Stufenlose Verdichterleistungsregelung
Tipps für den Monteur (Teil 18) - In den letzten Jahren zeichnet sich eindeutig ein Trend im Bereich „Verdichter-Leistungsregelung“ ab. So wird immer häufiger eine Kombination aus Verdichter und Frequenzumrichter zur stufenlosen Drehzahlregelung eingesetzt. Dieser Beitrag behandelt die Anforderungen und Möglichkeiten eines solchen Systems.
Die stufenlose Drehzahlregelung über eine Kombination von Verdichter und Frequenzumrichter liegt im Trend. Um dabei ein effizientes System zu erhalten, hat sich gezeigt, dass der Verdichter speziell auf Drehzahlregelung abgestimmt sein muss. Das ist nicht weiter verwunderlich, stellen sich doch besondere Herausforderungen hinsichtlich Ölmanagement, elektrischen und mechanischen Beanspruchungen. Aber auch der Frequenzumrichter sollte auf den Kältemittelverdichter abgestimmt sein. So ist zum Beispiel der Startvorgang eines Verdichters unter Gegendruck eine schwierige Aufgabe für einen Standard-Frequenzumrichter, da hierbei sofort das volle Motormoment gebraucht wird. Diese Anforderung unterscheidet sich von Standard-Applikationen von Frequenzumrichtern wie beispielsweise Pumpen- oder Lüfterdrehzahlregelung.
Optimal teillastfähig | Normalerweise werden Verdichter in der Kältetechnik ausschließlich für maximale Systemlast ausgelegt. Tatsächlich laufen die Systeme aber während 65 % ihrer Betriebszeit bei Teillast, so dass der Verdichter über lange Zeiträume überdimensioniert ist. Konventionelle Regelungen, die diesen Überschuss der Verdichterleistung ausgleichen, sind Ein-Aus-Regelung, druckgesteuerte Leistungsregler oder Heißgasbypass-Regler. Im Vergleich zu diesen Methoden bietet ein Verdichter-Frequenzumrichterpaket eine überlegene Regelgüte und ist die energieeffizientere Lösung.
Die Kälteleistung eines herkömmlichen hermetischen Hubkolbenverdichters ist konstant, Motor und Kurbelwelle drehen mit 2900 Umdrehungen in der Minute (50 Hz, ein Polpaar). Bei einem „VTZ Compressor Drive“ hingegen kann die Drehzahl in einem Frequenzband von 30 bis 90 Hz variiert werden. Abhängig von der notwendigen Kühllast ergibt sich somit eine Motordrehzahl zwischen 1800 und 5400 U/min. Daher ist der Verdichter in Hinsicht auf den Kühlbedarf immer richtig dimensioniert. Damit bietet der „VTZ“ die gleiche minimale Teillast wie ein 3er-Verdichterverbund. Die Regelabstufung ist aber nicht 33, 66 und 100 %, sondern stufenlos.
Reduzierte Anlaufströme | Ein direkt ans Netz angeschlossener Verdichter nimmt in der Regel während des Starts bis zum Achtfachen seines Nennstromes auf. Das kann schon bei verhältnismäßig geringen Aufnahmeleistungen zu Diskussionen mit dem Energieversorger führen, der entweder zusätzliche technische Maßnahmen zur Strombegrenzung oder aber einen erhöhten Energiebereitstellungspreis fordern wird.
„VTZ Compressor Drive“ ist mit einem eingebauten Softstarter ausgestattet, der die Stromspitze während des Verdichterstarts im Vergleich zum Direktstart erheblich reduziert. Der Frequenzumrichter beginnt beim Verdichterstart mit einer sehr niedrigen Frequenz und passt diese der tatsächlichen Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors an. Bei einem Direktstart eines Verdichters hingegen werden direkt 50 Hz angelegt, auch wenn der Rotor noch überhaupt nicht in Bewegung gekommen ist. Das führt zu Anlaufstromspitzen, die im Frequenzumrichterbetrieb in dieser Form nicht auftreten.
