Vorwort zu der Veröffentlichung über hermetische

Vorwort zu der Veröffentlichung über hermetische Schraubenverdichter
mit Frequenzumformer.
Auszug aus der Unternehmensgeschichte Bitzer: 1979 - der BMFT-Auftrag zur Entwicklung
regelbarer hermetischer Drehkolbenverdichter für Wärmepumpen mit Antriebsleistungen von 3 bis 5
kW wird 1979 erfolgreich abgeschlossen. Die Serienproduktion dieser Verdichter wird aber, nach
Abflauen des Wärmepumpenmarktes, zu Gunsten der zum gleichen Zeitpunkt begonnenen
Entwicklung von Schraubenverdichtern, zurückgestellt.
Bitzer hatte seine Entwicklung der Schraubenverdichter zu Beginn auf ein weltweit völlig
neues Anwendungsfeld ausgerichtet und zwar auf Fördervolumen unter 300 m³/h mit einem
neuen sehr spitzen Evolventprofil. Damit konnten dann auch sehr kleine HermetikSchraubenverdichter für Bahnklimaanlagen hergestellt werden, die gegenüber bisher
verwendeten halbhermetischen Kolbenverdichtern entscheidende Vorteile aufwiesen wie:
kleinere Baumasse, geringeres Gewicht, laufruhiger und geräuschärmer – ganz wesentlich
für den Betrieb waren aber die völlige Unempfindlichkeit gegenüber Flüssigkeitsschlägen –
es bedurfte keinerlei Kurbelgehäuseheizung oder eines speziellen Startmanagements mit
automatischen Absperrventilen.
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Betrieb eines hermetischen Schraubenverdichters in Verbindung
mit einem statischen Frequenzumformer
Dipl.-Ing. (FH) Adalbert Stenzel Bitzer Kühlmaschinenbau, Sindelfingen
Vortrag gehalten auf der DKV Tagung 1987
1. Einführung
Schraubenverdichter eignen sich wie alle Drehkolbenverdichter besonders gut für den
drehzahlvariablen Antrieb. Wenn man von offenen Verdichtern und deren möglichen
variablen Antrieben wie Turbine, Verbrennungsmotor oder Regelgetriebe einmal absieht,
so ist für halbhermetische und hermetische Verdichter mit Drehstrom-Asynchronmotoren
eine Veränderung der Drehzahl nur durch Frequenzänderung möglich. Am Beispiel eines
kleinen hermetischen Schraubenverdichters mit statischem Frequenzumformer soll über
das Betriebs- und Leistungsverhalten dieser Kombination berichtet werden. Den
Darlegungen liegen umfangreiche Untersuchungen in Kälte-und Klimakreisläufen
zugrunde.
2. Verdichter / Frequenzumformer
Ausgangspunkt der Betrachtungen ist ein kleiner hermetischer ZweiwellenSchraubenverdichter mit Öleinspritzung. Das Fördervolumen des Verdichters beträgt 46
m3/h bei 29oo min -1. Der Verdichter ist sauggasgekühlt, d.h. der Antriebsmotor wird von
dem Sauggasstrom des Kältemittels umströmt und dabei die Verlustwärme des Motors
abgeführt.
Bild 1 - Schnittbild eines hermetischen Schraubenverdichters
In dem Gehäuse ist druckseitig auch der Ölabscheider und die Öleinsprit zu ng
i n t eg r ier t , so da ss k e in er le i zu sä t zl i c h e I nst a l la t i o ne n - a uß er dem
Anschluss des Verdichters an den Kreislauf - erforderlich sind.
Die Speisung des Antriebsmotors erfolgt durch einen statischen Frequenz umf ormer. Besonder e Bedeutung hat in diesem Zusammenhang die W ahl der
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Anschlussspannung des Antriebsmotors. Für den Bereich bis l 00 Hz können
zwei Motor-Standardspannungen eingesetzt werden. Dabei ist zu berück sichtigen, dass der Umformer immer nur maximal die Netzspannung liefern kann.
