Michael Stiegler, Baumüller Nürnberg GmbH
2024-08-21T12:54:17+02:00
Antriebstechnik
Baumüller

Das Beste aus zwei Welten: Hydraulik und Servotechnik kombinieren und bis zu 50% Energiekosten sparen

Eine Vorsilbe ?ndert alles. Servo- macht Hydraulik zum pr?zise geregelten Antrieb. Doch was leistet Servohydraulik wirklich? Welche Herausforderungen bringt ein Wechsel mit sich? Das erkl?ren wir Ihnen in diesem Beitrag.

In welchen F?llen macht ein Wechsel vom ungeregelten Hydrauliksystem mit Normmotor hin zur geregelten Servohydraulik Sinn?

Robust und leistungsstark

Hydrauliksysteme werden in vielen Industrie-Applikationen eingesetzt

Klassische Hydraulikanwendungen haben viele Vorteile: Die Hydraulik sorgt für eine hohe Kraft- und Leistungsdichte und geringe Tr?gheiten, die Antriebselemente sind robust und vergleichsweise kostengünstig. Es geht aber auch anders – Pressen und Spritzgie?maschinen sind nur zwei Beispiele für Anwendungen, bei denen es sich lohnt, über eine Alternative nachzudenken

Hydrauliksysteme im Vergleich

Bislang kommen in Hydraulikanwendungen zur Regelung von Druck und Volumenstrom in vielen F?llen folgende L?sungsans?tze zur Anwendung:

Kostengünstig und robust: Asynchron-Normmotor am Netz mit Konstantpumpe

Asynchron-Normmotor am Netz mit Konstantpumpe

In Systemen mit ventilgesteuerten Antrieben mit Standard-Normmotoren und Konstantpumpen dreht der Elektromotor permanent mit der Netzfrequenz. ?ber die Konstantpumpe wird dauerhaft Volumenstrom gef?rdert. Die Druck- und Volumenregelung erfolgt hier über Proportionalventile. ?

Die Anschaffungskosten für das Gesamtsystem mit ungeregeltem Asynchronnormmotor sind insgesamt meist niedriger als bei anderen L?sungen, die Lebenszykluskosten durch den hohen Energieverbrauch aber vergleichsweise hoch.

Vorteil: Niedrige Anschaffungskosten durch den Einsatz von Standard-Normmotoren

Nachteile:

Hohe Ger?uschemissionen durch den Dauerbetrieb des Normmotors

Hohe Kosten für die Ventiltechnik

Hoher Energieverbrauch durch den Dauerbetrieb bei konstanter Drehzahl

Blindleistung

System Normmotor am Netz und elektro-hydraulische Verstellpumpe

Normmotor am Netz mit elektro-hydraulischer Verstellpumpe

Auch elektro-hydraulische Verstellpumpen werden in der Regel durch Asynchronmotoren angetrieben. In diesen Anwendungen dreht der Motor permanent mit konstanter Drehzahl, Druck und Volumenstrom werden über eine Axialkolbenpumpe geregelt.

Der Einsatz von Verstellpumpen verbessert die Energiebilanz des Systems. Dennoch kommt es weiterhin zu erheblichen Verlusten und Nachteile wie die hohe L?rmbelastung bleiben bestehen.

Vorteil: H?here Energieeffizienz als die Kombination mit Asynchronmotor und Konstantpumpe, da Verlustleistung der Verstellpumpe niedriger

Nachteile:

Verstellpumpen sind teurer als Konstantpumpen

Hohe Ger?uschemissionen durch den Dauerbetrieb des Normmotors

Asynchronmotor verbraucht weiterhin ungenutzte Energie im Teillastbereich

Blindleistung

Schwankender Bedarf an hydraulischer Leistung im Maschinenzyklus

Wesentlich für den Energieverbrauch in hydraulischen Anwendungen sind Systemdruck und Volumenstrom, die die ben?tigte hydraulische Leistung ergeben.

Der beispielhafte Zyklus einer hydraulischen Maschine in der Abbildung zeigt den ben?tigten Druck in [Bar], die gef?rderte ?lmenge in [L/min] sowie die daraus resultierende hydraulische Leistung in [kW].

Die Anforderungen der Teilzyklen sind je Prozessschritt sehr unterschiedlich. Beim Schlie?en der Presse im ersten Zyklusschritt ist beispielsweise eine mittlere Leistung und ein hoher Volumenstrom notwendig. W?hrend des Druckaufbaus im zweiten Schritt steigt der Druck an, der Volumenstrom geht zurück und demzufolge geht auch die hydraulische Leistung zurück. W?hrend der dritten Phase, der Injektion, haben wir einen hohen Volumenstrom sowie einen hohen Druck, woraus sich eine ebenfalls hohe hydraulische Leistung ergibt.

