Energiemanagement neu gedacht

Schneider Electric leistungsorientierter Frequenzumrichter bei einer Pumpe

Leistungsorientierte Frequenzumrichter verfügen über eingebettete Sensorelemente und sind so in das industrielle Internet der Dinge (IIoT) integrierbar. Das ermöglicht die Fernwartung und eine umfassende Bewirtschaftung von Frequenzumrichter, Motor oder Pumpe und des Prozesses in Echtzeit. Die Anlagen lassen sich deshalb zustandsorientiert warten und sind effizienter.

Vernetzte Frequenzumrichter sind nichts Neues auf dem Markt. Leistungsorientierte Frequenzumrichter unterscheiden sich jedoch durch ihre eingebetteten Sensorfunktionen. Frequenzumrichter dienen vor allem der Regelung der Motorgeschwindigkeit. Leistungsorientierte Frequenzumrichter liefern zusätzlich elektrische Messgrössen mit einer elektronischen Signatur, die sich in Betriebsmesswerte umrechnen lässt. Durch integrierte Intelligenz wird die Effizienz der Anlage gesteigert, sowohl bei der Betriebsautomatisierung als auch beim Energieverbrauch.

Echtzeitüberwachung von Motoren oder Pumpen

Die Weiterentwicklung von Antrieben mit geregelter Drehzahl umfasst eine genaue Leistungsmessung (Genauigkeit kleiner als 5%). Diese Funktion ermöglicht es, den Energieverbrauch jedes einzelnen Motors oder Pumpe in einer Anlage kontinuierlich zu überwachen. Üblicherweise misst ein Leistungsmessgerät den Gesamtenergieverbrauch einer Anlage oder eines Anlageteils. Dank einem leistungsorientierten Frequenzumrichter kann der Anlagenbetreiber direkt auf den einzelnen Antrieb zugreifen. So kann er Veränderungen im Energieverbrauch erfassen und auswerten. Ausserdem weiss er in Kürze, bei welchem Antrieb sich die Energieaufnahme drastisch verändert hat. Die Fehlersuche wird damit erheblich vereinfacht. Das spart Zeit und Geld.

Mit leistungsorientieren Antrieben kann der Anlagenbetreiber den Energieverbrauch in Echtzeit auf Stufe Motor- oder Pumpenebene überwachen. Leistungsorientierte Frequenzumrichter verfügen über integrierte Ethernet Schnittstellen und einem integrierten Webserver, welcher der Anlagebetreiber auf seine Bedürfnisse anpassen kann. Eine mögliche IIoT Topologie sieht folgendermassen aus: Auf der unteren Ebene befinden sich die intelligenten, vernetzten Geräte oder Maschinen. Darüber liegt eine Ethernet-gestützte Kommunikationsarchitektur, die Informationen an die Cloud überträgt – mithilfe von Feldbussystemen, Gateways und Servern. In der Cloud stehen dem Anlagenbetreiber neue Softwareanalysefunktionen in einer Big-Data-Umgebung zur Verfügung. Der integrierte Webserver ermöglicht es dem Anwender plattformunabhängig über Smartphones, Smart Tablets oder Browser in den einzelnen Antrieben Datenmanagement, Parametrierung, Analyse, Trendfunktionen und Optimierungen durchzuführen.

Datenbasiertes Energie- und Prozessmanagement

Ein leistungsorientierter Frequenzumrichter ermöglicht einen effizienteren Anlagenbetrieb. Er überwacht ohne zusätzliche Sensoren den optimalen Arbeitspunkt einer Anlage. Insbesondere bei Pumpen lässt sich so zusätzlich bis zu 40% Energie einsparen. Einen dynamischen Pumpenbetrieb im Verhältnis zum optimalen Betrieb lässt sich einfach dar- und einstellen über das grafische Bedienterminal, Parametriersoftware und den integrierten Webserver. Notwendig dafür sind fünf Datenpunkte anhand der Pumpenkennline wie Förderhöhe und Fördermenge. So lassen sich nichtelektrische Parameter überwachen. Dazu zählen etwa Motorentemperatur, Wirkungsgrad, Druck oder Durchfluss der Pumpe. Gleichzeitig können Warnungen ausgelöst werden bei Kavitation, minimaler Durchflussmenge oder Druckverlust. Dies ganz ohne zusätzlichen Installationsaufwand.

Eine Anlage mit mehreren Pumpen kann zu einem System zusammengefasst werden. Der optimale und somit effizienteste Arbeitspunkt des gesamten Systems wird erreicht, indem der Betreiber Pumpen gezielt zu- oder wegschaltet. Die Applikation kann als Insellösung oder in einem Verbund eingesetzt werden. Leistungsorientierte Frequenzumrichter können zum Beispiel elektrische und nichtelektrische Daten in eine Cloud übertragen. So stehen die Daten dem Betreiber digital zur Verfügung. Ein fundiertes und detailliertes Energie- sowie Prozessmanagement entsteht durch gezieltes Datenmanagement.

Verlängerte Lebensdauer von Motoren dank 3-Level Technologie

Low Harmonics Frequenzumrichter werden vermehrt eingesetzt, um zusätzliche Verluste durch Strom- und Spannungsverzerrungen zu vermeiden. Diese reduzieren den Gesamt-Strom-Klirrfaktor THD(i) drastisch und beeinflussen so die Netzspannung minimal. Der netzseitig aufgenommene RMS Strom ist um die Verzerrungsblindleistung und um die Blindleistung reduziert. So erreichen cos phi und Lambda den Wert 1 und die Verluste sind netzseitig kleiner (z.B. Transformatorverluste). Vorgeschaltete Komponenten können somit meist kleiner gewählt werden. Low Harmonics Antriebssysteme oder aktive, rückspeisefähige Frequenzumrichter (4Q) hatten bisher gegenüber einem Standard–Frequenzumrichter geringfügig höhere Verluste. Durch Reverse-blocking IGBT und eine neuartige 3-Level Technologie lassen sich diese Verluste signifikant reduzieren. Ein wesentlicher Vorteil der 3-Level Technologie zeigt sich bei den Abmessungen der integrierten Filterkomponenten. Die Abmessungen konnten nahezu halbiert werden – dies durch die spezielle Schaltfrequenz der 3-Level Technologie und die Positionierung der Filterkomponenten im forcierten Kühlluftkanal.

Die 3-Level Technologie mit common mode Filter im aktiven Netzgleichrichter reduziert den Spannungsrippel im Zwischenkreis. Damit werden die Spannungsbelastung und der Lagerstrom am Motor wesentlich reduziert. Dies im Vergleich zu anderen Low Harmonic Frequenzumrichtern. Vermindert werden sowohl die Verluste im IGBT als auch die Spannungsbelastung an den DC Kondensatoren durch die gleitende Anpassung der Zwischenkreisspannung an die Netzspannung. Frequenzumrichter mit 3-Level Technologie gehen effizient mit der Energie um und schonen Ressourcen, weil sie nahezu sinusförmig Strom aufnehmen und Motor-freundlich sind.

Weniger Energieverbrauch

Leistungsorientierte Frequenzumrichter sind eine wichtige Weiterentwicklung von Antrieben mit variabler Drehzahl – mit speziellem Fokus auf IIoT-fähiges Energie- und Prozessmanagement. Dabei eignen sie sich besonders für den Einsatz in der Wasser-, Abwasser- und Nahrungsmittelindustrie sowie in Kies- und Stahlwerken. Sie ermöglichen, die Energieeffizienz von Anlagen mittels Energie- und Prozessmanagement zu erhöhen und Anlagen dadurch mit weniger Energie zu betreiben.

Last modified: 10.12.18