Elektronische Drehzahlregelung

REITZ Ventilatoren:
Die Zauberformel für Energieeffizienz:
Elektronische Drehzahlregelung
Laut EU-Beschluss soll die Energieeffizienz in Europa bis 2020 um 20 % erhöht
und der CO2-Ausstoß um etwa 780 Millionen Tonnen pro Jahr vermindert werden.
Aber nicht nur die europäische Industrie ist aufgerufen, ihre Energie-Effizienz
auf den Prüfstand zu stellen und in energieeffiziente Technologien und Anlagen
zu investieren. Alle Industrieunternehmen weltweit sollten einen Beitrag zum
Klimaschutz und zur nachhaltigen Sicherung der Lebensgrundlagen leisten
und Maßnahmen zur Energieeinsparung und Verringerung des CO2-Ausstoßes
ergreifen. Das größte Energiesparpotenzial für die produzierende Industrie liegt
nach Ansicht von Branchenkennern im Bereich der elektromotorischen Antriebe.
Ventilatoren, Lüfter, Pumpen, Kompressoren und Hydraulikpressen machen
rund zwei Drittel des gesamten Stromverbrauchs im produzierenden Gewerbe
aus. Die Ursache für den hohen Energieverbrauch liegt in der Regel darin,
dass viele Unternehmen nach wie vor mechanische Verfahren wie Drossel- und
Drallregelung zur Regelung des Förderstroms einsetzen. Rund ein Drittel könnten
die Betriebe an Energie einsparen, wenn sie stattdessen auf die elektronische
Drehzahlregelung umstellen würden. Die Mehrkosten amortisieren sich durch die
Einspareffekte im Durchschnitt innerhalb von zwei Jahren.
Die Konrad Reitz Ventilatoren GmbH & Co.
KG aus Höxter / Deutschland beschäftigt
sich seit Jahren mit dem Thema Energieeffizienz. Das Unternehmen, das 2008 auf 60
Jahre Erfahrung im Industrieventilatorenbau
zurückblickt und als Lieferant maßgeschneiderter Hochleistungsventilatoren auch
in der Zementindustrie einen festen Platz
hat, stattet seine Ventilatoren mit Frequenzumrichtern aus, die eine energiesparende
Regelung des Luftstroms ermöglichen. Im
folgenden sollen die drei bekanntesten
Regelungsverfahren für Radialventilatoren
– mechanische Drossel- und Drallregelung
und elektronische Drehzahlregelung – betrachtet und die Vorteile der Drehzahlregelung
aus energietechnischer, regelungstechnischer und schalltechnischer Sicht dargestellt
werden.
Nur so viel Einsatz bringen wie nötig:
Vorteile der elektronischen Drehzahlregelung.
In allen lufttechnischen Anlagen mit quadratischen Kennlinien werden heute folgende Regelungstechniken eingesetzt:
Die Drossel- und Drallregelung sind mechanische Regelungsverfahren. Bei konstanter
Drehzahl des Motors wird über die Regelungsmechanik die Ventilationsleistung
gesteuert. Wenn der Motor auf 100% läuft,
eigentlich aber nur 50% Leistung erforderlich sind, wird überspitzt gesagt ein Großteil
der Energie einfach weggedrosselt, die
mit variabler Drehzahlregelung eingespart
werden könnte.
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Drosselregelung
Dallregelung
Die Drehzahlregelung ist ein Verfahren, bei
dem die Ventilatorenkennlinie der Anlagenkennlinie exakt angepasst ist. In Abhängigkeit von der zu fördernden Gasmenge (Volumenstrom) entsteht im Anlagensystem ein
Druckverlust (Widerstand). Der drehzahlgeregelte Ventilator erzeugt in jedem Betriebspunkt nur genau so viel Druckerhöhung,
wie vom System zur Überwindung des Widerstandes abverlangt wird.
Argumente, die für den Einsatz drehzahlgeregelter Ventilatorensysteme sprechen.
Dass drehzahlgeregelte Systeme gegenüber
den mechanisch geregelten deutliche
Energiesparvorteile mit sich bringen, zeigt
allein schon der Blick auf die Leistungsbedarfskurven. Es gibt aber noch weitere
Drosselregelung
Drallregelung
Vorteil Nr.1:
100 % bedarfsgerechter Verbrauch.
Im Sinne der Energieeffizienz sollte es heute
in allen Branchen selbstverständlich sein, nur
so viel Energie für den Ventilatorenbetrieb
aufzuwenden wie für den optimalen Ablauf
des lufttechnischen Prozesses erforderlich
ist. Was heißt das? Die Druckerhöhung
in den jeweiligen Betriebspunkten muss
lediglich exakt den Wert erreichen, den das
System, in dem der Ventilator eingesetzt ist,
Drehzahlregelung
Der Leistungsbedarf der drei gängigen Regelungssysteme von Ventilatoren im Vergleich
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Vorteil Nr. 2: Lineare Regelcharakteristik.
Gegenüberstellung der Leistungsbedarfskurven C = Pw
aufgetragen über den Volumenstrom in % bezogen auf
den Auslegungspunkt.
C1 = Drosselregelung
C2 = Drallregelung
C3 = Drehzahlregelung
C2 - C3 Energieeinsparung zwischen Drall- und Drehzahlregelung
C1 - C3 Energieeinsparung zwischen Drossel- und
Drehzahlregelung
Für jeden Anlagenbauer und -betreiber ist
die Kurvencharakteristik der Drossel- und
Drallregelung eine besondere Herausforderung. Wenn beispielsweise mit einem
Schrittregler in Verbindung mit dem Stellantrieb der Drossel- bzw. Drallklappe gearbeitet wird, kommt es häufig zu folgendem
Problem: Im Teillastbereich zwischen 25%
und 60% des Volumenstromdurchsatzes
bewirkt ein kleiner Schritt des Schrittreglers
eine zu große Volumenstromveränderung.
Daraufhin gibt das übergeordnete Regelungssystem vor, einen Schritt zurück zu
gehen, was wiederum einen zu kleinen Volumenstrom zur Folge hat. Dies führt dazu,
dass im System der Schrittregler und der
Ventilator ständig interagieren, ohne dass
der erforderliche Volumenstrom exakt erreicht wird.
Bei der Drehzahlregelung verändert sich der
Volumenstrom dagegen linear zur Drehzahländerung des Ventilators.
zur Erzeugung des Volumenstroms und zur
Überwindung des Widerstandes benötigt.
Unter diesen Bedingungen ist der optimale
Wirkungsgrad erreicht. Jede Druckerhöhung, die darüber hinaus geht, ist prinzipiell
ineffizient.
Da ausschließlich drehzahlgeregelte
Systeme durch ihre Ausrichtung an der
Anlagenkennlinie jeweils den optimalen
Wert erreichen, sind in einer Beispielrechnung signifikante Energieeinsparungen
von 71% gegenüber der Drallregelung und
80,3% gegenüber der Drosselregelung am
Betriebspunkt 50 zu verzeichnen.
Bei der Drossel- und Drallregelung ist die Änderung des
Volumenstroms häufig zu klein oder zu groß (1), während
sich der Volumenstrom bei der Drehzahlregelung linear
zur Drehzahl des Ventilators ändert (2).
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Vorteil Nr. 3: Geräuscharmer Lauf.
Aktiver Lärm- und Umweltschutz bedeutet
auch, in allen Anlagenkomponenten unnötige
Schallemissionen zu vermeiden. Allein unter
Berücksichtigung des günstigeren Geräuschverhaltens sollte die Entscheidung zugunsten
drehzahlgeregelter Ventilatoren ausfallen.
Auch unter dem Kostengesichtspunkt gilt
es, die Geräuschvorteile der Drehzahlregelung gegen zusätzliche Aufwendungen für
Schalldämmmaßnahmen abzuwägen. Da der
drehzahlgeregelte Ventilator 9 bis 13 dB(A)
leiser ist als der drossel- bzw. drallgeregelte,
können in vielen Fällen die Mehrkosten für ein
drehzahlgeregeltes System durch den Minderaufwand oder im Einzelfall sogar Wegfall der
sonst erforderlichen Schallschutzmaßnahmen
aufgehoben werden.
Vorteil Nr. 4: Perfektes Anlaufverhalten.
Ein nicht unwesentlicher Energiefresser ist der
Vorgang des Anlaufens. Bei Hochdruckventila-
Der durch den Frequenzumrichter in drehzahlgeregelten
Systemen minimierte Anlaufstrom ermöglicht eine kleinere
Bemessung von Niederspannungsverteilung, Hauptschalter, Kabelquerschnitten und damit langfristig erhebliche
Kosteneinsparungen.
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toren kann das Massenträgheitsmoment sehr
groß sein. Es ist dann erforderlich, Motoren
mit größeren Antriebsleistungen einzusetzen,
als dies in Bezug auf die erforderliche Wellenleistung notwendig wäre. Beim Anlaufen nicht
drehzahlgeregelter Ventilatoren muss das
Stromnetz für den Anlaufvorgang ein Vielfaches
des Motornennstroms zur Verfügung stellen.
Bei Einsatz von Frequenzumrichtern wird
durch eine im Frequenzumrichter eingestellte
Stromrampe vermieden, dass die Stromaufnahme das 1.1 fache des Motornennstroms
übersteigt. Dadurch sind Einsparungen an den
Niederspannungsverteilungen und Kabelquerschnitten gegeben.
Vorteil Nr. 5: Mechanische Laufruhe.
Auch in puncto Laufruhe bieten drehzahlgeregelte Ventilatoren entscheidende Vorteile.
Drall- und drosselgeregelte Ventilatoren laufen
z.B. auch im Teillastbereich mit voller Drehzahl.
Der nicht benötigte Fördervolumendurchsatz
wird mehr oder weniger abgesperrt. Es kommt
daher zu Druckschwankungen und Schwingungsanregungen, die Rotor, Gehäuse und
Regelorgane auf Dauer belasten. Bei drehzahlgeregelten Systemen hingegen kommt es
zu einer wesentlich geringeren Beanspruchung im Teillastbereich. Sind Feststoffe
wie z.B. Staub im Fördermedium enthalten,
erhöhen Rückströmungen im Teillastbereich
die Anbackungsgefahr auf der Schaufelsaugseite. Dadurch müssen die Laufräder häufiger gereinigt werden und die Stillstandzeiten
erhöhen sich. In drehzahlgeregelten Systemen
dagegen wird durch Absenken der Drehzahl
eine gleichmäßige Durchströmung erzeugt, die
sämtliche Partikel sauber aus dem Schaufelkanal herausbefördert. Drehzahlgeregelte
Ventilatoren laufen ruhiger und verschleißen
weniger schnell.
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Drossel- u. Drallregelung
Drehzahlregelung
Anbackungsverhalten im Teillastbereich
Bei der Drehzahlregelung werden durch Absenkung der Drehzahl bei einer gleichmäßigen Durchströmung alle Feststoffe abtransportiert.
Vorteil Nr. 6:
Einbindung in ein Fernüberwachungssystem.
Umfassender als drossel- und drallgeregelte
Ventilatoren können drehzahlgeregelte Systeme auf Wunsch des Kunden vom Hersteller
online überwacht werden. REITZ bietet das
Online Monitoring im Rahmen eines Wartungsvertrages an. Indem die wichtigsten
Parameter des Systems ständig überprüft und
daraus Prognosen ermittelt werden, können
notwendige Wartungsmaßnahmen frühzeitig
veranlasst und unvorhergesehene Stillstände
zuverlässig vermieden bzw. gemanagt werden.
Dies trägt zur Steigerung der Verfügbarkeit der
Gesamtanlage bei.
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Harmonie mit System.
Noch heute ist es zum Teil üblich, Ventilator,
Motor und Frequenzumrichter als Einzelkomponenten zu betrachten, zu bestellen und zu
montieren. Dass dies problematisch ist, zeigt
sich spätestens, wenn Resonanzschwingungen auftreten, deren Ursprung nicht lokalisiert
werden kann. Drehzahlgeregelte Ventilatorensysteme von REITZ bestehen aus drei präzise
aufeinander abgestimmten Komponenten, die
die Schwingungsproblematik gar nicht erst
aufkommen lassen.
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Die Vorteile der elektronischen Drehzahlregelung im Überblick
Vorteil 1: 100 % bedarfsgerechter Verbrauch
Vorteil 2: Lineare Regelcharakteristik
Vorteil 3: Geräuscharmer Lauf
Vorteil 4: Perfektes Anlaufverhalten
Vorteil 5: Mechanische Laufruhe
Vorteil 6: Einbindung in ein Fernüberwachungssystem
Die Drehzahlregelung hat sowohl in energie- und regelungstechnischer als auch in
schalltechnischer Hinsicht entscheidende
Vorteile gegenüber mechanischen Drosselverfahren. Für drehzahlgeregelte Ventilatoren gilt, dass nur soviel elektrische Energie zur Verfügung gestellt werden muss wie
für den jeweiligen Anlagen-Betriebspunkt
erforderlich ist. Dies bedeutet in lufttechnischen Anlagen mit quadratischen Kennlinien an einzelnen Betriebspunkten Einsparungen von über 80 Prozent. Darüber hinaus
ergeben sich weitere Vorteile mit Blick auf
die Investitionen und anschließenden Wartungstätigkeiten.
Dabei sind drehzahlgeregelte Systeme
bestehend aus Ventilator, Motor und Frequenzumrichter an sich keine Neuheit.
Allerdings haben erst jüngste Fortschritte
in der Umrichtertechnologie sowie die systematische Beseitigung störender Resonanzschwingungen durch die Konrad
Reitz GmbH & Co. KG dazu geführt, dass
drehzahlgeregelte Ventilatorensysteme eine
mehr als wirtschaftliche Alternative darstellen, die sich im Schnitt in weniger als zwei
Jahren amortisiert. Die Entwickler von Reitz
sind überzeugt, dass der Drehzahlregelung
die Zukunft gehört.
erschienen in: Zement Kalk Gips International, Januar 2008
Text/Grafiken:
Dipl.- Ing. Horst Benderoth, REITZ
Konrad Reitz Ventilatoren GmbH & Co. KG
Konrad-Reitz-Str. 1
D-37671 Höxter
Tel.: + 49 5271 964 000
Fax: + 49 5271 964 229
www.reitz-ventilatoren.de
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