I. Einleitung In der industriellen Produktion und Produktverarbeitung finden Ventilatoren und Pumpen breite Anwendung. Ihr Energieverbrauch, einschließlich Drosselverlusten durch Ventile, Leitbleche und zugehörige Anlagen sowie Wartungs- und Reparaturkosten, macht 7 % bis 25 % der Produktionskosten aus und stellt somit einen erheblichen Kostenfaktor dar. Angesichts der fortschreitenden Wirtschaftsreformen und des verschärften Wettbewerbs sind Energieeinsparung und Emissionsreduzierung zu entscheidenden Maßnahmen geworden, um die Produktionskosten zu senken und die Produktqualität zu verbessern. Die Anfang der 1980er-Jahre entwickelte Frequenzumrichtertechnologie (FU) erfüllt die Anforderungen der industriellen Automatisierung optimal und läutet eine neue Ära intelligenter Motoren ein. Sie löst sich vom veralteten Modell, bei dem herkömmliche Motoren nur mit fester Drehzahl laufen können, und ermöglicht es dem Motor und der angetriebenen Last, ihre Drehzahl ohne Modifikationen an die Anforderungen des Produktionsprozesses anzupassen. Dadurch wird der Stromverbrauch des Motors reduziert und ein effizienter Systembetrieb erreicht. Diese Technologie wurde Ende der 1980er-Jahre in China eingeführt und hat sich dort weit verbreitet. Die Frequenzumrichtertechnologie (VFD) findet heute in Antriebsanlagen verschiedenster Branchen wie Energie, Metallurgie, Erdöl, Chemie, Papierherstellung, Lebensmittel und Textilindustrie praktische Anwendung. Sie hat sich zu einem wichtigen Entwicklungsschwerpunkt der modernen elektrischen Antriebstechnik entwickelt. Die überlegene Drehzahlregelung, die signifikante Energieeinsparung, die verbesserten Betriebsbedingungen bestehender Anlagen, die erhöhte Systemsicherheit und -zuverlässigkeit, die gesteigerte Anlagenauslastung und die verlängerte Lebensdauer sind Vorteile, die mit den wachsenden Anwendungsbereichen immer deutlicher werden. II. Überblick: In der industriellen Produktion werden Ventilatoren hauptsächlich in Kesselanlagen, Trocknungsanlagen, Kühlsystemen und Lüftungsanlagen eingesetzt. Sie steuern und regeln Ofendruck, Windgeschwindigkeit, Luftmenge und Temperatur bedarfsgerecht, um sich an die Prozessanforderungen und Betriebsbedingungen anzupassen. Die gängigste Regelungsmethode ist die Anpassung der Öffnung von Klappen und Leitblechen. Dies bedeutet, dass der Ventilator unabhängig vom Produktionsbedarf mit voller Drehzahl laufen muss und Änderungen der Betriebsbedingungen zu Energieverlusten durch Drosselverluste an den Klappen und Leitblechen führen. Während der Produktion schränkt dies nicht nur die Regelgenauigkeit ein, sondern verursacht auch erhebliche Energieverschwendung und Verschleiß. Folglich steigen die Produktionskosten, die Lebensdauer der Anlagen verkürzt sich und die Wartungs- und Reparaturkosten bleiben hoch. Pumpen finden in der Produktion vielfältige Anwendung. Kreiselpumpen, Axialpumpen, Zahnradpumpen und Kolbenpumpen werden in Wasserpumpstationen, Wassertanks und -behältern, industriellen Wasser- (Öl-)Umwälzsystemen sowie Wärmetauschern eingesetzt. Je nach Produktionsbedarf werden Drosselvorrichtungen wie Regelventile, Rückschlagventile und Absperrventile verwendet, um