EP2593679A2 - Hydroaggregat - Google Patents

Hydroaggregat

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EP2593679A2
EP2593679A2 EP11730221.6A EP11730221A EP2593679A2 EP 2593679 A2 EP2593679 A2 EP 2593679A2 EP 11730221 A EP11730221 A EP 11730221A EP 2593679 A2 EP2593679 A2 EP 2593679A2
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Definitions

  • the invention relates to a hydraulic unit according to the preamble of patent claim 1 and a method for operating a hydraulic unit.
  • the document DE 10 2007 007 005 A1 shows in FIG. 3 a hydraulic unit for supplying a consumer, in which a pump is driven by an adjustable electric motor.
  • the pump is a variable displacement pump.
  • a hydromechanical controller for a swivel angle of the variable displacement pump and a controller for the engine speed are provided.
  • variable-displacement pump pivots back. In this case, the torque of the hydraulic unit or the electric motor is lowered, resulting in energy savings.
  • the invention is based on the object to provide a hydraulic unit whose efficiency is further improved during partial load operation.
  • the hydraulic unit according to the invention has a controllable electric motor and a hydrostatic variable displacement pump which can be coupled thereto, the pivoting angle of which via a
  • hydromechanical adjusting device is adjustable.
  • the swivel angle via a swivel angle sensor and a working pressure of the variable displacement pump via a
  • Pressure sensor detectable. A speed of the electric motor is dependent on the
  • the rotational speed of the electric motor is controllable via a frequency converter.
  • the pump can be easily switched off in the event of routine interruptions (repair, tool change, break), which leads to further energy savings.
  • a frequency-controlled superordinate programmable logic controller is provided which is connected to the swivel angle sensor and to the pressure sensor. This can control the frequency converter.
  • the hydromechanical adjusting device is a pressure regulator or a combined pressure-flow regulator.
  • the electric motor is an asynchronous motor, in particular a cost-effective standard asynchronous motor.
  • the hydraulic unit according to the invention is arranged in a machine tool - in particular in its tensioning device - or in a press or in a plastic machine - in particular plastic injection molding machine - or in a loading device for a hydraulic accumulator.
  • a crawl or even a standstill with maintained working pressure is often necessary, so that the energy saving potentials according to the invention are used frequently.
  • Detecting the pressure holding operation via the pressure sensor and the swivel angle sensor is simple in terms of apparatus technology.
  • the pivoting angle is set to approximately zero. In zero-stroke operation, a qualitative and quantitative statement about wear and leakage in the hydraulic unit is possible.
  • Figure 1 is a hydraulic circuit diagram of a first embodiment of a hydraulic unit according to the invention.
  • FIG. 2 shows a hydraulic circuit diagram of a second embodiment of a hydraulic unit according to the invention.
  • Figure 1 shows a hydraulic circuit diagram of a first embodiment of a hydraulic unit according to the invention. It has a variable displacement pump 1, which has a
  • Working line 7 a (not shown) supplied to consumers.
  • an adjustable metering orifice 8 is arranged to control the consumer.
  • Hydraulic unit according to the invention is operated in an open hydraulic circuit, wherein the variable displacement pump 1 via a tank line 22 sucks pressure medium from a tank T.
  • a swivel angle of the variable displacement pump 1 is adjusted via a pressure regulator 2. This is connected via a control line 10 with the working line 7 upstream of the metering orifice 8. Also upstream of the metering orifice 8, a pressure sensor 5 is arranged, which is connected via a signal line 12 to a frequency converter 6.
  • the frequency converter 6 is connected via electrical lines 14 with a variable asynchronous motor 3.
  • the asynchronous motor 3 is connected to the variable displacement pump 1 via a shaft 16, in which a clutch 18 is arranged.
  • a swivel angle sensor 4 is arranged, whose output signal is transmitted via a signal line 20 to the frequency converter 6.
  • a pressure limiting valve 24 is arranged, in which an effective in the closing direction
  • the function of the first exemplary embodiment of the hydraulic unit according to the invention according to FIG. 1 will be explained below.
  • a working pressure is established in the working line 7, which is reported via the control line 10 to the pressure regulator 2.
  • This increases the swivel angle as the working pressure decreases while decreasing it as the working pressure increases.
  • the swivel angle is reported by the swivel angle sensor 4 via the signal line 20 to the frequency converter 6, while the working pressure is reported by the pressure sensor 5 via the signal line 12 to the frequency converter 6.
  • Figure 2 shows a hydraulic circuit diagram of a second embodiment of a hydraulic unit according to the invention. In the following, only the differences from the first exemplary embodiment according to FIG. 1 will be explained.
  • simplified frequency converter 106 is connected via a signal line 126, a programmable logic controller.
  • This controller 128 is superordinate to the frequency converter 106 and controls it.
  • the signal line 12 connected to the pressure sensor 5 and the signal line 20 connected to the swivel angle sensor 4 are connected to the controller 128.
  • Asynchronous motor 3 is transmitted from the controller 128 via the signal line 126 to the frequency converter 106.
  • variable displacement pump 1 is swung back via the pressure regulator 2. If, in this case, the swivel angle determined by the swivel angle sensor 4 drops below a threshold value, while at the same time the working pressure determined by the pressure sensor 5 in the
  • Working line 7 remains above a predetermined threshold, detects the frequency converter 6 associated electronic circuit, the pressure holding operation. In a theoretical limiting case, this can also be a zero-stroke operation in which the
  • Variable displacement pump 1 is pivoted back to zero and no further pressure medium in the Working line 7 promotes. In this case, the previously generated working pressure is maintained in the working line 7 and leaves the consumer against his load force.
  • Asynchronous motor 3 is reduced.
  • the hydraulic unit according to the invention saves energy.
  • variable displacement pump may be an axial piston pump or a radial piston pump.
  • a hydraulic unit with a controllable electric motor and with a hydrostatic variable displacement pump coupled thereto, whose pivoting angle over a
  • hydromechanical adjusting device is adjustable.
  • the swivel angle via a swivel angle sensor and a working pressure of the variable displacement pump via a
  • Pressure sensor detectable. A speed of the electric motor is dependent on the

