Ist die Drehzahlsteuerung schon praxisreif?

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1 MELKEN Vakuumpumpen Ist die Drehzahlsteuerung schon praxisreif? Frequenzgesteuerte Vakuumpumpen sollen energiesparend und umweltfreundlich sein. Wie weit die Technik wirklich ist, schildern Prof. Fritz Tröger und Lutz Daßler, Sächsischer Landeskontrollverband in Lichtenwalde. In den meisten Betrieben wird das Vakuum für die Melkanlage bisher mit einer Pumpe erzeugt, die ständig mit voller Drehzahl und Luftförderleistung läuft. Dabei liegt die volle Leistung der Pumpe immer über dem tatsächlichen Bedarf der Anlage. Regelventile sorgen dafür, dass beim jeweiligen Betriebszustand nur so viel Luft eingelassen wird, damit das Vakuum stabil bleibt. Da Melkanlagen aber je nach Zahl der gerade aktiven Melkzeuge und der auftretenden Leckluft (Lufteinbrüche) fast immer nur einen Teil der Luftfördermenge der Vakuumpumpe benötigen, werden seit einigen Jahren Pumpen mit leistungsabhängiger Drehzahlsteuerung angeboten, so genannte frequenzgesteuerte Pumpen. Hier wird die Förderleistung der Vakuumpumpe dem wechselnden Bedarf der Melkanlage angepasst. Förderleistung wird dem Bedarf angepasst Das ist möglich durch Anpassung der Drehzahl der Vakuumpumpe an den wechselnden Bedarf. Realisiert wird dies mittels Frequenzumrichtern, die die Frequenz des Drehstromnetzes von 50 Hz für den Antriebsmotor der Vakuumpumpe und damit deren Drehzahl so weit absenken können, dass die gewünschte Betriebsvakuumhöhe gehalten wird. Der Freqenzumrichter wird angesteuert durch einen Drucksensor, der die Vakuumhöhe in der Hauptvakuumleitung überwacht. So wird gegenüber dem be- Übersicht 1: Lufttransport bei zwei- und dreiflügligen zweiflüglige Drehkolbenpumpe schriebenen Ventilsystem eine erhebliche Einsparung an Elektroenergie möglich. Zeitweilig haben die Melkanlagen einen sehr geringen Luftleistungsbedarf, z. B. wenn nur ein Melkzeug in Betrieb ist oder ein Melkkarussell leergefahren wird. Dann läuft die Vakuumpumpe mit dreiflüglige Drehkolbenpumpe Die beiden Drehkolben wälzen berührungslos gegeneinander ab und befördern die Luft in den Hohlräumen (grün = einströmende Luft, gelb = ausströmende Luft). weniger als 20 % ihrer Maximaldrehzahl nur sehr langsam. Für langsamen Lauf sind die bekannten ölgeschmierten Zellenverdichter-Vakuumpumpen jedoch nur begrenzt geeignet. Sie benötigen zum dichtenden Anpressen der Schieber an die Gehäuse- Übers. 2: Installationsbeispiele von Drehkolben- Vakuumpumpen mit Drehzahlsteuerung Anlage Bezeichnung Leistungsbedarf Max. Leistung d. Installierte der d. Pumpe nach install. Drehkolben- Pumpenleistung Melkanlage DIN/ISO bei Vakuumpumpe bei zum realen 50 kpa, l/min 50 kpa, l/min Bedarf A 2 x 10 FGM % B 2 x 12 FGM % C 2 x 12 FGM % D 2 x 15 FGM % E 2 x 16 SbS % F 20er Karussell % G 20er Karussell % H 20er Karussell % I 22er Karussell % K 24 er Karussell % L 48er Karussell % M 48er Karussell % Zeichnungen: Thiemeyer R24 top agrar 1/2005

