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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Fluidpumpe, eine Recheneinheit zu dessen Durchführung sowie eine Fluidpumpe mit einer solchen Recheneinheit.
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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von Fluidpumpen mit einem Förderwerk mit festem Fördervolumen V0 (pro Hub bzw. Umdrehung), welches von einem Antrieb mit variabler Drehzahl n angetrieben wird (sog. drehzahlvariable Konstantpumpe). Beim Betrieb solcher Pumpen werden üblicherweise der Volumenstrom Q und/oder der Förderdruck p (d.h. Druckdifferenz zwischen Zulauf und Ablauf) durch entsprechende Anpassung der Drehzahl geregelt, d.h. solche Pumpen besitzen einen Freiheitsgrad bei der Regelung. Solche Pumpen werden beispielsweise in Werkzeugmaschinen oder bei der Kunststoffbearbeitung, wie z.B. in Spritzgussmaschinen, Blasformmaschinen, Pressen usw., eingesetzt, wo hohe Förderdrücke gefordert sind.
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Beim Einsatz solcher Pumpen treten immer wieder Teillastphasen auf, d.h. Phasen, in denen der elektrische Pumpenantrieb nicht das für die aktuelle Drehzahl maximal mögliche Drehmoment liefern muss. Eine typische, häufige Teillastphase ist eine Druckhaltephase, in der ein Solldruck lediglich gehalten werden muss, z.B. gegen Leckageverluste. Es hat sich gezeigt, dass bei solchen Fluidpumpen Verbesserungsmöglichkeiten bei der Energieeffizienz in Teillastphasen und beim Wirkungsgrad bestehen.
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Die
DE 10 2010 027 183 A1 offenbart ein Hydroaggregat mit einem regelbaren Elektromotor und mit einer daran koppelbaren hydrostatischen Verstellpumpe, deren Schwenkwinkel über eine hydromechanische Verstelleinrichtung einstellbar ist. Dabei sind der Schwenkwinkel über einen Schwenkwinkelsensor und ein Arbeitsdruck der Verstellpumpe über einen Drucksensor erfassbar. Eine Drehzahl des Elektromotors ist in Abhängigkeit von Schwenkwinkelsensor und Drucksensors regelbar.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben einer Fluidpumpe, eine Recheneinheit zu dessen Durchführung sowie eine Fluidpumpe aufweisend eine solche Recheneinheit mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung verbessert die Energieeffizienz von drehzahlvariablen Pumpen, insbesondere in Teillastphasen, wobei eine Wirkungsgradverbesserung in nahezu allen Betriebssituationen erzielt wird, indem das System durch Nachführung der Drehzahl und des Moments immer im Bereich des optimalen Betriebspunkts mit max. Wirkungsgrad betrieben werden kann. Es wurde erkannt, dass insbesondere bei drehzahlvariablen Konstantpumpen mit Leistungen von mehreren kW der Energiebedarf in Teillast maßgeblich von elektrischen Verlusten herrührt. Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass die Energieeffizienz in Teillast verbessert werden kann, indem das Antriebsmoment und somit der Antriebsstrom reduziert werden, was durch Verringerung des Fördervolumens αV
0 (Faktor α, z.B. Schwenkwinkel) bewirkt werden kann. Das an die Pumpe abzugebende Drehmoment M
P setzt sich nämlich zusammen aus einem Hydraulikmoment M
H und einem Reibmoment M
R gemäß:
sodass eine Reduzierung des Fördervolumens αV
0 auch zu einer Reduzierung des aufzubringenden Moments führt. Für die Umsetzung wird im Rahmen der Erfindung die Konstantpumpe durch eine Verstellpumpe (d.h. mit variablem Fördervolumen αV
0) ersetzt und das Fördervolumen im Teillastbetrieb des Antriebs (insbesondere im Druckhaltebetrieb, bei kleinem Volumenstrom) reduziert. Im Rahmen der Erfindung wird also ausgerechnet bei einem Pumpenkonzept, das auf einer Konstantpumpe basiert, stattdessen eine Verstellpumpe eingesetzt, wobei jedoch im Volllastbetrieb weiterhin mit einem konstanten (zweckmäßigerweise maximalen) Fördervolumen gearbeitet wird. Hier wird jedoch zweckmäßigerweise der Wirkungsgrad des Förderwerks berücksichtigt (beispielsweise liegt der optimale Wirkungsgrad üblicher Förderwerke, wie z.B. Axialkolbenpumpen, bei etwa 90% Schwenkwinkel, also nicht beim maximalen Fördervolumen von 100% Schwenkwinkel). Der neue Lösungsansatz besteht darin, im Teillastbetrieb das Fördervolumen zu reduzieren, so dass das erforderliche Antriebsmoment und infolgedessen der notwendige Antriebsstrom sinken, was wiederum die elektrische Verlustleistung gemäß P=I
2R reduziert. Zusätzlich werden durch die Fördervolumenreduktion auch mechanische Verluste im Förderwerk reduziert.