Abstract

Offenbart ist 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 des Schwenkwinkelsensors und des Drucksensors regelbar.

Description

Hydroaggregat
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Hydroaggregat gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Betrieb eines Hydroaggregats.
Bei derartigen Hydroaggregaten mit einer Hydropumpe, die von einem Elektromotor angetrieben wird, sind Anordnungen mit Konstantpumpen bekannt. Bei einem Betrieb mit vergleichsweise geringem Volumenstrom und vergleichsweise hohem Druck wird trotz geringer Leistung des Hydroaggregats der Elektromotor bei geringen Drehzahlen mit hohem Drehmoment belastet. Dabei ist in derartigen Teillastbetrieben durch die ohmschen Verluste am Elektromotor ein schlechter Wirkungsgrad des Hydroaggregats gegeben. Weiterhin ist nachteilig, dass die Kühlung durch einen an die Drehzahl des Elektromotors gekoppelten Motorlüfter dabei zu gering werden kann.
Die Druckschrift DE 10 2007 007 005 A1 zeigt in Figur 3 ein Hydroaggregat zur Versorgung eines Verbrauchers, bei dem eine Pumpe von einem einstellbaren Elektromotor angetrieben wird. Die Pumpe ist eine Verstellpumpe. Dabei sind ein hydromechanischer Regler für einen Schwenkwinkel der Verstellpumpe und ein Regler für die Motordrehzahl vorgesehen.
In einem Druckhaltebetrieb, bei dem von dem Hydroaggregat bzw. der Verstellpumpe ein gewisser Druck ohne nennenswerte Volumenströme gehalten werden muss, schwenkt die Verstellpumpe zurück. Dabei wird das Drehmoment des Hydroaggregats bzw. des Elektromotors abgesenkt, was zu einer Energieeinsparung führt.
l Nachteilig an derartigen Hydroaggregaten ist, dass der Elektromotor im Teillastbetrieb mit kaum veränderter Drehzahl betrieben wird und dabei noch eine nennenswerte
Verlustleistung aufweist.
Dem entsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Hydroaggregat zu schaffen, dessen Wirkungsgrad bei Teillastbetrieb weiter verbessert ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Hydroaggregat mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren zu dessen Betrieb gemäß Patentanspruch 7.
Das erfindungsgemäße Hydroaggregat hat einen regelbaren Elektromotor und eine daran koppelbare hydrostatische 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 des
Schwenkwinkelsensors und des Drucksensors regelbar. Damit kann im Teillastbetrieb die Verlustleistung des Hydroaggregats minimiert werden. Zudem ist die Lösung für die
Nachrüstung bestehender Anlagen vorteilhaft, da Schnittstellen zur Anlagensteuerung, zur Energieversorgung und zur Hydraulik unverändert genutzt werden können.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Es wird besonders bevorzugt, wenn die Drehzahl des Elektromotors über einen Frequenzumrichter regelbar ist. Dadurch kann die Pumpe bei routinemäßigen Unterbrechungen (Reparatur, Werkzeugwechsel, Pause) problemlos abgeschaltet werden, was zu weiterer Energieeinsparung führt.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist eine dem Frequenzumrichter übergeordnete speicherprogrammierbare Steuerung vorgesehen, die mit dem Schwenkwinkelsensor und mit dem Drucksensor verbunden ist. Diese kann den Frequenzumrichter steuern.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist die hydromechanische Versteileinrichtung ein Druckregler oder ein kombinierter Druck-Förderstromregler. Vorzugsweise ist der Elektromotor ein Asynchronmotor, insbesondere ein kostengünstiger Norm-Asynchronmotor.
