Drehzahlgesteuerte Leistungsregelung von Schraubenverdichtern. für Kälteanlagen. 18 ABB Technik 4/1996

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1 Drehzahlgesteuerte Leistungsregelung von Schraubenverdichtern für Kälteanlagen ABB Refrigeration hat einen neuen Schraubenverdichterantrieb für Kälteanlagen entwickelt einen über einen Frequenzumrichter gespeisten Spezialmotor. Bei diesem Antriebssystem STAL Rotatune genannt wird die Leistung stufenlos über die Drehzahl geregelt, so daß der Verdichter auch bei Teillast seinen hohen Wirkungsgrad behält. Bei normalem Lastprofil sinkt der Energieverbrauch gegenüber der bisherigen Leistungsregelung um etwa 15%, mit Economizer sogar um rund 20 %. D er Drehstrom-Käfigläufermotor läßt sich ohne Übertreibung als Lastpferd der Industrie betrachten. Er ist billig, zuverlässig und wartungsarm. Normalerweise wird er über das 50- oder 60-Hz-Drehstromnetz gespeist. Daraus ergeben sich jedoch zwei außerordentlich wichtige Einschränkungen: erstens ist die Drehzahl nicht steuerbar, und zweitens kann sie bei zweipoligen Motoren je nach Frequenz 3000 oder 3600 min 1 nicht überschreiten. Höhere Drehzahlen lassen sich durch nachgeschaltete Getriebe realisieren. Um jedoch die Förderleistung verändern zu können, muß man im Aussetzbetrieb arbeiten oder, wie bei Schraubenverdichtern [1], mit einer mechanischen Drosselung des Förderstroms. Diese Drosselung kommt in Frage, wenn die Temperatur einer Kälteanlage genau geregelt werden soll. Allerdings bringt diese Verfahrensweise unweigerlich Energieverluste mit sich. Bisherige Regelung der Leistung von Kälteanlagen Die Belastung von Kälteanlagen ist nicht konstant, sondern von Art, Menge und Temperatur der zu kühlenden Produkte abhängig. Auch Klimaschwankungen wirken sich auf die Leistung der Kälteanlage aus. Anordnungen zur energiesparenden Leistungsregelung haben deshalb auf diesem über 100 Jahre alten Gebiet der Technik schon immer auf der Wunschliste gestanden. Ursprünglich benutzte man manuelle, mechanische Steuerglieder, ging aber im Laufe der Zeit mehr und mehr auf automatisierte Einrichtungen über. Lennart Rolfsman Sven Wihlborg ABB Refrigeration AB Im Laufe der Entwicklung haben Techniker häufig nach der Möglichkeit gesucht, die Leistung einer Kälteanlage bei gleichbleibend hohem Wirkungsgrad automatisch mit Hilfe eines drehzahlgesteuerten Verdichters zu verändern. Drehzahlgesteuerter Verdichterantrieb STAL Rotatune Als Lösung ließe sich ein Frequenzumrichter denken, der einen Asynchronmotor mit veränderlicher Frequenz speist und auf diese Weise dessen Drehzahl steuert. Ganz ohne Nachteile ist jedoch ein solches System auch nicht: durch die vom Umrichter erzeugten Oberwellenströme entsteht nämlich Wärme. Wenn außerdem wie bei Schraubenverdichtern das Antriebsmoment über dem gesamten Drehzahlbereich konstant bleiben soll, verstärkt sich die Wärmeentwicklung im Motor. Angesichts dieser Tatsache hat ABB Refrigeration in Zusammenarbeit mit ABB Motors und ABB Corporate Research den Drehzahlregelantrieb STAL Rotatune entwickelt, der aus einem Frequenzumrichter und einem auf Umrichtereinspeisung zugeschnittenen hochtourigen Motor besteht 1. Vom neuen Motor erwartete man möglichst geringe Wärmeverluste als Folge der Oberwellenströme im Läufer. Wie theoretische Untersuchungen und praktische Erprobungen zeigten, kam es bei der Tauglichkeit für die Frequenzumrichtereinspeisung vor allem auf die Form der Läuferschlitze an. Ein Standardmotor ist hierfür schlicht unbrauchbar. Der neuentwickelte Motor zeichnet sich durch eine erheblich geringere Wärmeentwicklung aus. Darüber hinaus ist er mit einem getrennt angetriebenen Fremdlüfter versehen, der über dem ganzen Drehzahlbereich von min 1 die Restwärme abführt. Der Lüfter hat eine Leistungsaufnahme von 0,75 kw bei 1500 min 1 trägt also nur geringfügig zum Gesamt- 18 ABB Technik 4/1996

