Wirtschaftliche Aspekte des Einsatzes von Frequenzumrichtern bei ...

Wirtschaftliche Aspekte
des Einsatzes von
Frequenzumrichtern
bei
PUMPSTATIONEN
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FREQUENZREGELUNG...........................................................................................................................................3
FREQUENZUMRICHTER (FU) FÜR PUMPSYSTEME............................................................................................................3
SYSTEMVERHALTEN BEI FREQUENZ-SCHWANKUNGEN ...................................................................................................3
Pumpenleistung..........................................................................................................................................................3
Motorleistung.............................................................................................................................................................5
Auswirkungen der Anlagenkennlinie..........................................................................................................................6
ENERGIERELEVANTE BETRACHTUNGEN..........................................................................................................................8
Spezifische Energie ....................................................................................................................................................8
Änderung des Förderstroms.....................................................................................................................................10
Energieberechnungen ..............................................................................................................................................10
MEHRFACHSYSTEME.....................................................................................................................................................14
SONSTIGE BETRACHTUNGEN ........................................................................................................................................16
COMPUTERPROGRAMME ...............................................................................................................................................20
FACHWÖRTERVERZEICHNIS ............................................................................................................................21
BEGRIFFSDEFINITIONEN UND ZEICHEN DER FREQUENZREGELUNG ...............................................................................21
Definition verwendeter Begriffe ...............................................................................................................................22
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Frequenzregelung
Frequenzumrichter (FU) für
Pumpsysteme
Bei schwankenden Zuflussmengen zur Pumpstation, oder falls es
erforderlich ist, die Förderhöhe oder den Förderstrom zu regeln,
können Frequenzumrichter Vorteile bringen. Die FUs können hier
sowohl zur Steuerung von Förderhöhe und Förderstrom als auch zur
Reduzierung des Stromverbrauchs eingesetzt werden. Allerdings ist
ein FU recht kostenaufwendig und kann in einigen Fällen die
Stromkosten eher erhöhen als mindern. Die Entscheidung über den
FU-Einsatz für eine vorgegebene Anwendung sollte daher nicht nur
auf der umfassenden Kenntnis der Auswirkungen auf die Pumpstation
basieren, sondern auch auf einem Kostenvergleich mit
Alternativlösungen. Dieser Aufsatz konzentriert sich auf den
wichtigsten Kostenfaktor, den es hier zu berücksichtigen gilt – den
Stromverbrauch!
Systemverhalten bei Frequenzschwankungen
Pumpenleistung
Die Auswirkung von Frequenzänderungen ist im Wesentlichen die
gleichen wie die von Drehzahlveränderungen. Wird die Drehzahl einer
Pumpe geändert, ändern sich entsprechend den Ähnlichkeitsgesetzen
auch Förderstrom, Förderhöhe, Antriebsleistung und Wirkungsgrad.
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Das heißt, dass sich der Förderstrom proportional zur Drehzahl und
die Förderhöhe quadratisch zur Drehzahl verhält. Hingegen verändert
sich die hydraulische Leistung nicht der Drehzahl entsprechend. Die
Leistungsaufnahme verhält sich proportional zur dritten Potenz der
Drehzahl.
Die Wechselbeziehungen hinsichtlich der Leistung an den
entsprechenden Punkten zweier Q / H-Kennlinien bei Drehzahlen n1
und n2 sind anhand des folgenden Beispiels erläutert:
Eine bestimmte Pumpe hat eine Druckhöhe von 10 m und einen
Wirkungsgrad von 80 % bei einem Förderstrom von 100 l/s.
Entsprechend beträgt der hydraulische Leistungsbedarf ca. 123 kW.
Vermindert man dann die Frequenz auf 90 % der ursprünglichen
Werte, geschieht folgendes:
- Der Förderstrom vermindert sich auf 0,9* 100 = 90 l/s (Abb. 1 + 2)
- Die Druckhöhe vermindert sich auf 0,9² * 10 = 8.1m. (Abb. 1)
- Der Wirkungsgrad bleibt unverändert bei 80 % (Abb. 2)
- Schließlich fällt der hydraulische Leistungsbedarf auf 0,9³ * 123 = 89,4 kW (Abb. 2)
Abb. 1: Änderungen der Q / H-Kennlinien bei
sinkender Drehzahl
Werden die entsprechenden Punkte für unterschiedliche Drehzahlen
miteinander verbunden (wie in Abb. 1 gezeigt), zeigt die sich daraus
ergebende Kurve einen konstanten hydraulischen Wirkungsgrad. Alle
Kurven haben den Verlauf von H = k * Q². Folglich nähert sich jeder
Punkt auf einer Q / H-Kennlinie dem Ausgangspunkt entlang einer
Parabel, wobei der ursprüngliche hydraulische Wirkungsgrad gehalten
wird, während die Frequenz auf Null abfällt.
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Abb. 2 Veränderungen der Kurven
von Wirkungsgrad und Antriebsleistung bei
sinkender Drehzahl

Motorleistung
Um die Pumpenleistung unter Verwendung eines Frequenzumrichters
genau zu errechnen, müssen die Auswirkungen der Pumpenbelastung
auf die Pumpendrehzahl in die Kalkulation einbezogen werden. Dafür
ist normalerweise ein Computerprogramm erforderlich. Die
allgemeinen Leistungsdaten von Pumpen und Motoren können jedoch
auch ohne die Verwendung komplizierter Computerprogramme
errechnet werden.
Das wesentliche Prinzip aller heute eingesetzten Umrichtermodelle
wird als PWM (Pulsweiten-Modulation) bezeichnet. Ein PWM
Frequenzumrichter funktioniert durch Umschalten der Spannung
zwischen diskreten Amplituden, und zwar normalerweise zwischen
voller Positiv- oder Negativspannung und Nullspannung. Auf diese
Weise wird sowohl der Frequenz- wie auch der Spannungspegel
simuliert. Der typische Wirkungsgrad bei dieser Art von Geräten
beträgt bei Nominalfrequenz 96-98 %.
