[Zusammenfassung] Dieser Artikel beschreibt den Einsatz von Hochspannungs-Frequenzumrichtern in der Wasserwerkstatt der Beijing Yanhua Company. Durch die Nutzung der stufenlosen Drehzahlregelung über einen großen Bereich wird das Problem des Trockenlaufens großer Wasserpumpen beim Fördern von Wasser aus Oberflächengewässern mit geringem Durchfluss gelöst. Dies ermöglicht die Nutzung dieser Gewässer und spart gleichzeitig erhebliche Mengen an elektrischer Energie, was sowohl Ressourcen- als auch wirtschaftliche Vorteile mit sich bringt. [Schlüsselwörter] Hochspannungs-Frequenzumrichter, Drehzahlregelung, Energieeinsparung 1. Einleitung: In Pumpstationen versorgen häufig mehrere Pumpen mehrere Verbraucher mit Wasser. Die internen Rohrleitungen sind zur gegenseitigen Absicherung miteinander verbunden. Anfänglich ist der Wasserverbrauch der Verbraucher in der Regel konstant. Aufgrund von Änderungen der Betriebsbedingungen, Prozessanpassungen und Schwankungen im Versorgungsgebiet ist die Wassermenge einzelner Verbraucher jedoch oft geringer als die ursprünglich geplante Kapazität. Dies führt zum Einsatz großer Pumpen für geringe Wassermengen. Eine Wasserzuleitung in der Wasserwerkstatt der Energieabteilung der Beijing Yanhua Company hat einen relativ geringen Wasserverbrauch von weniger als einem Drittel der Nennleistung der Pumpe. Im Betrieb ist die Drosselklappenöffnung sehr gering, was zu hohem Pumpendruck und erheblichem Energieverlust führt. Gleichzeitig kann bei der Regulierung mittels Leitblechen aufgrund der nichtlinearen Kennlinie von Öffnung und Durchflussrate selbst eine kleine Anpassung eine signifikante Durchflussänderung bewirken. In der Nähe der Wasserwerkstatt Nr. 1 der Energieabteilung der Beijing Yanhua Company befindet sich ein Kanal mit geringer Durchflussrate, dessen Oberflächenabflussrate dem Verbrauch kleinerer Verbraucherstationen entspricht. Im Jahr 2004 verpflichtete die Pekinger Wasserbehörde die Beijing Yanhua Company, dieses Oberflächenwasser mit geringer Durchflussrate zur Optimierung der Wassernetzverteilung zu nutzen, um die Wasserressourcen Pekings optimal zu nutzen. Bei der tatsächlichen Wasserverteilung führt der Einsatz von Leitblechen zur Regulierung des Oberflächenwassers, da dessen Durchflussrate dem Verbrauch kleinerer Endverbraucher entspricht, während die Pumpenleistung hoch ist, entweder zu einer unzureichenden Wasserversorgung oder dazu, dass das Oberflächenwasser unbrauchbar wird. Um die wertvollen Wasser- und Stromressourcen optimal zu nutzen, hat die Wasserwerkstatt Nr. 1 der Energieabteilung der Beijing Yanhua Company die Drehzahl der Pumpe Nr. 3 erhöht. Mithilfe eines Hochspannungs-Frequenzumrichters lässt sich die Pumpendrehzahl präzise und stufenlos regeln. So kann die Hochleistungspumpe Nr. 3 das Wasser aus dem Oberflächenwasserkanal mit geringem Durchfluss gleichmäßig fördern und den Bedarf der Endverbraucher decken, ohne trocken zu laufen. 