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Die Erfindung betrifft eine elektrohydraulische Einheit gemäß dem Gegenstand des Patentanspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Steuerung einer elektrohydraulischen Einheit gemäß Patentanspruch 7.
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Eine gattungsgemäße elektrohydraulische Einheit hat eine drehzahlvariabel steuerbare Elektromaschine und eine davon angetriebene Hydromaschine, über deren Druckmittelvolumenstrom wenigstens ein hydrostatischer Verbraucher mit Druckmittel versorgbar ist. Zur Steuerung der Einheit ist eine elektronische Steuereinheit vorgesehen. Diese wirkt zur Beeinflussung der Drehzahl und des Drehmoments der Elektromaschine in Abhängigkeit der gegebenen Spannungsquelle mit einem Frequenzumrichter oder einem Wechselrichter und zur Beeinflussung des Drucks und des Verdrängungsvolumens der Hydromaschine mit einem zugeordneten Hydromaschinen-Regler zusammen.
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Für eine energieeffiziente und am angeforderten Bedarf des Verbrauchers orientierte Druckmittelversorgung ist die Hydromaschine mit verstellbarem Verdrängungsvolumen ausgestaltet, wodurch in Kombination mit der variabel steuerbaren Drehzahl eine sehr dynamische Beeinflussung des Druckmittelvolumenstroms und des Drehmoments möglich ist. Mittels dem Frequenzumrichter kann die Antriebsdrehzahl dabei so eingestellt werden, dass die Einheit möglichst energieeffizient arbeitet.
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Insbesondere zur Rekuperation von Druckmittelenergie, wenn beispielsweise bei angefordertem negativem Druckmittelvolumenstrom Druckmittel unter Lastdruck vom Verbraucher zur Hydromaschine abströmt, ist die Hydromaschine mit einem durch Null verstellbaren Verdrängungsvolumen ausgestaltet. So kann die Richtung des Druckmittelvolumenstroms zwischen Hydromaschine und Verbraucher unter Beibehaltung der Druckseiten der Hydromaschine wechseln. Bei positiver Anforderung arbeitet die Hydromaschine - angetrieben von der Elektromaschine - im Pumpenbetrieb, bei negativer Anforderung kann die Hydromaschine im Motorbetrieb arbeiten und die Elektromaschine antreiben, welche dann beispielsweise als Generator betrieben werden kann.
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Die in rotatorische kinetische Energie gewandelte Druckmittelenergie wird somit über die Elektromaschine in elektrische Energie gewandelt. Diese wird im Falle der Bauform mit Frequenzumrichter an dessen Zwischenkreiskondensator geleitet und führt dort zu einer Erhöhung der Spannung, beziehungsweise Zwischenkreisspannung.
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Nachteilig hieran ist, dass bereits die Rekuperation vergleichsweise geringer Mengen Druckmittelenergie zu einer unzulässigen Erhöhung der Zwischenkreisspannung führen kann, sodass überschüssige elektrische Energie weitergeleitet werden muss, beispielsweise ins Versorgungsnetz. Auf eine derartige Einspeisung ausgelegte Frequenzumrichter sind vergleichsweise teuer, sodass sich ihr Einsatz insbesondere dann nicht lohnt, wenn ein Zeitanteil von Betriebszuständen oder -phasen mit Rekuperation vergleichsweise klein ist.
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Daher sind Lösungen verbreitet, die die überschüssige Energie aus dem Zwischenkreis in einem Bremswiderstand abbauen. Das stellt jedoch einen Energieverlust dar und geht mit Material- und Installationskosten für den Bremswiderstand einher. Alternativ oder ergänzend zum Bremswiderstand können elektrische Speicher, beispielsweise Zusatzkondensatoren, verbaut werden. Dadurch steigt zwar die Energieeffizienz, jedoch verursacht auch dies Material- und Installationskosten.
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Die
EP 0 586 669 B1 offenbart eine Presse mit einem hydraulischen Antrieb ausgestattet ist, der zur Aufrechterhaltung eines Druckes im Hydrozylinder mit einer Druckregelung versehen ist und mit einer drehzahlgeregelten zweiten hydrostatischen Maschine verbunden ist.
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Die
DE 10 2015 002 668 A1 betrifft einen Fahrantrieb, der einen in einem hydraulischen System angeordneten hydraulischen Variator sowie einen Stellzylinder aufweist, welcher eine Verstellung des Hydraulikmediums gewährleistet.
