Maximale Energieeffizienz mit Frequenzumrichtern – Expertenleitfaden (Teil 1)

In diesem Artikel betrachtet Colin Hargis, Chefingenieur bei Control Techniques, das Thema Energieeffizienz mit Frequenzumrichtern.

Manche Leser wissen vielleicht, dass eine neue EU-Verordnung in der Pipeline ist, die die Effizienz von Umrichtern und Umrichtersystemen regeln soll. Die Verordnung befindet sich noch in der Konsultation und hat offiziell noch keine Nummer, kann aber über EC-Mandat M/476 identifiziert werden und wird als „Lot 30“ im Konsultationsprozess für die Energieverbrauchsrelevante-Produkte-Richtlinie (ErP) bezeichnet. Die Konsultation scheint derzeit stockend, aber technische Normen zur Untermauerung der Verordnung existieren bereits als EN 50598-1 und EN 50598-2. Die Absicht ist, dass Umrichter Effizienzklassen erhalten, genau wie Industriemotoren, und dass irgendwann die niedrigste Klasse vom EU-Markt verboten wird. Hersteller müssen auch weitere Daten über Teillastverluste bereitstellen, um Anwendern die Bewertung der Gesamteffizienz ihrer Anwendung zu ermöglichen.

Bevor die Verordnung in Kraft tritt, möchten einige Umrichternutzer vielleicht mehr über die vorgeschlagene Verordnung und die Effizienzklassen erfahren, um zu beurteilen, ob sie für die Energieeffizienz ihres eigenen Endprodukts oder Systems relevant sind. In diesem Blog betrachten wir einige Grundlagen der Umrichtersystemeffizienz. Im nächsten gehen wir detaillierter auf einige Fragen aus den neuen Normen und der vorgeschlagenen Verordnung ein.

Einer der Hauptgründe für den Einsatz eines Frequenzumrichters ist die Regelung der Motordrehzahl an den Bedarf des Endprozesses, den er antreibt, um die Energienutzung zu optimieren. Dies ist besonders wertvoll beim Bewegen von Fluiden (Gasen und Flüssigkeiten), da viskose Reibung bedeutet, dass die Leistung, um das Fluid in einem Kreis zu bewegen, als Kubikgesetz der Förderrate variiert – eine kleine Fördermengenreduzierung gibt eine große Leistungsreduzierung. Regelmethoden wie Drosseln, Ventile und sogar verstellbare Leitgitter führen ebenfalls zu unnötigen Leistungsverlusten. Diese Idee ist so bekannt, dass nicht viel mehr darüber geschrieben werden muss; es gibt viele nützliche Leitfäden [z. B. Referenzen 1 & 2]. Mit der kommenden Verordnung im Hinterkopf ist es jedoch hilfreich, einige Prinzipien zu wiederholen, hauptsächlich um die Wirkung der Verordnung und der Normen in Perspektive zu halten.

Energieverlust in einem Umrichtersystem

Das Diagramm (nicht maßstabsgetreu) veranschaulicht grob, wie Leistung in einer Umrichteranwendung verbraucht wird. Es ist klarer, in Verlusten statt in Wirkungsgraden zu arbeiten. In jeder Stufe gibt es einen Leistungsverlust im betreffenden Gerät, der allgemein als Anteil seines Nenn-Durchsatzes ausgedrückt wird.

Abbildung: Leistungsverluste in einem Umrichtersystem (schematisch)

Die verlorene Leistung tritt als Wärme auf, meist in der Umgebungsluft. Manchmal kann die Wärme sinnvoll genutzt werden, meist muss sie als verschwendet betrachtet werden und kann sogar weitere Kosten verursachen, wenn zusätzliche Belüftung oder Kühlung des Bereichs nötig ist. Die tatsächlichen Verluste variieren stark zwischen Anwendungen, aber eine typische Aufschlüsselung für eine Luftbewegungsanwendung bei maximaler Leistung ist in Tabelle 1 gegeben. Beachten Sie, dass in jeder Stufe der Verlust in einem Gerät eine Funktion sowohl des nützlichen Systemausgangs als auch der akkumulierten Verluste aller nachgeschalteten Geräte ist.

