1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 41 Flexible und Energieeffiziente Prüfsysteme für Dauerlaufprüfungen: Herausforderungen und Lösungen Themenschwerpunkt: Multivalent nutzbare Prüfstandslösungen Sebastian Hoffmann IABG mbH, Einsteinstr. 20, D-85521 Ottobrunn, Deutschland Kristof Schlemmer MOOG Luxembourg S.à r.l., 421 Z.A.E. Wolser F, L-3290 Bettembourg, Luxemburg Sascha Dany MOOG Luxembourg S.à r.l., 421 Z.A.E. Wolser F, L-3290 Bettembourg, Luxemburg Holger Schmidt MOOG Luxembourg S.à r.l., 421 Z.A.E. Wolser F, L-3290 Bettembourg, Luxemburg Zusammenfassung Anhand der beispielhaften Anwendung eines Federprüfstandes wird gezeigt, dass die elektro-hydrostatische Technologie sowohl bei den Investitionskosten (installierte Leistung) als auch bei den Betriebskosten (Energieverbrauch) optimal eingesetzt werden kann. Der Ansatz nutzt ein intelligentes Energiemanagement und ist besonders vorteilhaft für Anwendungen mit einer großen Anzahl von Lastzyklen, bei denen Energie zwischen verschiedenen Bereichen und/ oder Subsystemen verschoben wird. Weitere Vorteile werden erörtert, wie z. B. dauerhafte Lasthaltefähigkeit, hohe Flexibilität und Kompaktheit in einem tragbaren Layout, Skalierbarkeit und Erweiterbarkeit durch modularen Aufbau sowie eine vielseitige und leistungsfähige Bewegungssteuerungs- und Automatisierungslösung. Der Beitrag schließt mit einem Ausblick auf weitere und zukünftige Entwicklungen. Schlüsselwörter: Elektro-hydrostatisches Antriebssystem, Energiemanagement, Energieeffizienz, zyklische Prüfung Zielpublikum: Industriehydraulik, Prüfung, Systeme 1. Einführung und Technologieübersicht In den letzten Jahren ist die Elektrifizierung von Maschinen und Antriebstechnik in der Industrie zu einem sehr wichtigen Thema geworden. Dieser Trend resultiert zum einen aus den steigenden Stromkosten und den damit verbundenen zunehmenden Anforderungen an die Energieeffizienz, zum anderen aus dem Wunsch, den Ölanteil in Industrieanlagen zu reduzieren oder gar auf rein elektrische Antriebstechnik umzustellen. In vielen Anwendungen bietet die Hydraulik jedoch deutliche Vorteile gegenüber rein elektromechanischen Systemen. Um die Vorteile der elektrohydraulischen (EH) Technik, wie Kraftdichte, Robustheit und Spielfreiheit, mit den Vorteilen der elektromechanischen (EM) Technik, wie Energieeffizienz, Umweltfreundlichkeit und Geräuscharmut, zu kombinieren, werden immer häufiger elektro-hydrostatische Betätigungssysteme (EAS) eingesetzt. Diese "hybriden" Systeme vereinen die Vorteile sowohl der elektrohydraulischen als auch der elektromechanischen Technologie in einem einzigen Paket, wie Becher [1] in Abbildung 1. EAS bieten Optionen, wenn einerseits eine hohe Kraftfähigkeit erforderlich ist und andererseits z. B. Energieeinsparungen, Umweltfreundlichkeit oder der Wegfall von Rohrleitungen gewünscht sind [2], [3]. Folglich hat das Interesse an der EAS-Technologie zu einem Boom in der industriellen Forschung, Entwicklung und Vermarktung geführt. Nichtsdestotrotz steht dieser technologische Übergang noch immer vor erheblichen Herausforderungen, um in der anspruchsvollen industriellen Praxis akzeptiert und auf breiter Basis umgesetzt zu werden. Dies gilt umso mehr für Anwendungen mit anspruchsvollen technologischen Konfigurationen und Anforderungen. Vielen Anwendern fällt dieser Schritt 42 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Flexible und Energieeffiziente Prüfsysteme für Dauerlaufprüfungen: Herausforderungen und Lösungen leichter, wenn die Leistungsdimensionen auf einen überschaubaren Bereich begrenzt sind oder die Anforderungen an Genauigkeit und Beschleunigung nicht zu hoch sind. Die meisten der heute etablierten Anwendungen in diesem Bereich gehören daher zu dieser Kategorie. Abbildung 1: Vergleich der elektromechanischen und hydraulischen Antriebstechnologien mit der EAS-Technologie Wir werden jedoch in dieser Veröffentlichung zeigen, dass dies keine natürliche Einschränkung ist. Bei geeigneter Anwendung bietet der EAS-Ansatz vor allem für Anwendungen mit hoher Leistung und hoher Beschleunigung vorteilhafte Eigenschaften, insbesondere in Kombination mit der Anforderung eines geringen Energieverbrauchs. Daher kann diese Art der Anwendung von EAS als neuartig und innovativ angesehen werden, da sie den Einsatzbereich dieser Technologie durch intelligente Übertragung, Anpassung und Synthese geeigneter Konzepte, Lösungen und Komponenten erweitert. 