Bild 2. mögliche Auslegungsspannungen des Antriebsmotors
Bei der Wahl der Motorspannung von 22o V kann im gesamten Anwendungsbereich die
Spannung proportional der Frequenz geändert werden; die Konsequenz ist aber
gegebenenfalls ein größerer Umformer, da der Strom im Vergleichspunkt 5o Hz um
den Faktor f3 größer ist. Bei der Auslegung auf 38o Volt erhält man auch bis 5o Hz
einen proportionalen Bereich, bei höheren Frequenzen kann die Spannung jedoch
nicht mehr angehoben werden, der Antriebsmotor wird dementsprechend dann bei
Unterspannung. betrieben und das mögliche Drehmoment fällt ab.- Diese
Anschlussart' kann nur gewählt werden, wenn das Betriebsmoment bei höheren
Drehzahlen z.B. auf Grund der Auslegung kleiner ist als das Auslegungsmoment zum
Herunterfahren der Anlage auf das Nennmoment.- Da für den vorgesehenen
Anwendungsfall ein weitgehend konstanter Momentenbedarf anzunehmen war, wurde die
Auslegung mit 22o V 5o Hz gewählt.
3.
Allgemeines Betriebsverhalten
Der hermetische Schraubenverdichter konnte in Verbindung mit dem Frequenzumformer
bei allen interessierenden Einsatzbedingungen der Klimaanwendung und einem
Drehzahlbereich von l000 bis 6000 min -1 betrieben werden. Frequenzumformer und
Antriebsmotor wurden dabei bis an die Auslegungsgrenzen eingesetzt, was ohne
Schwierigkeiten möglich war. Hervorzuheben ist dabei die Laufruhe des untersuchten
Verdichters in allen Drehzahlbereichen. Das ist ganz wesentlich auf Profil und Zähnezahl
der Schraubenrotoren sowie auf die Dämpfung durch die Öleinspritzung und die
Kapselung aller wesentlichen Teile des Verdichters einschließlich Ölabscheider
zurückzuführen. Es traten auch keine Probleme beim Start auf, wobei sich hier das
spezifische Verhalten des Schraubenverdichters besonders vorteilhaft auswirkt. Beim
Start erzeugt der Verdichter bis ca. 3oo min-1 - außer für Massenbeschleunigung - kein
Gegenmoment. Die Kombination Verdichter/Frequenzumformer startet mit dem
Nennstrom des Umformers; dieser Wert kann ganz wesentlich unter dem sonst bei
Netzbetrieb auftretenden Anlaufstrom des Antriebsmotors liegen.
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4.
Einfluss der Frequenzregelung auf das Leistungsverhalten
Das Leistungsverhalten von Schraubenverdichtern ist über der Drehzahl weitgehend
proportional. Bei dem untersuchten Verdichter handelt es sich jedoch um eine sehr kleine
Leistungsgröße-mit Umfangsgeschwindigkeiten am Hauptrotor bis ca. 5 m/s.
An dem Verlauf des Liefergrades in einem für die Klimaanwendung interessanten
Druckverhältnisbereich von p/po = 2 bis 4 ist ein deutlicher Abfall des Liefergrades bei
niederen Drehzahlen festzustellen. Das ist natürlich bei diesem kleinen
Schraubenverdichter besonders deutlich, da bei den niederen Drehzahlen die
Umfangsgeschwindigkeit sehr gering ist - bei n = l000 U/min = 4,2 m/s. Die
Umfangsgeschwindigkeit ist jedoch ausschlaggebend für die innere Abdichtung des
Verdichters, die im Gegensatz zu Kolbenverdichtern dynamisch erfolgt.- Weitgehende
Dichtheit wird erst ab ≈ 12 m/s erreicht.- Größere Schraubenverdichter haben entsprechend
größere Rotordurchmesser und höhere Umfangsgeschwindigkeiten. Zum Vergleich wurde
deshalb auch das Liefergradverhalten eines Verdichters
mit
14o
mm
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Rotordurchmesser und einem Fördervolumen von 22o m /h aufgetragen.
