LotharGehlhaar - Teichbauforum

B. Göckel, Dr. N. Baur "Regeln statt Drosseln"
Pumpen und Elektroantriebstechnik
Regeln statt Drosseln
Pumpen und Elektroantriebstechnik

Ein Großteil der Asynchron-Normmotoren wird zum Antrieb von Pumpen eingesetzt. Noch ausgeprägter ist der Anteil der drehzahlgeregelten Antiebe mit Asynchronmotor und Frequenzumrichter. Hier kann durchaus ein Anteil von 30 Prozent für Pumpenantriebe angenommen werden. Es ist somit angemessen, wenn sich der Antriebstechniker mit seinem Hauptanwendungsgebiet, den Pumpen und Pumpenanwendungen auseinandersetzt. Nachstehend werden hierzu einige grundlegende Gesichtspunkte zu Pumpen aufgeführt. Sie erheben nicht den Anspruch auf Vollständigkeit und sollen schon gar nicht ermuntern, den Pumpenfachmann zu ersetzen - das Einsparpotenzial geschickter Regelung rechtfertigt aber durchaus die eingehendere Betrachtung.

Eine Pumpe wird eingesetzt zur Förderung eines Flüssigkeitsstromes. Hierzu ist eine anlagenspezifische Druckdifferenz zu überwinden. Die zeitliche Fördermenge multipliziert mit der Druckdiffernz ergibt die ‚Nutzleistung‘ (Abb. 1). Sobald ein Volumenstrom aufgebaut wird ergeben sich infolge Reibungsverlusten in Rohren, Krümmern und Absperroganen Druckabfälle, die ebenfalls zu überwinden sind und eine dementsprechende Zusatzleistung erfordern. Bei genauer Betrachtung ist auch noch die Differenz der kinetischen Energie im Fördermedium zwischen Pumpeneingang und Pumpenausgang zu berücksichtigen. In der Paxis faßt man die ‚Solldruckerhöhung‘ und alle anlagenspezifischen Druckverluste in der Anlagenkennlinie zusammen. Im Wasser- und Abwasserbereich wird die Nutzdruckdifferenz als geodätische Förderhöhe bezeichnet. Die ‚Rohrverluste‘ (Reibungsverluste in Rohren und Ventilen) sind proportional zum Quadrat des Volumenstromes. Die Auslegung der Pumpe erfolgt auf die Nennfördermenge und den Nennförderdruck. Dieser muss mindestens der Nutzdruckdifferenz zuzüglich aller Druckverluste bei der Nennfördermenge entsprechen. Das Produkt aus Nennfördermenge und Nennförderdruck dividiert durch den Pumpenwirkungsgrad ergibt die Nennwellenleistung an der Pumpenwelle (Abb. 2).
Vielfach wird statt der Druckdifferenz die Förderhöhe vorgegeben. Diese errechnet sich zu H = δp / (ρ · g), wobei H die Förderhöhe in m, δp die Druckdifferenz in N/m2 , ρ die spezifische Dichte in kg/m3 und g die Erdbeschleunigung in m/s2 ist.