Neben Verlusten, die im Frequenzumrichter selbst auftreten, treten
aufgrund schneller Stromschwankungen zusätzliche Verluste im
Motor auf. Diese Verluste führen dazu, dass sich der Motor aufheizt
und so seine Nennleistung nicht erbringen kann. Normalerweise ist
eine Leistungsreserve von 15 % erforderlich, um sicherzustellen, dass
der Motor sich nicht überhitzt.
Der Motorwirkungsgrad schwankt mit dem Belastungsmoment - eine
Größe, die sich ändert, sobald die Frequenz verändert wird. Da die
Spannung das Drehmoment des Motors beeinflusst, hängt die Position
des Betriebspunkts auf der Drehmomentkurve des Motors auch davon
ab, wie sich die Spannung mit der Frequenz ändert.
Normalerweise ist eine
Spannung, die sich
proportional zum Quadrat
der Frequenz verhält, für
Pumpenanwendungen am
günstigsten. Der
Gesamtwirkungsgrad von
FU und Motor, ohne
Berücksichtigung des
Motorwirkungsgrades,
wird in Abb. 3 gezeigt. Er
wird hier mit "FU
Betriebswirkungsgrad"
bezeichnet. Die unterste
Kurve stellt einen
Frequenzumrichter dar,
dessen Spannung sich
direkt proportional zur
Frequenz verhält. Die
zweite Kurve stellt
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___ Oben: Ohne Berücksichtung der Bewegungen
des Betriebspunkts
___ Mitte: Spannung proportional zum Quadrat
der Frequenz
___ Unten: Spannung proportional zur Frequenz
Abb. 3 Betriebswirkungsgrad des FU

Abb. 4 Anlagenkennlinien für zwei Fälle,
a) nur dynamische Verluste (H dyn) treten auf
und b) nur mit statischer Druckhöhe (H stat)
eine FU-Regelung dar, deren Spannung proportional zum Quadrat
der Frequenz liegt. Man ging hierbei davon aus, dass das maximale
Belastungsmoment [Drehmoment bei Maximalbelastung] 80 % des
Nennwertes des Drehmoments beträgt (wie bereits oben erwähnt,
liegt die Grenzbelastung wegen der Erhöhung der Motortemperatur
bei 85 %). Die oberste Kurve zeigt den Wirkungsgrad, wenn der
Betriebspunkt seine relative Position auf der Drehmomentkurve
des Motors beibehält.
Auswirkungen der
Anlagenkennlinie
Die Anlagenkennlinie zeigt die für die Erzeugung eines bestimmten
Förderstroms in einem System erforderliche Druckhöhe an. Sie setzt
sich aus zwei Bestandteilen, der statischen und der dynamischen
Druckhöhe, zusammen. Die statische Druckhöhe (Hgeod)ist unabhängig
vom Förderstrom, während die dynamische Druckhöhe (Hdyn) sich
normalerweise proportional zur ersten Potenz des Förderstroms
verhält. Sowohl Förderhöhe als auch Förderstrom einer Pumpe sollten
bei Frequenzschwankungen der Anlagenkennlinie folgen. Während
dieses Vorgangs ändert der Betriebspunkt üblicherweise seine
Position auf der Q/H-Kennlinie. Der Wirkungsgrad der Pumpe
schwankt daher entsprechend der Frequenzschwankungen. Im
allgemeinen hat die Anlagenkennlinie eine dominante Auswirkung
darauf, wie sich der Energieverbrauch bei Frequenzschwankungen
verändert. Werden Stromverbrauch und Gesamtleistung entlang der
Anlagenkennlinien der beiden unterschiedlichen Systeme berechnet
(Abb. 4), ist ein erstaunlicher Unterschied festzustellen
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Abb. 5 Wirkungsgrad und Leistungskurven bei
einer frequenzgeregelten Pumpe bei statischen und
dynamischen Förderhöhen in Abb. 4

In einem System ohne statische Druckhöhe und mit nur dynamischen
Verlusten entwickelt sich die Druckhöhe proportional zum Quadrat
des Förderstroms. Das bedeutet, dass unabhängig vom Förderstrom
die hydraulische Leistung gleich bleibt. Wenn der Wirkungsgrad der
elektrischen Geräte bei reduzierter Frequenz (und Förderstrom) sinkt,
sinkt auch die hydraulische Leistung bei vermindertem Förderstrom
rasch ab (s. Abb. 5).
In einem System mit statischer Druckhöhe verläuft die
Anlagenkennlinie als horizontale Linie. Der Betriebspunkt bewegt
sich entlang der Q/H-Kennlinie, wodurch sich die hydraulische
Leistung verändert. Die Frage, wie Leistung und Wirkungsgrad als
Funktion des Förderstroms dargestellt werden können, hängt von der
Form der Kurve für Leistung bzw. Wirkungsgrad bei Nenndrehzahl
ab. Bei sinkendem Förderstrom reduziert sich der hydraulische
Leistungsbedarf. Er verringert sich sofort, wenn bei Höchstdrehzahl
der Betriebspunkt links des Punktes für den optimalen Wirkungsgrad
liegt. Liegt der Betriebspunkt jedoch rechts vom optimalen
Wirkungsgrad, erhöht sich der hydraulische Leistungsbedarf zunächst
leicht und vermindert sich dann mit sinkendem Förderstrom.
(Der Förderstrom sinkt in diesem Falle mit der Frequenz wesentlich
schneller. Folglich sind hier die von der Frequenz abhängigen elektrischen
Verluste geringer. Aus diesem Grunde ist der Wirkungsgrad bei
hohem Förderstrom in diesem Falle höher als im Falle nur
dynamischer Verluste.)
