Ein alternatives Antriebskonzept für Pumpen und Lüfter
Vermeintlich antiquierte Technik statt Hightech-Elektronik:
Die beiden pfiffigen Alleingesellschafter der Firma Bavaria Electric GmbH & Co. KG entwickelten eine Schützsteuerung für Lüfter- und Umwälzpumpenantriebe mit Drehstromasynchronmotoren.
Mit ihren sechs Drehzahlstufen stellte sie einen guten Mittelweg zwischen Aufwand und Nutzen dar und wird so zur energiesparenden und einfachen Alternative zu Frequenzumrichtern und Phasenanschnittsteuerungen.

Von einer guten Idee zu einem guten Produkt ist oft nur ein kurzer Weg. Das dachten sich auch die zwei Gesell-schafter der Bavaria Electric GmbH & Co. KG in Gilching bei München, mit langjährigem Know-how in Schalt-schrankbau und Regelungstechnik.
Mit ihrer patentierten Drehzahlregelung
der SSEC (Six-Step-Energie-Control) optimiert für Lüfter- und Pumpen -antriebe tritt es den Beweis an,
dass sich mit sechs Drehzahlstufen
zwischen Aufwand und gewünschtem Ergebnis durchaus ein goldener Mittelweg finden lässt.
Über die Wirtschaftlichkeit eines Pumpen- oder Ventilatorantriebes entscheiden vor allem die während der Gesamtlaufzeit anfallenden Kosten einschließlich aller Rand- und Betriebsbedingungen neben dem Wirkungsgrad des Antriebs. Innerhalb dieser ganzheitlichen Bewertung sind Erfolg versprechende Optimierungen im Detail möglich, beispielsweise durch das Anpassen der Förderleistung durch die verschiedenen Maßnahmen zur Drehzahlsteuerung.
Lüfterantriebe sind daher meistens Drehzahl geregelt. Verschiedene Hersteller erreichen diese Drehzahlverstellung über Phasenanschnittsteuerung, andere setzen Frequenzumrichter ein.
Beide Wege haben eine Gemeinsam-keit:
Bei niedrigen Rotordrehzahlen ist der Elektroantrieb oft lauter als das eigentliche Lüftergeräusch. Das stört Anwohner oder Mitarbeiter, die sich in der Nähe der Lüftungssysteme aufhalten. Zudem haben die Motoren einen schlechteren Wirkungsgrad. Bei der SSEC wird die Sinusform nicht verändert dadurch läuft der Motor in einen stoß- und erschütterungsfreien Lauf was kein Brummen am Motor erzeugt. Somit wird eine hohe Lebensdauer für den Motor und besonders der Kugellager erreicht.
Keine Netzverschmutzung durch Oberwellen.
Roman Kucharik, geschäftsführender Gesellschafter der Bavaria Electric, verrät: „Ein wesentlicher Vorteil dieser auf Standard-Schützen basierenden Lösung ist, dass eine solche ´Drehzahl-Steuerung´ keine Oberschwingungen produziert und somit das Stromnetz nicht belastet.“ Oberschwingungen sind Spannungs- bzw. Stromanteile, die Frequenzen von Vielfachen der Grundfrequenz von 50 Hz aufweisen und ins Netz zurückgehen. Ein Beispiel dafür, wie wichtig das ist, zeigt sich bei Lüfter im Umfeld medizinischer Geräte. Die auf Grund ihrer sensiblen Messtechnik saubere Netze erfordern.
Da die Netzfrequenz mit dem SSEC System nicht verändert wird und keine Störfrequenzen verursacht werden, kann auch auf die Verwendung von abgeschirmten Kabeln verzichtet werden, dass wiederum bei der Elektroinstallation zu Kostensenkungen führt.
Die Funktion im Überblick:
Über einen Drehstrom Trenntrans-formator mit einer Übersetzung von 400 V auf 315 V werden durch Stern-Dreieck-Umschaltung vier unter-schiedliche Spannungen erzeugt, zwei weitere Spannungen 230/400 VAC beziehen die Verbraucher direkt aus dem Netz. Es wird kein Standard -transformator mit mehreren Fest -spannungsabgriffen verwendet, somit ist diese Lösung, Energiesparsam und es werden keine unnötigen Verluste produziert. Da immer nur die benötigte Spannung generiert und verwendet wird, bei den Spannungen 230/400 VAC wird der Trafo frei geschaltet und nimmt keine Energie auf.
