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Drehzahlregelung für Pumpen fördert Kühlmittel auf energiesparendem Weg

07.05.2008
Ein wichtiges Anwendungsgebiet für Pumpen im Werkzeugmaschinenbau ist die Versorgung von Werkzeugmaschinen mit Kühlmittel. Für gewöhnlich werden Kühlschmiermittelpumpen heute mit Tauchpumpen ausgestattet, die mit konstanter Drehzahl arbeiten – was zugleich eine Verschwendung von Energie bedeutet. Abhilfe können drehzahlgeregelte Schmiermittelpumpen schaffen.

In Werkzeugmaschinen, Kühlmittelversorgungs- und -aufbereitungsanlagen werden zur Förderung des Fluids standardmäßig Pumpen eingesetzt, die mit konstanter Drehzahl angetrieben werden. Sie sorgen dafür, dass über die gesamte Dauer eines Prozesses konstant die Fluidmenge zur Verfügung steht, die dem Punkt auf der Kennlinie entspricht, selbst in Prozessabschnitten, in denen ein geringerer Fluidbedarf gefordert ist.

In diesen Phasen des Überschusses wird in der Praxis das überschüssige Fluid über Ventile in den Vorratsbehälter zurückgeleitet. Das bedeutet Verschwendung von Energie, höheren Wärmeeintrag und letztlich schnelleren Verschleiß der eingesetzten Pumpen.

Mit einer Pumpenlösung, deren Förderleistungen den unterschiedlichen Anforderungen der jeweiligen Arbeitsschritte eines Bearbeitungsprozesses angepasst werden können, lässt sich die Kühlmittelförderung energieeffizienter gestalten.

Dabei fördern die Pumpen zu jedem Zeitpunkt der Bearbeitung nur die Menge an Fluid, die für den jeweiligen Bearbeitungsprozess notwendig ist. Erreicht werden kann dies durch die exakte Regelung der Pumpendrehzahl über einen Frequenzumrichter mit integriertem PI-Regler.

Energieeffiziente Pumpen ermöglichen eine Energieeinsparung von 40%

Energieeinsparungen von 40% sind mit den Energiesparpumpen zu erzielen, bei denen Eintauchpumpen der Baukästen HP und PX zum Einsatz kommen. Beide Pumpenbaureihen eignen sich besonders für den Einsatz in der Metallbearbeitung zum Kühlen und Schmieren sowie zum Entfernen anfallender Späne.

Schraubenspindelpumpen finden Verwendung, wenn Kühlschmierstoffe unter hohem Druck gefördert werden müssen, zum Beispiel beim Tieflochbohren, wo Werkzeuge mit Innenkühlung eingesetzt werden. Kreiselpumpen sind für Einsatzfälle geeignet, bei denen niedrige und mittlere Drücke benötigt werden, zum Beispiel bei Bearbeitungsprozessen, bei denen mit Außenkühlung gearbeitet wird.

Anstelle des sonst üblichen Standardmotors erfolgt der Pumpenantrieb bei den Energiesparpumpen über einen frequenzgeregelten Motor und stellt so eine energieeffiziente, betriebssichere und wirtschaftliche Alternative zu herkömmlichen Standardlösungen dar. Die Vorteile dieser Pumpenlösung mit Drehzahlregelung wurden durch Erkenntnisse aus diversen Versuchen und Langzeittests bestätigt:

-signifikante Einsparungen des Energieverbrauchs,

-deutliche Senkung der Betriebskosten,

-höhere Betriebssicherheiten sowie

-längere Standzeiten der Pumpen.

Ein zusätzlicher Vorteil dieser Pumpenlösung ergibt sich aus der Tatsache, dass mehrere Standardpumpen innerhalb einer Anlage durch nur eine einzige regelbare Eintauchpumpe ersetzt werden können.

Eine bedarfsgerechte Bereitstellung des Kühlschmierstoffes durch die Pumpen ist nicht nur aus der Sicht von Energie- und Kosteneinsparungen zu empfehlen, sondern vielmehr sind Aspekte der Nachhaltigkeit und des Umweltschutzes heute mehr denn je zu berücksichtigen. Dazu leisten die Energiesparpumpen einen Beitrag.

So ist mit den Pumpen insgesamt ein geringerer Wärmeeintrag in das Gesamtsystem festzustellen, mit dem Ergebnis, dass sich der erforderliche Aufwand für die Kühlleistung reduziert. Weil die Pumpen im praktischen Einsatz nur mit den Drehzahlen betrieben werden, die für den jeweiligen Anwendungsfall vonnöten sind, verringert sich der Verschleiß der rotierenden Teile. Erfreulicher Zusatzeffekt: Die Geräuschentwicklung ist deutlich geringer als bei Pumpen ohne Drehzahlregelung.