Bei bevorzugten Anwendungsfällen ist das erfindungsgemäße Hydroaggregat in einer Werkzeugmaschine - insbesondere in deren Spannvorrichtung - oder in einer Presse oder in einer Kunststoffmaschine - insbesondere Kunststoffspritzgießmaschine - oder in einer Ladevorrichtung für einen Hydrospeicher angeordnet. Bei diesen Anwendungsfällen ist häufig eine Schleichfahrt oder sogar ein Stillstand mit gehaltenem Arbeitsdruck nötig, so dass die erfindungsgemäßen Energieeinsparungspotenziale entsprechend häufig genutzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung eines Hydroaggregats gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche hat die Schritte:
- Erkennen eines Druckhaltebetriebes; und
- Verringerung der Drehzahl des Elektromotors.
Damit kann im Druckhaltebetrieb die Verlustleistung des Hydroaggregats minimiert werden.
Vorrichtungstechnisch einfach erfolgt das Erkennen des Druckhaltebetriebes über den Drucksensor und den Schwenkwinkelsensor.
Es wird bevorzugt, wenn das Erkennen des Druckhaltebetriebes durch Erreichen eines vorbestimmten Arbeitsdrucks und durch Unterschreiten eines vorbestimmten
Schwenkwinkels erfolgt.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt vor dem Erkennen des Druckhaltebetriebes ein Einstellen des Schwenkwinkels auf etwa Null. Bei Nullhubbetrieb ist eine qualitative und quantitative Aussage über Verschleiß und Leckage im Hydroaggregat möglich.
Im Folgenden werden anhand der Figuren verschiede Ausführungsbeispiele der Erfindung detailliert beschrieben. Es zeigen: Figur 1 einen hydraulischen Schaltplan eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Hydroaggregats; und
Figur 2 einen hydraulischen Schaltplan eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Hydroaggregats.
Figur 1 zeigt einen hydraulischen Schaltplan eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Hydroaggregats. Es hat eine Verstellpumpe 1 , die über eine
Arbeitsleitung 7 einen (nicht gezeigten) Verbraucher versorgt. In der Arbeitsleitung 7 ist eine einstellbare Zumessblende 8 zur Steuerung des Verbrauchers angeordnet. Das
erfindungsgemäße Hydroaggregat wird in einem offenen Hydraulikkreislauf betrieben, wobei die Verstellpumpe 1 über eine Tankleitung 22 Druckmittel von einem Tank T ansaugt.
Ein Schwenkwinkel der Verstellpumpe 1 wird über einen Druckregler 2 eingestellt. Dieser ist über eine Steuerleitung 10 mit der Arbeitsleitung 7 stromauf der Zumessblende 8 verbunden. Ebenfalls stromauf der Zumessblende 8 ist ein Drucksensor 5 angeordnet, der über eine Signalleitung 12 mit einem Frequenzumrichter 6 verbunden ist.
Der Frequenzumrichter 6 ist über elektrische Leitungen 14 mit einem regelbaren Asynchronmotor 3 verbunden. Der Asynchronmotor 3 ist über eine Welle 16, in der eine Kupplung 18 angeordnet ist, mit der Verstellpumpe 1 verbunden.
An der Verstellpumpe 1 ist ein Schwenkwinkelsensor 4 angeordnet, dessen Ausgangssignal über eine Signalleitung 20 an den Frequenzumrichter 6 übertragen wird.
An der Arbeitsleitung 7 zwischen der Verstellpumpe 1 und der Zumessblende 8 ist ein Druckbegrenzungsventil 24 angeordnet, bei dem eine in Schließrichtung wirksame
Federkraft einstellbar ist. Das Druckbegrenzungsventil 24 entlastet im Falle eines
Ansprechens die Arbeitsleitung 7 zum Tank T.
Im Folgenden wird die Funktion des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Hydroaggregats gemäß Figur 1 erläutert. In Abhängigkeit einer Last des (nicht gezeigten) Verbrauchers und einer Einstellung der Zumessblende 8 stellt sich in der Arbeitsleitung 7 ein Arbeitsdruck ein, der über die Steuerleitung 10 zum Druckregler 2 gemeldet wird. Dieser vergrößert bei abnehmendem Arbeitsdruck den Schwenkwinkel, während er ihn bei zunehmendem Arbeitsdruck verringert. Bei einer Verringerung des Schwenkwinkels wird die Förderleistung der Verstellpumpe 1 verringert. Der Schwenkwinkel wird vom Schwenkwinkelsensor 4 über die Signalleitung 20 zum Frequenzumrichter 6 gemeldet, während der Arbeitsdruck vom Drucksensor 5 über die Signalleitung 12 zum Frequenzumrichter 6 gemeldet wird. Dieser versorgt in Abhängigkeit der beiden Signale den Asynchronmotor 3 mit elektrischer Leistung.
