Der Großteil der Ventilatoren, die auf Verflüssigern und Rückkühlern eingesetzt werden, sind heute mit Drehzahlregelung ausgestattet. Dies bietet Vorteile für den Kälteprozess, reduziert die Geräuschemission und hilft Energie und damit Ressourcen zu sparen.
Zur Regelung werden unterschiedliche Systeme verwendet, meist mit externen Regelgeräten. Aktuell werden jedoch immer häufiger auch Ventilatoren mit integrierter Leistungselektronik eingesetzt. Dieser Bericht stellt unterschiedliche Systeme vor.
Zusammengefasst kann gesagt werden, dass jedes System Vorteile in bestimmten Anwendungen bietet. Es gibt keine Lösung, die pauschal favorisiert werden könnte. Viel- mehr sind stets die Randbedingungen in den unterschiedlichen Anlagen zu betrachten.
Auswahlkriterien
Die Auswahl des Systems hängt von einigen Faktoren ab, die bereits in der Projektierungsphase einer Anlage berücksichtigt werden müssen. Entscheidende Punkte für die richtige Auswahl von Regelsystemen sind:
- Leistungsaufnahme der Ventilatoren
- Lastprofil der Anlage
- Investitionskosten für Ventilator und Regelgerät
- Geräuschanforderungen an den Betrieb der Anlage
Durch Klärung der oben genannten Punkte kann relativ einfach entschieden werden, welches der am Markt verfügbaren Systeme für die jeweilige Anlage am besten geeignet ist.
Verschiedene Systeme zur Drehzahlregelung
Bei den in kältetechnischen Anlagen überwiegend eingesetzten Außenläufermotoren handelt es sich um spannungsregelbare Antriebe. Die Drehzahl kann durch Absenkung der Spannung mittels Phasenanschnittregelungen verändert werden. Diese Spannungsregler liefern eine variable, nicht sinusförmige Spannung an die Motoren. Es ist zu beachten, dass elektromagnetische Geräusche in den Motoren erzeugt werden können, was zu einem störenden Brummton führt. Phasenanschnittregelgeräte sind daher für Anwendungen, die hohe Anforderungen an das Geräuschverhalten stellen, nur bedingt geeignet.
Wegen hoher Einsparpotenziale kommen immer häufiger Frequenzumrichter zum Einsatz. Zu beachten ist, dass diese mit allpoligen Sinusfiltern ausgestattet sein müssen, um eine Gefährdung der Motoren durch Spannungsspitzen und Lagerströme auszuschließen. Aktuelle Frequenzumrichter, beispielsweise die Umrichter Fcontrol (Bild 1), arbeiten mit Taktfrequenzen von 16kHz und gewährleisten daher einen geräuschlosen und effizienten Motorenbetrieb. Durch den allpolig wirksamen Sinusfilter kann auf geschirmte Motorleitungen verzichtet werden.
Die oben beschriebenen Arten zur Drehzahlveränderung von Ventilatoren werden meistens mit externen Regelgeräten erreicht, die außen an den Verflüssigern angebracht sind. Der Vorteil von Anlagen mit externen Regelgeräten ist die Kostenverteilung der Elektronik auf mehrere Ventilatoren.
Neben der Möglichkeit, die Drehzahl der Ventilatoren durch externe Regelgeräte zu verändern, werden immer häufiger Ventilatoren mit integrierter Leistungselektronik eingesetzt. Drehstrom Asynchronmotoren mit integriertem Frequenzumrichter, wie die Ventilatorsysteme FREvent, bestehen aus wirkungsgradoptimierten Drehstrommotoren in Kombination mit einem abgestimmten Frequenzumrichter. Die verwendeten Motoren haben sich seit Jahrzehnten in der Kältetechnik bewährt und gewährleisten zuverlässige und effiziente Antriebe mit guten Regelungseigenschaften. Der integrierte Prozessregler erlaubt die Einstellung von Prozessgrößen, wie sie in der Kältetechnik üblich sind, beispielsweise Temperatur oder Druck.
EC-Motoren (electronically commutated = elektronisch kommutiert) haben im Vergleich zu Drehstrom Asynchronmotoren Vorteile im Wirkungsgrad. Sie werden mit einer vorgeschalteten Elektronik betrieben, die eine in Frequenz und Spannungshöhe variable Spannung optimal für den jeweiligen Betriebspunkt bereitstellt. Bei den EC-Motoren ETAvent ist diese Elektronik direkt im Motor integriert.
Marktsituation für Verflüssiger und Rückkühler
Die Drehzahlregelung der Ventilatoren in Verflüssigern und Rückkühlern kann mittlerweile als Stand der Technik betrachtet werden. Ein Grund für die Regelung ist die Reduzierung der Ventilatorgeräusche. Ein weiterer Aspekt ist die Energieeinsparung, weil stets nur die Luftmenge gefördert wird, die tatsächlich benötigt wird.
