Das Beste aus zwei Welten: Hydraulik und Servotechnik kombinieren und bis zu 80% Energiekosten sparen

Michael Stiegler, Baumüller Nürnberg GmbH

Lesedauer ca. 7 min.

Eine Vorsilbe ändert alles. Servo- macht Hydraulik zum präzise geregelten Antrieb. Doch was leistet Servohydraulik wirklich? Welche Herausforderungen bringt ein Wechsel mit sich? Das erklären wir Ihnen in diesem Beitrag.

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

Robust und leistungsstark

Hydrauliksysteme mit Asynchronmotor und mit Servomotoren

Klassische Hydraulikanwendungen haben viele Vorteile: Die Hydraulik sorgt für eine hohe Kraft- und Leistungsdichte und geringe Trägheiten, die Antriebselemente sind robust und vergleichsweise kostengünstig. Es geht aber auch anders – Pressen und Spritzgießmaschinen 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 Fällen folgende Lösungsansätze zur Anwendung:

Servo-Hydraulik statt Asynchronnormmotor 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. Über die Konstantpumpe wird dauerhaft Volumenstrom gefördert. Die Druck- und Volumenregelung erfolgt hier über Proportionalventile.  

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

Vorteil: Niedrige Anschaffungskosten durch den Einsatz von Standard-Normmotoren

Nachteile:

  • Hohe Geräuschemissionen durch den Dauerbetrieb des Normmotors
  • Hohe Kosten für die Ventiltechnik
  • Hoher Energieverbrauch durch den Dauerbetrieb bei konstanter Drehzahl
Servohydraulik statt elektrohydraulische 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 Lärmbelastung bleiben bestehen.

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

Nachteile:

  • Verstellpumpen sind teurer als Konstantpumpen
  • Hohe Geräuschemissionen durch den Dauerbetrieb des Normmotors
  • Asynchronmotor verbraucht weiterhin ungenutzte Energie im Teillastbereich

Schwankender Bedarf an hydraulischer Leistung im Maschinenzyklus

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

Der beispielhafte Zyklus einer hydraulischen Maschine in der Abbildung zeigt den je Teilzyklus benötigten Druck in [Bar], die geförderte Ölmenge in [L/min] sowie die daraus resultierende hydraulische Leistung in [kW].

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

Hydraulische Leistung in den einzelnen Zyklen der Maschine
Servohydraulisches Antriebssystem

Die Lösung: Hohe Leistungsdichte kombiniert mit hoher Energieeffizienz

Servo-hydraulische Maschinen verbinden die Vorteile der hydraulischen Leistungsübertragung mit den Vorzügen von Servo-Antriebstechnik: Hohe Leistungsdichten, geringe Trägheiten sowie kostengünstige und robuste Antriebselemente treffen auf dynamische und präzise Drehzahlregelung. So sinkt der Energieverbrauch deutlich. Dabei sind die geringe Wärme- und Geräuschentwicklung, der hohe Wirkungsgrad sowie überdurchschnittliche Dynamik und Präzision typische Vorzüge der Servotechnik.

Servomotor mit Konstantpumpe

Das Antriebspaket von Servo-hydraulischen Systemen besteht aus einer Konstantpumpe, einem Servomotor sowie einem Umrichter mit integriertem Technologiepaket „Servohydraulik“. Der Baumüller Servomotor treibt die Pumpe an. Geregelt wird der servoelektrische Pumpenantrieb separat von einem Servoregler.

Servohydraulisches AntriebssystemIn jedem Zyklusschritt, wird die Mengen- und Druckregelung der Pumpe durch das Verstellen der Motordrehzahl exakt an den jeweiligen Bedarf angepasst. In prozessbedingten Zykluspausen der hydraulischen Verbraucher, wird der Antrieb stillgesetzt und verbraucht dann auch keine Energie. In Phasen der Druckregelung dreht der Motor nur mit der maximal notwendigen Drehzahl und verbraucht dann auch nur so viel Energie, wie zum Erhalt der Druckregelung erforderlich ist.

Da der Antrieb durch Einsatz der Servopumpe nur dann Leistung erbringt, wenn sie tatsächlich genutzt wird, verbraucht die Maschine um ein vielfaches weniger Energie. Im Vergleich zu den klassischen Lösungen sind bis zu 50 Prozent Einsparung möglich, bei langen Zyklen ohne Kraftbedarf sogar bis zu 80 Prozent.  Hieraus ergeben sich deutlich reduzierte Lebenszykluskosten, die die höheren Initialkosten häufig innerhalb eines Jahres amortisieren.

