Frequenzumrichter in Kältemaschinen

Kühles Nass

Die Kältetechnik soll effizienter und sauberer werden, findet das junge Unternehmen Efficient Energy und hat eine Maschine entwickelt, die wenig Strom verbraucht und reines Wasser als Kältemittel verwendet. In den dafür notwendigen Turboverdichtern kommen Frequenzumrichter zum Einsatz, die die Rotoren der Synchronmotoren kaum erwärmen.

 

Kälteanlagen sind unter anderem in Serverräumen und Rechenzentren unentbehrlich – ohne ihre Dienste würde den empfindlichen IT-Systemen die Überhitzung drohen. Besonders umweltfreundlich ist die traditionelle Kältetechnik jedoch nicht. Anders soll das bei der Kältemaschine Echiller des jungen Unternehmens Efficient Energy sein: Sie kühlt mit reinem Wasser und verbraucht bis zu 80 Prozent weniger Strom als herkömmliche Lösungen. „Der Echiller ist eine saubere und ökonomisch wertvolle Kompressionskältemaschine“, berichtet Florian Mayer, Leiter Entwicklung Software und Elektronik bei Efficient Energy. „Die Lösung ermöglicht es unseren Kunden, ihre kontinuierliche Industrieprozesskühlung zu modernisieren oder ihr Rechenzentrum rentabler zu gestalten.“

Der Echiller setzt reines Wasser als Kältemittel ein. Das hat viele Vorteile – zum Beispiel entfallen die geltenden kältemittelrelevanten Umwelt- und Sicherheitsvorschriften. Das senkt die Kosten und den wartungstechnischen Aufwand beim Betrieb der Anlage. Aufgrund seiner Energieeffizienz schont die Maschine zudem die Umwelt: „Wer sich für unsere Kältemaschine entscheidet, profitiert von einer deutlich reduzierten CO2-Bilanz“, so Florian Mayer. „Somit ist die Maschine auch zukunftssicher – im Gegenteil zu herkömmlichen Kälteanlagen, die den gesetzlichen Anforderungen in wenigen Jahren nicht mehr genügen werden.“

 

Funktionsweise der Kältemaschine

Die Technologie des Echillers basiert auf der Direktverdampfung von Wasser: Die Verdampfung, Verdichtung, Kondensation und Entspannung erfolgt anforderungsbezogen in einem geschlossenen Kreislauf. Dies geschieht bei Drücken zwischen 10 und 120 mbar und in einem Temperaturbereich von 5 °C bis 50 °C.

Ein zentrales Element der Kältemaschine sind Turboverdichter mit einem Raddurchmesser von 15 Zentimetern, die den bei der Verdampfung erzeugten Wasserdampf mit bis zu 90.000 Umdrehungen pro Minute auf ein höheres Druck- und Temperaturniveau bringen. Der Antrieb der Turboverdichter erfolgt über Synchronmotoren, die ihren Strom von Frequenzumrichtern beziehen.

Efficient Energy setzt von Anfang an auf Frequenzumrichter des Typs SD2S des Lüneburger Spezialisten Sieb & Meyer. „Sie waren schon im Prototyp des Jahres 2007 verbaut“, erinnert sich Florian Mayer. Damals hatte das Unternehmen die Turboverdichter als fertige Baugruppe von einem externen Lieferanten bezogen, der die Lösungen von Sieb & Meyer ins Spiel brachte. Heute arbeiten die Serienmodelle des Echillers zwar mit von Efficient Energy selbst entwickelten Turboverdichtern – die Frequenzumrichter kommen jedoch nach wie vor aus Lüneburg. Aus gutem Grund, so der Entwicklungsleiter: „Das verwendete Regelverfahren sorgt für eine geringe Rotorerwärmung. Zudem ließen sich die Geräte den wechselnden Anforderungen immer gut anpassen, da die Software flexibel konfigurierbar ist.“

 

An konstante Lasten anpassbar

Die Parametrierung des SD2S-Frequenzumrichters lässt sich den relativ konstanten Lasten der Kältemaschine anpassen. „Das ist ein starker Kontrast zu den dynamischen Anwendungen, in denen unsere Frequenzumrichter üblicherweise zum Einsatz kommen“, erzählt Ralph Sawallisch, Key Account Manager Antriebselektronik bei Sieb & Meyer. „Der SD2S ist aber für eine große Bandbreite von Applikationen konzipiert, sodass dies kein Problem darstellt.“ Die Software des SD2S ermöglicht grundsätzlich den Betrieb von hochdynamischen Servomotoren und Hochgeschwindigkeitsmotoren in Asynchron- und Synchrontechnologie. Je nach Anwendung kann der Betrieb des Umrichters geberlos erfolgen, beispielsweise im Fall von Bearbeitungsspindeln in Werkzeugmaschinen. Aber auch ein geberbehafteter Betrieb von hochdynamischen Schraubspindeln in der Automobilindustrie ist möglich. Die leistungsfähige Parametrier-Software Drivemaster2 unterstützt den Kunden bei der anwendungsspezifischen Parametrierung und Inbetriebnahme.

Der SD2S lässt sich aber nicht nur flexibel konfigurieren, sondern auch von einer externen Regelung ansteuern. Für die Anbindung an die übergeordnete Steuerung stehen unterschiedliche Optionen zur Verfügung – die Schnittstellen reichen von analogen Sollwertsignalen (+/-10 V), digitalen E/As, RS232 und USB bis zu CAN-Bus. Über ein Gateway ist auch der Anschluss an Profibus oder EtherCat möglich.

Beim Betrieb des Echillers gibt die integrierte Regelung den Frequenzumrichtern eine Drehzahl vor. Nur so kann der Turboverdichter genug Wasserdampfvolumen befördern und die benötigte Leistung erzielen. Apropos Wasserdampf: „Die Turbine des EChillers wird in einem Wasserdampfvakuum betrieben – eine extreme Betriebsumgebung, der die Komponenten der Anlage jedoch trotzen müssen“, so Ralph Sawallisch.

 

In Planung: Umrichter direkt in der Kältemaschine

Derzeit arbeiten die beiden Unternehmen zusammen an einer Optimierung des Frequenzumrichters: Eine Wasserkühlung soll es ermöglichen, den Echiller mit den nächstkleineren SD2S-Modellen zu betreiben – ein Kostenvorteil, auch für den Endkunden. Zu diesem Zweck passt Sieb & Meyer das Seriengerät konstruktiv an. Sollte sich diese Maßnahme bewähren, möchte Efficient Energy den Frequenzumrichter langfristig direkt in die Anlage integrieren. Das würde die Kosten weiter senken, weil das Gerät nicht mehr in einem separaten Schaltschrank untergebracht werden müsste. „Die Voraussetzung dafür wäre eine modifizierte Bauform des SD2S mit neuem Platinenlayout“, erläutert Florian Mayer. „Sieb & Meyer ist so aufgestellt, dass die Mitarbeiter Projekte über den ganzen Prozess hinweg betreuen können. Das macht für uns den Mehrwert aus.“

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