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Die Erfindung kann mit allen Betriebs- bzw. Bauarten von Fluidpumpen verknüpft werden, beispielsweise mit einer 2-Punkt-Verstellung, bei dem das Förderwerk über zwei Sollwerte (z.B. 0V/24V) zwischen min. und max. Fördervolumen umgeschaltet werden kann, oder mit einer kontinuierlichen Schwenkwinkelverstellung, bei der ein Schwenkwinkel von -100% ... 100% über einen analogen Sollwert von z.B. -10V, ..., +10V eingestellt werden kann.
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Zwar sind drehzahlvariable Verstellpumpen an sich bekannt, wie z.B. in der
DE 10 2009 018 071 A1 . Jedoch wird hier immer das Fördervolumen als weitere Stellgröße bei der Regelung verwendet. Die Möglichkeiten bzw. Freiheitsgrade einer Verstellpumpe werden jedoch im Rahmen der Erfindung bewusst nicht genutzt, da der Pumpenbetrieb auf eine Konstantpumpe ausgelegt und optimiert ist und daran grundsätzlich nichts verändert werden soll. Lediglich im Teillastbetrieb wird das Fördervolumen reduziert, um damit eine Drehzahlerhöhung zu bewirken und die Energieeffizienz zu verbessern. Das Fördervolumen wird jedoch nicht als Stellgröße für die Druck- und/oder Volumenstromregelung verwendet. Die Erfindung ist durchgängig zu Lösungen mit Konstantpumpen bei gleichzeitiger Minimierung der Systemverluste. Bei Einsatz von Motoren mit hoher Trägheit bzw. geringer Dynamik als Pumpenantrieb kann die Dynamik durch Schwenkwinkelanpassung verbessert werden.
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Als Verstellpumpen eignen sich insbesondere Axialkolbenpumpen, bei denen das Fördervolume über den sog. Schwenkwinkel eingestellt wird. Bevorzugterweise werden dafür Pumpen mit einer kontinuierlichen Schwenkwinkelverstellung, bei denen ein Schwenkwinkel von 0% bis 100% über eine analoge Spannung von z.B. 0V bis 10V einstellbar ist, oder Pumpen mit einer diskreten Schwenkwinkelverstellung, bei denen zwei verschiedene Schwenkwinkel von z.B. 0% und 100% über eine zwei Spannungswerte von z.B. 0V und 24V (in Art eines PWM-Betriebs) einstellbar sind.
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Eine Fördervolumenregelung ist nicht notwendig und kann eingespart werden. Dies reduziert die Kosten und den Implementierungsaufwand, der jedoch ohnehin gering ist, da existierende Fluidpumpen durch Austausch des Förderwerks und der Recheneinheit bzw. der Steuersoftware („Firmwareupdate“) umgerüstet werden können. Die gesamte Regelung kann im Antriebssteuergerät (sog. Antriebsregler) implementiert werden. Dennoch kann das Fördervolumen grundsätzlich auch geregelt werden. Ein Istwert des Fördervolumens αV
0 kann anhand des Pumpenmoments P
M, welches beispielsweise aus dem Antriebsstrom bestimmt werden kann, und dem Förderdruck p ermittelt werden gemäß:
Die Verluste einer Fluidpumpe umfassen u.a. Antriebsverluste (z.B. Wicklungs-/ Kupferverluste, Magnetisierungsverluste und Reibungsverluste) und Förderwerksverluste (z.B. Leckageverluste, Reibungsverluste und volumetrische Verluste), welche von der Drehzahl und vom Fördervolumen abhängen. Erfahrungsgemäß steigen die Förderwerksverluste mit steigender Drehzahl, so dass zur Energieeinsparung üblicherweise versucht wird, die Drehzahl zu senken. Die Erfindung geht nun den entgegengesetzten Weg und nimmt eine Drehzahlerhöhung in Kauf, da eine Reduzierung des Fördervolumens im Teillastbetrieb insgesamt zu einer Energieeinsparung aufgrund der reduzierten elektrischen Verluste und der reduzierten fördervolumenabhängigen Verluste (teilweise Reibungs- und volumetrische Verluste) führt.