2 R I N D wand eine Mindest-Drehzahl zum Erzeugen der notwendigen Fliehkraft. Deshalb werden für die bedarfsabhängige Vakuumerzeugung mit Drehzahlsteuerung vorzugsweise so genannte eingesetzt (auch als Wälzkolben-, Kreiskolben- oder Roots-Verdichter bezeichnet). Zwei zweiflüglige oder dreiflüglige Drehkolben wälzen berührungslos gegeneinander ab und fördern in den verbleibenden wandernden Hohlräumen Luft (Übersicht 1). Das berührungslose Abwälzen erfordert keinerlei Schmierung, aber kleinste Spaltweiten und deshalb fremdkörperfreie Luft. Im Vakuumleitungssystem muss vor der Pumpe ein Staubfilter installiert sein. Die ölfreie Förderluft ist umweltfreundlich, und die Wartungsarbeiten an den Pumpen beschränken sich auf Getriebe- und Lagerölwechsel sowie auf die Staubfilterpflege. Der Lärmpegel liegt in der Regel unter der der ölgeschmierten Zellenverdichter gleicher Leistung. Stromverbrauch ist geringer Wie hoch ist der Stromverbrauch der neuen, frequenzgesteuerten Pumpen? Wie hoch sind die möglichen Einsparungen tatsächlich? Aktuelle Studien aus Italien und den USA haben den Energieverbrauch für das Melken vor und nach der Umrüstung von herkömmlicher Antriebs- und Ventiltechnik auf frequenzgesteuerte in Farmen mit Melkanlagen verschiedener Größe verglichen. Die Energieeinsparungen liegen für die fünf italienischen Farmen zwischen 24 und 87 % (Mittelwert 56 %) und für die vier amerikanischen zwischen 43 und 70 %. Die höchsten Einsparungen wurden dann registriert, wenn bei der herkömmlichen Technik die Motor- bzw. Pumpenleistung viel zu groß angelegt war. In Einzelfällen betrug die Überdimensionierung bis zu 200 %! Aber auch die neuen Systeme wurden oft mit zu hoher Leistung installiert. Es Vakuumpumpensatz mit Schalldämmung. Die optimale Keilriemenspannung ist wichtig. zeigte sich, dass das Energiesparpotenzial mit zunehmender Melkanlagengröße steigt. Der Lärmpegel der lag um etwa 12 db niedriger als bei den herkömmlichen. Oft werden zu große Pumpen eingebaut Ähnliche Erfahrungen wurden auch in Sachsen nach der Installation von frequenzgesteuerten gemacht, und zwar sowohl bei Ersatzpumpen als auch in neuen Melkständen. Sicher sind auch wesentliche Energieeinsparungen zu verzeichnen, die bisher aus technischen Gründen aber noch nicht exakt gemessen werden konnten. Jedoch genügt das derzeitige Pumpenangebot in seiner Leistungsbreite nicht immer den Bedürfnissen der Praxis. Es werden häufig zu große, d. h. gegenüber dem realen Leistungsbedarf nach DIN/ISO zu leistungsstarke Vakuumpumpen eingesetzt. Sie sind in diesen Fällen unnötig teuer, und sicher ist das mögliche Energiesparpotenzial so nicht voll auszuschöpfen, denn diese Pumpen laufen zeitweilig, vor allem während der Spülung, auch mit voller und dann zu hoher Leistung. Übersicht 2 veranschaulicht die Situation der häufigen Überdimensionierung an Beispielen aus sächsischen Betrieben. Exakte Steuerung macht Probleme Im Vakuumleitungssystem muss vor der Pumpe ein Staubfilter installiert sein. Fotos: Dylka Die exakte Steuerung eines Elektromotors mit variabler Drehzahl ist sehr viel schwieriger als die Einrichtung einer Melkanlage mit konventionellem Vakuumregelventil. Vakuumregelventile schließen bei Vakuumabfall im Melksystem schlagartig und öffnen ebenso schnell beim Wiederanstieg des Vakutop agrar 1/2005 R25

