Drehzahlregelung

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Mehr über die Frequenzumrichter-Technologie für Klimatechnik, Heizung und Lüftung

Ein Quantensprung in der Energieeffizienz
Der HVAC-Markt verändert sich rasant. Frequenzumrichter sind die Technologie mit der höchsten Energieeffizienz und revolutionieren derzeit die Entwicklung und Bauweise von Klimaanlagen, damit diese die Anforderungen an die Klimatechnik weltweit erfüllen. Der Erste, der die Drehzahlregelung einsetzt, gewinnt einen Wettbewerbsvorteil.

Marktanforderungen: Vermeiden Sie eine Überdimensionierung des Systems. Senken Sie die Stromrechnung und den Einschaltstrom. Erhöhen Sie den Komfort und steigern Sie die Prozesse. Dies sind einige der treibenden Kräfte für variable Leistung.

Modulierende Technologien: Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um die Kälteleistung in Kälte-, Klima- oder Wärmepumpenanlagen anzupassen.

Bypass-Methode

Funktionsweise: Drehzahlgeregelte Verdichter arbeiten mit verschiedenen Drehzahlen und erzeugen so einen modulierten Kältemittel-Ölstrom und eine modulierte Kälteleistung.

Video „Drehzahlgeregelte Verdichter von Danfoss für HVAC“

Vorteile: Bessere Qualität der Versorgungsspannung, Systemdiagnose, Feuchteregelung, Energieeinsparung, exakte Temperaturregelung, weniger Geräuschentwicklung, Prozesssicherheit, höherer Komfort

Herausforderungen: Die Auswahl von Verdichter und Frequenzumrichter sowie die Fähigkeiten der Konstrukteure machen die Zuverlässigkeit und Effizienz des ganzen Systems aus.

Bessere Qualität der Versorgungsspannung, Systemdiagnose, Feuchteregelung, Energieeinsparung, exakte Temperaturregelung, weniger Geräuschentwicklung, Prozesssicherheit, höherer Komfort.

Die drehzahlgeregelte Verdichtertechnologie bietet neue Möglichkeiten für Klimaanlagen, da diese Verdichter weniger Energie verbrauchen und geringere Betriebskosten haben. 

Zusätzlich verbessert die Technologie den Stromfaktor und führt zu einer besseren Qualität der Stromversorgung, sowie bessere Systemdiagnosen und offene Kommunikationsprotokolle, die die Wartung erleichtern. 

Die kontinuierliche Anpassung an die Kühlanforderungen bietet höhere Energieeinsparungen und präzise Temperaturregelung.

Der Verdichter passt den Spannungseingang an die Kälteleistung an. Die Einheit arbeitet effektiv mit den Temperaturveränderungen und arbeitet mit Teillasten, die zu einer Kosteneinsparung von bis zu 30 % führen kann, im Vergleich zu einem Verdichter mit fester Drehzahl oder einem mechanisch modulierendem Verdichter. Die konstante Temperaturregelung sichert optimal den Prozess und bietet verbesserten Komfort. Zusammenfassend gesagt bedeutet das Energieeffizienz in Gebäuden.

Die Leistungsmodulation verringert die Spitzen der Energieanforderung und führt zu schlechterer Netzzuverlässigkeit und Stromqualität.

Die Softstartregelung führt zu einem Einschaltstrom von fast Null und verbessert EER:

  • DOL-Verdichter ziehen das 5- bis 6-Fache des Nennstroms, bis die Laufgeschwindigkeit des Verdichters erreicht wird. Herkömmliche Verdichter mit fester Drehzahl in einem System können 8-12 Start-/Stopp-Zyklen pro Stunde durchführen. Und bei jedem Start wird viel Strom aus der Versorgung gezogen, was zu einem hohen Stromverbrauch und einer Belastung des Versorgungsnetzes und der mechanischen Teile des Verdichters führt.
  • Die meisten drehzahlgeregelten Scrollverdichter starten sanft, um Drehmomentstöße zu vermeiden. Dies vermeidet starke mechanische Belastungen der Maschine, wodurch Wartungskosten und Verschleiß geringer sind. Niedrige Einschaltströme tragen auch dazu bei, bei den von den Versorgungsunternehmen berechneten Fixkosten (Spitzenstromberechnung) zu sparen, und verringern die Lasten auf das Versorgungsnetz und die Stromabsicherung.