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Eine weitere signifikante Energieeinsparung kann bei einem als Asynchronmotor ausgebildeten Antrieb erreicht werden, wenn dieser im Teillastbetrieb in Feldschwächung betrieben wird.
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In Ausgestaltung kann während des Betriebs zwischen einem ersten, größeren Fördervolumen für Volllast und einem zweiten, kleinere Fördervolumen für Teillast umgeschaltet werden. Das zweite, kleinere Fördervolumen kann in einfacher Ausführungsform fest vorgegeben werden oder in verbesserter Ausführungsform in Abhängigkeit von der Drehzahl n vorgegeben werden. Vorzugsweise kann das Fördervolumen für Teillast so vorgegeben werden, dass mechanische Verluste in der Pumpe und im Antrieb reduziert werden.
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Zweckmäßigerweise wird ein unterer Schwenkwinkelgrenzwert vorgegeben, der nicht unterschritten wird. Der untere Schwenkwinkelgrenzwert bestimmt sich insbesondere durch die Leckage im System und wird zweckmäßigerweise bei der Inbetriebnahme bestimmt. Er kann auch anhand von Erfahrungswerten ermittelt werden.
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Die Erfindung entfaltet besondere Vorteile im Bereich von Druckaggregaten, bei denen überlängere Zeit ein Druck konstant gehalten werden soll, dabei aber kein oder nur sehr wenig Verbrauch Q ≈ 0 stattfindet. Hier können Motor-und Pumpenverluste besonders stark durch Schwenkwinkelanpassung reduziert werden. Bevorzugte Anwendungsgebiete sind bspw. Spritzgießmaschinen, Pressen, Maschinen für Holzbearbeitung, Prüfstände, usw. Der Einsatz bzw. die Verwendung der Erfindung in diesen Gebieten ist daher besonders zweckmäßig.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät einer drehzahlvariablen Verstellpumpe, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Die Recheneinheit ist beispielsweise eine integrierte Elektronik (z.B. ASIC) im Antriebsregler, d.h. im Steuergerät für den drehzahlvariablen Antrieb.
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Auch die Implementierung der Erfindung in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten ermöglicht, insbesondere wenn eine ausführende Recheneinheit noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen drehzahlvariablen Verstellpumpe.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen drehzahlvariablen Verstellpumpe schematisch dargestellt und insgesamt mit 10 bezeichnet. Die Verstellpumpe 10 verfügt über ein verstellbares Förderwerk 20 (welches im vorliegenden Beispiel in zwei Richtungen fördern kann), einen drehzahlvariablen Antrieb 30 und eine Recheneinheit 40 zum Betrieb der Pumpe.
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Das Förderwerk
20 ist als Axialkolbenpumpe mit verstellbarem Schwenkwinkel α für eine Schrägscheibe oder Schrägachse ausgebildet, bei der der Schwenkwinkel α zur Vorgabe eines Fördervolumens V= αV
0 pro Hub bzw. Umdrehung vorgegeben werden kann. Dazu wird ein Stellsignal von der Recheneinheit
40 an die Axialkolbenpumpe
20. Das Stellsignal kann bspw. ein Sollwert für ein sog. Pilotventil
21 auf der Pumpe sein. Optional kann ein Ist-Schwenkwinkel für eine Schwenkwinkelregelung rückgeführt werden. Ein Ist-Schwenkwinkel kann auch rechnerisch aus bekannten Größen Pumpenmoment, Förderdruck, max. Fördervolumen ermittelt werden gemäß:
Der Antrieb ist hier als sog. Normmotor ausgebildet, der einen Asynchronmotor
31 und einen Frequenzumrichter
32 aufweist. Im Prinzip können auch Synchron-Servomotoren eingesetzt werden. Die Drehzahl n des Asynchronmotors
31 ist variabel. Dazu wird eine Soll-Drehzahl von der Recheneinheit
40 an den Antrieb
30 vorgegeben. Die Ist-Drehzahl kann über einen Winkelgeber bestimmt werden. Bei der in der Figur dargestellten Pumpe wird die Drehzahl geregelt. Jedoch ist ebenso eine Steuerung ohne Rückkopplung möglich.
