Korea Ever-Power · YVF2-Serie · Leitfaden zum Energiesparen von VFD-Pumpen

Eine mit einem Frequenzumrichter ausgestattete Pumpe arbeitet in Zeiten geringer Nachfrage häufig mit 40 bis 801 TP3T Nenndrehzahl. Bei diesen reduzierten Drehzahlen erzeugt der Wellenlüfter eines Standard-IC411-Motors nur 6 bis 511 TP3T Kühlluftvolumenstrom bei Volllast, während der Motor dennoch ausreichend Drehmoment aufbringen muss, um die Pumpenreibung zu überwinden und den Förderstrom gegen die Systemhöhe aufrechtzuerhalten. Die reduzierte Kühlung in Verbindung mit der fortgesetzten Drehmomentproduktion führt dazu, dass die Wicklungstemperatur den Grenzwert der Klasse F überschreitet. Dies beschleunigt die Alterung der Isolierung und führt innerhalb von 2 bis 5 Jahren zu einem vorzeitigen Motorausfall – und das bei einer Betriebsdauer, für die das Pumpensystem eigentlich 20 Jahre oder länger ausgelegt war.

Moderne IGBT-basierte Frequenzumrichter schalten mit 2 bis 16 kHz und erzeugen dabei Spannungsspitzen von 1000 bis 1600 V an den Motorklemmen (verstärkt durch Kabelreflexionen). Die Standard-Motorwicklungsisolierung der Klasse F ist für sinusförmige Spannungswellenformen ausgelegt. Die wiederholten hochfrequenten Spannungsspitzen verursachen Teilentladungen in der Wicklungsisolierung und einen fortschreitenden Isolationsdurchschlag. Dieser Fehlermechanismus tritt nicht auf, wenn der Motor mit einer sinusförmigen Versorgungsspannung mit fester Frequenz betrieben wird. Er wird jedoch zum Hauptausfallmechanismus, wenn ein Standardmotor an einen Frequenzumrichter ohne ausreichende Isolationsspezifikation angeschlossen wird.

Die Gleichtaktspannung des Frequenzumrichters induziert Wellenströme, die sich über die Motorlager entladen und dort zu Funkenerosion (EDM) der Lagerringe führen. Dies verursacht charakteristische Mattierungen und Riffelungen auf der Lagerringoberfläche, erhöhte Vibrationen und Lagerausfall innerhalb von 6 bis 24 Monaten. Pumpenmotoren an Frequenzumrichtern ohne Lagerstromschutz (isoliertes NDE-Lager oder Wellenerdungsring) fallen aufgrund von Lagerschäden aus, bevor es zu Isolationsfehlern kommen kann. Beide Ausfallmechanismen müssen in der Motorspezifikation YVF2 für Pumpen-Frequenzumrichterantriebe gleichzeitig berücksichtigt werden.

Die Korea Ever-Power YVF2-Serie nutzt die Zwangskühlung IC416 – ein separater, unabhängig angetriebener Gebläsemotor, der an der antriebsseitigen Seite montiert ist, sorgt für einen konstanten Kühlluftstrom über das Motorgehäuse, unabhängig von der Drehzahl der Hauptmotorwelle. Reduziert der Frequenzumrichter die Pumpenmotordrehzahl für den Betrieb mit geringer Last auf 50% (25 Hz), liefert das IC416-Gebläse weiterhin 100% Nennkühlluftstrom. Dadurch kann die YVF2 bei dieser reduzierten Drehzahl ohne thermische Leistungsreduzierung das volle Nenndrehmoment erreichen.

Das Gebläse IC416 wird über die Drehstromversorgung (nicht über den Frequenzumrichter) gespeist, wodurch sichergestellt wird, dass es unabhängig von der Frequenzumrichterfrequenz mit voller Nenndrehzahl läuft. Der Gebläsemotor hat typischerweise eine Nennleistung von 1/20 bis 1/10 des Hauptmotors – bei einem 22-kW-YVF2 sind es etwa 0,18 bis 0,37 kW – und sein Stromverbrauch ist im Vergleich zur Energieeinsparung durch die Drehzahlregelung des Hauptpumpenantriebs mittels Frequenzumrichter vernachlässigbar.

Im obigen Beispiel mit 22 kW umfasst eine typische Nachrüstung einer VFD-Pumpe folgende Komponenten: VFD-Einheit (22 kW, IP54, Schaltschrankmontage) $2.500–4.000; YVF2 22-kW-Umrichtermotor $1.200–1.800; Arbeitskosten für Motoraustausch und Kupplungsausrichtung $300–500; elektrische Installation und Inbetriebnahme des VFD $800–1.200; Druckmessumformer für PID-Regelung (falls noch nicht installiert) $200–400. Die Gesamtprojektkosten belaufen sich je nach Standortbedingungen und vorhandener Infrastruktur auf ca. $5.000–7.900.