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Die
DE 10 2009 018 071 B4 offenbart ein Verfahren zur Regelung einer Druckmittelzufuhr für mindestens einen hydraulischen Aktor, welcher von einer von einem drehzahlgesteuerten Elektromotor angetriebenen Verstellpumpe mit einer Druckmittelmenge versorgt wird, die durch ein von einer übergeordneten Steuerung vorgegebenes Druck/Volumenstrom-Profil bestimmt ist.
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Die
DE 10 2013 006 137 A1 der Anmelderin beschreibt die Regelung drehzahlvariabler Verstellpumpen mittels modellbasierter Optimierung. Das Verfahren zur Regelung einer Druckmittelzufuhr für mindestens einen hydraulischen Aktor, der von einer drehzahlvariablen Verstellpumpe mit einer Druckmittelmenge versorgt wird.
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Die auf die Anmelderin zurückgehende Druckschrift
DE 197 01 671 A1 zeigt eine Lösung, Druckmittelenergie mittels einem mit dem Rotor der Hydromaschine gekoppelten Schwungrad zu speichern und zu späteren Zeitpunkten wieder verfügbar zu machen. Hierfür wird in Abhängigkeit einer vorbestimmten Drehzahl des Schwungrades und der Abfrage, ob dessen erfasste Drehzahl darüber- oder darunterliegt, die elektrische Leistungsaufnahme der Elektromaschine reduziert oder erhöht.
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Diese Lösung bringt allerdings Material-, Montage- und Instandhaltungskosten für das Schwungrad, sowie für weitere vorzusehende Komponenten, wie beispielsweise eine Kupplung oder dergleichen, mit sich. Des Weiteren ist es bei dieser Lösung nicht möglich, einen energieoptimalen Arbeitspunkt aus Drehzahl und Schwenkwinkel einzustellen.
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Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine elektrohydraulische Einheit zur Druckmittelversorgung eines hydrostatischen Verbrauchers mit der Möglichkeit zur Rekuperation von Druckmittelenergie zu schaffen, die vorrichtungstechnisch einfacher ausgestaltet ist. Eine weitere Aufgabe ist, ein Verfahren zur Steuerung einer elektrohydraulischen Einheit zur Druckmittelversorgung eines hydrostatischen Verbrauchers mit der Möglichkeit zur Rekuperation von Druckmittelenergie zu schaffen.
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Die erste Aufgabe wird gelöst durch eine elektrohydraulische Einheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, die zweite durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der elektrohydraulischen Einheit sind in den Patentansprüchen 2 bis 6, die des Verfahrens in den Patentansprüchen 8 bis 14 beschrieben.
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Eine elektrohydraulische Einheit ist zur Druckmittelversorgung wenigstens eines hydrostatischen Verbrauchers vorgesehen. Die Druckmittelversorgung ist dabei an einer erfassbaren, insbesondere erfassten Anforderung orientiert, beispielsweise an einer Soll-Geschwindigkeit des Verbrauchers. Insbesondere weist die Einheit hierfür eine Bedienschnittstelle zur Erfassung der Anforderung, beispielsweise einen Joystick oder ein Fahrpedal oder dergleichen auf. Die Einheit hat eine drehzahlvariabel betreibbare Antriebsmaschine, die vorzugsweise als Elektromaschine ausgebildet ist. Ein Rotor der Antriebsmaschine ist mit einem Rotor einer Hydromaschine der Einheit gekoppelt, die mit zu Null und beidseitig davon verstellbarem Verdrängungsvolumen ausgestaltet ist. Diese Kopplung oder Rotationsverbindung kann starr, lösbar oder schaltbar ausgestaltet sein. Sie kann drehzahlfest oder übersetzt, beispielsweise über ein starres oder schaltbares Getriebe, ausgestaltet sein. Über die Hydromaschine ist in ihrem Pumpenbetrieb Druckmittel zum Verbraucher förderbar. In ihrem Motorbetrieb ist hingegen Druckmittelenergie des vom Verbraucher zur Hydromaschine abströmenden Druckmittels in rotatorisch kinetische Energie wandelbar. Zu deren Speicherung und Wiederbereitstellung ist ein Massenträgheitsmoment vorgesehen, welches mittels der genannten Wandlung zum Zwecke der Speicherung beschleunigbar und zum Zwecke der Wiederbereitstellung verzögerbar ist. Zur Steuerung ist eine elektronische Steuereinheit vorgesehen, die vorzugsweise derart eingerichtet ist, dass über sie wahlweise das Verdrängungsvolumen, die Drehzahl oder beide in Abhängigkeit einer dem wenigstens einen Verbraucher zugeordneten Anforderung verstellbar ist oder sind. Die Anforderung kann insbesondere eine positive Vorgabe, also eine Druckmittelzufuhr hin zum Verbraucher, eine negative Vorgabe, also eine Druckmittelabfuhr vom Verbraucher zur Hydromaschine oder eine Null-Vorgabe sein. Erfindungsgemäß ist das Massenträgheitsmoment allein von den Rotoren der Elektromaschine und der Hydromaschine, sowie deren Rotationsverbindung gebildet oder es ist zumindest allein von diesen bildbar.