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Energierelevante Betrachtungen
Abb. 6 Spezifische Energie als Funktion
des Förderstroms bei einer
frequenzgeregelten Pumpe bei statischer
und dynamischer Druckhöhe
Spezifische Energie
Die Förderleistung und der Wirkungsgrad einer Pumpenanlage mit
Freqenzumrichter kann mit Hilfe der im vorigen Abschnitt
besprochenen Formeln, Diagramme und Methoden berechnet werden.
Auf der Basis dieser Ergebnisse kann die zur Bewegung eines
bestimmten Förderstromes erforderliche Energie durch das System
berechnet werden. Diese Menge wird als "spezifische Energie" oder
"Es" bezeichnet.
E
Energie Zeit�H
�Q�g
� p / � H �g�
s � Volumen � Zeit�Q
� �
Für Wasser mit einer Dichte von 1000 kg/m³:
E
�
Das Produkt aus Gesamtwirkungsgrad Pumpe und Betriebswirkungsgrad des
Frequenzumrichters (wie in Abschnitt “Motorleistung”, S. 5 beschrieben)
ergibt den Totalwirkungsgrad von Pumpe und FU. Es kann zur Berechnung
der spezifischen Energie für die beiden unter “Auswirkungen der
Anlagenkennlinie”, S. 6 dargestellten Fallstudien dienen.
Für ein System nur mit statischer Druckhöhe erhöht sich die
spezifische Energie bei sinkendem Förderstrom (Abb. 6). Die
spezifische Energie kann sich bei sinkendem Förderstrom
allerdings anfangs auch vermindern, wenn der Betriebs-
Nennpunkt rechts vom Bestpunkt liegt. In diesem Falle tritt
wegen eines leicht erhöhten Förderstroms gegenüber
demjenigen Förderstrom, bei welchem die Anlagenkennlinie die
Q/H-Kennlinie im Bestpunkt schneidet, ein Minimum auf. Die
Kurve für die spezifische Energie verläuft für das dynamische
System ebenfalls aufwärts, wenn der Förderstrom (und die
Drehzahl) klein genug ist. Das heißt, dass der
Frequenzumrichter bei Förderströmen, die unter der geringsten
spezifischen Energie entsprechenden Menge liegen, nicht
wirtschaftlich arbeitet.
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ges p
ges
3 �J/ m �
� � � �
3 H � g
3
KJ / m � kWh / m
s
H � g
� 3600��
ges
ges

Abb. 7: Spezifische Energie mit und ohne
Frequenzumrichter in drei Systemen: die
stat./geodätische Druckhöhe ist halb so
groß wie die Nenn-Betriebsdruckhöhe
In Systemen, bei denen die statische Druckhöhe bei Nenn-
Förderstrom halb so groß wie die Gesamtdruckhöhe ist,
entspricht der Kurvenverlauf für die spezifische Energie dem in
Abb. 7 gezeigten Bild. Drei Fallbeispiele sind dargestellt:
a. Hsys2 (blau) , wo der Nenn-Betriebspunkt genau auf dem
Bestpunkt liegt,
b. Hsys1 (rot) , bei dem der Betriebspunkt links davon und
c. Hsys3 (grün) , bei dem der Betriebspunkt rechts davon
liegt.
Das relative Einsparungspotential ist dort am größten, wo
der Betriebsnennpunkt rechts vom Bestpunkt liegt. Der Bereich,
in dem dieses Potential hinsichtlich des Förderstroms existiert,
ist in diesem Fall ebenfalls größer.
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Änderung des Förderstroms
Alle für die Berechnung des Energieverbrauchs bei
unterschiedlichen Förderströmen zu
berücksichtigenden Aspekte wurden in den
vorangehenden Abschnitten dargelegt. Wieviel
Energie kann also durch den Einsatz eines FU-
Systems eingespart werden? Um dies zu berechnen,
sind die erwartungsgemäß auftretenden
Durchflussschwankungen zu bestimmen. Die Daten
werden normalerweise in Form eines Histogramms
dargestellt, das anzeigt, wie sich der Förderstrom
innerhalb bestimmter Bereiche aufteilt.
Eine Alternative ist das Betriebszeitdiagram, das
anzeigt, wie oft der Förderstrom einen bestimmten
Wert überschreitet. Das Dauerdiagramm wird ganz
einfach durch Datenanpassung der gemessenen
Durchflussschwankungen erzeugt (kann auch mit
Hilfe statistischer Formeln errechnet werden). Das
Histogramm kann direkt bei der Beurteilung
eingesetzt werden. Für zwei vereinfachte Fallstudien
sind beide Möglichkeiten in Abb. 8 dargestellt. Im
ersten Fall treten alle Förderströme wahrscheinlich
gleich häufig auf (grün), im anderen Fall sind die
kleinsten und größten Förderströme relativ selten.
Energieberechnungen
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Betriebszeitdiagramm
Abb. 8 Betriebszeitdiagramm und Histogramm für
zwei gleichgelagerte Fälle von
Förderstromschwankungen
Daten aus dem Histogramm können mit den Diagrammdaten für die spezifische Energie
kombiniert werden, um den Gesamtenergieverbrauch mittels Integration oder Summierung zu
ermitteln:
Qmax
�� Q Es
,
�Q��T�Q��dQ � �iEs
i �Ti
Qi
E �
min

Kapitalisierte Energiekosten
Nunmehr kann der wirtschaftliche Nutzen des FU-Einsatzes berechnet werden. Dafür ist es
jedoch erforderlich, einen Weg zu finden, die Energiekosten mit der heutigen
Investitionssumme zu vergleichen. Normalerweise wird dies durch Kapitalisierung der
Energiekosten auf die Lebensdauer des Geräts erreicht.
