Frequenzumrichter regeln elektronisch die Drehzahl von Asynchron- und Permanentmagnet-Motoren. Anders als bei direkt am Netz betriebenen Motoren werden Moment- und Laststöße so wirkungsvoll verhindert. Vielmehr starten und stoppen die Motoren so sanft und stufenlos wie moderne Personenaufzüge. Bei Pumpen und Kompressoren wird so der gesamte Antriebsstrang mit Motor, Pumpe und Rohrleitungssystem geschont. Während sich die Lebensdauer der Anlage verlängert, gehen Reparatur- und Wartungskosten sowie der Energiebedarf zurück. In Pumpen und Kompressoren eröffnen Frequenzumrichter damit Effizienzpotenziale, nicht zuletzt, wenn sie mit wechselnder Last laufen.
Auch die europäische ErP-Richtlinie (Energy-related Products), teils Ökodesign-Richtlinie genannt (2005/32/EC und 2009/125/EG), beschäftigt sich mit dem Einsatz von Frequenzumrichtern. Sie wurde 2005 von der Europäischen Kommission verabschiedet, um die umweltgerechte Gestaltung energieverbrauchsrelevanter Produkte auf EU-Ebene zu regeln. In zwei ersten Arbeitsphasen wurden vorrangig Anforderungen an die Effizienz einzelner Produkte definiert. So haben aus der ErP-Richtlinie resultierende Mandate dazu geführt, dass seit 2011 nur Motoren der „Effizienzklasse IE2 oder besser“ in Verkehr gebracht werden dürfen. Seit Anfang 2015 müssen Motoren mit einer Nennleistung von 7,5 kW bis 375 kW sogar der Effizienzklasse IE3 genügen - oder mit einem Frequenzumrichter angesteuert werden.
Mehr als Stopp und Start
Permanentmagnet-Motoren (PM-Motoren) erfüllen bereits die Anforderungen der IE3 (Premium Efficiency Class) und der IE4 (Super Premium Efficiency Class). Damit treiben sie die Möglichkeiten zur energetischen Optimierung von Pumpen voran. Inzwischen sind PM-Motoren verfügbar, die die Anforderungen der höchsten Effizienzklasse IE4 erreichen oder übertreffen. Die Angabe der Effizienzklasse bezieht sich immer auf den Nennbetriebspunkt eines Motors. Unterhalb des Nennbetriebspunktes, im Teillastbereich, ist die Effizienz des Motors stets geringer. Wie schnell die Effizienz abnimmt, hängt maßgeblich von der Konstruktion und der Topologie des Motors ab. Im Vergleich zum Asynchronmotor sind gute PM-Motoren gerade im Teillastbereich deutlich effizienter.
Zudem weisen die Motoren außerhalb ihres Nennbetriebspunktes unterschiedliche Wirkungsgrade auf. So ist es durchaus möglich, dass ein Motor so auf seinen Nennpunkt optimiert ist, dass er als der Branchenbeste erscheint, obwohl er außerhalb des Nennpunktes eher schlechte Wirkungsgrade erreicht. Bisher ist dies für den Verbraucher im Vorfeld nicht zu erkennen. Die seit Herbst 2014 geltende Europäische Norm EN 50598 definiert deshalb acht Arbeitspunkte, für die die Hersteller von Motoren künftig die Verluste anzugeben haben. Für den Verbraucher wird damit die Effizienz des Motors außerhalb des Nennbetriebspunktes transparent und vergleichbar. Pumpenhersteller können mit den entsprechenden Daten den Wirkungsgrad ihrer Pumpe in jedem beliebigen Betriebspunkt nachvollziehbar berechnen und ihre Anlagen optimieren.
Effizienz braucht Regeln
Mit der 2015 beginnenden dritten Phase der ErP-Richtlinie gewinnt der dort formulierte „erweiterte Produktansatz“ an Bedeutung. Künftig wird nicht allein der Effizienzgrad der einzelnen Komponente zählen, sondern zunehmend die Systemeffizienz der gesamten Anlage. In dieselbe Richtung geht die im Herbst 2014 genehmigte und veröffentlichte Europäische Norm EN 50598, die Wirkungsklassen für elektrische Antriebssysteme definiert.
Die European Pump Manufacturers Association Europump geht davon aus, dass durch den erweiterten Produktansatz bzw. durch die Betrachtung des kompletten Systems mehr als zehn Mal so viel Energie eingespart werden kann wie bei einer isolierten Beurteilung einzelner Komponenten. Um die Betrachtung eines Systems zu ermöglichen, müssen sich die Zulieferer bzw. Hersteller der einzelnen Komponentenhersteller auf die Bereitstellung bestimmter Daten verständigen. Dies erfolgt etwa durch europäische oder internationale Normen. Sie definieren die Effizienzklassen sowie mathematische und messtechnische Methoden zur Ermittlung der Verluste. Auch hier gilt die EN 50598 mit den beschriebenen Wirkungsklassen.
Gesamtbild bringt Klarheit
Mit der internationalen Norm IEC 60034-30 (Drehende elektrische Maschinen – Teil 30: Wirkungsgrad-Klassifizierung von Drehstrommotoren mit Käfigläufern […]) wurden Effizienzklassen für Asynchronmotoren definiert. Durch die zunehmende Verbreitung anderer Drehstrommotoren ist allerdings eine Überarbeitung der Norm notwendig geworden. Im Sinne des erweiterten Produktansatzes und basierend auf der EN 50598 sind zudem Normen geplant, die die Verluste oder Verlustklassen für aus Regeleinheit und Motor bestehende Antriebssysteme weiter definieren. Neben Grenzwerten beschreiben die Normen detailliert, wie die entsprechenden Werte zuverlässig gemessen bzw. berechnet werden können. Damit ermöglichen sie Vergleichbarkeit und Überprüfbarkeit der Herstellerangaben.
Durch den in die Pumpen integrierten Frequenzumrichter profitiert der Anwender in mehrfacher Hinsicht: Er muss keinen separaten Umrichter anschaffen, im Schaltschrank montieren und anschließen. Gleichzeitig ist durch die optimale Anpassung von Motor und Umrichter ein energieeffizienter Betrieb sichergestellt. Über die Erfüllung der gesetzlichen Anforderungen hinaus sinken damit auch die Betriebskosten. Die Integration des Umrichters bietet dem Anlagenbauer Flexibilität. Er ist so unabhängiger. Die Pumpen können weltweit bei unterschiedlichen Netzspannungen und -frequenzen eingesetzt werden.
Diese Argumente überzeugten auch einen namhaften Hersteller von Vakuumpumpen. Die von ihm eingebauten Frequenzumrichter setzen auf ein kompaktes Standardmodell von Yaskawa auf. Dieses wurde durch zusätzliche Hardware und Softwarefunktionen auf die Applikation abgestimmt.
