Ganzheitliches Konzept für hydraulische Systeme

Die Autorin: Karin Renner Mitglied der Geschäftsleitung, Renner

Eine effiziente Pumpe muss in ihrem tatsächlichen Betriebspunkt im Bereich ihres maximalen Wirkungsgrades arbeiten, das ist ihr wichtigstes Leistungsmerkmal. Dies lässt sich durch eine konsequente Anpassung der Hydraulik an den Bedarfsfall gewährleisten. Die Leistung kann an den tatsächlichen Bedarf mithilfe einer Drossel- oder Bypassregelung, der Änderung des Laufraddurchmessers oder einer Drehzahlregelung adaptiert werden. Bypass- und Drosselregelung verändern die Anlagenkennlinie, die beiden anderen Methoden bewirken eine Verschiebung der Pumpenkennlinie. Sowohl die Drossel- als auch die Bypassregelung sind unter dem Gesichtspunkt der Energieeffizienz fragwürdig. Das Abdrehen des Laufrades ist unwiderruflich und kann daher nur angewendet werden, wenn der Betriebspunkt genau auf eine unveränderliche Anlagenkennlinie eingestellt werden soll. Bleibt als State-of-the-Art-Lösung die Drehzahlregelung. Denn wählt man eine Pumpe, die selbsttätig mit angepasster Drehzahl läuft, sinkt der Energieverbrauch erheblich. Das ist physikalisch einfach zu erklären: Da der Energieverbrauch einer Kreiselpumpe nach dem Affinitätsgesetz mit der dritten Potenz der Drehzahl steigt, machen sich schon kleine Unterschiede deutlich bemerkbar. Durch eine automatische Anpassung der Pumpenleistung an den veränderlichen Förderbedarf in der Anlage und mithilfe einer effizienten Motorentechnik lassen sich leicht bis zu 40 % der Antriebsenergie gegenüber einer konventionell betriebenen Pumpe einsparen.

Wenn es um die Energieeffizienz von Elektromotoren geht, geraten zunächst die neuen IE-Wirkungsgradklassen ins Blickfeld – und damit die Drehstrom-Asynchronmotoren, auf die sie sich beziehen. Es gibt aber zu den Asynchronmotoren effizientere Alternativen, die sich auch speziell für Pumpenantriebe eignen.

Die Inhalte der EG-Verordnung Nr. 640/2009 sind eindeutig: Ungeregelte Drehstrommotoren einschließlich Getriebemotoren mit Nennleistungen von 0,75 bis 375 kW, die dauerhaft mit Nennlast (Betriebsart S1) arbeiten, müssen seit 16. Juni 2011 mindestens die Wirkungsgradklasse IE2 (hoher Wirkungsgrad) nach IEC 60034–30:2009 aufweisen. Ab 2015 müssen Motoren für derartige Anwendungen sogar die Wirkungsgradklasse IE3 (Premium-Wirkungsgrad) erreichen oder aber der IE2-Antrieb muss mit elektronischer Drehzahlregelung ausgestattet sein.

Zu Anwendungen im Dauerbetrieb (Betriebsart S1) gehören Pumpen und Lüfter, die in der Tat einen großen Anteil des industriellen Stromverbrauchs ausmachen. Nicht bedacht wird bei den neuen Effizienzvorschriften für Drehstrom-Asynchronmotoren mit Käfigläufer, dass es Motorarten wie etwa permanentmagneterregte AC-Synchronmotoren gibt, die bauartbedingt energieeffizienter sind und sogar die höchste Energieeffizienzklasse IE4 (Super Premium Efficiency) erreichen oder übertreffen (obwohl die IEC-Norm 60034–30 für sie eigentlich gar nicht gilt). Dies überrascht, zumal diese Motoren in einigen Anwendungen durchaus an die Stelle der Drehstrom-Asynchronmotoren treten könnten.

Die drehzahlgeregelten Pumpen spielen eine wesentliche Rolle in der Energieverbrauchsbilanz. Bereits die elektronische Drehzahlregelung von konventionellen Motoren verzeichnet entscheidende Energieeinsparungen. Ein drehzahlgeregelter Synchronmotor (Permanentmagnetmotor) verbraucht dagegen sogar bis zu 70 % weniger Antriebsenergie als ein ungeregeltes Aggregat.

