filter zwischen Frequenzumrichter und Motor erforderlich;
  • platzsparende Montage – keine Schaltschränke bzw. Schalträume oder Platz an der Wand erforderlich;
  • im Motor integrierte Umrichter bieten hohen Staub- und Wasserschutz und wahren die Schutzart der gesamten Antriebseinheit;
  • aufeinander abgestimmte Komponenten;
  • intensive Kühlung des FU durch den Motor-Lüfter;
  • Verdrahtungsfehler sind ausgeschlossen.

Der intelligente Pumpenantrieb erreicht den Betreiber auf Wunsch konfiguriert und anschlussfertig – ein zusätzliches Setup für die Ansteuerung ist nicht notwendig. Leistung und Funktion der Pumpe mit integriertem FU sind geprüft und dokumentiert.

Für den Austausch sind Pumpen mit integriertem Frequenzumrichter ideal, da sie ohne zusätzliche Montagekosten anstelle von Pumpen mit fester Drehzahl installiert werden können. Sie müssen lediglich an die Stromversorgung angeschlossen und in das Rohrsystem eingebaut werden. Dann sind sie nach dem Einstellen der gewünschten Sollwerte sofort betriebsbereit.

Als weiterer Vorteil ist die Einbindung in übergeordnete Leitsysteme über analoge und digitale Schnittstellen möglich. Für die digitale Datenbus-Anbindung stehen Module für Profibus-DP, Modbus-RTU und Lonworks zur Verfügung.

Die Eingliederung eines elektronisch geregelten Pumpenantriebes in ein zentrales Bussystem ermöglicht den Austausch von Parameter- und Prozessdaten. Dieser Datenaustausch dient der zentralen Überwachung, Steuerung und eventuellen Visualisierung bzw. Aufzeichnung des Pumpenbetriebs. Für die verantwortlichen Betriebsingenieure einer Food- oder Pharma-Produktion ist eine umfassende Datenverfügbarkeit während und nach der Herstellung zur Rückverfolgbarkeit von großem Vorteil.

Ein in der Praxis wesentlicher Vorteil des MGE-Motors: Der Betriebselektriker kann auf die eingespielte Software zugreifen und bei Bedarf an eine veränderte Steuerung anpassen. Ein weiterer Vorteil ist, dass dieser Antrieb sehr leise läuft, da sich die Taktfrequenz doch außerhalb des hörbaren Bereichs bewegt. Der Motor ist natürlich spritzwassergeschützt – wichtig in der Pharma-Industrie.

Integrierte Frequenzumformer auch für den Nassbereich
Integrierte Frequenzumrichter sind insbesondere auch für den Nassbereich der Getränkeindustrie von Vorteil: Die in den Nassbereichen einer Brauerei (Gärkeller, Flaschenreinigung, Abfüllung) installierten Pumpen müssen gegen das Eindringen von Wasser geschützt sein.

Traditionell geschieht das durch Verkleiden des Motors; ist ein Frequenzumformer vorgesehen, wird der zum Schutz in einem entfernt installierten Schaltschrank untergebracht. Denn in rauer Umgebung scheuen Betreiber vielfach den Einsatz von im Motor integrierten Frequenzumrichtern – insbesondere aufgrund nicht ausreichend erscheinenden Schutzes vor Nässe.

Hier ist die Entwicklung fortgeschritten, besitzen moderne Antriebssysteme konstruktive Ausstattungsmerkmale, die einen Einsatz auch in rauer Umgebung zulassen. So verfügt der MGE-Permanentmagnetmotor (0,37 bis 2,2 kW) bereits standardmäßig über eine integrierte Stillstandsheizung, die den Motor und den integrierten Frequenzumrichter vor Kondensationsschäden schützt. Bei Einsatz in Bereichen mit hoher Reinigungsintensität kann der MGE-Motor mit der maximalen Schutzklasse IP66 geliefert werden. Das bedeutet: staubdicht und Schutz gegen starkes Strahlwasser.

Fest im Motor integrierte Mikrofrequenzumrichter wahren die Schutzart der gesamten Antriebseinheit. Dieser Vorteil kann auch bei mobilen Pumpen genutzt werden, die den Frequenzumrichter ohne zusätzlichen Installationsaufwand mit sich führen – beispielsweise die fahrbare F&B-Hygia tronic mit MGE-Motor und erweitertem Spritzschutz, die Allrounder-Pumpe für den Braukeller.

 

Mehr über Pumpen und Systeme erfahren Sie hier

 

Heftausgabe: Februar 2015
Günther K. Schlapp, Key Account Manager Pharma, Grundfos

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Günther K. Schlapp, Key Account Manager Pharma, Grundfos
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