2 Drehzahl-Verstellantrieb STAL 1 Rotatune für die drehzahlabhängige Leistungsregelung von Schraubenverdichtern der Baugröße FV19 links der Frequenzumrichter für den hochtourigen Asynchronmotor. leistungsverbrauch des Antriebssystems bei. Infolge der Fremdbelüftung hat der Motor bei Nenndrehzahl einen Wirkungsgrad von 95% 2. Vorteile des Antriebssystems STAL Rotatune Das STAL Rotatune genannte neue Antriebssystem ermöglicht eine außerordentlich zügige Leistungsregelung des Schraubenverdichters und damit eine sehr genaue Temperaturregelung des Kälteprozesses. Für den Anwender liegt der Nutzen in einer erhöhten Wirtschaftlichkeit und einer besseren Anpassung an den Kältebedarf, beispielsweise bei der Lebensmittelproduktion, bei chemischen Prozessen oder Kunsteisbahnen. Hinzu kommt, daß ein Schraubenverdichter mit Antriebssystem STAL Rotatune einen erheblich einfacheren Aufbau hat 3, und zwar aus folgenden Gründen: Die bisherige, eher aufwendige Einrichtung zur Leistungsregelung entfällt. Statt dessen sorgt der Drehzahlverstellantrieb für die Leistungsregelung. Der Motor läßt sich ohne Getriebe stufenlos bis hinauf auf 6000 min 1 steuern. Ein spezieller Starter oder Anlasser ist nicht erforderlich, da Strom und Spannung direkt über den Frequenzumrichter verändert werden Wirkungsgrad der hochtourigen Motoren des Antriebssystems STAL Rotatune (rot) über der relativen Drehzahl n im Vergleich zu Standardmotoren (blau) % 100 n A BB Technik 4/

3 4 gesenkter Geräuschpegel als Folge des niedertourigen Lüfters, Verdichter und Motor müssen nicht ständig mit Nenndrehzahl laufen. a Geringes Gewicht, da sowohl Verdichter als auch Motor leichter sind als konventionelle Ausführungen Herkömmlicher Schraubenverdichter (a) im Vergleich zu einem Verdichter gleicher Ausgangsleistung mit Antriebssystem STAL Rotatune (b), bei dem sich ein erheblich einfacherer Aufbau ergibt. 1 Anlasser 2 Drehstrommotor der Baugröße 280/315 3 Getriebe 4 Verdichter mit Leistungsregelung 5 Frequenzumrichter 6 Frequenzgesteuerter Asynchronmotor Baugröße Verdichter b Als weitere Vorteile lassen sich nennen: erhöhte Betriebssicherheit, da die Anzahl bewegter Teile im Verdichter kleiner ist, Sanftes Anlaufen und Abbremsen des Schraubenverdichters Das neue Antriebssystem zeichnet sich zudem durch eine Reihe von Verbesserungen aus, die sich auf den Betrieb der Kältemaschine auswirken. Der Frequenzumrichter ermöglicht beispielsweise einen sanften Anlauf des Schraubenverdichters und das sanfte Abbremsen mit geregelter Beschleunigung bzw. Verzögerung 4. Damit wird die elektrische und mechanische Ausrüstung weniger beansprucht, und Stromspitzen beim Anfahren des Verdichters werden vermieden. Die Stromentnahme aus dem Netz kann nämlich den Nennstrom des Motors nicht überschreiten. Infolgedessen gibt es für den Verdichter auch keine obere Grenze für die Anzahl von Neustarts in einer bestimmten Zeiteinheit. Damit läßt sich der Betrieb der Kälteanlage wiederum leichter dem schwankenden Kältebedarf anpassen. Zeitlicher Verlauf des Motorstroms I bei einem konventionellen Schraubenverdichter (a) und einem Verdichter mit Antriebssystem STAL Rotatune (b). Im letzteren Fall ist der Anlauf sanft, und es treten keine Stromspitzen auf. 4 I I a t b t 20 ABB Technik 4/1996