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Für die Regelung der Pumpe 10 dient die Recheneinheit 40, der ein Soll-Förderdruck ps und ein Soll-Volumenstrom Qs zugeführt werden. Die Recheneinheit 40 ist als sog. Antriebsregler ausgebildet und bestimmt daraus im Rahmen der Erfindung die Drehzahl n als Stellgröße. Optional ist eine Bestimmung des Ist-Förderdrucks über einen Sensor möglich. Weiterhin bestimmt die Recheneinheit 40, ob sich der Antrieb in einem Volllastbetrieb oder einem Teillastbetrieb befindet, bspw. durch Überwachung des elektrischen Stroms, um so das von dem Antrieb 30 gelieferte Antriebsmoment zu bestimmen und mit dem für die momentane Drehzahl maximal möglichen Antriebsmoment zu vergleichen, oder durch Überwachung der Drehzahl. Insbesondere kann ein Schwellwertvergleich vorgesehen sein, wobei ein Antriebsmoment unter einem Schwellwert (von z.B. 75%) bzw. eine Drehzahl unter einem Schwellwert als Teillast erkannt wird. Der Drehzahlschwellwert wird zweckmäßigerweise in Abhängigkeit vom Einsatzzweck vorgegeben.
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Im Volllastbetrieb wird ein Stellsignal für den Schwenkwinkel α der Verstellpumpe ausgegeben, der zu einem ersten, größeren Fördervolumen, insbesondere dem maximal möglichen Fördervolumen V0 führt. Im Teillastbetrieb wird ein Stellsignal für den Schwenkwinkel α der Verstellpumpe ausgegeben, der zu einem zweiten, niedrigeren Fördervolumen führt. Insbesondere kann eine Abhängigkeit des zweiten, niedrigeren Fördervolumens von der Drehzahl einem Kennfeld o.ä. in der Recheneinheit entnommen werden.
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Die Einstellung des Fördervolumens kann zweckmäßigerweise durch Ansteuerung des Pilotventils bzw. Steuerventils 21 erfolgen. Es kann dabei ein Proportionalventil oder ein Schaltventil eingesetzt werden. Dementsprechend bieten sich unterschiedliche Steuer- und Regelverfahren für den Teillastbetrieb an.
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Wird ein Proportionalventil eingesetzt, kann ein reduziertes Fördervolumen durch entsprechende (analoge bzw. kontinuierliche) Ansteuerung des Proportionalventils vorgegeben und auch variiert werden. Die Ermittlung des Ist-Fördervolumens für eine Regelung kann, wie bereits oben erläutert, aus bekannten und leicht messbaren Größen erfolgen. Dies erlaubt eine „dynamische“ bzw. kontinuierliche Schwenkwinkelverstellung, so dass die Drehzahl auf einem abgesenkten Wert festgehalten werden kann und der Förderdruck über den Schwenkwinkel einstellbar bzw. regelbar ist.
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Wird ein Schaltventil eingesetzt, werden ein (festes) reduziertes und ein (festes) normales Fördervolumen durch entsprechende (digitale bzw. diskrete) Ansteuerung des Schaltventils vorgegeben. Dies ist sehr einfach zu implementieren, da das erste, größere Fördervolumen und das zweite, kleinere Fördervolumen durch Vorgabe von lediglich zwei festen Schwenkwinkeln (von z.B. 100% und 70%) über zwei Spannungswerte (von z.B. 24V und 0V) einstellbar sind. Dies erlaubt eine „statische“ bzw. diskrete Schwenkwinkelverstellung, so dass bei reduziertem Fördervolumen in Teillast der Förderdruck über die Drehzahl einstellbar bzw. regelbar ist.