Kapitalisierter gegenwärtiger Wert
= CPV-Faktor x Jahresenergiekosten
CPV-Faktor = {1 – (1+r) -N } / r
CPV= capitalized present value r = Zinsrate N = Anzahl der Jahre
Der wirtschaftliche Vorteil wird dann durch Vergleich der Summe aus
Gesamtinstallationskosten des Frequenzumrichters und der kapitalisierten Energiekosten mit
den entsprechenden Kosten für ein System ohne Frequenzumrichter (oder mit Daten anderer
verfügbarer Alternativen) errechnet.
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BEISPIEL
Der Zufluss zu einer Pumpstation wurde über einen Zeitraum von mehreren Tagen
aufgezeichnet, um eine repräsentative Verteilung über einen 24 Stunden-Zeitraum zu erhalten.
Die Förderstromwerte sind in ein Betriebszeitdiagramm übernommen worden. In diesem Falle
beträgt der maximale Förderstrom während dieses 24-Stundenzeitraums 250 l/s und die
Mindestmenge 35 l/s. Für diese Beispielrechnung wurde das in Abb. 9 gezeigte Diagramm
vereinfacht, indem die tatsächliche Kurve durch drei Linienabschnitte ersetzt wurde. Die Dauer
wurde dann in ein Histogramm übertragen.
Betriebszeitdiagramm Histogramm
Abb. 9 Vereinfachte Darstellung des aus
Messdaten erstellten Originalbetriebsdiagramms
Die Anlagenkennlinie basiert auf der mittleren Kurve in Abb. 7. Der Betriebsnennpunkt liegt in
diesem Falle auf dem Bestpunkt, und die geodätische Druckhöhe entspricht der halben
nominalen Betriebsdruckhöhe. Der mögliche Gewinn an spezifischer Energie für die FU-
Pumpe im Vergleich zu einer im Ein-Aus-Betrieb laufenden Pumpe wird in Abb. 11 dargestellt.
Abb. 11: Spezifische Energie für zwei identische
Systeme: eins mit FU-Regelung und eins mit Ein-
Aus-Regelung
Im rechten (grünen) Bereich verbraucht die FU-
Pumpe zum Fördern einer bestimmten
Wassermenge weniger Energie, im linken,
oberen (roten) Bereich dagegen mehr. Im
hellgrauen Bereich hat der Frenquenzwandler
einen zusätzlichen Vorteil, wenn die Pumpe bei
Förderströmen unter 210 l/s im Ein-Aus-Betrieb
eingesetzt ist. (Ist die Pumpe eingeschaltet,
sollte sie mit der Frequenz geregelt betrieben
werden, die der geringsten spezifischen Energie
entspricht.) Durch Kombination des Diagramms
zur Darstellung der spezifischen Energie sind
die Ergebnisse in kWh/Jahr darzustellen. Für
das gegebene Beispiel wurden die
Berechnungen durch Gebrauch der
Durchschnittswerte für jeden Durchflussbereich
leicht vereinfacht. Zunächst wird der Wert für
einen Pumpenbetrieb mit Frequenzumrichter für
alle Förderströme wie folgt errechnet:
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Abb. 10: die vereinfachte Darstellung des
Betriebsdiagramms aus Abb. 9 als entsprechendes
Histogramm

E s
�12,
5x3600x
�
� 7,
75x3600x
3,
75x3600x
�0, 04�0,
095�
�0, 062�0,
082�
�0, 095�0,
140�
�0, 051�0,
062�
2
�0, 140�0,
210�
�0, 047�0,
051�
2
� 550,
1kWh
/ Tag�200.
787kWh
/ Jahr
Als nächstes werden die Kosten für ein FU-System, in dem die Pumpe unter 210 l/s im Ein-
/Ausbetrieb betrieben wird, errechnet:
E s
� 7,
75x3600x
�12,
5x3600x
� 3,
75x3600x
Schließlich errechnet sich der Energieverbrauch für ein System mit konstanter Drehzahl im
Ein-/Aus-Betrieb wie folgt:
Der Energieverbrauch ist bei einer Kombination von FU und Ein-/Aus-Betrieb bei
Förderströmen unter 210 l/s am geringsten. Die nächstbesten Ergebnisse werden mit einem
System mit konstanter Drehzahl erzielt, wogegen das System mit Frequenzvollregelung den
höchsten Energieverbrauch hat! Die maximale Einsparung im FU-Betrieb im Vergleich zum
Ein-/Aus-Betrieb liegt wahrscheinlich bei 27.800 kW/h/Jahr. Die gesamte Energieeinsparung
durch den Einsatz des FU-Systems erfolgt in den Zeiträumen, in denen die Anlage im Ein-
/Aus-Betrieb läuft! Ganz ähnlich gelagert ist der Fall, in dem ein System mit zwei Pumpen mit
konstanter Drehzahl eingesetzt wird, die mit halber Kapazität laufen und sehr wahrscheinlich
sogar noch weniger Energie verbrauchen.
Zum Abschluss der Berechnungen wird die Differenz der Energiekosten kapitalisiert. Bei einer
Zinsrate von 10 % (r=0,1) , einer vorgesehenen Lebensdauer von 10 Jahren (N=10) und einem
Strompreis von 0.23 DM/kWh (Bsp. Stand Ende 1998) lautet das Ergebnis:
CPV-Faktor = { 1 - (1+r) -N } / r = {1 - (1+0,1) -10 } / 0,1 = 6,145
Kapitalisierte Stromkosten = 6,145 x 27.800 kWh x DM 0,23 /kWh
= DM 39.291,-
Die Zusatzkosten für die Installation einer FU sollten daher DM 39.291,- nicht übersteigen.
2
x
x
�0, 04�0,
095�
�0, 095�0,
140�
2
�0, 140�0,
210�
2
� 448,
1kWh
/ Tag�163.
557kWh
/ Jahr
E s
�
� 7,
75x3600x
�12,
5x3600x
3,
75x3600x
2
�0, 04�0,
095�
�0, 095�0,
140�
2
�0, 140�0,
210�
2
x
2
Seite 13 von 22
2
2
x0,
047 �
x0,
047 �
�
�
x0,
047 �
x0.