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung ist die Einheit ausgelegt, Druckmittelenergie allein durch Beschleunigung von ohnehin notwendigen und vorhandenen, rotierenden Komponenten - das heißt den beiden Rotoren und deren Rotationsverbindung, die beispielsweise von Triebwellen und verbindenden Kupplung gebildet ist - zu speichern. Ein Aufwand zur Installation von Bremswiderständen, Kondensatoren oder gesonderter Massenträgheitsmomente, wie beispielsweise eines gesonderten Schwungrades und einer dafür vorzusehenden Kopplungseinrichtung, wie ihn der Stand der Technik zeigt, ist somit vermieden oder zumindest verringert, falls solche Zusatzmaßnahmen beispielsweise für Energiespitzen dennoch vorzusehen sind. Dadurch ist eine Einheit geschaffen, die die Druckmittelversorgung und Rekuperation der Druckmittelenergie ermöglicht und zudem vorrichtungstechnisch weniger aufwendig aufgebaut ist.
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Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Einheit auch zur Rekuperation von beim Entspannen von elastischen Massen, wie beispielsweise flüssigem Kunststoff, Federn oder Maschinenrahmen, anfallender Verformungsenergie genutzt werden.
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Die Druckmittelabfuhr kann beispielsweise in Rückspeisephasen des Verbrauchers auftreten. Beispielhaft seien eine Dekompression eines Arbeitszylinders einer Spritzgießmaschine oder ein Schlepp- oder Bremsbetrieb eines Hydromotors eines Fahrantriebes genannt. An diesen beiden Beispielen ist zu erkennen, dass sich die erfindungsgemäße Einheit für eine Vielfalt elektrohydraulischer Antriebe anbietet, unabhängig davon, ob die von ihr versorgten hydrostatischen Verbraucher translatorischer oder rotatorischer Art sind. Anwendungsbereiche sind insbesondere Werkzeugmaschinen, Spritzgießmaschinen oder Pressen, sowie Fahrzeuge, insbesondere mobile Arbeitsmaschinen.
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In einer Weiterbildung weist die Einheit einen Frequenzumrichter auf, der mit der Steuereinheit zur Verstellung der Drehzahl signalverbunden und von dieser gemäß der Anforderung ansteuerbar ist.
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Alternativ oder ergänzend, insbesondere im Falle einer Gleichspannungsquelle, weist die Einheit einen Wechselrichter auf, der mit der Steuereinheit zur Verstellung der Drehzahl signalverbunden und von dieser gemäß der Anforderung ansteuerbar ist. Dies trifft insbesondere auf akkumulatorbetriebene Fahrzeuge zu. Hierbei weist die erfindungsgemäße Lösung einen besonderen Vorteil auf, wenn die in elektrische Energie gewandelte Druckmittelenergie nicht schnell genug vom Akkumulator aufgenommen werden kann. Dieser nicht aufnehmbare Überschuss kann dann als rotatorisch-kinetische Energie der Rotoren für nachfolgende Fahrbewegungen verwendet werden, oder die Rotoren werden langsam abgebremst, um den nicht direkt aufnehmbaren Überschuss über eine längere Zeitspanne, insbesondere zeitverzögert, an den Akkumulator abzugeben.
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In einer Weiterbildung hat die Einheit mehrere an ein Netz anbindbare oder angebundene Wechselrichter, sodass Energie mehrerer Verbraucher durch Beschleunigung des Massenträgheitsmomentes speicherbar ist.
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In einer Weiterbildung ist die Steuereinheit eingerichtet, dass über sie in Abhängigkeit der Anforderung einer Druckmittelzufuhr der Hydromaschine zum Verbraucher und einem Drehmoment der Hydromaschine eine Soll-Drehzahl ermittelbar ist.
