Energiemanagement mit Frequenzumrichtern (VFDs)

1 – Was ist ein Frequenzumrichter (VFD)?

Es handelt sich um elektronische Geräte, die die Frequenz von Wechselstrom und damit die Drehzahl und das Drehmoment von Elektromotoren je nach Bedarf eines Systems regeln und so zum Energiemanagement beitragen. Sie werden auch Frequenzumrichter oder einfach Wechselrichter genannt.

2 – Aus welchen Komponenten besteht dieses Gerät?

Der VFD lässt sich in fünf Komponenten unterteilen: einen Netzgleichrichter, der Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt; Drosseln, die die Netzspannung filtern, den Leistungsfaktor erhöhen und Oberschwingungen reduzieren können; eine Kondensatorbatterie; einen Steuerkreis; und schließlich einen Wechselrichter, der Gleichstrom in Wechselstrom für den Motoreingang umwandelt.

Blockdiagramm eines Frequenzumrichters. Quelle: Danfoss.

3 – Was ist der Unterschied zwischen einem Frequenzumrichter, einem Frequenzkonverter und einem Frequenzumsetzer?

Der Name Frequenzumrichter leitet sich von den englischen Begriffen „Variable Frequency Drive (VFD)“ bzw. „Variable Speed Drive (VSD)“ ab, während Frequenzkonverter und -begriffe die hier in Brasilien üblicherweise für diese Geräte verwendeten Nomenklaturen sind. Die unterschiedlichen Namen stellen keine technischen Unterschiede der Produkte dar.

4 – Welche Anwendungen gibt es für VFDs im Baugewerbe und/oder in der Industrie?

Im Baugewerbe werden die Geräte normalerweise in Motoren von Sekundärkühlwasserpumpen (BAG), Gebläsekonvektoren, Wärmetürmen und anderen Arten von Ventilatoren und Motoren eingesetzt. In der Industrie werden sie häufig in verschiedenen Arten von Pumpen, Kompressoren, hydraulischen Turbinen und Motoren zur Verarbeitung und zum Transport von Produkten verwendet. Das Anwendungsspektrum ist so breit, dass es beispielsweise zur Steuerung von Tauchpumpen zur Ölabsaugung eingesetzt werden kann.

5 – Können Frequenzumrichter für jeden Motortyp verwendet werden?

Je nach Anwendungsfall ist es möglich, einen Motor mit oder ohne VFDs für den Betrieb mit variabler Last auszurüsten. Mechanische (Getriebe), hydraulische oder veränderliche Laufraddurchmesser von Pumpen/Lüftern sind Optionen, die ebenfalls zur Verbesserung der Energieeffizienz in Industrie und Gebäuden eingesetzt werden können. In jedem Fall müssen die Vor- und Nachteile, die Investition und vor allem das Kostensenkungspotenzial durch Energieeinsparungen analysiert werden.

Der Frequenzumrichter mit Inversion muss mit Asynchronmotoren kombiniert werden. Mit anderen Worten handelt es sich um Wechselstrommotoren (AC), die den in ihrem Rotor erzeugten Strom nutzen.

6 – Ist es mit diesen Geräten möglich, das Energiemanagement zu verbessern und den Energieverbrauch zu senken?

Ja, in vielen Fällen, wenn der Motor nicht immer mit maximaler Leistung arbeiten muss. Mit diesem Gerät ist es möglich, die Motordrehzahl an den Bedarf des Systems anzupassen. Dies führt natürlich zu Energieeinsparungen.

Beim Pumpen von Flüssigkeiten und der Belüftung von Luft oder anderen Gasen kann eine Reduzierung der Motordrehzahl um beispielsweise 30 % eine Leistungsreduzierung an der Motorwelle um 66 % bedeuten. Diese Beziehung wird durch die „Schichtgesetze“ vorgegeben, die in der Strömungsmechanik konzeptualisiert und von Herstellern hydraulischer Geräte ausführlich getestet wurden.

Der Betrieb der Antriebe in Kombination mit der entsprechenden Instrumentierung ermöglicht es uns, jederzeit die optimale Drehzahl für die vom System benötigten Bedingungen zu erreichen. Dies führt direkt zu Energieeinsparungen, wenn die Drehzahl unter dem Maximum liegt.

7 – Was sind die häufigsten Herausforderungen im Alltag im Zusammenhang mit Frequenzumrichtern?

Ein sehr häufiger Fehler, der in unseren Energieauditorien zu sehen ist, ist die unzureichende Nutzung der Automatisierung dieses Systems. Aufgrund mangelnder Kenntnisse „sperren“ viele Bediener die Antriebe auf die feste Frequenz von 60 Hz oder auf den Motorkonstruktionszustand, was der Logik des Frequenzumrichters widerspricht. Dies ist eine inakzeptable Praxis und zeugt von mangelndem Energiemanagement. Letztendlich führt dies dazu, dass der Wechselrichter keine Energie spart.

Wir haben auch Fälle gesehen, in denen Antriebe mit festen Frequenzen unter 35 Hz betrieben wurden. Dieses Verfahren ist besonders schwerwiegend, da es den Motor beschädigen oder seine Lebensdauer verkürzen sowie die Effizienz von Pumpen-, Lüfter- und Kompressorsystemen erheblich verringern kann. Es ist notwendig, den idealen Betriebsbereich für jeden Motor gemäß dem Handbuch des Herstellers zu überprüfen. Wenn ein Motor immer weit unter seiner Kapazität arbeitet, ist er möglicherweise überdimensioniert.

Fazit: Ein Frequenzumrichter garantiert keine höhere Effizienz oder ein besseres Energiemanagement

Es macht keinen Sinn, einen Frequenzumrichter zu kaufen, wenn seine Erkennung nicht richtig funktioniert.

Die Kombination aus Wechselrichtern und geeigneter Geräteauswahl, Systemschutzdesign, Verwendung von hocheffizienten Motoren sowie anderen guten Konstruktions-, Betriebs- und Wartungspraktiken garantieren Verbesserungen der Energieeffizienz von Anlagen.

Ein praktisches Beispiel: Bei einem unserer Kunden im gewerblichen Sektor schätzen wir die Einsparungen allein durch die Freischaltung der Frequenzumrichter in den Kaltwasserpumpen (BAGs) auf 47.910 kWh/Jahr. Dieser Wert entspräche 27.472 R$ pro Jahr, ein Beispiel für eine Maßnahme ohne Kosten mit sofortigen Einsparungen.

In Zusammenarbeit von André De Dominicis und Hamilton Ortiz