Pumpenarten

Die Anforderungen bezüglich Volumenstrom reichen von einigen cm3/s bis zu etliche m3/s, Differenzdrücke können von einigen Pascal bis über 1000 bar gefordert werden. Solche weit gespannten Anforderungen ergeben sehr unterschiedliche Pumpenbauarten und sehr unterschiedliche Anforderungen an die Mengenstrombeeinflussung und an die Antriebe mit Wellenleistungen von wenigen Watt bis zum Megawattbereich.
Man unterscheidet bei den Pumpen 2 Hauptgruppen: zum Einen Verdrängungsmaschinen und zum Anderen Strömungsmaschinen.
Verdrängungsmaschinen fördern pro Umdrehung einen definierten Volumenstrom. Der Druck ergibt sich aus den Strömungswiderständen und dem Systemdruck. Innerhalb der Verdrängungsmaschinen ist wiederum zwischen oszillierenden Maschinen (Kolbenpumpen, Plungerpumpen, Membranpumpen) und rotierenden, also stetig fördernden Maschinen (Zahnradpumpen, Schneckenpumpen) zu unterscheiden.
Strömungsmaschinen erzeugen infolge Fliehkraft und/oder infolge Änderung der Geschwindigkeitsvektoren innerhalb des Fördermediums eine Druckdifferenz, die einen von den äußeren Widerständen abhängigen Förderstrom zur Folge hat.
Die jeweils optimale Bauart ergibt sich aus dem Nennförderstrom und dem Nenndruck. Tendenziell ergeben hohe Drücke bei geringem Volumen Verdrängungsmaschinen, niedrigere Drücke und höheres Fördervolumen Strömungsmaschinen (Kreiselpumpen).
Als vergleichende Größe zur Bestimmung der optimalen Bauart dient die spezifische Drehzahl nq.
Diese Drehzahl ist gerechnet für eine mechanisch ähnliche Pumpe (lediglich geänderter Maßstab) die statt der Nennfördermenge 1 m3/s und statt der Nennförderhöhe 1 m ergibt. Die Berechnungsformel ist:

nq = nN (Q´1/2/ H´3/4) 1/min.

Legende:
nq spezifische Drehzahl (1/min); nN Nenndrehzahl (1/min); Q´ Nennfördermenge (m3/s) geteilt durch 1 m3/s; H´ Nennförderhöhe (m) geteilt durch 1 m, (je Stufe bei mehrstufigen Pumpen).

Zur Orientierung können Maschinenbauarten aus Tabelle 1 abgeleitet werden.

Tabelle 1: Für Fördermengen geeignete Pumpentypen
nq [1/min] Maschinentyp
< 1 Verdrängungsmaschine, oszillierend (Kolbenpumpe)
> 1 _ 10 Verdrängungsmaschine, stetig fördernd (Zellenpumpe)
> 10 _ 70 Strömungsmaschine, radiale Bauart (typische Kreiselpumpe)
> 70 _ 140 Strömungsmaschine, halbaxiale Bauart
> 140 Strömungsmaschine, axiale Bauart (Propellerpumpe).

Vielfach werden Strömungsmaschinen radialer Bauart (Kreiselpumpen) mehrstufig ausgeführt.


Regelung des Förderstromes

Die Maschinenauslegung erfolgt in der Regel auf die Maximalmenge bei den ungünstigsten Anlagenverhältnissen. Es ist deshalb unumgänglich den Förderstrom den aktuellen Anforderungen anzupassen also zu regeln. Die zu wählenden Regelmöglichkeiten sind auf die Anlagenanforderungen, auf die Eigenschaften der eingesetzten Pumpe und auf wirtschaftliche Aspekte abzustimmen.

Mengenstromregelung bei Verdrängungsmaschinen

Wie erwähnt, ist die Fördermenge eine direkte Funktion der Drehzahl.

Antrieb mit konstanter Drehzahl
Zur Anpassung an den tatsächlichen Bedarf gibt es einerseits die Möglichkeit, die nicht benötigte Menge über einen Bypass zurückzuführen, unabhängig von dem tatsächlichen Bedarf bleibt auch die Leistungsaufnahme konstant; andererseits die Möglichkeit, dass die Pumpe in einen Speicher fördert.
Je nach Anlagentyp wird über einen 2-Punkt-Regler auf eine Niveau-Differenz oder auf eine Druck-Differenz durch Aus- und Einschaltung des Motors geregelt. Das Speichervolumen ist auf die zulässige Einschalthäufigkeit des Motors abzustimmen.

