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Leistung regeln lohnt sich

Frequenzumrichter für Pumpenprüfstand
Leistung regeln lohnt sich

Der österreichische Hersteller Vogel Pumpen setzt für die Steuerung seiner leistungsfähigen neuen Pumpenprüfanlage auf bewährte Frequenzumrichtertechnik sowie eine ausgeklügelte Anordnung von aktiven Filtern von Danfoss. Der Prüfstand eröffnet deutlich mehr Möglichkeiten für die Weiterentwicklung bzw. Optimierung der Pumpen sowie umfangreiche Funktions- und Inbetriebnahmetests.

Autor Günter Weber Verkaufsingenieur, Danfoss Österreich

Der neue Pumpenprüfstand von Vogel Pumpen, Teil der Xylem-Gruppe bietet wesentlich mehr Möglichkeiten als die Vorgängeranlage: Investiert wurde dafür rund eine halbe Million Euro. Der Pumpenprüfstand von Xylem war in die Jahre gekommen und für die leistungsfähigsten Pumpen und zukünftige Vorhaben des österreichischen Herstellers nicht mehr ausreichend dimensioniert. Die verbesserte Testeinrichtung ermöglicht die Entwicklung neuer, sowie die Optimierung aktueller Pumpen bis in den Leistungsbereich von einem Megawatt.
Der verbaute Drehstrom-Asynchronmotor ist fremdbelüftet und wird durch einen Danfoss Frequenzumrichter VLT Aqua Drive drehzahlgesteuert. Die 690-V-Antriebslösung wird über einen Transformator aus dem 6-kV-Mittelspannungsnetz gespeist. An einer 400-V-Anzapfung werden mittels eines aktiven Filters AAF006 niederfrequente Netzrückwirkungen kompensiert. Dank der eingesetzten Filtertechnik ist die Anlage zum öffentlichen Netz nahezu oberwellenfrei, die Werte des Verzerrungsfaktors THDu bewegen sich in Richtung maximal 2,5 %. Der cos phi geht gegen 1. Zwischen Umrichterausgang und Motor sorgt ein zusätzlicher Sinusfilter für gut sinusförmige Spannungen.
Zudem begrenzen serienmäßig integrierte Netzfilter die Abstrahlung von hochfrequenten Störungen sowie die leitungsgebundenen Störungen auf die von der EN 61800-3 vorgegebenen Werte und verhindern damit, dass die empfindlichen Messgeräte im Umfeld des Frequenzumrichters gestört werden.
Teststand-Leitwarte
Der Teststand ist mit einer Leitwarte ausgestattet, die es erlaubt, alle Messdaten automatisiert zentral zu erfassen, auszuwerten und zu archivieren. Die gewonnenen Daten werden zugleich in die Forschungsdatenbank übertragen und dienen so zur Verknüpfung der Datenreihen mit den Entwicklungszielen: Das erleichtert es, Optimierungen jeder Art systematisch durchzuführen, vergleichbar zu machen und Schritt für Schritt für weitere Entwicklungsarbeit zu dokumentieren.
In der Einrichtung lassen sich Pumpen bis 8 t Gewicht bewegen und in die Testumgebung integrieren. Getestet werden können Durchfluss, Druck, aufgenommene Leistung und NPSH innerhalb folgender Grenzen:
  • Enddruck/Maximaldruck 40 bar
  • Durchfluss 5000 m3/h
  • Sauganschlussdurchmesser 600 mm
  • Abflussrohrdurchmesser 600 mm
Die Vorgaben an den VLT-Aqua-Drive-Fre- quenzumrichter und dessen Rückmeldungen werden über Profibus übertragen. Der elektrische Aufbau des Prüfstands ist insgesamt durch die hohe Motorleistung sehr aufwendig, er umfasst neben dem verbauten VLT Aqua-Drive FC202 mit 1000 kW Leistung zusätzlich Advanced Active Filter AAF006 mit 400 A Kompensationsstrom, um die komplette Anlage zu entstören und den Netzaufbau möglichst unempfindlich gegen Schwankungen der Netzqualität bzw. vor allem gegen Netzrückwirkungen des Megawatt-Antriebes zu machen. Die Größe der Anlage und die Anforderungen, die sich aus der EN 61000-2-4 ergeben, machen diese Maßnahmen nötig. Neben der mechanischen Erneuerung wurde die Stromversorgung neu aufgebaut. Da die Netzrückwirkungen ohne Schutzmaßnahmen erheblich wären, wurde eine aktive Filtertechnik installiert. Die Danfoss-Experten mussten in Zusammenarbeit mit den Pumpenspezialisten von Xylem aufwendige Maßnahmen ergreifen, um das System „sauber“ zu halten: Neben besonderen Steueralgorithmen für den Filter wurden zusätzliche Maßnahmen durchgeführt und alles exakt für die Anwendung angepasst.