Bild 3 zeigt einen Vergleich der Leistungsaufnahme eines 6-poligen Motors mit einer Anschlussleistung von etwa 2kW. Dem Diagramm kann entnommen werden, dass die Reduzierung der Drehzahl auf 60% der Maximaldrehzahl durch Einsatz eines Spannungsreglers eine Energieersparnis von rund 40% mit sich bringt. Bei Betrieb des gleichen Ventilators an einem Frequenzumrichter Fcontrol sind Energieeinsparungen von bis zu 75% möglich.
Werden anstelle von Drehstrom Asynchronmotoren EC-Motoren eingesetzt, lassen sich nochmals etwa 5% an Aufnahmeleistung einsparen.
Eine maximale Energieeinsparung ist damit durch Einsatz eines EC-Motors möglich. Allerdings muss berücksichtigt werden, dass EC-Motoren in der Anschaffung teurer sind und daher in den ersten Jahren zuerst die höheren Investitionen einsparen müssen.
Ventilatoren mit integrierter Regelelektronik
Trotz der höheren Investitionskosten für Ventilatoren, welche die Regelelektronik bereits integriert haben, setzen sich diese Systeme aufgrund ihrer Vorteile im Markt mehr und mehr durch:
- Ventilator und Regelgerät bilden eine Einheit und sind optimal aufeinander abgestimmt. Durch die Anpassung der Motoren an die entsprechende Leistungselektronik ist ein optimaler Betrieb mit maximal möglichem Wirkungsgrad gegeben.
- Die Geräte sind kompakt aufgebaut und reduzieren damit den Installationsaufwand. Dadurch ergibt sich eine nicht unerhebliche Platz- und Kosteinsparung.
- Die Installation wird vereinfacht, da weniger Einzelkomponenten installiert und verdrahtet werden müssen. Dadurch kann unter anderem die Anzahl an potenziellen Fehlerquellen wie Klemmstellen und Verbindungen minimiert werden.
- Die Geräte sind universell einsetzbar. Ein Betrieb von Ventilatoren mit integrierter Regelelektronik ist beispielsweise an nahezu allen weltweit üblichen Netzen mit den gängigen Netzfrequenzen 50 oder 60Hz möglich.
Vergleich der am Markt verfügbaren Systeme
Von den einzelnen Herstellern sind unterschiedliche Systeme verfügbar, die auch verschiedene Philosophien widerspiegeln. Grundsätzlich kann zwischen zwei Technologien unterschieden werden, der AC- und der EC-Technologie. Beide Systeme verwenden Außenläufermotoren, die in kältetechnischen Anlagen überwiegend eingesetzt werden. Systeme, die in AC-Technologie ausgeführt sind, bauen auf die weitverbreiteten Drehstrom Asynchronmotoren als Antrieb auf. Durch die Integration des Frequenzumrichters ist damit ein Konzept verfügbar, welches bewährte Technologie und Innovation in einem Produkt vereint. Das Ergebnis sind Ventilatoren, die eine hohe Energieeinsparung bei niedrigen Investitionskosten liefern.
Bei der EC-Technologie sind aktuell unterschiedliche Systeme am Markt verfügbar. Alle diese Systeme verfolgen das Ziel, die Leistungsaufnahme der Antriebe zu senken und damit die Effizienz zu steigern.
Bereits der Aufbau der EC-Motoren unterscheidet sich von Hersteller zu Hersteller. Die Firma Ziehl-Abegg AG setzt bei den EC-Antrieben der Produktfamilie ETAvent auf das hochwertige Magnetmaterial Neodym-Eisen-Bor. Marktüblich sind hier auch die schwächeren Ferrit-Magneten. Bereits die verschiedenen Magnetmaterialien bringen erhebliche Unterschiede im Wirkungsgrad des Antriebs mit sich. Neodym-Eisen-Bor-Magnete verdanken ihre hervorragenden Eigenschaften als Dauermagnete der Kombination aus Neodym mit Eisen. Diese liefert ein starkes Magnetfeld bei kleinem Volumen.
Vergleicht man die Wirkungsgrade eines Antriebs mit Neodym-Eisen-Bor-Magneten mit einem konventionellen EC-Motor, der mit Ferrit-Magneten ausgerüstet ist, so sind Unterschiede von 5% Punkten messbar.
