Anlagen der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik (HLK) sind auf höchste Belastungen ausgelegt. In 85% der Fälle ist der tatsächliche ­Bedarf jedoch niedriger als die aus­gelegte Leistung. Lüftung und ­Pumpen laufen dennoch auf Volllast – unnötigerweise. Ganz anders beim Einsatz von Frequenzumrichtern: Diese ermöglichen die exakte Drehzahlsteuerung von Elektromotoren. So lässt sich sicherstellen, dass die Leistung von Pumpen und Lüftungen innerhalb eines Systems stets dem aktuellen Bedarf entspricht.

Speziell für HLK-Anwendungen konzipierte Frequenzumrichter, wie beispielsweise der G120P von Siemens, steu- ern Luftströme und flüssige Medien in gebäudetechnischen Systemen sehr effi-zient. Über die ­Reduzierung der Betriebskosten hinaus können solche Umrichter heute auch vielfäl­tige Ereignisse detektieren. Wenn beispielsweise die Pumpe blockiert ist oder trockenläuft, schützt das Gerät die Anlage, indem es entweder einen Alarm auslöst oder den Motor stoppt. Wird die Pumpe nicht gebraucht, kann der intelligente Ruhezustand unnötiger Abnutzung vorbeugen – und dadurch noch mehr Energie ein­sparen.

Um eine solche intelligent geregelte Anlage zu realisieren, ist naturgemäß eine sorgfältige Planung erforderlich. Das betrifft zum einen die korrekte Auslegung der Pumpe. Zum anderen muss der Frequenzumrichter für op­timale Ergebnisse anwendungsindi­viduell spezifiziert werden. Welche Erfolgsfaktoren dabei zu beachten sind, lässt sich in zehn Punkten zusammenfassen:

1. EMV-Vorschriften

Spezielle gebäudetechnische Funktionalitäten und eine EMV-konforme Installation sind eine Grundvoraussetzung, um das volle Energie-Einspar-Potenzial von Frequenzumrichtern zur Steuerung von Pumpen und Ventilatoren in HLK-Anlagen ausschöpfen zu können.

© Siemens

Die EMV-Vorschriften stellen für Wohn- und Geschäftsgebäude generell höhere Anforderungen als für industrielle Umgebungen. Deshalb müssen HLK-Frequenzumrichter die Grenzwerte der EMV-Kategorie C2 nach EN 61800-3 einhalten und über einen EMV-Filter der Klasse A verfügen. Für besonders sensible Bereiche, wie zum Beispiel Krankenhäuser, empfehlen sich Geräte nach EMV-Kategorie C1 (Filter Klasse B). Die Anteile der erzeugten Oberwellenströme sind in Europa durch die Norm EN 61000-3-12 geregelt. Sofern der Umrichter diese Norm nicht erfüllt, sind zusätzliche netzseitige Drosseln einzuplanen.

Zur Einhaltung der EMV-Vorgaben sind immer geschirmte Motorleitungen zu planen. Bei dezentral installierten IP54/55-Geräten ist ein separater Potenzialausgleich mit mindestens 16 mm2 vorzusehen. Bei der Verwendung langer Motorleitungen muss beachtet werden, dass ab einer Leitungslänge von 50 m die EMV-Normen nicht mehr erfüllt sind. In diesem Fall sind Sinus-Ausgangsfilter zu verwenden, die die maximale Leitungslänge auf 200 m erweitern und dabei eine längere Motor-Lebensdauer sicherstellen. Der Hersteller sollte getestete Kombinationen von Umrichter und Filtern empfehlen können.

2. Einfache Installation

Um die Umgebung eines Frequenzumrichters vor elektromagnetischen Einflüssen durch seinen Betrieb zu schützen, ist dessen einwandfreie Installation unerlässlich. Die Verkabelung muss also EMV-gerecht ausgeführt sein, um Störungen in sensiblen Systemen, beispielsweise der Feldbus-Kommunikation, zu vermeiden. Wichtigster Punkt ist dabei der korrekte Anschluss des Motorkabelschirmes an beiden Enden der Leitung. Vor der Installation sollte die Baustellen-Logistik geklärt sein, damit das benötigte Zubehör, wie passende EMV-Kabelverschraubungen oder Kabelschuhe, rechtzeitig vor Ort sind.

3. Installation außerhalb des Schaltschrankes

Im Gebäudebereich werden Umrichter sehr oft außerhalb eines Schaltschrankes installiert, beispielsweise direkt an einem Lüftungsgerät (Air Handling Unit). Dadurch reduzieren sich die Kosten für Motorkabel, Installation und Schaltschrankplatz. Hierfür geeignete Umrichter sind als Varianten in der Schutzklasse IP54 ausgeführt und tolerieren Betriebstemperaturen bis +60 °C. Damit erlauben IP54-Geräte auch den Einsatz in Räumen mit Heizkesseln. Beschichtete Leiterplatten sorgen für eine längere Lebensdauer in staubbelasteten Umgebungen. Bei der Montage an Schienensystemen ist zudem zu prüfen, ob für den benötigten Fluss des Kühlluftstroms eine separate Rückwand notwendig ist.

4. Einfache Inbetriebnahme

Ein grafisches Bedienteil mit einem Inbetriebnahme-Assistenten hilft maßgeblich bei der einfachen Inbetriebnahme eines Frequenzumrichters. Eine besonders elegante und kosteneffiziente Möglichkeit bietet sich, wenn die Bedienteile modular wechselbar sind: Die Inbetriebnahme geschieht also beispielsweise über ein komfortables grafisches Display, danach wechselt man für den Dauerbetrieb auf ein günstigeres Basis-Bedienteil.

