Bedarfsgerechte Regelung hilft beim Stromsparen 1

Höhere Energieeffizienz steht bei den Anwendern von Werkzeugmaschinen ganz oben im Lastenheft. Rexroth fasst unter „BlueHydraulics“ Komponenten, Module und Systemlösungen für die Hydraulik und die Kühlschmierstoffversorgung
zusammen, die im Verbund den Energieverbrauch von Werkzeugmaschinen um bis zu 88 Prozent senken können.

„10 kW Verbrauch pro Betriebsstunde summieren sich bei Werkzeugmaschinen in Deutschland auf rund 4000 Euro Stromkosten pro Jahr, und die meisten Werkzeugmaschinen benötigen wesentlich mehr Strom“, zitiert Lucas Wintjes, Geschäftsleiter Vertrieb Industriehydraulik bei Bosch Rexroth aus aktuellen Studien. Meist liegt die Anschlussleistung von Werkzeugmaschinen erheblich darüber.

Im Umkehrschluss rechnet sich eine höhere Energieeffizienz sehr schnell über niedrigere Betriebskosten. Darüber hinaus leistet Strom einsparen einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz. Immerhin hat die Bundesregierung die deutsche Industrie verpflichtet, den CO2-Ausstoß und damit den Energiebedarf bis 2020 um 20 Prozent im Vergleich zum Basisjahr 1997 zu senken. Das können die Betriebe nur über eine höhere Energieeffizienz ihrer Maschinen und Anlagen erreichen.

Die deutschen Hersteller von Werkzeugmaschinen reagieren auf diese Entwicklung. In der 2010 gestartete Kampagne Blue Competence haben sich 15 Hersteller und Kooperationspartner zusammengeschlossen, um die Energieeffizienz von Werkzeugmaschinen zu steigern. „BlueHydraulics von Rexroth fügt sich perfekt in diesen Ansatz ein“, umreisst Wintjes die Grundüberlegung.

Unter dem Begriff BlueHydraulics fasst Rexroth ein breites Spektrum an Komponenten, Modulen und Systemlösungen mit einer Gemeinsamkeit zusammen: „Alle BlueHydraulics Lösungen erhöhen die Energieeffizienz im Vergleich zu konventionellen Lösungen und helfen Anwendern, den Energieverbrauch und damit die Kosten zu senken“, betont Wintjes. Damit solle die Hydraulik eine neue Evolutionsstufe erreichen. Nach den Stationen Schwarzweiß, Proportionaltechnik und Elektrohydraulik stelle Rexroth jetzt eine höhere Energieeffizienz in den Mittelpunkt.

Hydraulik für enge Bauräume
Die Hydraulik übernimmt mit ihrer hohen Kraftdichte in Werkzeugmaschinen neben Vorschubaufgaben bei der Schwerzerspanung häufig Spann- und Klemmfunktionen. Dabei eignet sie sich besonders für enge Bauräume, da die eigentlichen Aktoren nur durch dünne Leitungen mit dem Hydraulikaggregat verbunden sind.

„Bislang stand bei der Auslegung der Hydraulik-Aggregate für Werkzeugmaschinen unabhängig von der Zyklus-charakteristik vor allem die höchste notwendige Kraft im Vordergrund“, so Dr. Thorsten Zellmann, langjähriger Leiter des Anwendungszentrums Werkzeugmaschinen und seit Jahresbeginn für den Produktbereich Kühlschmierstofftechnik von Rexroth verantwortlich. Eine auf den tatsächlichen Bedarf innerhalb des Arbeitszyklus‘ abgestimmte Regelung über die drehzahlvariablen Pumpenantriebe DvP eröffne hier bei nahezu allen Anwendungen Energieeinsparpotenziale zwischen 30 und 70 Prozent.

Üblicherweise treibt bislang ein Normmotor eine Konstantpumpe an, damit jederzeit die gewünschte Kraft zur Verfügung steht. Dabei braucht die Hydraulik die Kraft nur zu Beginn des eigentlichen Spannvorgangs, danach sperrt ein Ventil den Druck ab und die Hydraulik hält die Kraft ohne zusätzliche Energieeinleitung. Der BlueHydraulics Ansatz von Rexroth verbindet einen Frequenzumrichter mit einer Konstantpumpe, um die Drehzahl des Motors bedarfsgerecht zu regeln. Der Frequenzumrichter senkt die Drehzahl des Pumpenmotors energiesparend ab, sobald der Prozess nicht die volle Leistung abruft.„Der Anteil des Teillastbetriebs an der Zykluszeit bestimmt dabei die möglichen Energieeinsparungen“, hebt Zellmann hervor.

Die DvP passen auch ohne großen konstruktiven Aufwand in vorhandene Konzepte. Die elektrische Inbetriebnahme erfordert lediglich eine Parametrisierung der vordefinierten Funktionen im Regler. Dabei übernimmt die Elektronik vollständig die p/Q/s-Regelung. Die Software berücksichtigt ab Werk alle Besonderheiten der Fluidtechnik. Über eine analoge Schnittstelle, Feldbus oder Ethernet fügen sich die drehzahlvariablen Pumpenantriebe in die Automatisierung ein. Der Bediener merkt keinen Unterschied und muss keine Einstellungen vornehmen.