3 MELKEN Herkömmliche servogesteuerte Vakuumregelventile sorgen dafür, dass nur so viel Luft eingelassen wird, um das Vakuum stabil zu halten. ums über den eingestellten Wert. Die nach DIN/ISO vorhandene Leistungsreserve steht im Vakuumsystem immer an und wird durch schnelles Ventilschließen sofort wirksam. Pumpen mit variabler Drehzahl müssen bei plötzlichem Vakuumabfall hochdrehen und die Leistungsreserve erst aufbauen. Bei Wiederanstieg des Vakuums müssen sie schnell abtouren. Beides erfordert zügiges Beschleunigen bzw. Abbremsen erheblicher Metallmassen mit entsprechender Trägheit sowie eine sensible elektronische Messwerterfassung und Motorsteuerung. Derartige Pumpensteuerungen berücksichtigt die gültige DIN/ISO leider noch immer nicht. Ein üblicher Test zur Prüfung der Vakuumstabilität ( dynamische Prüfung ) zeigt das Steuerungsproblem. Dazu werden alle Melkzeuge eines Melkstandes mit verschlossenen Melkbechern in Betrieb gesetzt. Zur Prüfung wird bei der ersten Messung an einem Melkzeug, bei der zweiten Messung an zwei Melkzeugen schlagartig über alle vier Melkbecher etwa 20 Sekunden lang Luft eingelassen und dabei der Vakuumverlauf in der Melkleitung nahe Endeinheit (Milchschleuse) aufgezeichnet. Übersicht 3 zeigt den Vakuumverlauf bei herkömmlichem Regelventil-Einsatz, Übersicht 4 bei einer frequenz-, also drehzahlgesteuerten Pumpe. Beim Regelventil sieht man das schnelle Reagieren beim Öffnen und Schließen fast ohne jedes Überschwingen. Bei Drehzahlsteuerung ist jedoch ein deutliches Unter- und Überschwingen zu erkennen. Vakuumhöhe wird nicht mehr erreicht Zu berücksichtigen ist bei dieser Prüfung, dass über ein voll geöffnetes Melkzeug bei 40 kpa Melkvakuum etwa 1100 l/min Luft einströmen. Bei kleineren Melkanlagen reicht die Reserveleistung dann oft nicht aus, das eingestellte Betriebsvakuum wieder in voller Höhe aufzubauen. Auch kann erhöhter Strömungseinfluss dazu beitragen, dass bei Öffnung eines Melkzeuges das messbare Vakuum trotz ausreichender Reserve wenige Zehntel-kPa unter dem Ausgangsvakuum bleibt, wie in den beiden Übersichten 4 und 5 zu erkennen ist. Übers. 3: Vakuumverlauf mit Servo-Regelventil Vakuum (kpa) ,5 Vakuumverlauf in der Melkleitung beim Öffnen (nach 10 s) und Schließen (nach weiteren 20 s) eines Melkzeuges. Vakuumregelung mittels herkömmlichem Servo-Regelventil. Grafiken: Bendig Vakuum (kpa) ,7 Vakuumverlauf in der Melkleitung beim Öffnen (nach 10 s) und Schließen (nach weiteren 20 s) eines Melkzeuges. Vakuumregelung mittels Frequenzsteuerung. Starkes Unter- und Überschwingen im Vakuumverlauf. Übers. 5: Frequenzsteuerung regelt exakt aus Vakuum (kpa) , ,6 s 1,4 s 39,7 ( 0,8) Zeit (s) 2,0 s 2,0 s 39,3 ( 0,9) 41,3 (+ 0,8) 6,0 s 6,0 s 40,1 ( 2,6) Die DIN/ISO 5707 fordert, dass das Vakuum unter allen normalen Betriebsbedingungen (also auch beim Abfallen eines Melkzeuges) nicht mehr als 2 kpa unter den eingestellten Wert fällt (und natürlich nicht mehr als 2 kpa darüber ansteigt). Zur Schnelligkeit des Ausregelns gibt es jedoch keine Festlegung. In den meisten von uns geprüften Melkanlagen mit frequenzgesteuerten Vakuumpumpen werden diese Grenzwerte leider überschritten. Die Ursachen liegen in technisch unterschiedlich geeigneten Frequenzumrichtern und deren oft man- Übers. 4: Vakuumverlauf mit Frequenzsteuerung 45,4 (+ 2,7) Zeit (s) 41,3 (+ 1,1) Zeit (s) Vakuumverlauf in der Melkleitung beim Öffnen (nach 10 s) und Schließen (nach weiteren 20 s) eines Melkzeuges. Vakuumregelung mittels Frequenzsteuerung. Nur geringes Unter- und Überschwingen in den Grenzen von ± 2 kpa. R26 top agrar 1/2005