Tabelle 1: Typische Verlustverteilung in einer Luftbewegungsanwendung bei Volllast

In diesem Beispiel beträgt der Gesamtwirkungsgrad ca. 56,6 %. Der größte Verlust liegt im Aktor, und der Verlustwert von 30 % ist typisch für einen Ventilator zum Bewegen von Luft. Luft ist ein schwierig effizient zu bewegendes Fluid, eine moderne Pumpe könnte Verluste näher an 10 % haben. Alle gezeigten Verluste können durch verbesserte Technologie reduziert werden, und die Aufmerksamkeit für Energieeffizienz bedeutet, dass sie alle im Laufe der Zeit sinken, sobald verbesserte Designs kosteneffektiv werden oder durch Vorschriften gefordert sind.

Beachten Sie, dass der Umrichterverlust der kleinste in der Liste ist, und dies ist in der großen Mehrzahl der Anwendungen realistisch. Der Verlust von 3 % ist im Vergleich zu den anderen eher trivial. Moderne Umrichter haben sehr niedrige Verluste, der Haupttreiber ist der Wunsch nach physisch kompakten Geräten, was bedeutet, dass Kühleinrichtungen (Kühlkörper und Lüfter) minimiert werden müssen, sodass auch die Verluste minimiert werden müssen. Der Leistungsdurchsatz des Umrichters umfasst alle anderen Verluste, sodass der Hauptverlust von 3 %, basierend auf Umrichterdaten, 5,1 % beträgt, wenn er als Anteil des Systemausgangs ausgedrückt wird. Die intelligente Nutzung des Umrichters kann oft nützliche Reduktionen der Verluste der anderen Geräte ermöglichen, was zu Einsparungen führt, die die Umrichterverluste weit übersteigen. Wir müssen jedoch die tatsächlichen Betriebsbedingungen berücksichtigen, nicht nur die Volllastbedingung.

Regelung und Verluste

Die oben diskutierten typischen Verlustwerte sind die „Hauptwerte“, die bei Nennlast oder Nenn-Durchsatz jedes Geräts angegeben werden. Sie sind daher relevant, wenn das System an seiner maximalen Designausgabe arbeitet. Viele Systeme verbringen große Teile ihrer Lebensdauer unterhalb der Nennlast, weil der Bedarf variiert, das System aber für das Maximum ausgelegt sein muss. Auch wird die Leistung meist an der maximalen Durchsatzkapazität beurteilt, sodass der Lieferant tendenziell Komponenten überdimensioniert, um das Risiko zu vermeiden, dass der Kunde das System ablehnt, wenn es die Nennleistung bei Abnahmetests nicht liefert. Ein Regelsystem ist daher nötig, mit einer Methode zur Ausgangsanpassung. Die angewendete Regelungstechnik kann die Teillasteffizienz stark beeinflussen. Bekanntlich verursachen Luftdrosseln und Regelventile hohe Teillastverluste, weil sie einen Druckanstieg am Ventilator oder der Pumpe bewirken, sodass diese mehr Leistung entwickeln muss, als am Abgabepunkt nötig ist. Der Frequenzumrichter vermeidet diesen zusätzlichen Verlust.

Die Wirkungsgrade aller Komponenten ändern sich mit der Last. Die Details variieren stark, aber generell haben Verluste folgende Elemente:

• Ein fixer Verlust, unabhängig vom Ausgang. Dieser tendiert dazu, die Teillasteffizienz zu senken.
• Ein proportionaler Verlust, der die Teillasteffizienz nicht beeinflusst.
• Ein ansteigender Verlust (z. B. quadratisch), der die Volllasteffizienz tendenziell senkt.

Das Resultat ist, dass es meist einen optimalen Wirkungsgrad-Ausgangspegel gibt, z. B. bei einem Standard-Asynchronmotor ca. 80 % der Nennleistung. Bei höherer Leistung sinkt der Wirkungsgrad leicht. Bei niedrigerer Leistung sinkt er auch, aber der tatsächliche Leistungsverlust fällt ebenfalls.

