Ich höre, dass man bei meiner Pumpen- und Motorkonfiguration anstelle von Regelventilen einen Frequenzumrichter verwenden kann, um den Durchfluss besser zu regeln. Lohnt sich das? Benötige ich außer einem Absperrventil noch eine andere Möglichkeit zur Durchflussregelung?
1.Gute und schlechte Punkte
Ich denke, dass eine Frequenzumrichtersteuerung eine bessere Effizienz bieten kann, jedoch eine geringere Regelgenauigkeit, Reaktionszeit und Absperrleistung aufweist. Sie ist nicht so zuverlässig wie ein herkömmliches Regelventilsystem. Wenn Effizienz und Leistung erforderlich sind, können wir ein Frequenzumrichtersystem als Kernsteuerung und ein Ventil (vielleicht ein Kugelhahn) als Feinsteuerung verwenden. Das Ventil sollte immer zu 90 % geöffnet sein, um den Drosselverlust gering zu halten. Das Ventil kann auch zu Absperrzwecken verwendet werden, um die Reaktionszeit und die Leckleistung zu verbessern.
2.Für wichtige Anwendungen sind beide erforderlich
Handelt es sich bei der gepumpten Flüssigkeit um eine kritische Flüssigkeit, also ein wichtiges Prozesszwischenprodukt als Rohstoff, dessen Durchflussparameter die Produktqualität oder die Prozesssicherheit direkt beeinflussen, ist meiner Meinung nach eine Regelung des Flüssigkeitsdurchflusses sowohl über eine Frequenzumrichtersteuerung als auch über ein Durchflussregelventil/eine Durchflussschleife (zum Redundanzschutz) sinnvoll.
Die Kosten für einen Frequenzumrichter sind meiner Einschätzung nach deutlich geringer. Wir setzen hier zur Steuerung vieler Prozesse Frequenzumrichter ein und diese haben sich als zuverlässig erwiesen.
3.Noch nicht für überall
Wir haben Erfahrung mit der Verwendung von Wechselrichtern zur Steuerung des Verbrennungsluftstroms von Kessel-FD-Ventilatoren und Kühlturm-Wasserversorgungspumpen. Sie haben alle einwandfrei funktioniert. Wir wissen auch, dass einer unserer Kunden Frequenzumrichter für Erdbrunnenpumpen ohne Beanstandungen verwendet.
Wir raten jedoch dazu, die Bedingungen im unteren Bereich für die jeweilige Anwendung sorgfältig zu prüfen, da der Auslassdruck auch schneller abfällt als der Durchfluss, wenn wir versuchen, den Durchfluss zu regeln. Wir fühlen uns immer noch nicht wohl und sicher, wenn wir Frequenzumrichter zur Regelung des Durchflusses in kritischen Bereichen wie Kesselspeisewasserpumpen verwenden.
4.Hält die Rückflusspumpe an
Wir sind sehr zufrieden damit, dass Frequenzumrichter die Regelventile bei Rückflusspumpen ersetzen. Die Regelung ist hervorragend, eine Leckagequelle wird eliminiert und bei Störungen verlieren die Rückflusspumpen nicht die Saugleistung, was ein wichtiger Sicherheitsaspekt ist. Bei Pumpen gegen niedrigere Druckhöhen kann durch Absaugen eine Mindestdurchflussrate eingestellt werden, sobald der Durchfluss hergestellt ist. Wenn Sie niedrigere Durchflussraten aufrechterhalten müssen, müssen Sie Regelventile verwenden.
Der Ersatz von Regelventilen durch Frequenzumrichter bietet noch weitere Vorteile: Es wird Energie gespart, der Leistungsfaktor verbessert, die Pumpenkonstruktion einfacher, die Dimensionierung der Laufräder einheitlicher, die Lebensdauer der Dichtungen länger und kleinere Anlagen sind kostengünstiger.
Frequenzumrichter sind bei Stromschwankungen und Blitzeinschlägen nicht so robust wie Elektromotoren, daher sind Trenntransformatoren wünschenswert und die Sparpolitik muss überprüft werden. Wir sind noch nie auf Probleme mit Oberschwingungen aufmerksam geworden, aber es wurde viel zu diesem Thema geschrieben. Man geht davon aus, dass die kurzen Entfernungen zwischen Pumpen und Frequenzumrichtern dieses Problem minimieren.
