Energiesparende Hydraulikantriebe

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1 Energiesparende Hydraulikantriebe einungen und Vorurteile zur Hydraulik Hydraulik ist laut schmutzig veraltet Energieverschwendung A B C D E F G Hydraulik Dr.-Ing. Johann Lodewyks 1

2 Wirtschaftliche Bedeutung der Fluidtechnik VDA Zahlen für die deutsche Wirtschaft Pneumatik Hydraulik aschinenbau Vorteile der Stationärhydraulik Ölhydraulik Hohe Kraftdichte Langlebigkeit Zuverlässigkeit Einfacher Überlastschutz Gute Steuerbarkeit Einfache Linearbewegung Einfache Getriebefunktion Dr.-Ing. Johann Lodewyks 2

3 Anwendungsbeispiel Hochspannungstechnik Hochspannungsleistungsschalter - Antrieb der Schaltermechanik Notfunktion ohne Stromzufuhr 126 kv GIS p [ bar ] Q [ l/min ] Vorteile der obilhydraulik Ölhydraulik Geringes Gewicht Geringer Bauraum Aufgelöste Bauform Zuverlässigkeit Einfacher Überlastschutz Gute Steuerbarkeit Einfache Linearbewegung Einfache Getriebefunktion Dr.-Ing. Johann Lodewyks 3

4 Anwendungsbeispiel Braunkohlebagger Braunkohlebagger t Bagger 50 m 3 Schaufel Hydromotor getriebeloser Direktantrieb 500 knm Antriebsmoment p [ bar ] Q [ l/min ] Aufbau eines klassischen Hydraulikantriebes Hydromotor oder V Zylinder als leichte und robuste Antriebe F Vierkanten Widerstandssteuerung direkt am Zylinder für gutes Folge- und Störverhalten im Regelkreis v p 0 A Z s Konstantpumpe mit DBV für stabilen Versorgungsdruck p 0 Dr.-Ing. Johann Lodewyks 4

5 Aufbau eines Hydraulikantriebes Wirkungsgrade hydraulisch-mechanisch 94 % volumetrisch 95 % V hydraulisch-mechanisch 95 % volumetrisch 99 % F v A Z s p 0 Gesamtwirkungsgrad Hydromotor Gesamtwirkungsgrad eines Axialkolben- Schrägachsen otors 420 [ bar ] 280 Druck Wirkungsgrad 94 % 93 % 90 % 84 % 74 % [ % ] 100 Drehzahl / Nenndrehzahl Dr.-Ing. Johann Lodewyks 5

6 Gesamtwirkungsgrad Asynchronmotor Gesamtwirkungsgrad eines Asynchronmotors WEG Aufbau eines Hydraulikantriebes Wirkungsgrade hydraulisch-mechanisch 94 % volumetrisch 95 % V hydraulisch-mechanisch 95 % volumetrisch 99 % F v A Z hydraulisch-mechanisch 35 % volumetrisch 99 % p 0 s Dr.-Ing. Johann Lodewyks 6

7 Energiebilanz der Drosselsteuerung Nutzleistung normierter Lastvolumenstrom Wirkungsgrad P L QL pl QL P [ % ] Ventil Drosselverluste [ % ] K0 Qopt P V QL p ~ p ~ QL 120 P 60 Pumpenleistung und D Wirkungsgrad 80 PL QL pl 40 Konstantpumpe P K 0 Q0 p0 20 P Q p 10 V L PL QL pl 0 0 K 0 P p am Ventil p L Lastdruck K0 Q0 p0 0 1/3 p 0 Druck 2/3 p 0 p 0 0 p p p L p p p L A B p0 p T 0 s Volumenstrom im Q opt [ l/min ] optimalen Arbeitspunkt Versorgungsdruck p 0 [ bar ] Aufbau eines Hydraulikantriebes Wirkungsgrade hydraulisch-mechanisch 94 % volumetrisch 95 % V hydraulisch-mechanisch 95 % volumetrisch 99 % F v A Z hydraulisch-mechanisch 35 % volumetrisch 99 % p 0 s hydraulisch-mechanisch 94 % volumetrisch 95 % Dr.-Ing. Johann Lodewyks 7

8 Leistungsbedarf von aschinen Netzleistung einer Bearbeitungsvorganges Leistung P [ kw ] Anfahren Eilgang aximalleistung der Druckversorgung Verlustleistung Prozessleistung Hauptantriebe Hilfsantriebe Bearbeitung Lastgang Rückzug Eilgang Zeit t [ s ] Zusammenfassung Probleme Lösungen V Drosselung treibender Lasten 1> Energierückgewinnung Drosselverluste der Steuerkanten 2> Drosselfreie Steuerung F v A Z s Konstante Hydraulikleistung 3> Bedarfsgerechte Leistung p 0 Dr.-Ing. Johann Lodewyks 8