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In einer Weiterbildung ist die Steuereinheit eigerichtet, dass über sie in Abhängigkeit der Anforderung einer Druckmittelabfuhr vom Verbrauchers zur Hydromaschine eine Drehzahlerhöhung, insbesondere eine Drehzahlerhöhung des Massenträgheitsmomentes, ermittelbar ist, die zur Soll-Drehzahl addierbar ist. Mit dieser nun veränderten Soll-Drehzahl ist wiederum der Frequenzumrichter ansteuerbar. Auf diese Weise führt die anfallende Druckmittelenergie, beispielsweise Dekompressionsenergie des vom Verbraucher unter Last abströmenden Druckmittels, zur Anhebung der Drehzahl der Elektromaschine, wodurch die Druckmittelenergie als Rotationsenergie des Massenträgheitsmoments (der Rotoren) speicherbar ist.
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Die Einheit ist noch flexibler bezüglich der Rekuperation, wenn in einer Weiterbildung die Steuereinheit eingerichtet ist, einen Wechsel der Anforderung, beispielsweise von einer Druckmittelzufuhr zu einer Druckmittelabfuhr, oder umgekehrt zu prädizieren oder vorherzusagen.
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In einer Weiterbildung ist Steuereinheit eingerichtet, den Wechsel in Abhängigkeit eines in ihr zur Ausführung gespeicherten Arbeitszyklus des oder der Verbraucher zu prädizieren. Beispielhaft sei hier ein Spritzgießzyklus, ein Pressenzyklus oder ein Arbeitszyklus einer mobilen Arbeitsmaschine genannt.
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In einer Weiterbildung ist Steuereinheit eingerichtet, eine Änderung - also eine Erhöhung und/oder eine Verringerung - der Anforderung der Druckmittelzufuhr der Hydromaschine zum Verbraucher und/oder der Druckmittelabfuhr vom Verbraucher zur Hydromaschine, zu prädizieren. Auch dies ist kann insbesondere in Abhängigkeit des Arbeitszyklus des Verbrauchers erfolgen.
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In einer Weiterbildung ist die Steuereinheit eingerichtet, in Abhängigkeit der prädizierten Erhöhung eine Drehzahlerhöhung zu ermitteln und die Soll-Drehzahl damit anzupassen. Die zur Drehzahlerhöhung benötigte Antriebsenergie ist dabei zumindest anteilig aus rekuperierbarer Druckmittelenergie während der Druckmittelabfuhr vom Verbraucher zur Hydromaschine deckbar. Alternativ oder ergänzend kann sie über den Frequenzumrichter bereitgestellt werden. Mit dem Eintritt der prädizierten Erhöhung der Anforderung der Druckmittelzufuhr kann diese dann über eine Drehzahlabsenkung anteilig oder vollständig gedeckt werden. Im ersten Fall addiert sich die aus der Drehzahlreduktion des Rotors freigesetzte Energie zur mittels dem Frequenzumrichter bereitgestellten Energie. So kann die gespeicherte Druckmittelenergie verwendet werden, um bei prädiziertem, kurzzeitig hohem Leistungsbedarf den Frequenzumrichter zu entlasten. Dadurch kann dieser kleiner ausgelegt werden.
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In einer Weiterbildung ist wenigstens ein zusätzliches, über die Steuereinheit mit wenigstens einem der Rotoren koppelbares, Zusatz-Massenträgheitsmoment vorgesehen, um Spitzen zu rekuperierender Druckmittelenergie aufnehmen zu können und das Massenträgheitsmoment der Rotoren in Grenzen zu halten. Insbesondere weist die Einheit zum wahlweisen Zu- oder Wegschalten des Zusatz-Massenträgheitsmoments eine von der Steuereinheit ansteuerbare Koppeleinrichtung auf. Das Zusatz-Massenträgheitsmoment und die Koppeleinrichtung sind vorzugsweise außerhalb eines sich zwischen den beiden Rotoren einstellenden Drehmomentflusses, also nicht zwischen den beiden, angeordnet.
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Ergänzend kann wenigstens ein Bremswiderstand oder Kondensator vorgesehen sein, um die von den Rotoren und deren Massenträgheitsmoment bereitgestellte Speicherkapazität weiter zu erhöhen. Damit sind zwar Kosten und Energieverluste dieser Komponenten nicht komplett eliminiert, jedoch sind diese Komponenten aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Massenträgheitsmomentes kleiner auslegbar und somit die genannten Kosten und Energieverluste reduziert.