Besonders charakteristisch für derartige elektronisch kommutierte Synchronmotoren ist ihr hoher Wirkungsgrad, der in der Regel bis zu 30 % über dem konventionellen, ungeregelten Asynchronmotor liegt, der dann häufig nicht bei Nennlast betrieben wird. In einem Permanentmagnetmotor wird der Elektromagnetismus mit dem Permanentmagnetismus des Rotors kombiniert. Die Energieeinsparung beruht im Wesentlichen darauf, dass der bürstenlose elektronisch kommutierte Synchronmotor für die Magnetisierung des Rotors keine Energie benötigt, da lediglich der Stator magnetisiert wird. Durch die Steuerung dieses Magnetfeldes kommt es zu einer kontinuierlichen Drehbewegung des Permanentmagnetrotors.

Bei der neuesten Entwicklung im Hause Renner, einer einer Spaltrohrmotorpumpe aus Kunststoff, wird diese Technik zusätzlich noch genutzt, um eine sehr kleine kompakte Bauweise zu realisieren. Bei den Kunststoffpumpen mit Spaltrohrmotor wird der Motor-Innenläufer eingespart. Die Aufgabe übernimmt der Rotormagnet im Nassbereich direkt.

Im Gegensatz zu den Asynchronmotoren treten bei den Synchronmaschinen keine Verluste durch einen Kurzschlusskäfig auf. Das umlaufende Statormagnetfeld wird durch eine elektronische Kommutierung erzeugt, mit deren Hilfe sich auch die Drehzahl des Rotors verändern lässt. Dadurch erreicht der Antrieb im Nennpunkt, und vor allem im Teillastbereich, einen wesentlich besseren Wirkungsgrad als ein konventioneller Asynchronmotor der Effizienzklasse IE2 (EFF1).

Die Verluste einer Asynchronmaschine können grob zu gleichen Teilen in Statorkupfer-, Eisen- und Rotorwärmeverluste unterteilt werden. Bei Synchron-Maschinen (auch Permanentmagnetmotor genannt) kann man die Rotorwärmeverluste vernachlässigen, die Verluste sind daher um ca. ein Drittel niedriger. Mehrkosten für eine Synchron-Maschine amortisieren sich in der Regel nach spätestens zwei Jahren.

Hocheffiziente Motoren leisten einen entscheidenden Beitrag, um Pumpensysteme mit hohem Gesamtwirkungsgrad zu betreiben. Die Erfüllung der EU-Vorschrift ist bei Renner-IE2-Motoren Standard. Darüber hinaus werden aber auch optional IE3-Asynchronmotoren und innovative Synchrontechnik angeboten, die 15 % weniger Verlust als IE3-Motoren haben. Bei allen Produkten kommen überwiegend Motoren aus eigener Produktion zum Einsatz.

Ein speziell entwickeltes Baukasten-System und die hohe Fertigungstiefe ermöglicht es der Firma Renner, sowohl auf der hydraulischen als auch auf der Antriebsseite, hocheffiziente Pumpentechnik flexibel zu produzieren und für individuelle Anwendungen kundenspezifisch zu kombinieren. So besteht beispielsweise auch die Möglichkeit, einen Frequenzumrichter direkt an den Motor anzubauen, dabei ist unerheblich, ob es sich um horizontal oder um vertikal installierte Tauchkreiselpumpen handelt.

Häufig werden im Anlagenbau die Frequenz-umrichter in den Schaltschränken installiert, obwohl der Direktanbau zusätzlich zu den bereits erläuterten Vorteilen seitens der Energieeffizienz noch weitere Vorteile bietet, die sich ebenfalls kostensenkend auswirken. Hier die wichtigsten:

Renner-Pumpen werden überwiegend aus Kunststoffen (PP, PVDF, PPS, ECTFE, usw.), aber für bestimmte Anwendungen auch aus metallischen Werkstoffen (Edelstähle, Titan, Hastelloy-C, usw.) gefertigt. Sie kommen überall dort zum Einsatz, wo es um die Förderung von Chemikalien jeglicher Art, in der chemischen und pharmazeutischen Industrie, Umwelt- und Verfahrenstechnik, Wasser- und Abwasseraufbereitung geht.

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