Frequenzumrichter schützt Pumpen vor Kavitation

In einer Kreiselpumpe (Zentrifugalpumpe) wird die Flüssigkeit durch das Auge des Laufrads gepresst. Reicht der Zufluss nicht aus, um den erforderlichen Ausfluss zu erreichen, bildet sich auf der Rückseite der Laufradschaufeln ein Unterdruckbereich, die Flüssigkeit kann zu kavitieren beginnen und es können sich Blasen bilden. Erreichen die Flüssigkeit und der Dampf den Ausgang des Laufrads, steigt der Druck an und die Dampfblasen kollabieren zurück zur Flüssigkeit, was Schockwellen durch die Pumpe schickt. Dieses plötzliche Kollabieren der Blasen und die daraus resultierenden Schockwellen verursachen ein hörbares Geräusch wie kleine Steinchen, die sich in der Flüssigkeit bewegen, und Vibrationen in der Pumpe. Diese Art der Kavitation wird als Saugkavitation bezeichnet.

Daraus folgt, dass der Einlassdruck sehr wichtig ist, damit eine Pumpe auf gewünschte Weise arbeitet. Der Druck, der am Einlass (Ansaugung) erforderlich ist, um das Laufrad bei einem bestimmten Durchfluss zu füllen, wird als positive Haltedruckhöhe (Net Positive Suction Head, NPSH) bezeichnet. Mit steigendem Förderstrom nimmt auch der NPSH-Wert zu. Die Pumpe kann dann Kavitation aufweisen, wenn der NPSH-Wert nicht erfüllt ist.

Dass Kavitation durch einen zu niedrigen NPSH-Wert entsteht, kann verhindert werden, indem der Durchfluss aus der Pumpe durch Verringern der Drehzahl gesteuert wird. Dadurch wird die Pumpenkurve in Richtung eines geringeren Durchflusses verschoben, was einen geringeren NPSH-Wert erfordert.

Eine zweite Art von Kavitation, die Druckkavitation, tritt auf, wenn der Druck der Pumpe extrem hoch ist oder wenn der Förderstrom gedrosselt ist und die Pumpe nicht verlassen kann, beispielsweise weil ein Auslassventil geschlossen ist. Der hohe Förderdruck erschwert es der Flüssigkeit, aus der Pumpe zu fließen, daher zirkuliert sie innerhalb der Pumpe. Die Flüssigkeit strömt mit sehr hoher Geschwindigkeit zwischen dem Laufrad und dem Gehäuse. Dadurch entsteht ein Unterdruck an der Gehäusewand und es bilden sich Blasen. Wenn diese wieder in die Nähe des Laufrads strömen, steigt der Druck und die Blasen fallen in sich zusammen.

Schwere Schäden an der Laufrad-Oberfläche

Die Schockwellen der kollabierenden Dampfblasen, die bei beiden Kavitationstypen auftreten, klingen zwar schnell ab, führen aber zu schweren Schäden an der Laufrad-Oberfläche. Die Kavitation in einer Pumpe führt dazu, dass sich unterschiedlich große Metallteile vom Laufrad lösen, wodurch dieses „schwammartig“ erscheint. Ein beschädigtes Laufrad ist nicht nur ineffizient, sondern führt auch dazu, dass die Pumpe ausfällt. Der Prozess kann selbst Förderräder aus Edelstahl innerhalb weniger Wochen komplett zerstören. Außerdem können die durch Kavitation verursachten Vibrationen zu Dichtungsschäden im Pumpensystem führen. Dieses Phänomen führt in der Wasserförderung immer wieder zu Ausfällen, die viel Geld und Zeit kosten.

Antikavitationsfunktion erkennt Auffälligkeiten

ABB hat den Frequenzumrichter ACQ580 speziell für den Wasser- und Abwasserbereich entwickelt, daher bietet das Gerät auch eine Antikavitationsfunktion. Die Technik erkennt Auffälligkeiten im Lastprofil, die auf Dampfblasen hinweisen. Der Algorithmus, der Kavitation in der Pumpe identifiziert, verwendet dabei das berechnete Motordrehmoment, um ungewöhnliche Schwankungen auszumachen.

Der Algorithmus zur Kavitationserkennung stützt sich auf eine Kavitationskurve des Frequenzumrichters, die als Maßstab für den normalen Betrieb verwendet wird. Indem das aktuelle Drehmoment mit dieser Referenzkurve verglichen wird, kann festgestellt werden, ob Kavitation in der Pumpe auftritt. Der ACQ580 identifiziert die Referenzkurve automatisch, indem er einen Prozess mit der Bezeichnung „Selbstabgleich der Kavitation“ durchführt.

Eine erkannte Kavitation kann beim ACQ580 eine Warnmeldung, eine Warnung und Regelung des Frequenzumrichter-Sollwerts zur Lösung des Problems oder nur eine Störmeldung auslösen. Wenn die Regelungsreaktion ausgewählt ist, beginnt der Frequenzumrichter, die Drehzahl in festgelegten Stufen zu verringern. Nach jeder Stufe prüft der Frequenzumrichter erneut, ob eine Kavitation vorliegt. Wird immer noch eine Kavitation festgestellt, reduziert der Frequenzumrichter die Drehzahl mit der festgelegten Stufe weiter, bis die Drehzahl einen festgelegten Mindestwert erreicht. Wird beim Mindestwert immer noch eine Kavitation erkannt, schaltet der Frequenzumrichter nach einer eingestellten Zeit mit Störung ab. Wird während der Kavitationssteuerung keine Kavitation mehr erkannt, erhöht der Frequenzumrichter die Drehzahl stufenweise wieder auf die Drehzahl, mit der er gelaufen ist, bevor die Kavitation eingesetzt hat.

Keine zusätzliche Hardware nötig

Kavitation ist ein bekanntes Problem im Zusammenhang mit Pumpen. Werden auf eine Flüssigkeit Kräfte ausgeübt, so dass es zu schnellen Druckveränderungen kommt, können sich kleine Niederdruckblasen bilden. Aufgrund des höheren Drucks um sie herum können diese implodieren und die Pumpe beschädigen. Die Antikavitationsfunktion des Frequenzumrichters ACQ580 kann Kavitationen in einer Pumpe erkennen und entsprechend reagieren. Das Gerät benötigt weder zusätzliche Hardware noch komplexe Pumpenstudien, um die Erkennung zu unterstützen; vielmehr nutzt die Funktion einen patentierten ABB-Algorithmus zur Analyse der Drehmomentwelligkeit.