Betrachtung des Gesamtsystems
Unterschiede der am Markt verfügbaren EC-Systeme beschränken sich nicht nur auf die Magnetwerkstoffe. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Ausstattung der Ventilatoren. Die ETAvent Ventilatoren bieten mit der intelligenten Bediensoftware zahlreiche Vorteile. Die Applikationssoftware bietet zahlreiche werkseitig vorinstallierte Betriebsmodi, welche einfach ausgewählt werden können. Nach der Auswahl konfiguriert sich der integrierte Prozessregler automatisch, was die Installationszeiten erheblich verkürzt. Auf Wunsch kann die Programmierung durch die frei verfügbare Programmiersoftware ZA Terminal erfolgen.
Zudem sind die ETAvent Systeme servicefreundlich. Beispielsweise ist ein Austausch der Leistungselektronik sehr einfach vorzunehmen. Wird die Leistungselektronik durch externe Einflüsse, wie zum Beispiel Spannungsspitzen verursacht durch Blitzschlag, beschädigt, genügt der Austausch des Leistungsteils, was lediglich das Lösen von vier Schraubverbindungen erfordert. Auch der Austausch von Verschleißteilen, wie beispielsweise der Kugellager, ist im Bedarfsfall sehr einfach möglich.
Bisher wurden lediglich Wirkungsgrade der Antriebe betrachtet. Da das entscheidende am Ende allerdings der Systemwirkungsgrad ist, spielen noch weitere Faktoren eine wichtige Rolle. Der Systemwirkungsgrad des Ventilators setzt sich im Wesentlichen aus den Wirkungsgraden von Motor, Controller und Laufrad zusammen. Die wichtigste Komponente in dieser Gleichung stellt hierbei neben dem Motor der Laufradwirkungsgrad dar.
Effizienzsteigerung durch Bionik
Auch hier ist es in den letzten Jahren gelungen, durch die Entwicklung neuer Aerodynamiken erhebliche Verbesserungen zu erzielen. Die Ziehl-Abegg AG nutzte zur Entwicklung einer neuen Aerodynamik Vorbilder aus der Natur (Bionik): Die Flügelform der Eule wurde auf einen Ventilator übertragen. Das Ergebnis ist eine Flügelgeometrie, die nicht nur außergewöhnlich, sondern auch sehr leise und effektiv ist. Erreicht wurde dies durch die Kombination aus einer gezackten Abströmkante sowie durch ein angebrachtes Winglet (Bild 4).
Investitionskosten
Entscheidend für das Gesamtergebnis sind neben den jährlichen Betriebskosten auch die Investitionskosten, bestehend aus den Ventilatoren mit dem dazugehörigen Verfahren zur Drehzahlveränderung. Hierbei muss bei der Betrachtung der verschiedenen Systeme auch unterschieden werden, ob es sich um eine Anlage handelt bei der nur ein Ventilator zum Einsatz kommt, oder ob mehrere Ventilatoren gemeinsam in einem identischen Betriebspunkt betrieben werden. Im Vergleich zur Parallelschaltung zieht die Investition in eine separate Leistungselektronik für jeden Ventilator in aller Regel deutlich höhere Kosten nach sich, als der Betrieb dieser mit einem zentralen Frequenzumrichter.
Zusammenfassung
Aktuell wird ein Großteil der Ventilatoren auf Verflüssigern durch externe Spannungsregler oder Frequenzumrichter geregelt. Dies stellt insbesondere bei Anlagen mit vielen parallel betriebenen Ventilatoren häufig eine wirtschaftliche Lösung dar.
Trotz allem ist in den letzten Jahren mehr und mehr der Trend zu Ventilatoren mit integrierter Elektronik gegangen also hin zu intelligenten Ventilatoren. In diesem Trend sollte die EC-Technologie aber nicht als einzige verfügbare Lösung gesehen werden. Drehstrom Asynchronmotoren mit integriertem Frequenzumrichter stellen aufgrund der niedrigeren Investitionskosten eine Alternative dar.
Die zentrale Regelung ist eine optimale Lösung bei parallel geschalteten Ventilatoren und eignet sich für die Umrüstung von bestehenden Anlagen, um ein hohes Energieeinsparpotenzial zu erreichen. Wird dagegen ein maximaler Wirkungsgrad mit dem höchsten Maß an Energieeinsparung gefordert, sind EC-Motoren, welche möglichst auf das hochwertige Magnetmaterial Neodym-Eisen-Bor aufbauen, die optimale Lösung.
Für die Auswahl des optimalen Systems genügt es daher nicht, sich auf eine Technologie zu fixieren. Die Betrachtung der Vorteile der unterschiedlichen Systeme von der Spannungsregelung über die Frequenzregelung bis hin zur EC-Technik sollte daher immer wieder aufs Neue durchgeführt werden.-
Link
Als Vortrag gehalten auf der 7. KK-Fachtagung im Februar 2008 in Bingen.
Jürgen Albig,
Leiter des Fachbereichs Produktmanagement, Ziehl-Abegg AG, Künzelsau
