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Pumpen und Elektromotoren gemeinsam auf Effizienzkurs

Bild 1. Alle Varianten des Synchron-Kompaktantriebs, den es für die Leistungsklassen von 0,55 kW bis 2,2 kW mit einphasiger Netzeinspeisung gibt, übertreffen die Anforderungen der Wirkungsgradklasse IE3

Bild 2. Die Kosteneinsparung im direkten Vergleich zwischen mechanischen Stellgliedern und einem drehzahlgeregelten Pumpenantrieb

Bild 3. Die Effizienz von Pumpe und Motor wurde detailliert geprüft

Mit den steigenden Energiekosten stehen die Lebenszykluskosten bei Betreibern von Pumpenanlagen zunehmend im Vordergrund. Dementsprechend sind moderne Antriebslösungen gefragt, deren höhere Anschaffungskosten sich schon nach kurzer Zeit amortisieren. So kommen seit Umsetzung der Ökodesign-Richtlinie (EG) Nr. 640/2009 neue Elektromotoren mit verbesserten Wirkungsgraden zum Einsatz. Das größte Einsparpotenzial bei Pumpenanwendungen liegt jedoch bei den geregelten Antrieben.

Im Wirkungsgrad verbesserte IE2-Motoren reduzieren die Energiekosten. Jedoch führt die Betrachtung einer Pumpen- und Anlagenkennlinie zu der Erkenntnis, dass sich die Energieeinsparung durch eine Drehzahlregelung der Pumpe noch erheblich erhöhen lässt. Zusätzlich zum Motor bietet es sich also an, noch einen Frequenzumrichter zu installieren. Dieser Entscheidung stehen die Anschaffungskosten sowie Aufwände bei der Installation und Inbetriebnahme gegenüber.
Neben der optimalen Leistungsausbeute sollen die Pumpenmotoren möglichst robust und durch einfache Handhabung einstellbar sein. Vor allem bei kleineren Installationen ist die Errichtung eines zusätzlichen Schaltschranks nicht erwünscht und genau hier spielen drehzahlgeregelte Synchron-Kompaktantriebe (Bild 1) ihre Trümpfe aus. An diesen Antrieben kann eine Prozesssteuerung angeschlossen werden, auch die Einstellung der Pumpenförderleistung ist direkt am Bedienteil möglich.

Pumpen für die Galvanotechnik
Seit ihrer Gründung 1948 hat sich die niederländische Firma Hendor auf Pumpenanwendungen für die Galvanotechnik spezialisiert. In dieser Branche werden hochkorrosive Medien verschiedener Viskosität mit Temperaturen bis zu 100 °C gepumpt und gefiltert. Bei Förderleistungen von 1 m 3/h bis 90 m 3/h kommen Pumpen mit einer Leistung zwischen 0,25 kW und 11 kW zum Einsatz. Abhängig von der Anwendung bestehen die Fördermedien aus Lösungen mit Anteilen von verschiedenen Metallen, wie Chrom, Kupfer, Palladium oder Gold. Der ph-Wert liegt nicht selten im stark alkalischen oder sauren Bereich.
Noch heute werden in vielen Anwendungen Pumpensysteme eingesetzt, deren Durchflussmenge mit mechanischen Stellgliedern eingestellt wird. Mit diesem Verfahren lässt sich aufgrund der Charakteristik der Pumpenkennlinie nur eine geringe Energieausbeute erzielen. Zudem verändern steigende Verschmutzungsgrade der eingesetzten Filtergruppen die Anlagenkennlinie und führen zu einer schlechten Energiebilanz sowie zu unnötigen Mehrkosten (Bild 2). In Systemen, bei denen stärkere Korrosion erwartet wird, müssen zudem kostenintensive Bauteile verwendet werden.

Energiesparender Pumpenmotor
Die Kunden von Hendor legen großen Wert auf Robustheit, Zuverlässigkeit und Anwenderfreundlichkeit ihrer Pumpensysteme. Zudem erwarten sie bei den maßgeschneiderten Systemlösungen hohe Wirtschaftlichkeit und lange Lebensdauer. Damit das gesamte zur Verfügung stehende Einsparpotenzial genutzt werden kann, sind Pumpe und Antrieb optimal aufeinander abzustimmen. Unter diesen Gesichtspunkten suchten die Pumpenexperten für Anwendungen im kleineren und mittleren Leistungsbereich einen neuen Antrieb mit sehr guter Energieeffizienz.
Mit dem Synchron-Kompaktantrieb Hamotic Varicon liefert Hanning Elektro-Werke jetzt einen Antrieb der alle Anforderungen erfüllt. Darüber hinaus kann der Kompaktantrieb kundenspezifisch mit zusätzlicher Hardware ausgestattet werden. Beispielsweise lassen sich Sensoren anschließen, die bei kleinen Anlagen zur Prozesssicherheit beitragen.