4 cos a % 100 cos b % 100 Leistungsfaktor cos in Abhängigkeit von der relativen Förderleistung bei einem konventionellen Schraubenverdichter (a) und einem Verdichter mit Antriebssystem STAL Rotatune (b). Im letzteren Fall ergibt sich ein Leistungsfaktor von nahezu 1, also ein fast blindstromfreier Betrieb. 5 Da das Antriebssystem außerdem ohne Stern-Dreieck-Schalter oder ähnliche Starteinrichtungen auskommt und nicht einmal diesem reduzierten Anlaufstrom ausgesetzt ist, brauchen Transformatoren und Anschlußkabel nicht überdimensioniert zu werden. Schließlich hat der Motor über den gesamten Drehzahlbereich einen Leistungsfaktor von nahezu 1 5. Zusammen mit dem hohen Wirkungsgrad des Umrichters hat das Antriebssystem also niedrige Verluste. Außerdem tritt kaum Blindleistung auf, und damit entfallen die Kosten für entsprechende Kompensationseinrichtungen. Niedriger Geräuschpegel Mit dem Antriebssystem STAL Rotatune erzeugt der Schraubenverdichter eine der Drehzahl proportionale Kälteleistung. Motor und Verdichter brauchen also nur mit derjenigen Drehzahl zu laufen, die jeweils zur Erzielung des gewünschten Kältemittelstroms erforderlich ist. Da bei den meisten Kälteanlagen während eines großen Teils der Betriebszeit nur 40 70% der Leistung benötigt werden, arbeitet das Antriebssystem STAL Rotatune während langer Betriebsperioden mit relativ niedriger Drehzahl, was zu einem niedrigen Geräuschpegel führt 6. Durch Energieeinsparung in einem Jahr amortisiert Die Leistung eines Schraubenverdichters, der mit konstanter Drehzahl arbeitet, wird gewöhnlich durch eine Förderstromdrosselung (Schiebersteuerung) Schalldruckpegel L p in Abhängigkeit von der relativen Förderleistung bei einem konventionellen Schraubenverdichter (blau) und einem Verdichter mit Antriebssystem STAL Rotatune (rot). Die grüne Linie gibt dessen Mittelwert an. 6 Relative Leistungsaufnahme N in Abhängigkeit von der relativen Förderleistung bei einem konventionellen Schraubenverdichter (blau) und einem Verdichter mit Antriebssystem STAL Rotatune (rot). Das Antriebssystem STAL Rotatune ergibt einen besseren Wirkungsgrad, besonders bei Teillast db(a) % L p 70 N % % 100 ABB Technik 4/

5 15 % Typisches Belastungsprofil eines Verdichters: prozentuale Betriebsdauer t B für verschiedene Werte der Auslastung 8 10 geregelt. Damit sind Verluste unvermeid- t B % 100 lich. Das Antriebssystem STAL Rotatune macht derartige Anordnungen überflüssig; über den gesamten Drehzahlbereich entspricht die Leistungsaufnahme der jeweiligen Förderleistung des Verdichters. Damit wird Energie gespart, besonders wenn die Kälteanlage mit reduzierter Leistung arbeitet 7. Wenn der Verdichter außerdem mit einem Economizer verbunden ist, läßt sich die dadurch erhöhte spezifische Leistung über den gesamten Drehzahlbereich nutzen. Wie realistische Berechnungen zeigen, läßt sich bei einer Kälteanlage mit normalem Lastprofil 8 durch Einsatz des Antriebssystems STAL Rotatune 10 17% Energie sparen. Bei einer Motorleistung von 100 kw und einer Betriebszeit von 6000 h/a ergibt sich bei diesem Lastprofil