Die Steuerung ist ausgezeichnet, solange ein Absaugen vermieden wird und der Saugdruck nie den Abgabedruck übersteigt. Wenn dies passiert, geht die Steuerung verloren. Aus diesem Grund verwenden wir Frequenzumrichter zur Steuerung von Rückflusspumpen, jedoch nicht von Boden- oder Tanktransferpumpen.
Frequenzumformer stellen eine so große Verbesserung dar, dass wir ein Rückschlagventil, selbst wenn es uns geschenkt würde, nicht mehr nehmen würden.
5.Hält Drucksollwerte ein
Für das von mir beschriebene System werden außer Absperrventilen keine Regelventile verwendet. Ein wesentlicher Vorteil der Verwendung eines Frequenzumsetzers besteht darin, dass der Stromverbrauch der Pumpe bei einer Einheit mit reduzierter Drehzahl im Vergleich zu einer Betriebsdrehzahl von 60 Hz mit Regelventil normalerweise geringer ist. Ein Durchflussregelventil wandelt viel Energie in Abwärme um. Die Mehrkosten eines Frequenzumsetzers amortisieren sich oft schon nach kürzester Zeit durch die geringeren Stromkosten und den vereinfachten Betrieb.
6.Kostet zwar mehr, ist es aber wert
Ein Frequenzumsetzer zur Durchflussregelung kann mehr Kapital erfordern als ein Regelventil und ein normaler Motor an Ihrer Pumpe. Er spart jedoch Energie, anstatt die Pumpenenergie über das Regelventil zu verbrennen. Darüber hinaus entfallen ein Regelventil und die damit verbundenen Probleme mit Leckagen und festsitzendem Schaft. Die Steuerteile sind alle elektronisch und nicht benetzt, mit Ausnahme der Pumpe. Dies ist besonders wichtig beim Umgang mit korrosiven Materialien. Da der Verschleiß zudem mit einer höheren Drehzahl verbunden ist, sollten die Lager und Dichtungen eines Pumpenfrequenzumsetzers bei niedrigerer als der normalen Drehzahl länger halten.
Natürlich gibt es nichts umsonst. Für Ihren speziellen Prozess müssen Sicherheitsaspekte berücksichtigt werden. Der Preis dafür ist, dass es keine Notabschaltung gibt. Bei einem Stromausfall stoppt die Pumpe das Pumpen. Wenn Sie eine sichere Abschaltung benötigen, müssen Sie möglicherweise ein Absperrventil automatisieren.
7.Achten Sie auf die Obertöne
Es gibt noch einen weiteren Faktor, der berücksichtigt werden muss. Wenn eine Anlage diesen Ersatz für mehrere große AC-Frequenzumrichterkreise in Erwägung zieht, sollte das Stromverteilungssystem auf die möglichen nachteiligen Auswirkungen einer zu starken harmonischen Verzerrung untersucht werden. Frequenzumrichter verursachen bekanntermaßen aufgrund der Art und Weise, wie Leistungselektronik Strom zieht, Änderungen in der Sinuswellenform, und diese Änderungen (Verzerrungen) treten bekanntermaßen in ganzzahligen Vielfachen der elektrischen Frequenz (oder Harmonischen) auf. In einem typischen Dreiphasensystem gibt es bei ausgeglichenen Phasen keine (oder nicht viel) Strombelastung auf dem Neutralleiter. Durch das Hinzufügen von Beleuchtungskreisen und elektronischen Frequenzumsetzern kommt es zu harmonischen Verzerrungen, die, wenn die Systemimpedanz hoch genug und die Leistung ausreichend verzerrt ist, andere Geräte beeinträchtigen können, insbesondere elektronische Geräte, einschließlich Computersysteme, elektronische Instrumente und sogar Frequenzumsetzer selbst. Es ist bekannt, dass sich Rückkopplungen aufgrund von Oberschwingungen auf den Neutralleiter addieren können, wodurch erheblicher Strom entsteht, wo keiner sein sollte, und manchmal treten Probleme auf, wie z. B. Leistungsschalter, die auslösen, wenn die gemessene Leistungsaufnahme ihren Sollwert nicht überschreitet, vorzeitige Motorausfälle und vorübergehende Effekte, die sehr schwer zu beheben sein können. Die Nebenkosten für Filter und andere Geräte zur Bereinigung der Leistung verzerrungsempfindlicher Geräte im selben Stromnetz wie die Frequenzumsetzer müssen möglicherweise berücksichtigt werden, insbesondere wenn der Stromverbrauch des/der Frequenzumsetzer einen erheblichen Prozentsatz des Gesamtverbrauchs ausmacht.
