Feldorientierte Frequenzumformer und Einbindung in die Gebäudeleittechnik

Pumpenintelligenz in der Wasserversorgung für Energieeinsparung und Nutzerkomfort

Dr. Stephan Greitzke, Entwicklungsleiter Elektronik

Bei Neubau und Sanierung größerer Immobilien wie Bürogebäuden, Hotels, Krankenhäusern oder Industrieanlagen wird der Faktor „Life-Cycle-Costs” – auch im Bereich der Haustechnik – zunehmend wichtiger. Im Bereich der Wasserversorgung und Druckerhöhung geraten damit drehzahlgeregelte, energiesparende Pumpen trotz höherer Investitionskosten ins Blickfeld. Zudem gibt es hier interessante Potenziale bei der Integration der Pumpentechnik in Gebäudeleitsysteme

Ein Bereich, in dem es interessante Potenziale zur Kostenoptimierung gibt, ist die Wasserversorgung zum Beispiel mit Trink-, Brauch- oder Löschwasser. Hier kommen anlagenseitig Hochdruck- Kreiselpumpen oder auch Druckerhöhungsanlagen aus mehreren zusammengeschalteten Pumpen zum Einsatz. Ein zunehmend wichtiges Auswahlkriterium für Planer und Betreiber ist dabei die Energieeffizienz. Denn der Stromverbrauch stellt einen nicht zu unterschätzenden Kostenfaktor dar. Vor allem die größeren Ausführungen mit Nennleistungen von mehreren Kilowatt können – je nach Einsatzprofil und Betriebszeiten – Stromkosten von mehreren hundert Euro pro Jahr verursachen. Hohe Einsparpotenziale bieten moderne, drehzahlgeregelte Pumpen. Hier wird bei wechselnden hydraulischen Lasten (zum Beispiel im häufig anzutreffenden Teillastbetrieb) die Pumpendrehzahl automatisch an den tatsächlichen Förderbedarf angepasst, so dass erhebliche Energieeinsparungen im Vergleich zu ungeregelten Pumpen zu verzeichnen sind.

WIRKUNGSGRADOPTIMIERUNG DURCH NEUE FREQUENZUMFORMER

Von entscheidender Bedeutung für die Energieeffizienz ist dabei die elektronische Regelung. Denn eine besondere Herausforderung besteht gleichwohl darin, sowohl im Nenn- als auch im Teillastbereich immer den optimalen Motorwirkungsgrad zu erreichen. Vor diesem Hintergrund hat der Dortmunder Pumpenspezialist Wilo jetzt für seine Hochdruck-Kreiselpumpen „Economy MHIE”, „Multivert MVIE” und „Multivert MVISE” für Wasserversorgung und Druckerhöhung einen neuen, integrierten Frequenzumformer entwickelt. Dieser erreicht durch eine intelligente, DSP-gesteuerte Motorregelung in jedem Betriebspunkt den optimalen Wirkungsgrad. Gleichzeitig wird die Dynamik der Pumpe – d.h. die Reaktion auf Sollwert oder Laständerungen – deutlich verbessert. Die Pumpen lassen sich stufenlos bis auf 40 % der Maximaldrehzahl herabregeln und tragen somit erheblich zur Stromeinsparung bei, Abb.4.

OPTIMIERTE ANSTEUERUNG DES PUMPENMOTORS

Die Besonderheit der neuen Frequenzumrichter lässt sich mit einem kleinen Exkurs in die Elektrotechnik verdeutlichen : Bei jedem Elektromotor werden Drehzahl und Drehmoment durch die magnetische Wechselwirkung von Stator- und Rotorfeld erzeugt. Ein Drehmoment erzeugt dabei nur derjenige Stator-Stromanteil, der senkrecht zum Rotorfeld steht („Drei-Finger-Regel”). Hieraus leitet sich der Begriff der feldorientierten Regelung ab. Beim ACMotor muss ein Teil des Gesamtmotorstromes für die Magnetisierung des eisenbehafteten Rotors aufgebracht werden. Dieser Magnetisierungsstrom bewirkt zusätzliche Statorwärmeverluste, die vom Motorlüfter an die Umgebung abgegeben werden. Wird der Motor in bestimmten Betriebspunkten nicht optimal, das heißt zu stark magnetisiert, können zusätzliche, magnetische Motorgeräusche sowie den Wirkungsgrad verschlechternde Wärmeverluste im Stator entstehen. Wird dagegen die Maschine zu schwach magnetisiert, nehmen Schlupf und Rotorverluste zu, das Nennmoment wird nicht erreicht. Bei der Konzeption der neuen Frequenzumformer für die drehzahlgeregelten Pumpen stand daher das Kernziel im Mittelpunkt, Energie einzusparen durch eine wirkungsgradoptimale Ansteuerung des Pumpenmotors innerhalb des gesamten hydraulischen Arbeitsbereiches. Dabei galt es, jederzeit ein bestmögliches Verhältnis zwischen dem Stromanteil für die notwendige Rotormagnetisierung und dem Anteil für die Drehmomentbildung, d.h. die Energiewandlung, zu erzielen. Eine Lösung für diese sehr komplexe Aufgabe bietet die moderne Mikroprozessortechnologie, Abb.3.