Modellprädiktive Optimierung drehzahlvariabler Verstellpumpen

In den letzten Jahren zeigte sich ein Trend in Richtung drehzahlvariabler Pumpenantriebe, bei denen das Fördervolumen als Übersetzungsverhältnis zwischen der rotativen Bewegung des Motors und des geförderten Volumenstroms definiert werden kann. Durch den Einsatz einer Axialkolbenpumpe mit verstellbarem Fördervolumen als stufenloses hydraulisches Getriebe können Motordrehzahl und Fördermenge entkoppelt und dem Anwender ein Freiheitsgrad für die Regelung der Prozesse zur Verfügung gestellt werden. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, wie dieser zur Optimierung von Energieeffizienz und Dynamik in hydraulischen Prozessen eingesetzt werden kann. Energieeffizienz: Die Unabhängigkeit der beiden Stellgrößen Drehzahl und Fördervolumen erlaubt bei gegebener hydraulischer Last eine Verschiebung der Arbeitspunkte von Motor und Pumpe. Auf Basis eines dynamischen Verlustmodells können auf diese Weise die Gesamtsystemverluste minimiert werden. Der Einsatz der modellprädiktiven Optimierung ermöglicht dabei vorausschauende Stellgrößenanpassungen sowie eine effiziente Ausnutzung der Systemgrenzen des Antriebssystems. In hochdynamischen Prozessen können Energieeinsparungen von fünfzehn Prozent und mehr erzielt werden. Prozessdynamik: Kürzere Zykluszeiten erhöhen unmittelbar den Produktionsoutput und tragen damit wesentlich zur Rentabilität einer Arbeitsmaschine bei. Am Beispiel eines Volumenstromsollwertsprunges wird gezeigt, dass der optimale Einsatz der beiden Stellgrößen sowohl von Systemparametern wie der Pumpennenngröße oder dem Massenträgheitsmoment des Antriebssystems als auch von den aktuellen Prozessgrößen Systemdruck und Volumenstrom abhängt. Im Vergleich zu konventionellen Strategien kann exemplarisch eine Verdopplung der Prozessdynamik erreicht werden.