1.1 Einfache EAS-Lösungen Um EAS-Systeme für bestimmte Anwendungen zu optimieren, gibt es verschiedene Lösungsansätze, die sich auf unterschiedliche Aspekte konzentrieren. Dies sind z. B. Investitionskosten, Betriebskosten, Platzbedarf, Leistung oder Umweltfreundlichkeit. Auf der hydraulischen Seite der Antriebseinheit kann die Optimierung auf einen oder mehrere dieser Aspekte über die Systemarchitektur und das Design der Komponenten mit verschiedenen standardisierten Konzepten erreicht werden. Die Optimierung der elektromechanischen Energiewandlung wird durch eine geeignete Wahl des Energiemanagements erreicht. Es gibt mehrere Konzepte, die sich in ihren Optimierungszielen, Vorteilen und der Komplexität unterscheiden, siehe z.B. [4]. Typische EAS-Lösungen, insbesondere für einachsige Anwendungen, sind als Energieverbraucher konzipiert. Bei Prozessen, bei denen der weitaus überwiegende Anteil der Energie für die Verformung oder thermische Behandlung des Bauteils verwendet wird (z. B. bei der Metallumformung und bei Pressen), ist die potenziell regenerierbare Energiemenge vernachlässigbar. Das einfachste und daher am weitesten verbreitete Konzept in solchen Systemen ist der Einsatz von AC-AC-Frequenzumrichtern, die direkt an das Stromnetz angeschlossen sind und die Servomotoren antreiben. Diese Geräte bestehen aus einem Gleichrichter, der die Wechselspannung fester Frequenz in den Gleichstrom-Zwischenkreis (DC-Bus) transformiert, und einem Wechselrichter zur Erzeugung der variablen Wechselspannung in einem Bauteil und sind daher sehr platzsparend und kostengünstig. Die Verwendung von Ableitwiderständen zur Wärmeableitung von überschüssiger Energie ist eine gängige und wirtschaftliche Lösung, z. B. in vielen Anwendungen der Metallumformung. Die wirtschaftlichen Vorteile dieser Lösung liegen vor allem in den Investitionskosten, da die Anzahl und Komplexität der benötigten Komponenten recht gering ist. Allerdings sind die Anforderungen an die installierte Leistung und die Nennleistungen aller Komponenten im gesamten Antriebsstrang hoch, da sie von den Leistungsspitzen des Arbeitszyklus und nicht von der mittleren Leistung über die Zeit bestimmt werden. Je nach Anwendung kann das Verhältnis zwischen Spitzenleistung und mittlerer Leistung sehr hoch sein, was diese Lösung ungünstig macht. 1.2 EAS-Lösungen mit Energiemanagement Bei vielen Anwendungen, wie auch bei der hier vorgestellten, stehen nicht nur die Investitionskosten im Vordergrund, sondern auch das Optimierungsziel der Betriebskosten, des Platzbedarfs und der installierten Leistung, um die Anforderungen an den Aufstellungsort zu reduzieren. Reidl et al. [4] beschreiben den Einfluss des Verhältnisses von durchschnittlicher Leistungsaufnahme zu Spitzenleistung. Um die installierte Leistung und die Betriebskosten einer Maschine zu reduzieren, ist die Energieeffizienz eine der entscheidenden Anforderungen an die Antriebstechnik. Dieser Wirkungsgrad kann durch die Verringerung der Verluste auf der Komponentenseite und durch die Rückgewinnung von überschüssiger Energie aus dem Arbeitszyklus verbessert werden. Da die EAS-Technologie die Hauptverluste an den Hydraulikventilen eliminiert, indem sie die Drosselsteuerung durch Servoventile ersetzt und die Anzahl der anderen hydraulischen Widerstände reduziert, ist ihr Wirkungsgrad besser als der von EH-Systemen. Moderne Hydrauliksysteme nutzen jedoch häufig ein hydraulisches Energiemanagement, bei dem die Spitzen- 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 43 Flexible und Energieeffiziente Prüfsysteme für Dauerlaufprüfungen: Herausforderungen und Lösungen leistung des Systems von Hydraulikspeichern und die mittlere Leistung von den Verdrängerpumpen des Hydraulikaggregats (HPU) bereitgestellt wird, wie (1) in Abbildung 2. Auch wenn diese Systeme in Bezug auf den Verbrauch nicht besonders energieeffizient sind, stellen sie doch vorteilhaft niedrige Anforderungen an die installierte Leistung. Wenn ein EAS in einer bestimmten Anwendung eingeführt werden soll, um die Energieeffizienz zu verbessern (möglicherweise neben anderen fallspezifischen Vorteilen dieser Technologie), erlaubt es das unterschiedliche Arbeitsprinzip nicht mehr, die Vorteile des hydraulischen Energiemanagements zu nutzen. Stattdessen muss die Aufgabe des Energiemanagements auf die elektrische Seite des Systems verlagert werden. Der zuvor beschriebene einfache dissipative Ansatz kann diese Funktionalität natürlich nicht bieten und könnte sogar eine Erhöhung der installierten Leistung im Vergleich zu einem konventionellen