 

Zusätzliche Vorteile von drehzahlgeregelten Verdichtern:

  • Durch eine bessere Feuchteregelung ist die Einheit auch für eine Installation im Wellnessbereich geeignet, da sich die Leistung der Einheit anpasst und somit die Verdampfungstemperatur besser geregelt wird.
  • Geringere Geräuschentwicklung während des Teillastbetriebs als bei herkömmlichen On-/Off-Systemen.
    Zusätzlich zu den Standardvorteilen aller drehzahlgeregelten Verdichter und Technologie, hat Danfoss Commercial Compressors vorqualifizierte drehzahlgeregelte Verdichter und Umrichter, die zusammen eingesetzt werden können.

 

Folgende Punkte sind weitere Vorteile für Hersteller, beratende Ingenieure und Endnutzer:

  • Reduzierte Komponentenanzahl im System
  • Höherer Zuverlässigkeit und verbesserter Betrieb
  • Leichter umzusetzende Technologie
  • Geringere Systemkosten
  • Schnellere Markteinführung

 

Abbildung 1

Energieverbrauch für Kühlsysteme mit unterschiedlichen Verdichterkonfigurationen. Der durchschnittliche Verbrauchsindex basiert auf Simulationen für 10-30TR-Verdichter, die in Anwendungen mit niedrigem Druckverhältnis (Dach) eingesetzt werden; Index 100 = Energieverbrauch bei drehzahlgeregelten VZH-Scrollverdichtern von Danfoss

Abbildung 2

Typisches Lastenmodell in einem Gebäude.
In einem Gebäude erfolgt nur ein geringer Anteil des Betriebs unter Volllast. HVAC-Anlagen sind für Spitzenbedingungen entworfen (rechte Seite der Graphik). Diese Bedingungen entsprechen nicht den Bedingungen, unter denen das System die meiste Zeit arbeitet. Die Graphik zeigt die typischen Jahresklimadaten und die Betriebszeit (% vom Jahr) unter den jeweiligen Bedingungen. 

Quelle: Danfoss-HVAC-Tool

Vorteile der drehzahlgeregelten Technologie von Danfoss

Die Auswahl von Verdichter und Frequenzumrichter sowie die Fähigkeiten der Konstrukteure machen die Zuverlässigkeit und Effizienz des ganzen Systems aus.

Bedeutung des Frequenzumrichters: Verdichter und Frequenzumrichter müssen konfiguriert werden, damit sie in dedizierten Anwendungen zusammenwirken. Der Frequenzumrichter moduliert die Drehzahl des Verdichters und verhindert so, dass der Verdichter außerhalb der Betriebsgrenzwerte arbeitet. Die Frequenzumrichter benötigen Algorithmen, die speziell für Heizung, Lüftung und Klimatechnik (HVAC) und für die Kühlung entwickelt wurden. Sie gewährleisten den Betrieb des Systems in den vorgegebenen Begrenzungen. Der Frequenzumrichter kann auch andere Geräte, wie Öleinspritzventile oder mehrere Verdichter, steuern. Da sich die Drehzahl des Verdichters ändert, steigt oder sinkt die Kältemittelmenge – und die Ölmenge –, die durch den Verdichter fließt. Der Umrichter gewährleistet, dass der Verdichter bei allen Verdichtergeschwindigkeiten optimal geschmiert wird.

Fähigkeiten der Seriengerätehersteller bei der Integration von Frequenzumrichtern: Es gibt einige Punkte, warum noch nicht alle Seriengerätehersteller die Frequenzumrichter-Technologie verwenden:

  1. Kompetenzniveau und Erfahrung bei der Implementierung der Inverter. Weitreichende Erfahrungen in den Bereichen Mechanik, Reglerentwicklung und Programmierung müssen mit Fachwissen zum Thema Elektrik kombiniert werden.
  2. Verdichter mit Frequenzumrichter ändern kontinuierlich die Drehzahl entsprechend der Last, wodurch das Ölmanagement des Systems komplexer ist als bei herkömmlichen Technologien. Das Ölmanagement ist der Schlüssel für ein gutes System – falls kein ölfreier Verdichtertyp verwendet wird – und hier macht die Erfahrung des Verdichterherstellers den Unterschied.
  3. Die Unterstützung durch Verdichter- und Frequenzumrichter-Hersteller ist für Seriengerätehersteller bei der Systemintegration sehr wichtig.

