Frequenzumrichter Energieeinsparung berechnen: Pumpe, Lüfter
In Ihrem Werk soll ein Frequenzumrichter (FU) an einen Ventilator oder eine Pumpe, und im Angebot steht, die Leistungsaufnahme halbiere sich. Ein japanisches Dokument nennt dasselbe Gerät „Inverter“ und stützt seine Einsparzahl auf einen Yen-Preis sowie eine Annahme von 50 oder 60 Hz. Bevor Sie solche Zahlen in einen Investitionsantrag übernehmen, sollten Sie wissen, wann sie gelten.
Die kurze Antwort: Theoretisch sinkt die Wellenleistung eines Ventilators bei 80 % Drehzahl auf 51,2 % des Bemessungswerts, weil die Leistung mit der dritten Potenz der Drehzahl steigt. Diese Zahl setzt voraus, dass der gesamte Anlagenwiderstand aus Reibung besteht. Statische Förderhöhe und Lasten mit konstantem Drehmoment verkleinern die Einsparung, und eine Maschine, die ständig mit Nenndrehzahl läuft, kann sogar mehr Strom verbrauchen.
Dieser Leitfaden erklärt die beiden Bezeichnungen des Geräts, die Affinitätsgesetze, den Vergleich mit Klappe oder Drosselarmatur und die Stelle, an der die statische Förderhöhe das Kubikgesetz aushebelt. Danach folgen drei Rechenmethoden für die Einsparung, ein Hinweis zu EU-Vorgaben sowie eine Checkliste und Fragen an den japanischen Lieferanten.
Inhalt
- Inverter oder Frequenzumrichter: ein Gerät, zwei Namen
- Affinitätsgesetze: Warum die Leistung mit der dritten Potenz der Drehzahl fällt
- FU gegenüber Klappe oder Drosselarmatur
- Statische Förderhöhe: Wo das Kubikgesetz nicht mehr stimmt
- Wo sich ein FU lohnt und wo nicht
- Energieeinsparung durch FU berechnen: drei Methoden
- Japanische Zahlen und Spezifikationen lesen
- Was vor dem Einbau zu prüfen ist
- Checkliste: Bevor Sie die Zahl einreichen
- Fragen an den japanischen Lieferanten
- Grenzen dieses Leitfadens
- FAQ
- Quellen
Inverter oder Frequenzumrichter: ein Gerät, zwei Namen
Japanische Zeichnungen, Kataloge und öffentliche Leitfäden zum Energiesparen sprechen meist vom „Inverter“ (japanisch: inbata). Im deutschsprachigen Raum heißt das Gerät Frequenzumrichter (FU), im Englischen meist VFD, VSD oder AC Drive. Streng genommen ist der FU die häufigste Bauart eines drehzahlveränderbaren Antriebs (VSD).
Vorsicht beim Wort „Wechselrichter“: Im Deutschen bezeichnet es meist nur die Ausgangsstufe, die Gleichspannung in Wechselspannung umsetzt, etwa bei Photovoltaikanlagen. Steht in einem japanischen Dokument „Inverter“ im Zusammenhang mit einem Motor, ist der gesamte Frequenzumrichter gemeint. Dieser Leitfaden verwendet im Folgenden „FU“.
Warum es überhaupt einen Umrichter braucht, erklärt eine Formel. Die Synchrondrehzahl in min⁻¹ beträgt 120 × Frequenz ÷ Polzahl, ein vierpoliger Motor läuft also bei 50 Hz nahe 1.500 min⁻¹ und bei 60 Hz nahe 1.800 min⁻¹. Ein Asynchronmotor am Netz mit fester Frequenz läuft praktisch nur mit einer einzigen Drehzahl.
Ein FU hebt diese Grenze auf, indem er die Spannung für den Motor neu aufbaut (Abbildung 1).
Der Umrichter wandelt die Netzspannung in Gleichspannung und erzeugt daraus Wechselspannung mit der benötigten Frequenz für den Motor.
Im Umrichter wird die Wechselspannung gleichgerichtet und von einem Kondensator im Zwischenkreis geglättet. Halbleiterschalter erzeugen daraus Wechselspannung mit neuer Frequenz und Spannung. Grundlage ist ein Dokument des japanischen Elektroherstellerverbands (JEMA).
Sinkt die Frequenz, senkt der Umrichter die Spannung im gleichen Verhältnis. Diese U/f-Steuerung hält den magnetischen Fluss im Motor konstant, während sich die Drehzahl ändert. Dieser Leitfaden behandelt die in Fabriken häufigste Kombination: einen Drehstrom-Asynchronmotor mit FU.
Affinitätsgesetze: Warum die Leistung mit der dritten Potenz der Drehzahl fällt
Die Affinitätsgesetze (in japanischen Unterlagen: 相似則, sojisoku) beschreiben, wie ein Ventilator oder eine Kreiselpumpe auf eine Drehzahländerung reagiert. Der Volumenstrom ändert sich proportional zur Drehzahl, der Druck mit dem Quadrat und die Wellenleistung mit der dritten Potenz der Drehzahl. Die Leistung ist proportional zum Produkt aus Volumenstrom und Druck, daher multiplizieren sich erste und zweite Potenz zur dritten.