4 R I N D gelhafter Feineinstellung. Übersicht 5 zeigt, dass es aber auch technische Lösungen gibt, die ausreichend exakt reagieren und die Grenzwerte zumindest beim Abfall (Öffnen) eines Melkzeuges einzuhalten vermögen. Hier sind die Melkanlagenanbieter gefordert, möglichst bald die geeignete Steuerungstechnik anzubieten und gegebenenfalls nachzurüsten. Überhitzungs-Schutz oft unzureichend Übersicht 6: Spez. Elektroenergieverbrauch von Vakuumpumpen* Hersteller bzw. Leistungsbereich der Leistungsaufnahme Typenreihe ges. Typenreihe bei bei Nennleistung 50 kpa Luft- kw je 100 l/min förderung l/min Luftförderung Ölgeschmierte Zellenverdichter I ,21 0,20 II ,37 0,23 III ,35 0,24 IV ,23 0,20 V ,30 0,25 VI ,29 0,27 VII ,29 0,27 VIII ,43 0,26 Anmerkung: Wasserringpumpen liegen im spezifischen Energieverbrauch bei 0,45 0,30 kw je 100 l/min Luftförderleistung und werden z.zt. kaum noch angeboten. * nach Prospektangaben einiger Hersteller Auch der Schutz vor Überhitzung frequenzgesteuerter Vakuumpumpen und ihrer Elektromotoren bei zu niedriger Drehzahl ist oft noch unbefriedigend. Zu niedrige Drehzahlen treten beim Tierwechsel in Gruppenmelkständen und bei Beginn oder am Ende der Melkarbeit auf. Fällt die reduzierte Drehstromfrequenz dabei unter 10 bis 15 Hz, muss zusätzlich Luft in das System eingelassen werden, um eine Mindestdrehzahl nicht zu unterschreiten. Die leider häufig angewendete Lösung, ein Loch in die Hauptvakuumleitung zu bohren, das ständig offen ist, etwa 500 l/min ungefilterte Luft einlässt und so eine Mindestdrehzahl sichert, reicht absolut nicht aus. So wird das Energiesparpotenzial bewusst unterwandert, denn die ständig eintretende Luftmenge entspricht dem Der Einsatz von ist nur gerechtfertigt, wenn er deutliche Energieeinsparungen bringt. Bedarf einer mittelgroßen Kannenmelkanlage. Notwendig wäre vielmehr ein elektrisch angesteuertes Magnetventil, das nur bei Unterschreiten einer Min- top agrar 1/2005 R27

5 STALLBAU MELKEN Das sollten frequenzgesteuerte Pumpen können Während des normalen Melkbetriebes darf das Vakuum in der Melkleitung nur im Bereich von 2 kpa schwanken. Bei der beschriebenen dynamischen Prüfung soll beim Öffnen eines Melkzeuges (Abfall-Test) das Vakuum in der Melkleitung nur um maximal 2 kpa fallen und nach max. 4 bis 5 s wieder etwa den Ausgangswert erreichen. Beim Schließen des Melkzeuges soll das Überschwingen der Vakuumhöhe ebenfalls 2 kpa nicht überschreiten und nach 4 s den Ausgangswert erreichen. Nur bei großen Melkanlagen mit mehr als ca. 30 Melkzeugen sind auch zwei Melkzeuge gleichzeitig zu öffnen, und selbst dann sollen die Vakuumschwankungen ± 2 kpa nicht übersteigen. Frequenzgesteuerte Vakuumpumpen sollten nicht erheblich größer, also mit höherer Leistung als nach DIN/ ISO 5707 gefordert installiert werden. Da die Pumpen in Baureihen mit einer bestimmten Leistungsabstufung angeboten werden, ist die nach dem errechneten Bedarf nächst größere zu wählen. Ihre Nennleistung sollte aber nicht wesentlich mehr als 20 % über dem errechneten Bedarf liegen. Um das Energiesparpotenzial voll nutzen zu können, ist der Lufteinlass zur Sicherung einer Mindestdrehzahl über ein bedarfsabhängig gesteuertes Ventil zu fordern, das auch die Einhaltung der oben genannten Regelgrenzen sichert, aber nicht maximal ausschöpft. sollten zur Vakuumerzeugung in Melkanlagen nur in Kombination mit Frequenzsteuerung eingesetzt werden. Ihr relativ hoher Preis und ihre nach Wirkungsgrad energetisch nicht günstigere Vakuumerzeugung (siehe Übersicht 6) rechtfertigen ihren Einsatz nur mit Energieeinsparung. Die Preise für einen größeren Pumpensatz mit Frequenzumrichter liegen nahe bei E und