Druck, gef?rderte ?lmenge und Motorleistung in den einzelnen Zyklusphasen – gro?e Unterschiede bei der ben?tigten hydraulischen Leistung

Energie sparen mit servohydraulischen Antriebssystemen

Die L?sung: Hohe Leistungsdichte kombiniert mit hoher Energieeffizienz

Servo-hydraulische Maschinen verbinden die Vorteile der hydraulischen Leistungsübertragung mit den Vorzügen von Servo-Antriebstechnik: Hohe Leistungsdichten, geringe Tr?gheiten sowie kostengünstige und robuste Antriebselemente treffen auf dynamische und pr?zise Drehzahlregelung. So sinkt der Energieverbrauch deutlich. Dabei sind die geringe W?rme- und Ger?uschentwicklung, der hohe Wirkungsgrad sowie überdurchschnittliche Dynamik und Pr?zision typische Vorzüge der Servotechnik

Servomotor mit Konstantpumpe

Das Antriebspaket von Servo-hydraulischen Systemen besteht aus einer Konstantpumpe, einem Servomotor sowie einem Umrichter mit integriertem Softwarepaket ?Servohydraulik“. Der Baumüller Servomotor treibt die Pumpe direkt an. Der Servoregler übernimmt Druck- und Mengenregelung des Pumpenantriebs.

Da der Antrieb durch Einsatz der Servopumpe nur dann Leistung erbringt, wenn sie tats?chlich genutzt wird, verbraucht die Maschine um ein vielfaches weniger Energie. Im Vergleich zu den klassischen L?sungen sind bis zu 50 Prozent Einsparung m?glich, bei langen Zyklen ohne Kraftbedarf k?nnen die Einsparungen sogar noch h?her ausfallen. Hieraus ergeben sich deutlich reduzierte Lebenszykluskosten, die die h?heren Initialkosten h?ufig innerhalb eines Jahres amortisieren.

Ein weiterer Aspekt ist die deutlich reduzierte L?rmbelastung. Konventionelle Hydrauliksysteme verursachen durch den permanent laufenden Hauptantrieb stetig Ger?usche, auch dann, wenn keine hydraulische Energie ben?tigt wird.

Kleinerer Maschinen-Footprint

Durch den Einsatz von Servohydraulik wird das Antriebssystem wesentlich kompakter, was die ben?tigte Maschinenaufstellfl?che verringert.
Werden flüssigkeitsgekühlte Servomotoren mit Wasser- oder ?lkühlung eingesetzt, k?nnen für die ben?tigte Nennleistung kleinere Motorbaugr??en verwendet werden, was die Kompaktheit des Systems zus?tzlich erh?ht. Zus?tzliches Potenzial bietet der Pumpendirektanbau über eine innenverzahnte Motorwelle. Durch das Einsparen von Pumpentr?ger und Kupplung reduziert sich der Bauraum der Motor-Pumpenkombination deutlich.
Weiterhin werden in servohydraulischen Systemen Pumpenbaureihen eingesetzt, die für den dynamischen Betrieb am Servomotor und dessen hohe Maximal-Drehzahlen ausgelegt wurden. In konventionellen Systemen werden Pumpen an einem Normmotor bei 1450 rpm (50 Hz, 2-poliger Motor) betrieben. Durch den Einsatz von Servoantriebstechnik ist die Pumpendrehzahl von der Netzfrequenz entkoppelt. Neue Generationen von Innenzahnradpumpen bieten hier die M?glichkeit, je nach Schluckvolumen Drehzahlen von über 5000 rpm zu realisieren. Dadurch kann die Pumpengr??e deutlich reduziert werden. Darüber hinaus sinkt durch die kleinere Pumpe auch der Drehmomentbedarf des Motors, wodurch auch hier ein Downsizing m?glich ist. Die gleiche ben?tigte Leistung kann mit weniger Drehmoment über eine h?here Motordrehzahl realisiert werden, wodurch sich die Baugr??e der Motoren reduziert.

Da die Regelung von Druck und Volumenstrom direkt im Antriebsregelungszyklus bei schnellen Zykluszeiten von 125 Mikrosekunden abgebildet wird, ist eine sehr dynamische und genaue Regelung m?glich. Diese ausgezeichneten Regeleigenschaften führen zu einer hohen Wiederholgenauigkeit, die eine verbesserte Produkt- und Prozessqualit?t erm?glichen. Jede hydraulische Achse kann, abgestimmt auf den jeweiligen Verbraucher, mit eigenen Regelparameters?tzen im Regler hinterlegt werden.