 

Missverständnisse in Bezug auf Technologien mit variabler Drehzahl

Die Frequenzumrichter-Technologie reagiert zu langsam auf Laständerungen: Das Erhöhen/Verringern der Drehzahl bei einigen drehzahlgeregelten Scrollverdichtern liegt im Bereich von 0,1 s bis 3600 s. Bei Frequenzumrichter-Verlusten unter Volllast von 5–10 % kann der Frequenzumrichter 3 % seiner Effizienz verlieren. Da Volllast nicht vorherrscht, werden die Verluste im Gesamtverbrauch der Einheit minimal sein.

Die Zirkulationsrate des Öls steigt bei Hochfrequenzbetrieb: Die von einigen drehzahlgeregelten Scrollverdichtern elektronisch gesteuerte Ölzirkulationsrate kann bei voller Drehzahl unter 3 % liegen. Das Ölmanagement ist bei Verdichtern mit Frequenzumrichtern komplexer. Einige drehzahlgeregelte Scrollverdichter regeln die Ölzirkulation sowohl bei niedriger als auch bei hoher Geschwindigkeit, wodurch nur minimale Anpassungen der Bauweise erforderlich sind.

Frequenzumrichter können nicht eingesetzt werden, wenn EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit) ein Thema ist: Bei einigen Frequenzumrichter-Lösungen gibt es 2 verschiedene Stufen der EMV-Filtration, welche die strengsten europäischen Normen für elektromagnetische Störungen erfüllen.

Vermeiden Sie eine Überdimensionierung des Systems. Senken Sie die Stromrechnung und den Einschaltstrom. Erhöhen Sie den Komfort und steigern Sie die Prozesse. Dies sind einige der treibenden Kräfte für variable Leistung.

Viele Anwendungen der Kälte- und Klimatechnik erfordern zuverlässige Prozesse, die effizienter, kompakter, umweltfreundlicher, leichter zu installieren und wartungsfreundlicher sind. Je nach Umgebungsbedingungen, Belegung und Nutzung, Beleuchtung usw. variiert der Kühlbedarf während des Tages und im Laufe des Jahres deutlich.

  • Außerdem benötigt man bei der Komfort-Klimatechnik eine stabile und akkurate Regelung der Temperatur und Feuchtigkeit, wie etwa in Krankenhäusern, für IT & Telekommunikationsräume und die Prozesskühlung.
  • In Anwendungen wie in Schulen, Restaurants und Bürogebäuden ist es wichtig, dass die Kühlung sich an die großen Lastveränderungen im Laufe eines Tages anpassen kann.
  • In Prozessanwendungen wie Fermentation, Kulturtunneln und industriellen Prozessen sind genaue Temperatureinstellungen erforderlich, um die Produktionsqualität zu sichern.

 

Derzeit treffen drei verschiedene Marktentwicklungen aufeinander, die neue Möglichkeiten für effiziente und nachhaltige Lösungen schaffen: 

  • Energieeffizienz
  • Intelligente Systeme
  • Umweltverträglichkeit

 

Energieeffizienz ist keine Option mehr. Die Energievorschriften werden immer strenger. Weltweit werden Vorschriften und Standards im Hinblick auf die Energie für Gebäude entworfen, und Energieanreize erhalten zunehmende Aufmerksamkeit. Energiesicherheit ist ein weiteres globales Thema. Wie kann man sicherstellen, dass es uns eines Tages nicht an Energie mangelt?