Verluste in einem drehzahlvariablen elektrischen Antriebssystem

Nachdem wir die allgemeine Situation zusammengefasst haben, können wir nun den elektrischen Antrieb, also Motor und Umrichter, genauer betrachten. Die Systemausgabe ist mechanische Leistung an der Motorwelle, bestehend aus dem Produkt von Drehmoment und Drehzahl. Beide, Motor und Umrichter, haben Verlastelemente, die mit Drehmoment und Drehzahl variieren. Tabelle 2 fasst diese zusammen. Zur Vereinfachung nehmen wir an, dass Strom proportional zum Drehmoment ist. Dies ist eine Vereinfachung, da sie den Motor-Magnetisierungsstrom ignoriert.

Tabelle 2: Verlustkomponenten in Motor und Umrichter in Abhängigkeit von Drehmoment und Drehzahl

Beachten Sie, dass wir den Effekt von Drehzahl und Drehmoment sowohl getrennt als auch kombiniert betrachten müssen. Die ohmschen Verluste im Motor hängen fast ausschließlich vom Drehmoment ab, unabhängig von der Drehzahl, und dies gilt auch für die Inverterstufe des Umrichters. Andererseits sind die Verluste in der Umrichter-Eingangsstufe (Gleichrichter) rein eine Funktion des Leistungsdurchsatzes, also des Produkts aus Drehmoment und Drehzahl.

Dies eher komplexe Bild kann vereinfacht werden, wenn ein spezifischer Lasttyp betrachtet wird, bei dem Drehmoment und Drehzahl verknüpft sind. Zum Beispiel eine einfache Pumpe oder ein Ventilator, der in einen Prozess mit wenig statischem Förderkopf speist, sodass der Druck überwiegend eine quadratische Funktion der Förderrate ist, gibt Drehmoment, das eine quadratische Funktion der Drehzahl ist. Umgekehrt hat ein Prozess wie ein Förderband ein Drehmoment, das weitgehend unabhängig von der Drehzahl ist, aber vom Bedarf am Förderband abhängt. Diese beiden Lasttypen werden allgemein als „variables Drehmoment“ und „konstantes Drehmoment“ bezeichnet.

Neben den in Motor und Umrichter getrennt betrachteten inhärenten Verlusten gibt es Verluste, die eine Funktion der Kombination beider sind. Die Schlüsselgrößen der Interdependenz sind:

• Betriebsmagnetische Flussdichte, gesteuert vom Umrichter und auf den Motor wirkend, beeinflussend Magnetisierungsverluste. (Auch beeinflussend ohmsche Verluste für gegebenes Drehmoment, es gibt eine optimale Flussdichte für jedes gegebene Drehmoment und Drehzahl.)
• PWM-Schaltung, gesteuert vom Umrichter und führend zu zusätzlichen Verlusten im Motor
• Leistungsfaktor des Motors, Blindstrom, der vom Motor gefordert wird, führend zu zusätzlichen Stromverlusten im Umrichter

Ein einfacher Standard für die Effizienz des Umrichters würde nur die Verluste im Umrichter allein behandeln, mit einer standardisierten Motorlast. Ein nützlicher Standard muss die Interdependenz adressieren und Trade-offs managen; z. B. dass die gewählte PWM-Schaltfrequenz den Wunsch, Verluste im Umrichter zu minimieren (niedrigere Frequenz), und im Motor (höhere Frequenz) ausbalancieren muss. Er muss auch dem Designer eines kompletten Systems oder einer Maschine ermöglichen, die Verluste in der kompletten Maschine über ihren praktischen Betriebsbereich zu berechnen.

Im nächsten Blog schauen wir genauer auf die Normen, besonders EN 50598-2, die Energieeffizienzklassen für Umrichter spezifizieren, und betrachten, wie sie diese Anforderungen managen. Wir schauen auch auf Funktionen im Umrichter, die Effizienz optimieren können, insbesondere die Teillastverluste, die wichtiger sein könnten, als sie auf den ersten Blick erscheinen.

Referenzen

[1] https://www.carbontrust.com/media/13063/ctg070_variable_speed_drives.pdf

[2] https://www.gambica.org.uk/resourceLibrary/CEMEP_guide_to_energy_efficiency_with_electric_drive_systems.html