Sie arbeiten meist im Verborgenen: Pumpen, Lüfter und Kompressoren sind für viele Bereiche unseres Alltags von großer Bedeutung. Sie müssen Tag für Tag zuverlässig arbeiten. Denn ohne die von ihnen übernommen Aufgaben, wie beispielsweise die Belüftung und Versorgung von Gebäuden oder die Trinkwasserver- und –entsorgung, gestaltet sich unser Leben erheblich schwieriger. All diese Anwendungsgebiete erfordern perfekt funktionierende Pumpen, Lüfter und Kompressoren.
So unterschiedlich die Anforderungen und Einsatzbedingungen bei den diversen Applikationen auch sein mögen, die Hauptaufgabe bleibt immer dieselbe: Pumpen-, Lüfter- oder Kompressoren müssen so effizient wie möglich anzutreiben. Dies erfordert nicht nur gute Produkte, sondern auch entsprechende, die Lifecycle-Costs berücksichtigende Konzepte.
Früher liefen die Geräte direkt am Netz und die Regelung der abgegebenen Leistung erfolgte über Drosselklappen sowie Schiebersysteme, teilweise auch heute noch. Dennoch ist heute mehr und mehr eine Drehzahlregelung gefragt, die die stufenlose Anpassung der Antriebe an die gerade benötigte Leistung erlaubt. Gerade bei den Strömungsmaschinen mit quadratischer Kennlinie kann so die Energiebilanz stark verbessert werden, was in der Praxis zu erheblichen Einsparungen bei den Energiekosten führt.
Daneben sinken auch die Aufwendungen für Wartung und Service, da der sanfte Start sowie generell die reduzierte Anzahl von Start und Stopps den Verschleiß an diesen Maschinen drastisch reduziert.
Doch wie sollte eine Anlage aufgebaut sein, die aus verschiedenen Gründen nicht mit einer Maschine auskommt? In diesen Fällen benötigt der Anwender dann eine Lösung für den Mehrpumpenbetrieb, die trotzdem oben beschriebene Vorteile bietet.
Gründe für den Einsatz von Mehrpumpensystemen gibt es viele. Der wichtigste Grund liegt in der optimalen Einstellung des Arbeitspunktes in Abhängigkeit von der jeweils benötigten Leistung im System. Dies führt zu einem optimalen Wirkungsgrad des Gesamtsystems. Im Vergleich dazu kann dies bei einem großen Regelbereich mit Einsatz nur einer Pumpe, die für den Worst-Case ausgelegt ist, einen Wirkungsgrad bedeuten, der nur bei beispielsweise 10 bis 20 Prozent liegt. Das Mehrpumpensystem liegt meist im Vergleich dazu bei über 70 Prozent. Insgesamt kann man dann von einer wesentlich besseren Energiebilanz ausgehen.
Daneben lässt sich ein Mehrpumpensystem in vielen Fällen besser und genauer regeln, als nur eine Pumpe. Insbesondere beim Einsatz eines Master-Slave-Systems (siehe unten), läuft das System optimiert. Darüber hinaus bietet ein Mehrpumpensystem eine höhere Redundanz und damit eine höhere Verfügbarkeit des Gesamtsystems, als ein Einpumpensystem.
Für die Steuerung eines solchen Systems mit mehreren Strömungsmaschinen bietet sich eine Kaskadenregelung an, wie sie sich beispielsweise mit dem Frequenzumrichter VLT® AQUA Drive von Danfoss realisieren lässt. Prinzipiell übernimmt dabei eine Pumpe, ein Lüfter oder ein Verdichter, die dann am Frequenzumrichter angeschlossen ist, die Führung und je nach Bedarf schaltet der Umrichter weitere Maschinen zu, um die benötigte Gesamtleistung im System zu erbringen. Dabei lassen sich drei Grundtypen solcher Kaskadenschaltungen unterscheiden: Der Standardkaskadenregler, bei dem nur eine Strömungsmaschine frequenzgeregelt ist, die Master-Slave-Schaltung, bei der alle Maschinen drehzahlgeregelt sind, sowie eine Mischung daraus. Das besondere an einer solchen Lösung ist, das sie heute über einen Frequenzumrichter realisiert werden kann, ohne dass eine weitere, teurere und übergeordnete Steuerungsebene zum Einsatz kommt.
Bei der Standard-Kaskadenregelung wird die Führungspumpe über einen Frequenzumrichter drehzahlgesteuert, um eine stufenlose Regelung zu ermöglichen. Er steuert auch in Abhängigkeit von einer Sollwertvorgabe beziehungsweise einer Messwerterfassung die Folgepumpen, die über ein Relais direkt mit dem Versorgungsnetz verbunden werden. Der VLT® AQUA Drive kann serienmäßig insgesamt drei Pumpen ansteuern, mit der Kaskadenerweiterung sogar bis zu 5 Pumpen oder Lüfter.
Das Prinzip ist relativ einfach: Am Anfang führt der Frequenzumrichter erst die drehzahlgesteuerte Pumpe bis zur benötigten Leistung hoch. Erreicht diese Pumpe die 100 Prozentmarke, so übernimmt die erste Folgepumpe, die die gleiche Leistung wie die geregelte Pumpe haben muss, den Betrieb. Darüber hinaus benötigte Leistung erbringt wieder die drehzahlgeregelte Pumpe. Dieses Spiel wiederholt sich in den jeweiligen Stufen der Kaskade. Daraus ergibt sich aber auch ein optimales Leistungsverhältnis der Pumpen: 1:1:2:4:8 … , wobei die erste Pumpe den drehzahlgeregelten Motor nutzt. Sinkt die benötigte Leistung unter einen entsprechenden Schwellenwert, so dass die frequenzgeregelte Pumpe nicht mehr ausgleichen kann, geht die Pumpe mit Festdrehzahl vom Netz, die zu diesem Zeitpunkt noch die höchste Fördermenge erbringt. Die Tabelle 1 zeigt typische, gültige Leistungskombinationen, immer bezogen auf die drehzahlgeregelte Pumpe als Bezugswert mit 100 Prozent. Der Vorteil dieser Schaltung: Im System herrscht immer ein konstanter Druck, ohne jegliche Druckstöße, was eine geringere Systembelastung und einen ruhigeren Betrieb ermöglicht.
Tabelle 1:
| Drehzahlger. Pumpe | Festdrehzahl 1 | Festdrehzahl 2 | Festdrehzahl 3 | Festdrehzahl 4 | Festdrehzahl 5 |
| 100 % | 100 % | 200 % | |||
| 100 % | 100 % | 200 % | 200 % | ||
| 100 % | 100 % | 100 % | 300 % | ||
| 100 % | 100 % | 200 % | 400 % | ||
| 100 % | 100 % | 100 % | 300 % | 300 % |
