Trends bei Frequenzumrichtern und Motoren im HLKK-Segment

Überall, wo es einen Ventilator oder eine Pumpe gibt, gibt es auch einen Motor. Dieser kann von einem Frequenz- umrichter (FU) geregelt sein. Zusätzlich zur Prozesssteuerung bieten FUs erhebliche Energieeinsparungen, indem sie die Drehzahl eines Ventilators oder einer Pumpe verringern können.

Einige übergeordnete Trends werden sich auf die Zukunft von Frequenzumrichtern und Motoren auswirken. Dazu gehören steigende globale Energiekosten und -verbrauch, die eine Nachfrage nach effizienteren Systemen schaffen, sowie der Trend zu erhöhter Nachhaltigkeit.

Der Asynchronmotor, seit einem Jahrhundert ein Arbeitstier in der Industrie, in Heizungs-, Lüftungs-, Klima- und Kälteanlagen (HLKK) sowie in Wasseranwendungen, dürfte seine Effizienzgrenzen erreicht haben. Die effizientesten Asynchronmotoren haben mittlerweile eine IE5-Einstufung. Neue innovative Motorentechnologien müssen von der Industrie bewertet und in der Praxis eingesetzt werden. 

In den letzten zehn Jahren hat sich die Motorentechnologie weiterentwickelt. Viele dieser neuen Konstruktionen benötigen einen Frequenzumrichter für den Betrieb, selbst wenn keine Drehzahlregelung oder Sanftanlauf erforderlich ist. Der traditionelle schützbasierte Bypass ist dadurch keine praktikable Option mehr. Der Bypass diente als vorübergehende Notfall-Reserve bei Ausfällen des Frequenzumrichters und ermöglichte es dem Asynchronmotor, direkt am Netz zu laufen. Neue Motorkonstruktionen können nicht auf diese Weise betrieben werden. 

Welche Nicht-Bypass-Lösungen können als Alternative dienen? Die Antwort hängt von der Anwendung ab. Für Pumpen- und Lüfteranwendungen gibt es Optionen wie redundante Antriebspakete oder N+1-Systeme. Da immer mehr Motorentechnologien nicht direkt am Netz betrieben werden können, werden diese Alternativen immer häufiger zum Einsatz kommen. 

Ein redundantes Antriebspaket enthält zwei Frequenzumrichter anstelle eines einzigen in einem Gehäuse: einen primären Frequenzumrichter für die Pumpe oder den Ventilator und ein Backup-Gerät. Beide teilen sich die Steuersignale, wodurch sichergestellt wird, dass der Backup-Frequenzumrichter über identische Drehzahlregelungsfunktionen verfügt. 

Ein N+1-System besitzt zusätzliche Systemkapazität, um den Ausfall eines einzelnen Geräts zu kompensieren, häufig durch Hinzufügen einer zusätzlichen Pumpe oder eines zusätzlichen Ventilators. „N“ steht für die Anzahl der Geräte (d. h. Pumpen oder Ventilatoren), die erforderlich sind, um den gewünschten Durchfluss zu erreichen, während „+1“ das im System vorgesehene Ersatzgerät ist. 

Beispielsweise würde bei einem System, das normalerweise nur zwei Pumpen benötigt – etwa Druckerhöhungs-pumpen im Keller eines Hochhauses oder Kaltwasserpumpen für einen Kühlprozess – bei einer Auslegung mit drei Pumpen jede Pumpe über einen eigenen Frequenzumrichter verfügen. Die dritte Pumpe dient als Standby-Einheit, die aktiviert wird, wenn ein Frequenzumrichter, Motor oder eine Pumpe in diesem System ausfällt. Steuerungsstrategien rotieren in der Regel die Primärpumpen, um die Laufzeit und den Verschleiß aller drei Pumpen auszugleichen. 

Nachhaltigkeit spielt eine wichtige Rolle für die Zukunft von Motoren und geht Hand in Hand mit Effizienz. Allerdings beeinflusst Nachhaltigkeit zunehmend die Motorkonstruktion, insbesondere bei Motoren mit Seltenerdmagneten. Permanentmagnetmotoren (PM-Motoren) bieten zwar einen höheren Wirkungsgrad, aber Magnete mit Seltenen Erden haben aufgrund des Abbaus und der begrenzten Recyclingmöglichkeiten erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt. 

Diese negativen Aspekte treiben die Innovation hin zu Motorkonstruktionen voran, die entweder keine Magnete verwenden oder umweltfreundlichere Standard-Ferritmagnete einsetzen. Synchronreluktanzmotoren und ferritunterstützte Synchronreluktanzmotoren sind zwei Motorentechnologien, die sich zunehmend durchsetzen. 

Ein weiterer zu beobachtender Trend ist, ob der Frequenzumrichter eine vom Motor getrennte separate Komponente bleibt oder integriert wird. Beide Ansätze haben Vor- und Nachteile. Um die potenzielle Akzeptanz integrierter Lösungen besser zu verstehen, sind HLKK-Ventilatoranlagen ein möglicher Markt. Ventilatoranlagen können mit separaten Frequenzumrichtern und Motoren oder mit integrierten Lösungen wie elektronisch kommutierten Motoren (ECM, Electronically Commutated Motors) ausgestattet sein. 

ECMs verfügen über in den Motor integrierte Drehzahlregler. Ein ECM verwendet keinen herkömmlichen Frequenzumrichter, aber sein integrierter elektronischer Drehzahlregler basiert auf dem gleichen Konzept. An einem Lüftungsgerät (AHU, Air Handling Unit) mit einer Lüfteranordnung lassen sich separate und integrierte Lösungen vergleichen. Die verschiedenen positiven und negativen Eigenschaften der beiden Lösungen für eine HLKK-Lüfteranordnung lassen sich auch auf andere Anwendungen und Branchen übertragen. 

