The Hydraulic Buck Converter - Conceptual Study and Experiments

Dissertation, Johannes Kepler Universität, Linz, 2012.

Dissertation Cover


ISBN 978-3-99033-059-3

Vorwort

Ein großer Vorteil der Ölhydraulik ist ihre hohe Kraft- bzw. Leistungsdichte, d.h. mit vergleichbar kleinen hydraulischen Aktoren sind sehr hohe Kräfte erzielbar. Werden jedoch die benötigten Kräfte über eine Widerstandssteuerung mittels Proportionalventilen gestellt, dann ist dies allerdings mit dem Nachteil eines schlechten Wirkungsgrades verbunden. Weiters sind die dabei verwendeten Proportional- bzw. Servoventile meist sehr komplizierte und dadurch teure Komponenten, welche überdies empfindlich gegenüber Ölverschmutzung sind. Darüber hinaus werden in der Antriebstechnik auf Grund der steigenden Energiekosten und der Nachfrage nach umweltfreundlichen Technologien immer höhere Anforderungen an die Energieeffizienz gestellt.

Die „Digital-Hydraulik“ stellt sich diesen neuen Herausforderungen mit dem Ziel hydraulische Antriebe einfacher, effizienter, kostengünstiger und zuverlässiger zu machen. Zu diesem Zweck haben zwei Forschungsgruppen - die Abteilung für Intelligent Hydraulics and Automation (IHA) der technischen Universität Tampere in Finnland und das Institut für Maschinenlehre und hydraulische Antriebstechnik (IMH) der Johannes Kepler Universität in Linz - um die Jahrtausendwende mit der intensiven Entwicklung solcher digital-hydraulischen Antriebe begonnen.

Während das IHA sich mit der Umsetzung von hydraulischen Digital-Analog-Konvertern beschäftigt, wird an der Johannes Kepler Universität an „schnell schaltenden“ hydraulischen Systemen gearbeitet. Beide Forschungseinrichtungen übertragen digitale Konzepte aus der elektrischen Antriebstechnik in die Hydraulik, was auf Grund fehlender geeigneter Komponenten bis vor kurzem noch nicht möglich gewesen ist. Seit einigen Jahren sind nun geeignete Ventil-Prototypen für die Realisierung solcher Schaltkonverter in der Hydraulik vorhanden.

Kurzfassung

Diese Dissertation beschäftigt sich mit dem hydraulischen Tiefsetzsteller (engl. Hydraulic Buck Converter), welcher in Analogie aus der elektrischen Antriebstechnik abgeleitet ist. In der Elektrotechnik werden sogenannte Schaltnetzteile für die Energieversorgung einer Vielzahl von Elektrogeräten wie z.B. Mobiltelefonen, Laptops, usw. verwendet. Solche Schaltnetzteile sind seit langem für ihren hohen Wirkungsgrad bekannt, was einen der Gründe für eine Umsetzung dieses Konzeptes in die Hydraulik darstellt. Der HBC ist nun das hydraulische Pendant zum elektrischen Schaltnetzteil und zählt zu den „schnell schaltenden“ hydraulischen Antrieben. Die verwendeten Ventile besitzen dabei eine Schaltzeit im Bereich von einer Millisekunde (1/1000 sec). Dabei wird das Fluid in einer Rohrleitung, der Induktivität, durch das Schalten eines Ventils für die Zeit der angelegten Pulsdauer maximal beschleunigt. Nach dem Schließen des Schaltventils, wird durch den dabei angefallenen Überschuss an kinetischer Energie Öl vom Tank nachgesaugt und damit von einem niedrigen auf ein höheres Druckniveau gebracht, was die wesentliche Wirkungsgradsteigerung mit sich bringt. Dieser Vorgang wiederholt sich beim HBC laut derzeitigem Entwicklungsstand bis zu 100 mal pro Sekunde, d.h. der Konverter wird bei einer Schaltfrequenz in der Größenordnung von 100Hz in Pulsweitenmodulation betrieben. Weiters ist es mit dem beschriebenen Konzept auch möglich Energie zu rekuperieren, was einen weiteren Beitrag zur Effizienzsteigerung darstellt. Darüber hinaus können Schaltventile auf Grund ihres einfachen Aufbaus deutlich kostengünstiger als Proportionalventile produziert werden und sind unempfindlich gegenüber Ölverschmutzung, was den wirtschaftlichen Nutzen dieser Technologie hervorhebt.

Der hydraulische Tiefsetzsteller repräsentiert ein schaltendes und damit ein dynamisches System. Für eine zielführende Entwicklung eines solchen Antriebes werden dazu geeignete mathematische Modelle, ein geeignetes Regelungskonzept sowie schnelle Hydraulikventile und Sensoren benötigt, was somit eine mechatronische Herangehensweise erfordert.

Die Arbeit ist in englischer Sprache verfasst.