System bedeuten, was unerschwinglich ist (siehe (2) in Abbildung 2). Daher kann nur der intelligente Einsatz fortschrittlicherer und komplexerer Energiemanagementsysteme die EAS in die Lage versetzen, die anspruchsvolle Kombination von Anforderungen moderner Antriebssysteme zu erfüllen. Durch den Einsatz eines zusätzlichen Active Front End (AFE) kann die aus dem Lastzyklus zurückkommende Energie wieder in das Netz übertragen werden, ohne die Energie im internen DC-Bus des Systems zu speichern. Dies führt zu geringen Anforderungen an die Größe des DC-Busses des Systems, kann aber auch zu einer hohen Kurzschlussleistung am Transformator/ Netzanschlusspunkt führen, was die Anforderungen an die Einspeiseleistung noch weiter erhöht. Diese Anforderungen an den Aufstellungsort in Kombination mit dem Risiko der Beeinflussung anderer Anlagen durch Rückwirkungen von Oberschwingungen und den hohen Investitionskosten der AFE disqualifizieren dieses Energiemanagementkonzept für bestimmte Anwendungen. Abbildung 2: (1) konventionelle hydraulische Lösung (EH); (2) einfache EAS-Lösung; (3) EAS-Lösung mit Energiemanagement 44 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Flexible und Energieeffiziente Prüfsysteme für Dauerlaufprüfungen: Herausforderungen und Lösungen Abgesehen von den höheren Installationskosten wollen oder dürfen viele Anwender die Energie nicht in das Netz zurückspeisen, sondern müssen sie im Zwischenkreis speichern, z. B. in einer elektrischen Energiespeichereinheit wie einer Kondensatorbatterie. Diese Speichereinheit kann an den internen DC-Bus des kompakten AC-AC- Antriebs angeschlossen werden, um eine hohe Energieeffizienz in Kombination mit niedrigen Anschaffungskosten zu erreichen (siehe (3) in Abbildung 2). Energie, die aus dem System zurückkommt, sowie Pufferenergie aus dem Netz kann im DC-Bus gespeichert werden, um sie in der Hochlastphase des Arbeitszyklus zu nutzen. Um das System noch weiter zu verbessern, können der Gleichrichter und der Wechselrichter in Kombination mit einem Energiespeicher getrennt werden, um den Gleichrichter und damit die installierte Leistung und die Anforderungen an das Netz zu reduzieren. Eine solche dezentrale Systemarchitektur ist besonders vorteilhaft für mehrachsige Systeme mit synchronisiertem Arbeitszyklus, da die Gleichrichtereinheit mehrere Achsen auf sehr kostengünstige Weise versorgen kann. 1.3 Ausweitung des Anwendungsbereiches: Prüfung Prüfanwendungen haben als Anwendungen mit einem bedeutenden schnellen Bewegungsmodus ein sehr hohes Potenzial für das Energiemanagement, da es eine dominante Bremsphase gibt, die Energie in den elektrischen Zwischenkreis zurückführt. Im speziellen Fall von Prüfanwendungen ist die Belastung des Prüflings in der Regel zyklisch, oft sinusförmig und manchmal mit sehr hohen Frequenzen. Bei Belastungstests soll sichergestellt werden, dass die eingebrachte Energie nicht durch plastische, sondern durch elastische Verformung absorbiert und ein erheblicher Teil der Energie wieder an das System abgegeben wird. Das sehr schnelle Bewegungs- und Belastungsprofil, ähnlich einer Federkennlinie, enthält einen sehr hohen regenerativen Anteil, der durch ein gutes Energiemanagementkonzept wieder genutzt werden kann. Die Ableitung der Energie über Blindwiderstände ist für diese Anwendungen nicht zu empfehlen, da die hohe Frequenz eine große durchschnittliche Energiemenge in sie einbringen würde und die Bauteile sehr groß sein müssten. Aber auch der Einsatz eines aktiven Netzteils für hochfrequente und schnelle Tests ist mit einem überproportional großen Bauteilaufwand verbunden. Aufgrund dieser zyklustypischen Anforderungen bietet sich ein AC-AC-Netzteil mit einer Kondensatorbatterie im internen Zwischenkreis als geeignetes Energiemanagementsystem an. Bei dieser Lösung muss nur die Verlustenergie aus dem Netz eingespeist werden, während die zurückgespeiste Bremsenergie im Zwischenkreis zwischengespeichert und anschließend wieder in das System eingespeist wird. Dies führt zu einem sehr energieeffizienten System mit geringen Anschaffungskosten, insbesondere für einachsige Prüfanwendungen. 