Bei einer Drehzahländerung von n1 auf n2 ergibt sich Folgendes:
- Volumenstrom: Q2 = Q1 × (n2/n1)
- Druck: p2 = p1 × (n2/n1)²
- Wellenleistung: P2 = P1 × (n2/n1)³
Abbildung 2 zeigt die drei Kurven. Das japanische Umweltministerium (MOE) verwendet in seinem Merkblatt dasselbe Beispiel mit 80 %, und das US-Energieministerium (DOE) formuliert es so, dass eine um 20 % geringere Drehzahl die aufgenommene Leistung um etwa 50 % senkt.
Bei 80 % Drehzahl liegen der Volumenstrom bei 80 %, der Druck bei 64 % und die Wellenleistung bei 51,2 % des Bemessungswerts.
Die Gesetze setzen dasselbe Laufrad, konstante Dichte, annähernd gleichen Wirkungsgrad in jedem Betriebspunkt und einen Widerstand allein aus Rohr- bzw. Kanalreibung voraus (null Widerstand bei null Volumenstrom). Bei fester Förderhöhe oder festem Gegendruck kann der Druck nicht so weit sinken, und die Leistung fällt langsamer als mit der dritten Potenz.
Abbildung 2 zeigt ideale Kurven. Ein Leistungsmesser erfasst zusätzlich die Verluste von Motor und Umrichter, und der Wirkungsgrad sinkt bei niedriger Drehzahl, sodass der gemessene Wert etwas über der Rechnung liegt. Laut DOE fällt der Wirkungsgrad eines FU mit sinkender Last, vor allem bei kleinen Antrieben.
Diese Verluste fallen weniger ins Gewicht, als es zunächst scheint. In einem DOE-Beispiel nimmt ein Abluftventilator mit 20 hp (rund 15 kW) bei halber Drehzahl, mit 77,8 % Motorwirkungsgrad und 86 % Umrichterwirkungsgrad, nur 2,8 kW statt 16,4 kW auf.
Lasten mit quadratischem und mit konstantem Drehmoment
Ventilatoren, Kreiselpumpen und Gebläse haben ein Lastmoment, das mit dem Quadrat der Drehzahl fällt, daher sinkt die Leistung mit der dritten Potenz. Japanische Dokumente nennen das nijo teigen toruku (2乗低減トルク), wörtlich „Last mit quadratisch abnehmendem Drehmoment“.
Lasten mit konstantem Drehmoment verhalten sich anders. Das Moment bleibt bei jeder Drehzahl etwa gleich, die Leistung fällt daher nur proportional zur Drehzahl. Förderbänder, Extruder, Mischer, Verdrängerpumpen und Schraubenkompressoren gehören in diese Gruppe, und für sie gilt das Kubikgesetz nicht.
FU gegenüber Klappe oder Drosselarmatur
Ohne FU wird der Volumenstrom meist über eine Austrittsklappe am Ventilator oder eine Armatur auf der Druckseite der Pumpe verringert. Der Motor läuft dabei fast mit voller Drehzahl, und ein zusätzlicher Widerstand senkt den Volumenstrom. Die an der Armatur verlorene Energie steckt weiterhin in der Leistung, die Sie bezahlen.
Ein FU senkt die Kennlinie von Pumpe oder Ventilator selbst, ein zusätzlicher Widerstand ist nicht nötig. Der DOE-Leitfaden hält fest, dass Drehzahlregelung zur Volumenstromregelung immer effizienter ist als ein Regelventil. Abbildung 3 zeigt, wie groß der Abstand bei einem Radialventilator sein kann.
Bei gleichen 80 % Luftstrom beträgt die Wellenleistung mit Klappe 95 %, mit reduzierter Drehzahl 51 %.
Werte für einen Radialventilator, wie im MOE-Merkblatt nach einer Grafik aus einem Datenblatt des Energy Conservation Center, Japan (ECCJ) angenommen.
Die Klappenregelung spart ein wenig, weil die Wellenleistung eines Radialventilators mit dem Volumenstrom etwas abnimmt. Dasselbe Datenblatt enthält auch Kurven für Eintrittsklappen, Drallregelung (Vorleitschaufeln) und Strömungskupplungen. Das vorhandene Regelverfahren verändert die Einsparung, ermitteln Sie es deshalb zuerst.
Die Tabelle fasst die Unterschiede zusammen.
| Vergleichspunkt | Klappen- bzw. Drosselregelung | FU-Regelung |
|---|---|---|
| Wie der Volumenstrom sinkt | Zusätzlicher Widerstand | Geringere Drehzahl |
| Motordrehzahl | Nahe der Volldrehzahl | Sinkt passend zum geforderten Volumenstrom |
| Druck | Steigt mit zunehmender Drosselung | Sinkt mit dem Quadrat der Drehzahl |
| Wellenleistung bei 80 % Luftstrom (Beispiel Radialventilator) | Etwa 95 % | Etwa 51 % |
| Anschaffungskosten | Niedrig: nur Klappe oder Armatur | Umrichter und Installationsarbeiten nötig |
Derselbe Vergleich auf der Pumpenkennlinie
Eine Pumpe arbeitet dort, wo ihre Pumpenkennlinie die Anlagenkennlinie schneidet. Schließt man eine Armatur, wird die Anlagenkennlinie steiler und der Betriebspunkt wandert nach oben links: Der Förderstrom sinkt, die Förderhöhe steigt. Senkt man dagegen die Drehzahl, verschiebt sich die Pumpenkennlinie nach unten, und derselbe Förderstrom wird bei viel geringerer Förderhöhe gefördert.