HVAC und Kälteanlagen werden üblicherweise für den Spitzenbedarf dimensioniert, was nur einem kleinen Anteil am tatsächlichen Betrieb entspricht. Die Überdimensionierung führt zu Effizienzverlust und zusätzlichen Kosten für die überdimensionierten Geräte. Eine energieeffiziente Leistungsregelung ist eine Möglichkeit, um die Kälteleistung an den Kältebedarf anzupassen und damit diese Anwendungsanforderungen zu erfüllen.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um die Kälteleistung in Kälte-, Klima- oder Wärmepumpenanlagen anzupassen. Die gängigsten in der Klimatechnik sind: Ein-Aus-Regelung, Heißgas-Bypass, Verbundkonfigurationen mehrerer Verdichter, mechanische (auch digitale) Modulation und Frequenzumrichter-Technologie. Alles hat Vorteile und Nachteile.

  • Ein-Aus-Regelung: Führt zum Abschalten des Verdichters mit fester Drehzahl unter leichten Lastbedingungen und kann zu Kurzzyklen und zur Verkürzung der Lebensdauer des Verdichters führen. Die Effizienz der Einheit leidet unter den Druckkreisläufen und den vorübergehenden Druckverlusten. Die Umkehrleistung liegt bei 100 % oder 0 %.
  • Heißgas-Bypass: Hierbei wird eine Gasmenge über den Bypass von der Druckseite zur Saugseite geleitet. Der Verdichter arbeitet weiterhin mit der gleichen Drehzahl, aber dank des Bypasses werden der im System zirkulierende Massenstrom des Kältemittels und damit die Kälteleistung reduziert. Somit ist der Verdichter umsonst in Betrieb, während der Bypass genutzt wird. Die Umkehrleistung schwankt zwischen 0 und 100 %.
  • Verbundkonfiguration: Es können mehrere Verdichter im System installiert werden, um die Spitzen-Kälteleistung zu erreichen. Ein Verdichter läuft dann entweder oder auch nicht, um die Kälteleistung der Einheit bereitzustellen. Die Umkehrleistung liegt bei 0/33/66 oder 100 % für eine Dreifach-Konfiguration und bei 0/50 oder 100 % für eine Tandem-Konfiguration.
  • Mechanisch modulierter Verdichter: Diese interne mechanische Leistungsregelung basiert auf einem regelmäßigen Verdichtungsprozess mit einem Regelventil, wobei die 2 Scroll-Sätze sich auseinanderbewegen, wodurch die Verdichtung für eine bestimmte Zeit stoppt. Mit dieser Methode wird der Durchfluss des Kältemittels verändert, indem die Normalzeit der Verdichtung verändert wird, die Motorgeschwindigkeit aber die gleiche bleibt. Trotz der hervorragenden Umkehrrate von 10 bis 100 % der Kälteleistung haben die mechanisch modulierten Scrolls einen hohen Energieverbrauch, da der Motor fortlaufend in Betrieb ist.
  • Drehzahlgeregelter Verdichter: Verwendet einen Frequenzumrichter, um den Motor, der den Verdichter antreibt, zu verlangsamen oder zu beschleunigen. Diese Methode verändert den Durchfluss des Kältemittels, indem die Geschwindigkeit des Verdichters verändert wird. Die Umkehrrate hängt von der Systemkonfiguration und vom Hersteller ab. Sie reicht von 10 % (je nach Verdichtermodell) bis zu 100 % bei voller Leistung mit einem einzelnen Frequenzumrichter.

 

In einem Land wie den USA entfallen etwa 20 % des gesamten jährlichen Stromverbrauchs auf die Klimatisierung. Die Einführung der Frequenzumrichter-Technologie in der Klimatechnik und in Wärmepumpensystemen ist eine Chance für bedeutende Energieeinsparungen aufgrund eines effizienten Teillastbetriebs und trägt auch zu einer Verbesserung der Stromqualität des Netzes bei. 

Der Leistungsfaktor ist ein wichtiges Maß, wie hart ein Energieversorgungsunternehmen arbeiten muss, um Strom zu liefern. 

Die Erhöhung des Leistungsfaktor in Installationen kann sich direkt auf die Qualität der Stromversorgung auswirken. Für die Energieversorger bedeutet dies weniger Verluste und eine höhere Zuverlässigkeit des Service. Für Gebäude- und Hausbesitzer bedeutet dies eine effizientere Ausstattung und gleichzeitig die Möglichkeit, von Förderprogrammen der lokalen Energieversorger, des Landes oder des Bundes zu profitieren. 