8.Oberschwingungen und Überhitzung
Frequenzumrichter sind zuverlässig und energieeffizient. Sie müssen sicherstellen, dass Ihre Verkabelung und Ihr Motor VF-fähig sind (Spannungen können höher sein und Oberwellen können die Lebensdauer des Motors beeinträchtigen). Wenn die erwartete Drehzahl zu niedrig ist, kann außerdem die Motorkühlung ein Problem darstellen (der Lüfter läuft zu langsam, um genügend Luft zu bewegen), sodass die zusätzliche Luftbewegung ein Problem darstellen kann, insbesondere bei größeren Motoren.
Insgesamt haben wir festgestellt, dass der Einsatz von Frequenzumrichtern zur Durchfluss- oder Druckregelung sehr effektiv ist und sowohl bei den Stromkosten als auch bei der Wartung Geld spart.
9.Achten Sie auf niedrige Durchflussmengen
Eine Frequenzumrichterlösung unterscheidet sich nicht von der Regelung der Drehzahl einer Dampfturbine, um den Durchfluss eines Kompressors zu regulieren. Mit Fortschritten in der Elektronik und der zunehmenden Verfügbarkeit von Frequenzumrichtern und Motoren für diesen Dienst wird dies nur immer üblicher. Dinge, die Sie beachten sollten:
1) Der Frequenzumsetzer verfügt möglicherweise über eine Mindestdrehzahl. Erwarten Sie daher nicht, dass er bei extrem niedrigem Durchfluss gut regelt.
2) Pumpen mit langen Wellen (insbesondere vertikale Pumpen) können eine natürliche (kritische) Frequenz aufweisen, bei der der Frequenzumrichter den Betrieb der Pumpe zulassen könnte. Dies führt bei diesen Pumpen zu einer Reihe von Zuverlässigkeitsproblemen.
3) Bei Verwendung einer Doppelgasdichtung muss diese eine Mindestdrehzahl erreichen, damit sich die Dichtungsflächen abheben. Diese Mindestdrehzahl hängt von der Größe und Konstruktion der Dichtung ab, beträgt jedoch einige Hundert U/min.
10.Viele Vorteile mit Frequenzumrichter
Die Entscheidung, ob ein Regelventil oder ein AC-Frequenzumrichter verwendet werden soll, hängt stark vom Produkt, dem Pumpentyp und dem gesamten Rohrleitungssystem ab. Die Vorteile des Frequenzumrichters liegen in Energieeinsparungen, Wartung, Informationen (Feedback) und zukünftiger Steuerungsflexibilität, falls sich der Rest des Systems ändert. Manche Leute würden auch Kosteneinsparungen anführen, aber das kann durchaus von der Größe usw. abhängen.
Normalerweise bevorzuge ich den Frequenzumsetzer gegenüber Regelventilen, aber es gibt Einschränkungen wie Umgebungsbedingungen usw., die berücksichtigt werden müssen. In den meisten Fällen bin ich der Meinung, dass es sich definitiv „lohnt“, und Sie sollten keine andere Methode der Durchflussregelung benötigen, es sei denn, Sie versorgen ein System mit mehreren Rohrleitungsschleifen, z. B. Kühlwasser, mit mehreren HLK-Einheiten oder Wärmetauschern usw. Wenn Sie einen Frequenzumsetzer an einem entfernten Standort verwenden, kann dies von Vorteil sein, da die meisten in der Lage sind, die lokalisierte PID-Regelung für die Leistung im geschlossenen Regelkreis bereitzustellen, ohne dass Sie andere Steuergeräte oder lange Kabel von einer SPS kaufen müssen.
11.Standort, Standort
Wir verwenden so oft wie möglich Frequenzumrichter zur Durchflussregelung. Eine Pumpe, die gegen ein Ventil pumpt, verschleißt beide. Stellen Sie sicher, dass der Motor für den Wechselrichterbetrieb geeignet ist, und installieren Sie den Frequenzumrichter an einem „guten“ Ort. Unter Leitungseinführungen oder HLK-Kanälen sind keine guten Orte. Wir haben zwischen 100 und 200 Frequenzumrichter installiert und kommen wochenlang ohne Frequenzumrichterprobleme aus. Frequenzumrichter sind intelligent und einige können von jedem Computer mit Ethernet-Netzwerk angezeigt oder heruntergeladen werden. Sie können als Remote-E/A fungieren und Prozentlast und Hz angeben und mit nur einem Kommunikationskabel von einer SPS gestartet und gestoppt werden, was die Installationskosten senkt. Sie haben einen eingebauten Blockier- und Überlastschutz.