Bild 3 - Einfluss der Drehzahl auf den Liefergrad
Im Gegensatz zum Liefergrad ist das Drehmoment des untersuchten Schraubenverdichters
- bezogen auf einen Nennpunkt - weitgehend konstant. In dem Bereich zwischen
2000 bis 5000 Umdrehungen beträgt die Schwankungsbreite ± 5 % und ist damit
weitgehend unabhängig von der Förderleistung; was auch für größere Verdichter zutrifft.Interessant ist auch der Drehmomentenverlauf beim Start bzw. bei n ≥ l000 min-1. Bis ca.
100 Umdrehungen ist das Moment quasi 0, d.h. es sind nur geringe Reibmomente zu
überwinden sowie die Beschleunigungsmomente der Rotoren. Ab ca.-3oo Umdrehungen
beginnt die Verdichtung und bei 600 Umdrehungen ist die volle Druckdifferenz
aufgebaut.
Dieser Drehmomentenverlauf eignet sich ganz besonders für den Antrieb mit einem
Drehstromasynchronmotor und Speisung durch einen Frequenzumformer. Es sind keine
Drehmomentspitzen zu berücksichtigen. Die Auslegung kann entsprechend dem
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Nennmoment mit nur geringen Zuschlägen erfolgen, was zur Wirtschaftlichkeit des
Betriebes und der Investitionen wesentlich beitragen kann.
Bild 4 - Drehmomentverlauf in Abhängigkeit von der Verdichterdrehzahl
5.
Der Einfluss der Frequenzregelung auf die Wirtschaftlichkeit
Der Wirkungsgrad eines Frequenzumformers bei verschiedenen Frequenzen ist nicht
so einfach feststellbar, da die Ausgangsspannung des Umformers nur quasi sinusförmig
verläuft und durch eine große Zahl von Unterbrechungen und Spitzen gekennzeichnet ist.
Da es im Wesentlichen auf den Einfluss des Umformers auf den Wirkungsgrad des
Motors ankommt, wurde bei den vorliegenden Untersuchungen der Einbaumotor bei
den Netzfrequenzen 5o und 6o Hz ohne Umformer gemessen und dann entsprechend
mit Umformer im gesamten Frequenzbereich. Aus der Differenz der Aufnahmeleistung
des Motors mit und ohne Umformer wurde auf den Einfluss des Umformers auf den
Antriebsmotor geschlossen. Die Erfassung der Aufnahmeleistung erfolgte bei
Netzbetrieb an den Motorklemmen, bei Umformerbetrieb an den Umformeranschlussklemmen. Bei der Ermittlung der Werte wurde der an sich bekannte Motorwirkungsgrad
bei Netzbetrieb herausgerechnet, so dass der dargestellte Kurvenverlauf nur den Einfluss
des Umformers bei verschiedener Frequenz und Auslastung wiedergibt.
Bild 5 - Wirkungsverlauf des Frequenzumformers - Einfluss auf den Einbaumotor
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An dem Verlauf ist zu ersehen, dass der Betrieb bei höheren Frequenzen vorteilhafter ist
und bei großer Auslastung bessere Ergebnisse erzielt werden. - Der Verlauf ist sicher
auch von der Technik des Umformers sowie von seiner Leistungsgröße abhängig, ebenso
von der Baugröße und Auslegung des Einbaumotors. Der Kurvenverlauf ist deshalb nur als
Tendenz dargestellt.
Berücksichtigt man diese Kurve zur Ermittlung der Leistungsaufnahme bei
Frequenzregelung im Vergleich zu bisher üblichen Regelverfahren, so kann auch
hieraus wiederum eine Tendenz abgeleitet werden. Es ist bekannt, dass die
Drehzahlregelung von Schraubenverdichtern das wirtschaftlichste Regelverfahren
darstellt.