Abbildung 4 nutzt ein Rechenbeispiel von J-Net21, einer von der japanischen Regierung getragenen Informationsseite für kleine und mittlere Unternehmen. Die Pumpe hat eine Nullförderhöhe vom 1,4-Fachen der Bemessungsförderhöhe und eine statische Förderhöhe vom 0,3-Fachen, der Förderstrom wird auf die Hälfte des Bemessungswerts gesenkt.
Bei halbem Förderstrom arbeitet die Drosselregelung bei einer Förderhöhe von 1,3, die FU-Regelung bei 0,475 (Bemessungsförderhöhe = 1,0).
Schema mit denselben Bedingungen wie im J-Net21-Beispiel: Nullförderhöhe das 1,4-Fache, statische Förderhöhe das 0,3-Fache der Bemessungsförderhöhe, Förderstrom auf die Hälfte des Bemessungswerts gesenkt.
In diesem Beispiel braucht die Drosselregelung 65 % der Bemessungsleistung und die Drehzahlregelung 24 %, was J-Net21 als Einsparung von 63 % ausweist. Diese 63 % beziehen sich auf den gedrosselten Fall, nicht auf die Bemessungsleistung. Prüfen Sie bei jeder japanischen Einsparprozentzahl zuerst die Bezugsgröße.
Statische Förderhöhe: Wo das Kubikgesetz nicht mehr stimmt
Die Gesamtförderhöhe besteht aus zwei Anteilen. Die statische Förderhöhe (japanisch: 実揚程, jitsu-yotei) ist die Höhe, auf die die Flüssigkeit gehoben werden muss, oder ein fester Gegendruck am Ziel; der Reibungsanteil wächst mit dem Quadrat des Förderstroms. Ein geschlossener Kreislauf hat nur den Reibungsanteil, und reiner Reibungswiderstand ist genau die Bedingung, die das Kubikgesetz voraussetzt.
Die statische Förderhöhe bleibt unabhängig vom Förderstrom bestehen, dieser Anteil der Förderhöhe lässt sich also nicht verringern. Ventilatoren stoßen an dieselbe Grenze, wenn am Kanalende ein fester statischer Druck gehalten werden muss.
Der DOE-Leitfaden nennt die Anwendung der Affinitätsgesetze für Einsparungen in Systemen mit statischer Förderhöhe einen häufigen Fehler, der zu großen Abweichungen führen kann. Abbildung 5 zeigt die Größe der Lücke bei halbem Förderstrom.
Bei 50 % Förderstrom beträgt die erforderliche Leistung nach dem idealen Kubikgesetz 12,5 %, mit statischer Förderhöhe von 30 % der Bemessungsförderhöhe etwa 24 % und bei Drosselregelung 65 %.
Schema mit den Bedingungen des J-Net21-Beispiels (Nullförderhöhe 1,4, statische Förderhöhe 0,3) bei konstantem Pumpenwirkungsgrad. In der Praxis sinkt der Wirkungsgrad bei kleinem Förderstrom, die Leistung liegt dann höher als dargestellt.
Die Drehzahlregelung schlägt die Drosselung weiterhin, aber die Kurve liegt weit von der kubischen Linie entfernt. J-Net21 nennt die Drehzahlregelung besonders wirksam bei kleiner statischer Förderhöhe und einem Förderstromverhältnis von etwa 30–80 %. Im Beispiel liegt die größte Einsparung bei rund 60 % Förderstrom.
Mindestdrehzahl: Die Pumpe muss die statische Förderhöhe weiter überwinden
Die Nullförderhöhe sinkt mit dem Quadrat der Drehzahl. Fällt sie unter die statische Förderhöhe, fördert die Pumpe nicht mehr, und ohne Rückschlagventil kann die Flüssigkeit zurückströmen. Als erste Schätzung dieser Untergrenze dient die Wurzel aus statischer Förderhöhe geteilt durch Nullförderhöhe.
Mit der oben genannten Nullförderhöhe 1,4 liegt die Untergrenze bei etwa 46 % Drehzahl für eine statische Förderhöhe von 0,3 und bei etwa 65 % für 0,6. Das sind unsere Berechnungen, die reale Mindestdrehzahl liegt höher. Der Pumpenlieferant sollte sie anhand der Kennlinien bei reduzierter Drehzahl und des Mindest-Dauerförderstroms festlegen.
Mit statischer Förderhöhe fällt der Förderstrom außerdem schneller als die Drehzahl. Im selben Modell braucht der halbe Förderstrom etwa 64 % Drehzahl bei einer statischen Förderhöhe von 0,3 und etwa 76 % bei 0,6. Setzen Sie in solchen Systemen daher nicht Förderstromverhältnis und Drehzahlverhältnis gleich.
Für die Wasserversorgung mit großer Gesamtförderhöhe empfiehlt das MOE die Regelung über Pumpenstaffelung (japanisch: 台数制御, daisu seigyo) statt über die Drehzahl, weil bei reduzierter Drehzahl die Förderhöhe fehlen kann. Auch die Kombination lohnt eine Prüfung: Die Staffelung übernimmt die Grobanpassung, ein FU die Feinanpassung.
Wo sich ein FU lohnt und wo nicht
Drei Dinge entscheiden weitgehend über das Ergebnis: die Art der Last, die Schwankung des Volumenstroms und die Zusammensetzung des Widerstands. Die besten Kandidaten sind Maschinen mit quadratischem Lastmoment, die lange Zeit gedrosselt gegen überwiegend Reibungsverluste laufen. Abbildung 6 ordnet gängige Anlagen ein.
