Effiziente Hydraulikaggregate

Der Autor: Marco Bison ist Manager Mechatronic Technologies bei Eaton

Darüber hinaus führt eine Steigerung der Energieeffizienz zu spürbaren Kostenentlastungen und stärkt somit die Wettbewerbsfähigkeit. Am Beispiel von hydraulisch angetriebenen Maschineneinheiten wird deutlich, wie durch die Kombination passender Komponenten die Energieeffizienz erheblich gesteigert werden kann. Je nach Applikation lassen sich Energieeinsparungen von bis zu 70 % realisieren. Intelligente Komponenten ermöglichen darüber hinaus eine einfache Erfassung aller relevanten Daten und bilden so die Basis für ein umfassendes Energiemanagement.

Mit der internationalen Norm ISO 50001 wurde 2011 der erste weltweit gültige Standard zur Zertifizierung von Energiemanagementsystemen eingeführt. Ein Energiemanagementsystem nach der ISO 50001 versetzt Unternehmen in die Lage, Systeme und Prozesse zu realisieren, mit denen der Energieverbrauch kontinuierlich verbessert und so Energieeffizienz sowie -nutzung optimiert und die Kosten gesenkt werden können. Wesentliches Element ist die detaillierte Erfassung des Energieverbrauches im gesamten Unternehmen. Eine Analyse zeigt dann, wo sich die Energieeinsparpotenziale befinden. Das Energiemanagement nimmt direkten Einfluss auf organisatorische und technische Abläufe im Unternehmen, aber auch auf die Verhaltensweisen der Mitarbeiter.

Parallel zur Einführung der ISO 50001 gibt es verpflichtende Vorgaben, zu denen die ErP-Richtlinie 2009/125/EC für (Energy related Products) gehört, die einen Rahmen für die Festlegung gemeinschaftlicher Ökodesign-Anforderungen für in der Vorschrift definierten energieverbrauchsrelevanten Produkte schafft und Kriterien vorschreibt, die Verbraucher erfüllen müssen, damit sie in Europa in Betrieb gehen dürfen.

Darüber hinaus könnte in Zukunft auch eine verpflichtende Richtlinie für Maschinen- und Anlagenbauer relevant werden: Denn auch Werkzeugmaschinen sind 2009 im Rahmen der Ökodesign-Richtlinie von der EU-Kommission als zu regulierender Bereich identifiziert worden. Dabei geht es explizit um deren Energieeffizienz.

Pumpen gehören zu den größten industriellen Stromverbrauchern. Bezogen auf ihren Lebenszyklus betragen die Energiekosten durchschnittlich rund 45 %. Zusätzlich entstehen Kosten für Instandhaltung und Wartung. Nach den Erfahrungen der Deutschen Energie-Agentur zahlen sich Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz bei Pumpen schnell aus. Im Rahmen einer Studie in Industrie und Gewerbe hat sich gezeigt, dass das Kostensenkungspotenzial bei 20 bis 30 % liegt.

Betrachtet man ein übliches Hydraulikaggregat, so setzt sich dieses aus Motorsteuerung, elektrischem Antrieb, Pumpe, Ventile sowie Zylinder/Aktoren und Zubehör zusammen. Vor allem für Anwendungen mit fester Drehzahl stellen Motorstarter häufig die günstigste und die effizienteste Lösung für die Steuerung von Motoren dar. Je nach Anforderungen werden sie als Direktstarter, Stern-Dreieck-Starter oder Softstarter eingesetzt. Allen Varianten gemein ist, dass sie keine Drehzahlregelung ermöglichen. Der Drehzahlstarter (VSS – Variable Speed Starter) schlägt eine Brücke zwischen Motorstarter und Frequenzumrichter. Er vereint die Vorteile dieser beiden Methoden zur Ansteuerung von Elektromotoren. Er lässt sich handhaben wie ein Motorstarter, bietet aber gleichzeitig die Möglichkeit der variablen Drehzahlregelung. Damit ist er eine interessante Alternative, um Anwendungen mit bisher konstanter Drehzahl energieeffizienter zu machen.