055 �
x0,
055 �
x0,
055 �
� 524,
3kWh
/ Tag�191.
370kWh
/ Jahr
2
�

Mehrfachsysteme
Kommen mehrere Pumpen parallel zum Einsatz, kann der gepumpte Förderstrom genauer dem
gewünschten Zufluss angepasst werden, und zwar ohne Einsatz von Frequenzumrichtern oder
ähnlichen Geräten. Gleichzeitig sind die Kosten für eine Reservepumpe geringer. Für Systeme
mit FU bietet sich beim Einsatz mehrerer Pumpen die Möglichkeit, die Größe des FU-Geräts zu
verringern, da jeweils nur eine Pumpe frequenzgeregelt werden muss. Wird der
Frequenzumrichter aus anderen als Kostengründen eingesetzt, ist ein zusätzliches Reservegerät
erforderlich. Die Unterschiede zwischen Parallel- und Einpumpensystemen werden am besten
durch ein weiteres Beispiel illustriert:
Abb. 12: Anlagenkennlinie und Q/H-Kennlinien für unterschiedliche Kombinationen von Pumpen mit konstanter Drehzahl und
frequenzgeregelter Pumpe.
Vier Pumpen werden an ein Druckrohr angeschlossen. Die FU-Regelung erfolgt jeweils nur
bei einer der Pumpen. Die statische Druckhöhe beträgt 9 m und die dynamischen Verluste 11 m
bei einem maximalen Förderstrom von 1120 l/s. Bei Nenn-Drehzahl fördert jeweils eine im
Alleinbetrieb arbeitende Pumpe 500 l/s, zwei Pumpen 840 l/s, und drei Pumpen 1030 l/s. Abb.
12 zeigt die Anlagen- und Q/H-Kennlinien der Pumpen für verschiedene Kombinationen.
Abb. 13: Veränderungen des Betriebspunktes
bei frequenzgeregelten Pumpen und den
Pumpen mit konstanter Drehzahl bei
sinkender Durchflussmenge
Sinkt der Förderstrom unter die Maximalmenge von
1120 l/s, beginnt eine der Pumpen, mit verminderter
Frequenz zu arbeiten. Die Änderungen der
Betriebspunkte für die einzelnen Pumpen werden in
Abb. 13 gezeigt. Wie dargestellt, folgt die
frequenzgeregelte Pumpe einer Anlagenkennlinie,
bei der sich der Betriebspunkt bei sich
verringerndem Förderstrom auf einen immer
geringeren Wirkungsgrad hin bewegt. (Beachten Sie
dabei, dass die Anlagenkennlinien für die FU-Pumpe
aus der Pumpenperspektive aufgebaut sind. Folglich
verlaufen sie bei Null-Durchfluss nicht horizontal,
wenn die FU-Pumpe zusammen mit anderen
Pumpen in Betrieb ist.). Gleichzeitig bewegt sich der
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Betriebspunkt für die Pumpe mit konstanter
Drehzahl nach rechts.
Unter 40 Hz wird eine der Pumpen abgeschaltet. (Entweder wird die
mit FU arbeitende Pumpe abgeschaltet und die Frequenz einer anderen
Pumpe geregelt, oder die bei konstanter Drehzahl arbeitende Pumpe
wird abgeschaltet, und die Pumpe mit Frequenzregelung springt bei 50
Hz erneut an). Sinkt die Durchflussmenge weiter ab, vermindert sich
auch die Frequenz wieder, und die nächste zum Abschalten führende
Druckhöhe wird bei ca. 35 Hz erreicht, usw. In dem angeführten
Beispiel liegt der Betriebspunkt bei Maximaldurchfluss links vom
Bestpunkt – so, wie es idealerweise sein sollte. Die Leistung der drei
mit konstanter Drehzahl arbeitenden (und den Großteil des
Förderstroms fördernden) Pumpen erhöht sich leicht, wobei ihre
Betriebspunkte auf der Q/H-Kennlinie nach rechts wandern.
Gleichzeitig vermindert sich der Förderstrom der FU-Pumpe. Die
Gesamtleistung wird errechnet, indem die unterschiedlichen
Leistungsdaten mit den tatsächlichen Förderströmen verglichen
werden. Das Ergebnis ist eine etwas geringere Gesamtleistung. Durch
entsprechende Berechnung der spezifischen Energie der einzelnen
Pumpen erhält man die gesamte spezifische Energie.
Abb. 14: Vergleich der kombinierten Gesamtleistung und der spezifischen Energie FU-geregelter Systeme mit
einem gleichwertigen Ein-/Aus-System.
Während des kurzen Intervalls der Umschaltung des Systems von
Vier- auf Drei-Pumpenbetrieb erhöht sich die Druckhöhe nur wenig,
auch wenn die Anlagenkennlinie in diesem Bereich am steilsten
verläuft. Selbst wenn sich die spezifische Energie zunächst leicht
verringert, beginnt sie bei Annäherung an den Punkt, wo die
Umschaltung von vier auf drei Pumpen erfolgt, wieder zu steigen.
Natürlich erhöht sich die spezifische Energie für das FU-System in der
Nähe der Umschaltpunkte, da eine der Pumpen überhaupt keinen
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Förderstrom erbringt, aber weiterhin Strom verbraucht. In Abb. 14 ist
die Gesamtleistung als gestrichelte Linie gezeichnet. Mit Ausnahme
eines kleinen Bereichs - für einen Förderstrom um 400 l/s – ist die
Leistung eines Systems mit konstanter Drehzahl höher. Die
spezifische Energie (durchgehende Linie) ist in dem Beispiel mit
konstanter Drehzahl bei fast allen Förderströmen etwa gleich groß
oder geringer. Nur zwischen 200 und 500 l/s ist das FU-System besser
als das Einzelpumpensystem.
