Vorrichtung zum Bereitstellen eines Drucks für einen hydraulischen Verbraucher und Verfahren zum Bereitstellen eines Drucks

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines Drucks für einen hydraulischen Verbraucher und ein Verfahren zum Bereitstellen eines Drucks für einen hydraulischen Verbraucher.

Hydraulische Verbraucher, bspw. Spritzzylinder, Schließzylinder oder Schneckenmotoren müssen mit einer Hydraulikflüssigkeit, die einen vorbestimmten Druck hat, versorgt werden. Be- sonders wenn derartige Verbraucher jeweils kurzzeitig große Druckmittelmengen benötigen, muss die Regelung des zur Verfügung gestellten Drucks entsprechend schnell reagieren. In der DE 199 58 256 B4 wird die Druckspeicheranordnung angesteuert, indem ein Ist-Druck im Druckspeicher mit einem Soll-Druck verglichen wird und dementsprechend die Drehzahl eines Antriebmotors verändert wird. Allerdings ist bei den im Stand der Technik bekannten Vorrichtungen die Regelung des Drucks noch immer langsam, sodass ein relativ großer Druckspeicher vorgesehen werden muss .

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines Drucks für einen hydraulischen Verbraucher bereitzustellen, mit dem eine schnellere Regelung bereitgestellt werden kann. Es ist auch Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Verfahren zum Bereitstellen eines Drucks bereitzustellen. Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Es wird eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines Drucks für einen hydraulischen Verbraucher zur Verfügung gestellt, wobei die Vorrichtung einen Tank zum Bereitstellen einer Hydraulikflüssigkeit und eine Hydropumpe, die aus dem Tank gespeist wird und die zum Bereitstellen eines Drucks an ihrem Ausgang eingerichtet ist, aufweist.

Ein Elektromotor ist zum Ansteuern der Hydropumpe und ein Druckmessaufnehmer zum Anzeigen des von der Hydropumpe ausgegebenen Drucks vorgesehen sind. Der Frequenzumrichter emp- fängt das vom Druckmessaufnehmer angezeigte Signal und ist zum Regeln des von der Hydropumpe bereitgestellten Drucks durch Ansteuern der Drehzahl des Elektromotors eingerichtet. Dabei ist der Frequenzumrichter zum sensorlosen Ansteuern des Elektromotors mittels einer Vektorregelung eingerichtet. Der Ausdruck sensorlos wird synonym mit dem Ausdruck geberlos verwendet, wobei ein Geber als eine Vorrichtung, die die Drehzahl des Elektromotors misst, aufgefasst wird.

Dadurch, dass die Ansteuerung des Elektromotors sensorlos er- folgt, braucht kein Geber auf der Welle des in der Regel a- synchronen Motors vorgesehen werden. Dies verringert nicht nur den Aufwand für den Elektromotor, sondern vereinfacht auch die Regelung im Frequenzumrichter. Als Frequenzumrichter kann eine einfache Ausführung mit einer Vektorregelung be- nutzt werden, da Frequenzumrichter für Regelungen mit Geber in der Regel aufwändig und kostenintensiv sind. Zudem sind sensorlose Vektorregelungen durch kurze Reaktionszeiten bei Soll-Wertänderungen und durch kurze Ausregelzeiten bei Last- änderungen gekennzeichnet. Somit wird die Regelung dynamischer und kann schneller die geforderten Druckmengen einem Verbraucher zur Verfügung stellen.

In einer Ausführungsform ist der Elektromotor als Asynchronmotor ausgebildet, da ein Asynchronmotor sich besonders für die sensorlose bzw. geberlose Ansteuerung eignet.

Falls ein Fremdlüfter zum Kühler des Elektromotors vorgesehen ist, entfällt die Notwendigkeit, einen eigenen Lüfter vorzusehen, der das Lastverhalten des Asynchronmotors verändert.

In einer Ausführungsform ist zusätzlich ein Druckspeicher zum Speichern des von der Hydropumpe bereitgestellten Drucks vor- gesehen. Damit können große Druckmittelmengen, die auch die schnelle Regelung überfordern würden, kurzfristig zur Verfügung gestellt werden.

Mittels eines Drosselventils zwischen dem Ausgang der Hydro- pumpe und einem Eingang des Tanks kann bei niedrigen Drehzahlen eine Mindestmenge vorgegeben werden, um niedrige Drehzahlen zu vermeiden.

Mit einem PID-Regler im Frequenzumrichter kann der Druck über einen weiten Drehzahlbereich stabil geregelt werden.

