5 Möglichkeiten zur Maximierung der Energieeinsparung bei Umwälzpumpen mit elektronisch kommutierten Motoren

Aug 15, 2023

Das Energieministerium der Vereinigten Staaten (DOE) hat kürzlich neue Energieeinsparstandards für Umwälzpumpen vorgeschlagen und die Hersteller dazu veranlasst, diese für eine höhere Effizienz zu konzipieren.

Umwälzpumpen sind allgegenwärtig und die Möglichkeiten, ihren Energieverbrauch zu senken, sind enorm. In einem Bericht des Electric Power Research Institute (EPRI) wurde geschätzt, dass das Energieeinsparpotenzial für die etwa 30 Millionen Installationen von Umwälzpumpen mehr als 50 % beträgt.

Umwälzpumpen werden in einer Vielzahl gewerblicher Gebäudeanwendungen eingesetzt, beispielsweise in Lüftungsgeräten (AHUs), Kühlschlangen-Druckerhöhungspumpen, kleinen Strahlungssystemen, Erdwärmepumpen und Warmwasser-Umwälzkreisläufen. Bisher wurden Umwälzpumpen bei der Verbesserung der Energieeffizienz vernachlässigt, teilweise aufgrund der langen, kapitalintensiven Konstruktionszyklen, die mit der Pumpenkonstruktion einhergehen, aber neue Technologien machen es lohnenswert.

Nach Angaben der US General Services Administration sind derzeit mehr als 90 % der Umwälzpumpen in den USA Pumpen mit konstantem Volumen, die von Standard-Induktionsmotoren angetrieben werden. Um Energieeinsparziele zu erreichen, empfiehlt das DOE den Einsatz fortschrittlicherer Motortechnologien.

Die Analyse des DOE kommt zu dem Ergebnis, dass elektronisch kommutierte (EC) Motoren im Allgemeinen viel effizienter sind als Induktionsmotoren und die Gesamteffizienz des Pumpensystems verbessern können. Die meisten EC-Motoren verwenden einen herkömmlichen Eisenkern-Stator mit Kupferwicklungen, aber neue Luftkern-Motortopologien verwenden einen innovativen Leiterplatten-Stator (PCB), der den Vorteil hat, Kernverluste zu vermeiden und die Effizienz zu steigern. Da Hersteller von Umwälzpumpen bei ihren Konstruktionen neue EC-Motortechnologien berücksichtigen, müssen bei der Optimierung mehrere Faktoren berücksichtigt werden.

EC-Motoren sind im Allgemeinen 30 % effizienter als Induktionsmotoren, da ihre Konstruktion die Verluste zwischen den Rotor- und Statorkomponenten minimiert. Bei EC-Motoren werden die Laminierung und der Kupferwärmeverlust um 50 % reduziert, was sie effizienter macht. EC-Motoren, die den internationalen Effizienzstandards (IE) 5 entsprechen, bieten einige der höchstmöglichen Wirkungsgrade. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass der Wirkungsgrad von EC-Motoren je nach Geschwindigkeit und Last variieren kann. Identifizieren Sie bei der Auswahl eines EC-Motors einen Motor, der über einen breiten Lastbereich hinweg eine flache Effizienzkurve aufweist, um die Gesamteffizienz und den Betrieb des Pumpensystems zu optimieren (Bild 1). Dadurch wird sichergestellt, dass das Pumpensystem unter verschiedenen Betriebsbedingungen von optimaler Effizienz profitiert.

Fortschrittliche EC-Motoren, die PCB-Statoren verwenden, können die Effizienz weiter steigern und Kernverluste eliminieren. Die Kupfer-PCB-Statoren werden direkt in die PCB geätzt, was die Zuverlässigkeit erhöht und die Menge an Kupfermaterial reduziert. Bei Motoren, deren Stator aus einem Stahlkern mit Kupferwicklungen besteht, treten Wirbelströme auf, die zu Motorverlusten führen. Durch den Austausch des Kerns und der Kupferwicklungen durch den PCB-Stator werden diese Verluste eliminiert, was zu einem Motor mit höherer Effizienz bei Nennleistung und Drehzahl sowie über den gesamten Betriebsbereich führt.

Die DOE-Empfehlung weist darauf hin, dass Verbesserungen der Motoreffizienz und bedarfsbasierte variable Geschwindigkeitssteuerungen zu größeren Energieeinsparungen führen können als solche durch eine verbesserte hydraulische Effizienz, sodass je nach Anwendung bis zu 65 % des Energieverbrauchs eingespart werden können. Pumpen mit variabler Drehzahl können ihren Energieverbrauch senken, indem sie die Pumpendrehzahl an die Lastanforderungen anpassen. Dank der integrierten variablen Geschwindigkeitssteuerung ist es außerdem nicht mehr erforderlich, nachgeschaltete Ventile entsprechend dem Bedarf zu drosseln, wodurch sowohl Energie als auch Infrastrukturverschleiß eingespart werden. Darüber hinaus kann dies ohne die Installation, Verkabelung und Inbetriebnahme eines separaten, klimatisierten Luftraums für einen herkömmlichen Frequenzumrichter (VFD) erfolgen, was zu hohen Kosten führen kann.