Antrieb drehzahlgeregelt
Die Pumpendrehzahl wird der jeweiligen Fördermenge angepasst. Je nach Pumpen und Anlagentyp kann ein mittlerer Drehzahlbereich von ca. 1:3 gefahren werden. Das mittlere Antriebsmoment ist im Wesentlichen abhängig vom Systemdruck und nahezu unabhängig von der Drehzahl. Die aufgenommene Leistung ist dann proportional der Drehzahl. Demzufolge erreicht auch die Netzbelastung nur im Nennpunkt den Nennwert. Zur Antriebsauslegung ist bei selbstgekühlten Motoren die fehlende Kühlwirkung bei kleiner Drehzahl zu berücksichtigen. Bei oszillierenden Pumpen ist der bauartabhängige Momentenverlauf über eine volle Umdrehung der Pumpenwelle zu berücksichtigen. Dies kann ein dynamisches Umrichtersystem mit DTC-Regelung und auch eine größere Dimensionierung des Umrichters erfordern. Weiterhin ist zu klären, ob ein erhöhtes Anfahrmoment zu erwarten ist.

Mengenstromregelung bei Strömungsmaschinen

Wie vor erwähnt, erzeugen Strömungsmaschinen durch Fliehkraft und/oder infolge Änderung der Geschwindigkeitsvektoren innerhalb des Fördermediums einen Differenzdruck zwischen Saug- und Druckseite. Der Förderstrom ist zunächst vom Systemdruck abhängig, hat aber andererseits auch einen Einfluss auf den Förderdruck bzw. die Förderhöhe (Abb. 3). Es ist sicherzustellen, dass die ‚verbotenen‘ Bereiche betriebsmäßig nicht angefahren werden.
Dies ist einmal die Einhaltung eines Mindestdruckes innerhalb der Flüssigkeit am Pumpeneingang. Wird dieser Mindestdruck unterschritten, kommt es zu Dampfblasenbildung in der Flüssigkeit mit zwei unterschiedlichen Effekten. Der Förderdruck fällt stark ab, der Zusammenbruch der Dampfblasen ergibt einen Materialabtrag (Kavitations-Erosion) in der Pumpe und führt zur schnellen Zerstörung. Als Zusatzeffekte ergeben sich starke Geräusche und ein Rückgang des Pumpenwirkungsgrades. Dieser Mindestdruck wird für jede Pumpe als NPSH-Wert (Net Positive Suction Head) vorgegeben und ist durch entsprechende Anlagenprojektierung und Begrenzung des Volumenstromes sicher zu stellen.
Zum anderen ist dies der Bereich hoher Förderströme bei absinkender Förderhöhe, sowie bei Axialmaschinen der Bereich überhöhter Förderhöhe.
Grundsätzlich gilt für den besten Wirkungsgrad und die geringste Beanspruchung der Pumpe die Betriebsweise, bei der die an- und abströmenden Flüssigkeiten ‚stoßfrei‘ in das Pumpenlaufrad ein- und austreten. Deshalb wird man bemüht sein, den Punkt des optimalen Wirkungsgrades auf den wahrscheinlichen Arbeitspunkt abzustimmen. Natürlich unter Beachtung der verbotenen Bereiche.
Eine im Planungsstadium nur abschätzbare Größe sind die Rohrverluste. Diese sind abhängig vom dem Quadrat der Fließgeschwindigkeit, vom Zustand der Rohre und Ventile sowie von der Zähigkeit des Fördermediums. Verringert sich der Rohrdurchmesser durch Ablagerungen um beispielsweise 10 Prozent, verringert sich der Fließquerschnitt um 20 Prozent, bei gleicher Reibung steigen die Rohrverluste um ca. 45 Prozent. Im Planungsstadium wird der ungünstigste Fall zugrundegelegt. Haben die Rohrverluste einen erheblichen Anteil an der Gesamtförderhöhe, ist bereits bei Vollast eine Begrenzung zur Vermeidung der verbotenen Bereiche und zum Schutz des Motors vor Überlastung notwendig.