2. Kurze Beschreibung der Parameter und des Umbauplans der Pumpe Nr. 3 in der Wasserwerkstatt Nr. 1 der Firma Yanhua: (1) Parameter der Wasserentnahmepumpe Nr. 3 in der Wasserwerkstatt Nr. 1 der Firma Yanhua: Bezeichnung: Kreiselpumpe für Reinwasser Modell: 24SA-10A Förderhöhe: 39 m Fördermenge: 2700 m³/h Zulässige Saughöhe: 4,8 m Drehzahl: 730 U/min Leistung: 319 kW Anschlussleistung: 360 kW Produktionsdatum: Mai 1975 Gewicht: 4100 kg Hersteller: Changsha Water Pump Factory (2) Parameter des Anschlussmotors der Wasserentnahmepumpe Nr. 3: Bezeichnung: Asynchronmotor Modell: JS158-8 Nennleistung: 380 kW Nennspannung: 6000 V Nennstrom: 47 A Umgebungstemperatur: 35 °C Drehzahl: 740 U/min Isolationsklasse: A Anschlussart: Sternförmig Gewicht: 4100 kg Technische Daten: OAG.510.004 Seriennummer: 750259 Produktionsdatum: Juni 1975 Hersteller: Xiangtan Electric Machinery Factory (3) Einführung in das Wasserentnahmenetz der Pumpe Nr. 3 der Wasserwerkstatt Nr. 3 der Energieabteilung der Beijing Yanhua Company: Im Wassersystem des Sommerpalastes in Peking fließt ein kleiner natürlicher Wasserlauf aus dem Yanshan-Gebirge. Seine Durchflussmenge ist gering und beträgt durchschnittlich nur etwa 1000 m³/h, die Wasserqualität jedoch gut. Bevor das Wasser in das Hauptwassersystem gelangt, kann es direkt als hochwertige Wasserquelle genutzt werden. Das Einlassrohr der Pumpe Nr. 3 der Wasserwerkstatt Nr. 1 der Energieabteilung der Beijing Yanhua Company ist mit mehreren Rohren kombiniert, sodass es Wasser aus dem Hauptkanal und aus dem kleinen Oberflächenwasserkanal entnehmen kann. Die Anordnung ist in Abbildung 1 dargestellt: [align=center] Abbildung 1 Nr. 3 Pumpen-Wasserentnahmesystem[/align] Der Wasserverbrauch des Wasserterminals beträgt 880 m³/h, die Fördermenge des Oberflächenwassers liegt bei etwa 1000 m³/h. Bei Versuchen mit Pumpe Nr. 3 zur Förderung von Oberflächenwasser wurde die Fördermenge über das Auslassventil reguliert. Aufgrund der geringen Präzision des Ventils und der langen Rohrleitung zwischen Wasserentnahme und Wasserversorgung überstieg die Fördermenge jedoch den Bedarf der Endverbraucher deutlich. Da die Fördermenge des Oberflächenwassers im Tagesverlauf schwankte, wurde das Wasser zeitweise vollständig entleert. Trotz mehrfacher Justierungsversuche kam es aufgrund der unzureichenden Präzision immer wieder zu einer unzureichenden Wasserversorgung der Endverbraucher, gefolgt von einer vollständigen Entleerung des Oberflächenwassers und mehreren Fällen von Pumpenkavitation, die beinahe zu einem Druckstoß geführt hätten. Unter diesen Umständen musste der Einsatz des Oberflächenwassersystems aufgegeben werden. Dies führte nicht nur zu einer Verschwendung von Wasserressourcen mit geringem Durchfluss, sondern auch zu einem erheblichen Stromverbrauch und einem beträchtlichen Ressourcenverbrauch im Rohrleitungssystem, da die Leitung vom Hauptkanal fast doppelt so lang war wie die für Oberflächenwasser mit geringem Durchfluss. (4) Drehzahlregelung für Pumpe Nr. 3 in der Wasserwerkstatt der Energieabteilung der Beijing Yanhua Company: Um die Wasserressourcen optimal zu nutzen und die Energieeffizienz zu verbessern, wurde durch umfassende Analysen und Untersuchungen festgestellt, dass der Hochspannungs-Frequenzumrichter eine hohe Präzision bei der Motordrehzahlregelung und ein stabiles Ausgangsdrehmoment aufweist. Durch den Betrieb mit vollständig geöffneten Leitblechen kann bei