Frequenzumrichter ermöglichen einen geführten, stufenlosen Motorstart mit Nennmoment und bieten zudem eine stufenlose Drehzahlsteuerung. Je nach Ausprägung ermöglichen sie auch die genaue Drehzahlregelung beim sonst schlupfabhängigen Asynchronmotor. Der Servoregler schließlich bildet zusammen mit dem Servomotor den Servoantrieb. Er regelt die Bewegung des Motors anhand einstellbarer Sollwerte wie Winkelposition oder Drehzahl. Das ermöglicht hoch-präzise und -dynamische Bewegungen.

Am weitesten verbreitet ist der Drehstrom-Asynchronmotor. Er ist robust gegenüber elektrischer und mechanischer Überlastung und zudem kostengünstig. Bei Permanentmagnet-Motoren dagegen muss für den Aufbau des Magnetfelds im Motor keine elektrische Energie zugeführt werden. Dadurch ist der Wirkungsgrad um etwa 10 % höher. Mit ihnen lassen sich Bewegungen präzise steuern und Positionen exakt anfahren. Sie sind in der Anschaffung teuer und können nur mit einem Servoregler betrieben werden. Einen Überblick über die Energieeffizienz von Motoren bietet die Norm IEC 60034-30. Sie definiert auch die Effizienzklassen.

Unterschieden wird zwischen Konstantpumpen und Verstellpumpen. Konstantpumpen erzeugen bei konstanter Antriebsdrehzahl einen gleichbleibenden Förderstrom. Dabei ist die Pumpe in der Regel so ausgelegt, dass sie dauerhaft die Energie zur Verfügung stellt, die für die Maschinenbewegung bei maximaler Last und Geschwindigkeit notwendig ist. Insbesondere im Teillast- und Standby-Betrieb bedeutet das allerdings eine hohe Verlustleistung. Verstellpumpen dagegen können ihr geometrisches Verdrängungsvolumen verändern. Sie fördern also nur so viel, wie jeweils gebraucht wird. Darüber hinaus bietet der Markt Pumpen, die für den Einsatz mit unterschiedlichen Drehzahlen optimiert wurden. Ein Sonderfall sind Pumpen, die für einen Vier-Quadrantenbetrieb ausgelegt sind: Sie können sowohl die Drehrichtung als auch die Momentrichtung wechseln und sind für Arbeiten mit variablen Geschwindigkeiten optimiert.

Mit Wegeventilen kann Start, Stopp und eine Änderungen der Volumenstromrichtung gesteuert werden. Proportional- oder Servoventile steuern den Volumenstrom zu den Aktuatoren. So lässt sich die Bewegungsgeschwindigkeit von Verbrauchern regulieren. Proportionalventile sind Ventile, bei der die Ausgangsgröße – Druck oder Volumenstrom – in gleichem Verhältnis zur Eingangsgröße verändert wird. Ein Servoventil lässt jede beliebige Zwischenstellung der Ventilöffnung und damit des Fluid-Durchflusses zu.

Die überwiegende Mehrheit der heute im Einsatz befindlichen Hydraulikaggregate arbeitet mit einer konstanten Drehzahl von Motor und Pumpe. Druck und Volumenstrom werden dabei über Hydraulikventile geregelt. Zum Einsatz kommen meist Asynchronmotoren. Das Gesamtsystem kann eine beinahe beliebige Anzahl von Aktoren parallel versorgen. Die Steuerung der einzelnen Prozesse erfolgt dabei über die entsprechenden Ventile. Das gesamte Hydraulikaggregat wird auf den maximal benötigten Druck und Volumenstrom ausgelegt und liefert diese Leistung auch, wenn sie nicht benötigt wird.

Dem gegenüber steht als High-end-Lösung der Vier-Quadranten-Direktantrieb (Servo-Lösung). Die Hydraulikeinheit funktioniert dabei als Pumpe und als Hydraulikmotor. Die Drehzahl wird von einem Servoantrieb vorgegeben: Eine niedrige Drehzahl entspricht einem geringen Volumenstrom, eine hohe Drehzahl einem großen. Über Sensoren erhält der Servoregler Rückmeldungen zur Position eines Zylinders und zum Druck im System. Der Servoantrieb regelt die Drehzahl und damit Druck bzw. Volumenstrom so exakt, dass eine Position sicher gehalten und Kräfte mit hoher Genauigkeit kontrolliert werden können. Ventile und Drosselstellen zur Steuerung der Aktoren sind also nicht mehr notwendig. Der Antrieb läuft nur mit der Leistung, die vom System tatsächlich benötigt wird. Der Direktantrieb kann jedoch immer nur einen Prozess versorgen.

