DE4406736A1 - Verfahren zur Leistungsbegrenzung in einem Drucknetz mit eingeprägtem Druck - Google Patents

Verfahren zur Leistungsbegrenzung in einem Drucknetz mit eingeprägtem Druck

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DE4406736A1 DE19944406736 DE4406736A DE4406736A1 DE 4406736 A1 DE4406736 A1 DE 4406736A1 DE 19944406736 DE19944406736 DE 19944406736 DE 4406736 A DE4406736 A DE 4406736A DE 4406736 A1 DE4406736 A1 DE 4406736A1
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Description

Die Erfindung betrifft ein hydrostatisches Antriebssystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Solange die Fördermenge der in das Drucknetz einspeisenden Pumpe größer oder gleich dem maximalen Volumenstromverbrauch der an das Drucknetz angeschlossenen Verbraucher ist, bleibt im Drucknetz der sogenannte eingeprägte Druck konstant bzw. annähernd konstant, wenn Druckschwankungen in bestimmten Bereichen als zulässig angesehen werden.
Liegt jedoch die maximale Pumpenförderleistung niedriger als der maximale Volumenstromverbrauch, so kann das Drucknetz leergesaugt werden, d. h. der Druck bricht zusammen und die Drehzahl der Sekundäreinheiten und damit deren Volumenstrom muß soweit reduziert werden, daß die Primäreinheit den ein­ geprägten Druck wieder aufbauen kann.
Bei bekannten Konstantdrucknetzen mit Sekundärregelung wird der Druck im Drucknetz gemessen und bei beginnendem Druckab­ fall der Sollwert für die Drehzahleinstellung einer Sekun­ däreinheit (Verbraucher) verkleinert, s. beispielsweise DE 37 13 799 A1.
Ein anderer Weg zur Leistungsbegrenzung einer hydraulischen Maschine in einer Sekundärregelung ist aus DE 4 11 100 A1 bekannt. Hierbei wird aus den Nenngrößen der Primär- und Sekundäreinheit ein zulässiger Volumenstrom der Sekundär­ einheit berechnet und wird aus dem zulässigen Volumenstrom und der Drehzahl der Sekundäreinheit ein zulässiger Schwenkwinkel für die Sekundäreinheit erzeugt. Sind mehrere Sekundäreinheiten oder andere Verbraucher an das Drucknetz angeschlossen, so muß für jede Sekundäreinheit der zulässige Volumenstrom berechnet werden, wobei jede Sekundäreinheit eine eigene Leistungsbegrenzung benötigt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe liegt darin, bei mehreren an das Drucknetz mit eingeprägtem Druck ange­ schlossenen Verbrauchern eine Leistungsbegrenzung für einen bzw. mehrere Verbraucher durchzuführen. Ferner soll das System vereinfacht sein und sollen Druckschwankungen nach Möglichkeit vermieden werden. Die Leistungsbegrenzung soll zügig durchgeführt werden, ohne daß das System schwin­ gungsanfällig ist.
Die genannte Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die an das Konstantdrucknetz angeschlossenen Verbraucher sind somit in solche unterteilt, deren Leistung nicht be­ grenzt wird und andere, deren Leistung begrenzt werden soll. Dabei erfolgt die Anpassung an die zur Verfügung stehende Leistung des Konstantdrucknetzes ausschließlich durch die in ihrer Leistung begrenzbaren Verbraucher. Das erfindungsge­ mäße Antriebssystem ist damit gegenüber dem Stand der Tech­ nik vereinfacht. Insbesondere entfallen mehr oder weniger aufwendige Meßanordnungen, da lediglich die momentane Ist- Leistung (Schwenkwinkel) der in das Drucknetz einspeisenden Pumpe und die momentane Ist-Leistung der leistungsbegrenzten Verbraucher (Schwenkwinkel und Drehzahl oder Ventildurch­ fluß) gemessen werden müssen. Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, daß der bzw. die leistungsbegrenzten Verbraucher die restliche zulässige Leistung des Konstantdrucknetzes erhält, welche die nicht leistungsbegrenzten Verbraucher nicht benötigen.
Für die erfindungsgemäße Leistungsbegrenzung wird vorausge­ setzt, daß die maximale Ist-Leistung der nicht leistungs­ begrenzten Verbraucher (einschließlich Leckage) kleiner ist als die zulässige Leistung des Konstantdrucknetzes. Ist dies nicht der Fall, so müssen mehrere Verbraucher begrenzt wer­ den. Die für die zu begrenzenden Verbraucher zur Verfügung stehende Leistung muß dann in geeigneter Weise auf die ein­ zelnen Verbraucher verteilt werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zweier Ausführungs­ beispiele näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine Regelschaltung für die Leistungsbegrenzung einer verstellbaren hydrostatischen Maschine als Verbraucher und
Fig. 2 eine Regelschaltung entsprechend Fig. 1 in einer anderen Ausführungsform.
