Der Solar-Frequenzumrichter
Grundfos RSI
Der RSI wandelt die Gleichstromleistung eines Solarfelds in dreiphasigen Wechselstrom zum Antrieb einer Tauchpumpe um, ganz ohne Batterien. Er verfügt über eine Nachführung des Punktes maximaler Leistung (MPPT), besitzt die Schutzart IP66, deckt einen Leistungsbereich von 1,5 bis 250 kW ab und kann je nach Konfiguration durch das Stromnetz oder ein Stromaggregat unterstützt werden. Diese Merkmale sind die wesentlichen Punkte, die bei seiner Dimensionierung zu berücksichtigen sind.
Ein Frequenzumrichter, geschaffen für die Sonne
Der Frequenzumrichter RSI bildet die Schnittstelle zwischen dem Photovoltaikgenerator und dem Tauchmotor. Die Photovoltaikmodule liefern eine Gleichspannung, die mit Einstrahlung und Temperatur schwankt, während der Motor eine dreiphasige Versorgung benötigt, deren Spannung und Frequenz präzise gesteuert werden müssen. Der RSI übernimmt diese Umwandlung und integriert dabei einen Algorithmus zur Nachführung des Punktes maximaler Leistung (MPPT). Er passt die Ausgangsfrequenz, und damit die Drehzahl der Pumpe, laufend an die momentan verfügbare Leistung an. Die Pumpe arbeitet so über die gesamte Einstrahlungsspanne, mit einem Förderstrom, der sich natürlich an die vom Solarfeld gelieferte Energie anpasst.
Niederspannung oder Hochspannung, eine strukturierende Wahl
Der Frequenzumrichter RSI ist in zwei Eingangsspannungsbereichen erhältlich, deren Wahl die Dimensionierung des Photovoltaikgenerators bestimmt. Die Hochspannungsversion ist für Anlagen mittlerer und hoher Leistung bestimmt und erlaubt den Einsatz von Modulsträngen mit hoher Spannung. Die Niederspannungsversion, auf eine Höchstleistung von 15 kW begrenzt, ist für den Betrieb mit niedrigeren Gleichspannungen und angepassten Solarfeld-Konfigurationen ausgelegt.
| 3 × 208-240 V | 3 × 380-440 V | |
|---|---|---|
| Leistungsbereich | 1,5 bis 15 kW | 2,2 bis 250 kW |
| Mindestspannung am Punkt maximaler Leistung | 230 V | 450 V |
| Empfohlene Spannung | 290 bis 336 V | 530 bis 615 V |
| Maximale Eingangsspannung | 400 V | 800 V |
| Ausgangsfrequenz | 5 bis 160 Hz | 5 bis 160 Hz |
| Schutzart | IP66 | IP54 oder IP66 |
Die minimale MPP-Spannung, die empfohlene Spannung und die maximale Eingangsspannung legen die Dimensionierungsgrenzen des Photovoltaikgenerators fest. Der Modulstrang muss eine Spannung oberhalb der minimalen Betriebsschwelle beibehalten, wenn die Zellentemperatur hoch ist, eine Voraussetzung für die Aufrechterhaltung der Nachführung des Punktes maximaler Leistung. Umgekehrt darf seine Leerlaufspannung die maximale Eingangsspannung des Frequenzumrichters nie überschreiten, unter den ungünstigsten Bedingungen, insbesondere bei starkem Frost, wenn die Modulspannung ihren Höchstwert erreicht. Die Dimensionierung muss daher die gleichzeitige Einhaltung dieser Grenzwerte gewährleisten, um einen zuverlässigen und durchgehenden Betrieb der Anlage über das gesamte Jahr sicherzustellen.
Der RSI wird anhand der Motorstromstärke gewählt
Die Dimensionierung des Frequenzumrichters richtet sich nach dem Nennstrom des Motors. Bei gleicher Leistung weist ein für eine niedrigere Nennspannung ausgelegter Motor einen höheren Nennstrom auf. Es kommt daher häufig vor, dass der benötigte Frequenzumrichter einer höheren Leistungsklasse angehört als der Motor, um die geforderte Stromstärke unter allen Betriebsbedingungen abzudecken.
| RSI-Baugröße, Klasse 3 × 380-440 V | Nennausgangsstrom | Baugröße |
|---|---|---|
| 2,2 kW | 5,6 A | A |
| 4 kW | 9,6 A | A |
| 7,5 kW | 16 A | B |
| 15 kW | 31 A | B |
| 22 kW | 46 A | C |
| 37 kW | 72 A | C |
| 55 kW | 105 A | MR7 |
| 110 kW | 205 A | MR8 |
| 250 kW | 460 A | ED |
Dasselbe Prinzip gilt beim Austausch oder bei der Modernisierung einer bestehenden Anlage: Die Wahl des Frequenzumrichters erfolgt anhand der Nennwerte auf dem Typenschild des Motors, und nicht allein anhand seiner Scheinleistung. Der Inbetriebnahme-Assistent des RSI stützt sich im Übrigen auf diese Parameter, nämlich Nennspannung, Frequenz, Drehzahl, Nennstrom, Leistungsfaktor und Leistung, um den Frequenzumrichter zu konfigurieren. Um diesen Schritt zu vereinfachen, enthält er eine Bibliothek der wichtigsten Grundfos-Motoren, mit der sich das installierte Modell direkt auswählen lässt.
Was der RSI antreiben kann
Das technische Handbuch listet die kompatiblen Grundfos-Baureihen auf: die Tauchpumpen SP, die vertikalen mehrstufigen Pumpen CR, die NB und NK mit axialer Ansaugung, die MTR, die CM und die Inline-Pumpen TP. Nur zwei Bedingungen: eine Nennfrequenz von 50 oder 60 Hz, und ein Motor, der mit 3 × 380 V oder 3 × 220 V betrieben werden kann.
Was eine RSI-Anlage wirklich umfasst
Eine vollständige Anlage umfasst neben dem Frequenzumrichter mehrere Ausrüstungsteile, deren Liste die Anleitung festlegt. Zwei davon betreffen die Auslegung und müssen bereits bei der Projektstudie vorgesehen werden.
| Element | Funktion | Status |
|---|---|---|
| Gleichstrom-Trennschalter | das Solarfeld sicher trennen | unverzichtbar |
| Schutz gegen Gleichstrom-Überspannungen | den Eingang des Frequenzumrichters schützen | unverzichtbar |
| Trockenlaufsensor | eigener Eingang am Frequenzumrichter | unverzichtbar |
| Sinusfilter | die Isolierung des Motors vor Spannungsspitzen schützen | je nach Spannung und Kabellänge |
| Generatoranschlusskasten | die Modulstränge zusammenführen | je nach Größe des Feldes |
| Füllstandssensor | Abschaltung bei vollem Speicher | optional, Eingang vorgesehen |
| Wechselstrom-Trennschalter | Trennung zwischen Ausgang und Motor | optional |
Diese Vorgabe ist ausschlaggebend für die Wahl der Frequenzumrichter-Klasse. Die Modelle 3 × 380 bis 440 V benötigen eine Mindestspannung von 450 V am Punkt maximaler Leistung, was zwangsläufig eine Leerlaufspannung von über 400 V bedeutet. Der Einbau eines Sinusfilters ist bei dieser Klasse daher grundsätzlich erforderlich. Umgekehrt sind die Frequenzumrichter 3 × 208 bis 240 V für den Betrieb mit einem Photovoltaikgenerator ausgelegt, dessen Eingangsspannung unter 400 V bleibt, was unter den vom Hersteller vorgesehenen Bedingungen erlaubt, auf diesen Filter zu verzichten.
Die eingebauten Schutzfunktionen, und der Fühler, der sie ergänzt
Der Frequenzumrichter RSI integriert ein vollständiges Set an Schutzfunktionen zur Absicherung von Motor, Frequenzumrichter und Photovoltaikgenerator. Er überwacht insbesondere Überströme, Über- und Unterspannungen, Erdschlussfehler, Motorphasenausfälle, kurz- und langzeitige Überlastungen, Rotorblockierung, Unterlastbetrieb sowie die interne Temperatur des Frequenzumrichters. Er verfügt zudem über einen speziellen Schutz für Photovoltaikanwendungen: Wird die vom Generator gelieferte Leistung zu gering, um einen stabilen Betrieb zu gewährleisten, unterbricht der Frequenzumrichter automatisch den Antrieb der Pumpe, um verschlechterte Betriebszyklen zu vermeiden.
Die Inbetriebnahme umfasst eine zweite entscheidende Einstellung, die der minimalen Förderfrequenz. Dabei wird die Anlage bei sonnigem Wetter gestartet, die Frequenz schrittweise erhöht, bis tatsächlich ein Förderstrom einsetzt, und dieser Wert anschließend im Frequenzumrichter gespeichert. Diese Einstellung legt die Anlaufschwelle der Pumpe fest, unterhalb derer am Auslass kein Förderstrom geliefert wird.
Hitze und Höhenlage
Bei der Dimensionierung des Frequenzumrichters sind zwei Faktoren der Leistungsminderung zu berücksichtigen, insbesondere in heißen und hochgelegenen Regionen, in denen solare Pumpsysteme häufig eingesetzt werden. Bis zu einer Umgebungstemperatur von 40 °C kann der Frequenzumrichter seinen Nennstrom liefern. Darüber hinaus, bis 60 °C, muss der zulässige Ausgangsstrom gemäß den Herstellerangaben reduziert werden. Ebenso ist der Volllastbetrieb bis zu einer Höhe von 1.000 m gewährleistet. Darüber hinaus wird je 100 Höhenmeter eine Leistungsminderung von 1 % des Nennstroms angewendet, bis zur Höchsthöhe von 3.000 m.
Fünf Entscheidungen, eine einzige Dimensionierung
Einen RSI zu wählen bedeutet, gleichzeitig eine Pumpe, einen Motor, eine Frequenzumrichter-Baugröße, eine Modulstranglänge und eine Anzahl paralleler Stränge zu wählen. Diese fünf Entscheidungen hängen zusammen: Das Spannungsfenster bestimmt die Stranglänge, die Stranglänge bestimmt die Leistungsstufung des Feldes, und die Pumpe legt die Anlaufschwelle fest, unterhalb derer am Auslass kein Förderstrom geliefert wird.
Woher diese Informationen stammen
- Montage- und Betriebsanleitung RSI 1,5 bis 250 kW, Grundfos: technische Merkmale, Spannungsklassen, Baugrößen und Ausgangsströme, Wirkungsgrade des Antriebsmoduls, Inbetriebnahme-Assistent, Fehlercodes, Einstellung der minimalen Förderfrequenz.
- Anleitung RSI AC Drives, Grundfos: gesteuerte Motortypen, Umgebungstemperaturbereiche und Leistungsminderung, Leistungsminderung mit der Höhenlage, Schaltfrequenz.
- Technisches Handbuch RSI, Frequenzumrichter für erneuerbare Solarenergie zur Ansteuerung von Pumpen 1,5 bis 37 kW, Grundfos: allgemeine Beschreibung, Bestandteile der Anlage, kompatible Pumpenbaureihen, Zubehör.
- Montage- und Betriebsanleitung SP und SPE, Grundfos: Spannungs- und Kabellängengrenzen mit und ohne Sinusfilter, Temperatursensoren am Frequenzumrichter.