niedriger Drehzahl ein feiner Durchfluss mit geringem Durchfluss und niedrigem Pumpendruck erzielt werden. Daher entschied die Energieabteilung der Beijing Yanhua Company, dass die Drehzahlregelung mittels Frequenzumrichter es der Kreiselpumpe mit einer Nennfördermenge von 2700 m³/h ermöglicht, stabil 880 m³/h Wasser zu fördern und somit das Ziel der Wasserversorgung von Kleinverbrauchern mit geringem Oberflächenwasserdurchfluss zu erreichen. Im Dezember 2004 investierte die Pekinger Wasserbehörde in die Umrüstung der Pumpe Nr. 3 mithilfe eines Hochspannungs-Frequenzumrichters der Firma Harbin Jiuzhou Electric Co., Ltd. 1. Analyse des Prinzips der frequenzvariablen Drehzahlregelung und der Energieeinsparung: (1) Ähnlichkeitstheorie der Kreiselpumpenlast: Die Berechnung der drei grundlegenden Parameter einer Kreiselpumpe – Fördermenge, Betriebsdruck und aufgenommene Wellenleistung – in Abhängigkeit von der Drehzahl ist äußerst komplex. Gleichzeitig ändern sich die Parameter der Kreiselpumpenlast mit den Umgebungsbedingungen. In der Technik werden die Parameter anhand der Betriebskennlinie der Kreiselpumpe näherungsweise berechnet. Dies entspricht der sogenannten Ähnlichkeitstheorie der Kreiselpumpenlast: Q / Q₀ = n / n₀, H / H₀ = (n / n₀)²(ρ / ρ₀), N / N₀ = (n / n₀)³(ρ / ρ₀). Dabei gilt: Q – Fördermenge der Kreiselpumpe, H – Gesamtdruck der Kreiselpumpe, n – Drehzahl der Kreiselpumpe, ρ – Dichte des Fördermediums, N – Wellenleistung. Die Fördermenge Q der Kreiselpumpe ist proportional zur Drehzahl n (Q ∝ n). Der Druck H der Kreiselpumpe ist proportional zum Quadrat der Drehzahl n (H ∝ n²). Die Wellenleistung N der Kreiselpumpe ist proportional zur dritten Potenz der Drehzahl n. (N∝n³) (2) Kennlinien von Kreiselpumpen unter Nennbetriebsbedingungen [align=center] Abbildung 2 Kennlinien von Kreiselpumpen (β=90º) [/align] ⑴H-Q-Kennlinie: Bei konstanter Drehzahl stellt sie den Zusammenhang zwischen Druck und Fördermenge der Kreiselpumpe dar. ⑵N-Q-Kennlinie: Bei konstanter Drehzahl stellt sie den Zusammenhang zwischen Wellenleistung und Fördermenge der Kreiselpumpe dar. ⑶η-Q-Kennlinie: Bei konstanter Drehzahl stellt sie die Wirkungsgradkennlinie der Kreiselpumpe dar. Der Schnittpunkt von Wellenleistung und Druck der Kreiselpumpe markiert den Punkt des höchsten Wirkungsgrades. (3) Berechnung der Motorleistung: Dabei gilt: P —— Vom Kreiselpumpenmotor benötigte Wellenleistung (kW); Q —— Fördermenge der Kreiselpumpe (m³/s); H —— Kreiselpumpendruck (kg/m²); —— Wirkungsgrad des Getriebes; Direktantrieb: 1,0, Riemenantrieb: 0,9–0,98, Zahnradantrieb: 0,96–0,98. — Wirkungsgrad der Kreiselpumpe; 102 — Umrechnungsfaktor von kg·m/s in kW; (4) Anpassung des Fördervolumenstroms der Kreiselpumpe durch Änderung der Kennlinie der Rohrleitung. Üblicherweise wird hierfür der Öffnungsgrad der Leitbleche angepasst. [align=center] Abbildung 3. Kennlinien des Fördervolumenstroms der Kreiselpumpe in verschiedenen Rohrleitungen[/align] Wie in der Abbildung dargestellt, liegt der Betriebspunkt der Kreiselpumpe bei konstantem Öffnungsgrad der Leitbleche bei M1, wenn sie auf der Kennlinie R1 der Rohrleitung arbeitet. Wird die Leitblechklappe der Kreiselpumpe