Für die Überwachung der Betriebsströme und der symmetrischen Stromaufnahme ist kein extra Motorschutzschalter erforderlich. Auch diese Überwachungsfunktion wird vom Frequenzumrichter „Typ CD“ (Compressor Drive) übernommen. Auch ein Lastschütz für den Verdichter ist aufgrund des „CD“ überflüssig.
Spezieller Frequenzumrichter und Verdichter | Die Regelung eines Ein- oder Zweizylinderverdichters ist nicht für jeden Frequenzumrichter realisierbar, treten doch bei einer 360 °-Drehung der Kurbelwelle unterschiedliche Momente auf. Dieses Phänomen zeigt sich nur bei Verdichterregelung, nicht z.B. bei Pumpen- oder Lüfterdrehzahlregelung und kann deshalb zu Betriebsstörungen eines ungeeigneten Frequenzumrichters führen. Daneben könnte eine falsche Parametrierung der Hochfahrrampe zur Betriebsfrequenz schon nach kürzester Zeit einen Verdichterausfall zur Folge haben. Speziell zu lang eingestellte Rampen können für den Schmierungsaufbau des Verdichters verheerende Folgen mit sich bringen. Die korrekte Rampe liegt etwa bei 0,6 Sekunden. Um den Inbetriebnahmemonteur nicht mit diesen Details zu belasten, ist der Frequenzumrichter „CD“ sowohl auf den Betrieb mit Ein- und Zweizylinderverdichter, als auch auf die korrekte Hochfahrrampe vorjustiert. So kann die „VTZ“-Größe direkt über das Einstellmenü des „CD“ ausgewählt werden. Damit weiß der Umrichter automatisch, wie viele Zylinder der Verdichter hat, und er kennt außerdem die korrekte Rampe. So bietet das „VTZ-CD“-Paket einen speziell für die Drehzahlregelung konzipierten Verdichter „VTZ“, der mit dem kältetechnisch optimierten Frequenzumrichter „CD“ optimal harmoniert.
Verkabelung | Bei Einsatz eines Frequenzumrichters ist besonders hinsichtlich Kabelverlegung und Abschirmung einiges zu beachten. Das Motorkabel (vom Umrichter zum Verdichter) muss immer getrennt von Steuer- und Busleitungen und sogar vom Netzkabel verlegt werden. Außerdem sollte besonders das Motorkabel so kurz wie möglich gehalten werden. Wird dies nicht beachtet, kommt es schnell zu EMV-Problemen, die sich z.B. in der Beeinflussung von Regelelektronik und Busleitungen äußern.Als Motorkabel muss eine geschirmte Mantelleitung verwendet werden, deren Schirm beidseitig – also sowohl am Frequenzumrichter, als auch am Verdichter – aufzulegen ist. Konkret sollte die Mantelleitung rundum abisoliert und eine Metallschelle zur Abschirmung eingesetzt werden. Das Motorkabel ist in einem Mindestabstand von 200 mm zu Steuer- bzw. Busleitungen und zum Netzkabel zu verlegen. Auch das Netzkabel darf nicht direkt zusammen mit den Nicht-Lastkabeln verlegt werden.
Besondere Vorsicht gilt auch dem Motorkabel, falls dies spannungslos gemacht werden soll. Aufgrund der Tatsache, dass die Leistungselektronik eines Frequenzumrichters Kondensatoren großer Leistung enthält, können trotz Netzabschaltung auch noch gewisse Zeit nach der Abschaltung gefährliche Spannungen am Motorkabel auftreten.