2. Motivation, Spezifikation und Anforderungen an die Beispielanwendung Die Entwicklung und Qualitätsüberwachung von federnden, hochbelasteten Fahrzeugkomponenten, wie Fahrwerksfedern und Stabilisatoren, erfordert möglichst betriebsnahe Schwingungsprüfungen. Wesentliche zu prüfende Qualitätsmerkmale sind z.B. die Festigkeit unter möglichst realistischen Belastungs-, Temperatur- und Klimabedingungen. Die Anforderungen an einen Dauerlaufprüfstand für elastische Bauteile sind die Aufbringung großer Kräfte in Kombination mit großen Hüben und gleichzeitig einer hohen Anzahl von Schwingungen. Beispielsweise erfordert die Ermüdungsprüfung einer Achsfeder aktueller Fahrzeuge eine dynamische Oberlast von 25 kN und einen Schwinghub von 180 mm bis zu einer Grenzzahl von 10 6 Lastwechseln. Um eine ausreichende statistische Sicherheit bei der Lebensdauerabschätzung zu erreichen, müssen mindestens zehn Bauteile geprüft werden. Neben einer hohen Prüfgeschwindigkeit zur Verkürzung der Prüfzeit erfordert das Verfahren auch eine hohe Energieeffizienz bei der Prüfung. Dieses Beanspruchungsfeld lässt sich hervorragend mit Resonanzprüfständen abdecken. Die IABG entwickelt seit mehreren Jahrzehnten energieeffiziente Dauerlaufprüfstände auf Resonanzbasis, wie sie in Abbildung 3, die die oben genannten Parameter in einem Prüfstand vereinen. Abbildung 3: Prüfstand Als Ergänzung zu den hocheffizienten Resonanzprüfständen hat die IABG den Bedarf nach mehr Flexibilität und Vielseitigkeit erkannt und dies mit einem neuartigen Prüfstandskonzept umgesetzt, ohne dabei die Energieeffizienz zu vernachlässigen. Ein modulares Multitalent für flexiblen Einsatz, Betriebsfestigkeit, Funktionsprüfung und Komfortbewertung. Basis ist ein neu entwickelter energieeffizienter elektro-hydrostatischer Direktantrieb in einem modularen Lastrahmen. Als Alternative zur Standardhydraulik hat sich der elektro-hydrostatische Antrieb aufgrund seiner Vielseitigkeit als System der Wahl erwiesen. 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 45 Flexible und Energieeffiziente Prüfsysteme für Dauerlaufprüfungen: Herausforderungen und Lösungen Auf dem von der IABG neu entwickelten VTRC (Variable Test Rig for Resilient Components) kann die Funktion und Lebensdauer von Federn und Stabilisatoren einschließlich aller zugehörigen Komponenten wie Federteller, Lager oder Koppelstangen für Stabilisatoren von PKWs unter klimatischen Bedingungen getestet werden. In solchen und vergleichbaren Anwendungen ist die enorme Energieeffizienz der neu entwickelten Antriebe ein großer Vorteil. Durch den hohen Wirkungsgrad lässt sich der Energieverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen hydraulischen Antrieben mit Proportionalventilen um bis zu 70 Prozent reduzieren. Beim Einsatz mit federbelasteten Prüfteilen wird durch das Rückspeiseprinzip der Antriebe zudem Spannenergie in das System zurückgeführt. Diese Energie steht für gleichzeitige, asynchrone Bewegungen anderer Antriebe zur Verfügung oder kann zyklusabhängig in einem Gleichspannungszwischenkreis zwischengespeichert werden. Bei herkömmlichen hydraulischen Systemen bleibt diese Energie als Verlustenergie ungenutzt und muss über einen Wärmetauscher abgekühlt werden. Mit der Möglichkeit, ein zweites System asynchron zu betreiben, lassen sich die Gesamtbetriebskosten weiter senken. Die hohe Flexibilität erlaubt es zudem, verschiedene Komponenten in einer Anlage zu testen, um die Auslastung zu optimieren und die Produktivität zu steigern. Darüber hinaus bildet der verschleißarme Antrieb die Grundlage für eine hohe Verfügbarkeit der Gesamtanlage. Dank der kompakten Bauweise kann der Antrieb als weiterer Vorteil oberhalb der Prüflinge platziert werden. Dadurch benötigt das System deutlich weniger Bauraum als vergleichbare Produkte. Diese Bauweise verbessert auch den Verrohrungs- und Wartungsaufwand. Da die neuen IABG-Prüfstände lediglich die Netzversorgung als einzige Schnittstelle benötigen, können die Systeme unabhängig von anderer Infrastruktur betrieben werden. 3. Gemeinsamer Lösungsprozess Ausgehend von den anfänglich gegebenen Anforderungen hat sich die Zusammenarbeit zwischen der IABG und Moog als äußerst effektiver Ansatz erwiesen, um ein flexibles, energieeffizientes und robustes Konzept mit einer kleinen und beweglichen Maschinenaufstellfläche zu entwickeln. Insbesondere die Forderung nach einem kundenspezifischen Design der Baugruppe ist eine der gemeinsamen Entwicklungen, die perfekt zu den standardisierten EAS-Konzepten von Moog passt. Um die beste Lösung für das Energiemanagement zu finden, nutzten die Spezialisten der Moog-Standorte in Bettembourg (LUX) und Böblingen (GER) ihre große Erfahrung in der Konstruktion und Simulation kompletter Maschinenachsen und der Leistungselektronik und arbeiteten im Simultaneous Engineering eng mit den Testexperten der IABG zusammen. 