eine jährliche Einsparung von rund kwh. Je nach Strombezugskosten macht sich also die Investition in ein Antriebssystem STAL Rotatune relativ rasch bezahlt. Schließlich ist auch der Energieverbrauch eines Schraubenverdichters mit STAL Rotatune-Antrieb niedriger als der eines Kolbenverdichters, selbst bei Teillast. Darüber hinaus läßt sich mit dem Antriebssystem STAL Rotatune eine erheblich genauere Temperaturregelung erzielen als mit konventionellen Anlagen. Flüssigkeitskühlaggregat in einer schwedischen Fernkühlanlage es enthält u. a. ein Antriebssystem STAL Rotatune mit Schraubenverdichter FV 26 zur genauen Anpassung der Leistung an den Kältebedarf ABB Technik 4/1996

6 Das Antriebssystem STAL Rotatune ist gegenwärtig für drei Schraubenverdichtergrößen lieferbar 1, 9, 10 (Tabelle 1). Wie schon erwähnt, sind die zugehörigen Motoren speziell auf die Speisung durch Frequenzumrichter zugeschnitten. Schraubenverdichter für die Gefrieranlage eines spanischen Lebensmittelbetriebs. Ein Antriebsaggregat STAL Rotatune mit Schraubenverdichter FV 19 und Economizer sorgt für die Leistungsregelung der Anlage. 10 Vielseitige Einsatzmöglichkeiten Das neue Antriebssystem STAL Rotatune bietet z. Zt. die wirkungsvollste Leistungsregelung für Kälteanlagen. Mit Hilfe der stufenlosen Drehzahlregelung läßt sich auch bei Teillast ein optimales Volumenverhältnis ohne Leistungsverluste erzielen. Das Antriebssystem STAL Rotatune ist die ideale Lösung für alle kleineren und mittleren Kälteanlagen, bei denen Schraubenverdichter mit variabler Leistung arbeiten müssen. Aber selbst in großen Mehrkompressoranlagen können ein oder zwei Verdichter mit STAL Rotatune-Antrieb vorteilhaft zur Leistungsregelung eingesetzt werden. Dabei werden die übrigen Verdichter mit Vollast gefahren. Auf diese Weise kann das Antriebssystem STAL Rotatune auch bei großen Kältemaschinen dazu beitragen, daß sich die Kälteanlage mit höchstem Wirkungsgrad zügig der schwankenden Belastung anpaßt. Mit der zugehörigen mikroprozessorgestützten Steuereinheit Stalectronic 700 ist eine Folgeregelung und Überwachung von bis zu acht Verdichtern möglich. Zugleich bietet sie eine anwenderfreundliche Mensch-Maschine-Kommunikation. Niedrige Unterhaltskosten während der gesamten Lebensdauer Da mechanische Steuerglieder entfallen, haben Schraubenverdichter mit STAL Rotatune-Antrieb normalerweise erheblich weniger bewegte Teile als Verdichter mit konventionellem Antrieb. Zusammen mit dem sanften Anlauf- und Bremsverhalten ergeben sich dadurch eine hohe Betriebssicherheit und ein geringer Verschleiß. Der hohe Wirkungsgrad und die hohe Verfügbarkeit des Antriebssystems STAL Rotatune entsprechen den wichtigsten Forderungen der Betreiber von Kältemaschinen. Durch den ABB-After-Sales- Service, verbunden mit Wartungsverträgen und Notdienst, bleiben diese Eigenschaften über Jahre hinweg erhalten und gewährleisten dem Betreiber eine lange Lebensdauer der Maschine bei niedrigen Unterhaltskosten. Literaturhinweis [1] Asplund, T.; Rolfsman, L.: Geräuscharme, umweltverträgliche Schraubenverdichter für Kälteanlagen. ABB Technik 9/95, Tabelle 1: Lieferbare Baugrößen von Schraubenverdichtern mit Antriebssystem STAL Rotatune Größenbezeichnung Max. Förderleistung Entsprechende Motorleistung m 3 /h kw FV FV FV Adresse der Autoren Lennart Rolfsman Sven Wihlborg ABB Refrigeration AB S Norrköping/Schweden Telefax: +46 (0) A BB Technik 4/