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Nachrüstung von Frequenzumrichtern - Energieeinsparungspotentiale beim Antrieb von Strömungsmaschinen in der chemischen Industrie

31.10.2007

In der chemischen Industrie wird die überwiegende Zahl der eingesetzten Motoren zum Antrieb von Strömungsmaschinen verwendet. Als Strömungsmaschinen werden hier Maschinen bezeichnet, die zur Förderung von Gasen oder Flüssigkeiten eingesetzt werden, wobei das zu fördernde Medium über ein Schaufelrad in Bewegung gesetzt wird und deren Drehmomentbedarf quadratisch mit der Antriebsdrehzahl ansteigt. Dieses ist bei Lüftern und Kreiselpumpen der Fall. Zur optimalen Prozessführung ist es erforderlich, die Förderleistung der Strömungsmaschinen verändern zu können und den aktuellen Anforderungen anzupassen.

Wird z.B. die Kreiselpumpe über eine Asynchronmaschine mit fester Drehzahl angetrieben, kann die Förderleistung nur über ein Drosselventil, einen Bypass, der einen Teil der geförderten Flüssigkeit wieder auf die Saugseite befördert, oder über eine magnetische Schlupfkupplung zwischen Motor und Pumpe angepasst werden. Theoretisch ist auch die Verwendung von Verstellgetrieben möglich, aufgrund der hohen Kosten werden diese Lösungen jedoch sehr selten eingesetzt. Wird die Drehzahl eines Lüfters z.B. über eine Schlupfkupplung eingestellt, erreicht das System bestehend aus Motor und Strömungsmaschine oftmals nur mittlere Wirkungsgrade im Bereich von 40 % bis 80 %.

Bei einer Auslastung von 60 % ergibt sich nach /1/ beim Einsatz eines Frequenzumrichters eine Energieeinsparung von 37 % gegenüber der Schlupfkupplung. Bei Strömungsmaschinen ohne Schlupfkupplung und Förderleistungseinstellung über Androsselung kann durch den Einsatz eines Frequenzumrichters eine noch größere Wirkungsgradsteigerung erzielt werden (Bild 1). Der Motorwirkungsgrad liegt dabei in der Größenordnung von ca. 90 %, durch den Einsatz von high-effiziency Motoren lässt sich der gesamte Systemwirkungsgrad daher nur um wenige Prozentpunkte erhöhen.


Bild 1: Wirkungsgrad des Systems Motor - Pumpe bei verschiedenen Fördermengen, Bemessungsförderleistung 50m3/h

Das folgende Beispiel verdeutlicht den Zusammenhang: Die Förderleistung einer Kreiselpumpe soll halbiert werden, nach Rechnung in /2/ müssen der Pumpe dann nur noch 12,5 % der ursprünglichen mechanischen Leistung zugeführt werden. Aus dieser Betrachtung wird deutlich, welches große Einsparpotential in der Drehzahlregelung der Antriebe von Strömungsmaschinen steckt, wenn der Pumpe nur die Energie zugeführt wird, die zur Förderung des gewünschten Volumenstroms minimal erforderlich ist.

Gemäß /3/ werden in einem großen Chemieunternehmen in Deutschland im explosionsgefährdeten Bereich bei neu installierten Anlagen etwa 20 % der Antriebe mit Frequenzumrichtern ausgestattet, bei allen bestehenden Antrieben liegt der Anteil der frequenzumrichtergespeisten Antriebe etwa bei 5 %. Diese Zahlen verdeutlichen, dass gerade bei älteren Antrieben in den nächsten Jahren mit einer verstärkten Nachrüstung von Frequenzumrichtern zu rechnen ist.

Da viele der Antriebe in der chemischen Industrie in der Zone 1 eingesetzt werden, ist somit eine Prüfung und Zertifizierung des Antriebes durch eine Benannte Stelle erforderlich. Damit die energetischen Vorteile des frequenzumrichters möglichst breit zum Tragen kommen, kommt einem möglichst einfachen und für den Hersteller und Betreiber kostengünstigen Prüf - und Zertifizierungsverfahren eine große Bedeutung zu, wobei natürlich die Einhaltung eines angemessenen Sicherheitsniveau höchste Priorität hat.

So ist es z.B. zwingend erforderlich, bei einem Verzicht auf die bisherige feste Kopplung Motor - Umrichter im Zertifikat für den Motor einen frequenzabhängigen Maximalstrom festzulegen, der vom Frequenzumrichter überwacht werden muss. In der PTB wird dieses Zulassungskonzept basierend auf detaillierte, vorhergehende grundlegende Untersuchungen an verschiedenen Motortypen seit etwa einem halben Jahr angewandt. Die bisherigen Erfahrungen sind als überaus positiv zu bezeichnen.

/1/   Gawol, M.; Drehzahlregelung von Pumpen und Lüftern mit Frequenzumrichtern, Teil 2; IKZ-Haustechnik, Heft 2, 1994
/2/   Gawol, M.; Drehzahlregelung von Pumpen und Lüftern mit Frequenzumrichtern; IKZ-Haustechnik, Heft 1, 1994
/3/   Linnenbrink, H. ; Vortrag VIK-Fachtagung am 17.11.2005