Um die Energiesparpumpen optimal auf den Einsatzbereich abzustimmen, können verschiedene Betriebspunkte im Kennlinienfeld der Pumpen angesteuert werden. Die stufenlose Druckregelung beider Pumpentypen erfolgt über den Frequenzumrichter, der über ein Analog- sowie über ein Digitalsignal angesteuert werden kann.

Die Lösung der Drehzahlregelung hat sich als ideal erwiesen, weil sie nahezu verlust- und vollkommen wartungsfrei arbeitet. Der hohe Leistungsfaktor, der über den gesamten Regelbereich praktisch konstant bleibt, ist der Grund für die geringe Stromaufnahme. Ergebnisse aus der Praxis haben gezeigt, dass mit den drehzahlregelbaren Eintauchpumpen in Abhängigkeit von dem jeweiligen Bearbeitungsprozess Energieeinsparungen von 40% zu erzielen sind.

Frequenzumrichter sorgen für Pumpensteuerung

Die Schraubenspindelpumpen und Kreiselpumpen der Baureihen HP beziehungsweise PX sind für eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten konzipiert. So werden sie in Werkzeugmaschinen sowie Kühlmittelversorgungs- und -aufbereitungsanlagen eingesetzt und sind sowohl für Erstausrüster als auch für Nachrüster gedacht.

Durch die kompakte Bauweise der Frequenzumrichter, die an der Stelle des Klemmkastens am Motor montiert sind, ist ein separater Schaltschrank für den Leistungsbereich bis 11 kW nicht mehr erforderlich. Die Ansteuerung der Pumpen mit Frequenzumrichter kann über die Maschinensteuerung erfolgen, so dass eine schnelle und einfache Inbetriebnahme der Pumpen gewährleistet ist. Die Pumpen arbeiten störungsfrei, selbst wenn Spannungsschwankungen im Versorgungsnetz auftreten sollten.

Programmierbare Hoch- und Auslauframpen sorgen bei Kreiselpumpen für einen sanften An- und Auslauf und bei den Schraubenspindelpumpen für eine sofortige Bereitstellung von Kühlschmierstoff aufgrund der kurzen Anlaufzeit. Die Einstellung der Drehzahl kann über einen Regelknopf am Frequenzumrichter erfolgen. Zudem können die Sollwerte sowohl direkt von der Maschine in den Bereichen 0 bis 10 V oder 4 bis 50 mA vorgegeben werden.

Die Verarbeitung der Istwertsignale erfolgt in den angegebenen Bereichen der Sollwerte. Die Programmierung der gewünschten Parameter ist über eine Mikrokonsole sowie über einen PC möglich. Zudem besteht die Möglichkeit, sich alle aktuellen Betriebsparameter, wie zum Beispiel Drehzahl und Stromaufnahme, anzeigen zu lassen.

Praxisbeispiel für energieeffizienten Einsatz von Pumpen

An Hand der Bearbeitung eines Grundkörpers aus Aluminium auf einer Heckert-Maschine vom Typ CWK 400D werden die Unterschiede zwischen einer konventionellen Pumpenanwendung, die mit Standardmotoren angetrieben wird, und einer drehzahlgeregelten Energiesparpumpe deutlich.

Bei der Standardlösung wurde eine Schraubenspindelpumpe vom Typ HPS 2170 mit konstanter Drehzahl von n = 2950 min-1 eingesetzt. Der Rückfluss des nicht benötigten Fluids in den Tank erfolgte über einen Bypass mit einem Druckregelventil.

Gemessen wurde die für den Arbeitsprozess verbrauchte Fördermenge der Pumpe bei Konstantbetrieb. Sie betrug 26 l/min. Für die gleiche Anwendung wurde eine Schraubenspindelpumpe vom Typ HPS 2170 eingesetzt, diesmal angetrieben durch einen frequenzgeregelten Motor mit variabler Drehzahl n = 1400 bis 3600 min-1.

Es entstand kein Rückfluss des Fluids, weil nur der für den Bearbeitungsprozess erforderliche Kühlschmierstoff von der Pumpe gefördert wurde. Die ermittelte Fördermenge für die Bearbeitung des Aluminiumgrundkörpers betrug lediglich 12 l/min.

Der Unterschied liegt bei über 50% zu Gunsten der drehzahlgeregelten Pumpe. Betrachtet man den dazugehörigen Energiebedarf von 4,6 kW (Standardlösung) im Vergleich zu den verbrauchten 3,3 kW der Energiesparpumpe ergibt sich eine Energieeinsparung für diesen Bearbeitungsprozess von nahezu 30%.

Dipl.-Ing. Holger Huntz ist Vertriebsleiter bei Vogel Spandau Pumpen.

Holger Huntz | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/betriebstechnik/pumpenarmaturenrohrleitungen/articles/120525/

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