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Drehzahlvariable Pumpenantriebe mit Potenzial zur Energieeinsparung

16.05.2008
Noch vor der Jahrtausendwende hat die Steigerung der Leistungsfähigkeit – etwa die Erhöhung der Fertigungsgenauigkeit oder die Zykluszeitverkürzung – im Wesentlichen die technische Entwicklung hydraulischer Kunststoff- und Werkzeugmaschinen vorangetrieben.

Wichtige Wegbereiter waren dabei Proportional- und Regelventile, aber auch elektrohydraulisch verstellbare Pumpen zur Verbesserung der Energiebilanz der Maschinen.

In den vergangenen Jahren haben sich die Anforderungen hinsichtlich der Energieeinsparung und Geräuschreduzierung verstärkt. Auf diese geänderten Anforderungen reagiert nun Rexroth vermehrt mit dem Einsatz drehzahlvariabler Pumpenantriebe.

Mit diesen Antriebsaggregaten stehen laut Rexroth dem Maschinenhersteller Möglichkeiten offen, die Lebenszykluskosten der Maschinen zu senken – bei niedrigen Anschaffungskosten. Die Anwendungsspezifikationen werden erfüllt. Werden Förderstrom und Druck bei konventionellen Verstellpumpen mit Asynchronmotor über interne Verstellmechanismen geregelt, ist beim drehzahlvariablen Pumpenantrieb die Regelung in den Umrichter verlagert.

Außerhalb der Bearbeitungsdauer – in der Zeit, in der kein hydraulischer Volumenstrom gefordert ist – sowie im Teillastbetrieb reduziert der Frequenzumrichter die Drehzahl des Elektromotors und der Pumpe. Damit sinken der Energieverbrauch, die hydraulische Verlustleistung, die ins Öl eingeführt wird, sowie die Geräuschemission. Sobald das Hydrauliksystem wieder mehr Leistung benötigt, verstellt der Umrichter bedarfsgerecht die Drehzahl.

Zwei Antriebsvarianten stehen zur Verfügung

Für dieses Prinzip ist somit eine Paarung aus drehzahlvariablem Elektromotor und Pumpe erforderlich. Sie wird bei Rexroth mit zwei Antriebsvarianten abgedeckt:

-Bei der ersten Variante sorgt ein hochdynamischer Servomotor zu jedem Zeitpunkt für das erforderliche Drehmoment bei sehr kurzer Beschleunigungszeit. Im Frequenzumrichter werden dezentral Soll- und Ist-Werte verarbeitet und analysiert. Eine Druckmessdose meldet die Ist-Werte an den Umrichter, der die abgeforderte Drehzahl entsprechend regelt und an eine Konstantpumpe weitergibt.

-Eine bereits parametrierte Software berücksichtigt dabei hydraulikspezifische Regelstrategien. So gleicht die Software automatisch für die Hydraulik typische Nicht-Linearitäten aus. Bei der Softwareentwicklung hat sich – so heißt es bei Rexroth – die enge Zusammenarbeit von hydraulischen und elektrischen Antriebsspezialisten „im gleichen Haus“ als sehr vorteilhaft erwiesen. Das Ergebnis sei eine besonders deutliche Reduzierung der Energiekosten, der hydraulischen Verlustleistung und der Geräuschemission.

Standard-Asynchronmotor übernimmt Antriebsfunktion

-In der zweiten Variante übernimmt ein Standard-Asynchronmotor die Antriebsfunktion. Der dynamische Umrichter Indra-Drive FC steuert die Drehzahl des Elektromotors. Der Regelkreis wird über eine Druckmessdose geschlossen.

-Sind die Drehzahlen dauerhaft niedrig, ist bei dieser Variante ein Fremdlüfter auf der elektrischen Arbeitsmaschine erforderlich. Im Vergleich zur Servomotor-Variante bietet diese Lösung deutlich geringere Anschaffungskosten.

Beide Antriebsvarianten lassen sich nach Angaben von Rexroth „nahtlos“ in dezentrale und zentrale Steuerungsarchitekturen von Werkzeugmaschinen integrieren. In Abhängigkeit vom Maschinenkonzept wird der Umrichter in den Schaltschrank eingebaut oder direkt am Hydraulikaggregat montiert.

Die drehzahlabhängigen Pumpenantriebe eignen sich nicht nur für Neumaschinen, sie senken auch bei Nachrüstung die Lebenszykluskosten bestehender Maschinen. In Nebenzeiten können die Antriebe im Stand-by-Modus betrieben werden. Bei langsamen Achsbewegungen ist die Drehzahl reduziert. Benötigt das Hydrauliksystem wieder mehr Leistung, wird sie vom Frequenz-umrichter bedarfsgerecht erhöht.

Energiebedarf mit geregelten Pumpenantrieben um bis zu 70% reduzierbar

Laut Dr.-Ing. Johannes Grobe, Leiter Anwendungszentren Industriehydraulik bei Rexroth, ergibt sich daraus ein enormes Energieeinsparpotenzial: Bei einem durchschnittlichen Lastzyklus einer Werkzeugmaschine kann allein der aus dem Netz erforderliche elektrische Energiebedarf auf bis zu 70% des herkömmlichen Verbrauchs verringert werden. Im Nullhub beträgt die Netzbelastung unter gleichen Ausgangsbedingungen sogar nur noch bis zu 50%. Dazu kommt die Reduktion der aufgenommenen elektrischen Energie aufgrund des gesenkten Kühlbedarfs.

Ausschlaggebend dafür ist der deutlich niedrigere Wärmeeintrag ins Öl im Vergleich zu einem herkömmlichen, ventilgeregelten Hydrauliksystem. Außerdem ermöglichen Absenkbewegungen oder Dekompressionen, zum Beispiel bei Pressen, eine Rückspeisung von Energie ins Netz. Dazu wird das Elektromotor-Pumpen-Aggregat als Generator betrieben.

Darüber hinaus arbeiten – so Grohe – drehzahlvariable Pumpenantriebe deutlich leiser. Die Geräuschemissionen sind im Mittel erheblich reduziert. Wird kein Öl vom Hydrauliksystem angefordert, verringert sich die Lautstärke auf unter 50 dB(A). Dadurch vermindert sich der Mittelwert der Geräuschemissionen um bis zu 15 dB(A). Eine Innenzahnradpumpe verspricht eine weitere Geräuschreduzierung.

Grundsätzlich sieht Grohe für drehzahlvariable Pumpenantriebe Anwendungsmöglichkeiten bei einer Reihe hydraulischer Arbeitsmaschinen, zum Beispiel bei Werkzeugmaschinen, Pressen, Rohrbiegemaschinen sowie bei Maschinen zur Kunststoffverarbeitung, bei denen bereits mit Hilfe der Pumpenantriebe erhebliche Energieeinsparungen erzielt wurden.

Josef Kraus | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/index.cfm?pid=1610&pk=121434

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