12.Besser als Edelstahl zu kaufen
Eine Dampfturbine oder ein Frequenzumsetzer/Motor eignen sich sehr gut zur Durchflussregelung. Anwendungen für Kreiselpumpen und Verdrängerpumpen können erfolgreich sein. Da die für eine Kreiselpumpe erforderliche Leistung mit der dritten Potenz der Drehzahl variiert, ist eine Überhitzung bei niedriger Drehzahl (verminderte Leistung des Kühllüfters) normalerweise kein Problem. Wir legen normalerweise eine niedrige Drehzahlgrenze fest, um eine Überhitzung des Motors zu verhindern, die auftreten kann, wenn die Pumpe nahe dem Stillstand läuft. Lasten mit konstantem Drehmoment müssen sorgfältiger bewertet werden. Bei 480-V-Motoren mittlerer Größe sind die Installationskosten eines Frequenzumsetzers normalerweise geringer als die Kosten eines Regelventils, wenn Edelstahlventile erforderlich sind. Wenn sich die Pumpe (nicht der Frequenzumsetzer) in einem explosionsgefährdeten Bereich befindet, achten Sie sorgfältig auf die Erwärmung und stellen Sie sicher, dass die NEC- oder geltenden Vorschriften eingehalten werden.
13.Damals
Ich möchte auf eine 50 Jahre alte Technik verweisen, die ich verwendet habe und die sich bei der Steuerung des Zuflusses zu großen Filtern als äußerst erfolgreich erwiesen hat. Sie bestand aus einem US-Frequenzumrichter mit einem Luftregler, der von einem magnetischen Durchflussmesser gesteuert wurde. Der Frequenzumrichter bestand aus einem Motor mit konstanter Drehzahl, der zwei Riemenscheiben mit variabler Drehzahl antrieb, die vom pneumatischen Regler positioniert wurden. Das war zwar einfach und simpel, hat aber hervorragende Arbeit geleistet. Natürlich war die Präzision nicht so anspruchsvoll wie bei einem elektronischen Festkörper-Motorsteuerungssystem, aber das waren noch die guten alten Zeiten.
In der Papierindustrie verwendeten wir damals ebenfalls Gleichstrommotoren, die von Thyratronröhren angetrieben wurden, zur Geschwindigkeitsregelung von Papieraufwicklern, bei denen sich der Rollendurchmesser trotz konstanter Blattzufuhr ständig änderte. Natürlich wurden die Thyratrons heute durch elektronische Festkörperausgangssignale ersetzt. Auch sie funktionierten sehr gut.
Ach, die guten alten Zeiten, als die Einfachheit noch vorherrschte.
14.Funktioniert super. Weniger Geld
Der große Vorteil der Durchflussregelung mit einem Frequenzumsetzer statt mit einem Regelventil liegt nicht in der verbesserten Regelung, sondern in der Energieeinsparung, weil Sie nur so viel Leistung verbrauchen wie nötig und nicht zu viel über das Ventil verbrennen.
15.Wir machen es ohne Frequenzumrichter
Unser Verfahren verwendet eine Chemikalie, die leicht auskristallisiert, wenn die Temperatur sinkt oder der Durchfluss eingeschränkt wird. Wir haben es mit Regelventilen versucht, aber die Einschränkung in der Leitung führte zu mehr Kristallisation und machte die Regelung sehr unzuverlässig oder unkontrollierbar. Die Lösung bestand darin, dieselben Pumpen zu verwenden, die wir bisher verwendet haben, um einen konstanten Druck zu erzeugen, nun aber den Betriebsdruck zu regulieren und so den Durchfluss zu steuern. Die endgültige Konfiguration zur Flüssigkeitsregelung hat in einem SPS-basierten System sehr gut funktioniert. Ein elektromagnetischer Aktuator steuert den Druck, mit dem die pneumatischen Membranpumpen die Flüssigkeit durch das System pumpen, und ein nicht-invasiver Magnetometer überwacht den Durchfluss.
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