geschlossen, entspricht die Kennlinie der Rohrleitung R2, und der Betriebspunkt verschiebt sich zu M2. Wird die Leitblechklappe erneut geschlossen, entspricht die Kennlinie R3, und der Betriebspunkt verschiebt sich zu M3. Aus der obigen Kurvenanalyse geht hervor, dass sich durch die Anpassung des Öffnungsgrades der Leitblechklappe die Kennlinien der Rohrleitung und damit der Fördervolumenstrom ändern. Auf diese Weise wird das Ziel der Anpassung des Fördervolumenstroms der Kreiselpumpe im Konstantdrehzahlbetrieb erreicht. Während der Fördervolumenstromanpassung bleibt die Kennlinie (H-Q-Kennlinie) der Kreiselpumpe unverändert. Der Betriebspunkt verschiebt sich entlang der Kennlinie (H-Q-Kennlinie) von M1 nach M2, die Kennlinie ändert sich von R1 zu R2, und der Fördervolumenstrom des Gebläses ändert sich von Q1 zu Q2. Gleichzeitig steigt der Druck in der Kreiselpumpe mit sinkendem Fördervolumenstrom. Diese Methode zur Durchflussmengenregulierung ist einfach und benutzerfreundlich. Allerdings steigt mit sinkender Durchflussmenge gleichzeitig der Druck in der Kreiselpumpe, während der Betriebsdruck nach dem Durchströmen der Prallplatte sehr niedrig ist. Dies führt zu einem hohen Leistungsverlust durch ineffektive Druckverluste im Pumpengehäuse, was nicht nur viel Energie verschwendet, sondern aufgrund des hohen Innendrucks auch die mechanische Struktur der Pumpe stark schädigt. (5) Durchflussmengenregulierung der Kreiselpumpe durch Drehzahländerung: Bei gleichbleibenden Rohrleitungseigenschaften der Kreiselpumpe bewirkt eine Drehzahländerung eine parallele Verschiebung der Kennlinie (H-Q-Kennlinie) und des Betriebspunktes entlang dieser Kennlinie. Dadurch lässt sich die Durchflussmenge der Kreiselpumpe regulieren. [align=center]Abbildung 4. Kennlinien einer Kreiselpumpe bei verschiedenen Drehzahlen[/align] Bei der Drehzahl n1 der Kreiselpumpe schneidet deren Druck-Durchfluss-Kennlinie die Rohrleitungskennlinie R im Punkt M1. Bei der Drehzahl n2 schneidet sie die Rohrleitungskennlinie R im Punkt M2. Mit sinkender Drehzahl nehmen sowohl der Durchfluss als auch der Druck in der Kreiselpumpe ab. Dadurch wird bei gleichzeitiger Reduzierung des Durchflusses der Innendruck der Kreiselpumpe gesenkt, was zu einer deutlichen Energieeinsparung führt. Dieses Verfahren erfordert keine Modifikation der Kreiselpumpe selbst; die Drehzahl wird extern geregelt, die Leitbleche der Kreiselpumpe bleiben in ihrer maximalen Position, und der Durchfluss lässt sich stufenlos linear einstellen. (6) Unterschied im Energieverbrauch zwischen der Durchflussregelung durch Änderung der Kreiselpumpendrehzahl und der Durchflussregelung durch Änderung der Kreiselpumpenleitbleche: Bei der Regelung des Fördervolumenstroms einer Kreiselpumpe durch Änderung der Pumpendrehzahl und der Rohrleitungskennlinie ändert sich die Kennlinie (H-Q-Kurve) der Kreiselpumpe bei gleichem Fördervolumenstrom unterschiedlich. Auch die Betriebsbedingungen der beiden Regelungsmethoden unterscheiden sich. Das Vergleichsdiagramm ihrer Funktionsweise ist wie folgt: [align=center] Abbildung 5. Vergleich der Kennlinien der Kreiselpumpendrehzahlregelung und der Leitblechregelung[/align] ● Bei Nennfördervolumenstrom Q1: Das Kreiselpumpenleitblech befindet sich in Nennöffnung, seine Rohrleitungskennlinie ist R1, die Kreiselpumpendrehzahl ist die Nenndrehzahl, und seine Kennlinie ist n1. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich die Kreiselpumpe im Nennleistungszustand. Die Betriebsbedingungen der Drehzahlregelung und der Leitblechregelung stimmen überein; dies entspricht dem Punkt M1. Zu diesem Zeitpunkt ist die von beiden Einstellmethoden aufgenommene Wellenleistung gleich. ● Wenn im Betrieb der Förderstrom Q2 benötigt wird, wird die Drehzahl der Kreiselpumpe entsprechend angepasst. Dabei verschiebt sich die Kennlinie (H-Q-Kurve) der Kreiselpumpe parallel nach unten, der Betriebspunkt ist M2 und der Pumpendruck beträgt H2. Die aufgenommene Wellenleistung beträgt: ● Wenn der Förderstrom Q2 im Betrieb mittels der Leitbleche eingestellt werden soll, nimmt die Kreiselpumpe folgende Wellenleistung auf: Durch die Anpassung der Leitbleche ändert sich die Rohrleitungskennlinie, wodurch der Förderstrom auf Q2 eingestellt wird. Die Kennlinie der Kreiselpumpe (H-Q-Kurve) bleibt dabei unverändert, und die Rohrleitungskennlinie ändert sich von R1 nach R2 und schneidet die Kennlinie der Kreiselpumpe bei n1 in M3. Zu diesem Zeitpunkt beträgt der Förderstrom der Kreiselpumpe Q2 und der Druck Hf. Aus der Kurve ist ersichtlich, dass Hf > H1. Obwohl die Durchflussrate abgenommen hat, ist der Druck gestiegen. Die aufgenommene Wellenleistung beträgt: ● Bei der Durchflussregelung über die Drehzahl beträgt die Druckänderung H2 = H1(n/n0)2(ρ/ρ0) ● Bei der Durchflussregelung über die Leitbleche beträgt die Druckänderung Hf > H1 ● Die Differenz der aufgenommenen Wellenleistung bei Leitblech- und Drehzahlregelung: Da im Betrieb bei Durchflussregelung über die Drehzahl H2 << H1 gilt, gilt in technischen Berechnungen Hf ≈ H1. Die Differenz der aufgenommenen Wellenleistung bei Leitblech- und Drehzahlregelung beträgt: H2 = H1(n/n0). Durch Einsetzen von 2 (ρ / ρ0) und Hf ≈ H1 in die obige Formel ergibt sich: △P ≈ P3 [1 - (n / n0)2 (ρ / ρ0)]. Daraus lässt sich schließen, dass die Durchflussregelung über die Drehzahl im Vergleich zur Durchflussregelung über die Leitbleche Energie um den quadratischen Koeffizienten der Drehzahländerung einspart. 1. Funktionsprinzip des Hochspannungs-Frequenzumrichters: (1) Aufbau des Hochspannungs-Frequenzumrichters: Der mehrstufige Serien-Hochspannungs-Frequenzumrichter besteht aus achtzehn identischen Modulen. Jede Gruppe umfasst sechs Module, die den drei Phasen des Hochspannungskreises entsprechen. Die Stromversorgung erfolgt über einen Phasenschiebertransformator. Das Schaltbild ist in Abbildung 6 dargestellt: [align=center] Abbildung 6: Interner Aufbau des Hochspannungs-Frequenzumrichters[/align] (2) Aufbau der Leistungseinheit: Die Leistungseinheit ist ein einphasiger Brückenumrichter, der von der Sekundärwicklung des Eingangstransformators gespeist wird. Nach Gleichrichtung und Filterung wird sie mittels Pulsweitenmodulation (PWM) von vier IGBTs angesteuert, um die gewünschte Frequenz zu erzeugen. Alle Leistungseinheiten des Frequenzumrichters weisen die gleiche Schaltungstopologie auf und sind modular