Die kompakten Abmessungen des VLT-Aqua-Drive-Frequenzumrichters und des AAF006-Filters erlaubten die Installation dieser Komponenten ohne bauliche Veränderungen in die sehr knappen vorhandenen Räumlichkeiten.
Parameter und Anlagenbetrieb
Die zentrale Steuerung und Inbetriebnahme des Prüfstands erfolgt an einem Touchscreen, der die Parametrierung des jeweils gefahrenen Tests ermöglicht. Hier kann komfortabel ausgewählt werden, welche Parameter einbezogen werden, bzw. wie der Testaufbau genau aussehen soll:
  • Druckmessung: Die jeweils benötigten Druckmessungen werden an das System angeschlossen. Die Messwerte werden in der SPS weiterverarbeitet. Die entsprechenden Messungen werden dann am Bildschirm ausgewählt.
  • Luftdruckmessung: Der Luftdruck wird mit dem vorhandenen Messgerät gemessen und am Bildschirm angezeigt.
  • Wassertemperatur: Die Wassertemperatur wird mittels PT100-Fühler im Druckbehälter gemessen und am Bildschirm angezeigt.
  • Wicklungstemperaturen, Lagertemperaturen: Die Temperaturen werden mittels PT100-Fühler gemessen und am Bildschirm angezeigt (nur Prüfmotor).
  • Durchflussmessung: Der Durchfluss wird mittels IDM gemessen und am Bildschirm angezeigt. Es wird eine Summe aus allen Messwerten gebildet.
  • Drehzahl, Drehmoment: Drehzahl und Drehmoment werden vom Aufnehmer über das Auswertegerät an die SPS übergeben und am Leitsystem angezeigt. Die Leistung wird aus den gewonnenen Daten errechnet (nur Prüfmotor).
Neben den Messbereichen können unterschiedliche Prüfprofile gefahren werden und verschiedene Testaufbauten ausgewählt werden. Der eigentliche Test wird dann Schritt für Schritt angefahren.
Start und Stopp der Maschine
Nachdem alle Voreinstellungen erledigt sind, das System gefüllt und entlüftet ist, muss eine persönliche Kontrolle der Sicherheitsabdeckungen und sachgemäße Montage der Anlagenteile, sowie eine Prüfung, ob sich unbefugte Personen im Gefahrenbereich aufhalten, erfolgen. Dann kann der Freigabetaster am 1-MW-Motor betätigt werden. Bevor die Starttaste betätigt wird, muss noch eine Drehzahl, die der erlaubten Mindestdrehzahl entspricht, eingestellt werden, und durch teilweises Öffnen eines Regulierschiebers die Möglichkeit geschaffen werden, dass die Pumpe nicht gegen geschlossene Schieber fährt.
Nach dem Start beginnt der Motor zu drehen und fährt entlang der vom Frequenzumrichter vorgegebenen Rampe auf die eingestellte Drehzahl. Diese kann jederzeit mit der Drehzahlanzeige verglichen und mit den Plus-/Minus-Tasten um jeweils eine Umdrehung pro Minute verändert werden.