Dieser Ansatz basiert darauf, die Hauptpumpe der Hydraulikanlage nicht konstant zu betreiben, sondern in Abhängigkeit von der benötigten Leistung. Mit einem drehzahlgeregelten Antrieb lässt sich der Förderstrom an den Bedarf anpassen, sodass Verlustleistungen effektiv reduziert werden können. Ein derartiger Antrieb lässt sich mit einem herkömmlichen Asynchronmotor realisieren, wobei in Abhängigkeit von Betriebszyklen und Laufzeiten Motoren der Effizienzklassen IE2 bis IE4 verwendet werden müssen. Eine weitere Effizienzsteigerung lässt sich durch den Einsatz von Permanentmagnet-Motoren erzielen. Die Drehzahlsteuerung übernimmt entweder ein Drehzahlstarter oder ein Frequenz-umrichter. Kostengünstiger ist der Drehzahlstarter, mit dem Frequenzumrichter lassen sich jedoch komplexere Funktionalitäten realisieren. Die Motorsteuerung erhält von einem Drucksensor Daten zum Druck im hydraulischen System und passt darauf basierend die Drehzahl des Motors an den Volumenstrombedarf der hydraulischen Verbraucher an.

Im Rahmen eines Projektes wurden die Spritzgießmaschinen eines Unternehmens analysiert. Zu den Einflussgrößen gehören Arbeitszyklus, Tonnage sowie die Komplexität des hydraulischen Systems. Dabei stellt der Arbeitszyklus die entscheidende Größe dar, denn längere Arbeitszyklen bieten größere Einsparmöglichkeiten als kürzere. Das hier dargestellte Beispiel basiert auf einer 20 Jahre alten 50-t-Spritzgussmaschine, die mit einem konventionellen 15-kW-Asynchronmotor angetrieben wird, der konstant mit 1500 Umdrehungen eine Hydraulikeinheit antreibt. In diesem Fall ist der Arbeitszyklus mit 13 s kurz. Zum Einsatz kommt eine Verstellpumpe, bei der der Volumenstrom mechanisch gesteuert wird. Selbst bei einem geringen Volumenstrom muss stets von dem mit konstanter Drehzahl laufenden Motor Energie aufgebracht werden. Der gemessene Energieverbrauch beträgt 0,02 kWh für einen Arbeitszyklus von 13 s. Der Antrieb wurde mit Hilfe eines Frequenzumrichters (Eaton PowerXL DA1), eines Permanent-Magnet-Motors und einer Axialkolbenpumpe (Eaton 425 Kolbenpumpe) modernisiert. Der Mikrocontroller regelt Druck und Volumenstrom. Für den Druck kommt ein PID-Regler zum Einsatz, der Volumenstrom wird über die Durchfluss/Geschwindigkeits-Kennlinie der Pumpe abgebildet. Indem der Motor lastabhängig geregelt und ihm nur Leistung abverlangt wird, wenn der Prozess es erfordert, lässt sich Energie sparen. Dann ergeben sich pro Stunde bei der Basis-Lösung mit Verstellpumpe ein Verbrauch von 5,6 kWh, mit der Power-on-Demand-Lösung und drehzahlgeregeltem Antrieb ein Verbrauch von 2,8 kWh. Arbeitet die Maschine 300 Tage im Jahr in zwei Schichten, betragen die jährlichen Energieeinsparungen pro Maschine etwa 2000 Euro. Die Amortisationszeit beträgt dann 2,2 Jahre. I

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Eaton hat Whitepaper erstellt, das sich detailliert mit den gesetzlichen Vorgaben und Möglichkeiten auseinandersetzt:

Das VDMA-Einheitsblatt 24580 bietet ebenfalls Informationen zum Thema:

t1p.de/hsyw