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Antriebstechnik: Flexible Umrichter in Kältemaschinen

Antriebstechnik
Flexible Umrichter in Kältemaschinen

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Ohne Kälteanlagen drohen empfindliche IT-Systeme zu überhitzen. Besonders umweltfreundlich kühlt die Kältemaschine „eChiller“. Frequenzumrichter sorgen für einen zuverlässigen Betrieb des Turboverdichters in ungewöhnlicher Umgebung eines Wasserdampfvakuums.

„Der eChiller ist die weltweit sauberste Kompressionskältemaschine“, betont Florian Mayer, Leiter Entwicklung Software und Elektronik bei dem jungen Unternehmen Efficient Energy. „Die Lösung ermöglicht es unseren Kunden, ihre kontinuierliche Industrieprozesskühlung zu modernisieren oder ihr Rechenzentrum rentabler zu gestalten.“ Der eChiller ist die 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“, sagt Florian Mayer. Im Übrigen sei der eChiller auch zukunftssicher – ganz im Gegenteil zu herkömmlichen Kälteanlagen. Sie würden den gesetzlichen Anforderungen bereits in wenigen Jahren nicht mehr genügen.
Die Technologie des eChillers basiert auf der Direktverdampfung, der Verdichtung, der Kondensation und der Entspannung von Wasser oder Wasserdampf im geschlossenen Kreislauf. Dieser Prozess erfolgt anforderungsbezogen in einem Vakuum bei Drücken zwischen 10 und 120 mbar absolut und damit in einem Temperaturbereich von 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 auf ein höheres Druck- und Temperaturniveau bringen. Der Antrieb der Turboverdichter erfolgt über Synchronmotoren, denen Frequenzumrichter Strom liefern.
Efficient Energy setzt seit dem ersten Prototyp im Jahr 2007 auf Frequenzumrichter des Typs SD2S von Sieb & Meyer. 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.“ 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, etwa 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 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 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 dauerhaft trotzen müssen“, so Sawallisch.
Rolf Gerhardt, Leiter Vertrieb Antriebselektronik bei Sieb & Meyer


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