abgeschlossene Promotionen & Habilitationen

Dissertation

Zur Regelung hydraulischer Prozesse haben sich in modernen Industriemaschinen neben der klassischen Ventiltechnik effiziente Verdrängersteuerungen etabliert. Mit einer bedarfsgerechten Förderung des Volumenstromes werden Drosselverluste vermieden und eine gesteigerte Energieeffizienz im Betrieb erreicht. Neben Pumpen mit verstellbarem Fördervolumen zeigt sich – begünstigt durch die sinkenden Kosten der Leistungselektronik – in den vergangenen Jahren ein zunehmendes Interesse an drehzahlvariablen Pumpenantrieben. Der Einsatz von Frequenzumrichtern ermöglicht insbesondere bei kleinen Fördermengen und prozessbedingten Leerlaufphasen erhebliche Potentiale zur Energieeinsparung. Pumpen mit verstellbarem Fördervolumen können dagegen bei hohen Systemdrücken eine effiziente Entlastung des elektrischen Antriebes ermöglichen. Die Kombination eines drehzahlvariablen Antriebs mit einer Verstellpumpe verbindet die Vorteile beider Konzepte und stellt mit Drehzahl und Fördervolumen zwei Stellgrößen für die Regelung hydraulischer Prozesse zur Verfügung. Aus Prozesssicht kann die verstellbare Pumpe als stufenloses hydraulisches Getriebe interpretiert werden. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie der resultierende Freiheitsgrad zur Optimierung von wahlweise Energieeffizienz und Dynamik in hydraulischen Prozessen eingesetzt werden kann.
Energieeffizienz
In vorhergehenden Arbeiten wurde der Freiheitsgrad drehzahlvariabler Verstellpumpen im Rahmen einer ganzheitlichen statischen Verlustanalyse des elektrohydraulischen Antriebssystems zur Steigerung der Energieeffizienz genutzt und eine modellbasierte, arbeitspunktorientierte Drehzahlvorsteuerung entwickelt. Für statische und quasistatische Prozesszyklen konnten auf diese Weise Energieeinsparungen von mehr als 20 % im Vergleich zu rein drehzahlvariablen und rein fördervolumenvariablen Regelungsstrategien nachgewiesen werden.
Gleichzeitig musste bei dynamischen Zyklen jedoch ein entscheidendes Defizit der statischen Verlustbeschreibung festgestellt werden. Schnelle Beschleunigungsvorgänge führen im elektrischen Antrieb zu erhöhten Kupferverlusten, welche die vermeintlichen Einsparungen beim Anfahren der energieoptimalen Arbeitspunkte dominieren können.
Der vorgestellten Problemstellung wird in dieser Arbeit mit einem modellprädiktiven Optimierungsansatz entgegnet. Dazu wird ein zeitdiskretes dynamisches Verlustmodell aller Antriebskomponenten formuliert. Im Gegensatz zur herkömmlichen arbeitspunktorientierten Optimierung kann auf diese Weise eine zyklusorientierte Optimierung eingeführt werden, die eine intelligente Nutzung des Freiheitsgrades für beliebige hydraulische Zyklen sicherstellt. In dem modellprädiktiven Ansatz wird ein bekannter, wiederkehrender hydraulischer Prozess in eine äquivalente mathematische Optimierungsaufgabe transformiert. Mittels geeignet formulierten
Nebenbedingungen kann dabei die geforderte Prozessdynamik ebenso sichergestellt werden, wie das Einhalten der physikalischen Grenzen aller Antriebskomponenten.
In Simulationen und Messungen am Prüfstand können Energieeinsparungen von bis zu 20 % im Vergleich zu bekannten Betriebsstrategien nachgewiesen werden. Insbesondere kann die Leistungsfähigkeit des modellprädiktiven Konzeptes für hochdynamische Prozesse gezeigt werden, bei denen die statische Optimierung ineffizient wird.
Prozessdynamik
Neben der Energieeffizienz spielt in industriellen Anwendungen auch die Prozessdynamik eine entscheidende Rolle. Kürzere Zykluszeiten erhöhen unmittelbar den Produktionsoutput und tragen damit wesentlich zur Rentabilität einer Arbeitsmaschine bei. Daher wird in einem zweiten Kapitel dieser Arbeit das Potential der beiden Stellgrößen Drehzahl und Schwenkwinkel zur Maximierung der Prozessdynamik aufgezeigt. Dazu wird insbesondere ein Sollwertsprung des Volumenstroms am Ausgang der Pumpe analysiert und mit dem Ziel einer minimalen Anstiegszeit optimiert.
Zur Maximierung der Volumenstromdynamik wurde in bisherigen Arbeiten die Antriebsdrehzahl als Multiplikator der maximalen Pumpendynamik aufgefasst.
Bekannte Betriebsstrategien drehzahlvariabler Verstellpumpen empfehlen daher ein frühzeitiges Anheben der Antriebsdrehzahl auf ein maximal mögliches Level. Der anschließende Sollwertsprung kann somit unter Verwendung der maximalen Schwenkgeschwindigkeit der Pumpe bei maximaler Antriebsdrehzahl durchgeführt werden.
In dieser Arbeit wird eine neue prozessorientierte Betriebsstrategie vorgestellt, die exemplarisch eine Verdopplung der bisher möglichen Volumenstromdynamik erzielt bei gleichzeitiger Reduktion der maximal notwendigen Pumpendrehzahl um 40 %. Auf Basis eines dynamischen Modells der drehzahlvariablen Verstellpumpe wird der optimale Einsatz des vorhandenen Freiheitsgrades hergeleitet und gezeigt, dass dieser sowohl von Systemparametern wie maximales Motormoment, maximales Fördervolumen der Pumpe oder Massenträgheitsmoment des elektrohydraulischen Antriebssystems, aber auch von Systemdruck und Volumenstrom als relevante Prozessparameter bestimmt wird.

Verstellpumpen, Pumpen