Energieeffizienz durch optimierte Innenzahnradpumpe für drehzahlvariable Antriebe

Hybrid heißt das Zauberwort

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Effiziente Antriebslösungen senken die Betriebs- und damit Lebenszykluskosten in der Automatisierung entscheidend. Immer mehr Maschinenhersteller und Anwender setzen darum auf geregelte drehzahlvariable Antriebe, um erhebliche Einsparpotenziale bei hydraulischen Aggregaten auszuschöpfen. Bei diesen Hybridlösungen erzielen Innenzahnradpumpen, die in einem weiten Drehzahlbereich mit guten Wirkungsgraden arbeiten, den stärksten Effekt.

Elektrische und hydraulische Antriebslösungen bieten jeweils spezifische Vorteile. Rein elektrische Lösungen stehen beispielsweise für einen guten Gesamtwirkungsgrad. Hohe Leistungsdichte sowie sehr gute Verteil-, Steuer- und Regelbarkeit von Kraft oder Energie sprechen unter anderem für hydraulische Antriebe. Erst die konkrete Anwendung zeigt, welche Antriebstechnologie die gestellten Bewegungsaufgaben am effizientesten übernehmen kann. Die Fortschritte in beiden Technologien führen immer wieder dazu, dass sich einige Anwenderbranchen von elektrischen zu hydraulischen Lösungen oder umgekehrt von hydraulischen zu elektrischen Lösungen orientieren, um mit den spezifischen Vorteilen der jeweils angebotenen Technologie das Gesamtsystem zu optimieren. Aber, wie so oft, gibt es nicht nur schwarz und weiß, sondern viele Kombina- tionsmöglichkeiten. Hybride Hydraulikantriebe kombinieren drehzahlvariable, geregelte elektrische Antriebe mit Hydraulikpumpen, die einen hohen Wirkungsgrad über einen deutlich erweiterten Drehzahlbereich zur Verfügung stellen. Diese Verbindung der Vorteile von Hydraulik und Elektrik kann die Energieeffizienz deutlich erhöhen.

