Thomas Merkle - Kreiselpumpen und Pumpensysteme

Durch die spezielle Gestaltung der Rotorbleche besteht der Rotor sozusagen aus „Luft und Eisen“. Dadurch ergibt sich in der einen Richtung ein geringer magnetischer Widerstand und rechtwinklig dazu ein hoher magnetischer Widerstand. Sobald Spannung anliegt, kommt das Prinzip der magnetischen Reluktanz zum Tragen und der Rotor dreht sich.

Tabelle 2: Vergleich der verschiedenen Drehstrom-Motor-Typen

Im Anlauf beim Start des Motors erfolgt eine sehr hohe Stromaufnahme. Bei direkter Einschaltung liegt diese beim 5- bis 8- fachen Bemessungsstrom. Deshalb werden Drehstrommotoren nur bis 4 kW im Direktanlauf gestartet und ab 5,5 kW in Stern-Dreieck-Anlauf geschaltet.

Bild 7: Stern-Dreieck-Schaltung [19]

Der Motor wird im Stern gestartet und nach dem Hochlauf auf Dreieck umgeschaltet. Dadurch ist der Einschaltstrom nur ca. 1/3 so groß als wie beim Direktanlauf im Dreieck. Dies schützt den Motor vor Überlast und ermöglicht einen schonenden Betrieb.

Wechselstrommotoren sind einphasig und werden mit Wechselstrom betrieben. Zum besseren bzw. verstärkten Anlaufverhalten wird ein Kondensator eingesetzt. Durch diesen Anlaufkondensator erhöht sich das Startdrehmoment. Diese Motoren werden dort eingesetzt, wo nur ein Einphasenstromnetz vorhanden ist. Anwendungen finden sich beim Antrieb von Maschinen, Werkzeugen, Ventilatoren, Kompressoren und Pumpen.

Bild 8: Wechselstrommotor mit Kondensator [27]

Gleichstrommotoren sind sehr kostengünstig und in Konsumgütern weit verbreitet. Sie eignen sich für geringe Leistungen. Auch in Kraftfahrzeugen finden sich Gleichstrommotoren. Nachteilig ist ein schlechterer Wirkungsgrad als bei Drehstrom- und Wechselstrom-Motoren. Aufgrund ihrer guten Regelbarkeit und des guten Anlaufverhalten gewinnen sie aber wieder an Bedeutung, auch in industriellen Produktionsanlagen. Da auch Photovoltaikanlagen Gleichstrom liefern, entstehen keine Umwandlungsverluste bei der Einspeisung des Solarstroms ins betriebseigene Netz zum Direktverbrauch. Somit werden auch Pumpen mit Gleichstrommotoren für industrielle Produktionsanlagen an Bedeutung gewinnen.

Im Folgenden werden die verschiedenen RegelungsartenRegelungsarten dargestellt, die bei Pumpensystemen zum Einsatz kommen. Je nach Anwendungsbedarf sollte die sinnvollste Lösung ausgewählt werden. Eine Gesamtbetrachtung sollte über die Regelungsart entscheiden. Die Prioritäten können sein: einfach, oder energie-effizient, oder kostengünstig oder flexibel. Die Regelungsarten im Einzelnen:

Start / Stopp-Regelung, Bypass-RegelungBypass-Regelung, Drossel-Regelung.

Diese Regelungsart bietet sich an für Systeme, mit einem variierenden Bedarf, beispielsweise wenn mehrere kleine Pumpen parallelgeschaltet werden. Dabei addieren sich die Durchflussmengen, die Drücke nicht. Lastabhängig werden einzelne Pumpen zu- oder abgeschaltet. Dies erfolgt durch eine einfache Ein-/Aus-Schaltung. Diese Pumpen-Regelung ist aufgrund ihrer Einfachheit weit verbreitet.

Bild 9: Start-Stopp-Regelung

Durch ein Bypass-Ventil, das parallel zur Pumpenleitung installiert wird, fließt ein Teil der Strömung zurück in den Saugbereich. Ist nach einem Umbau einer Anlage beispielsweise die bereits vorhandene Pumpe zu groß, lässt sich durch den Bypass das Fördervolumen reduzieren. Diese Maßnahme ist zwar nicht sehr energieeffizient, bietet aber eine einfache und kostengünstige Lösung zur Anpassung der Pumpenleistung (Fördervolumen und Druck) an die umgebaute Anlage.

Bild 10: Regelung mit Bypass-Ventil

Das Drosselventil wird hierbei auf der Pumpen-Druckseite in Reihe zur Pumpe geschaltet. Dieses Ventil regelt sowohl die Fördermenge als auch den Förderdruck. Diese Maßnahme wird beim Umbau von Systemen angewandt, bei denen Pumpen mit hoher Förderhöhe eingebaut sind.

Bild 11: Regelung mit Drossel-Ventil

Dies ist die energieeffizienteste Pumpen-Regelung. Auf diese Regelungsart wird in Kap. 4.1.3.1 noch näher eingegangen, weshalb hier nur eine kurze Darstellung erfolgt. Bei der Drehzahl-Regelung geschieht die Einstellung des gewünschten Betriebspunktes entlang der Anlagenkennlinie. Da sich bei dieser stufenlosen Regelung über die Drehzahl von Pumpe/Motor, auch die zugeführte elektrische Leistung des Motors reduziert, ist dies eine sehr energiesparende Lösung. Bezogen auf einen langen Lebenszyklus der Pumpenanlage ist dies auch sehr kosteneffizient.

Diagramm 3: Regelung mittels DrehzahländerungDrehzahlregelung

Bewegen sich Bauteile und entsteht dabei Reibung, treten Verschleißerscheinungen auf. Mechanische Belastungen und Strömungen von Flüssigkeiten können Material-abtrag und Schäden an Bauteilen bewirken.

Sehr unterschiedliche Belastungen können Störungen, Verschleiß oder auch den Total-Ausfall einer Pumpe bewirken. Dies können Fremdkörper in Gehäuse, Laufrad oder Leitung sein, Überlastung, falsche Betriebsweise, die zu Kavitation führt, oder eine defekte Gleitringdichtung, die Leckage zur Folge hat.

Auch die Förderung von Flüssigkeiten mit Feststoffen, die zudem hart sind, bewirken schädigende Abrasion an den Pumpenkomponenten. Eine Reduzierung der Durch-flussgeschwindigkeit wirkt sich dabei verschleißmindernd aus. Die Förderung von speziellen Medien, die stark alkalisch sind, Kochsalzlösung, Säuren oder auch Meerwasser bewirken mehr oder minder Korrosionserscheinungen. Auch ungeplante Laständerungen ohne Leistungsanpassung haben negative Auswirkungen.