Ein weiterer Aspekt ist die deutlich reduzierte Lärmbelastung. Konventionelle Hydrauliksysteme verursachen durch den permanent laufenden Hauptantrieb stetig Geräusche, auch dann, wenn keine hydraulische Energie benötigt wird.

Kleinerer Maschinen-Footprint

Durch den Einsatz von Servohydraulik wird das Antriebssystem wesentlich kompakter, was die benötigte Maschinenaufstellfläche verringert.
Werden flüssigkeitsgekühlte Servomotoren mit Wasser- oder Ölkühlung eingesetzt, können für die benötigte Nennleistung kleinere Motorbaugrößen verwendet werden, was die Kompaktheit des Systems zusätzlich erhöht. Zusätzliches Potenzial bietet der Einsatz von innenverzahnten Pumpen – diese verkürzen den Bauraum, da der Pumpenträger entfällt und die Motor-Pumpenkombination deutlich kürzer ausfällt.
Weiterhin werden in servohydraulischen Systemen Pumpen eingesetzt, die nicht an die Netzdrehzahl gebunden sind und deutlich kleiner ausfallen. Typischerweise 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 Möglichkeit, je nach Schluckvolumen Drehzahlen von über 5000 rpm zu realisieren. Dadurch kann die Pumpengröße deutlich reduziert werden. Darüber hinaus sinkt durch die kleinere Pumpe auch der Drehmomentbedarf des Motors, wodurch auch hier ein Downsizing ist. Die benötigte Leistung kann dann über die Motordrehzahl realisiert werden.

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 möglich. Diese ausgezeichneten Regeleigenschaften führen zu einer hohen Wiederholgenauigkeit, die eine verbesserte Produkt- und Prozessqualität ermöglichen. Jede hydraulische Achse kann, abgestimmt auf den jeweiligen Verbraucher, mit eigenen Regelparametersätzen im Regler hinterlegt werden.

Vorteile:

  • Deutlich niedrigerer Energieverbrauch durch Regelung des Pumpenantriebs
  • Geringere Geräuschemissionen
  • Höhere Prozess- und Produktqualität
  • Kompaktes Antriebssystem und kleinere Maschinenaufstellfläche

Nachteile: Höhere Initialkosten

Servohydraulik lohnt sich bei:

  • Prozessen mit starken Schwankungen im Kraftbedarf
  • Prozessen mit langen Pause-Zyklen
  • Zu hoher Lärmbelastung
Passt das Konzept auch für Ihre Anwendung?

Wann sich der Wechsel zu Servohydraulik lohnt – alle Informationen in unserem Webcast (15 Minuten)!

Applikationsbeispiele

Beispiel: Spritzgießmaschine

Zyklus Spritzgießmaschine

Sehr gut lässt sich das Prinzip der Servohydraulik am Beispiel des Zyklus einer Spritzgießmaschine darstellen. Bei der Herstellung von Plastikbechern oder Flaschenverschlüssen werden sechs Schritte durchlaufen: Plastifizieren, Dosieren, Einspritzen, Ausformen, Abkühlen und Entformen. Diese Produktionsschritte sind höchst unterschiedlich, wodurch innerhalb eines Prozessschrittes die Spritzgießmaschine einen stark schwankenden Leistungsbedarf hat. Schließ- und Einspritzvorgänge erfordern große Mengen an Hydrauliköl und einen hohen Volumenstrom. Dagegen benötigen 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 Lösung entsteht durch eine bedarfsgerechte Pumpenleistung. Steht die Maschine still, z.B. beim Abkühlen, ruhen auch die Motoren und verbrauchen keine Energie.

Beispiel: Presse

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 Lösung 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 tatsächlich benötigte Energie eingesetzt werden, während bei den klassischen Systemen die Verluste durch das konstante Drehen des Normmotors in Ruhephasen höher 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 benötigt. Anhand dieser Informationen kann das servohydraulische System mit seinen Komponenten mit Hilfe der Berechnungssoftware des Antriebsherstellers ausgelegt werden.

Ist Servohydraulik für Sie geeignet?

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Die Integration der neuen Lösung in das Maschinen-Layout ist in der Regel ebenfalls ohne größere 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 Fällen 1:1 durch eine Servohydraulik ersetzt werden.

Weitere Anwendungsbereiche für Servohydraulik

Spritzgießmaschinen und Pressen sind nicht die einzigen Einsatzgebiete für servomotorische Pumpen. Überall 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 Lösung in Form einer dynamisch regelbaren Servopumpe.

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Michael Stiegler

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