Auch bei Ventilatoren und Pumpen hängt das Ergebnis davon ab, wie die Maschine betrieben wird und woraus der Widerstand besteht.
Höhere Einsparung
Geringere Einsparung
Maschinen, die nahe am Nennvolumenstrom laufen, haben keinen Spielraum zum Verlangsamen, und die Umwandlungsverluste des Umrichters erhöhen die Rechnung. Deshalb empfiehlt das MOE, eine Pumpe bei Nennförderstrom im Netzbetrieb (japanisch: 商用電源, shoyo dengen) zu betreiben. Diese Anordnung heißt üblicherweise FU-Bypass, und eine verantwortliche Elektrofachkraft sollte sie planen.
Energieeinsparung durch FU berechnen: drei Methoden
Gehen Sie vom heutigen Verbrauch der Maschine aus, nicht vom Typenschild. Motoren laufen oft unterhalb der Bemessungslast, wer die Bemessungsleistung in kW als tatsächlichen Verbrauch ansetzt, überschätzt die Einsparung. J-Net21 rechnet deshalb mit einer Auslastung (japanisch: 負荷率, fukaritsu) von 90 %, besser ist ein Messwert vom Leistungsmesser.
Abbildung 7 zeigt die Reihenfolge insgesamt. Welche Formel in Schritt 3 passt, hängt vom heutigen Regelverfahren und von der statischen Förderhöhe ab.
Wandeln Sie protokollierte Betriebsdaten mit dem passenden Drehzahl- bzw. Leistungsverhältnis und dem Wirkungsgrad in kWh um und bewerten Sie diese mit Ihrem Strompreis.
Bei statischer Förderhöhe oder festem Gegendruck fällt die Einsparung kleiner aus, als das Kubikgesetz erwarten lässt.
Methode A: Armatur voll geöffnet, nur Reibung
Diese Methode passt, wenn Armatur oder Klappe bereits voll geöffnet sind, die statische Förderhöhe nahe null liegt und Sie schlicht weniger Volumenstrom wollen.
Neue kWh = bisherige kWh × (Drehzahlverhältnis)³ ÷ Umrichterwirkungsgrad
J-Net21 rechnet eine Kühlwasser-Spiralgehäusepumpe mit 37 kW, 92,5 % Wirkungsgrad (hier als Motorwirkungsgrad gelesen) und 90 % Auslastung, die 310 Tage im Jahr 24 Stunden läuft. Der heutige Verbrauch liegt bei etwa 267.800 kWh. Bei 85 % Drehzahl und 95 % Umrichterwirkungsgrad ergibt sich 267.800 × 0,85³ ÷ 0,95, also rund 173.100 kWh.
Die Einsparung beträgt etwa 94.700 kWh im Jahr, das sind rund 35 %. Bei 22,0 JPY/kWh kommt J-Net21 auf etwa 2,08 Mio. JPY. Das Beispiel nimmt 0 m statische Förderhöhe an, verstehen Sie es daher als Bestfall.
Methode B: Heute mit Klappe oder Armatur gedrosselt
Der heutige Messwert enthält bereits die Drosselverluste, multiplizieren Sie ihn deshalb nicht einfach mit der dritten Potenz der Drehzahl. Verwenden Sie stattdessen das Verhältnis beider Regelverfahren bei gleichem Volumenstrom aus der Ventilatorkennlinie oder einem Datenblatt.
Neue kWh = bisherige kWh × (Wellenleistungsverhältnis FU ÷ Wellenleistungsverhältnis gedrosselt) ÷ Umrichterwirkungsgrad
Das MOE rechnet einen 22-kW-Abluftventilator bei 80 % Luftstrom mit 6.480 Betriebsstunden im Jahr, 95 % Motorwirkungsgrad und 90 % Umrichterwirkungsgrad. Den heutigen Verbrauch gibt es mit 142.600 kWh an. Mit Wellenleistungsverhältnissen von 51 % und 95 % ergibt sich 142.600 × (51 ÷ 95) ÷ 0,90, also rund 85.000 kWh.
Die Einsparung beträgt etwa 57.600 kWh im Jahr, das sind rund 40 %. Die Werte 95 % und 51 % stammen aus einer einzigen Grafik für eine Klappe an einem Radialventilator. Andere Regelverfahren haben eigene Kurven.
Methode C: System mit statischer Förderhöhe
Liegt eine statische Förderhöhe vor, schätzen Sie die Leistung aus Förderstrom und Förderhöhe statt aus der Drehzahl. Mit hs als statischem Anteil der Bemessungsförderhöhe und Q als Förderstromverhältnis beträgt die Förderhöhe auf der Anlagenkennlinie hs + (1 − hs) × Q².
Leistungsverhältnis ≈ Q × (hs + (1 − hs) × Q²), danach durch den Umrichterwirkungsgrad teilen.