Signale wie Durchflussmenge, Druck und Wasserstand zu steuern. Dies führt nicht nur zu erheblicher Energieverschwendung und Beeinträchtigung der Dichtungseigenschaften von Rohrleitungen und Ventilen, sondern beschleunigt auch Verschleiß und Kavitation in Pumpenkammer und Ventilkörper, was Anlagen beschädigen, die Produktion beeinträchtigen und die Produktqualität gefährden kann. Die meisten Ventilatoren und Pumpen werden direkt von Asynchronmotoren angetrieben, was Nachteile wie hohe Anlaufströme, mechanische Stöße und unzureichende elektrische Schutzeigenschaften mit sich bringt. Dies beeinträchtigt nicht nur die Lebensdauer der Geräte, sondern bietet auch keinen sofortigen Schutz bei mechanischen Ausfällen, was häufig zu gleichzeitigen Pumpenschäden und Motorausfällen führt. In den letzten Jahren haben frequenzumrichtergesteuerte Lösungen aufgrund des dringenden Bedarfs an Energieeinsparung und der stetig steigenden Anforderungen an die Produktqualität sowie der Vorteile von Frequenzumrichtern (FU) wie einfacher und wartungsfreier Betrieb, hohe Regelgenauigkeit und hohe Funktionalität die Regelungssysteme mit Dämpfern, Leitblechen und Ventilen zunehmend ersetzt. Das Grundprinzip der FU-Technologie basiert auf dem proportionalen Verhältnis zwischen Motordrehzahl und Eingangsfrequenz der Stromversorgung: n = 60f(1-s)/p, (wobei n, f, s und p die Drehzahl, die Eingangsfrequenz, den Motorschlupf bzw. die Polpaarzahl darstellen). Eine Änderung der Eingangsfrequenz der Stromversorgung bewirkt eine Änderung der Motordrehzahl. Ein FU ist ein komplexes elektrisches Produkt, das auf diesem Prinzip basiert und AC/DC/AC-Leistungswandlungstechnik, Leistungselektronik und Mikrocomputersteuerung vereint. III. Energiesparanalyse: Gemäß den Grundgesetzen der Strömungsmechanik sind Ventilatoren und Pumpen quadratische Drehmomentlasten. Ihre Drehzahl n hängt wie folgt mit dem Volumenstrom Q, dem Druck H und der Wellenleistung P zusammen: Q ∝ n, H ∝ n², P ∝ n³. Das heißt, der Volumenstrom ist direkt proportional zur Drehzahl, der Druck direkt proportional zum Quadrat der Drehzahl und die Wellenleistung direkt proportional zur dritten Potenz der Drehzahl. Am Beispiel einer Wasserpumpe: Ihre Förderhöhe beträgt H₀ (die statische Druckdifferenz zwischen Pumpeneinlass und Rohrauslass), die Nenndrehzahl n₀, der Rohrwiderstand bei vollständig geöffnetem Ventil r₀, der entsprechende Druck unter Nennbetriebsbedingungen H₁ und der Volumenstrom Q₁. Die Kennlinie für Volumenstrom, Drehzahl und Druck ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Im praktischen Betrieb wird die Wasserpumpe üblicherweise mit konstanter Drehzahl betrieben, und der Volumenstrom wird über das Auslassventil geregelt. Wenn der Durchfluss von Q1 auf Q2 um 50 % sinkt, verringert sich die Ventilöffnung, wodurch sich der Widerstand des Rohrleitungsnetzes von r0 auf r1 ändert. Der Betriebspunkt des Systems in Richtung I verschiebt sich von Punkt A nach Punkt B; aufgrund der Drosselung ändert sich der Druck H1 auf H2. Die tatsächliche Leistung der Pumpenwelle (kW) lässt sich mit der Formel P = Q·H / (ηc·ηb) × 10⁻³ berechnen. Dabei stehen P, Q, H, ηc und ηb für