Kälteleistung und Anlageneffizienz
Mechanische Leistungsregelung
In größeren HLK-Systemen (Heizung, Lüftung und Klima) wie luftgekühlten Kühlsätzen ist eine übliche Methode der Leistungsregelung der Zusammenschluss mehrerer Verdichter, die ein- und ausgeschaltet werden. Der richtig dimensionierte Flüssigkeitskreislauf dämpft im Allgemeinen die resultierenden Änderungen der Flüssigkeitstemperatur. Die Gerätesteuerung liefert ‒ zusammen mit unterschiedlichen Sensoren für Flüssigkeits- und Umgebungstemperatur ‒ die Logik für die Schaltung der Verdichter, um die gewünschte Flüssigkeitstemperatur aufrechtzuerhalten.
Der Verdichter wird bei konstanter Drehzahl betrieben, die Drehzahl des Motors korreliert direkt mit der Netzfrequenz. Daraus resultieren für 2-polige Asynchronmotoren Nenndrehzahlen von
- 2900 min-1 bei 50 Hz bzw.
- 3500 min-1 bei 60 Hz.
Für hohe Energieeffizienz, hohe Regelungsgenauigkeit der Flüssigkeitstemperatur oder sehr niedrige Last sind Frequenzumrichter zur Leistungsregelung oft vorteilhaft.
Leistungsregelung mit Frequenzumrichter
Das durchschnittliche Drehmoment an der Verdichterwelle hängt v.a. von den Betriebsbedingungen und dem Kältemittel ab und bleibt daher über einen breiten Drehzahl-/Frequenzbereich annähernd konstant. Kälteleistung und Leistungsaufnahme variieren deshalb annähernd proportional zur Drehzahl (siehe Abb. unten), die Kälteleistung kann mithilfe der Drehzahl stufenlos angepasst werden. Die zulässigen Drehzahlen für Bitzer Verdichter sind unten dokumentiert (Anwendungsbereiche).
Die elektrische Leistungsaufnahme bei Volllast ist geringfügig höher als bei Betrieb des Verdichters direkt am Netz. Dies ist auf Verluste im Frequenzumrichter zurückzuführen - verursacht durch die Verluste einzelner elektronischer Komponenten zur Leistungsumwandlung und zur Kühlung des Frequenzumrichters. Eine weitere Quelle für die Erwärmung des Motors und den reduzierten Motorwirkungsgrad sind Oberwellen: Je höher die Qualität des Frequenzumrichters und je besser er konfiguriert ist, desto geringer ist der Oberwellenanteil im Ausgangssignal.
Verschiedene Variablen im Umrichterbetrieb beeinflussen Betrieb und Anlauf des Verdichters:
- Der Spannungsverlauf begrenzt und regelt die Stromversorgung des Motors,
- die Schaltfrequenz des Stromrichters im Frequenzumrichter regelt Leistung und Zuverlässigkeit des Motors,
- die Anlaufsequenz und Spannungsverstärkung regeln den Anlauf des Verdichters.
Im Allgemeinen werden jedoch die Verluste durch den Frequenzumrichter normalerweise ausgeglichen durch Gewinne bei der Anlageneffizienz, indem man durch Anpassung der Verdichterleistung an die Anforderungen der Anlage einen effizienteren Zyklus nutzt. Umrichteranwendungen erhöhen daher normalerweise die Gesamteffizienz der Anlage unter "realen" Bedingungen.
Spannungsverlauf
Für gegebene Betriebsbedingungen wird das Motordrehmoment unabhängig von der Drehzahl relativ konstant sein. Für einen guten Motorwirkungsgrad und eine gute Zuverlässigkeit sollte die Spannung über den Drehzahlbereich angepasst werden, um einen konstanten Strom (Stromstärke) bei gegebenen Bedingungen zu erreichen. Dies geschieht am besten, indem das Verhältnis der Typschildspannung zur Typschildfrequenz festgelegt und der Umrichter so programmiert wird, dass er dieses Verhältnis über den Drehzahlbereich beibehält. Dies ist allgemein als Spannungs-Frequenz-Verhältnis (U/f) oder Volt-Hertz-Verhältnis bekannt.
Der Frequenzumrichter kann keine Spannung abgeben, die über der Eingangsspannung (= Anschlussspannung) liegt. Daher kann die Statorspannung bei höherer Frequenz des Frequenzumrichters nicht weiter ansteigen. Der Magnetisierungsstrom in der Hauptinduktivität sinkt, das Stator-Drehfeld und das Drehmoment werden geschwächt.
Das bedeutet, dass beim Anheben der Frequenz über die Synchrondrehzahl das Spannungs-Frequenz-Verhältnis U/f sinkt. Da das vom Verdichter benötigte Drehmoment konstant bleibt, erhöht sich die Stromaufnahme des Motors (siehe Abb. unten). Daher sollte der Motor bei der Netzfrequenz über eine ausreichende Reserve (Strom / Leistung) verfügen. Die Frequenz / Drehzahl kann bis zum maximalen Motorstrom (RMS - root mean square) erhöht werden (siehe maximaler Betriebsstrom auf dem Typschild oder in der Bitzer Software).
P: max. Leistungsaufnahme Verdichter
M: max. Drehmoment des Motors an Verdichterwelle
I: max. Stromaufnahme Verdichter
f: Frequenz (Frequenzumrichter-Ausgang)
U: Ausgangsspannung (Frequenzumrichter)