Für Serien-Inbetriebnahmen mit der immer gleichen Konfiguration eignet sich ein Frequenzumrichter, der die Option zum so genannten Parameter-Cloning bietet. Damit lässt sich in Sekundenschnelle eine Konfiguration von einem Gerät auf ein anderes übertragen. Dies kann über Speicherkarten oder über den internen Speicher des Bedienteils erfolgen. Bei der Verwendung von IP54- oder IP55-Geräten sollte der Wechsel des Bedienteils oder der Zugang zur Speicherkarte ohne zusätzliches Werkzeug möglich sein.

5. Integrierte HLK-Funktionalität

Viele Frequenzumrichter sind in erster Linie für Industriemaschinen konzipiert und eignen sich damit nur bedingt für gebäudetechnische Anwendungen. Das bedeutet im Umkehrschluss: ­Speziell auf HLK-Anlagen zugeschnittene Lösungen sind hier eindeutig im Vorteil.

Bei der Integration des Umrichters in ein übergeordnetes Gebäudeleitsystem sind die Vorzüge einer dezentralen Regelung im Gerät zu bewerten. Hierdurch lassen sich Regelgeschwindigkeit und Dynamik teils deutlich erhöhen. Beispielsweise können mehrere integrierte PID-Regler nicht nur Druck oder Temperatur auf dem gewünschten Level halten, sondern auch externe Geräte steuern. Mehrzonen-regler und Echtzeit-Funktionen tragen dazu bei, dass der Umrichter auch im Inselbetrieb ganze Gebäudeteile autark regeln kann. Eine eingebaute PLC-Funktionalität stellt sicher, dass selbst komplexere Anwendungen mühelos realisiert werden können. Ein integrierter Brandfallbetrieb sorgt für mehr Sicherheit im Gebäude, indem im Notfall Fluchtwege rauchfrei gehalten werden. Gleichzeitig folgt der Um-richter einer ausgeklügelten Fehlerfall-Strategie, um den Betrieb so lange wie möglich aufrechtzuerhalten.

6. Einbindung in das Gebäudeleitsystem

Der Frequenzumrichter sollte sich nahtlos über die Feldbus-Schnittstelle in das Gebäudeleitsystem einbinden lassen. Die meistverwendeten Protokolle hierfür sind Modbus RTU in Europa sowie P1 und BACnet MS/TP in Amerika und Asien. Bei der Ausschreibung ist darauf zu achten, dass der Umrichter den nativen Feldbus des Leitsystems unterstützt. Eine Einbindung über Router beziehungsweise Gateways oder Konverter verursacht zumeist höhere Hardware-Kosten und drosselt die Performance.

7. Breites Angebot an ­Schnittstellen

Ein HLK-Umrichter verfügt idealerweise über vielfältige Anschlussmöglichkeiten für Steuersignale, Sensoren und Statusmeldungen. Neben analogen und digitalen Ein- und Ausgängen sind auch Schnittstellen für Temperatursensoren und PTC-Motorfühler wichtig. Sind diese Schnittstellen vorhanden, können passive Sensoren ohne zusätzliche Hardware geplant werden. Dies hilft, die Gesamtkosten der Installation weiter zu reduzieren. Sämtliche Ein- und Ausgänge sollten potenzialfrei ausgeführt sein.

8. Unterstützende Tools

Unterstützende Tools erleichtern die Planung, die Inbetriebnahme und den Service: So gewährleistet beispielsweise die Berechnung von Netzrückwirkungen während der Planung, dass keine unzulässigen EMV-Störungen im Gesamtsystem auftreten. Bei der Inbetriebnahme bietet eine komfortable Bediensoftware die Möglichkeit, komplexe Applikationen mit grafischer Unterstützung zu erstellen. Eine Oszilloskop-Funktion vereinfacht Wartung und Fein-Tuning: Die Ursache von Fehlern lässt sich damit ohne zusätzliche Messgeräte untersuchen, und Regelkreise können manuell weiter optimiert werden.

9. Wartungsfreundlichkeit

Geräteteile wie zum Beispiel Kühllüfter, die präventiv auszutauschen sind, sollten werkzeuglos und ohne das Gehäuse zu öffnen auswechselbar sein. Eine gute Lösung ist in diesem Zusammenhang ein modular aufgebautes Gerät. Bei diesem kann dann beispielsweise die Leistungselektronik separat gewechselt werden. Geräte, bei denen die Anschlüsse für Motor und Netzleitungen mit steckbaren Verbindungen ausgeführt sind, vermeiden beim Wechsel einen erneuten Verdrahtungsaufwand. Bei modularen Geräten muss im Regelfall weder die Steuerverkabelung noch die Parame-trierung neu erstellt werden. Der ­Frequenzumrichter verrichtet bereits wenige Minuten nach der Wartungsmaßnahme wieder seinen Dienst.

Zur Minimierung der Stillstandzeiten trägt auch ein separat gesichertes Back-up sämtlicher Anlagen-Parametrierungen bei. Besonders unkompliziert ist dies, wenn der Umrichter den Parametersatz auf eine Speicherkarte sichern kann. So können die Parameterdaten mühelos auf einen Backup-Server gespielt werden.

10. Weltweiter Service und Support

Auch die lokale Präsenz von Reparatur- Centern ist entscheidend für möglichst kurze Stillstandzeiten. Eine weltweit aufgestellte Support-Organisation garantiert internationale Unterstützung im Störungsfall.

Autor: Adrian Hediger ist Produktmanager Frequenzumrichter bei Siemens.