Figur 2 zeigt einen hydraulischen Schaltplan eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Hydroaggregats. Dabei werden im Folgenden nur die Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 erläutert.
An einem gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel vereinfachten Frequenz- Umrichter 106 ist über eine Signalleitung 126 eine speicherprogrammierbare Steuerung angeschlossen. Diese Steuerung 128 ist dem Frequenzumrichter 106 übergeordnet und steuert diesen. Dazu sind die mit dem Drucksensor 5 verbundene Signalleitung 12 und die mit dem Schwenkwinkelsensor 4 verbundene Signalleitung 20 an die Steuerung 128 angeschlossen. Ein entsprechendes Steuerungssignal zur Leistungsregelung des
Asynchronmotors 3 wird von der Steuerung 128 über die Signalleitung 126 zum Frequenzumrichter 106 übertragen.
Erfindungsgemäß ist insbesondere folgender Fall von Interesse: Wenn der
hydraulische Verbraucher (zum Beispiel in einer Presse) nicht weiter bewegt werden soll bzw. kann und trotzdem der in der Arbeitsleitung 7 erreichte Arbeitsdruck aufrecht erhalten werden soll, wird die Verstellpumpe 1 über den Druckregler 2 zurückgeschwenkt. Wenn dabei der vom Schwenkwinkelsensor 4 ermittelte Schwenkwinkel unter einen Schwellwert absinkt, während gleichzeitig der vom Drucksensor 5 ermittelte Arbeitsdruck in der
Arbeitsleitung 7 oberhalb eines vorbestimmten Schwellwertes bleibt, erkennt eine den Frequenzumrichter 6 zugeordnete elektronische Schaltung den Druckhaltebetrieb. Dieser kann in einem theoretischen Grenzfall auch ein Nullhubbetrieb sein, bei dem die
Verstellpumpe 1 auf Null zurück geschwenkt ist und kein weiteres Druckmittel in die Arbeitsleitung 7 fördert. Dabei bleibt der zuvor erzeugte Arbeitsdruck in der Arbeitsleitung 7 erhalten und lässt den Verbraucher gegen seine Lastkraft verharren.
Dieser Druckhalte- bzw. Nullhubbetrieb wird erfindungsgemäß über die Sensoren 4, 5 erkannt, woraufhin neben dem Drehmoment insbesondere auch die Drehzahl des
Asynchronmotors 3 reduziert wird.
Durch diese Leistungsverringerung des Asynchronmotors 3 im Druckhalte- bzw. Nullhubbetrieb spart das erfindungsgemäße Hydroaggregat Energie.
Bei beiden gezeigten Ausführungsbeispielen kann die Verstellpumpe eine Axialkolbenpumpe oder eine Radialkolbenpumpe sein.
Bei Strangpressen z.B. gibt es eine Schließfunktion für ein Presswerkzeug, die für den gesamten Pressvorgang aufrecht erhalten werden muss. Dieser dauert ca. 50-80% des gesamten Zyklus und verlangt dabei eine geringe Fördermenge bei gleichzeitig hohem Druck. Dabei kommen gemäß dem Stand der Technik Steuerölsysteme mit
Speicherladepumpen und Speichersystemen zu Einsatz. Derartige Speicherladepumpen werden oft für einen maximalen Arbeitszyklus ausgelegt. Somit sind die
Speicherladepumpen für langsamere Arbeitszyklen (z. B. bei Produktionswechsel) überdimensioniert. Diese Speicherladepumpen arbeiten daher relativ häufig und im
Druckhalte- bzw. Nullhubbetrieb. Der Einsatz eines erfindungsgemäßen Hydroaggregates rechnet sich bei diesem Anwendungsbeispiel nach 1 bis 2 Jahren.
Offenbart ist 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 des
Schwenkwinkelsensors und des Drucksensors regelbar. Bezugszeichenliste
1 Verstellpumpe
2 Druckregler
3 Asynchronmotor
4 Schwenkwinkelsensor
5 Drucksensor
6; 106 Frequenzumrichter
7 Arbeitsleitung
8 Zumessblende
10 Steuerleitung
12 Signalleitung
14 elektrische Leitungen
16 Welle
18 Kupplung
20 Signalleitung
22 Tankleitung
24 Druckbegrenzungsventil
126 Signalleitung
128 speicherprogrammierbare Steuerung
T Tank

