Frequenzumrichter (VFDs) sparen Energie bei Pumpen und Ventilatoren, indem sie die Motordrehzahl an den tatsächlichen Bedarf anpassen, anstatt mit voller Drehzahl zu laufen und den Überschuss per Drosselung zu verheizen. Die Einsparungen sind groß und werden wegen eines physikalischen Prinzips, den Affinitätsgesetzen, oft unterschätzt: Bei zentrifugalen Lasten steigt die Leistung mit der dritten Potenz der Drehzahl, sodass eine moderate Drehzahlreduzierung eine überproportionale Energieeinsparung bewirkt.
Für Zentrifugalpumpen und -ventilatoren gilt: Der Volumenstrom skaliert mit der Drehzahl, der Druck mit der Quadratzahl der Drehzahl, und die Leistung mit der dritten Potenz der Drehzahl . Diese dritte Potenz ist die ganze Geschichte.
Einen Ventilator auf 80 Prozent Drehzahl zu verlangsamen reduziert den Energieverbrauch nicht um 20 Prozent, sondern auf etwa 0,8 hoch drei, also rund 51 Prozent, eine nahezu Halbierung des Energiebedarfs bei einem Fünftel weniger Drehzahl.
Deshalb ist das Drosseln eines Ventils oder einer Klappe zur Durchflussreduzierung so verschwenderisch: Der Motor läuft weiter mit voller Leistung und der Überschuss wird als Druckverlust verheizt, während ein Frequenzumrichter den Motor verlangsamt und das Potenzgesetz den Rest erledigt.
Eine 30 kW Prozesspumpe läuft mit voller Drehzahl gegen ein Regelventil, das so gedrosselt ist, dass 70 Prozent des Durchsatzes geliefert werden, ein häufiger Aufbau. Bei voller Drehzahl zieht der Motor nahe seiner Nennleistung von 30 kW; die Drosselung verschwendet Energie als Druckverlust am Ventil.
Ersetzt man die Drosselregelung durch einen Frequenzumrichter, der die Pumpe so verlangsamt, dass derselbe 70-prozentige Durchsatz erreicht wird, fällt die Leistung auf etwa 0,7 hoch drei der Volllast, ungefähr 0,34, also rund 10 kW. Das sind Einsparungen in der Größenordnung von 20 kW, solange die Pumpe bei reduziertem Bedarf läuft.
Bei 6.000 Betriebsstunden pro Jahr sind das rund 120.000 kWh Einsparung bei einer Pumpe, die Amortisationszeit misst sich in Monaten; zusätzlich sorgt das Bauteil für sanftere Anläufe und weniger mechanische Belastung. Das Drosselventil hat die Differenz jede Stunde stillschweigend verbrannt.
Ein Frequenzumrichter ist kein "installieren und vergessen".
Seine Einsparungen hängen davon ab, dass der Umrichter funktioniert und das gesteuerte System gesund bleibt: Kühlung des Schaltschrankes und Filter (ein heißer Umrichter reduziert seine Leistung oder fällt aus), korrekte Parametereinstellung und die angetriebene Maschine selbst, ein Ventilator, der durch Unwucht an Wirkungsgrad verliert, oder eine Pumpe durch Verschleiß hebt die Vorteile des Umrichters wieder auf.
Frequenzumrichter erzeugen außerdem Oberschwingungen, die die Netzqualität beeinträchtigen können, und ihre Fehlercodes (siehe die ABB VFD-Referenz ) sind für sich genommen ein Wartungssignal. Die Energieeinsparung wird über die Lebensdauer des Umrichters nur realisiert, wenn der Umrichter und seine Last gewartet werden.
Geschätzte Einsparungen durch Frequenzumrichter sind auf dem Papier notorisch optimistisch. Eine reale Verifizierung benötigt das Lastprofil vor und nach der Umrüstung, wie viel Zeit die Anlage tatsächlich im Teillastbetrieb verbracht hat, das erfordert Kenntnisse über Produktion und Betriebszustand, nicht nur Annahmen vom Typenschild.
Ein für große Einsparungen ausgelegter Umrichter an einer Last, die sich herausstellt, dass sie die meiste Zeit nahe Volllast läuft, enttäuscht; derselbe Umrichter an einer wirklich variablen Last übertrifft die Schätzung.
Fabrico ist weder ein Energiezähler noch ein Umrichterregler und misst nicht die Kilowattstunden, die ein Frequenzumrichter einspart.
Wo es beiträgt, ist der Betriebskontext, der entscheidet, ob sich ein Umrichter rechnet und dauerhaft rechnet: der Betriebszustand und das Nachfrageprofil, die zeigen, wie variabel eine Last wirklich ist, und die Wartungsdisziplin, die den Umrichter und seine Pumpe oder seinen Lüfter effizient hält, sodass die Einsparung nach dem Potenzgesetz nicht durch Verschleiß, Unwucht oder verschmutzte Kühlfilter aufgezehrt wird.
Der Umrichter liefert die Physik; Fabrico hilft sicherzustellen, dass die Bedingungen stimmen. In der EU gebaut, mit Datenhaltung in der EU.
Das hängt davon ab, wie oft die Last unter Volllast läuft. Da die Leistung mit der dritten Potenz der Drehzahl skaliert, sind Einsparungen von 30 bis 50 Prozent oder mehr bei wirklich variablen Zentrifugallasten, die zuvor durch Drosselung oder Dämpfung gesteuert wurden, üblich. Lasten, die die meiste Zeit auf Volllast laufen, sparen wenig.
Die meisten modernen Asynchronmotoren können mit einem Frequenzumrichter betrieben werden, aber der Energievorteil hängt vom Lasttyp ab: Zentrifugalpumpen und -ventilatoren profitieren am meisten vom Potenzgesetz, während konstantdrehmomentige und Verdrängerlasten anders sparen und manchmal gar nicht. Motor- und Umrichterkompatibilität (Isolierung, Kühlung bei niedriger Drehzahl) muss ebenfalls geprüft werden.
Sie verursachen Kosten und Komplexität, erzeugen Oberschwingungen, die die Netzqualität beeinträchtigen können, benötigen Kühlung und korrekte Einrichtung und können die Motorisolierung belasten, wenn sie nicht richtig angewendet werden. Sie sind zudem ein Wartungsgegenstand: Ein vernachlässigter Umrichter, der seine Leistung reduziert oder ausfällt, liefert keine Einsparungen mehr. Richtig angewendet und gewartet überwiegt die Energieamortisation in der Regel diese Nachteile.
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