Die Tabelle wendet diese Formel an. Bei 50 % Förderstrom stimmen die Werte für Drosselung und für hs = 0,3 mit dem J-Net21-Beispiel überein, das 23,8 % auf 24 % rundet. Die übrigen Werte sind unsere Berechnungen mit demselben Modell.
| Förderstrom | Drosselregelung | FU, hs = 0 (Kubikgesetz) | FU, hs = 0,3 | FU, hs = 0,6 |
|---|---|---|---|---|
| 90 % | 96,8 % | 72,9 % | 78,0 % | 83,2 % |
| 80 % | 91,5 % | 51,2 % | 59,8 % | 68,5 % |
| 70 % | 84,3 % | 34,3 % | 45,0 % | 55,7 % |
| 60 % | 75,4 % | 21,6 % | 33,1 % | 44,6 % |
| 50 % | 65,0 % | 12,5 % | 23,8 % | 35,0 % |
Betrachten Sie die FU-Spalten als optimistisch. Der DOE-Leitfaden warnt, dass in Systemen mit hoher statischer Förderhöhe eine kleine Drehzahlsenkung Förderstrom und Pumpenwirkungsgrad stark verringert. Für eine Zahl, die Sie im Antrag vertreten wollen, fordern Sie vom Lieferanten Pumpenkennlinien bei reduzierter Drehzahl mit Wirkungsgrad an.
kWh in Ihre eigene Währung umrechnen
Behalten Sie kWh als Hauptergebnis, denn die Yen-Beträge der japanischen Beispiele lassen sich nicht übertragen. Das MOE-Ventilatorbeispiel rechnet mit 22,76 JPY/kWh.
Die folgende Tabelle wendet andere Preise auf dieselben 57.600 kWh an. Diese Preise sind Platzhalter und keine Marktpreise, setzen Sie den Preis aus Ihrer eigenen Stromrechnung ein.
| Preis je kWh | Jährliche Einsparung bei 57.600 kWh |
|---|---|
| 22,76 JPY (MOE-Beispiel) | Rund 1,31 Mio. JPY |
| 0,15 EUR (Platzhalter) | 8.640 EUR |
| 0,25 EUR (Platzhalter) | 14.400 EUR |
| Ihr Preis: ____ | 57.600 × Ihr Preis |
Klären Sie mit dem Controlling, welcher Preis im Antrag gelten soll. J-Net21 verwendet einen Mischpreis einschließlich Grundgebühr, doch feste Entgelte, etwa ein Leistungspreis, sinken nicht zwingend im Gleichschritt mit den kWh.
Für die einfache Amortisationszeit teilen Sie die Investitionskosten durch die jährliche Einsparung. Berücksichtigen Sie Umrichter, Installation, eventuelle Drosseln oder Filter und einen Motortausch, und holen Sie diese Kosten per Angebot ein.
Vergleichen Sie nach dem Einbau die gemessenen kWh unter gleichen Bedingungen. Die Abweichung zwischen Schätzung und Messung verbessert Ihre nächste Abschätzung.
Japanische Zahlen und Spezifikationen lesen
Japan arbeitet mit zwei Netzfrequenzen: 50 Hz im Osten einschließlich Tokio und 60 Hz im Westen einschließlich Osaka. Japanische Maschinen können daher für eine von beiden ausgelegt sein, und ihre Heimatfrequenz muss nicht zu Ihrem Werk passen. In Deutschland, Österreich und der Schweiz liegt die Netzfrequenz bei 50 Hz.
Wegen des Kubikgesetzes ist das ein echtes Thema. Eine Kreiselmaschine für 50 Hz, die mit 60 Hz läuft, dreht 20 % schneller und braucht etwa 73 % mehr Wellenleistung (1,2³ = 1,73). Eine Maschine für 60 Hz, die mit 50 Hz läuft, dreht etwa 17 % langsamer, mit rund 58 % der Leistung und rund 69 % des Drucks.
Bestätigen Sie die Bemessungsfrequenz, bevor Sie Zahlen vergleichen. Die Verhältnisse sind unsere Rechnung aus den Affinitätsgesetzen. Fragen Sie den Lieferanten, ob Maschine und Motor überhaupt mit Ihrer Frequenz betrieben werden dürfen. Prüfen Sie auch die Bemessungsspannung: Japanische Werke arbeiten häufig mit der 200-V-Klasse, die 400-V-Klasse umfasst dort je nach Gerät 400, 415 oder 440 V.
Die Tabelle dient als Ausgangspunkt für die Unterschiede zwischen den Ländern.
| Ort | Netzfrequenz | Ausgangspunkt für Oberschwingungen |
|---|---|---|
| Japan | 50 Hz (Osten), 60 Hz (Westen) | Leitlinie von 1994 für Hochspannungsbezieher, mit dem technischen Leitfaden JEAG 9702 |
| Deutschland | 50 Hz | Technische Anschlussregeln des Netzbetreibers (z. B. VDE-AR-N 4110 bei Mittelspannung) und EN 61000-3-12 für Geräte; beim Netzbetreiber bestätigen |
| Österreich, Schweiz | 50 Hz | Beim Netzbetreiber bestätigen |
| USA | 60 Hz | IEEE 519-2022; Anforderung des Versorgers bestätigen |
Diese Begriffe tauchen in japanischen Unterlagen zum Energiesparen und in Spezifikationen häufig auf.
| Japanisch | Romaji | Deutsch |
|---|---|---|
| 省エネ | sho-ene | Energieeinsparung |
| 軸動力 | jiku-doryoku | Wellenleistung |
| 回転数制御 | kaitensu seigyo | Drehzahlregelung |
| 実揚程 / 全揚程 | jitsu-yotei / zen-yotei | Statische Förderhöhe / Gesamtförderhöhe |
| 風量 | furyo | Luftvolumenstrom |
| 商用電源 | shoyo dengen | Netzbetrieb (Versorgung direkt aus dem Netz) |
| 高調波 | kochoha | Oberschwingungen |
Top-Runner-Motoren, IE3 und Frequenzeinstellung
Seit April 2015 verlangt Japan von den meisten industriellen Drehstrom-Asynchronmotoren die Erfüllung seines Top-Runner-Standards, den die Internationale Energieagentur (IEA) als Niveau IE3 beschreibt. In der EU gilt nach der Ökodesign-Verordnung (EU) 2019/1781 seit dem 1. Juli 2021 für Drehstrommotoren von 0,75 bis 1.000 kW mindestens IE3, und Frequenzumrichter von 0,12 bis 1.000 kW müssen die Verlustgrenzen des Niveaus IE2 einhalten. Prüfen Sie den Wirkungsgrad dennoch im Datenblatt und setzen Sie die Bezeichnungen nicht einfach gleich.