3.1 EAS-Designkonzept In dem vorgeschlagenen EAS-Konzept wurde ein offener Vorlast-Hydraulikkreislauf gewählt, der auf einer elektro-hydrostatischen Pumpeneinheit (EPU) in Kombination mit einem Zylinder mit gleichem Querschnitt basiert. Ein hervorstechender Vorteil dieser Pumpenkonstruktion, die von einer Radialkolbenpumpe abgeleitet ist, ist die Fähigkeit eines permanenten Lasthaltebetriebs, der statischen Lasthaltung unter kontrollierten Bedingungen über mehrere Stunden hinweg ermöglicht. Da das System sowohl dynamische als auch statische Tests erfordert, ist dieses Pumpendesign in Kombination mit der hohen Pumpendrehzahl von 3700 U/ min die effizienteste und robusteste Wahl. Ein weiteres starkes Argument für die EPU ist die Option der doppelten Verdrängung, die es ermöglicht, statische Tests mit einer geringeren Verdrängung und einem viel geringeren erforderlichen Drehmoment durchzuführen und somit den Motor und die Leistungselektronik zu verkleinern. Die Anforderungen an ein System, das ständig mit hoher Leistung und hoher Zuverlässigkeit läuft, begünstigen den Einsatz einer externen kleinen Boost-HPU. Die Hauptfunktion dieser Boost-HPU besteht darin, das Hydrauliksystem mit einem niedrigen Druck von ca. 5-10 bar zu beaufschlagen, um die volle Leistungsfähigkeit der hohen Geschwindigkeit und Beschleunigung sowie den Vier-Quadranten-Betrieb der EPU zu ermöglichen, unabhängig von Zylinderhub, Öltemperatur oder Druck im Arbeitszyklus. Darüber hinaus dient es dazu, eine angemessene Öltemperatur und -qualität unter allen Arbeitsbedingungen zu gewährleisten. Zur Unterstützung der Vier-Quadranten-Konstruktion der EPU, die die Grundlage sowohl des hydraulischen Antriebsstrangs als auch des elektrischen Energiemanagementsystems bildet, sind einige Standard-Hydraulikfunktionen wie Druckentlastung und Rückschlagventile in den EAS-Hauptverteiler integriert. Darüber hinaus werden mehrere Sicherheitsfunktionen des Systems durch eine STO-Funktion (Safe-Torque-Off) im Frequenzumrichter sowie durch sicherheitsrelevante Cartridge-Ventile auf der Zylinderseite erreicht; dargestellt in Abbildung 4. 46 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Flexible und Energieeffiziente Prüfsysteme für Dauerlaufprüfungen: Herausforderungen und Lösungen Abbildung 4: Hydraulikschema des verwendeten EAS-Konzepts 3.2 Dimensionierung und Simulation Für die Dimensionierung des Systems müssen mehrere Betriebspunkte als äußere Grenzen des Arbeitskennfeldes erkannt werden. Diese Arbeitspunkte sind durch die Frequenz der Zylinderbewegung gegeben, die die maximale Geschwindigkeit, die maximale Beschleunigung und die benötigte Kraft zum Belasten der Feder definiert. Das Arbeitskennfeld muss bei horizontaler oder alternativ bei vertikaler Zylinderanordnung anwendbar sein; zusätzlich ist sowohl wechselnde als auch pulsierende Belastung möglich. Ein weiterer vorgegebener Freiheitsgrad besteht darin, das System mit doppelter Frequenz bei halbem Hub bei gleicher Maximalgeschwindigkeit durch Verdoppelung der Beschleunigung anzutreiben. In einem iterativen Optimierungsprozess unter Einsatz von Simulations- und Auslegungswerkzeugen wie Matlab/ Simulink und ServoSoft wurden die Abmessungen des Zylinders und die Größe der Pumpe mit einem bestimmten Verdrängungsvolumen festgelegt. Abbildung 5: Modell der Systeme 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 47 Flexible und Energieeffiziente Prüfsysteme für Dauerlaufprüfungen: Herausforderungen und Lösungen Die ermittelte p-Q-Funktion, die die erforderlichen Druck- und Volumenströme während des Bewegungszyklus beschreibt, wird als Input für das Modell der elektrischen und hydraulischen Systeme verwendet (siehe Abbildung 5). Das Pumpenverhalten des EPU (z. B. Leckagen und Verluste) wird mit Hilfe eines von Schraft et al. [5] beschriebenen neuronalen Netzansatzes berücksichtigt, was zu einer Beschreibung des elektrischen Leistungsbedarfs über die Zeit führt. Abbildung 6: Leistungsbedarf und entsprechende Zwischenkreisspannung Das Leistungsbedarfsprofil wie in Abbildung 6 ist die Grundlage für die Dimensionierung der benötigten elektrischen Leistung im Zwischenkreis des Frequenzumrichters und für den Frequenzumrichter selbst. Im jeweiligen Zyklus muss die Kompressionsenergie der Feder in elektrische Energie umgewandelt und in der elektrischen Leistung gespeichert werden. Dies führte zu einer Verringerung der Antriebsgröße um 20 bis 30 % im Vergleich zu einer Lösung ohne elektrisches Speichersystem und zu einer erheblichen Minimierung des