Obwohl alle EC-Motoren über ein gewisses Maß an integrierter Technologie zur variablen Drehzahl verfügen, ist es wichtig zu wissen, dass ihre Steuerungsmöglichkeiten von grundlegenden Optionen zur Drehzahlregelung bis hin zu anspruchsvolleren Steuerungsfunktionen typischer VFDs reichen, wie z. B. MODBUS-Konnektivität und Funktionen zur Kommunikation der Motorleistung und Gesundheitsdaten zurück an einen Controller oder ein zentrales Kontrollsystem. Diese fortschrittlichen EC-Motoren ermöglichen die Fernüberwachung von Vibration, Temperatur, Geschwindigkeit und Effizienz, die eine Rückmeldung an die Pumpensteuerung liefert und es den Motoren ermöglicht, sich bei Bedarf anzupassen und zu schützen.

Im Vergleich zu Induktions- und anderen Asynchronmotoren erzeugen EC-Motoren weniger Wärme, was eine Belastung der Komponenten vermeidet und zu einer längeren Lebensdauer führt. Allerdings sind bei allen Motoren mit kupferumwickelten Eisenkernen die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Eisens, der Kupferwicklungen, der Isoliermaterialien und des Lacks unterschiedlich, was zu unterschiedlich starken Ausdehnungen und Kontraktionen der Materialien führt, was letztendlich zum Ausfall führt des Motors. Die PCB-Statoren in fortschrittlichen Axialfluss-EC-Motoren bestehen nur aus zwei Hauptmaterialien, dem geätzten Kupfer und dem Glas-Epoxid-Laminat, die beide die gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben. Dies bedeutet, dass thermische Spannungen minimiert werden und dass das Kupfer seine ursprüngliche Form und seinen Schutz innerhalb des PCB-Materials beibehält. In einem mehrjährigen beschleunigten Lebensdauertestprogramm, bei dem Leiterplatten-Statorspulen zusammen mit herkömmlichen vorgeformten Kupferspulen unter ähnlichen Bedingungen getestet wurden, um die Robustheit und Zuverlässigkeit zu bestimmen, zeigten die Ergebnisse, dass die Lebensdauer von Leiterplatten-Statoren mindestens zehnmal länger und zehnmal zuverlässiger ist als bei Formwicklungen Spulenstator.

Das Design eines EC-Motors ist ein wichtiger Faktor, da der Platz oft knapp ist. Die meisten Motorkonstruktionen für Pumpen erfordern eine Infrastruktur für Fußhalterungen und einen reservierten Raum um die Pumpen herum für die Wartung und den Motor selbst. EC-Motoren, die kompaktere Axialfluss-Designs und dünne PCB-Statoren nutzen, können zu 50 % kleineren und leichteren Formfaktoren führen und den Gesamtplatzbedarf für ein Pumpensystem reduzieren (Bild 2). Diese kleineren, leichteren EC-Motoren können auch die Konstruktionsprozesse für Pumpenhersteller vereinfachen und die Installation erleichtern.

Hocheffiziente EC-Motoren können über die gesamte Lebensdauer des Motors den Energieverbrauch und die Betriebskosten senken und sich in manchen Fällen bereits im ersten Betriebsjahr amortisieren. Neben einem geringeren Energiebedarf kann nachhaltiges Design, das den Einsatz von Rohstoffen minimiert und ein End-of-Life-Management einbezieht, Initiativen zur Abfallreduzierung unterstützen. Die meisten Motoren landen nach 10 bis 20 Jahren auf der Mülldeponie, aber Fortschritte bei der kreisförmigen Motorkonstruktion ermöglichen eine längere Lebensdauer und Wiederverwendung der Komponenten. Erwägen Sie einen Motor, der die Vorteile des modularen Designs nutzt, um die Wartung des Motors zu vereinfachen und die mehrfache Wiederverwendung von Komponenten für künftige Generationen zu ermöglichen, sodass der Motor in Betrieb bleibt und nicht auf Mülldeponien landet.

Während die Hersteller von Umwälzpumpen die neuen Energiesparstandards des DOE einhalten und EC-Motoren für neue Geräte auswählen, sollten Effizienz, Steuerung, Zuverlässigkeit, Design und Nachhaltigkeit bei der Entscheidungsfindung für einen optimalen Betrieb und eine optimale Lebensdauer berücksichtigt werden. Die Auswahl des richtigen EC-Motors kann dazu beitragen, dass Systeme heute die maximale Energieeffizienz und Energieeinsparung erreichen und gleichzeitig zu einer nachhaltigeren Zukunft für die nächste Generation beitragen.

Anthony Lou ist Senior Business Development Manager bei Infinitum. Er ist seit fast 20 Jahren in der Robotik- und Elektromotorenbranche tätig und konzentriert sich auf die Betreuung von Herstellern von HVAC-, Lüfter- und Pumpengeräten. Er kann unter [email protected] erreicht werden. Weitere Informationen finden Sie unter goinfinitum.com.