Claims

Patentansprüche
1. Hydroaggregat mit einem regelbaren Elektromotor (3) und mit einer daran
koppelbaren Verstellpumpe (1 ), deren Schwenkwinkel über eine hydromechanische Versteileinrichtung (2) einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenkwinkel über einen Schwenkwinkelsensor (4) erfassbar ist, und dass ein Arbeitsdruck der Verstellpumpe (1 ) über einen Drucksensor (5) erfassbar ist, wobei eine Drehzahl des Elektromotors (3) in Abhängigkeit des
Schwenkwinkelsensors (4) und des Drucksensors (5) regelbar ist.
2. Hydroaggregat nach Anspruch 1 , wobei die Drehzahl des Elektromotors (3) über einen Frequenzumrichter (6; 106) regelbar ist.
3. Hydroaggregat nach Anspruch 2, mit einer dem Frequenzumrichter (106)
übergeordneten speicherprogrammierbare Steuerung (128), die mit dem
Schwenkwinkelsensor (4) und mit dem Drucksensor (5) verbunden ist.
4. Hydroaggregat nach Anspruch 1 , wobei die hydromechanische VerStelleinrichtung ein Druckregler (2) oder ein kombinierter Druck-Förderstromregler ist.
5. Hydroaggregat nach Anspruch 1 , wobei der Elektromotor ein Asynchronmotor (3) ist.
6. Hydroaggregat nach Anspruch 1 , das in einer Werkzeugmaschine oder in einer Presse oder in einer Kunststoffmaschine oder in einer Ladevorrichtung für einen Hydrospeicher angeordnet ist.
7. Verfahren zur Steuerung eines Hydroaggregats gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch die Schritte:
- Erkennen eines Druckhaltebetriebes; und
- Verringerung der Drehzahl des Elektromotors (3).
8. Verfahren nach Anspruch 7 wobei der Schritt„Erkennen des Druckhaltebetriebes" über den Drucksensor (5) und den Schwenkwinkelsensor (4) erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt„Erkennen des Druckhaltebetriebes" durch Erreichen eines vorbestimmten Arbeitsdrucks und durch Unterschreiten eines vorbestimmten Schwenkwinkels erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 7 wobei vor dem Schritt„Erkennen des Druckhaltebetriebes" ein Einstellen des Schwenkwinkels auf etwa Null erfolgt.
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