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Ein Verfahren dient der Steuerung einer elektrohydraulischen Einheit, die insbesondere gemäß wenigstens einem Aspekt der vorangegangenen Beschreibung ausgestaltet ist. Insbesondere dient das Verfahren der Steuerung der Druckmittelversorgung wenigstens eines hydrostatischen Verbrauchers, beziehungsweise der Steuerung der Rekuperation von Druckmittelenergie des Verbrauchers. Die Druckmittelversorgung erfolgt dabei über eine Hydromaschine der Einheit mit zu Null und beidseitig davon verstellbarem Verdrängungsvolumen, welche von einer Antriebsmaschine der Einheit mit verstellbarer Drehzahl angetrieben wird. Rotoren der Elektromaschine und der Hydromaschine sind zum Zwecke der Drehmomentübertragung koppelbar oder gekoppelt, insbesondere rotationsverbindbar oder -verbunden. Die Kopplung/Rotationsverbindung kann beispielsweise von drehfest mit den Rotoren verbundenen Triebwellen und einer festen oder lösbaren Kupplung der Triebwellen gebildet sein. Alternativ kann sie von den Triebwellen und einem festen oder schaltbaren Getriebe gebildet sein, wobei die Triebwellen die Eingangs- und Ausgangswelle des Getriebes bilden. Die Rotoren und die Rotationsverbindung weisen ein Massenträgheitsmoment auf. Zur Steuerung ist eine elektronische Steuereinheit vorgesehen, über die in Abhängigkeit einer dem Verbraucher zugeordneten Anforderung, beispielsweise einer gewünschten Geschwindigkeit des Verbrauchers und/oder einer an ihm angreifenden Last, wahlweise das Verdrängungsvolumen, die Drehzahl oder beide verstellt wird oder werden. Das Verfahren hat vorzugsweise einen Schritt „Ermitteln einer Soll-Drehzahl aus der Anforderung und einem Drehmoment der Hydromaschine“, um den Verbraucher effizient mit einem der Anforderung entsprechenden Druckmittelvolumenstrom zu versorgen. Zur Rekuperation oder Speicherung von Druckmittelenergie des Verbrauchers hat das Verfahren vorzugsweise einen Schritt „Ermitteln einer Drehzahlerhöhung der Soll-Drehzahl zumindest in Abhängigkeit der Anforderung einer Druckmittelabfuhr vom Verbraucher zur Hydromaschine“. Die Ermittlung der Drehzahlerhöhung erfolgt in Abhängigkeit der zu rekuperierenden Druckmittelenergie und eines von der Drehzahlerhöhung betroffenen Massenträgheitsmoments. Erfindungsgemäß kann hierfür als Massenträgheitsmoment allein das der Rotoren und der Rotationsverbindung herangezogen werden. Das Verfahren weist hierfür einen Schritt „Ermitteln der zur Rekuperation der Druckmittelenergie notwendigen Drehzahländerung in Abhängigkeit des Massenträgheitsmomentes allein der Rotoren und ihrer Rotationsverbindung“ auf. Anders ausgedrückt ermöglicht es das Verfahren, die Druckmittelenergie durch eine Drehzahlerhöhung allein der ohnehin vorhandenen Rotoren und ihrer Rotationsverbindung als kinetische rotatorische Energie zu speichern, und umgekehrt, die gespeicherte kinetische rotatorische Energie durch eine Drehzahlverringerung allein der Rotoren und ihrer Rotationsverbindung wieder freizugeben.
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In einer Weiterbildung weist das Verfahren einen Schritt „Abfragen, ob die zu speichernde Druckmittelenergie unterhalb einer vorbestimmten Schwelle liegt“ auf. Fällt diese Abfrage positiv aus, kann wie vorbeschrieben als Massenträgheitsmoment allein das der Rotoren und der Rotationsverbindung zur Ermittlung der Drehzahländerung/- erhöhung verwendet werden.
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In einer Variante der Einheit kann wenigstens noch ein zusätzliches Massenträgheitsmoment zur Rekuperation vorgesehen sein, das beispielsweise ab oder oberhalb der Schwelle einkoppelbar ist. In diesem Fall erfolgt somit eine Drehzahlerhöhung mehrerer Massenträgheitsmomente, anstatt nur desjenigen der Rotoren und ihrer Rotationsverbindung. Auf diese Weise kann die Kapazität zur Rekuperation bei Bedarf gesteigert werden.
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In beiden Varianten - in der zweiten Variante zumindest unterhalb der Schwelle - ist das Verfahren weniger aufwändig, da zur Ermittlung der Drehzahlerhöhung die Leistungsaufnahme/ -abgabe von Bremswiderständen, Kondensatoren oder gesonderten Massenträgheitsmomenten nicht berücksichtigt werden muss. Damit einher gehen die bereits geschilderten vorrichtungstechnischen Vorteile der Einheit gemäß der vorangegangenen Beschreibung.