Regelung mittels Druckaufnehmer | Zusammen mit einem Druckmessaufnehmer arbeitet das Paket ähnlich wie ein Verbundregler. Der Frequenzumrichter erhält einen Druck-Sollwert, den er konstant zu halten versucht. Steigt der Druckwert an, so wird die Verdichterdrehzahl erhöht. Fällt der Druck-Istwert, so wird die Drehzahl zurückgenommen. Mit dieser Regelung kann ein sehr konstanter Saugdruck erreicht werden. Es können Druckaufnehmer mit Standardsignalen von 4 bis 20 mA (Stromsignal) oder auch 0 bis 10 V (Spannungssignal) eingesetzt werden sowie Sondervarianten mit Spannungssignal von 1 bis 5 V. Zur Umstellung eines werkseitig voreingestellten Druckmessaufnehmers mit Spannungssignal auf Stromsignal ist ein DIP-Schalter am Frequenzumrichter vorhanden.
Sollwert von einer externen Regelung | Sollte ein Sollwert für die Drehzahl des Verdichters bereits über eine externe Regelung geliefert werden, so kann der „CD“ auch damit betrieben werden. Bei dieser Variante fällt der Druckmessumformer weg. An seine Stelle tritt das Eingangssignal der externen Regelung. Es kann auch hier mit einem Standard-Spannungsignal 0 bis 10 V oder einem 4 bis 20 mA-Stromsignal gearbeitet werden. Diese Regelung kann eine SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) oder ein Verbundregler mit Ausgang für einen drehzahlgeregelten Verdichter sein. Ansteuerungstechnisch kann der Betrieb mit einem Verbundregler sehr elegante Regelungsergebnisse bringen. Beispielsweise würde ein 3er-Verbund mit zwei Direktstart-Verdichtern und einem „VTZ-CD“ zunächst mit dem „VTZ“ bei kleiner Leistung starten. Bei voller Drehzahl des „VTZ“ schaltet der Verbundregler dann einen weiteren Verdichter zu und fährt den „VTZ“ wieder auf Minimaldrehzahl 30 Hz zurück. Bei weiterhin steigendem Saugdruck fährt der „VTZ“ wieder mit der Drehzahl hoch bis schließlich der letzte Verdichter zugeschaltet wird und der „VTZ“ wieder zurückfährt. Diese Variante bringt ein ähnlich stabiles Saugdruckergebnis wie ein großer drehzahlgeregelter Verdichter im Alleinbetrieb. Bei einer Verbundschaltung von einem drehzahlgeregelten Verdichter mit Direktstart-Verdichtern ist auf das Ölmanagement zu achten. Dabei sollten insgesamt nicht mehr als drei Verdichter parallel geschaltet sein. Auch sind Ölspiegelregulatoren bei einer solchen Verbundkonfiguration unerlässlich.
Inbetriebnahme | Die Inbetriebnahme eines „VTZ-CD“-Paketes nimmt nicht viel Zeit in Anspruch. Die Paketlösung ist bereits soweit werksseitig voreingestellt, dass die Anlage mit nur wenigen Einstellungen in Betrieb genommen werden kann. Heikle Einstellungen, wie beispielsweise die Startrampe oder wichtige Motorcharakteristiken, sind nicht ohne weiteres änderbar und schon zu 100 % unter der entsprechenden „VTZ“-Größe im Frequenzumrichter hinterlegt. Zur Anpassung von Einstellparametern dient eine Bedieneinheit mit graphischem Display, das sich normalerweise an der Frontseite des Umrichters befindet und bei Bedarf abgenommen werden kann. Mit dem Bediendisplay sind auch Einstellungen eines „CD“ kollektiv speicher- und auf einen anderen „CD“ übertragbar.
Ausblick | Außer den in dieser Ausgabe besprochenen drehzahlregelbaren Verdichtern in der Gewerbekälte gibt es auch Verdichter mit kleineren Leistungen und für den mobilen Betrieb. Die Verdichter sind in der Regel für Gleichstrom konzipiert, ihre Drehzahl kann oft angepasst werden. Lesen Sie mehr zu „BD“-Verdichter für Gleichstrom in der nächsten Ausgabe.