9 1> Energierückgewinnung Treibende Lasten potentielle Energie 100 bar => 330 bar 0 l => 20 l 9 m 4 t 50 l 5 t 42.5 km/h 1> Vergleich Energiespeicherkomponenten Regenerative Energiespeichermedien - elektrische Ladung - asse - Gas Idealer Energiespeicher - hohe Energiedichte - hohe Leistungsdichte Vergleichswerte - nutzbare Energiedichte des Dieselkraftstoffs - Leistungsgewicht des Dieselmotors kurz < Energiedichte [ Wh/kg ] > lang Diesel ,1 0, Dieselmotor schwer < Leistungsdichte [ W/kg ] > leicht Bleibatterie Li - Ionen Batterie Schwungrad Super Cap Elektrolyt Kondensator Blasenspeicher Hydraulikspeicher Hydraulikspeicher Dr.-Ing. Johann Lodewyks 9

10 1> Hydrostatisches Bremsen Hydrostatischer Fahrantrieb Pumpe und otor verstellbar Regeneration 70% der kinetischen Energie Spicer Power Boost Hub Niederdruckspeicher Steuerventile Hochdruckspeicher Quelle: DANA 2> Drosselfreie Steuerung Hydrostatisches Getriebe ein symmetrischer Verbraucher je Pumpe Sekundärregelung Primärregelung Hydrostatischer Fahrantrieb Q P v soll v Verstellmotor am Konstantdrucknetz Konstantdrucknetz n p soll n soll Verstellpumpe mit zwei Verstellmotoren Quelle: Bosch Rexroth Dr.-Ing. Johann Lodewyks 10

11 2> drosselfreier Differentialzylinderantrieb A A Kraft p A p B V T V A p C Verhältnis der Schluckvolumina V V T A 1 V T V A für 1 2 2> Drosselfreie Steuerung Digitalhydraulik Geschwindigkeit Konstantdruck p 0 Wirkungsgradkennfeld Wirkungsgradverbesserung im Teillastbereich ohne Drosselverluste Schnellschaltventil Schaltzeit 1.5 ms Dauerfrequenz 100 Hz kurzzeitig 200 Hz Nennvolumenstrom 10 5bar integrierte Elektronik Quelle: LC Dr.-Ing. Johann Lodewyks 11

12 3> Bedarfsgerechte Leistung Schaltungsbeispiele druckloser Umlauf Speicherladeschaltung Q p L Load Sensing Steuerung druck- und förderstromgeregelte Verstellpumpe p DBV p Q p L p B V p p max Q L 2+3> bedarfsgerechte, drosselfreie Steuerung Konstantpumpe mit DC otor Drehzahlgeregelter E-otor Konstantpumpe dezentrale Druckversorgung elektro-hydraulische Lenkung - Leistung 1 kw - Genauigkeit 0.1mm - Geschwindigkeit 20 mm/s Einsatz in Gabelstaplern von Jungheinrich Quelle: Weber Hydraulik Dr.-Ing. Johann Lodewyks 12

13 2+3> Servomotor Pressensteuerung Servomotor Pressensteuerung axial und radial kompensierte Innenzahnrad- Konstantpumpen Bussystem AC Servomotorsteuerung Tank Lage- oder Druckregelung des Zylinders Nachsaugventil Kontrollierte Kompression und Dekompression Zylinder AC Servomotor AC Servomotor Drehgeber Drehgeber Energierückgewinnung Energielose Lasthaltung Lasthalteventil Kraft Geschwindigkeit Weg Positionssensor Quelle: Voith Turbo H+L Hydraulic notwendige Komponentenentwicklungen kompakte Konstantpumpen mit hoher Drehzahl für 4-Quadrantenbetrieb ideale Komponente für kleine E-Servomotoren Serienprodukt Quelle: Bucher Hydraulics Hydrotransformatoren Anpassung des Druckniveaus ohne Drosselung Prototyp schnelle Schaltventile für grosse Durchflüsse Digitalhydraulik für grossvolumige Antriebe Quelle: IFAS Funktionsmuster Quelle: IFAS leichte Hydraulikspeicher dynamischer Speicher für hochwertige Energie Serienprodukt Quelle: Hydac Dr.-Ing. Johann Lodewyks 13

14 einungen zur Hydraulik gut gemachte Hydraulik ist innovativ modern Umweltschonend Energiesparend Hydraulik Dr.-Ing. Johann Lodewyks 14