In einer Ausführungsform ist ein Filter zwischen dem Ausgang der Hydropumpe und dem hydraulischen Filter vorgesehen, womit ein Verstopfen des Drosselventils vermieden werden kann.

In einer weiteren Ausführungsform ist ^' ein Kühler zwischen dem Ausgang des hydraulischen Verbrauchers und dem Eingang des Tanks vorgesehen. Damit kann die rückgeführte Hydraulikflüssigkeit gekühlt werden.

Vorzugsweise wird die Hydropumpe in einem Drehzahlbereich mit Drehzahlen n > 2 Hz betrieben, weil in diesem höheren Drehzahlbereich die Motormodelle der Vektorregelung recht reali- tätsnah ausgeführt sind.

Als Hydropumpe wird in bevorzugten Form eine Konstantpumpe verwendet. Eine Konstantpumpe ist durch ein konstantes Verdrängungsvolumen gekennzeichnet; der Förderstrom ergibt sich im Wesentlichen aus dem Produkt aus Verdrängungsvolumen und Drehzahl. Eine Änderung des Förderstroms wird somit durch eine Veränderung der Drehzahl eingestellt.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Bereitstellen eines Drucks mit folgenden Schritten: zunächst wird eine er- findungsgemäße Vorrichtung bereitgestellt, woraufhin der Ist- Wert des von der Hydropumpe bereitgestellten Drucks mit einem Soll-Wert verglichen wird. Die Drehzahl des Elektromotors wird sensorlos mittels einer Vektorregelung angesteuert.

Neben dem oben beschriebenen verbesserten dynamischen Verhaltens gibt es auch gegenüber drehzahlkonstanten Regelungen Vorteile. Bei drehzahlkonstanten Regelungen dreht sich die

Pumpe mit der Nennfrequenz des Elektromotors und das Verdrängungsvolumen wird erhöht, wenn der Druck erhöht werden soll. Auch wenn nur geringe Flüssigkeitsmengen gefördert werden sollen, muss die Pumpe und der Asychronmotor mit der Nenn- drehzahl betrieben werden. Die Energie für diese Drehbewegung muss durch elektrische Energie in das System eingebracht werden. Somit sinkt bei dem vorgestellten Verfahren der Stromverbrauch, da die Drehzahl verringert wird, wenn wenig Flüssigkeit durch die Hydropumpe gefördert werden muss . Zudem verringern sich das von dem Elektromotor erzeugten Geräusch, da nicht permanent die Pumpe mit der Nennfrequenz läuft, sondern das Geräusch nur soweit entsteht, wie es erforderlich ist, um den gewünschten Druck zur Verfügung zu stellen. Somit wird das Steuergeräusch der Hydraulik zu einem bedarfsorientierten Geräusch reduziert. Aufgrund der verbesserten Rege- lung wird auch der Wärmeeintrag in das Flüssigkeitsmedium verringert, da eine Pumpe mit geringem Leckstrom verwendet werden kann.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mit der vorgestellten Vorrichtung ein drehzahlvariabler Pumpenantrieb erstellt wird, welcher aus kostengünstigen Komponenten zusammengesetzt ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei zeigen

Figur 1 ein hydraulisches System mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen eines Drucks,

Figur 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines hydraulischen Systems,

Figur 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines hydraulischen Systems mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen eines Drucks.

Figur 1 zeigt ein Hydrosystem mit einem hydraulischen Verbraucher 2 und einer Vorrichtung 1 zum Erzeugen eines Drucks für den elektrischen Verbraucher 2. Die Vorrichtung weist einen Tank 4, eine Hydropumpe 3, ein Drosselventil 15, ein Rückschlagventil 12, einen Druckaufnehmer 9, sowie eine RegelVorrichtung 11 auf. Die Regelvorrichtung 11 enthält einen Frequenzumwandler 8, einen Elektromotor 6 und einen Fremdlüfter 10. Der Fremdlüfter 10 hat die Aufgabe, den Elektromotor 6 zu kühlen.