Anzapfwiderstands, wodurch die Abwärme und der Bedarf an Kühlkapazität verringert werden. Als Energiespeicher werden Elektrolytkondensatoren verwendet, da dies die optimale Lösung in Bezug auf Robustheit, Lebensdauer und Effizienz ist. Für die erste Bewegung wird die gesamte Energie aus dem Netz entnommen. Für alle folgenden Bewegungszyklen wird nur die Verlustleistung aus dem Netz entnommen, während die Bewegungsenergie wiederverwendet wird; dies ist im Folgenden dargestellt Abbildung 7 (als Beispiel gewählter Betriebszustand). Dennoch ist das elektrische Antriebssystem hinsichtlich Drehmoment, Kapazität im Zwischenkreis und maximalem Motorstrom des Elektromotors der EPU so ausgelegt, dass der Prüfzyklus aus einer lastfreien Endlage gestartet werden kann. Dies ist eine Voraussetzung für die Aufbringung einer pulsierenden Last auf den Prüfling. Abbildung 7: Leistungs-/ Energiebedarf für pulsierende Last bei 1,5 Hz 48 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Flexible und Energieeffiziente Prüfsysteme für Dauerlaufprüfungen: Herausforderungen und Lösungen Die Verringerung der benötigten Einspeiseleistung führt auch zu einer Reduzierung der Größe und der Kosten des Schaltschranks und der darin enthaltenen Komponenten wie Sicherungen, Schalter oder Kabel. Daher ist die Amortisationszeit der zusätzlichen Kosten für das Elektrolytkondensatorsystem relativ kurz (1-2 Jahre, abhängig von der Anzahl der Prüfstunden). Darüber hinaus bietet die Flexibilität des konzipierten Systems die Möglichkeit, eine weitere hydrostatische Achse mit einem dedizierten DC-AC-Antrieb (ohne integrierte Gleichrichterstufe) an den gemeinsamen DC-Zwischenkreis anzuschließen und dabei sowohl die Einspeiseleistung als auch den Kondensatorspeicher zu nutzen. Dies führt zu einer einfachen Aufrüstung des Systems mit einer (geringen) zusätzlichen elektrischen Kapazität zum bereits vorhandenen Zwischenkreis. 3.3 Maßgeschneiderte Lösung für die Prüfstandsintegration Sowohl der hydraulische als auch der elektrische Teil des Antriebssystems sind auf einem tragbaren Rahmen untergebracht, um die Anforderungen der IABG an eine hochflexible und leicht bewegliche Einheit, das sogenannte "Power Rack", zu erfüllen. Der Aktuator selbst, der Gleichgangzylinder und die Halterung für den Prüfling sind direkt auf dem Prüfstand montiert. Die hydraulische Verbindung wird durch kurze Schläuche hergestellt, wobei die Einschränkungen der Systemdynamik berücksichtigt werden. Für diesen Aufbau von geteilten Hydraulikbaugruppen waren die Standardkonfigurationen der modularen EAS-Produkte von Moog nicht ohne weiteres einsetzbar. Speziell für diese Anwendung wurde eine kundenspezifische Lösung mit einem Hydraulikverteiler auf dem Power Rack und einem hydraulischen Sicherheitsverteiler auf dem Prüfstand entwickelt, die beide auf dem modularen EAS-Standard basieren. Alle Anforderungen an die funktionale Sicherheit im Automatikbetrieb sowie im Einrichtbetrieb wurden berücksichtigt und umgesetzt. Das Power Rack umfasst das Hydraulikaggregat, bestehend aus der EPU, der Boost-HPU, einem kleinen Akkumulator sowie dem Filter- und Kühlkreislauf. Um dem Szenario des mobilen Einsatzes gerecht zu werden, ist ein drehzahlgeregelter Luftkühler notwendig, der lastabhängig arbeitet. Alle hydraulischen Anschlüsse sind auf einer Schottleiste mit Schnellkupplungen geführt. Wie in Abbildung 8 dargestellt, ist auch der Schaltschrank, inkl. Frequenzumrichter mit Kondensatoren und SPS, auf dem Rahmen montiert. Dadurch kann die komplette elektrische Verdrahtung der Hauptkomponenten lokal am Rahmen ausgeführt werden; die elektrische Systemschnittstelle umfasst nur den Netzanschluss und einen einzigen Feldbusanschluss für die Prüfstands-Sensorsignale. Abbildung 8: Power Rack 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 49 Flexible und Energieeffiziente Prüfsysteme für Dauerlaufprüfungen: Herausforderungen und Lösungen Im Gegensatz zu fest eingehausten Maschinen, die vergleichbare hydraulische Systeme verwenden, ist der Aktuator, der gefährliche Bewegungen ausführt, sehr exponiert. Der Nutzer des Systems wird in jedem Fall in die Nähe des hydraulischen Aktuators kommen. Dies können wie im konkreten Fall ein Linearzylinder und auch ein Schwenkantriebe sein. Anders als bei geschlossenen Maschinen, bei denen vergleichbare hydraulische Systeme verwendet werden, ist der Gefahr bringende Aktuator sehr exponiert. Die Zugänglichkeit ist nicht zu vermeiden, weil das flexible System variabel mit Prüflingen bestückt