darüber. destfrequenz bzw. Mindestdrehzahl der Pumpe dosiert öffnet. Aufgrund der Praxis-Erfahrungen mit frequenzgesteuerten Vakuumpumpen, die beste Regeleigenschaften aufweisen, lassen sich die im nebenstehenden Kasten aufgeführten Forderungen an frequenzgesteuerte Vakuumpumpen formulieren, auf deren Einhaltung bei einer Neuinstallation geachtet werden sollte. Wie geht es weiter? Da frequenzgesteuerte Vakuumpumpen der Drehkolben-Bauart in der Herstellung recht teuer sind, arbeiten Melkanlagenhersteller an Lösungen, ölgeschmierte Zellenverdichter mit Frequenzsteuerung in eng abgestufter Baureihe einzusetzen. Auch sind bereits (gebläseähnliche) Kreiselradverdichter mit Frequenzsteuerung als Vakuumpumpen im Einsatz. Beide Bauarten sind zwar kostengünstiger herzustellen. Ihr Einsparpotenzial gegenüber drehzahlstabilen herkömmlichen Vakuumpumpen ist von den Herstellern noch nachzuweisen. Die Praxis sollte diese Entwicklung aufmerksam verfolgen und beim Kauf voreilige Entscheidungen vermeiden. R28 top agrar 1/2005

6 GEWUSST WIE Großpacken einfacher teilen Das Rohr wird mit einem Metallstab von Strohresten befreit, dann kann die Schnur durchgezogen werden. Um große Strohpacken einfacher in handliche Ballen aufteilen zu können, habe ich mir eine Strohnadel gebaut, durch die ich problemlos eine Schnur fädeln kann. Ein 80 cm langes 3/8"-Rohr wird an einer Seite zugespitzt. An der anderen wird ein Griff befestigt: In ein rund 30 cm langes Vierkant-Eisen- rohr bohrte ich eine Öffnung durch die das andere Rohr hindurchpasst. Die beiden Teile werden in T-Form verschweißt. Nun kann man mit der Spitze durch den Großpacken stechen. Danach sollte das Rohr mit einem dünneren Metallstab von Strohresten befreit werden. Jetzt kann der Bindfaden einfach von der spitzen Seite des Rohres aus durchgeschoben werden. Ist der Faden durchgezogen, zieht man die Nadel aus den Ballen. Der Bindfaden kann jetzt um den Teil des Ballens, den man abtrennen will, gewickelt und verknotet werden. Die Konstruktion hat mich 10 E und eine halbe Stunde Arbeit gekostet. Klaus Platte Warstein Kostengünstiger Servicearm Das Kunststoffrohr richtet das Melkzeug unter der Kuh besser aus. Da in unserem engen Melkstand nicht genügend Platz für handelsübliche Servicearme ist, habe ich selbst eine Lösung gefunden. Ich habe einfach den Milchund Pulsschlauch durch ein 27 cm langes Kunststoffrohr (ø 50 mm) gezogen und dieses mit einer etwa 15 bis 20 cm langen Schnur und einer Niroschelle am unteren Wellenrohr befestigt. Die Schnur wurde durch ein 3,5 mm großes Loch in den Rohren gefädelt und mit einem Knoten befestigt. Mit einer Schlaufe wird die Schnur in den Haken der Niroschelle eingehängt. Die Schelle ist etwas größer als das Wellenrohr und kann deshalb verschoben werden. Auch die Schläuche im Rohr sind flexibel. So kann das Melkzeug immer richtig ausgerichtet werden. Durch das Gegengewicht des in die Grube hängenden Milchschlauches ist das Schlauchpaket und das Kunststoffrohr bei richtiger Einstellung genau ausbalanciert. Um die Melkzeuge in die Spülaufnahmen zu setzen, müssen die Schläuche lediglich etwas weiter durch das Rohr geschoben werden. Entgegen meiner Befürchtung bleibt nur sehr selten eine Kuh mit dem Bein in der Konstruktion hängen. Auch die dünne Schnur hält immer noch. Andreas Rhoden Dollart top agrar 1/2005 R29

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