Regelmethoden
Für Pumpenantrieb mit konstanter Drehzahl werden folgende Stell- und Regelvarianten eingesetzt:

· Laufradänderung, d. h. neues Laufrad, angepasst nach Inbetriebnahme, oder das Laufrad wird abgedreht - dies ist dann akzeptabel, wenn relativ konstante Förderströme gefahren werden und Veränderungen in der Anlage kaum zu erwarten sind, die Durchmesserreduktion des Laufrades bewirkt eine Reduktion der Förderhöhe und des Förderstromes
· Bypass, d. h. über eine Rückleitung und ein Stellventil wird der nicht benötigte Teil des Förderstromes auf die Saugseite zurückgeleitet - bei Radialmaschinen bewirkt dies ein Leistungsanstieg im Teillastbereich, die Charakteristik der Axialmaschine ist hierfür etwas günstiger als die der Maschinen radialer Bauart, insgesamt ist diese Lösung sehr stark verlustbehaftet.
· Vordrallregelung, eingesetzt wird diese bei Halbaxialpumpen, der Volumenstromstellbereich ist etwa 1: 2.
· Schaufelverstellung, diese Lösung wird bei großen Axialmaschinen eingesetzt, der Regelbereich ist auch ca. 1:2 bei relativ günstigem Teillastwirkungsgrad der Pumpe.
· Drosselregelung, dies ist die häufigste Art der Mengenstromregelung, sie ist dann einsetzbar, wenn die Pumpenkennlinie keinen verbotenen Bereich bei kleinen Fördermengen hat (alle Radialmaschinen und ein Teil der Halbaxialmaschinen), in den Pumpenausgang wird ein Regelventil eingebaut, durch Schließen dieses Ventils wird die Anlagenkennlinie steiler, der Förderstrom geht zurück, der Pumpenwirkungsgrad geht im Teillastbereich ebenfalls zurück, die erforderliche Motorwellenleistung sinkt trotzdem ab, der Stellbereich wird lediglich begrenzt durch die erforderliche Mindestfördermenge zur inneren Kühlung der Pumpe (Abb. 4).
· Ein- Aus-Regelung, d. h. die Pumpe arbeitet auf einen Speicher (Windkessel, Pumpensumpf), über einen 2-Punkt-Regler wird die Pumpe aus- und eingeschaltet, das Speichervolumen richtet sich nach der zulässigen Einschalthäufigkeit des Motors und über ein Stellorgan wird die Fördermenge auf den zulässigen Maximalwert begrenzt (Vermeidung der verbotenen Bereiche).

Für drehzahlgeregelte Pumpenantriebe gilt:
Bei gegebener Drehzahl ergibt sich bei der Pumpe eine feste Zuordnung von Förderhöhe zur Fördermenge nämlich die Q-H-Kennlinie. Dieser Q-H-Kennlinie ist eine Wirkungsgrad-Kennlinie zugeordnet, die bei Fördermenge Null auch Null ist und in der Nähe der Nennfördermeng ihr Maximum erreicht (Abb. 4). Bei Drehzahländerung ergibt sich eine geänderte Q-H-Kennlinie nach den Funktionen Q ~ n, H ~ n2, über die Drehzahlverstellung kann deshalb für jede gewünschte Fördermenge der zugehörige Arbeitspunkt (Schnittpunkt Anlagenkennlinie mit Q-H-Kennlinie) angefahren werden. Für den Pumpenwirkungsgrad ergeben sich dann Linien konstanten Wirkungsgrades, die in erster Näherung parabolisch zum Null-Punkt laufen. Der Förderstromstellbereich ist nur begrenzt durch den Mindestdurchfluss aus Erwärmungsgründen und durch die ‚verbotenen‘ Bereiche.
Insbesondere bei hohem Anteil der Rohrverluste ergeben sich auch im extremen Teillastbereich noch akzeptable Anströmverhältnisse im Pumpenlaufrad.