werden muss. Um dem Rechnung zu tragen, wurde eine Sicherheitskonzept erarbeitet. Es deckt volle Situationen ab. - Prüfbetrieb - Einrichtbetrieb - Störungsfall Für alle Szenarien ist der oben genannte Sicherheitsblock direkt am Aktuator Voraussetzung. Er muss fest verrohrt in der Nähe des Zylinders installiert werden. Der Block ist mit redundanten Sicherheitsventilen pro Kolbenseite ausgerüstet. Die Ventile sind monostabil und im stromlosen Zustand geschlossen. Die Bestückung beider Kolbenseiten ist die Voraussetzung für eine variabel Einbaulage des Zylinders. Im Prüfbetrieb wird der Bediener durch eine zugehaltene und trennenden Schutzeinrichtung vor der Gefährdungsstelle geschützt. Im Einrichtbetrieb ist die unmittelbare Nähe zum Aktuator notwendig, um die Prüflinge zu positionieren und in deren Adaption zum Prüfsystem zu fixieren bzw. leicht vorzuspannen. In diesem Zustand muss eine sichere Geschwindigkeit mit sicherheitsgerichteten Bauelementen realisiert werden. Der Tastbetrieb ist eine weitere Lösung zum sicheren Einrichten. Durch eine Drossel im Sicherheitsblock wird der Volumenstrom zum Zylinder mechanisch inhärent reduziert und eine sichere Geschwindigkeit gewährleistet. Im Gegensatz zu einer Druckreduzierung wird die Geschwindigkeit fest eingestellt und der Prüfling kann bereits mit Kraft beaufschlagt werden. Im Störungsfall wird immer auf eine Rückfallebene zurückgegriffen. Diese basiert darauf, dass das Öl in beiden Zylinderkammern durch die jeweils redundant ausgeführten Sicherheitsventile eingesperrt wird. Der Zylinder wird dadurch an jeglicher Bewegung, selbst unter Last, gehindert. Das hydraulische System wird insgesamt drucklos gehalten. Dafür wird die sicherheitsgerichtete Funktion STO (safe torque off) des Umrichters genutzt. Im Störungsfall werden alle Ventile geschlossen und der Antriebsmotor der EPU in den Zustand STO versetzt. Das System ist in Form von Moment, Kapazität Zwischenkreis und maximaler Motorstrom des E-Motors der EPU so ausgelegt, dass der Prüfzyklus aus einer lastfreien Endlage angefahren werden kann. Dies ist Voraussetzung für das Aufbringen einer schwellenden Last am Prüfling. Mobiler Einsatz bedingt Luftkühlung und lastabhängig/ umgebungstemperaturabhängig drehzahlvariablen Lüfterantrieb. 3.4 Bewegungssteuerung und Automatisierungskonzept Zur Automatisierung und Überwachung der gesamten Anlage wird eine kombinierte Beckhoff SPS und Sicherheitssteuerung eingesetzt. Wie in Abbildung 9 dargestellt, kommuniziert die kombinierte Anlagen- und Sicherheitssteuerung mit dem Umrichter und dem Zusatzgerät über einen EtherCAT-Bus, der eine Datenübertragung in Echtzeit ermöglicht. Diese Basisarchitektur ermöglicht eine flexible Erweiterung des Systems. So können beispielsweise weitere Messkanäle einfach in das System und den Datenbus integriert werden. Auch zusätzliche Peripheriegeräte, wie sie z. B. für Korrosions- und Umwelttests benötigt werden, lassen sich einfach über EtherCAT ansteuern und integrieren. Darüber hinaus ist diese Architektur auch hinsichtlich der Implementierung der Algorithmen zur Aktorsteuerung sehr variabel. 50 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Flexible und Energieeffiziente Prüfsysteme für Dauerlaufprüfungen: Herausforderungen und Lösungen Abbildung 9: PLC- und Bewegungssteuerungskonzept 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 51 Flexible und Energieeffiziente Prüfsysteme für Dauerlaufprüfungen: Herausforderungen und Lösungen Zum einen können Firmware-Funktionen des Umrichters z.B. für die Lageregelung des Antriebs genutzt werden. Das optional integrierte Hydraulik-Firmwarepaket des Moog MSD-Servoantriebs bietet einen Kraftregelmodus, einen Lageregelmodus oder einen Lageregelmodus mit Kraftbegrenzung. Auch im Hinblick auf die technischen Grenzen des EPU ist eine aktive Dämpfung und Kompensation von Rohrdynamik und Resonanzeffekten sowie eine Leckagekompensation implementiert. Die Sollwerte werden in diesem Fall in Echtzeit auf der SPS berechnet und über EtherCAT an den MSD-Servoantrieb übertragen. Dieser Ansatz ist vor allem für einfache Regelungsaufgaben sinnvoll. Zum anderen können die Regelalgorithmen alternativ in der SPS implementiert werden. Dieser Ansatz bietet entscheidende Vorteile, wenn komplexere Regelungsaufgaben, wie z. B. nichtlineare oder adaptive Regelungsalgorithmen, angewendet werden sollen oder wenn mehrere Achsen in einem System betrieben werden sollen. In diesem Fall können die Vorteile des Energiemanagementsystems voll