Leistung, Durchfluss, Druck, Pumpenwirkungsgrad bzw. Übertragungswirkungsgrad, wobei die direkte Übertragung den Wert 1 hat. Unter der Annahme, dass der Gesamtwirkungsgrad (ηc·ηb) 1 beträgt, entspricht die Leistungseinsparung des Motors bei der Bewegung der Pumpe von Punkt A nach Punkt B der Flächendifferenz zwischen AQ1OH1 und BQ2OH2. Wird die Pumpendrehzahl n durch Drehzahlregelung verändert und der Durchfluss von Q1 auf Q2 um 50 % reduziert, folgt der Rohrleitungswiderstand der gleichen Kurve r0. Der Betriebspunkt des Systems verschiebt sich in Richtung II von Punkt A nach Punkt C, wodurch der Pumpenbetrieb effizienter wird. Bei vollständig geöffnetem Ventil und ausschließlich vorhandenem Rohrleitungswiderstand erfüllt das System die Durchflussanforderungen vor Ort und reduziert so den Energieverbrauch. Die Leistungseinsparung des Motors entspricht in diesem Fall der Flächendifferenz zwischen AQ1OH1 und CQ2OH3. Im Vergleich zur Ventilöffnungsregelung ist die Pumpendrehzahlregelung deutlich effektiver und sinnvoller und führt zu erheblichen Energieeinsparungen. Die Grafik zeigt außerdem, dass die Ventilregelung den Systemdruck H erhöht, was die Dichtheit von Rohrleitungen und Ventilen beeinträchtigt. Die Drehzahlregelung hingegen senkt den Systemdruck H mit abnehmender Pumpendrehzahl n und vermeidet so negative Auswirkungen auf das System. Aus dem obigen Vergleich lässt sich leicht schließen, dass bei einer Reduzierung des Pumpenförderbedarfs vor Ort von 100 % auf 50 % die Drehzahlregelung im Vergleich zur Ventilregelung die gleiche Leistung wie BCH3H2 einspart und somit eine Energieeinsparung von über 75 % erzielt wird. Ebenso lassen sich vergleichbare Ergebnisse erzielen, wenn die Drehzahl von Pumpen und Ventilatoren mittels Frequenzumrichter (FU) angepasst wird, um weitere Prozessparameter wie Druck, Temperatur und Wasserstand zu regeln. Dies kann durch die Erstellung von Kennlinien auf Basis der Systemregelungseigenschaften erreicht werden. Anders ausgedrückt: Die Drehzahlregelung mittels FU ist energieeffizienter und wirtschaftlicher als die Regelung über Ventile oder Leitbleche und verbessert die Betriebsbedingungen der Anlagen deutlich. IV. Berechnung der Energieeinsparung Die Energieeinsparung durch die FU-Drehzahlregelung von Ventilatoren und Pumpen wird üblicherweise mit zwei Methoden berechnet: 1. Berechnung anhand der bekannten Fördermengen-Last-Kennlinien der Ventilatoren und Pumpen unter verschiedenen Regelungsmethoden und den Laständerungen im Betrieb vor Ort. Am Beispiel einer Kreiselpumpe vom Typ IS150-125-400 mit einer Nennfördermenge von 200,16 m³/h und einer Förderhöhe von 50 m, ausgestattet mit einem Motor vom Typ Y225M-4 mit einer Nennleistung von 45 kW, sind die Förder-Last-Kennlinien der Pumpe unter Ventil- und Drehzahlregelung in der folgenden Abbildung dargestellt. Gemäß den Betriebsbedingungen läuft die Pumpe 24 Stunden am Tag, davon 11 Stunden täglich mit 90 % Last und 13 Stunden täglich mit 50 % Last; die jährliche Betriebsdauer beträgt 300 Tage. Die jährlichen Stromeinsparungen betragen: W1 = 45 × 11 (100 % - 69 %) × 300 = 46035 kW·h, W2 = 45 × 13 × (95 % - 20 %) × 300 = 131625 kW·h, W = W1 + W2 = 46035 + 131625 = 177660 kW·h. Bei einem Preis von 0,5 Yuan pro Kilowattstunde ergeben sich jährliche Stromeinsparungen von 88.830 Yuan. 2. Berechnet anhand der Formel für das quadratische Drehmomentverhältnis bei Ventilatoren und Pumpen: P / P0 = (n / n0)³, wobei P0 die Leistung bei Nenndrehzahl n0 und P die Leistung bei Drehzahl n ist. Beispiel: Ein 22-kW-Gebläse in einem Industriekessel. Der Betriebszustand bleibt 24 Stunden am Tag. Davon entfallen 11 Betriebsstunden pro Tag auf 90 % Last (Frequenz berechnet mit 46 Hz, Motorleistungsaufnahme berechnet mit 98 %, wenn die Prallplatte angepasst ist) und 13 Betriebsstunden pro Tag auf 50 % Last (Frequenz berechnet mit 20 Hz, Motorleistungsaufnahme berechnet mit 70 %, wenn die Prallplatte angepasst ist); die jährliche Betriebszeit wird auf Basis von 300 Tagen berechnet. Die jährlichen Energieeinsparungen bei Drehzahlregelung mit variabler Frequenz betragen: W1 = 22 × 11 × [1 - (46/50)³ × 300 = 16067 kW·h, W2 = 22 × 13 × [1 - (20/50)³ × 300 = 80309 kW·h, Wb = W1 + W2 = 16067 + 80309 = 96376 kW·h. Die Energieeinsparungen bei geöffneter Prallplatte betragen: W1 = 22 × (1 - 98%) × 11 × 300 = 1452 kW·h, W2 = 22 × (1 - 70%) × 11 × 300 = 21780 kW·h. Wd = W1 + W2 = 1452 + 21780 = 23232 kW·h. Die vergleichende Energieeinsparung beträgt: W = Wb - Wd = 96376 - 23232 = 73144 kW·h. Bei einem Strompreis von 0,5 Yuan pro Kilowattstunde können durch die Verwendung einer Frequenzumrichter-Drehzahlregelung jährlich 36.570 Yuan an Stromkosten eingespart werden. Die Parameter einer Kreiselpumpe in einem bestimmten Werk sind: Pumpenmodell 6SA-8, Nennfördermenge 53,5 l/s, Förderhöhe 50 m; der Motor ist vom Typ Y200L2-2 mit einer Leistung von 37 kW. Die Messdaten der Wasserpumpe unter Drosselklappensteuerung und Motordrehzahlregelung wurden wie folgt erfasst: Fördermenge (l/s) Zeit (h) Leistungsaufnahme aus dem Netz (kWh) Drosselklappensteuerung Motordrehzahlregelung per Frequenzumrichter 47 2 33,2 × 2 = 66,4 28,39 × 2 = 56,8 40 8 30 × 8 = 240 21,16 × 8 = 169,3 30 4 27 × 4 = 108 13,88 × 4 = 55,5 20 10 23,9 × 10 = 239 9,67 × 10 = 96,7 Gesamt 24 653,4 378,3 Im Vergleich dazu kann die Drehzahlregelung per Frequenzumrichter 275,1 kWh Strom pro Tag gegenüber der Drosselklappensteuerung einsparen, was einer Energieeinsparung von 42,1 % entspricht. V. Fazit Die Einführung von Frequenzumrichtern (FU) für den energiesparenden Betrieb von Anlagen wie Ventilatoren und Pumpen ist eine Schlüsseltechnologie der chinesischen Energiesparbemühungen und genießt breite Aufmerksamkeit der Regierung. Artikel 39 des „Energieeinsparungsgesetzes der Volksrepublik China“ führt sie als zu fördernde Technologie auf. Die Praxis hat gezeigt, dass FUs erhebliche Energieeinsparungen beim Antrieb und der Steuerung von Ventilatoren und Pumpen ermöglichen und sich daher ideal zur Drehzahlregelung eignen. Dies verbessert die Anlageneffizienz, erfüllt die Anforderungen der Produktionsprozesse und reduziert die Kosten für Wartung und Reparatur sowie Ausfallzeiten deutlich. Die direkten und indirekten wirtschaftlichen Vorteile sind beträchtlich, und die Anfangsinvestition amortisiert sich in der Regel innerhalb von 9 bis 16 Monaten nach Produktionsbeginn.