Der japanische Branchenverband für Halbleiterfertigungsanlagen (SEAJ) weist darauf hin, dass diese Motoren weniger Schlupf haben und etwas schneller drehen. Er empfiehlt, die Einstellungen eines damit betriebenen FU zu prüfen oder zu ändern. Da die Leistung mit der dritten Potenz der Drehzahl steigt, lassen Sie die Frequenzeinstellung vom Lieferanten oder einer qualifizierten Fachkraft prüfen, wenn Motor und FU gemeinsam ersetzt werden.
Was vor dem Einbau zu prüfen ist
Ein FU rechnet sich nicht automatisch. An der falschen Maschine kann er zu geringem Volumenstrom, überhitztem Motor oder Schwingungen führen. Gehen Sie die Prüfpunkte der Reihe nach durch: Betriebsdaten, Prozessgrenzen, Motor und Mechanik, danach das elektrische System.
Betriebsdaten und Prozessgrenzen
Protokollieren Sie Stellung von Klappe oder Armatur, Schwankungen von Volumenstrom und Druck sowie die Betriebsstunden über eine bis vier Wochen. Eine Maschine, die fast voll geöffnet bleibt, bietet wenig Einsparpotenzial. Der DOE-Leitfaden empfiehlt ein Duration Diagram (Dauerlinie), das die Jahresstunden bei jedem Volumenstrom zeigt, damit Sie jeden Betriebszustand einzeln rechnen und aufsummieren.
Klären Sie dann den Mindestvolumenstrom und den Mindestdruck, die der Prozess braucht. Der Druck fällt mit dem Quadrat der Drehzahl: Das MOE weist darauf hin, dass 90 % Volumenstrom 19 % weniger Förderdruck bedeuten. Der am Leitungsende geforderte Druck setzt der Drehzahlsenkung eine Grenze.
Mindestdrehzahl, Kühlung und Schwingungen
Die meisten Asynchronmotoren kühlen sich mit einem Lüfter auf der Welle selbst, bei langem Betrieb mit niedriger Drehzahl nimmt die Kühlluft daher ab. Fragen Sie den Hersteller nach dem zulässigen Drehzahlbereich im Dauerbetrieb und danach, ob ein Fremdlüfter nötig ist.
Variable Drehzahl erhöht außerdem die Wahrscheinlichkeit, im Betriebsbereich auf eine Strukturresonanz zu treffen. Viele Umrichter können ein Frequenzband überspringen, prüfen Sie Schwingungen und Geräusche bei der Inbetriebnahme.
Bei Ventilatoren kommt in manchen Drehzahlbereichen das Risiko instabilen Betriebs hinzu, etwa durch Pumpen.
Motorisolation und Aufstellort des Umrichters
Laut DOE-Leitfaden passen FU zu den meisten vorhandenen Motoren in 400-V-Netzen. Das gilt in der Regel nicht oberhalb von 440 V, etwa in 690-V-Netzen, dort sind häufig Motoren mit verstärkter Isolation („inverter duty“) nötig. Lange Leitungen können die Spannung an den Motorklemmen erhöhen, und größere Motoren können durch Wellenspannung Lagerschäden erleiden.
Zwei Normen helfen als Stichwort für die Rückfrage: NEMA MG 1 Teil 31 für umrichtertaugliche Motoren (USA) und IEC TS 60034-25:2022 als Leitfaden für umrichtergespeiste Maschinen. Prüfen Sie auch den Aufstellort des Umrichters. Elektronik verträgt korrosive und feuchte Bereiche schlecht, und laut DOE-Leitfaden ist der Betrieb eines FU in explosionsfähiger Atmosphäre meist nicht möglich, klären Sie das bei Bedarf mit dem Hersteller (ATEX).
Oberschwingungen und Netzanschluss
Das Laden des Glättungskondensators im Umrichter verzerrt den Eingangsstrom und erzeugt Oberschwingungen (ganzzahlige Vielfache der Netzfrequenz). In den USA ist IEEE 519-2022 eine übliche Referenz, die ihre Grenzwerte am Netzanschlusspunkt (PCC) ansetzt, nicht am einzelnen Umrichter. Für Deutschland, Österreich und die Schweiz klären Sie die Anforderungen mit Ihrem Netzbetreiber.
In Japan gilt die Leitlinie von 1994 für Bezieher von Hoch- und Höchstspannung zusammen mit JEAG 9702, und japanische Umrichterkataloge enthalten einen Umrechnungsfaktor für die Berechnung. Zu den Gegenmaßnahmen zählen AC- und DC-Drosseln sowie PWM-Gleichrichter. Beziehen Sie Ihre Elektroplanung und den Netzbetreiber ein, denn Oberschwingungen beeinflussen auch Kompensationsanlagen mit Blindleistungskondensatoren.