Eine von einer Antriebsmaschine 1 angetriebene hydrostati­ sche Maschine 2 arbeitet als Pumpe und fördert Druckmittel aus einem Tank T in eine Druckleitung 3, an die eine hydro­ statische Maschine 5 als Verbraucher angeschlossen ist, die eine Last 6 antreibt. An die Druckleitung 3 sind weitere Verbraucher angeschlossen, z. B. eine weitere Sekundäreinheit oder über ein Ventil (Drosselstelle) ein Arbeitszylinder und/oder über ein Ventil (Drosselstelle) ein Konstantmotor sowie ggfs. weitere Verbraucher. Es kann ein an die Leitung 3 angeschlossener Druckspeicher vorgesehen sein (nicht dar­ gestellt), der zur Entkopplung dient, ohne ein nennenswerter Energiespeicher zu sein.
Beide Maschinen 2 und 5 sind mit Verstelleinrichtungen 7 und 8 bekannter Bauart versehen, um den Schwenkwinkel der Maschinen und damit das Förder- bzw. Schluckvolumen ein zu­ stellen. An beiden Verstelleinrichtungen 7 und 8 ist je ein Meßgeber vorgesehen, mit denen der Schwenkwinkel gemessen wird.
Beispielsweise kann das System für einen Kran eingesetzt werden, bei dem der Antrieb, also die Maschine 5 für das Hubwerk leistungsbegrenzt wird, während die restlichen, nicht leistungsbegrenzten Verbraucher ein von einer Sekun­ däreinheit angetriebener Generator, ein von einer Sekundär­ einheit angetriebenes Drehwerk und ein drosselgesteuerter Zylinder für das Wippwerk sind.
Die Maschine 5 ist z. B. mit einem Drehzahlregler 10 und einem Schwenkwinkelregler 12 versehen. Dem Drehzahlregler 10 wird der Sollwert für die einzustellende Drehzahl sowie der Istwert der Drehzahl von einem Tachogenerator 14 zugeführt, der mit der Maschine 5 gekuppelt ist. Die Regelabweichung des Drehzahlreglers 10 stellt den Sollwert für den Schwenkwinkel der Maschine 5 dar, der dem Schwenkwinkel­ regler 12 zugeführt wird. Zur Bildung der Regelabweichung wird der Istwert des Schwenkwinkels dem Schwenkwinkelregler 12 zugeführt. Der Ausgang des Schwenkwinkelreglers steuert die Verstelleinrichtung 8.
Dem Drehzahlregler 10 wird ein Signal PVBG für die Lei­ stungsbegrenzung aufgeschaltet, d. h. der Sollwert für den Schwenkwinkel am Ausgang des Drehzahlreglers wird von diesem Signal begrenzt. Zur Bildung des Begrenzungssignals dient eine Multiplikationsstufe 15, in der das Produkt aus dem Istwert des Schwenkwinkels der Maschine 5 und dem Istwert der Drehzahl der Maschine 5 gebildet wird, das mit einer noch zu erläuternden Systemkonstante multipliziert wird. Das Ausgangssignal PVB ist die momentane Ist-Leistung der Maschine 5. Der Istwert des Schwenkwinkels der Maschine 2 wird in einer Anpaßstufe 16 mit einer systemabhängigen Konstante multipliziert und entspricht somit der momentanen Ist-Leistung des Konstantdrucknetzes. In einer Subtrahier­ stufe 17 wird das Ausgangssignal PVB der Multiplikations­ stufe 15 vom Ausgangssignal PP der Anpaßstufe 16 subtrahiert und damit die nachstehend beschriebene Gleichung (2) er­ füllt. Man erhält die Ist-Leistung PVR der restlichen Verbraucher. In einer nachgeschalteten Subtraktionsstufe 18 wird die Gleichung (3) ausgeführt. Das Ausgangssignal der Subtraktionsstufe 18 stellt das Leistungsbegrenzungssignal PVBG dar, das dem Drehzahlregler 10 zugeführt wird.
Die Leistungsbegrenzung arbeitet wie folgt: Soll für die Maschine 5 die Leistung begrenzt werden und ist die Ist- Leistung der restlichen Verbraucher sowie der Leckage des Systems nicht bekannt (Messung wäre sehr aufwendig), muß über den Schwenkwinkel der Primäreinheit die Leistungsgrenze vom Verbraucher 1 gesteuert werden. Besteht die Primärsta­ tion aus mehreren Einheiten, so muß z. B. der Mittelwert der Schwenkwinkel verwendet werden.
Die Leistungsgrenze für den/die zu begrenzenden Verbraucher 1 (PVBG) wird in Abhängigkeit der "Leistungsreserve" der Primäreinheit und der Ist-Leistung des/der Verbraucher 1 (PVB) berechnet.
