Frequenzumrichter So laufen Solarpumpen bei Regen und Sonnenschein

Redakteur: Karin Pfeiffer

Trüber Himmel? In unseren Breiten meist der Haken, wenn es um solarbetriebene Pumpen für Kläranlagen, Fischzucht & Co. geht. Muss aber nicht. Gefran hat einen Frequenzumrichter entwickelt, der die Leistung des Pumpenmotors bei schwankender Sonnenscheindauer regelt – im Hybrid-Betrieb.

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Speziell für Pumpsysteme mit Strom aus Photovoltaik-Anlagen entwickelt: Ein neuer Frequenzumrichter von Gefran gleicht die schwankende Sonnenschein-Dauer aus.
Speziell für Pumpsysteme mit Strom aus Photovoltaik-Anlagen entwickelt: Ein neuer Frequenzumrichter von Gefran gleicht die schwankende Sonnenschein-Dauer aus.
(Bild: Eyematrix/Fotolia.com)

In vielen Regionen der Welt scheint die Sonne oft – und lange. Naturgemäß sind Photovoltaik-Anlagen hier also eine günstige und vor allem umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen, fossilen Energieträgern. Deren Ressourcen sind bekanntlich zum einen begrenzt, zum anderen mit einem hohen Ausstoß an Treibhausgasen verbunden. Bei Solarstrom handelt es sich dagegen um eine zu 100 Prozent CO2-neutrale, praktisch unbegrenzte Energiequelle. Es gibt allerdings einen Haken: Gerade in gemäßigten Breiten schwankt die Sonnenschein-Dauer teils stark. Der per PV-Anlage erzeugte Strom reicht dann nicht aus, um zum Beispiel Pumpen konstant mit der benötigten elektrischen Energie zu versorgen.

Der Automatisierungstechnik-Spezialist Gefran hat hier nach einer Lösung gesucht und mit dem ADV200-SP einen Frequenzumrichter speziell für die Leistungsregelung von Solarpumpen entwickelt. Er soll garantieren, dass die Pumpen immer mit der optimalen Leistung arbeiten – egal, ob die Sonne gerade scheint oder nicht. Möglich wird das durch die spezielle Konstruktion des ADV200-SP: Er versorgt Pumpen entweder ausschließlich mit Gleichstrom aus der PV-Anlage oder schaltet im sogenannten Hybrid-Betrieb bei bedecktem Himmel automatisch auf das Netz bzw. eine andere sekundäre Energiequelle um. Ein dritter Modus erlaubt die gleichzeitige Speisung des Pumpenmotors mit Gleichstrom aus der PV-Anlage und Wechselstrom aus dem Netz oder von einem Generator.

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Algorithmus errechnet optimalen Arbeitspunkt

Damit der ADV200-SP Solarpumpen immer mit der maximal möglichen Leistung versorgen kann, verfügt er über einen Strahlungssensor und einen sogenannten MPP-Regler. Dieser spürt kontinuierlich den Maximum Power Point (MPP) auf, den maximalen Arbeitspunkt. Damit wird der Betriebspunkt bezeichnet, an dem ein PV-Modul die höchste Leistung abgibt. Die Ermittlung des MPP ist erforderlich, da jedes PV-Modul ein ganz spezifisches elektrisches Verhalten aufweist: Je nach Einstrahlungsstärke des Sonnenlichts und der Temperatur des PV-Moduls verändern sich Stromstärke (I) und Spannung (U) des Moduls in einem ganz bestimmten Verhältnis.

Damit verändert sich auch die Lage des MPP ständig. Der vom MPP-Regler eingestellte maximale Arbeitspunkt der PV-Anlage kann deshalb immer nur eine Annäherung an den realen MPP sein. Je besser diese Annäherung gelingt, desto größer ist der Energieertrag der PV-Anlage und desto höher ist die Leistung einer angeschlossenen Pumpe. Um dem realen MPP so nahe wie möglich zu kommen, hat Gefran für den ADV200-SP einen dynamischen Such-Algorithmus entwickelt. Er ermittelt automatisch und in kurzer Zeit den jeweils optimalen Arbeitspunkt des PV-Moduls.

Der ADV200-SP basiert auf dem etablierten skalierbaren Frequenzumrichter ADV200 für industrielle Anwendungen, der sich durch eine hohe mechanische Modularität auszeichnet. Er verfügt über eine feldorientierte Vektorregelung sowie eine offene Programmierplattform (Software SPS), die eine flexible Maschinensteuerung und die reibungslose Integration in jede Anwendung ermöglicht. Dank dieser Soft-SPS ist zudem keine separate Steuerung erforderlich. Den ADV200-SP gibt es in Ausführungen für die Schaltschrank- und für die Durchsteckmontage.

Features machen Pumpen-Anwendungen sicherer

Gefran zufolge lassen sich mit dem ADV200-SP Verteilerpumpen und Tauchpumpen in verschiedensten Anwendungen energieeffizient betreiben, zum Beispiel in Kläranlagen, Bewässerungssystemen oder Wasserwerken. Der Umrichter hat einen Leistungsbereich von 1,5 kW bis 160 kW und ist mit zahlreichen nützlichen Features für die Pumpen-Kontrolle ausgestattet. Zu den Funktionen gehört etwa ein Warnsystem, das den Anlagenbetreiber über ein mögliches Trockenlaufen der Pumpe informiert, eine automatische Druck- und Durchflussmessung sowie eine Reinigungsfunktion, die das Laufrad der Pumpe von festen Ablagerungen befreit.

Der Frequenzumrichter besitzt Tasten für die schnelle Menü-Navigation und ein übersichtliches 4-zeiliges Display und lässt sich damit laut Hersteller komfortabel bedienen- So ist der Anwender jederzeit über den Status der Applikation informiert. Anwender können zudem bis zu 5 komplette Antriebsparameter-Sets up- oder downloaden beziehungsweise speichern. Über eine Extra-Taste werden darüber hinaus die letzten 10 Parameter angezeigt, die geändert wurden.

Schnittstellen und Tools für die Fernwartung

Über die integrierte RS485-/Modbus RTU-Schnittstelle des Umrichters ist auch der Aufbau von Mehrpunkt-Verbindungen und Peer-to-Peer-Netzwerken zwischen einer Vielzahl von Pumpen möglich. Ein weiteres Feature bietet das separat erhältliche GF Connect-Modul: Mittels Open VPN und SSL-Protokoll lassen sich die angeschlossenen Pumpen fernwarten. So müssen für die Zustandskontrolle keine teuren Service-Einsätze mehr gefahren werden, Personal wird frei für andere Aufgaben.

GF Connect ermöglicht auch, das gesamte Pumpensystem jederzeit von jedem Ort der Welt im Blick zu behalten – eine stabile Internet-Verbindung vorausgesetzt. Das Modul verfügt über einen integrierten Webserver und stellt einen Gateway zwischen netzwerkfähigen Geräten her, die mit verschiedensten Protokollen ausgerüstet sein können.

Der ADV200-SP selbst besitzt neben RS485/Modbus RTU auch Schnittstellen für alle gängigen Feldbusse wie z. B. Ethernet IP, Profibus, Profinet, DeviceNet, CANopen, oder Ethercat. Er bietet Platz für bis zu drei I/O-Karten, mit denen sich die Funktionalitäten des Umrichters flexibel erweitern lassen.

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