Die separate Lösung ermöglicht die unabhängige Auswahl von Frequenzumrichter, Motorentechnologie und Lüfterdesign. Dadurch hat der Konstrukteur von Lüftungsgeräten die Flexibilität, Folgendes auszuwählen: 

• Das effizienteste Lüfterdesign für die jeweilige Anwendung. 

• Die effizienteste Motorentechnologie basierend auf der Lüfteranwendung. Handelt es sich um eine Anordnung mit sechs Lüftern und 11-kW-Motoren oder mit 18 Lüftern und 4-kW-Motoren? Bestimmte hocheffiziente Motorentechnologien sind nur bis zu einer bestimmten Leistung verfügbar.  

• Die mechanischen Montageeigenschaften des Lüfters und Motors. Es stehen Optionen mit Riemenantrieb oder Direktantrieb zur Verfügung, wobei Motor und Frequenzumrichter so montiert sind, dass sie den Luftstrom nicht wesentlich beeinträchtigen.  

Nachhaltigkeit hat je nach Situation mehrere Bedeutungen. Sie bezieht sich auch auf die Betriebszeit von Anlagen oder Prozessen. Fallen Anlagen aufgrund von defekten Komponenten mit langen Lieferzeiten aus, sind sie nicht wirklich nachhaltig. Durch den Plug-and-Play-Ansatz mit separaten Komponenten hat ein Konstrukteur von Lüftungsgeräten alternative Anbieter für Frequenzumrichter, Motor und Ventilator.

Bei Anbietern mit verlängerten Lieferzeiten, deutlich gestiegenen Preisen, Qualitätsproblemen oder einem schlechten Support haben Ingenieure eine zweite oder dritte Wahl, da separate Motoren über branchenübliche Montagevarianten verfügen oder sie können zu einem anderen Anbieter von Frequenzumrichtern wechseln. Auch ein Facility Manager kann eine alternative Marke als Ersatz beschaffen.

Sind AHU-Ventilatoranwendung mit integrierter ECM-Lösung die Zukunft? Ein ECM kann mit einem Ventilator geliefert werden. Drehzahlregelungselektronik (entspricht einem Frequenzumrichter), Motor und Ventilator können dadurch zusammen als eine einzige Baugruppe von einem einzigen Anbieter bezogen werden.

Mehrere Trends treiben den Einsatz von ECMs in aktuellen und zukünftigen AHU-Ventilatoranordnungen voran. ECM-basierte Lösungen sind effizienter als viele ältere Designs mit Asynchronmotoren mit Premium-Effizienz IE3. Hinzu kommt, dass eine All-in-One-ECM-Lösung die Konstruktion eines Systems vereinfacht.

Fällt ein ECM aus, muss auch nicht erst ermittelt werden, ob das Problem beim Motor oder bei der Drehzahlregelungselektronik liegt, da beide Teile beim Austausch der gesamten Baugruppe ersetzt werden. Diese Trends haben dazu geführt, dass Lüfteranordnungen in Lüftungsgeräten zu den ersten Anwendern von ECMs in gewerblichen HLKK-Anwendungen gehören.

Auf dieser Grundlage zeigen integrierte Lösungen wie das ECM-Potenzial für einige AHU-Lüfteranordnungen. Wie bei jedem neuen oder anderen Ansatz gibt es neben positiven aber auch negative Aspekte.

Die Wire-to-Air-Effizienz betrachtet die Effizienz des gesamten Systems. Eine Schlüsselkomponente der Systemeffizienz ist dabei der Luftstrom. Viele ECM-Konstruktionen kombinieren Motor und Drehzahlregelungselektronik im Luftstrom, was sich bei einer Direktantriebskonstruktion auf den Luftstrom auswirkt und die Systemeffizienz verringert. 

Darüber hinaus ist ein Konstrukteur von Lüftungsgeräten auf die vom ECM-Lieferanten angebotenen Ventilatoren beschränkt. Dies schränkt ihn bei der Auswahl verschiedener Ventilatorflügel oder Laufradtypen ein, die für seine spezifische Anwendung effizienter sind.  

Betrachtet man nur den Motor, so sind ECMs effizienter als durchschnittliche Asynchronmotoren. Es gibt jedoch mehrere separate Motorkonstruktionen der Wirkungsgradklasse IE5 (oder besser), die effizienter sind als ECMs. 

Viele Ventilatoren mit ECMs haben ein einzigartiges Montagemuster oder eine einzigartige Steuerungsschnittstelle (Modbus). Nach der Auswahl eines bestimmten ECMs müssen dadurch zukünftige Ersatz-ECMs vom gleichen ECM-Modell sein. Die Flexibilität ist begrenzt, wenn man an einen einzigen Lieferanten oder ein einziges Design gebunden ist. 

Viele ECM-Designs verwenden Seltenerdmagnete, genau wie die Permanentmagnetmotoren. Fällt bei einem ECM z. B. ein Lager im Motor oder ein Kondensator in der Drehzahlregelung aus, landet die gesamte ECM-Baugruppe (Drehzahlregelung, Motor, Ventilator) auf der Deponie, obwohl nur eine kleine Komponente ausgefallen ist. Im Gegensatz zu separaten Motoren, die in der Regel länger halten, sind die meisten ECM-Designs nicht wartungsfähig. Für den Austausch muss eine neue ECM-Baugruppe hergestellt werden. Ein voll funktionsfähiger Lüfter und eine Drehzahlregelung aufgrund eines nicht reparierbaren Lagers wegzuwerfen und eine neue ECM-Baugruppe zu benötigen, widerspricht ganz klar den Nachhaltigkeitszielen.