Eine geringere spezifische Energie kann in einigen Fällen durch
Ausrüstung aller Pumpen mit Frequenzregelung erreicht werden. In
diesem Fall ist das System gleichwertig zu einem System mit nur einer
Betriebspumpe. Die spezifische Energie eines solchen Systems ist in
der Abbildung mit gepunkteter Linie eingezeichnet. Diese Kurve geht
davon aus, dass der Bestpunkt günstig liegt, und dass eine Pumpe, die
den gesamten Förderstrom allein bewältigen kann, normalerweise eine
bessere Leistung erbringt, als mehrere kleinere Pumpen. Trotzdem
wird die Kurve für die spezifische Energie im allgemeinen höher als
die anderen beiden Kurven verlaufen. Generell ist der Nutzeffekt einer
gleichzeitigen Steuerung aller Pumpen größer, wenn die Verluste
relativ hoch sind. Da sich jedoch alle übrigen Kosten erhöhen, ist eine
solche Lösung vom wirtschaftlichen Standpunkt aus nur schwer zu
rechtfertigen.
Selbst wenn die Verluste überwiegen, ist der Unterschied zwischen
frequenzgeregelten Systemen und Parallelpumpensystemen mit
konstanter Drehzahl nicht groß. Daher sind die Kosten, auf die
Gesamtlebensdauer des FU-Systems gerechnet, nur dann niedriger,
wenn sich die Verteilung der Förderströme sehr stark auf den Bereich
konzentriert, in dem die spezifische Energie niedriger ist.
Sonstige Betrachtungen
Steuerung:
Normalerweise steuern FU-Systeme in Pumpstationen die Frequenz
so, dass sie sich proportional zum Zuflussniveau verhält. Dadurch
erhöht sich die Pumpenförderung bei steigendem Niveau infolge
erhöhten Zuflusses. Ist die zulässige Niveauabweichung (das
Aktivvolumen) zu niedrig, führt das zu Instabilität. In solchen Fällen
sind hochentwickelte Steuerungssysteme erforderlich.
Die meisten mit der Steuerung von FU-Systemen verbundenen
Probleme stehen jedoch mit der Umschaltung zwischen verschiedenen
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Abb. 15: erforderliche Niveau- und
Förderstromstufen für ein frequenzgeregeltes
System mit vier Pumpen.
Kombinationen in Parallelpumpensystemen in Zusammenhang.
Wegen der begrenzten Genauigkeit der Steuerungssysteme arbeiten
die Pumpen bei Ausschalt-Druckhöhe, sobald der Förderstrom in die
Nähe der Umschaltmenge gerät. Da so kein sinnvoller Pumpenbetrieb
möglich ist und sich darüber hinaus das Medium innerhalb der Pumpe
erwärmen und der Motor sich überhitzen kann, muss dies unbedingt
vermieden werden. Der zu vermeidende Bereich beim Förderstrom
hängt von folgenden Fragen ab:
- Wie steil ist die Q/H-Kennlinie im Bereich
der Ausschalt-Druckhöhe?
- Wie groß sind die herstellungsbedingten
Toleranzen der Pumpe?
- Wie steil ist die Anlagenkennlinie im Bereich
des Umschaltförderstroms?
- Wie groß ist die Frequenztoleranz des FU-
Systems?
- Wie groß ist die Genauigkeit der Sensoren in
Kombination mit den
Oberflächenbewegungen im Pumpensumpf?
Zur Vermeidung von zu häufigen An- und
Abschaltungen ist ein
Verzögerungsmechanismus bei der Ein-Aus-
Umschaltung vorzusehen. Normalerweise wird
die erforderliche Verzögerung durch
Schaffung eines Pufferspeichers zwischen den
entsprechenden Niveauständen für die An- und
Abschaltung erreicht.
Das Volumen dieses Puffers hängt einerseits von dem zu
vermeidenden Bereich beim Förderstrom und andererseits vom
Mindestintervall zwischen aufeinanderfolgenden Pumpenstarts
(Einschalthäufigkeit) ab.
Pumpen mit hoher spezifischer Drehzahl (wie z. B. Propellerpumpen)
haben oftmals Betriebsbereiche, bei denen die Druckhöhe mit
zunehmendem Förderstrom steigt, was sich dann links vom normalen
Betriebsbereich der Pumpe abzeichnet. Ist die Frequenz für eine
Funktionsfähigkeit der Pumpe in diesem Bereich niedrig genug, kann
der Betriebspunkt instabil werden, was zu vermeiden ist.
Manchmal ist ein "sanfter" Übergang beim Förderstrom erwünscht.
Das kann durch langsame Änderungen der Frequenz zwischen dem
Nullbereich und dem Förderstrom beim Umschaltpunkt erreicht
werden. Normalerweise erfolgt die Änderung innerhalb von 10 bis 30
Sekunden.
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Volumen des Pumpensumpfes
In einigen Fällen kann das Volumen des Pumpensumpfes bei
Verwendung von FU-Systemen verringert werden. Falls
Tauchpumpen verwendet werden, die häufig gestartet werden können,
ist die Differenz des Sumpfvolumens unerheblich. Da hydraulische
Erwägungen im Zusammenhang mit dem maximalen Förderstrom die
Fläche des Pumpensumpfes bestimmen, beeinflusst die Verwendung
des FU-Systems die Sumpfgröße oder den Mindestniveaustand nicht.
Es wird lediglich ein geringes Volumen gebraucht, um sicherzustellen,
dass Pumpen mit konstanter Drehzahl nicht zu häufig ein- und
ausschalten. Sind mehrere Betriebspumpen im Einsatz, erfordern die
Pumpen mit Ein-/Aussteuerung oftmals ein geringeres aktives
Volumen (Nutzvolumen) als frequenzgeregelte Pumpen. Bei Stationen
mit nur einer Pumpe kann das erforderliche Volumen bei Einsatz eines
FU-Systems ggf. etwas kleiner ausgelegt sein, jedoch nur dann, wenn
ein entsprechend hochentwickeltes Steuerungssystem verwendet wird.