Vorteile:

Deutlich niedrigerer Energieverbrauch durch Regelung des Pumpenantriebs

Geringere Ger?uschemissionen

H?here Prozess- und Produktqualit?t

Kompaktes Antriebssystem und kleinere Maschinenaufstellfl?che

Nachteile: H?here Initialkosten (mit ROI typischerweise <= 1 Jahr)

? Hydraulik vs. Servohydraulik |
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Servohydraulik lohnt sich bei:

Prozessen mit starken Schwankungen im Kraftbedarf

Prozessen mit langen Pause-Zyklen

Zu hoher L?rmbelastung

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Applikationsbeispiele

Beispiel: Spritzgie?maschine

Beispiel eines Zyklus einer Spritzgie?maschine

Sehr gut l?sst sich das Prinzip der Servohydraulik am Beispiel des Zyklus einer Spritzgie?maschine darstellen. Bei der Herstellung von Plastikbechern oder Flaschenverschlüssen werden sechs Schritte durchlaufen: Plastifizieren, Dosieren, Einspritzen, Ausformen, Abkühlen und Entformen. Diese Produktionsschritte sind h?chst unterschiedlich, wodurch innerhalb eines Prozessschrittes die Spritzgie?maschine einen stark schwankenden Leistungsbedarf hat. Schlie?- und Einspritzvorg?nge erfordern gro?e Mengen an Hydraulik?l und einen hohen Volumenstrom. Dagegen ben?tigen Kühlzeiten keine oder nur minimale Leistung.

Der Unterschied beim Energieverbrauch zwischen den drei vorgestellten Systemen ist in der Grafik deutlich zu erkennen. Die hohe Energieeffizienz der servohydraulischen L?sung entsteht durch eine bedarfsgerechte Pumpenleistung. Steht die Maschine still, z.B. beim Abkühlen, ruhen auch die Motoren und verbrauchen keine Energie.

Beispiel: Presse

Beispiel eines Zyklus einer Presse

Ein weiteres Beispiel sind Pressen. Der Zyklus in der Abbildung gliedert sich in drei Teilzyklen: Presse vor (Verdichten des Pressguts), Verweilzeit, Presse zurück und Entnahmezeit. Der Vergleich des Energieverbrauchs zwischen den drei verschiedenen Systemen zeigt, dass die servohydraulische L?sung in den einzelnen Teilzyklen eine deutlich geringere Leistungsaufnahme hat und damit insgesamt einen deutlich geringeren Energieverbrauch. Anders als bei den konventionellen Hydrauliksystemen muss nur die tats?chlich ben?tigte Energie eingesetzt werden, w?hrend bei den klassischen Systemen die Verluste durch das konstante Drehen des Normmotors in Ruhephasen h?her sind, etwa beim Halten (siehe Abbildung).

Wechsel zu Servohydraulik: Einfacher als gedacht

Der Wechsel von klassischen Hydrauliksystemen zu servohydraulischen Systemen ist in Zusammenarbeit mit einem erfahrenen Applikationsteam zu bewerkstelligen. Zur Auslegung des Antriebssystems wird der Zyklus der Maschine sowie das Druck- und Volumenstromprofil der Maschine über die Zeit ben?tigt. Anhand dieser Informationen kann das servohydraulische System mit seinen Komponenten mit Hilfe der Berechnungssoftware des Antriebsherstellers ausgelegt werden.

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Die Integration der neuen L?sung in das Maschinen-Layout ist in der Regel ebenfalls ohne gr??ere Herausforderungen vorzunehmen. Die Ansteuerung durch die Maschinensteuerung kann analog oder über moderne Bussysteme erfolgen. Das alte System aus Asynchronmotor und Regelpumpe bzw. Asynchronmaschine und Konstantpumpe kann in vielen F?llen 1:1 durch eine Servohydraulik ersetzt werden.

Weitere Anwendungsbereiche für Servohydraulik

Spritzgie?maschinen und Pressen sind nicht die einzigen Einsatzgebiete für servomotorische Pumpen. ?berall dort, wo sich im Maschinenzyklus Phasen mit hohem Leistungsbedarf mit Pausenzeiten abwechseln, kann der Einsatz von servohydraulischen System Sinn machen, etwa in Stanz- oder Biegemaschinen.

Die Vorteile der hydraulischen Leistungsübertragung und der elektrischen Leistungsstellung mittels Servotechnik kombiniert, ergeben als Alternative zur hydraulischen Druck- und Volumenstromregelung eine energieeffiziente und kostengünstige L?sung in Form einer dynamisch regelbaren Servopumpe.

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Michael Stiegler
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