Moderne Frequenzumrichter: Steigerung von Pumpen-Effizienz & Zuverlässigkeit

Dies ist ein Auszug aus meinem Artikel "Blown Away" für Water & Wastes Digest. Die Vollversion ist online oder in der Oktober-Ausgabe lesbar.

Moderne Frequenzumrichter (VSD) werden seit über 20 Jahren mit Verdrängergeräten eingesetzt. VSD-Technologie entstand in den 1960ern für kleine DC-Motoren und entwickelte sich für große Asynchronmotoren weiter. Pulsweitenmodulation (PWM) mit IGBTs führte zu kleineren, wirtschaftlicheren Optionen und breiterer Nutzung. Inverter-taugliche (VSD-taugliche) Motordesigns folgten, ebenso breite VSD-Nutzung bei variablen Lastanwendungen. Verdrängergebläse (PD) kommen oft in solchen Anwendungen vor – VSD kann zusätzliche Energieeinsparungen bringen.

PD-Drehkolbengebläse gibt es seit ihrer Erfindung 1856 durch die Roots-Brüder. Wie bei jeder PD-Maschine ist der geförderte Volumenstrom etwa proportional zur Drehzahl. Die meisten Drehkolbengebläse sind riemengetrieben, die Drehzahl wird durch das Übersetzungsverhältnis zwischen Motor- und Gebläseriemenscheibe festgelegt. So wurden Gebläse jahrzehntelang mit passenden Riemenübersetzungen an den Anwendungsbedarf angepasst.

Die einzige Möglichkeit, den Förderstrom einer laufenden Maschine anzupassen, war ein Überdruckventil zum Abblasen von Förderluft oder Start/Stopp von Maschinen am selben Verteiler. Diese Methoden liefern variablen Förderstrom für Anwendungen wie Abwasserbelüftung, aerobe Fermentation, Kühl- und Verbrennungsluft – aber mit begrenzter Energieeffizienz.

VSD-Effizienz

In den 1990ern machten neue VSD-Technologie und Inverter-taugliche Designs für Drehstrom-Asynchronmotoren variable Speed-Pakete wirtschaftlich. Statt Überdruckventil oder Start/Stopp variiert der VSD die Ausgangsfrequenz des Gebläses direkt. Variable Drehzahl verschiebt die Druck-gegen-Durchfluss-Kurve – niedrigere Drehzahlen verdrängen weniger Volumenstrom.

Das ist signifikant: Gebläseabbremsen per VSD kann effizienter sein als Abblasen. Ein Gebläse auf Nenndrehzahl per VSD vs. Festdrehzahl hat gleichen Förderstrom, aber höhere Leistungsaufnahme durch elektrische Verluste. Bei modernen VSD-Geräten typischerweise < 3 %. Bei stärkerer Durchflussreduzierung wird mehr Energie gespart. Ein Drehkolbengebläse mit VSD hat 60–70 % Teillastbereich – Minimalfördermenge 60–70 % unter Maximalfördermenge.

Bei Überdruckventil-Betrieb fördert das Gebläse weiterhin dieselbe Menge, nur leichter Systemdruckabfall als Energievorteil. VSD bietet daher fast 60–70 % Energieeinsparung bei Prozessen, die 60–70 % weniger Fördermenge als Nennleistung benötigen. Bei Anwendungen mit großem, variablem Förderbedarf amortisieren sich die VSD-Investitionskosten leicht.

Zusätzlicher VSD-Vorteil: Drehzahl über Grundfrequenz (60 Hz in USA) erhöhen. Ältere Geräte lassen sich mit VSD und größerem Motor nachrüsten für höhere Leistung. Investitionskosten weit unter Neukauf für leicht höheren Durchsatz.

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