Checkliste: Bevor Sie die Zahl einreichen
Mit dieser Liste prüfen Sie einen FU-Vorschlag, ob er von Ihnen oder von einem Lieferanten stammt.
- Lastart: Ventilator oder Kreiselpumpe mit quadratischem Lastmoment, keine Maschine mit konstantem Drehmoment
- Heutige Regelung: Austrittsklappe, Eintrittsklappe, Drallregelung, Armatur oder voll geöffnet
- Ausgangswert: gemessene kW oder kWh, nicht die Typenschildleistung
- Lastprofil: Jahresstunden je Volumenstrom aus protokollierten Daten
- Statische Förderhöhe: Anteil an der Bemessungsförderhöhe und die dazu passende Rechenmethode (A, B oder C)
- Prozessgrenzen: Mindestvolumenstrom, Mindestdruck und erforderliche Förderhöhe am Leitungsende
- Wirkungsgrad: Umrichter- und Motorwirkungsgrad bei der tatsächlichen Teillast, nicht nur bei Volllast
- Bemessungsfrequenz und -spannung: 50 Hz oder 60 Hz sowie Spannungsklasse für Maschine, Motor und Ihr Werk
- Effizienzniveau: IE-Klasse des Motors und des Umrichters laut Datenblatt, ohne Bezeichnungen gleichzusetzen
- Motor: für FU-Betrieb ausgelegt, Kühlung bei niedriger Drehzahl, Lagerschutz bei größeren Motoren
- Elektrik: Prüfung der Oberschwingungen, Kondensatoren, Leitungslänge und Aufstellort des Umrichters
- Kosten: Ihr eigener Preis je kWh, vollständige Investitionskosten und einfache Amortisationszeit
- Nachweis: ein Plan zum Vergleich gemessener kWh vor und nach dem Einbau
Fragen an den japanischen Lieferanten
Stammen Anlage oder Einsparzahl aus Japan, senden Sie diese Fragen früh. Sie sind so formuliert, dass Sie sie in eine E-Mail einfügen können.
- Welche Bemessungsfrequenz und -spannung haben Maschine und Motor? Bitte senden Sie Kennlinien für 50 Hz und 60 Hz.
- Bitte senden Sie Kennlinien bei reduzierter Drehzahl mit Wirkungsgrad und Mindest-Dauerförderstrom.
- Wie groß ist der zulässige Drehzahlbereich im Dauerbetrieb? Ist bei niedriger Drehzahl eine separate Motorkühlung nötig?
- Ist der Motor für den FU-Betrieb ausgelegt? Nach welcher Norm (z. B. NEMA MG 1 Teil 31 oder IEC TS 60034-25)?
- Wie hoch ist der Umrichterwirkungsgrad bei Teillast? Hat der Umrichter eine eingebaute AC- oder DC-Drossel? Welche Daten zu Oberschwingungen können Sie liefern?
- Welche Drehzahlbereiche sollen wir wegen Resonanz oder instabilem Betrieb meiden?
- Zu Ihrer Einsparzahl: Welches Regelverfahren, welche statische Förderhöhe, welcher Umrichterwirkungsgrad, welche Betriebsstunden und welcher Strompreis liegen zugrunde?
- Beeinflusst eine FU-Nachrüstung die Gewährleistung für diese Maschine?
Grenzen dieses Leitfadens
- Die Rechenbeispiele stammen aus öffentlichen japanischen Leitfäden und verwenden angenommene Werte. Es sind keine Messergebnisse und keine Zusagen.
- Methode C setzt konstanten Pumpenwirkungsgrad voraus. Die reale Einsparung ist geringer, wenn der Wirkungsgrad bei kleinem Förderstrom sinkt.
- Die Rechnungen zur Mindestdrehzahl sind erste Schätzungen. Die Kennlinien des Lieferanten haben Vorrang.
- Verdrängerpumpen, Kompressoren und andere Maschinen mit konstantem Drehmoment erfordern eine andere Analyse.
- Die Angaben zu Oberschwingungen und Motornormen sind aus Sekundärquellen zusammengefasst, die EU-Verordnung 2019/1781 aus dem Verordnungstext und einem Datenblatt des Umweltbundesamts. Prüfen Sie alles gegen die aktuellen Normen und die Regeln Ihres Netzbetreibers.
- Strompreise, Tarife und Förderungen unterscheiden sich je nach Land und Standort, dieser Leitfaden behandelt sie nicht.
FAQ
Wie viel Energie spart ein FU bei einem Ventilator oder einer Pumpe?
Es gibt keinen allgemeingültigen Prozentwert. Öffentliche japanische Beispiele zeigen etwa 40 % für einen 22-kW-Ventilator, der bei gleichen 80 % Luftstrom von Klappenregelung auf FU umgestellt wird, und etwa 35 % für eine 37-kW-Pumpe bei 85 % Drehzahl. Ihr Ergebnis hängt von Regelverfahren, Lastprofil und statischer Förderhöhe ab.
Gelten die Affinitätsgesetze, wenn eine Pumpe eine statische Förderhöhe hat?
Nicht für die Einsparung im System. Sie beschreiben weiterhin, wie sich die Pumpenkennlinie mit der Drehzahl verschiebt, aber die Anlagenkennlinie beginnt nicht mehr bei null, sodass der Förderstrom nicht im Gleichschritt mit der Drehzahl sinkt. Bei 50 % Förderstrom liegt die Leistung im J-Net21-Beispiel bei etwa 24 % des Bemessungswerts, nicht bei den 12,5 % des Kubikgesetzes.