Im Vergleich dazu ist die Schieberregelung - wie sie bei Großschrauben angewendet wird
- zwar sehr elegant, aber auch sehr unwirtschaftlich im Teillastbereich. - Ausgehend von den
gleichen Parametern der Verdichtergröße ist dagegen die Regelung mit einem
statischen Frequenzumformer , bei Volllast unwirtschaftlicher als die Schieberregelung;
bei allen anderen Regelzuständen jedoch vergleichbar oder sogar wesentlich
überlegen - das hängt ganz davon ab, bei welchen Teillastbedingungen der überwie gende Einsatz erfolgt. - Unberücksichtigt ist dabei allerdings noch der höhere
Investitionsaufwand für den Umformer. Er wird durch die mögliche Mehrleistung des
Verdichters bei höheren Frequenzen als 5o Hz nur zum Teil kompensiert.
Bild 6 - Einfluss der Leistungsregelung auf den Energiebedarf
6. Anwendungsbeispiele
Wenn ein Frequenzumformer zum Einsatz kommen soll, so ist die erforderte
Regelgenauigkeit der Anlage häufig ein wesentliches Argument. Am Beispiel einer
anspruchsvollen Raumtemperaturregelung ist das recht gut darzustellen. Um hier den
Anforderungen bei üblicher Technik Rechnung zu tragen, ist das nur mit einem
Wasserkühlsatz und einer entsprechenden Regelung auf der Wasserseite zu
bewerkstelligen.
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Bild 7 - Raumkühlung durch Kaltwasser und Kaltwassersatz
Im Gegensatz dazu ist die gleiche Aufgabe mit einem frequenzgeregelten
Schraubenverdichter und direkter Raumkühlung durch einen Verdampfer zu erfü llen. Die
Anpassung der Leistung an den Bedarf bzw. die Temperatur oder Feuchteregelung kann
direkt über den Frequenzumformer stufenlos erfolgen; sie ist sehr schnell und kann höchste
Anforderungen hinsichtlich Genauigkeit erfüllen. Diese direkte Regelung kann
energetische Vorteile bieten, da die Verdampfungstemperatur höher liegt und
Wärmeübergangsverluste für das Transportmedium Wasser und der zusätzliche
Energiebedarf für die Umwälzung entfallen.'
Auch die Investitionskosten einer Direktverdampfungsanlage mit Schraubenverdichter und
Frequenzregelung kann günstiger sein als ein Wasserkühlsatz mit entsprechender
Regelung; trotz der heute noch recht hohen Kosten für den Umformer. - Entscheidend ist
jedoch, dass es sich um einen zu regelnden Verbraucher handelt, z.B. einen Raum oder ein
Zentralluft-gerät. Sollen dagegen mehrere Verbraucher bedient werden, so wird dies über
einen Kaltwasserkreislauf in jedem Fall zweckmäßiger auszuführen sein.
Bild 8 - Raumkühlung durch Direktverdampfung Schraubenverdichter mit Frequenzumformer
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7. Schlussbetrachtung
Nach den vorliegenden Untersuchungen eignen sich Schraubenverdichter sehr gut für
den frequenzvariablen Antrieb. Dies gilt insbesondere für die Anwendung zur
Raumkühlung und Klimatisierung. Die Leistung eines solchen Verdichters ist im Vergleich
zu anderen Regelungsarten und Betriebsweisen in einem sehr weiten Bereich recht
wirtschaftlich und sehr genau zu regeln. Die Kombination Schraubenverdichter/statischer
Frequenzumformer kann daher eine interessante Alternative zu anderen Regelverfahren
und Anlagenkonzepten darstellen, wenn das Bauvolumen der Anlage, die Laufruhe des
Verdichters, die Regelgenauigkeit, der Regelbereich und die Wirtschaftlichkeit bei
Teillast entscheidende Faktoren für die Auswahl sind.
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