Die Drehzahlregelung von Kreiselpumpen mittels Frequenzumrichter bietet neben der direkten Energieeinsparung weitere Vorteile: (1) Vermeidung von Druckstößen – der Frequenzumrichter reduziert die Pumpendrehzahl kontrolliert anstatt abrupt. Dadurch wird der Druckstoß verhindert, der Ventile, Verbindungen und Instrumente beschädigen kann. (2) Geringerer Pumpenverschleiß – der Betrieb mit reduzierter Drehzahl verringert den Verschleiß von Laufrad und Dichtungen sowie die Lagerbelastung. (3) Längere Motorlebensdauer – die reduzierte Drehzahl bedeutet geringeren Stromverbrauch, einen kühleren Motor und eine längere Lebensdauer von Wicklung und Lagern. (4) Präzise Durchfluss- und Druckregelung – der Frequenzumrichter kann die Pumpendrehzahl in Abhängigkeit von einem Prozessdruck- oder Durchflusssignal modulieren. Dadurch entfällt die Notwendigkeit eines separaten Regelventils in der Druckleitung.

Die Energieeinsparung skaliert bei gleicher durchschnittlicher Drehzahlreduzierung annähernd linear mit der Motorleistung. Eine 37-kW-Pumpe mit einer durchschnittlichen Drehzahl von 821 TP3T spart jährlich ca. 18.700 TP4T; eine 75-kW-Pumpe spart jährlich 37.800 TP4T. Bei Anlagen mit mehreren Pumpen, die über Drosselventile gesteuert werden, kann die Gesamteinsparung ein anlagenweites Umrüstungsprogramm auf Frequenzumrichter rechtfertigen, das sich selbst bei konservativ geschätzten durchschnittlichen Drehzahlreduzierungen in weniger als zwei Jahren amortisiert.

Die Korea Ever-Power YVF2-Serie ist die optimale Motorspezifikation für alle Umrüstungen und Neubauten von Kreiselpumpen mit Frequenzumrichter. Sie kombiniert IC416-Zwangskühlung für volles Drehmoment bei jeder Drehzahl, Wicklungsisolierung der Klasse H für den Betrieb mit Frequenzumrichtern und damit langfristige Beständigkeit gegen PWM-Spannungsspitzen sowie standardmäßigen PTC-Thermistor-Wicklungsschutz. Die YVF2 verwendet die gleichen IEC 72-1-Baugrößen wie die Standard-Y2-Serie und kann daher bei einer Pumpenmodernisierung einen vorhandenen Y2-Motor ohne Änderungen an Pumpengrundplatte, Kupplung oder Verrohrung ersetzen. Die gesamte YVF2-Baureihe ist erhältlich in [fehlende Angabe]. Produktbereich: VFD-Umrichtermotoren.

Druckerhöhungspumpen für die kommunale Wasserversorgung und Gebäudedruckerhöhungsanlagen mit Frequenzumrichter gewährleisten einen konstanten Ausgangsdruck über einen weiten Durchflussbereich. Die 2-polige Pumpe YVF2 (2.900 U/min) mit einer Leistung von 3,0 bis 30 kW deckt die meisten Anwendungen im Bereich der Druckerhöhung ab.

Landwirtschaftliche Bewässerungspumpstationen mit variablem Bewässerungsbedarf und Steigleitungen profitieren von der Drehzahlregelung mittels Frequenzumrichter, um einen konstanten Förderdruck bei wechselnden Feldventilstellungen aufrechtzuerhalten. YVF2 4-polig, 11 bis 90 kW, für Hauptbewässerungspumpenantriebe.

Die Jockeypumpe zur Aufrechterhaltung des Drucks in der Feuerlöschanlage arbeitet intermittierend mit sehr geringem Fördervolumen, um Systemleckagen auszugleichen. Die Drehzahlregelung mittels Frequenzumrichter verhindert das ständige Ein- und Ausschalten, hält den Druck konstant und reduziert die Anzahl der Starts erheblich. Zudem werden Druckspitzen durch wiederholtes Direktstarten vermieden.

Kondensatrücklaufpumpen in industriellen Kesselanlagen. Die Kondensatrücklaufmenge variiert mit dem Dampfbedarf. Die Drehzahlregelung der Kondensatpumpe mittels Frequenzumrichter verhindert ein Überlaufen in den Abfluss und reduziert den Pumpenverschleiß durch häufiges Ein- und Ausschalten gegen einen Schwimmerschalter am Kondensatstand.