Leistungsbedarf
Der maximale Leistungsbedarf des Antriebes ergibt sich aus der maximalen Sollfördermenge, dem maximalen Solldruck und dem zugehörigen Pumpenwirkungsgrad. Das maximale Antriebsmoment ist aus der maximalen Leistung und der zugehörigen Drehzahl (muss nicht die Motornenndrehzahl sein) zu ermitteln. Für überschlägige Betrachtungen kann ein Momentenverlauf entsprechend der Beziehung M ~ Mmax · n2 angenommen werden. Die Losbrechmomente für Strömungsmaschinen sind üblicherweise kleiner als 30 Prozent des Maximalmomentes.
Unabhängig von der Pumpenbauart gilt: Die Förderstromregelung über die Drehzahl ist bezogen auf die Pumpentechnologie die mit Abstand günstigste Lösung.


Anpassungen an den Einsatz

Von der Gesamtzahl der Pumpen bilden Strömungsmaschinen den größten Anteil. Hier wiederum dominieren die Radialmaschinen, allgemein als Kreiselmaschine oder Kreiselpumpe bezeichnet. Vielfach sind diese mehrstufig ausgeführt. Bei Anlagen mit weit variierendem Mengenbereich, beispielsweise bei Klärwerksanlagen, werden mehrere Pumpen parallel betrieben. Hier hat sich der Einsatz einer geregelten Pumpe in Kombination mit ungeregelten Pumpen bewährt. Die geregelte Pumpe überdeckt den Förderbereich zwischen den ungeregelten Pumpen. Diese Lösung verbindet weitgehend die technologischen Vorteile der geregelten mit den geringeren Investitionskosten der ungeregelten Pumpe.
Vielfach wird bei Wirtschaftlichkeitsberechnungen der geregelten zur ungeregelten Pumpe nur die direkte Kosteneinsparung für die elektrische Energie eingesetzt. Die nachstehend aufgeführten Möglichkeiten können aber durchaus eine Gesamteinsparung an Investitions- und Betriebskosten (Lebensdauerkosten) zur Folge haben, die für sich alleine betrachtet den Einsatz von geregelten Antrieben aus wirtschaftlichen Gründen erfordern.

Erweiterung das Arbeitsbereiches
Ausgelegt werden die Pumpen meist für die Standarddrehzahlen der Asynchronmotoren. Von den Pumpenherstellern werden häufig die baugleichen Pumpen für 1500 und 3000 1/min ausgewiesen. Zwischenwerte erfolgen über die Anpassung der Laufraddurchmesser. Meist ist es möglich, mit einer Pumpenausführung und einem geregelten Antrieb den gesamten Bereich mit Pumpenwirkungsgraden zu erfassen, die eher besser sind als die Wirkungsgrade der angepassten Pumpe.

Ausgleich des Laufradverschleißes
Werden aggressive Medien gefördert, wird die Förderleistung durch Materialabtrag am Laufrad mit der Zeit geringer. Diesen Verlust an Förderleistung kann man durch Drehzahlerhöhung in den übersynchronen Bereich ausgleichen. Der Leistungsbedarf an der Motorwelle bleibt in erster Näherung der gleiche, weil die Pumpennutzleistung bezogen auf die Maximalwerte gleich bleibt.

Ausgleich von Änderungen der Anlagenkennlinie
Durch Ablagerungen, Rohrtoleranzen, Erweiterung der Anlage, Verschmutzungsgrad von Filtern hat man immer eine Abweichung gegenüber der Auslegung.
Zum Schutz der Pumpe und der Antriebe muß bei ungeregelten Antrieben durch Stellorgane dafür gesorgt werden, daß die Anlage im Betriebsbereich fährt. Diese verlustbehafteten Stellorgane können bei geregelten Antrieben entfallen.

Kleinere Volumenspeicher
Die Volumenspeicher bei Anlagen mit Ein-/Aus-Regelung werden nach der zulässigen Schalthäufigkeit der Motore ausgelegt. Bei geregelten Pumpen ist lediglich dann ein Speicher notwendig, wenn aus Gründen von Ablagerungen die Mindestfördermenge höher gefahren werden muss, als die minimale Zulaufmenge. Die Umrichter können bei Unterschreitung eines Minimaldrehzahlsollwertes stillgesetzt und über eine ‚Schlaffunktion‘ bei vollem Speicher gestartet werden. Das Speichervolumen wird wesentlich kleiner.

