Ein Baustein für effiziente Prozesse

Detlef Schmidt, Markus Reichling

Drehzahlregelbare Elektromotoren, d. h. Motoren, die über einen externen oder internen Frequenzumformer verfügen, ermöglichen höhere Energieeffizienz bei wechselnden Anlagenbedingungen und leichtere Automatisierbarkeit bei vergleichsweise geringen Investitionskosten. Immer mehr Anlagenbetreiber schätzen dies ebenso ein: Während in älteren verfahrenstechnischen Produktionsanlagen nur etwa 7 % der Antriebe regelbar ausgeführt sind, werden bei neueren Produktionen heute bis zu 25 % der Antriebe mit einem Frequenzumrichter ausgerüstet. Das gilt auch für die installierten Pumpensysteme. Ziel ist es, durch intelligente Einbindung der elektronisch geregelten Pumpe in eine Anlage Energie zu sparen, die Prozessabläufe zu optimieren und die Prozesssicherheit zu verbessern. Die Eingliederung eines elektronisch geregelten Pumpenantriebs in ein zentrales Bussystem ermöglicht zudem den Austausch von Parameter- und Prozessdaten. Dieser Datenaustausch dient der zentralen Überwachung, Steuerung und eventuellen Aufzeichnung und Visualisierung des Pumpenbetriebs. Der Betreiber profitiert davon in vielerlei Weise: Das Abgleichen des Pumpenbetriebs mit anlagentypischen und anlagenbedingten Abläufen minimiert die Beeinträchtigung sensibler Medien. Werden Fehlbetriebe wie Kavitation, Druckstöße oder Überlast ermittelt und im Programmablauf vermieden, kann der Materialverschleiß an Pumpe und Anlage geringer ausfallen. Beim Reinigen von Anlagen ist ein drehzahlverstellbarer Antrieb von Vorteil: Dann arbeitet die Pumpe mit der maximalen Drehzahl, um das gewünschte höhere Fördervolumen für die CIP-Reinigung bereitzustellen.

Externe Frequenzumrichter sind üblicherweise Schaltschrankeinbaugeräte in entsprechender Schutzart. Bei der Planung von Neuanlagen sollten für eventuelle Nachrüstungen Platzreserven berücksichtigt werden. Kleinanlagen ohne Platzreserve im Schaltschrank erfordern bei Erweiterung eine freie Wandmontage der Umrichter mit zusätzlichem Montage- und Materialaufwand und eventuell eine höhere Schutzart. Eine kostengünstige Alternative ist der integrierte Frequenzumrichter. Die Investitionskosten dieser Variante sind denen eines Schaltschrankeinbaugerätes gleichzusetzen. Die Montage erfolgt jedoch vor Ort am Motor. Integrierte Umrichter bieten hohen Staub- und Wasserschutz und wahren die Schutzart der gesamten Antriebseinheit. Dieser Vorteil kann zudem bei fahrbaren Pumpen genutzt werden, die den Frequenzumrichter ohne zusätzlichen Installationsaufwand mit sich führen. Der in den Pumpenantrieb integrierte Fre-quenzumrichter, wie dies Grundfos für einen Großteil seiner Pumpen anbietet, hat also eine Reihe von Vorteilen.

Das Grundfos-Programm an drehzahlregelbaren E-Pumpen – bei den Baureihen der Marke Hilge sind das die „tronic“-Ausführungen – basiert auf dem selbst entwickelten und gefertigten MGE-Motor. Es handelt sich dabei um einen drehzahlgeregelten Motor, entwickelt aus einem EFF1-Hocheffizienzmotor, mit integriertem Frequenzumrichter und einem PI-Regler, der über spezifische Pumpenfunktionen verfügt. Da alle Komponenten – Pumpe, Motor, Frequenzumrichter, Sensor, Anwendungssoftware und Regler – aus einer Hand stammen, ist das zuverlässige Zusammenspiel gewährleistet. Die überarbeiteten 11- bis 22-kW-MGE-Motoren bieten dem Betreiber eine Bandbreite im Leistungsbereich zwischen 0,37 (1-phasig) und 22 kW (3-phasig). Ab Frühjahr 2009 sind diese MGE-Motoren auch bei den Hygiene- und Sterilpumpen im Bereich von 11 bis 22 kW verfügbar. Die Einbindung in übergeordnete Leitsysteme zum Austausch von Parameter- und Prozessdaten über analoge und digitale Schnittstellen ist möglich.

Trotz unterschiedlicher Maschinenleistungen kann die E- bzw. „tronic“-Pumpe als Komponente in Leistungsbereiche (kW-Abstufungen) klassifiziert werden. Eine exakte Betriebspunktbestimmung ist dann nicht mehr unbedingt erforderlich, das Optimieren der Pumpenleistung auf die anlagentypische Kennlinie erfolgt bei Inbetriebnahme. Mit einem MGE-Motor ausgerüstet werden die Hygiene- und Sterilpumpen Euro-Hygia, Contra, Hygiana, Maxana, F&B-Hygia und Maxa sowie mehrstufige Pumpen der Baureihen CR, MTR und SPK, einstufige Inline-Pumpen der Baureihe TP sowie einstufige Norm- und Blockpumpen der Baureihen NB bzw. NK. Ein in der Praxis wesentlicher Vorteil des MGE-Motors: Der Betriebselektriker kann problemlos auf die Parametrierung zugreifen und diese bei Bedarf an eine veränderte Steuerung anpassen bzw. die Fördercharakteristik der Pumpe verändern. Ist ein integrierter Frequenzumrichter nicht einsetzbar, gibt es die Baureihe CUE für Leistungen von 0,55 bis 250 kW mit externer Frequenzumrichterlösung für den Schaltschrankeinbau (IP 20) oder Wandaufbau (IP 54).

Drehzahlregelbare Pumpen sind somit ein Baustein energieeffizienter, stabiler Prozesse. Was das konkret bedeutet, soll anhand von zwei Praxisbeispielen beleuchtet werden. In der Nahrungsmittelindustrie wird das zulaufende Produkt häufig einem Filtrations-Loop zugeführt, in dem es mit hoher Geschwindigkeit quer zu einer Membranfläche umgepumpt wird. Mit integriertem Frequenzumformer ausgestattete Pumpen passen sich in ihrer Leistung variabel den gewünschten Leistungsstufen an. Diese Drehzahlanpassung ist unter anderem deshalb erforderlich, weil Filteranlagen mit zunehmender Standzeit eine größere Druckdifferenz aufweisen – ein Indikator für die Filtererschöpfung. Besteht die Forderung nach gleichbleibender Mengenleistung, liefert ein Durchflussmesser den aktuellen Istwert und die Pumpe regelt den ansteigenden Gegendruck durch zunehmende Drehzahl aus. Zudem können Zustandsänderungen auf der Saugseite der Pumpe ausgeglichen werden, beispielsweise beim Umstellen auf Tanks mit unterschiedlicher Zulaufhöhe.

Zur Leistungsauslegung der Kreiselpumpe wird der größtmögliche Bedarfsfall herangezogen. Dennoch arbeitet die Pumpe nahezu über den gesamten Filtrationsprozess im Teillastbereich. Ohne Frequenzumrichter müsste die Leistungseinstellung über Drosselventile oder Bypass-Schaltungen erfolgen. Dabei arbeitet die ungeregelte Pumpe mit Nenndrehzahl und belastet das Fördermedium unnötig. Scherkräfte wirken sowohl in der Pumpe als auch am Drosselventil und beeinträchtigen die Produktqualität und Filtrierbarkeit. Untersuchungen belegen, dass die Scherbelastung bei Einsatz eines Frequenzumrichters erheblich reduziert wird. Produktänderung oder -schädigung durch ein Übermaß an mechanischer Einwirkung wird somit vermieden. Zudem findet bei ungeregelter Betriebsweise ein Wärmeeintrag ins Fördermedium statt. Durch die gezielte Drehzahleinstellung des regelbaren Pumpenantriebs wird der Energieeintrag in das Fördermedium auf ein Minimum reduziert. Druckstöße können durch frei einstellbare Hoch- und Rücklauframpen am Frequenzumrichter verringert werden. Ventile, Filter, Klappen, Rohrleitungshalterungen und -stützen werden weniger beansprucht.

Um ein gutes Füllergebnis zu erhalten, erfordern mit Druck beaufschlagte Füllmaschinen einen möglichst gleich bleibenden Füllereinlaufdruck. Aufgrund der direkten Abhängigkeit der Parameter Druck und Menge steigen die Druckverluste bei zunehmender Abnahmemenge. Die Folgen sind ein schwankender Einlaufdruck und im Extremfall das Freisetzen gelöster Gase beim Unterschreiten des Sättigungsdrucks. Um nun unterschiedliche Füllerzustände wie Nenn- oder Teillastbetrieb oder Füllstopp (Notaus) auszugleichen, wird eine druckabhängige Regelung eingesetzt. Der Istwertaufnehmer wird unmittelbar vor den Füllereinlauf platziert und überprüft den frei einstellbaren Einlaufdruck. Soll- und Istwert werden im Regler verglichen, anschließend geht ein Stellsignal an den Frequenzumrichter. Entsprechend der Größe und Wirkrichtung der Regelabweichung korrigiert der Umrichter die Pumpendrehzahl. Gefordert ist eine schnelle Antwortzeit und ein schwingungsfreies Arbeiten der Pumpe. Auch saugseitige Zustandsänderungen, z. B. unterschiedliche Vorspanndrücke der Drucktanks, beeinflussen diesen Regelkreis.

cav 400

Prozesspumpen

ISH 2009