Die erzeugte Leistung der Primäreinheit(en) ist gleich der Gesamtleistung der Verbraucher:
PP = PV1 + PV2 + PV3 + . . + PVL (Gl.1)
Die Primärleistung soll einen vorgegebenen Grenzwert nicht überschreiten, welcher kleiner als der Maximalwert sein muß:
Pp < PPGrenz < PPmax
Wegen des dynamischen Verhaltens des Systems kann es vorkom­ men (bzw. ist es zulässig), daß der Grenzwert kurzzeitig überschritten wird.
Die Ist-Leistung PP kann über den Schwenkwinkel α der Pumpe 2 gemessen werden:
PP = αp *np*pHD *VHubmaxPmax
Bei einer Primäreinheit am Konstantdrucknetz kann Drehzahl und Druck als konstant angenommen werden.
np = konstant; pHD = konstant
Damit ist die Pumpenleistung proportional zum Schwenkwinkel:
PP = αp*Kp mit Kp = np*pHD *VHubmaxP/αpmax
Bei einer Sekundäreinheit kann die Leistung über Drehzahl und Schwenkwinkel berechnet werden. Diese Signale müssen für die Regelung sowieso gemessen werden:
PVB = αVB*nVB*pHD *VHubmaxVBmax
Bei einer Sekundäreinheit am Konstantdrucknetz kann der Druck als konstant angenommen werden.
pHD = konstant
Damit ist die Leistung des Verbrauchers proportional zu Drehzahl und Schwenkwinkel:
PVB = αvB*nvB*KVB mit KVB = pHD *VHubmaxVBVBmax
Die Leistung der restlichen Verbraucher (PVR), die nicht begrenzt werden, braucht nicht gemessen zu werden (wäre sehr aufwendig), sondern wird aus Gleichung 1 hergeleitet:
PVR = PV2 + PV3 + . . + PVL
PVR = PP - PVB (Gl. 2)
Die für den Verbraucher zur Verfügung stehende Leistung (= Leistungsgrenze für VB, PVBG) wird aus dem Grenzwert für die Primärleistung, PPG und der Ist-Leistung der "restli­ chen" Verbraucher PVR berechnet:
PVBG = PPG - PVR (Gl. 3)
d. h. der Verbraucher erhält die restliche zulässige Pum­ penleistung, welche die "restlichen" Verbraucher nicht benö­ tigen.
Wie bereits oben erwähnt, gilt dies unter der Voraussetzung, daß PVRmax < PPG. Andernfalls müssen mehrere Verbraucher be­ grenzt werden. Die für die zu begrenzenden Verbraucher zur Verfügung stehende Leistung PVBG muß dann in geeigneter Weise auf die einzelnen Verbraucher verteilt werden.
Eine alternative Ausführungsform der Regelschaltung ist in Fig. 2 dargestellt, wobei die Leistungsgrenze PVB in fol­ gender Weise ermittelt wird: Zunächst wird die Leistungs­ reserve PBR des Konstantdrucknetzes bzw. der Pumpe 2 er­ mittelt:
PPR = PPG - PP (Gl. 4)
PVBG = PPR + PVB (GL. 5)
Der Wert PP wird wie in Fig. 1 in der Anpaßstufe 16 ermit­ telt und der Wert PVB in der Multiplikationsstufe 15. Für die Ausführung der Gleichung sind außerdem gemäß Fig. 1 die Subtraktionsstufe 20 und die Additionsstufe 21 vorgesehen.
Liegt der Verbraucher an der Leistungsgrenze, nämlich PVB = PVBG, so liegt auch die Leistung des Konstantdrucknetzes an der Grenze (PP = PPG). Steigt dann der Leistungsbedarf der restlichen Verbraucher an, so wird PP größer als PPG. Durch die Leistungsbegrenzung wird dann PVBG und damit auch PVB verringert, so daß sich wieder PP = PPG einstellt.