aufgebaut. Die Ansteuerung erfolgt über Glasfaser. Das Prinzipblockdiagramm ist in Abbildung 7 dargestellt: [align=center] Abbildung 7: Prinzipblockdiagramm der Leistungseinheit[/align] Das optische Steuersignal vom Hauptsteuergerät wird nach der optisch-elektrischen Wandlung an den Steuersignalprozessor gesendet. Nach Empfang des entsprechenden Befehls sendet der Steuerschaltungsprozessor das entsprechende IGBT-Ansteuersignal. Nach Empfang des Ansteuersignals sendet die Ansteuerschaltung die entsprechende Ansteuerspannung an die IGBT-Steuerelektrode, um den IGBT ein- und auszuschalten und die entsprechende Wellenform auszugeben. Die Statusinformationen der Leistungseinheit werden in der Antwortsignalschaltung erfasst und verarbeitet. Nach der Konzentration werden sie vom elektrooptischen Wandler umgewandelt und als optisches Signal an die Hauptsteuerung gesendet. (3) Funktionsprinzip des Hochspannungs-Frequenzumrichters: Jede Leistungseinheit des Hochspannungs-Frequenzumrichters entspricht einem dreiphasigen Niederspannungs-Frequenzumrichter mit zweiphasigem Ausgang. Durch Überlagerung entsteht eine dreiphasige Hochspannungs-Wechselstromversorgung. Am Beispiel eines 6-kV-Frequenzumrichters wird Folgendes erläutert: Für einen 6-kV-Frequenzumrichter mit Ausgangsspannung sind in jeder Phase sechs Leistungseinheiten in Reihe geschaltet. Die Eingangsspannung der Einheit beträgt dreiphasig 600 V, die Ausgangsspannung einphasig 577 V. Nach der Reihenschaltung und Überlagerung der Einheiten beträgt die Phasenspannung 3464 V. Bei einer Wechselrichter-Ausgangsfrequenz von 50 Hz weist die Phasenspannung einen 13-stufigen Verlauf auf (siehe Abbildung unten). In der Abbildung sind UA1…UA6 die Ausgangsspannungen der sechs Leistungseinheiten in Phase A, die überlagert die Ausgangsspannung UA0 des Wechselrichters für Phase A ergeben. Die Abbildung zeigt die Referenzspannung UAr für Phase A, die zur Erzeugung des PWM-Steuersignals verwendet wird; UA0 nähert sich UAr sehr genau an. UAF ist die Grundkomponente der Ausgangsspannung für Phase A. [align=center]Abbildung 8: Überlagerter Phasenspannungskreis[/align] Da der Neutralpunkt des Wechselrichters nicht mit dem Neutralpunkt des Motors verbunden ist, handelt es sich bei der Wechselrichter-Ausgangsspannung tatsächlich um eine Netzspannung. Die aus den Ausgangsspannungen von Phase A und Phase B erzeugte Netzspannung UAB kann 6000 V erreichen und weist einen 25-stufigen Verlauf auf. Wie in der Abbildung unten dargestellt, weisen die Ausgangsspannungen (Leitung und Phasen) stufenförmige Wellenformen auf. UAB erzeugt nicht nur eine sinusförmige Wellenform, sondern auch eine deutlich höhere Anzahl an Stufen, was zu geringeren Oberwellenanteilen und einem niedrigeren dV/dt-Wert führt. [align=center] Abbildung 9 Überlagerte Wellenform des Netzstromkreises[/align] (4) Qualität der dreiphasigen Ausgangswellenform des mehrstufigen, in Reihe geschalteten Frequenzumrichters: Nach dem Anlaufen wandelt der Hochspannungs-Frequenzumrichter die eingehende dreiphasige Hochspannungs-Wechselstromleistung mit Netzfrequenz in dreiphasigen Wechselstrom mit einstellbarer Frequenz um. Spannung und Frequenz werden entsprechend