Auch für fest verschaltete Motoren bei der keine Stern-Dreieckumschaltung möglich ist hat Bavaria Electric eine fünfstufige Lösung FSEC entwickelt. Diese bieten auch die gesamten Vorteile.
Das Konzept eignet sich für Drehstrom-Asynchronmotoren in Lüftungs- bzw. Prozesspumpenantrieben, die ein über der Drehzahl quadratisch verlaufendes Lastmoment aufweisen.
Bei den Spannungen 230/400 VAC kann der Motor seine tatsächliche Leistung laut Typenschild aufweisen, nicht wie bei Frequenz oder Sinusform manipulierten Regelverfahren, bei den die Netz-Spannungen nicht mehr erbracht werden oder verfälscht sind. Einen weiteren Vorteil bietet die SSEC Regelung dass mehrere Motoren parallel geschaltet werden können.
Einfache und übersichtliche Bedienung war ein wichtiger Faktor bei der Entwicklung des Steuerboards. Alle Auswertungen wie Temperatur, Druck, externe Sollwertvorgabe über 0-10 Volt
Signal oder auch 4 bis 20 mA können direkt mit einfachen Dip-Schaltern
ausgewählt werden. Bei Temperatur-regelung werden die direkt am Board angeschlossen Fühler Typ PT100 ausgewertet und im Display angezeigt. Die Sollwerte werden einfach mit den +/- Tasten voreingestellt und können auch über einen potentialfreien Kontakt, zwischen Sollwert 1 und Sollwert 2 umgeschaltet werden. Über ein einstellbares P-Band werden dann die Schaltstufen hoch und runter geschaltet. Bei Druckauswertung wird ebenfalls der am Drucksensor erfasste Druck im Display angezeigt und dem entsprechenden Sollwert in den Stufen angepasst. Die Umschaltung der einzelnen Schaltstufen erfolgt im 250ms Bereich. Somit ist ein Umschalten am Motor kaum wahrnehmbar.
Mehr muss nicht eingestellt werden um eine sichere Funktion zu erreichen.
Zur Kontrolle der Gesamtanlage für Verbrauch und der Leistung wird jede Schaltstufe über Betriebsstundenzähler erfasst und kann in Display ablesen und ausgewertet werden.
Dies steigert die Betriebssicherheit und erbringt auch den Nachweis zur Energieeffizient der Anlage. Die Ansteuerung für Drehzahlnacht-begrenzung, Start Reinigung usw. werden über potentialfreie Kontakte gesteuerung und könne somit auch einfach mit Schaltuhren betätigt werden.
Stör und Betriebsmeldungen werden auch über potentialfreie Kontakte ausgegeben.
Eine Rückmeldung der Schaltstufen wird mit 0-10 Volt ausgegeben und kann somit auch auf einer GLT ausgewertet und angezeigt werden.
Für Rückkühler mit Adiabatik ist auch auf dem größeren Board die Ansteuerung für die adiabatische Besprühung vorgesehen. Diese dann nach Auswertung der Außentemperatur die Besprühung als weitere Schaltstufen sieben und acht automatisch zuschalten. Eine vollautomatische Befüllung- und Entleerungsteuerung des Systems um Frostschäden zu vermeiden ist selbstverständlich enthalten.
Mithilfe von Siemens-3RT-Schützen, können Leistungswerte bis zu 250 kW abdeckt werden.
Weshalb beides erfolgsentscheidend ist, erläutert der zweite Gesellschafter
Dipl.-Ing. Dr. h.c. Karl Jakob:
"Versagt die Lüftung von Kälte-maschinen zum Beispiel in der Lebens-mittelbranche, der Automobilindustrie oder in Pharmabetrieben, entstehen dadurch unverhältnismäßig hohe Schäden“.