Jedoch ist selbst dann der Unterschied nicht von praktischer
Bedeutung.
Sedimentation und Verstopfungsneigung
Die beim Einsatz von frequenzgeregelten Pumpen auftretenden
geringeren Förderströme vermindern die Fließgeschwindigkeit im
Pumpensumpf. Die Ablagerung großer Sedimentmengen im
Pumpensumpf kann die Folge sein. Außer den offensichtlichen
Nachteilen solcher Sedimente (erforderliche Reinigung des Sumpfes,
Geruchsbelästigung, Korrosion, etc.) können sich auch Klumpen
beträchtlicher Größe aus großen Partikeln bilden. Lösen sich diese,
können sie durch die Strömung zur Pumpe getrieben werden und dort
zur Verstopfung oder zu erhöhter Abnutzung hydraulischer Teile
führen.
Die Pumpe selbst wird beim Einsatz von FU-Systemen ebenfalls
anfälliger gegen Verstopfung. Die verringerte Fließgeschwindigkeit
hat drei unerwünschte Folgen:
� Die Energie im Hydraulikteil sinkt rasch, so dass die Selbstreinigungsfähigkeit der Pumpe
zur Vermeidung einer Verstopfung sich drastisch vermindert.
� Der Abstand zwischen der Vorderkante der Laufradflügel oder Propellerblätter und dem
Punkt, an dem Strömungsturbulenzen auftreten, wird größer. Dadurch erhöht sich das
Risiko, dass sich langfasriges Material an den Flügelkanten verfängt.
� Die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit durch die Pumpe ist niedriger. Dies führt dazu,
dass die Fähigkeit des Systems abnimmt, Material fortzuschwemmen, welches die Pumpe
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zusetzen könnte, oder zu verhindern, dass sich langfasriges Material an den Vorderkanten
der Propellerblätter verfängt.
Da frequenzgeregelte Pumpen nur selten stoppen, haben sie weniger
Gelegenheit zur Selbstreinigung als Ein-/Aus-geregelte Pumpen, die
häufig an- und abschalten.
Aus diesen Gründen ist ein Zusetzen bei frequenzgeregelten Pumpen
sehr viel wahrscheinlicher, was wiederum zu höheren Wartungskosten
sowie zu verminderter Verfügbarkeit und Leistungsfähigkeit führt.
Kühlsysteme
Die integrierten Kühlsysteme der größeren FLYGT-Pumpen haben
viele Vorteile. Jedoch haben sie auch einen Nachteil, der darin liegt,
dass die Pumpen nicht im sehr niedrigen Drehzahlbereich laufen
sollten, wenn sie in verunreinigtem Wasser laufen. Die Kühlung ist
ausreichend, jedoch können sich Ablagerungen bilden, und das Risiko
der Zusetzung des Kühlsystems ist größer. Steigt die Drehzahl wieder
auf Nenndrehzahl, ist die Wirksamkeit der Kühlung geringer, und der
Motor kann sich überhitzen. Der kritische Drehzahlbereich ist für
verschiedene Pumpen unterschiedlich, aber als allgemeine Regel kann
gesagt werden, dass die Wahrscheinlichkeit negativer Auswirkungen
bei Drehzahlen im Bereich von über 50 % der Nenndrehzahl gering
ist.
Ein weiterer Nachteil ist der, dass die Drehzahl der Pumpe beim Start
nicht zu niedrig sein darf, da es sich in diesem Fall schwierig gestalten
könnte, die eventuell im Kühlmantel verbliebene Luft herauszuleiten.
Muss ein System im niedrigen Drehzahlbereich betrieben werden,
sollte eine externe Kühlmöglichkeit vorgesehen werden (außer bei
Betrieb in reinem Wasser).
Lebensdauer
Die Durchschnittsdrehzahl eines mit FU betriebenen Motors ist
geringer als bei normalem Betrieb. Aus diesem Grunde kann die
Lebensdauer einiger Teile sich verlängern. Wegen der raschen
Stromwechsel (wie unter Motorleistung, S. 5 dargelegt) und
aufgrund erhöhter Betriebszeiten ist die Abnutzung einiger anderer
Teile größer.
Sowohl direkte als auch indirekte Auswirkungen auf die meisten
Komponenten sind denkbar. Zur Berechnung der Veränderungen ist
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daher eine genaue Kenntnis des Systems und der Pumpen erforderlich.
Im allgemeinen halten Lager und Welle länger (es sei denn, die
Korrosion ist von größerer Bedeutung als die Materialermüdung).
Andererseits ist es möglich, dass der Motor nicht so lange hält wie
ohne FU-Betrieb. Die Ersatzteilkosten für frequenzgeregelte Pumpen
dürften daher kaum geringer sein.
Computerprogramme
Die Berechnung aller Faktoren, die sich in Mark und Pfennig
auswirken, ist zwar nicht schwierig, aber zeitaufwendig –
insbesondere wenn mehrere Alternativen durchgerechnet werden
müssen. Sind für eine genaue Beurteilung die Auswirkungen von
Förderstrom, Leistung, spezifischer Energie, etc. auf die Frequenz
erforderlich, sollten - wie im PEAS-Anwendungsprogramm von
FLYGT vorgesehen - Auswirkungen wie "Motorschlupf" und
tatsächliche Abweichungen der Motorenleistung ebenfalls mit
einbezogen werden. Das Programm liefert Ihnen sämtliche
Informationen darüber, wie sich alle relevanten Daten je nach
Förderstrom ändern. Es liefert auch die tatsächlichen Kosten und kann
Ihr Dauerdiagramm in die Berechnung mit einbeziehen. Als
Alternative kann es auch ein Betriebszeitdiagramm auf der Basis
statistischer Daten erstellen. Mit diesem Programm können die Kosten
verschiedener Alternativen auf der Basis der jeweiligen Lebensdauer
der Produkte leicht berechnet und verglichen werden.
