TECHNO LOG 10 29.04.2010, FH Wels Energieeffiziente Hydraulische Antriebe
Hydraulic Drives Kompetenzen im Bereich hydraulische Antriebe - Energiesparende Schaltverfahren (Wirkungsgradsteigerung + 30%) - Neue, schnell schaltende Ventile (1 ms, bis 100 l/min @ 5 bar) - Simulation hydraulischer Systeme inkl. langer Leitungen Efficiency η - Reduktion von Druckpulsationen 80 - Regelung hydraulischer Systeme η [%] 70 60 - Entwicklung optimaler hydraulischer Schaltungen r - Elektro-hydraulische El kt h d li h Hybridantriebe H b id t i b P fil Prefilter yd 50 Linear Controller 40 85 - Hochdynamische Antriebe pc Linear System v Input State Input-State Linearisation q u ps η pc PLANT z 50 s 80 pt 75 ps Nonlinear Observer 70 z=ψ(x) 40 30 20 g x m
Personal IMH / BU20 Kunden Institut für Maschinenlehre und hydraulische Antriebstechnik IMH Prof. Rudolf Prof. Bernhard Siegfried DI Rainer Silvia DI Helmut DI Markus DI Andreas Scheidl Manhartsgruber Grammer Haas Hackl Kogler Resch Tairych Leitung Senior Researcher Junior Researcher Techniker Dr. Bernd DI Andreas DI Kar DI Paul DI Peter DI Johannes Bernhard Stefan Winkler Plöckinger Ladner Foschum Ladner Falkner Hofmann Hofer
Konzepte in der Hydraulik Widerstandssteuerung (am Konstantdrucksystem) + einfach + hohe Dynamik + viele Antriebe mit einer Versorgung betreibbar + Antrieb selbst (ohne Druckversorgung) ist kostengünstig - (sehr) schlechter Wirkungsgrad - zentrales Versorgungssystem notwendig - Ölreinheitsanforderungen speziell in Servohydraulik - Ölhydraulikkompetenzen im Haus notwendig - Leitungssystem notwendig - Kühler - Ergo: Ölhydraulik ist im Haus allgegenwärtig
Konzepte in der Hydraulik sekundäre Verdrängersteuerungen mit hydr. Transformatoren [1] am Konstantdrucksystem Floating Cup Pump / Motor [2] [1] Achten P., van den Brink T., Schellekens M., Design of a variable displacement floating cup pump, Proc. SICFP 2005, Linköping [2] http://www.innas.com/fc.html accessed 2009-05-23
Konzepte in der Hydraulik sekundäre Verdrängersteuerungen mit hydr. Transformatoren [1] am Konstantdrucksystem + große Spreizung (geringes Q / hoher p und v.v.) + hohe Dynamik + guter Wirkungsgrad - zentrales Versorgungssystem notwendig - Ölhydraulikkompetenzen im Haus notwendig - Leitungssystem notwendig - hohe Kosten pro Antrieb
Konzepte in der Hydraulik Beispiel einer sekundären Verdrängersteuerung: Der Hydrid Quelle: Innas, www.innas.com
Konzepte in der Hydraulik Beispiel einer sekundären Verdrängersteuerung: Der Hydrid Quelle: Innas, www.innas.com
Konzepte in der Hydraulik primäre Verdrängersteuerungen (integrierte Antriebe) Beispiel A380 EHA Querruderantrieb [2] Elektro-hydrostatischer Aktuator (EHA) [1] [1] van den Bossche., more electric control surface actuation, a standard for the next generation of transport aircraft, Control 2004, Bath [2] http://www.fzt.haw-hamburg.de/pers/scholz/dglr/hh/text_2007_09_27_a380_flight_controls.pdf accessed 2009-05-23
Konzepte in der Hydraulik primäre Verdrängersteuerungen (integrierte Antriebe) + sehr guter Wirkungsgrad + gute Dynamik (Servoantriebe) + Kompakte Bauform + keine klassische Hydraulik sichtbar + kein Kühler - höhere Kosten durch komplexeres System - hohe Dynamik nur mit Servoantrieben möglich
Beispiel für einen integrierten hydraulischen Antrieb Ölmenge im System < 5 Liter kein Ölwechsel nötig (Lebensdauerfüllung) Verluste hauptsächlich durch Reibung kein Kühler Dauertests max. 15 C über T U keine speziellen Anforderungen an Filterung System muss Luftfrei sein Hydraulik übernimmt die Funktion eines variablen Getriebes
Beispiel für einen integrierten hydraulischen Antrieb Realisierter Antrieb: über 4000 Betriebsstunden ~180 kn Lastkraft
Energieeffizienz am Konstantdrucknetz Alter Traum: Hydro-Transformator am Konstantdrucknetz Energieeffizienter Betrieb mehrerer Verbraucher Rückspeisung von Energie Gute Dynamik Robustheit der hydraulischen Aktuatoren beibehalten Keine hohen Ölreinheitsanforderungen it Kompakte Anordnung nahe den Aktuatoren
Energieeffizienz am Konstantdrucknetz Konverter Konverter Konstantdrucknetz in Mobilhydraulik ermöglicht Einsparung von Leitungen und Schläuchen und hohe Dynamik Konverter Konverter
Buck Converter
Buck Converter Efficiency η 80 70 η [%] 60 50 85 40 80 75 70 20 30 40 50
Buck Converter Beispielantrieb
Buck Converter 2009 Simulationsstudie f. Quadruped Robot 150 Energieverbrauch 100 E total [Ws] 50 Proportionalventil: 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 time [s] 150 J E, E, E, E, E [W Ws] VS VT VCHT VCHS total 80 60 40 20 0-20 -40-60 E total E VS E VT E VCHT -80 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 time [s] E VCHS Buck-Konverter: 20 J
Conclusio Buck Converter Schaltkonverter sind machbar und haben ein deutliches Energieeinsparungspotential Es handelt sich um eine in der Hydraulik vergleichweise revolutionär neue Technologie mit hohen Anforderungen an die Ventil- und Speichertechnologien sowie das Verständnis dynamischer Vorgänge Die hohen Technologie-Anforderungen können nur durch neue Konzepte erfüllt werden; das bedeutet einen hohen Entwicklungsaufwand Der Buck-Konverter ist mittlerweile seht gut verstanden; die Kernkomponenten schnelle Schalt- und Rückschlagventile sind entwickelt; bei den Speichern sind noch Fragen offen Eine Erhöhung der Schaltfrequenzen auf 200 Hz würde die Induktivitäts-Rohrlänge und die Speichergrößen deutlich reduzieren Der Resonanzkonverter ist eine Alternative mit Potential für bessere Wirkungsgrade und kompaktere Ausführung (Wegfall Rohrleitung)
Conclusio Energieeffiziente Antriebe Energieeffiziente Konzepte bestehen auch für Konstantdrucksysteme (Konverter) Treiber sind immer noch in erster Linie die Kosten und weniger der geringere Energieverbrauch Markt verlangt zunehmend nach hydraulikfreien Systemen -> integrierte (geschlossene) Antriebe Hydraulikkompetenz wird tendenziell an Hydraulikindustrie abgegeben Aufwand für Filterung, Kühlung usw. muss reduziert werden Anwender müssen Druck auf Hersteller machen, um Innovation anzustoßen