So einfach sich diese Lösung anhört, so unkonventionell ist sie auch. Für Sonderprobleme, zum Beispiel Antriebe mit hohen Trägheitsmoment wie Lüfterräder mit einen Durchmesser über zwei Metern, kann die Steuerung auch mit 10 bis 12 Schaltstufen ausgelegt werden.
Um Störungen durch Überstrom bei der Drehzahlumschaltung zu verhindern, trennen die jeweils angesteuerten Schütze, bevor die Schütze der nächsten Drehzahlstufe schließen. Zusätzlich zur mechanischen Schützverriegelung ist jedes Schütz rückmelde überwacht.
Entscheidend für das zuverlässige und dauerhafte Funktionieren der Steuerung sind qualitativ hochwertige Niederspannungs-Schaltgeräte. Die eingesetzten 3RT-Schütze erreichen Rund 1,5 Millionen Schaltspiele bei Nennbelastung.
Verfügbarkeit als oberste Maxime
Der Einsatz qualitativ hochwertiger Standard Schütze bietet zusätzliche Vorteile. In den Kompaktsteuerungen SSEC-C 315 und 182T finden zum Beispiel zwölf Schütze Platz, die unter anderem auch ein Reversieren des Antriebs erlauben. Damit können die Lüfter in die andere Richtung drehen, um die angeschlossenen Wärmeübertrager (Wärmetauscher) von Federn, Blättern und anderen Verunreinigungen zu befreien.
Während der Inbetriebnahme oder bei Tests kann der Monteur durch einfaches Umschalten an der Gehäusefront des Reglers auf manuellen Betrieb stellen und alle Spannungs- bzw. Drehzahlstufen durchfahren.
Sollte die Steuerung tatsächlich einmal ihren Dienst versagen, kann die Elektronik über einen Bypass-Schalter überbrückt werden und eine feste Lüfterdrehzahl in Stern oder Dreieck eingestellt werden. Diese Redundanz birgt zusätzliche Sicherheit.
Wie die statistische Auswertung des
Drehzahlprofils typischer Anwendungs-fälle über ein Jahr erkennen lässt, reichen sechs unterschiedliche Drehzahlstufen für eine komplette Lüftersteuerung aus.
Demnach läuft beispielsweise ein Motor mit 880 min-1 Nenndrehzahl etwa 2,6 Betriebsstunden im Jahr mit diesem Wert (Stufe sechs bei SSEC).
Stufe fünf der SSEC lässt den gleichen Antrieb rund 21 Stunden pro Jahr bei 800 min-1 laufen.
Stufe vier bewirkt 600 min-1 (154,5 h/a), Stufe drei 490 min-1(1 034,0 h/a),
Stufe zwei 275 min-1(3 676,1 h/a)
und Stufe eins 150 min-1(607,4 h/a).
Weniger Energieverbrauch
Vergleichsmessungen des Entwicklers haben gezeigt, dass bei Phasenanschnittssteuerung wegen langer Laufzeiten der Stufen zwei und drei ein Energiemehrverbrauch von 10 bis 20 % auftritt. Bei der SSEC bleibt die normale 50-Hz-Sinusform erhalten, weshalb diese Steuerung auch keine zusätzliche Verlustleistung in Form von Wärme produziert. Bei niederen Drehzahlen bleibt der Motor mit der SSEC immer kühler als bei Betrieb mit Phasenanschnittsteuerung.
Der Betrieb einer induktiven Last ohne Kompensation am Stromnetz hat bekanntlich einen Blindstrom zur Folge. Dieser belastet das Leitungsnetz und die Generatoren im Elektrizitätswerk, weshalb die Elektrizitätsversorgungsunternehmen von Großabnehmern eine Blindstrom-kompensation verlangen und / oder die Blindleistung in Rechnung stellen.

Fazit: Die Lüftersteuerung über sechs
voreingestellte Drehzahlen zeigt, dass sich statt mit komplexen teueren Hightech-Systemen auch mit Standard-Schützen überraschend effiziente und kostengünstige Lösungen realisieren lassen. –