Druckstöße in längeren Leitungen
Betriebsmäßig können mit einem geregelten Antrieb durch schnelle Bescheunigungen und Verzögerungen der Flüssigkeitssäule verursachte Druckstöße unterbunden werden. Es sind dann nur Vorkehrungen für Netzausfälle zu treffen. Da andererseits umrichtergespeiste Asynchronmotoren auch im Anfahrbereich unterhalb der Nennverluste gefahren werden können, wirkt sich das Trägheitsmoment von Pumpe, Motor und einer Zusatzschwungscheibe nur auf die Hochlaufzeit und Verzögerungszeit, aber nicht auf die Antriebsgröße aus. Das bedeutet, dass eine Schwungmasse nur die Zusatzkosten der Schwungmasse und keine Kostenerhöhung des Antriebes zur Folge hat. Andere Druckstoßsicherungen bzw. Überdimensionierung der Rohrleitungen können entfallen.

Verschleißreduktion
Es wird immer nur der verlangte Flüssigkeitsstrom gefördert. Der Abrieb in Pumpe, Rohrleitung und möglichen Ventilen steigt überproportional mit der Fließgeschwindigkeit an.

Vereinfachte Rohrleitungsführung
Durch den Entfall von Stellventilen ist eine einfachere Rohrleitungsführung möglich. Die Anordnung von Regelventilen in Arbeitshöhe bedeutet zum Teil mehrfaches Umlenken der Rohrführung und somit auch zusätzliche Rohrverluste.

Entlastung des Elektrischen Netzes
Der umrichtergespeiste Asynchronmotor belastet das Netz praktisch nur mit Wirkleistung und mit der stromrichtertypischen Verzerrungsleistung (hier ist eine Abschätzung der Auswirkungen im Vorfeld sinnvoll). Die maximale Netzbelastung ist nur bei Maximallast vorhanden. Anlaufströme treten nicht auf.
Auslegung des Netzes für bis zu siebenfachen Anlaufstrom,Y/D-Anlassschaltungen zur Reduktion des Anlaufstromes auf den zweieinhalbfachen Wert oder Sanftanlasser zur Reduktion des Anlaufstromes auf den meist noch dreifachen Wert ist bei geregelten Antrieben nicht notwendig.


Zusammenfassung

Die Arbeitsmaschine Pumpe ist eins der wichtigsten Einsatzgebiete der elektrischen Maschinen. Insbesondere trifft dies für die umrichtergespeisten Asynchronantriebe zu.
Die Pumpen selbst gibt es in den unterschiedlichsten Ausführungen mit auch unterschiedlichen Anforderungen an den elektrischen Antrieb. In fast allen Fällen kann der Förderstrom auch bei konstanten Antriebsdrehzahlen an die Erfordernisse der Anlage angepasst werden.
Technologisch ist der geregelte Antrieb jedoch die günstigste Lösung. Werden die Lebebnsdauerkosten, also die Gesamtkosten betrachtet, ist selbst unter Vernachlässigung der Energiekosten der geregelte Antrieb vielfach die preisgünstigste Lösung. Unter Einbeziehung der Energiekosten ergeben sich Amortisationszeiten von zum Teil wenigen Monaten.
Der Slogan ‚Eine ungeregelte Pumpe ist geschenkt zu teuer‘ hat auch realistisch betrachtet seine Berechtigung.
Quelle: A&D Fachredaktion

Hallo Thomas,

jede Pumpe kann druckseitig über ein Absperrorgan eingedrosselt werden.
Dadurch wird ansich nur die statische Förderhöhe simmuliert, das Fördervolumen geht runter.
Je weniger Volumen gefördert wird, umso weniger Last nimmt die Pumpe auf, kleinere Last bedeutet kleinerer Stromverbrauch.

Gruß Hardy

hallo zusammen,

für die, welche etwas tiefer in diese materie einsteigen wollen: