Grundfos SPE + RSI:
solares Pumpen mit variabler Drehzahl
Ein Grundfos-SPE-System, gesteuert von einem Frequenzumrichter RSI, folgt einer eigenen Dimensionierungslogik: eine Anlaufschwelle, ein minimaler Dauerförderstrom und drei unverzichtbare Zubehörteile. Hier folgen seine Funktionsweise, mit Zahlen belegt, und die Methode für seine Dimensionierung.
Eine Hydraulik, ein Magnetmotor, ein Frequenzumrichter
Ein SPE-System besteht aus drei Komponenten, die speziell für das integrierte Zusammenspiel entwickelt wurden. Der hydraulische Teil beruht auf den Tauchpumpen der Baureihe SP, die seit vielen Jahren für ihre Zuverlässigkeit und Leistung bekannt sind. Der Antrieb erfolgt über einen Synchronmotor mit Permanentmagneten MS6000P, vierpolig ausgeführt, mit einer Höchstdrehzahl von 3.000 tr/min bei 100 Hz, dreiphasig gespeist mit 3 × 350 V. Das gesamte System wird vom Frequenzumrichter RSI gesteuert, der die Gleichstromenergie aus dem Solarfeld direkt in eine dreiphasige Versorgung umwandelt und die Motordrehzahl fortlaufend an die verfügbare Solarleistung anpasst, um den Pumpenbetrieb über die gesamte Einstrahlungsspanne zu optimieren.
Der Wirkungsgrad ist der Hauptvorteil des Permanentmagnetmotors. Das Fehlen induzierter Ströme im Rotor begrenzt die Erwärmung des Motors und verringert die an die geförderte Flüssigkeit abgegebene Wärmemenge, zwei Faktoren, die die Lebensdauer der Tauchmotoreinheit unmittelbar bestimmen. Grundfos gibt einen Wirkungsgradgewinn von 8 bis 10 Punkten gegenüber einem Asynchronmotor gleicher Leistung an und veröffentlicht diese Werte im Detail bei 50, 75 und 100 % Last.
Die Anlaufschwelle, oder warum eine Pumpe laufen kann, ohne Wasser zu liefern
Eine Kreiselpumpe entwickelt erst ab einer bestimmten Mindestdrehzahl eine nutzbare Förderhöhe. Unterhalb dieser Schwelle treibt der Motor zwar das Laufrad an und verbraucht Energie, doch die erzeugte Förderhöhe reicht nicht aus, um die statische Förderhöhe des Systems zu überwinden: Am Auslass wird dann kein Förderstrom geliefert. Die Affinitätsgesetze der Kreiselpumpen, unter anderem von Grundfos in seiner technischen Dokumentation veröffentlicht, erlauben es, diese kritische Drehzahl zu bestimmen, ab der tatsächlich Wasser gefördert wird.
Die Nullförderhöhe ist der Scheitelpunkt der Förderstrom-Förderhöhe-Kennlinie bei voller Drehzahl. Eine Pumpe, die bei Nullförderung 189 m erreicht und bei 75 m arbeitet, läuft bei √(75/189) an, also bei 63 % ihrer Drehzahl. Unterhalb dieser Drehzahl verbraucht die Pumpe Energie, ohne Förderstrom zu liefern, während der Förderstrom oberhalb davon schnell mit der Drehzahl ansteigt. Je niedriger dieses Verhältnis, desto länger die Zeitspanne, über die die Pumpe im Laufe des Tages arbeitet.
Eine SPE 77-9 auf 75 Metern
Ein Beispiel: 75 Meter Gesamtförderhöhe, mit einem Förderstrom-Ziel von rund 100 m³/h. Die SPE 77-9 erfüllt diesen Punkt: neun Stufen, Motor mit 37 kW, Nullförderhöhe von 189 Metern. Sie läuft bei 63 % ihrer Drehzahl an: Die Pumpe startet früh am Morgen und hält bis spät am Abend durch. Hier ihr Tagesverlauf, für ein Solarfeld von 47 kWp und einen Systemwirkungsgrad von 0,80.
| Sonneneinstrahlung | Leistung am Eingang des Frequenzumrichters | Förderstrom | Was geschieht |
|---|---|---|---|
| 150 W/m² | 5,6 kW | 0 m³/h | unter der Schwelle: die Pumpe fördert nicht |
| 197 W/m² | 7,3 kW | Anlauf | das Wasser beginnt zu steigen |
| 300 W/m² | 11,2 kW | 32 m³/h | bereits ein Drittel des maximalen Förderstroms |
| 500 W/m² | 18,7 kW | 61 m³/h | Regime am späten Vormittag |
| 700 W/m² | 26,1 kW | 80 m³/h | |
| 900 W/m² | 33,6 kW | 95 m³/h | |
| 1.000 W/m² | 37,3 kW | 101 m³/h | volle Drehzahl, der Frequenzumrichter begrenzt |
Ein Fenster von 5 zu 1 entspricht einem großzügigen Arbeitsbereich. Bei einer Pumpe mit einem Verhältnis von Förderhöhe zu Nullförderhöhe von 0,85 würde der Anlauf auf 92 % der Drehzahl steigen und das Fenster auf 1,3 zu 1 sinken: Dieselbe Anlage würde dann nur noch zu den sonnenreichsten Stunden arbeiten. Das ist der erste Punkt, den die Dimensionierung prüfen muss, noch vor der Leistung des Solarfelds.
Was der RSI dem Photovoltaikgenerator vorschreibt
Der RSI ist in zwei Spannungsklassen erhältlich, und diese Wahl bindet den gesamten Photovoltaikgenerator, da sie die Architektur der Modulstränge bestimmt. Die Klasse 3 × 380-440 V deckt 2,2 bis 250 kW ab, während sich die Klasse 3 × 208-240 V bis 15 kW erstreckt und bei niedrigeren Gleichspannungen arbeitet.
| Klasse des Frequenzumrichters | Minimale MPP-Spannung | Empfohlene MPP-Spannung | Maximale Eingangsspannung | Leistung |
|---|---|---|---|---|
| 3 × 380-440 V | 450 V | 530 bis 615 V | 800 V | 2,2 bis 250 kW |
| 3 × 208-240 V | 230 V | 290 bis 336 V | 400 V | 1,5 bis 15 kW |
Daraus ergeben sich zwei Regeln für die Dimensionierung der Verkabelung. Der Strang muss auch bei hoher Wärme über 450 Volt am Punkt maximaler Leistung bleiben, wenn die Modulspannung einbricht, und bei strengem Frost unter 800 Volt Leerlaufspannung, wenn sie ihren Höchstwert erreicht. Die empfohlene Spanne dazwischen hat einen physikalischen Grund: Es wird genügend Gleichspannung benötigt, damit der Frequenzumrichter die volle Motorspannung bei dessen Nennfrequenz liefern kann.
Die drei unverzichtbaren Bauteile
Drei Ausrüstungsteile begleiten das System und schützen den Motor auf Dauer: der Sinusfilter, der Kühlmantel und der Temperaturfühler.
Der Sinusfilter
Ein Frequenzumrichter liefert keine Sinuswelle, sondern eine Folge von Impulsen, und die daraus entstehenden Spannungsspitzen beanspruchen die Isolierung der Wicklungen, umso mehr, je länger das Steigkabel ist. Die Anleitung der SP-Pumpen legt klare Grenzen fest: Bei einem Motor MS6000, gespeist von einem Solar-Frequenzumrichter, ist ohne Filter die Gleichspannung des Feldes im Leerlauf auf 400 Volt begrenzt und das ungeschirmte Kabel auf 300 Meter; mit Sinusfilter steigen diese Grenzen auf 800 Volt und 500 Meter.
Die Klasse 3 × 380-440 V erfordert eine Mindestspannung von 450 Volt am Punkt maximaler Leistung und folglich eine noch höhere Leerlaufspannung, sodass sie die Grenze von 400 Volt in keinem Fall einhalten kann. Bei dieser Klasse ist der Sinusfilter Pflicht. Die Klasse 3 × 208-240 V, deren Eingang auf 400 Volt begrenzt ist, ist so ausgelegt, dass sie ohne ihn auskommt.
Bei einem Motor mit 3.000 tr/min, gespeist mit 100 Hz, wählt man den Filter anhand der 100-Hz-Spalte des Katalogs. Der zulässige Strom eines Filters liegt bei 100 Hz etwa ein Viertel niedriger als bei 50 Hz: Ein Motor, der bei 100 Hz 85,6 A zieht, benötigt einen Filter, der für etwa 112 A bei 50 Hz ausgelegt ist.
Der Kühlmantel
Ein Tauchmotor kühlt sich durch das an ihm vorbeiströmende Wasser; Grundfos verlangt eine Geschwindigkeit von mindestens 0,15 m/s entlang des Motors und liefert die Formel zur Überprüfung:
In einem weiten Bohrloch strömt das Wasser langsamer um den Motor und kühlt ihn weniger. Der Kühlmantel, ein einfaches, um den Motor gelegtes Rohr, stellt die Strömungsgeschwindigkeit wieder her; Grundfos empfiehlt ihn auch bei Vorhandensein von Sand.
Bei der SPE 77-9 des Beispiels wird er ab etwa 190 mm Bohrlochdurchmesser sinnvoll; die Schwelle hängt von der Pumpe ab.
Der Temperaturfühler
Die Tauchmotoren von Grundfos können mit einem integrierten Temperatursensor ausgestattet werden, und das technische Handbuch weist unmissverständlich darauf hin, dass diese Sensoren nicht mit einem Frequenzumrichter kompatibel sind. Eine interne Sicherung des Messumformers löst beim Einschalten des Frequenzumrichters aus, und der Sensor ist endgültig verloren. Grundfos empfiehlt, stattdessen einen externen Pt100- oder Pt1000-Fühler zu installieren.
Der externe Fühler ist der einzige Wärmeschutz des Systems. Der Frequenzumrichter schützt den Motor vor elektrischer Überlastung; die Temperatur hingegen beruht vollständig auf dem Fühler: Die Anleitung stellt klar, dass der Frequenzumrichter sie nicht misst.
Der einzuhaltende Betriebsbereich
Die Dimensionierung muss sicherstellen, dass die Pumpe dauerhaft innerhalb ihres Einsatzbereichs arbeitet, unabhängig von den klimatischen Bedingungen und den Gegebenheiten des Standorts.
| Grenzwert | Wert | Warum |
|---|---|---|
| Minimaler Dauerförderstrom | 0,1 × Nennförderstrom | darunter zirkuliert nicht mehr genug Wasser, um den Motor zu kühlen |
| Maximaler Dauerförderstrom | 1,3 × Nennförderstrom | Risiko von umgekehrtem Achsschub und Kavitation |
| Betrieb bei geschlossenem Ventil | höchstens 30 Sekunden | die Flüssigkeit erwärmt sich örtlich |
| Überdrehzahl | nicht empfohlen | der Hersteller rät davon ab, die Nennfrequenz zu überschreiten |
| Beschleunigungsrampen | höchstens 3 Sekunden | Schutz der Gleitlager und der Dichtung |
| Anzahl der Starts | 120 pro Stunde, 360 pro Tag | wichtig zu prüfen an Standorten mit häufigem Wolkendurchzug |
Eine bereits installierte SP-Pumpe solarisieren
Der RSI steuert auch die klassischen Asynchronmotoren der Tauchpumpen der Baureihe SP. Eine bereits in einer Bohrung installierte Pumpe lässt sich so auf Solarbetrieb umstellen, ohne die Hydraulik zu verändern, bei gleichem Frequenzumrichter und gleicher Dimensionierungsmethode.
| SP + RSI (Asynchronmotor) | SPE + RSI (Permanentmagnete) | |
|---|---|---|
| Motorwirkungsgrad | in der Größenordnung von 82 % | 92,4 % bei Volllast |
| Wirkungsgrad bei Teillast | selten veröffentlicht | 90,6 % bei halber Last |
| Nenndrehzahl | 2.900 tr/min bei 50 Hz | 3.000 tr/min bei 100 Hz |
| Direktanschluss ans Netz | möglich | nicht möglich, Frequenzumrichter zwingend |
| Sinusfilter in der 400-V-Klasse | Pflicht | durchgehend enthalten |
| Anwendungsfall | Solarisierung einer bereits installierten Pumpe | Neuinstallation, Suche nach dem besten Wirkungsgrad |
Bei gleichem Solarfeld verfügt der Permanentmagnetmotor über mehr Leistung an der Welle: Er läuft früher am Morgen an und liefert über den gesamten Tag ein größeres Wasservolumen. Ein Unterschied von zehn Wirkungsgradpunkten schlägt sich damit unmittelbar in einem größeren Fördervolumen nieder.
Was LE LAB daraus macht
Die Dimensionierung eines Pumpsystems mit variabler Drehzahl beginnt mit der Bestimmung der hydraulischen Anlaufschwelle. Zunächst ist zu prüfen, ob diese Schwelle unter den tatsächlichen Einstrahlungsbedingungen einen nutzbaren Betriebsbereich ermöglicht. Anschließend ist sicherzustellen, dass der geforderte Förderstrom über dem minimalen Dauerförderstrom der Pumpe bleibt, und danach zu kontrollieren, dass der Photovoltaikgenerator das vom Frequenzumrichter zulässige Spannungsfenster einhält, sowohl bei der Höchstspannung bei niedrigen Temperaturen als auch bei der Mindestspannung bei großer Hitze. Erst nach der Bestätigung dieser Betriebsbedingungen kann die Auswertung der Wasserproduktion, Monat für Monat, erfolgen.
Bei der Dimensionierung vergleicht LE LAB systematisch die SPE-Systeme mit RSI-Frequenzumrichter mit den Pumpenlösungen mit integriertem Regler. Wenn mehrere Architekturen den geforderten Betriebspunkt erreichen, schlägt die Anwendung vorrangig die einfachste Lösung vor, um die Komplexität der Anlage zu begrenzen, die Kosten zu senken und die Umsetzung sowie die Wartung zu erleichtern.
Woher diese Zahlen stammen
- Technisches Handbuch SPE 3.000 tr/min, Grundfos: Beschreibung der Baureihe, Motoren MS6000P, Wirkungsgrade und Leistungsfaktoren, Auswahl der Sinusfilter, Betriebsbedingungen, Affinitätsgesetze, empfohlene Bohrlochdurchmesser.
- Montage- und Betriebsanleitung SP und SPE, Grundfos: Betrieb mit Frequenzumrichter, Spannungs- und Kabellängengrenzen mit und ohne Filter, minimale Strömungsgeschwindigkeit entlang des Motors, Temperatursensoren.
- Montage- und Betriebsanleitung RSI 1,5 bis 250 kW, Grundfos: Spannungen am Punkt maximaler Leistung, maximale Eingangsspannung, Frequenzbereich, Baugrößen und Ausgangsströme, Einstellung der minimalen Förderfrequenz, Fehlercodes.
- Anleitung RSI AC Drives, Grundfos: technische Merkmale des Frequenzumrichters, gesteuerte Motortypen, Temperaturbereiche und Leistungsminderung.
- Förderstrom-Förderhöhe-Kennlinien und Leistungskurven der Produktdatenblätter des Grundfos Product Centre für die als Beispiel angeführte Pumpe.
Zahlen und Randbedingungen entnommen aus der offiziellen Grundfos-Dokumentation, gültige Fassungen zum Zeitpunkt der Veröffentlichung; die Herstelleranleitung bleibt die maßgebliche Referenz. Eine von SINES, offiziellem Grundfos-Vertriebspartner, herausgegebene Seite.