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Fachwörterverzeichnis
Begriffsdefinitionen und Zeichen der
Frequenzregelung
E = Energie
E s
= spezifische Energie
verwendete Zeichen
g = Gravitationskonstante (9.81m/s²)
H = Förderhöhe, (auch: Druckhöhe)
k = Konstante
n
= Geschwindigkeit/Drehzahl
N = Anzahl der Jahre
n nen
= Nenndrehzahl
P = Leistung
p = Dichte
Q = Förderstrom
r = Zinsrate
T = Zeit
�
�
= Wirkungsgrad
�L = Pegeldifferenz
�Q =Abschnitt/Schritt beim Förderstrom
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verwendete Indexbegriffe
cs = constans / konstante Drehzahl
(hier gleichwertig mit Ein-Aus-
Betrieb ohne FU)
dyn. = Verlusthöhe (dynamische
Druckhöhe)
Ein-/Aus- = Ein-/Aus Regelung mit
Nenndrehzahl
ges. = Gesamt-
nen. = Nennwert
stat. = geodätische Höhe (statische
Druckhöhe)
syst. = System

Definition verwendeter Begriffe
Ähnlichkeitsgesetze = beschreiben die Relation zwischen Förderstrom, Förderhöhe, hydraulischem
Wirkungsgrad und hydraulischem Leistungsbedarf und Drehzahl
Aktivvolumen = erforderliches Puffervolumen, um auftretende Durchflussschwankungen auszugleichen
Anlagenkennlinie = Kurve, die die zur Erzielung eines bestimmten Förderstroms in einem System
erforderliche Förderhöhe beschreibt
Bestpunkt = Punkt auf der Q/H-Kennlinie, an dem die Pumpe den besten Wirkungsgrad hat
Betriebspunkt = Betriebspunkt auf einer Q/H-Kennlinie
Betriebswirkungsgrad des FU = FU-Gesamtwirkungsgrad, inkl. der Auswirkungen auf den Motor, d.h.
Gesamtwirkungsgrad geteilt durch den Gesamtwirkungsgrad, welchen die Pumpe beim
gleichen Betriebspunkt ohne FU hätte
Betriebszeitdiagramm = zeigt an, wie häufig der Zufluss einen bestimmten Wert überschreitet
CPV Faktor = Quotient zwischen dem kapitalisierten Tageswert und den jährlichen Kosten
dynamische Förderhöhe = hier: durch Systemverluste (zeta und Rauhigkeitswerte) verursachte Verlusthöhe
Frequenzumrichter = FU (variable Frequenzregelung, engl. VFD-Variable Frequency Drive)
Geodätische Förderhöhe = Niveaudifferenz zwischen Abfluss und Zufluss eines Pumpsystems
Gesamtwirkungsgrad
(Anlagenbetrachtung)
Gesamtwirkungsgrad
(Einzelbetrachtung)
= Wirkungsgrad aller Pumpen, Motoren und elektr. Komponenten zusammengenommen,
d.h. hydraulische Leistung (Q*H*g) geteilt durch die aufgenommene elektrische Leistung
des Systems
= Wirkungsgrad von Pumpe und Motor zusammengenommen, d.h. hydraulische Leistung
geteilt durch die Leistungsaufnahme der Pumpe
Histogramm = zeigt an, wie oft ein gemessener Wert in einen bestimmten Bereich fällt
kapitalisierter Tageswert = Rechnungswert, der zeigt, was ein zukünftiger Gewinn oder Verlust heute wert ist
(Betrag, den Sie zur Deckung zukünftiger Kosten einsetzen müssen)
Lebensdauer = Berechnete Betriebszeit, die eine bestimmte Komponente normalerweise hält
Lebensdauerkosten = kapitalisierter Tageswert aller Kosten, die während der Lebensdauer eines Systems
auftreten
Leistungsreserve = Differenz zwischen der Nennleistung des Motors und dem Leistungsbedarf im
Betriebspunkt
Motornennleistung = maximal zulässige Wellenleistung des Motors
Nenn-Motordrehmoment = maximal zulässiges Drehmoment des Motors bei Nenndrehzahl
Null-Förderhöhe = Förderhöhe, bei welcher die Pumpe keinen Durchfluss erzeugt
PEAS = Abkürzung für Pump Economy Analysis System [System zur
Wirtschaftlichkeitsanalyse], Softwareprogramm von FLYGT
Pulsweiten-Modulation (PWM) = Eine Art von Frequenzreglern
Pumpenkennlinie (Q/H-Kennlinie) = Kennlinie, die die Druckhöhe der Pumpe als Funktion des Förderstroms darstellt
Reservepumpe = zusätzliche Pumpe als Ersatz für den Fall, dass eine Pumpe ausfällt
Schlupf = Quotient zwischen Synchron- und tatsächlicher Drehzahl des Motors
Spezifische Drehzahl = Kennzahl, die die allgemeinen Merkmale eines Pumpenlaufrades darstellt
Spezifische Energie = zur Förderung einer bestimmten Wassermenge durch ein System erforderliche Energie
Statische Druckhöhe = Differenz zwischen dem Druck am Systemausgang und dem Druck am Systemeingang in
Meter Flüssigkeitssäule (mFls). Entspricht normalerweise der geodätischen Förderhöhe
Turbulenzen = unregelmäßige oder Zufallschwankungen unterworfene Bewegungen einer Flüssigkeit
Volumen d. Pumpensumpfes = Füll- od. Nutzvolumen eines Sumpfes bei maximalem Flüssigkeitsstand
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