Hoher Wirkungsgrad bei doppelter Drehzahl
Bei der Entwicklung und Optimierung von Hydraulikpumpen standen lange Zeit gute Wirkungsgrade bei hohem Betriebsdruck als zu optimierende Zielgröße im Vordergrund. Es bereitet den meisten Verdrängerpumpen keine Schwierigkeiten, im Drehzahlbereich der Dieselmotoren von mobilen Arbeitsmaschinen betrieben zu werden. Der Wirkungsgrad bei kleinen Drehzahlen spielt keine Rolle, da die Pumpe nur bei der hohen Nenndrehzahl die Antriebsleistung möglichst effizient in hydraulische Leistung umsetzen soll.
Hybridaggregate für industrielle Anwendungen stellen dagegen weit höhere Anforderungen an den Gesamtwirkungsgrad im Betriebsbereich der Hydraulikpumpen. Anwender erwarten, dass im Bereich hoher Leistungen auch der Verlust möglichst gering ist. Einen guten Wirkungsgrad bei hohen Drücken stellen moderne spaltkompensierte Verdrängerpumpen schon bereit. Für die Energieoptimierung in Kombination mit drehzahlvariablen Antrieben muss der Wirkungsgrad aber auch bei doppelter Drehzahl gleichermaßen auf hohem Niveau erhalten bleiben, um nicht gerade dann außerhalb des Wirkungsgradoptimums zu fahren, wenn die Pumpe die größte Leistung umsetzt. Hier zählt die Verlustminimierung durch gute Wirkungsgrade gerade bei hohen Leistungen.
Auf der anderen Seite bietet das Konzept einer drehzahlvariabel angetriebenen Konstantpumpe in der Druckhaltefunktion hohe Energieeinsparungspotenziale gegenüber den konventionellen Speicheranlagen mit Konstantpumpe in drucklosem Umlauf oder Regelpumpen in Druckhaltefunktion. Der Ansatz ist einfach und plausibel: Bedarfsgerecht reduzierte Antriebsdrehzahl und somit abgeforderte Leistung, wenn gerade keine Geschwindigkeit gefahren wird.
Neue Drehzahlregion 3000 plus
Für die Pumpe lassen sich damit die Einsatzgrenzen einer Konstantpumpe im Druck- Drehzahlkennfeld eines drehzahlvariablen Antriebes wie folgt definieren: (Diagramm)
  • Maximaler Betriebsdruck, begrenzt durch die mechanische Festigkeit der Bauteile
  • Maximale Drehzahl, begrenzt durch die Dimensionierung der hydraulischen Anschlüsse und damit vorgegebenen Leitungsquerschnitte
  • Maximale Leistung, bedingt durch die interne hydraulische Steuerung
  • Maximales Geräusch, als flexible Grenze je nach Anforderung
  • Minimale Drehzahl, bei der die Pumpe in Druckhaltefunktion die eigene und externe Leckage ausgleicht, wobei eine minimale externe Leckage zwecks Kühlung der Pumpe notwendig sein kann.
Rexroth hat die neu entwickelte Serie der Innenzahnradpumpe PGH-3X speziell auf diese Betriebsart optimiert. Sie weist ein breites Wirkungsgradoptimum aus, das von den üblichen Betriebsdrehzahlen von 1450 min-1 und mittleren bis hohen Drücken bis zur maximalen Leistung gleichermaßen erhalten bleibt. Das minimiert Verluste auch bei hohen Leistungen. Darüber hinaus kann der Anwender alle Größen der neuen PGH-3X bis zu einer Drehzahl von mindestens 3000 min-1 antreiben. Damit bietet dieser Ansatz die Freiheit, eine geforderte Zylindergeschwindigkeit energieeffizient aus der variablen Drehzahl heraus zu fahren. Die Wahl kleinerer Elektromotoren und Pumpenbaugrößen verringern die Einstiegskosten bei gleichzeitiger Senkung des Stromverbrauchs.
Bei Bedarf auf Null absenken
Den wichtigen Betriebzustand mit kleinen Drehzahlen in der Druckhaltefunktion, der die größten Energieeinsparpotenziale eröffnet, erreichen die Hybridantriebe mit 200 min-1 und maximalem Betriebsdruck ohne Einschränkungen. Der Betrieb unter 200 min-1 ist temporär bis zum Ausgangsvolumenstrom = 0 l/min möglich, was die Energieeffizienz weiter erhöht. Die maximale Betriebsdauer im Drehzahlbereich 0 bis 200 min-1 kann anhand einer Wärmebilanz für den konkreten Betriebszustand berechnet werden. Kunststoffmaschinenhersteller nutzen diese Einsparungspotenziale bereits in Serienanwendungen. Eine Analyse der Geschwindigkeits- und Lastprofile von Kunststoffmaschinen zeigt eine Ausnutzung der höheren Energieeffizienz in allen wesentlichen Aspekten. Für kurze Zykluszeiten fahren die Hersteller die Hauptzylinderbewegungen mit maximaler Drehzahl und nutzen das Wirkungsgradoptimum der Innenzahnradpumpe bei maximaler Leistung. Am Ende des Verfahrweges folgt eine temporäre Druckhaltefunktion, bei der aufgrund der niedrigen Drehzahl nur noch geringe Restverluste auftreten. Aufgrund der guten Energieausnutzung kann die sonst obligatorische Kühlung der Hydraulik entfallen oder zumindest deutlich kleiner ausgelegt werden.
Zunehmend schöpfen auch andere Anwendungen wie Pressen, Lifte und Mischer die Vorteile von drehzahlvariablen Hybridantrieben aus. Dabei erhöht das erweiterte Betriebsfeld der neuen Innenzahnradpumpe PGH-3X die Energieeffizienz deutlich und senkt damit die Lebenszykluskosten. Die Höhe der Einsparungen und die Auslegung der am besten geeigneten Systemlösung hängen vom konkreten Betriebszyklus in der individuellen Anwendung ab. Rexroth als einziger Hersteller sämtlicher Antriebs- und Steuerungstechnologien unterstützt Anwender mit einer detaillierten und technologieneutralen Analyse auf Basis umfassender Kenntnisse sowohl der elektrischen wie der hydraulischen Antriebstechnik. Damit eröffnet Rexroth dem Maschinenhersteller die freie Wahl unter allen aktuellen Antriebsvarianten: konventionelle hydraulische Antriebe mit Verstellpumpen, Speicherladesysteme mit Konstantpumpen sowie elektrische Antriebe für Systeme mit variabler Drehzahl und der hierfür entwickelten neuen Innenzahnradpumpe PGH-3X sowie rein elektromechanische Lösungen aus einer Hand.
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