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Das Verfahren hat einen Schritt „Ermitteln einer Soll-Drehzahl aus der Anforderung und einem aktuellen Drehmoment der Hydromaschine“, um den Verbraucher effizient mit einem der Anforderung entsprechenden Druckmittelvolumenstrom zu versorgen.
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Ab oder oberhalb der vorbestimmten Schwelle kann optional ein Zusatz-Massenträgheitsmoment in die Ermittlung eingehen, falls dieses als zuschaltbare Vorrichtung in der Einheit vorgesehen ist.
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In einer Weiterbildung sind Schritte „Erfassen einer Mengenvorgabe des Verbrauchers“, „Ermitteln der Anforderung zur Druckmittelzufuhr oder -abfuhr daraus“, sowie „Einstellen des Verdrängungsvolumens auf einen der Anforderung zugeordneten Wert“ vorgesehen.
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Im Weiteren ist bei negativer Mengenvorgabe oder bei Anforderung zur Druckmittelabfuhr ein Schritt „Ansteuern eines Drehmomentreglers der Elektromaschine mit einem Soll-Bremsmoment von null oder nahe null“, über die Steuereinheit vorgesehen. Dadurch kann sich die Drehzahl der Rotoren und der Rotationsverbindung und damit des Massenträgheitsmomentes erhöhen, sodass die im Zuge der Druckmittelabfuhr anfallende Druckmittelenergie zumindest anteilig in Form kinetischer Rotationsenergie der Rotoren und Rotationsverbindung gespeichert wird.
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Vorzugsweise erfolgt permanent das Erfassen der aktuellen Drehzahl über eine Drehzahlerfassungseinheit.
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In Folge wird natürlich auch die zuvor durch das geringe Bremsmoment bewirkte Drehzahlerhöhung, also eine erhöhte aktuelle Drehzahl, erfasst. Um die zugrundeliegende Druckmittelenergie zu erhalten und für späteren Bedarf vorzuhalten, erfolgen in einer Weiterbildung über die Steuereinheit Schritte „Setzen der erfassten Ist-Drehzahl als neue Soll-Drehzahl der Elektromaschine“ und „Ansteuern des Frequenzumrichters damit oder in Abhängigkeit davon“.
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Bei einer nächsten Anforderung hydraulischer Leistung, das heißt bei positiver Mengenvorgabe oder bei angeforderter Druckmittelzufuhr zum Verbraucher, kann dann ein Teil der dafür benötigten Antriebsenergie der kinetischen Energie de Rotoren/der Rotationsverbindung entnommen werden, wobei die elektrische Antriebsleistung gleichzeitig begrenzt wird. Hierzu weist das Verfahren in einer Weiterbildung einen Schritt „Ansteuern eines Drehmomentreglers der Elektromaschine mit einem Soll-Antriebsmoment kleiner als dem Soll-Drehmoment der Hydromaschine“ auf.
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Dadurch sinkt die Drehzahl durch Energieentnahme und ein Teil der nötigen Antriebsenergie der Hydromaschine wird daraus erhalten. So kann die elektrische Leistung oder Anschlussleistung der Elektromaschine kleiner als die hydraulische Spitzenleistung ausgelegt werden.
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Vorzugsweise ist das Verfahren gemäß wenigstens einem Aspekt der vorangegangenen Beschreibung in der Steuereinheit der zuvor beschriebenen elektrohydraulischen Einheit zur Ausführung gespeichert.
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Im Folgenden wird je ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Einheit und eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine elektrohydraulische Einheit gemäß einem Ausführungsbeispiel in schematischer Darstellung, und
- 2 ein Verfahren zur Steuerung der Einheit gemäß 1, gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Gemäß 1 hat eine elektrohydraulische Einheit 1 eine drehzahlvariabel betreibbare Elektromaschine 2 und eine von dieser antreibbare Hydromaschine 4.
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Letztgenannte ist im gezeigten Ausführungsbeispiel im offenen hydraulischen Kreis betrieben, wobei ihr Sauganschluss / ihre Saugseite 6 mit einem Niederdruckreservoir, insbesondere einem Tank T, und ihr Druckanschluss / ihre Druckseite 8 über eine Steuerventileinrichtung 10 mit einem hydrostatischen Verbraucher 12, im Ausführungsbeispiel einem doppeltwirkenden Differentialzylinder, fluidisch verbunden ist.