Der Tank 4 enthält eine hydraulische Flüssigkeit, bspw. ein Hydrauliköl, mit der die Hydropumpe 3, die als Konstantpumpe nach dem Verdrängerprinzip ausgebildet ist, gespeist wird. Mithilfe des am Ausgang 5 der Hydropumpe 3 ausgegebenen Hydrauliköls wird ein Druck p ₀ am Ausgang der Pumpe 5 bereitgestellt, der zum Betrieb des hydraulischen Verbrauchers 2 dient. Zwischen dem Ausgang 5 der Hydropumpe 3 und dem mit dem Bezugszeichen P bezeichneten Anschluss des hydraulischen Verbrauchers 2 ist ein Rückschlagventil 12 vorgesehen. Dieses Rückschlagventil ist so angeordnet, dass ein Rückfluss von Hydraulikflüssigkeit aus dem hydraulischen Verbraucher 2 in die Hydropumpe 3 verhindert wird. Das Rückschlagventil 12 schützt somit die Hydropumpe 3 vor dem von dem hydraulischen Verbraucher 2 erzeugten Systemdruck.

Der Druck p ₀ wird von dem Druckmessumformer 9 empfangen, der ein elektrisches Signal I ausgibt, dessen Eigenschaften abhängig von dem Druck p ₀ sind. Dieses elektrische Signal I wird auf einen ersten Eingang des Frequenzumwandlers 8 gegeben, der an einem zweiten Eingang ein elektrisches Signal S, das einen Soll-Wert für den Druck repräsentiert, empfängt. An seinem Ausgang gibt der Frequenzumformer 8 die elektrischen sinusförmigen Signale U, V, W aus, mit denen die Statorwicklungen des Asynchronmotors beaufschlagt werden. Die Signale U, V, W sind zueinander jeweils um 120 Grad phasenverschoben und stellen somit einen Drehstrom zur Verfügung. Die Größe der Spannung, die Größe des Strom und die Frequenz der elektrischen Signale U, V, W bestimmen die Drehzahl des Asynchronmotors 6.

Die Hydropumpe 3 ist bevorzugt als Innenzahnradpumpe oder Au- ßenzahnradpumpe ausgebildet. Die von Asynchronmotor 6 erzeugte Drehbewegung dreht die Zahnräder der Hydropumpe 3, sodass der Druck p ₀ am Ausgang 5 der Hydropumpe 3 erzeugt wird.

Die Stellgröße für die Regelung des Drucks ist die Drehzahl des Asynchronmotors 6, woraus sich die Drehzahl der Zahnräder und auch der Förderstrom der Hydropumpe 3 ergibt. Die Baugruppe aus Hydropumpe 3, Elektromotor 6 und Frequenzumrichter 8 bilden eine Einheit eines drehzahlvariablen Pumpenantriebs.

Der Frequenzumrichter 8 steuert den Asynchronmotor 6 nur an. Der Frequenzumrichter 8 verwendet als Steuerungsverfahren keine U/f-Steuerung, sondern eine sensorlose Strom- oder Spannungsvektorregelung. Der Regelkreis wird über den Druckaufnehmer 9 geschlossen.

Bei einer sensorlosen Vektorregelung wird kein Sensor, wie zum Beispiel ein Inkrementalgeber auf der Motorwelle, der die gemessene Motordrehzahl dem Regelkreis zurückführt, verwendet. Stattdessen wird die Motordrehzahl im Frequenzumrichter aufgrund eines mathematischen Motormodells berechnet. Der Frequenzumrichter 8 beinhaltet ein Abbild der Asynchronmaschine, wobei das Abbild der Asynchronmaschine einem Ersatz - Schaltbild komplexer Widerstände entspricht. Ein Abbild für

Drehzahlen < 2 Hz ist mathematisch aufwändig zu berechnen und bei gegebener Rechenleistung unter Umständen nur ungenau. Aus diesem Grund ist das Abbild üblicherweise im Frequenzumrich- ter 8 nur ab 2 Hz und bei einigen Ausführungen ab 4 Hz implementiert.

Über das einstellbare Drosselventil 15 wird ein Teil des von der Hydropumpe 3 ausgegebenen Hydrauliköls in den Tank 4 zurückgeführt. Damit wird sichergestellt, dass die Pumpe mit einer Mindestdrehzahl läuft, da die Hydropumpe 3 die durch das Drosselventil 15 abfließende Flüssigkeitsmenge nachliefern muss. Im konkreten Bespiel ist eine Mindestdrehzahl n > 2 Hz vorgegeben, sodass die Hydropumpe 3 so gut wie nie stillsteht. Das Drosselventil 15 kann bspw. auch als Düse o- der als Schaltventil ausgeführt sein. Das Drosselventil 15 ist einstellbar oder schaltbar, damit die Vorrichtung auch bei unterschiedlich hohen Drücken eingesetzt werden kann. Wird beispielsweise ein hoher Druck von p ₀ = 200 bar bereitgestellt, kann aber es zu einem hohen Wärmeeintrag von der Pumpe in das Flüssigkeitsmedium kommen. Es wird ein Teil der Flüssigkeitsmenge abgeführt, damit die Temperatur der Flüssigkeit nicht zu hoch wird. Allerdings ist darauf zu achten, dass auch keine zu unnötig große Flüssigkeitsmenge durch das Drosselventil 15 fließt, da dies, den Energieverbrauch der Hydropumpe 3 und des Asynchronmotors 6 unnötig erhöhen würde.