Verwendete Zeichen:
PVB = Ist-Leistung
PVBG = zulässige Leistung des/der leistungsbegrenzten Verbraucher (Leistungsgrenze)
PVL = Leckageverluste im System
PVR = Ist-Leistung der restlichen nicht begrenzten Verbraucher einschließlich Leckage
PP = Ist-Leistung der Pumpe(n)/Konstantdrucknetz
PPG = zulässige Leistung des Konstantdrucknetzes
PPmax = maximale Leistung des Konstantdrucknetzes
PPR = Leistungsreserve des Konstantdrucknetzes
αvB1 = Schwenkwinkel des/der Verbraucher
nvB = Drehzahl des/der Verbraucher
VHubmaxVB = maximales Hubvolumen Verbraucher (=Nenngröße)
αVBmax = maximaler Schwenkwinkel Verbraucher
αp = Schwenkwinkel Primäreinheit(en)
np = Drehzahl Primäreinheit(en)
VHubmaxP = maximales Hubvolumen der Primäreinheit(en) (= Nenngröße bzw. Summe der Nenngrößen)
αPmax = maximaler Schwenkwinkel Primäreinheit(en)
pHD = Systemdruck; bei geschlossenem Kreislauf: Diffe­ renz zwischen Hoch- und Niederdruck
Anstelle einer sekundär geregelten hydrostatischen Maschine kann auch jeder andere Verbraucher leistungsbegrenzt werden. So ist beispielsweise bei einem über ein Ventil drosselge­ steuerten Arbeitszylinder der Durchfluß durch das Ventil proportional der Leistung, so daß der Durchfluß ermittelt werden muß, um die Leistung zu begrenzen. Der Durchfluß ist eine Funktion der Ventilöffnung und des Druckabfalls am Ven­ til.

Claims (11)

1. Hydrostatisches Antriebssystem, das ein von wenigstens einer druckgeregelten Verstellpumpe gespeistes Konstant­ drucknetz mit mehreren Verbrauchern aufweist, wobei die maximale Gesamtleistung der Verbraucher größer ist als die im Konstantdrucknetz vorhandene maximale Leistung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Verbraucher in seiner Lei­ stung begrenzbar und der restliche Teil der Verbraucher in seiner Leistung nicht begrenzbar ist, daß die Gesamtleistung der nicht begrenzbaren Verbraucher gleich oder kleiner als die maximale Leistung des Konstantdrucknetzes ist und daß die Anpassung der Leistung an die zur Verfügung stehende Leistung des Konstantdrucknetzes ausschließlich durch die in ihrer Leistung begrenzbaren Verbraucher erfolgt.
2. Hydrostatisches Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der zulässigen Leistung (Leistungsgrenze PVBG) des bzw. der in ihrer Leistung zu begrenzenden Verbraucher die momentan abgegebene Ist-Lei­ stung PP des Konstantdrucknetzes und die momentane Ist- Leistung des bzw. der leistungsbegrenzten Verbraucher PVB gemessen werden.
3. Hydrostatisches Antriebsmeßsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsgrenze PVBG des bzw. der in ihrer Leistung zu begrenzenden Verbraucher wie folgt berechnet wird:
PVR = PP - PVB
PVBG = PPG - PVR
wobei PP = momentane Ist-Leistung des Konstantdrucknetzes
PVB = momentane Ist-Leistung des bzw. der leistungsbe­ grenzten Verbraucher
PVR = momentane Ist-Leistung des bzw. der nicht lei­ stungsbegrenzten Verbraucher
PPG = zulässige Leistung des Konstantdrucknetzes.
4. Hydrostatisches Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsgrenze PVBG des bzw. der in ihrer Leistung zu begrenzenden Verbraucher wie folgt berechnet wird:
PPR = PPG - PP
PVBG = PVB + PPR
wobei PP = momentane Ist-Leistung des Konstantdrucknetzes
PPG = zulässige Leistung des Konstantdrucknetzes
PPR = Leistungsreserve des Konstantdrucknetzes
PVB = momentane Ist-Leistung des bzw. der leistungsbe­ grenzten Verbraucher.
5. hydrostatisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die momentane Ist-Lei­ stung PP des Konstantdrucknetzes vom gemessenen Schwenkwin­ kel des bzw. der Verstellpumpe bestimmt ist, wobei deren Drehzahl als konstant angenommen wird.
6. Hydrostatisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ist-Leistung PVB des bzw. der leistungsbegrenzten Verbraucher (wobei Verbrau­ cher = Sekundäreinheit) von deren gemessenen Schwenkwinkel und deren gemessenen Drehzahl bestimmt wird.
7. Hydrostatisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ist-Leistung PVB des bzw. der leistungsbegrenzten Verbraucher (wobei Ver­ braucher = drosselgesteuerter Antrieb) vom gemessenen Durchfluß durch ein Drosselventil bestimmt wird.
8. Hydrostatisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zulässige Leistung PPG des Konstantdrucknetzes kleiner als die maximale Lei­ stung des Konstantdrucknetzes gewählt wird.
9. Hydrostatisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der ermittelte Wert für die Leistungsbegrenzung PVBG einem Regler für den bzw. die leistungsbegrenzten Verbraucher zugeführt wird.
10. Hydrostatisches Antriebssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler ein Drehzahlregler, Posi­ tionsregler, Drehmoment oder Kraftregler ist.
11. Hydrostatisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren Verstell­ pumpen im Konstantdrucknetz aus mehreren gemessenen Schwenk­ winkeln ein Mittelwert gebildet wird.
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