Optimale Auslegung der Antriebsleistung
Oft werden Motoren für mechanisch geregelte Pumpenanlagen aufgrund unbekannter Kenngrößen größer dimensioniert als erforderlich. Die Folge ist, dass die Asynchronmotoren nicht bei ihrem optimalen Wirkungsgrad betrieben werden und – bei gleicher Leistungsabgabe, wie ein optimal ausgelegter Motor – mehr Verlustleistung zum Betrieb benötigen. Diese Fehlanpassung lässt sich beim Einsatz einer Kombination aus einer Pumpe von Hendor und einem Synchron-Kompaktantrieb von Hanning konsequent vermeiden. Die Pumpe und der Antrieb liefern exakt die von der Anwendung benötigte Leistung.

Minimierte Materialbelastung
Das Betriebsverhalten des Antriebs hat einen großen Einfluss auf die Lebensdauer des installierten Leitungssystems und damit unmittelbar auf die Wartungs- und Reparaturkosten der gesamten Anlage. Der Synchron-Kompaktantrieb Hamotic Varicon minimiert die Materialermüdung der Anlagenbauteile durch präzisen Rundlauf über den gesamten Drehzahlbereich. Die bei Synchronmotoren bekannten Rippelmomente wurden durch eine geeignete Konstruktion vermieden. Das sorgt für eine stetige Förderleistung der Pumpe. Zudem ist die Geräuschemission des Antriebs durch die hohe Laufruhe minimal (Bild 3).

Erhöhte Ausfallsicherheit
Umfangreiche Schutzschaltungen überwachen die Betriebssicherheit des Antriebs. Im Fall einer vorherzusehenden Überhitzung durch zu hohe Umgebungstemperaturen reduziert der Antrieb die Abgabeleistung in kleinen Schritten, um einem Anlagestillstand effektiv vorzubeugen. Der Status des Antriebs wird am integrierten Display angezeigt. Neben der Drehzahl lassen sich auch die Temperatur, die aufgenommene Leistung oder der Ablauf eines Sonderprogramms darstellen. Über eine einfach einzubindende serielle Schnittstelle können für den Betrieb wesentliche Parameter des Synchron-Kompaktantriebs ausgelesen werden, welche Auskunft über den Zustand der gesamten Anlage geben. Außerdem ist eine Einbindung in eine bestehende Prozesssteuerung mittels eines CAN-Netzwerks möglich.
Für einen problemlosen Betrieb an allen einphasigen Netzen ist im Netzeingang eine Power Factor Correction (PFC) enthalten. Diese sorgt dafür, dass der Antrieb vom Netz nur die Wirkleistung aufnimmt. Zudem gewährleistet sie bei größeren Netzschwankungen einen kontinuierlichen Betrieb. Der Netzeingang wurde für den Anschluss in öffentlichen Niederspannungsnetzen ausgelegt und erfüllt die Grenzwertkurve B nach DIN EN 61800-3 (VDE 0160-103). Weitere Filter sind nicht erforderlich, sodass dem Anwender keine zusätzlichen Kosten für eine Entstörung entstehen. Im Gegensatz zu einer Kombination von Umrichter und Motor entfällt sogar die geschirmte Netzanschlussleitung.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Förderleistung jederzeit auf die Prozessparameter angepasst werden kann. Dadurch verringern sich die mechanischen Belastungen auf die Anlagenbauteile, was wiederum zu einer erhöhten Systemverfügbarkeit und längerer Lebensdauer führt. Sollte eine Pumpe dennoch einmal ausfallen, wird die Fehlererkennung mithilfe verständlicher Fehlermeldungen des Antriebs vereinfacht. Der defekte Antrieb ist an der Pumpe leicht austauschbar.

Fazit
Der Einsatz einer Pumpe mit angeschlossenem Synchron-Kompaktantrieb Hamotic Varicon bietet für den Anwender vielseitige Vorteile. Beispielsweise die bei einer Kombination von Standardumrichter und Motor normalerweise aufwendige Fehlersuche sowie die nach dem Einbau eines neuen Umrichters erforderliche Parametrierung. Jeder Synchron-Kompaktantrieb wird ab Werk mit vom Kunden vorgegebener Funktionalität geliefert und steht nach der Montage sofort für einen sicheren Betrieb zur Verfügung.

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Autor: Dipl.-Wirtsch.-Ing. (FH) Erol Bernstein ist Produktmanager bei der Hanning Elektro-Werke GmbH & Co. KG in Oerlinghausen.