Beim Stopp der Maschine wird der Motor entlang der Umrichterrampe bis Drehzahl gleich Null geführt. Die Freigabe bleibt erhalten und es könnte somit erneut hochgefahren und gemessen werden. Wenn kein Bedarf mehr besteht, drückt der Anwender das Schaltfeld „Messung beenden“, wodurch ein Neustart erst wieder nach Durchführung der visuellen Kontrollen und Betätigen der Freigabetaste möglich ist. Alternativ kann per Taste „Freier Auslauf“ der Frequenzumrichterausgang gesperrt werden und der Motor trudelt frei aus. Gleichzeitig wird die Freigabe weggenommen und ein Wiederanlauf auf die Dauer von 2 Minuten gesperrt, damit sichergestellt ist, dass der Frequenzumrichter nicht auf einen drehenden Motor aufgeschaltet wird. Nach Abschluss der Pumpenmessung sind über die elektrische Übersicht wieder alle Leistungsschalter auszuschalten.
Nutzen der Anlage
Die Anlage ermöglicht es Xylem Vogel Pumpen, umfangreiche Testläufe unter weitgehend realen Bedingungen durchzuführen und durch die Lastprüfungen deutlich bessere Rückschlüsse für ihre Pumpenentwicklungen zu ziehen: Das reicht von verbesserten Softwarealgorithmen bis zu Hardwaretests mit unterschiedlichen Pumpenrädern.
Auch die Ansteuerung der Pumpenmotoren wird immer wichtiger, gerade unter dem Gesichtspunkt der Energieeffizienz der teilweise sehr leistungsstarken Geräte. Für die Ansteuerung seiner Geräte setzt Xylem auf Danfoss-Frequenzumrichter, da die Geräte sehr einfach zu bedienen und zu parametrieren sind. Zudem bauen die Frequenzumrichter sehr kompakt, sind robust und zuverlässig. Die exakte Drehzahlregelung und damit genaue Beeinflussung der Fördermenge bzw. Druck etc. erlaubt es dem Benutzer, sehr fein dosiert zu arbeiten.
Die treibende Kraft dahinter
Der VLT Aqua Drive mit seinem Leistungsspektrum von 0,37 bis 1400 kW ist für alle drehzahlgeregelten Pumpenanwendungen einsetzbar. Installation, Bedienung, Inbetriebnahme und Programmierung sind bei allen Varianten identisch. Das Gerät lässt sich mit der grafischen Bedieneinheit LCP 102 intuitiv bedienen, es ermöglicht eine schnelle Inbetriebnahme. Sie ist hot-plugable und verfügt über eine Kopierfunktion zur Übertragung von Einstellungen zwischen verschiedenen FC 202.
Der FC 202 verfügt serienmäßig über einen sicheren Eingang, der die Funktion „STO“ (Save Torque Off) gemäß der EN 61800-5-2 mit Sicherheitskategorie SIL2/EN 61508 bzw. PL d EN ISO 13849-1 erfüllen wird.
Die VLT Aqua Drive zeichnen sich durch einen sehr hohen Wirkungsgrad von rund 98 % aus. Da die Temperatur der Leistungselektronik großen Einfluss auf deren Lebensdauer hat, besitzt das Gerät ein effektives Kühlkonzept, möglich sind Standard-Luftkühlung durch sogenannte Back-Channel-Cooling, externe Kühlluftführung oder Cold-Plate-Kühlung.
Für die Übernahme einfacher Steuerungsaufgaben ist die Smart-Logic-Funktionalität integriert. Mit ihr lassen sich digitale Eingänge verknüpfen, Schwellwerte abfragen oder einfache Schrittketten realisieren. Weitere Funktionen:
  • erweiterte mechanische Bremsansteuerung: reduziert Bremsverschleiß sowie Rucken
  • frei wählbare Passwörter regeln den Zugriff auf die Parameter und die Bedientasten
  • PID-Prozessregler
  • konfigurierbarer Rampenverlauf
  • Kinetischer Speicher zum Überbrücken von kurzen Netzeinbrüchen
  • Nutzung im Motor integrierter KTY-Sensoren zur Überwachung der Motortem- peratur und zur Optimierung der Motorregelung
Auch Permanentmagnet (PM)-Motoren kann der VLT Aqua Drive ansteuern: Der FC 202 unterstützt PM-Motoren mit und ohne Drehzahlrückführung. Er ist im Gegensatz zu den meisten anderen Reglern an bestehende PM-Motoren anzupassen und dadurch sehr flexibel in unterschiedlichsten Anlagenteilen einsetzbar. In Kürze werden auch Synchronreluktanzmotoren unterstützt.
prozesstechnik-online.de/cav0215400
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