Spart ein FU Energie an einem Ventilator, der immer mit voller Drehzahl läuft?
Nein. Ohne Spielraum zur Drehzahlsenkung erhöhen die Umwandlungsverluste des Umrichters den Verbrauch. Das MOE empfiehlt, eine Pumpe bei Nennförderstrom im Netzbetrieb zu fahren, eine Änderung, die Ihre Elektrofachkraft planen sollte.
Wie viel Leistung verliert der FU selbst?
Öffentliche japanische Beispiele nehmen 90–95 % Umrichterwirkungsgrad an. Laut DOE sinkt der Wirkungsgrad mit fallender Last, besonders bei kleineren Umrichtern, fragen Sie den Lieferanten daher nach Teillastwerten.
Soll ich einen FU oder eine Pumpenstaffelung wählen?
Ein FU eignet sich für Systeme mit kleiner statischer Förderhöhe, in denen der Widerstand überwiegend aus Reibung besteht. Bei großer Gesamtförderhöhe, etwa bei Wasserversorgung auf hohem Niveau, empfiehlt das MOE die Staffelung. Auch die Kombination aus Staffelung für die Grobregelung und FU für die Feinregelung ist möglich.
Quellen
- Ventilator-Affinitätsgesetze, Vergleich mit der Klappe und Beispiel 22-kW-Ventilator: Japanisches Umweltministerium, „Einführung drehzahlvariabler Abluftventilatoren“ (japanisch), nach einem ECCJ-Datenblatt
- Förderstrom, Druck und Leistung von Pumpen, statische Förderhöhe, Staffelung, Netzbetrieb bei Nennförderstrom: Japanisches Umweltministerium, „Optimierung von Förderstrom und Druck bei Wasserversorgungs- und Entwässerungspumpen“ (japanisch)
- Drosselregelung und Beispiel Kühlwasserpumpe 37 kW: J-Net21, Drehzahlregelung bei Pumpen und Gebläsen, Teil 2 (japanisch)
- Pumpe mit statischer Förderhöhe, Zahlenbeispiel und wirksamer Bereich: J-Net21, warum Inverter bei Pumpen mit großer statischer Förderhöhe wenig sparen (japanisch)
- Statische und Reibungsförderhöhe, Fehler bei den Affinitätsgesetzen, Resonanz, Motorisolation und Dauerlinien: US DOE, Hydraulic Institute und Europump, „Variable Speed Pumping: A Guide to Successful Applications, Executive Summary“ (englisch)
- Lasten mit variablem und konstantem Drehmoment, Teillastwirkungsgrad des Umrichters und das Beispiel mit 20 hp: US DOE, Motor Systems Tip Sheet #11, „Adjustable Speed Drive Part-Load Efficiency“ (englisch)
- Lasten mit quadratischem Drehmoment: Mitsubishi Electric, Serie FREQROL-F800 (japanisch)
- Top-Runner-Motoren und Umrichtereinstellungen: Semiconductor Equipment Association of Japan, Motoreffizienz (japanisch)
- IE3-Anforderung in Japan: Internationale Energieagentur, „Minimum Energy Efficiency of Motors“ (englisch)
- Ökodesign-Anforderungen an Elektromotoren und Drehzahlregelungen in der EU: Verordnung (EU) 2019/1781 (EUR-Lex); Datenblatt des Umweltbundesamts
- Leitlinie zu Oberschwingungen in Japan, JEAG 9702 und Drosseln: Japan Electrical Manufacturers’ Association, Oberschwingungsminderung bei Universalumrichtern und Servoverstärkern, April 2022 (japanisch)
- IEEE 519-2022 und PCC: Comsys, „Power Quality: IEEE 519-2022“ (englisch); IEEE Xplore, IEEE 519-2022
- NEMA MG 1 Teile 30 und 31: dV/dt Filter, „NEMA MG 1-2016 Standard for Voltage Stress in Motors and Drives“ (englisch)
- IEC TS 60034-25:2022: IEC Webstore
- Netzfrequenz nach Ländern: Miki Pulley, „Power Supply Situations Around the World“ (englisch)
- Mindestdrehzahl und statische Förderhöhe: Pump Industry Magazine, „Pump Curves 16: How Low Can You Go?“ (englisch)
- Grenze zwischen 50 und 60 Hz in Japan: KEK, „Japanese Electricity“ (englisch)
Originalartikel auf JapanischDieser Leitfaden beruht auf einem MONOSCOPE-Artikel für Leser in Japan: インバータで省エネになる仕組み｜ファン・ポンプの回転数と電力の3乗則
Über die Redaktion
MONOSCOPE-RedaktionFOUNDER & EDITORRund zehn Jahre bei einem Anlagenhersteller und einem Anlagenbauunternehmen in Angebot, Konstruktion und Inbetriebnahme von Anlagen tätig, danach Wechsel ins Online-Marketing. Berät heute B2B-Hersteller zu ihren Websites und hilft ihnen, Produkte und Technik verständlich zu erklären. Besitzt die japanischen staatlichen Lizenzen als Energy Manager und als Elektro-Chefingenieur der dritten Klasse.
Betreibt seit 2017 einen Technik-Blog (über 500 Artikel) und einen japanischsprachigen YouTube-Kanal mit rund 20.000 Abonnenten. Jeder Leitfaden entsteht aus der Perspektive der japanischen Werkshalle und wird mit den zitierten Normen abgeglichen.
