Helfen Frequenzumrichter bei Teichpumpen zum Stromsparen?
Auf der Interkoi 2007 wurde ich darauf angesprochen, ob es sinnvoll ist, eine Pumpe am Frequenzumrichter zu betreiben. Es wurde auch gefragt, ob man damit Stromkosten einsparen kann. Dazu wurde ein Beispiel benannt: Eine Pumpe wurde am Netz mit 50 Hz betrieben und brauchte dann beispielsweise 100 Watt, reduzierte man nun durch den Frequenzumrichter die Drehzahl auf 40 Hz, so wurden nur noch 60 Watt benötigt. Also lag der Schluss nahe, eine größere Pumpe zu nehmen und diese statt mit 50 Hz mit 40 Hz zu betreiben um auf den gewünschten Volumenstrom zu kommen. Nachfolgende Rechnung wird ihnen zeigen, dass es leider so einfach nicht geht:
Doch zuvor, was ist ein Frequenzumrichter:
Werden Asynchronmotoren direkt am Wechselspannungsnetz bei 230 V und 50 Hz betrieben, haben sie eine von ihrer Polzahl und der Netzfrequenz abhängige feste Nenndrehzahl. Gleiches gilt beim Betrieb am 400 V Drehstromnetz.
Frequenzumrichter ermöglichen es demgegenüber, stufenlos Drehzahlen von null bis zur Nenndrehzahl zu erreichen, ohne dass das Drehmoment sinkt. Betreibt man den Motor über Nenndrehfrequenz (Feldschwächbetrieb), sinkt das abgegebene Moment ab, da die Betriebspannung nicht weiter der erhöhten Frequenz angepasst werden kann. Aufgrund dieser Eigenschaften sind Frequenzumrichter in der Industrie weit verbreitet und gestatten den Einsatz von preiswerten Standard-Asynchronmotoren in einem erweiterten Drehzahlbereich.
Frequenzumrichter werden insbesondere an Drehstrommotoren eingesetzt, um deren Anlauf- und Drehzahlverhalten zu verbessern oder zu erweitern. Frequenzumrichter gibt es inzwischen auch für ein- oder zweiphasige Wechselstrommotoren wie z.B. Kondensatormotoren, um auch diese in der Drehzahl zu regeln. Dabei übernimmt der Frequenzumrichter ggf. die Bereitstellung der bislang vom Kondensator erzeugten zweiten Phase. Es gibt auch eine Frequenzumrichtervariante, die lediglich in die einphasige Zuleitung geschaltet wird und an dem Einphasenmotor mit Kondensator keine Änderungen vorzunehmen sind. Dies ist besonders interessant bei bereits vorhandenen Antrieben wie Pumpen, Lüftern, Tischbohrmaschinen oder Antrieben für Transportbänder. Mit Einschränkungen können auch Spaltpolmotoren an Frequenzumrichtern betrieben werden.
Frequenzumrichter erzeugen starke elektrische Störsignale (EMV) auf der Motorzuleitung, die nicht nur andere Verbraucher stören können, sondern auch im Motor zu einer erhöhten Isolierstoffbelastung führen. Die Motorzuleitung muss zur Vermeidung von Störabstrahlungen oft geschirmt werden. Abhilfe kann auch ein sog. Sinusfilter zwischen Umrichter und Motor schaffen. Solche Sinusfilter unterscheiden sich von einem Netzfilter durch ihre niedrigere Grenzfrequenz und höhere Belastbarkeit. Bei Betrieb oberhalb der Nenndrehzahl treten im Motor erhöhte Wirbelstrom- und Hystereseverluste auf, was jedoch oft durch dessen ebenfalls schneller drehendes Lüfterrad ausgeglichen wird. Frequenzumrichter verlangen aus diesen Gründen eine fachgerechte Installation. Die Hinweise der Hersteller sind dabei oft hilfreich.
Die Energie die erforderlich ist, mit einer Pumpe einen gewissen Volumenstrom durch eine Rohrleitung zu fördern wird als P2 bezeichnet und berechnet sich nach der Formel: P2=Q x H : 366,85, Q = Fördermenge/Zeit, H = Förderhöhe [Q wird in Litern pro Stunde und H in Metern angegeben].
Beispielrechnung: Volumenstrom 100.000 Liter/h, Förderhöhe 1 m dann ist P2=100.000×1:366,85=272,59 Watt.
Dieser errechnete Wert ist immer gleich, ob ich nun eine Pumpe direkt am Netz oder an einem Frequenzumrichter betrieben wird, es handelt sich hier um reine Physik.
Um P1, dass heißt die Leistung zu ermitteln, die ich dem Stromversorger bezahlen muss kommen nun noch die Verluste hinzu die durch den Wirkungsgrad der Pumpe und des Motors entstehen und bei Umrichterbetrieb auch die Verluste des Umrichters.
P1=P2:Verluste der Pumpe und Verluste des Motors Pumpenwirkungsgrad ca. 50% Bandbreite (40-85%), Motorwirkungsgrad ca. 80% Bandbreite (15-80%), Wirkungsgrad Frequenzumrichter 97%.
P1=272,59:0,5:0,8:0,97=702,55 Watt, dieser Wert ist also abhängig von den Wirkungsgraden, Fakt ist aber, ein weiterer Verlust kommt durch den FU hinzu.
Nach Rückfrage bei den Pumpenherstellern Speck und Ebara muss man auch noch sagen, dass die handelsüblichen Pumpen über einen Motor verfügen der standardmäßig nicht für den Frequenzumrichterbetrieb ausgelegt ist. Die erhöhte thermische Belastung der Motorwicklung und die erhöhte elektrische Belastung durch Spannungspitzen führen zu einem schnelleren Verschleiß des Motors
Ich habe vor einigen Jahren eine Rohrpumpe zeitweise am Frequenzumrichter betrieben, weil ich den Volumenstrom regeln wollte (nicht aus Gründen der Energieeinsparung). Zunächst hat Linn (der Hersteller) dem zugestimmt, nachdem der Motor dann aber sehr schnell kaputt ging, wurde diese Zustimmung zurück gezogen.
In der Industrie werden Frequenzumrichter millionenfach eingesetzt. Aber immer nur dann wenn der Prozess variable Drehzahlen benötigt, dann spart der FU auch Strom gegenüber einer Drallregelung oder einer Drosselklappe, aber eben nur dann und nur mit Motoren die dafür ausgelegt sind. Am Koiteich ist es sinnvoll die Pumpe in der richtigen Größe auszuwählen und lieber eine zweite kleinere für den Winterbetrieb vorzusehen, das erhöht auch die Anlagensicherheit. Die Anschaffung einer größeren Pumpe die dann mittels Frequenzumrichter herunter geregelt wird, produziert nur höhere Kosten für die Anschaffung, aber keinesfalls geringere Stromkosten!