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Die Elektromaschine 2 ist über einen Frequenzumrichter 14 mit einem Netz 16 verbunden, über den eine Drehzahl n und ein Drehmoment M der Elektromaschine 2, insbesondere ein positives (Antriebs-) Drehmoment Ma in deren motorischem und ein negatives (Brems-) Drehmoment Mb im generatorischen Betrieb, regelbar sind.
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Zum Abbau von Überlast, beispielsweise von Überspannung oder überschüssiger Bremsenergie, ist dem Frequenzumrichter 14 ein Bremswiderstand 18 zugeordnet.
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Die Hydromaschine 4 ist mit einem beiderseits von null verstellbaren Verdrängungsvolumen Vg ausgestaltet, wobei sie eine Verstelleinheit 20 mit einem hydrostatischen Stellzylinder zur hydraulischen Verstellung des Verdrängungsvolumens Vg hat, der von einem Regelventil je nach Anforderung an das Verdrängungsvolumen Vg mit Stelldruck oder mit Niederdruck verbindbar ist (nicht dargestellt). Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Hydromaschine 4 als Axialkolbenpumpe in Schrägscheibenbauweise ausgestaltet, wobei die Schrägscheibe vom Stellzylinder angelenkt ist.
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Zur Steuerung zumindest der Drehzahl n der Elektromaschine 2, sowie des Verdrängungsvolumens Vg der Hydromaschine 4, ist eine Steuereinheit 22 mit einer Vielzahl von Signaleingängen, die in 1 schematisch angedeutet sind, vorgesehen.
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Die Steuereinheit 22 ist zumindest mit Druckerfassungseinheiten 24, 26, 32 zur Erfassung eines jeweiligen Drucks der Arbeitsleitungen des Verbrauchers 12 und der Druckseite 8 der Hydromaschine 4, einer optional vorgesehenen Drehzahlerfassungseinheit 28 zur Erfassung der Drehzahl n der Elektromaschine 2 und (aufgrund ihrer starren Kopplung) der Hydromaschine 4, sowie mit einer Schwenkwinkelerfassungseinheit (nicht dargestellt), über die der Schwenkwinkel der Schrägscheibe als Maß für das Verdrängungsvolumen Vg erfassbar ist, signalverbunden.
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Zudem weist die Steuereinheit 22 zumindest Signalausgänge auf, die zur erfindungsgemäßen Steuerung der Druckmittelversorgung und der Rekuperation von Druckmittelenergie des Verbrauchers 12 mit dem Frequenzumrichter 14, der Verstelleinheit 20 und der Ventileinrichtung 10 signalverbunden sind.
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Alternativ kann die Steuereinheit 22 mit dem Frequenzumrichter 14 oder der Verstelleinheit 20 integriert ausgebildet sein.
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Es folgt eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung der Druckmittelversorgung des Verbrauchers 12, inklusive der zur Rekuperation von Druckmittelenergie vorgesehenen Schritte.
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Zunächst wird eine dem Verbraucher 12 zugeordnete Anforderung, beispielsweise eine an einem Joystick der Einheit 1 vorgegebene Bewegungsgeschwindigkeit und - richtung, erfasst.
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In Abhängigkeit davon und in Abhängigkeit eines von den Einheiten 24, 26 erfassten Lastdrucks oder eines von der Einheit 32 erfassten Arbeitsdrucks p der Hydromaschine 4 ermittelt die Steuereinheit 22, vorzugsweise unter Berücksichtigung eines Effizienzkriteriums, die zur Deckung der Anforderung notwendige Drehzahl nsoll. Ein Drehmoment M der Hydromaschine 4 kann auf Basis eines erfassten Schwenkwinkels der Schrägscheibe der Hydromaschine 4 und des erfassten Arbeitsdrucks p ermittelt werden.
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Ist das Produkt daraus negativ, wird Druckmittelenergie vom Verbraucher 12 abgeführt und steht zur Speicherung mittels Beschleunigung des Massenträgheitsmomentes der Rotoren der Elektromaschine 2 und der Hydromaschine 4 zur Verfügung.
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Die erforderliche Beschleunigung des Massenträgheitsmomentes, beziehungsweise die Drehzahlerhöhung Δn+ der Rotoren und ihrer Rotationsverbindung, die zur vollständigen Speicherung der Druckmittelenergie nötig wäre, kann aus einer Bremsleistung und dem Massenträgheitsmoment berechnet werden.
