Energieoptimierte Antriebskonzepte für hydraulische Umformmaschinen mit elektrischen Servoantrieben
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Dirk Landgrebe, Dipl.-Ing. Peter Blau, Dr.-Ing. Thomas Päßler, Dipl.-Ing. Robert Tehel, Dipl.-Ing. Tobias Voigt, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz
76 Seiten - 65,00 EUR (sw, 29 teils farbige Abb., 2 Tab.)
ISBN 978-3-86776-489-6
Zusammenfassung
Innerhalb des Projektes wurde eine reale Versuchsmaschine mit umfassender Messtechnik für die Messung elektrischer Größen der Energieversorgung sowie der das hydraulische bzw. mechanische Verhalten der Maschine bestimmenden physikalischen Größen ausgerüstet. Die verschiedenen an diesem Versuchsstand untersuchten Umformprozesse wurden dabei mit mehreren unterschiedlichen Konfigurationen des Antriebsstranges durchgeführt. Diese beinhalteten bspw. die Kombination eines drehzahlveränderlichen Motors mit einer Pumpe mit konstantem Verdrängervolumen, die Kombination eines Motors mit konstanter Drehzahl an einer Stellpumpe mit veränderlichem Verdrängervolumen als auch eine Kombination aus drehzahlveränderlichem Servomotor mit Stellpumpe.
Die Kombinationen wurden untereinander hinsichtlich des Energieverbrauches bzw. der Energieeffizienz verglichen. Für die letzte Kombination, variabel-variabel genannt, wurde aufgrund des zusätzlichen Freiheitsgrades ein Optimierungsalgorithmus entwickelt, der den Antriebsstrang über den Gesamtprozess hinweg betrachtet in die optimalen Betriebspunkte steuert und so den Energieverbrauch signifikant senkt.
Neben dieser nachgewiesenen Energieeinsparung und damit auch Einsparung laufender Kosten des Pressenbetreibers durch das Einbringen eines zusätzlichen Freiheitsgrades wird eine Reduktion der Baugröße der Antriebskomponenten ermöglicht, was zu zusätzlichen Einsparungen bei den Investitionskosten für den Pressenhersteller bzw. -betreiber führen kann. Weiterhin kann der vorgestellte Algorithmus derart weiter entwickelt werden, dass er direkt in der Steuerung der Pumpe integriert dieser ein weiteres Alleinstellungsmerkmal hinzufügt und die Konkurrenzfähigkeit steigert.
Die Ziele des Projektes zur Ermittlung der energetischen Potentiale durch den Einsatz von Servoantrieben in hydraulischen Umformmaschinen wurden dabei vollumfänglich erreicht.
Das IGF-Vorhaben „Energieoptimierte Antriebskonzepte für hydraulische Umformmaschinen mit elektrischen Servoantrieben" wurde unter der Fördernummer AiF 18031BR von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 441 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
Within the project a real test machine has been equipped with widespread measurement instrumentation for the determination of physical quantities. These include electrical quantities of the power supply as well as measured variables describing the hydraulic and mechanical behavior of the machine. Additional state variables out of the control system round the holistic view on the behavior of the machine.
The various forming processes examined at this test rig were carried out with several different configurations of the drive train. These include for example the combination between a motor of adjustable speed together with a pump of constant displacement, the combination between a motor of constant speed with pump of an adjustable displacement or the combination of variable-speed servomotor with a variable-displacement pump. The combinations have been compared among one another considering their energy efficiency.
For the last combination, called variable-variable, an optimization algorithm has been developed due to the available additional degree of freedom. This additional degree of freedom in combination with the algorithm enables the drive train to stay in an optimal operating point during the entire process which significantly lowers the energy consumption of the press.
In addition to these proven energy savings and thus savings of operating costs for the press operator a reduction of the size of the drive components is possible by introduction of an additional degree of freedom. This could lead to additional savings in investment costs for press manufacturers and operators.
Furthermore, the proposed algorithm can be evolved to become directly integrated into the control of the pump which would add another unique feature for the pump manufacturer and increase its competitiveness.
The objectives of the project to determine the energetic potential through the use of servo drives in hydraulic forming machines were thereby achieved completely.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Summary
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
Abkürzungsverzeichnis
Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik und Forschung
2.1 Ausgangssituation
2.2 Stand der Forschung und bisherige Arbeiten am Fraunhofer IWU
3 Problemstellung, Forschungsziel und Arbeitsprogramm
3.1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung
3.2 Angestrebtes Forschungsziel
3.3 Arbeitsprogramm
3.3.1 AP 1: Analyse technologischer Abläufe
3.3.2 AP 2: Analyse Ist-Stand Antriebsstrukturen
3.3.3 AP 3: Versuchsplan für Belastungscharakteristiken
3.3.4 AP 4: Modellierung Antriebsvarianten
3.3.5 AP 5: Vorbereitung messtechnische Untersuchung
3.3.6 AP 6: Messdurchführung
3.3.7 AP 7: Parametrierung Simulationsmodell
3.3.8 AP 8: Ergebnisbewertung
3.3.9 AP 9: Steuerungstechnische Lösungen
3.3.10 AP 10: Experimentelle Umsetzung
3.3.11 AP 11: Auswertung
4 Umsetzung und sich ergebende wirtschaftliche sowie technische Potentiale
4.1 Technische Ausgangslage des Fallbeispiels
4.2 Aufbau eines Simulationsmodells und energetische Betrachtung der verschiedenen Antriebsstrukturen
4.3 Optimierung des Betriebspunktes bei Antriebssträngen mit mehreren Freiheitsgraden
4.3.1 Reduktion der zu optimierenden Betriebspunkte
4.3.2 Optimierung einzelner Betriebspunkte
4.3.3 Optimierung des gesamten Zyklus
4.4 Wirtschaftliche Potentiale
4.5 Technische Potentiale
4.6 Aufbau eines Simulationsmodells des Versuchsstandes
5 Ergebnisse
6 Nutzung und Verwertung der erzielten Forschungsergebnisse
6.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse
6.2 Innovativer Beitrag der erzielten Ergebnisse
6.3 Industrielle Anwendungsmöglichkeiten
7 Literaturverzeichnis