Der Leistungsfaktor ist die Kombination aus dem Verschiebungsfaktor (Verschiebung von Wirk- und Blindleistung) und dem Klirrfaktor (Verzerrung der elektrischen Leistung durch Oberwellen).

Ein Leistungsfaktor nahe 1 bedeutet:

  • Keine Störung anderer installierter Geräte.
  • Keine Beeinträchtigung des Netzes. 
  • Weniger Verluste und höhere Effizienz. 

 

Die Nutzung von Frequenzumrichtern ermöglicht eine deutliche Verbesserung des Leistungsfaktors, da der Verschiebungsfaktor nah bei 1 liegt. Der Klirrfaktor wirkt sich aufgrund von Oberschwingungen jedoch negativ auf Transformatoren, Verkabelung, Sicherungen und Leistungsschalter aus. 

Die Frequenzumrichter-Technologie von Danfoss weist aufgrund der Korrektur durch eine Gleichstromdrossel eine geringe Verzerrung und einen hohen Leistungsfaktor (0,98) auf, während andere Frequenzumrichter oder mechanisch modulierten Systeme einen Leistungsfaktor von lediglich 0,60 haben können. 

Weitere Vorteile der vorkonfigurierten Frequenzumrichter-Korrektur bei Frequenzumrichter-Lösungen von Danfoss: 

  • Verstärkt bei Bedarf die unmittelbare Schaltspannung, was die Betriebsfähigkeit bei niedrigen Versorgungsspannungen verbessert. 
  • Erhöht die Spannung im AC-Induktor, reduziert Strom und Beanspruchung in der gesamten Kette der Leistungskomponenten und minimiert gleichzeitig die Kosten. 
  • Die höhere Zwischenkreisspannung reduziert Motorstrom und Verluste. 
  • Die Active Power Factor Correction (PFC) kann für eine optimale Systemeffizienz nach Wunsch ein- und ausgeschaltet werden.

Ein drehzahlgeregelter Verdichter funktioniert mit einem Frequenzumrichter, der die Drehzahl des Verdichtermotors stufenlos anpasst, um den Kühlbedarf zu decken.

Dabei kann es sich um Scroll-, Rotations- oder Hubkolben-, semihermetische oder offene Verdichter, einschließlich Schraub-, Zentrifugal- oder Axialverdichter handeln. Diese Art Verdichter nutzt einen speziellen Frequenzumrichter für die Regelung der Motordrehzahl des Verdichters (gemessen in Runden pro Sekunde oder RPS). Drehzahlgeregelte Verdichter können mit unterschiedlichen Drehzahlen betrieben werden: Ein drehzahlgeregelter Verdichter wurde speziell für den Betrieb mit verschiedenen Motordrehzahlen entwickelt, wobei er gleichzeitig einen modulierten Kältemittel-Ölstrom und eine modulierte Kälteleistung erzeugt.

Der Frequenzumrichter zeigt dem Verdichtermotor den Kühlbedarf an. Der Motor passt seine Drehzahl kontinuierlich an, um eine höhere oder niedrigere Kälteleistung zu erzeugen, die dem genauen Kühlbedarf entspricht. Die Kombination der zwei Geräte – Verdichter und Frequenzumrichter – ergibt eine kontinuierliche Kühlmodulation. Das Prinzip der variablen Drehzahl erfordert einen sehr robusten Verdichter für den Betrieb bei voller Drehzahl und ein spezielles Schmiersystem für Verdichtersysteme mit Öl. Für eine lange Lebensdauer des Verdichters ist es äußerst wichtig, dass das System stets mit ausreichend Öl versorgt ist. Das Ölmanagement garantiert eine gute Schmierung des Scroll-Satzes bei niedrigen Drehzahlen und verhindert dadurch, dass bei voller Drehzahl überschüssiges Öl in den Kreislauf gelangt. So wird eine perfekte Ölzirkulationsrate aufrechterhalten.

Video zur Drehzahlregelung

Drehzahlregelung von Danfoss

Durch den Einsatz der drehzahlgeregelten Verdichterlösungen von Danfoss können bedeutende Energieeinsparungen im Vergleich zu herkömmlichen On/Off-Verdichtern oder mechanisch geregelten Technologien erzielt werden.