der V/f-Einstellung angepasst, um den Motor mit unterschiedlichen Frequenzen zu betreiben, während der Hauptmagnetfluss im Statorkern auf dem Nennwert gehalten wird. Dies verbessert den Wirkungsgrad des Motors. Die folgende Abbildung zeigt die dreiphasige Eingangswellenform des Motors, die vom PT im Betrieb vor Ort erfasst wurde: [align=center] Abbildung 5 Eingangsspannungswellenform des Motors[/align] Bei mehreren überlagerten Anwendungen ist der Oberwellengehalt der Ausgangsspannung des Hochspannungs-Frequenzumrichters sehr niedrig und liegt innerhalb des für die konventionelle Netzspannung zulässigen Grenzwerts. Gleichzeitig ist die Spannungsänderungsgeschwindigkeit (dV/dt) der Ausgangsspannung gering, wodurch die Belastung der Motorwicklung nicht erhöht wird. Der Umrichter kann gängige Standard-Wechselstrommotoren ohne Leistungsreduzierung oder zusätzliche Ausgangsfilterdrosseln versorgen und gewährleistet so die vielseitige Einsatzmöglichkeit von Hochspannungsgeräten. 1. Anwendung und Wirkung des Hochspannungs-Frequenzumrichters an Pumpe Nr. 3: (1) Installation und Betrieb des Hochspannungs-Frequenzumrichters: Die Wasserpumpe Nr. 3 der Wasserwerkstatt der Energieabteilung der Firma Yanhua wurde ursprünglich mit Netzfrequenz betrieben und der Durchfluss über ein Ventil geregelt. Dies entsprach nicht den Anforderungen des Produktionsprozesses und führte zu einem hohen Energieverlust. Daher investierte die Pekinger Wasserbehörde im Dezember 2004 in die Umrüstung der Pumpe Nr. 3 mithilfe eines Hochspannungs-Frequenzumrichters der Firma Harbin Jiuzhou Electric Co., Ltd. Das Gerät ist ein in Reihe geschalteter, mehrfach überlagerter Hoch-Hoch-Frequenzumrichter mit automatischem Bypass-Schaltschrank. Die Steuerung erfolgt lokal und per Fernzugriff über einen Farb-LCD-Touchscreen. Funktionen für die Prozessleitsystemsteuerung (DCS) und die Regelung von geschlossenen Regelkreisen sind ebenfalls vorhanden. Die Pumpe wurde am 4. Januar 2005 offiziell in Betrieb genommen. Nach einem halben Jahr Testbetrieb arbeitete der Hochspannungs-Frequenzumrichter der Firma Harbin Jiuzhou Electric Co., Ltd. stabil und zuverlässig, erfüllte die Anforderungen des Produktionsprozesses und erzielte eine signifikante Energieeinsparung. (2) Parameter der Anlagen vor Ort: ● Bezeichnung: Kreiselpumpe für Reinwasser Modell: 24SA-10A Förderhöhe: 39 m Fördermenge: 2700 m³/h Zulässige Saughöhe: 4,8 m Drehzahl: 730 U/min Leistung: 319 kW Zugeführte Leistung: 360 kW Produktionsdatum: Mai 1975 Gewicht: 4100 kg Hersteller: Changsha Wasserpumpenfabrik ● Bezeichnung: Asynchronmotor Modell: JS158-8 Nennleistung: 380 kW Nennspannung: 6000 V Nennstrom: 47 A Umgebungstemperatur: 35 °C Drehzahl: 740 U/min Isolationsklasse: A Anschlussart: Sternschaltung Gewicht: 4100 kg Technische Bedingungen: OAG.510.004 Seriennummer: 750259 Produktionsdatum: Juni 1975 Hersteller: Xiangtan Elektromaschinenfabrik ● Bezeichnung: Hochspannung Hochleistungs-Frequenzumrichter Modell: JZHICON-IA-06/50 Nenneingangsspannung: 6000 V Nennausgangsspannung: 6000 V Nennausgangsfrequenz: 50 Hz Nennausgangsleistung: 500 kW Nennausgangsstrom: 50 A Frequenzeinstellbereich: 0–50 Hz Hersteller: Harbin