ausgeschöpft werden. Darüber hinaus ist in Kombination mit einer durchgängigen Werkzeugkette aus Simulationsumgebungen wie MATLAB-Simulink auf diese Weise eine effiziente Implementierung komplexer Regelungen möglich, da die Algorithmen zunächst anhand eines numerischen Modells der Anlage entwickelt, optimiert und getestet und anschließend effizient auf das Zielsystem übertragen werden können. Darüber hinaus ist es möglich, diese beiden Ansätze zu kombinieren. So kann beispielsweise ein grundlegender Lageregelkreis, der auf dem Umrichter implementiert ist, leicht für übergeordnete Regelkreise, wie nichtlineare Kraftregelkreise oder adaptive Amplituden-Phasen-Regler, die auf der SPS implementiert sind, erweitert werden. Moog hat für alle gängigen SPS-Systeme EAS-spezifische Steuerungssoftwaremodule entwickelt, die die genannten Grundfunktionen für den Betrieb einer EPU umsetzen. Insgesamt ergibt sich so eine große Spielwiese, die es ermöglicht, auf spezifische Anforderungen zugeschnittene Regelalgorithmen schnell und effizient zu implementieren und in Betrieb zu nehmen. Ein im Bedienterminal integrierter PC stellt die Oberfläche für den Benutzer dar. Neben einer grafischen Benutzeroberfläche zur Bedienung und Parametrierung des Prüfsystems können hier weitere Softwaremodule implementiert werden, die nicht in Echtzeit ausgeführt werden müssen. Beispiele sind Funktionen zur automatischen Testauswertung und Reportgenerierung, Schnittstellen zu Datenbanken oder Software zur Testautomatisierung. 4. Zusammenfassung und Schlussfolgerung In diesem Beitrag haben wir das Beispiel einer effizienten Schwingfestigkeitsprüfung und die Vorteile der EAS- Technologie für Anwendungen mit einer großen Anzahl von Energieumwandlungszyklen aufgezeigt. Es wurde auf den geringen Platzbedarf des hydraulischen und elektrischen Antriebs in Verbindung mit höchster Flexibilität bei der Prüfstandsanordnung hingewiesen. Der Hauptvorteil liegt in der Optimierung des Energieverbrauchs, insbesondere in der Verringerung des Energiebedarfs für die Einspeisung. Diese Lösung macht den EAS-Ansatz zu einer technisch und wirtschaftlich sinnvollen Option auch für Konstellationen, in denen nicht nur die Betriebskosten, sondern auch die installierte Leistung und die Investitionskosten hoch sind. Der Anwendungsbereich der Technologie wird dadurch erweitert. Die Modularität des Aufbaus, sowohl auf der hydraulischen als auch auf der elektrischen Seite, ermöglicht darüber hinaus mehrere Erweiterungsmöglichkeiten. Zusätzliche Mehrfachprüfantriebe, z.B. für die asynchrone Prüfung von zwei oder vier Prüflingen auf einem Prüfstand, können mit einer gemeinsamen Boost-HPU kombiniert werden. Der gekoppelte DC-Bus, der die Umrichter mit einem gemeinsamen elektrischen Energiespeicher verbindet, ermöglicht es, rekuperierte Energie zwischen den Achsen zu teilen und zu verschieben, was wiederum Kosten, Platzbedarf, Gesamtenergieverbrauch und insbesondere den Bedarf an Einspeiseleistung reduziert. Daher ist der vorliegende Prototyp nur als erster Schritt zur Erweiterung der Leistungs- und Machbarkeitsgrenzen der EAS-Technologie zu sehen. Weitere Schritte werden folgen, sowohl in verwandten Anwendungen auf dem Testmarkt als auch in anderen Anwendungen, in denen diese Vorteile zum Tragen kommen. In unserem konkreten Beispielfall wird die nächste Evolutionsstufe eine weitere Reduzierung der Einspeiseleistung in einer Mehrachsenumgebung vorsehen. Dies wird durch ein in [4] vorgeschlagenes Konzept erreicht, bei dem eine gemeinsame AC-DC-DC-Einspeisung oder eine AFE, die eine große passive Kondensatorbank auflädt, als Stromquelle für mehrere DC-AC-Wechselrichter dient. Die Inbetriebnahme des Prototyps ist für März 2022 geplant und wird von der Validierung des beschriebenen Konzepts gefolgt. Weitere Optionen ergeben sich aus der Skalierbarkeit dieses Prüfstandskonzepts für unterschiedliche Federbelastungen, da die Modularität der Moog EAS-Toolbox die Kombination verschiedener EPU-Größen mit den entsprechenden hydraulischen Grund- und Sicherheitsverteilern, HPU-Größen und Frequenzumrichtertypen und -größen erlaubt. 52 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Flexible und Energieeffiziente Prüfsysteme für Dauerlaufprüfungen: Herausforderungen und Lösungen Literatur [1] Becher, D., Electrohydrostatic actuation system an (almost) complete system view, In: 12th International Fluid Power Conference, 12. IFK, Dresden, Deutschland, 12. bis 14. 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