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Alternativ kann die Drehzahlerhöhung Δn+ anhand eines erfassten Istwertes der elektrischen Zwischenkreisspannung oder eines Istwertes des Drehmomentes der Elektromaschine ermittelt werden.
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Um die Beschleunigung der Rotoren und ihrer Rotationsverbindung in Folge zu bewirken, wird über die Steuereinheit 22 der Drehmomentregler der Elektromaschine 2 gemäß einem Soll-Bremsmoment Mbsoll von null oder zumindest nahe null angesteuert. Die an der Hydromaschine 4 in Wellenenergie gewandelte Druckmittelenergie des Verbrauchers 12 kann auf diese Weise mit wenig Verlust in die genannte Beschleunigung fließen.
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Die Ist-Drehzahl n der Elektromaschine 2 wird laufend über die Drehzahlerfassungseinheit 28 erfasst.
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Wird über die Steuereinheit 22 ein Scheitelpunkt des zeitlichen Verlaufs der Drehzahl n ermittelt oder unterschreitet ein Gradient der Drehzahl n einen vorbestimmten Wert, so wird dies von der Steuereinheit 22 als Abschluss der Rekuperation und damit der Beschleunigung gewertet.
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Die dabei erfasste Ist-Drehzahl n wird dann über die Steuereinheit 22 als neue Soll-Drehzahl nsoll der Elektromaschine 2 gesetzt und der Frequenzumrichter 14 wird demgemäß angesteuert. Das zum Erhalt der neuen Soll-Drehzahl nsoll notwendige Antriebsmoment Ma ist dabei relativ gering, wodurch mit geringem Aufwand die rekuperierte Druckmittelenergie im System gehalten werden kann.
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Ermittelt die Steuereinheit 22 im Folgenden eine Anforderung an den Verbraucher 12, die einer Druckmittelzufuhr +Qsoll zu diesem gleichkommt, so kann die Rotationsenergie der Rotoren und ihrer Rotationsverbindung zum Antrieb der Hydromaschine 4 genutzt werden. Hierzu wird über die Steuereinheit 22 der Drehmomentregler der Elektromaschine 2 gemäß einem Soll-Antriebsmoment Masoll angesteuert, das kleiner ist als das ermittelte Soll-Drehmoment Msoll der Hydromaschine 4. Nur ein Teil der Antriebsleistung wird somit vom Frequenzumrichter 14 bereitgestellt, der andere Teil wird durch die Verzögerung der Rotoren und der Rotationsverbindung durch die Hydromaschine 4 übertragen.
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Offenbart ist eine elektrohydraulische Einheit mit einer drehzahlvariabel steuerbaren Elektromaschine, einer davon antreibbaren Hydromaschine mit durch null verstellbarem Verdrängungsvolumen und einer Steuereinheit zur Ansteuerung der Elektromaschine bezüglich Drehzahl, Antriebsmoment und Bremsmoment und der Hydromaschine bezüglich ihres Verdrängungsvolumens, wobei ein Massenträgheitsmoment zur Speicherung von Druckmittelenergie des Verbrauchers allein von Rotoren der Elektromaschine und der Hydromaschine gebildet ist.
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Offenbart ist zudem ein Verfahren zur Steuerung einer solchen Einheit, wobei eine notwendige Drehzahländerung der Elektromaschine in Abhängigkeit eines angeforderten Druckmittelvolumenstroms von der Hydromaschine zum Verbraucher, sowie vom Verbraucher zur Hydromaschine, in Abhängigkeit eines Massenträgheitsmoments allein von Rotoren der Elektromaschine und der Hydromaschine ermittelt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrohydraulische Einheit
- 2
- Elektromaschine
- 4
- Hydromaschine
- 6
- Saugseite
- 8
- Druckseite
- 10
- Steuerventileinrichtung
- 12
- hydrostatischer Verbraucher
- 14
- Frequenzumrichter
- 16
- Netz
- 18
- Bremswiderstand
- 20
- Verstelleinheit
- 22
- Steuereinheit
- 24, 26
- Druckerfassungseinheit
- 28
- Drehzahlerfassungseinheit
- 30
- Verfahren
- Vg
- Verdrängungsvolumen
- V
- Druckmittelmenge
- p
- Arbeitsdruck
- n
- Drehzahl
- M
- Drehmoment
- Ma
- Antriebsmoment
- Mb
- Bremsmoment
- Q
- Druckmittelvolumenstrom
- Q+
- zugeführter Druckmittelvolumenstrom
- Q-
- abgeführter Druckmittelvolumenstrom