Jiuzhou Electric Co., Ltd. (3) Betriebsbedingungen des Motors bei Netzfrequenz: Motorstrom: 26 A Motortemperatur: 45 °C Betriebsfrequenz: 50 Hz Ausgangsdruck: 0,50 MPa Fördermenge: 880 m³/h Öffnung des Auslassventils: 60 % (4) Betriebsbedingungen des Motors bei Frequenzumrichter: Motorstrom: 14 A Motortemperatur: 25 °C Betriebsfrequenz: 39,8 Hz Ausgangsdruck: 0,33 MPa Fördermenge: 880 m³/h Öffnung des Auslassventils: 100 % (5) Leistungsaufnahme von Motor im Netzfrequenzbetrieb: Stündlicher Stromverbrauch: (26 A ÷ 47 A) × 380 kW × 1 h = 210 kW Täglicher Stromverbrauch: 210 kW × 24 h = 5040 kWh Jährlicher Stromverbrauch: 5040 kWh × 365 = 1.839.600 kWh (6) Stromverbrauch des Motors im Frequenzumrichterbetrieb: Stündlicher Stromverbrauch: (26 A ÷ 47 A) × 380 kWh × 1 h = 113,2 kWh Täglicher Stromverbrauch: 113,2 kWh × 24 h = 2716,8 kWh Jährlicher Stromverbrauch: 2716,8 kWh × 365 = 991.632 kWh (7) Stromverbrauch des Motors nach Verwendung eines Hochspannungs-Frequenzumrichters: Stündliche Stromeinsparung: 210 kWh − 113,2 kWh = 96,8 kWh Tägliche Stromeinsparung: 5040 kWh − 113,2 kWh = 96,8 kWh 2716,8 = 2323,2 kWh Jährliche Stromeinsparung: 1839600 - 991632 = 847968 kWh (8). Durchschnittliche Stromeinsparung: 847968 ÷ 1839600 = 46 % (9). Stromkosteneinsparung nach Umrüstung des Motors auf Hochspannungs-Frequenzumrichter: Durchschnittliche Stromkosten berechnet mit 0,5 Yuan/kWh: Jährliche Stromkosteneinsparung: 847968 kWh × 0,5 Yuan/kWh = 423984 Yuan ≈ 424.000 Yuan. 6. Fazit: Durch die Umrüstung der Pumpe Nr. 3 in der Wasserwerkstatt der Energieabteilung der Beijing Yanhua Company auf Hochspannungs-Frequenzumrichter konnte das Problem des sicheren Betriebs von Großkreiselpumpen bei geringer Fördermenge und vergleichbarem Wasserverbrauch gelöst werden. Dies ermöglicht es Pumpe Nr. 3, sicher mit weniger als einem Drittel ihrer Nennfördermenge zu arbeiten und gleichzeitig eine präzise Durchflussregelung zu gewährleisten. So wird sichergestellt, dass der Wasserbedarf der Endverbraucher gedeckt wird, ohne Oberflächenwasser mit geringem Durchfluss zu vernachlässigen. Die präzise Steuerungsfunktion des Hochspannungs-Frequenzumrichters ermöglicht den Pumpenbetrieb unter Bedingungen, die mit herkömmlichen Regelungsmethoden bisher nicht realisierbar waren. Selbst bei extrem niedrigen Durchflussmengen kann die mittlere Fördermenge feinjustiert werden, sodass große Pumpen auch bisher unzugängliche Wasserquellen mit geringem Durchfluss nutzen können. Dies spart erhebliche Mengen an Strom und nutzt gleichzeitig die knappen Wasserressourcen optimal aus. Angetrieben vom Geist unabhängiger Innovation und dem Bestreben, technologisch führend zu sein, reifen in China produzierte Hochleistungs- und Ultrahochleistungs-Hochspannungs-Frequenzumrichter mit unabhängigen Schutzrechten. Ihr Einsatz in der Motordrehzahlregelung in Chinas Großindustrie nimmt stetig zu, und sie dringen in Bereiche vor, die bisher von ausländischen Hochspannungs-Frequenzumrichtern dominiert wurden. Dies wird zu einer breiteren Anwendung von Hochspannungs-Frequenzumrichtern – einem Hightech-Produkt der modernen Leistungselektronik – im Bereich der energieeffizienten Nutzung in China führen.