Im Frequenzumrichter 8 ist ein PI- oder ein PID-Regler integ- riert, der anhand des Ist-Signals I und des Soll-Signals S den Druck p ₀ regelt. Bei Abweichung zwischen dem Ist- und dem Soll-Signal werden die AusgangsSignale des Frequenzumwandlers 8 verändert, wobei die Veränderung aufgrund der im Frequenzumrichter abgespeicherten Werte für die Motordrehzahl er- folgt.

Als Frequenzumformer 8 mit einer integrierten Vektorregelung kann beispielsweise ein unter der Produktbezeichnung "IndraDrive Fc" der Firma Bosch Rexroth vertriebene Frequenz- umformer verwendet werden. Die sensorlose Vektorregelung hat den Vorteil, dass schnell auf eine Soll-Ist-Differenz reagiert werden kann.

Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines hydraulischen Systems 1; bei dem der Druck p ₀ für den hydraulischen Verbraucher 2 erfindungsgemäß vorgesehen ist. Elemente mit gleichen Funktionen wie in den vorhergegangenen Figuren wer- den mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erläutert .

Im Vergleich zu Figur 1 weist die Vorrichtung 1 zum Erzeugen eines Drucks zusätzlich einen Filter 20 und einen -Kühler 21 auf. Der Filter 20 ist hinter den Ausgang 5 der Hydropumpe 3 geschaltet, sodass die Hydraulikflüssigkeit, die zu dem Drosselventil 15, dem Rückschlagventil 12 oder dem Druckmessaufnehmer 9, auch Druckmessumformer 9 genannt, fließt, zuerst den Filter 20 passiert. Mit dem Filter 20 wird gewährleistet, dass die sogenannte By-Pass-Menge, d. h. , die Menge an Hydraulikflüssigkeit, die durch das Drosselventil 15 fließt, gewährleistet wird, indem eine Verstopfung des Drosselventils verhindert wird.

Der Kühler 21 ist für den Rückfluss zum Tank 4 vorgesehen, um die By- Pass-Menge zu kühlen.

Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 zum Erzeugen eines Drucks für einen hydraulischen Verbraucher 2. Die Vorrichtung 1 weist zusätzlich zu den Elementen aus Figur 2 ein Drosselrückschlagventil 16 und einen Speicher 17 auf. Falls der hydraulische Verbraucher 2 kurzfristig eine große Menge Hydraulikflüssigkeit benötigt, kann diese durch den Speicher 17 kurzzeitig durch die im Speicher 17 vorgespannte Menge bereitgestellt werden. Somit deckt der Speicher die dynamischen Anforderungen des Systems ab, wodurch die Dynamik des Systems erhöht wird, d. h. , dass auch große Verbrauchsänderungen schnell ausgeglichen werden können.

Das Drosselrückschlagventil 16 ist zwischen dem Speicher 17 und dem Eingang P des hydraulischen Verbrauchers 2 vorgese- hen. In Richtung vom Speicher 17 zum Anschluss P des hydraulischen Verbrauchers 2 ist der Volumenstrom frei. In die entgegengesetzte Richtung ist er dagegen gedrosselt. Der Speicher 17 kann schnell ins System entladen werden. Die Drosselung bewirkt aber, dass der Speicher 17 definiert geladen werden kann und somit eine Rückwirkung der Membranen bzw. der Blasen des Speichers 17 auf die Druckregelung verhindert wird. Die Störfunktion des schwingenden Elements im Speicher 17 wird somit größtenteils linearisiert bzw. eliminiert.

Das Drosselrückschlagventil 16 kann auch durch ein Rückschlagventil mit Düsenbohrung im Ventil ersetzt werden.

In einer weiteren, hier nicht gezeigten, alternativen Ausführungsform ist der Speicher direkt am Eingang P des hydrauli- sehen Verbrauchers 2 vorgesehen.