Speziell auf diese DvP-Anwendungen hat Rexroth die neue Innenzahnradpumpe PGH-3X optimiert. Sie steigert den Wirkungsgrad über den gesamten Drehzahlbereich bis über 3000 U/min. Die größten Einsparpotenziale erzielt der DvP mit kleinen Drehzahlen in der Druckhaltefunktion. Dabei kann der Antrieb die Drehzahl auf 200 U/min ohne Einschränkungen beim Betriebsdruck absenken.

Geräuschemission gemindert
Gleichzeitig reduziert die BlueHydraulics-Lösung die mittlere Geräuschemission des Hydraulikaggregats deutlich. Dadurch können in zahlreichen Fällen aufwendige Kapselungen entfallen. Zusätzlich können Konstrukteure die notwendige Kühlleistung kleiner dimensionieren, da durch die Bedarfregelung wesentlich weniger abzuführende Wärme entsteht. Noch einen Schritt weiter geht BlueHydraulics mit dem patentierten KST-Booster. Ein gemeinsames Aggregat erzeugt den Förderstrom für den Hydraulik- und Hochdruck-KST-Kreislauf. Er stellt genügend Druck für die Werkzeuginnenkühlung und Spanbruchfunktionen sicher. Neben dem eigentlichen Hydraulikdruck erzeugt dabei das Aggregat über eine zusätzliche Linearpumpe den Förderstrom für den Kühlschmiermittelhochdruckkreislauf.

„Wir können dabei Energieeinsparungen von bis zu 88 Prozent im Vergleich zu bislang üblichen Schraubenspindelpumpen nachweisen“, bekräftigt Dr. Thorsten Zellmann. Durch die Konstruktion entfallen eine komplette Motor-Pumpen-Kombination sowie die bislang notwendigen Komponenten für die Ventiltechnik im partikelbelasteten Kühlschmierstoffkreislauf. Bei den weitaus meisten KST-Lösungen kommt man daher ohne Kühlschmiermittel-Feinfilter aus. Die verschleißfreie Bewegung der Linearpumpe erhöhe sogar die Lebensdauer der Kühlschmierstoffversorgung. „Natürlich können Maschinenhersteller DvP und KST-Booster miteinander kombinieren und damit die Einspareffekte kumulieren“, so Dr. Zellmann.

Auch im Bereich der traditionellen KST-Technik bietet Rexroth Energieeffizienz-Weiterentwicklungen mit den neu entwickelten Schraubenspindelpumpen der RSP-Serie. Die Neukonstruktionen senken den Anschlusswert bei gleicher Leistungsfähigkeit von 5,5 kW auf 4 kW und von 3 kW auf 2,2 kW. „Gerade für Werkzeugmaschinen bietet BlueHydraulics von Rexroth effektive und schnell umsetzbare Lösungen für einen geringeren Energieverbrauch“, fasst Lucas Wintjes zusammen. Dabei bleiben die wirtschaftlichen Vorteile der Hydraulik erhalten: Die hohe Verschleißfreiheit und Robustheit ebenso wie die aufgelöste Bauweise, die sich besonders für beengte Bauräume eignet.

Technik im Detail
DvP mit BlueHydraulics-Technologie
Mit BlueHydraulics bezeichnet Rexroth eine ganze Familie von energieeffizienten Produkten wie drehzalvariable Pumpenantriebe. Darunter fällt ein breites Spektrum an Pumpen, Synchron- und Asynchronmotoren sowie in Leistung fein skalierbaren Frequenzumrichtern und Servoantrieben aus dem eigenen Automatisierungsbaukasten.

Als Basiskonfiguration für Werkzeugmaschinen kombiniert der frequenzgesteuerte Pumpenantrieb FcP einen Asynchronmotor mit einem Frequenzumrichter im Open-loop-Betrieb. Der niedrige Anschaffungspreis von Asynchronmotoren und FU macht diese Ausprägung auch für sehr preissensible Anwendungen attraktiv.

Bei Maschinen mit sehr hohen Dynamikanforderungen an die Hydraulik wie Spritzgießmaschinen oder Pressen kann der Anwender servo-variable Pumpenantriebe SvP mit Synchronservomotor und Innenzahnradpumpe wählen. Um bei hohen Spitzendrücken die Motorgröße zu begrenzen, unterstützt die Software in Doppelpumpensysteme das Abschalten einer Pumpe während der Hochdruckphasen.

Über offene Schnittstellen des Regelgeräts (Bus oder analog) kommuniziert die SvP als Master/Slave mit verschiedensten Steuerungen. Der Master-Slave-Betrieb gewährleistet dabei eine sehr hohe Regelgenauigkeit und Dynamik auch bei hohen Volumenströmen.