Flexible Frequenzumrichter in umweltfreundlichen Kältemaschinen

Der eChiller ist die bisher einzige Kältemaschine im Leistungsbereich von 35 kW, die Wasser (R718) als Kältemittel einsetzt. Das hat viele Vorteile – zum Beispiel entfallen somit alle derzeit geltenden kältemittelrelevanten Umwelt- und Sicherheitsvorschriften. Das senkt den finanziellen und wartungstechnischen Aufwand beim Betrieb der Anlage und sichert zudem die Investition der Anwender. Aufgrund seiner hohen Energieeffizienz schont der eChiller außerdem die Umwelt: „Wer sich für unsere Kältemaschine entscheidet, profitiert von einer deutlich reduzierten CO₂-Bilanz und trägt unmittelbar zum Klimaschutz bei“, so Florian Mayer, Leiter Entwicklung Software und Elektronik bei Efficient Energy. „Somit ist der eChiller im Übrigen auch zukunftssicher – ganz im Gegenteil zu herkömmlichen Kälteanlagen. Sie werden den gesetzlichen Anforderungen bereits in wenigen Jahren nicht mehr genügen.“

Wasser als Kältemittel – eine saubere Alternative

Die Technologie des eChillers basiert auf der Direktverdampfung, der Verdichtung, der Kondensation und der Entspannung von Wasser beziehungsweise Wasserdampf in einem geschlossenen Kreislauf. Dieser Prozess erfolgt anforderungsbezogen in einem Vakuum bei niedrigen Drücken zwischen 10 und 120 mbar absolut und damit in einem Temperaturbereich von etwa 5 °C bis 50 °C. Ein zentrales Element der Kältemaschine sind Turboverdichter mit 15 cm Raddurchmesser, 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.

In den Kältemaschinen der Serie eChiller kommen zwei Frequenzumrichter SD2S zum Einsatz. Sieb & Meyer

Efficient Energy setzt schon seit der Stunde null auf Frequenzumrichter des Typs SD2S von Sieb & Meyer. „Sie waren schon im ersten Prototyp des Jahres 2007 verbaut“, erinnert sich Florian Mayer. Damals hatte das Unternehmen die nötigen Turboverdichter noch 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 außergewöhnlich geringe Rotorerwärmung. Zudem ließen sich die Geräte den wechselnden Anforderungen immer sehr gut anpassen, weil die Software flexibel konfigurierbar ist.“

Frequenzumrichter flexibel konfigurieren und regeln

So lässt sich die Parametrierung des SD2S zum Beispiel den relativ konstanten Lasten der Kältemaschine anpassen. „Das ist ein starker Kontrast zu den extrem dynamischen Anwendungen, in denen unsere Frequenzumrichter üblicherweise zum Einsatz kommen“, so Ralph Sawallisch, Key Account Manager Antriebselektronik bei Sieb & Meyer. „Der SD2S ist aber von vornherein für eine große Bandbreite von Applikationen konzipiert, sodass dies kein Problem darstellt.“ Die flexible Software des SD2S ermöglicht grundsätzlich den Betrieb von hochdynamischen Servomotoren und Hochgeschwindigkeitsmotoren in Asynchron- und Synchrontechnologie. Je nach Anwendung kann der Betrieb des SD2S geberlos erfolgen, zum Beispiel im Fall von Bearbeitungsspindeln in Werkzeugmaschinen. Aber auch ein geberbehafteter Betrieb von zum Beispiel hochdynamischen Schraubspindeln in der Automobilindustrie ist möglich. Die leistungsfähige Parametrier-Software drivemaster 2 unterstützt den Kunden bei der anwendungsspezifischen Parametrierung und Inbetriebnahme.

Der eChiller ist bisher die einzige Kältemaschine im Leistungsbereich von 35 kW, die Wasser (R718) als Kältemittel einsetzt. Sieb & Meyer

Der SD2S lässt sich aber nicht nur flexibel konfigurieren, sondern auch direkt von einer externen Regelung ansteuern. Für die Anbindung an die übergeordnete Steuerung steht eine Vielzahl unterschiedlicher Optionen zur Verfügung – die Schnittstellen reichen von analogen Sollwertsignalen (±10 V), digitalen E/As, RS-232 und USB bis zu CAN-Bus. Über ein Gateway ist auch der Anschluss an Profibus und EtherCAT möglich. Beim Betrieb des eChillers gibt die integrierte Regelung den Frequenzumrichtern eine Drehzahl vor. Nur so kann der Turboverdichter genug Wasserdampfvolumen befördern und somit die benötigte Leistung erzielen. Apropos Wasserdampf: „Die Turbine des eChillers wird in einem Wasserdampfvakuum betrieben – eine extreme Betriebsumgebung, der die Komponenten der Anlage jedoch dauerhaft trotzen müssen“, so Ralph Sawallisch. „Diese Anforderung gibt es extrem selten in der Industrie.“

In Planung: Die individuelle Anpassung

Der Antrieb der Turboverdichter im eChiller erfolgt über Synchronmotoren, die ihren Strom von SD2S-Frequenzumrichtern beziehen. Sieb & Meyer

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 nicht nur für Efficient Energy, sondern auch für den Endkunden. Zu diesem Zweck passt Sieb & Meyer das Seriengerät konstruktiv an. Sollte sich diese Maßnahme bewähren, so ist ein weiterführendes Projekt denkbar: Efficient Energy möchte den Frequenzumrichter langfristig direkt in die Anlage integrieren. Das würde die Kosten weiter senken, weil das Gerät somit nicht mehr in einem separaten Schaltschrank untergebracht werden müsste. „Die Voraussetzung dafür wäre eine modifizierte Bauform des SD2S mit einem neuen Platinenlayout“, erläutert Florian Mayer. Eine Herausforderung, die mit Sieb & Meyer als Partner durchaus zu bewältigen ist, denn: „Sieb & Meyer ist so aufgestellt, dass die Mitarbeiter individuelle Projekte über den ganzen Prozess hinweg betreuen können. Das macht für uns den Mehrwert aus.“

(jj)