Hydraulische aandrijvingen steeds duurzamer

Nog volop mogelijkheden tot verbetering van de energie-efficiëntie

De roep om duurzaamheid, de stijgende energiekosten en de strengere wetgeving dwingen fabrikanten ertoe de energie-efficiëntie van hun hydraulische aandrijfsystemen te verbeteren. Gelukkig biedt het werkingsprincipe daartoe voldoende aanknopingspunten, wat onder meer al heeft geleid tot innovaties op het gebied van motortechniek, besturing en warmtebeheersing. Betrekkelijk nieuw in dat verband, en veelbelovend, zijn de groeiende aandacht voor de combi servomotor - frequentieregelaar en de opkomst van de Drive Controlled Pump (DCP).

Focus

Energie-efficiëntie staat tegenwoordig hoog op de agenda, en daarop komt in de ontwerp- en productiefase dan ook steeds meer de nadruk te liggen. Behalve de milieuproblematiek zijn daar economische redenen debet aan, en dan met name de gaandeweg (fors) toegenomen energiekosten.

Wat verder meespeelt, is het feit dat overheden steeds strengere eisen stellen aan energie-efficiëntie en uitstoot. Deze zijn onder meer vastgelegd in de EU-verordening voor Ecodesign, die erop is gericht de milieuprestaties van energiegerelateerde producten gedurende hun hele levenscyclus te verbeteren. Bedrijven die daar niet aan voldoen riskeren niet alleen (vaak forse) boetes, maar ook reputatieschade.

EU-verordening Ecodesign
Dit wettelijk kader is erop gericht de milieuprestaties van energiegerelateerde producten gedurende hun hele levenscyclus te verbeteren; het maakt deel uit van het EU-beleid om klimaatverandering tegen te gaan, energie-efficiëntie te bevorderen en de overgang naar een circulaire economie te stimuleren.
Producten moeten voldoen aan specifieke technische normen waaronder maximale energieverbruiksniveaus, geluidsproductie en/of materiaalgebruik en fabrikanten dienen rekening te houden met factoren als grondstofgebruik, onderhoudsgemak en recyclebaarheid.
Deze eisen worden regelmatig geëvalueerd en aangescherpt om ervoor te zorgen dat de regelgeving blijft aansluiten bij technologische ontwikkelingen en EU-klimaatdoelstellingen. Alleen producten die voldoen aan de eisen van de Ecodesign-richtlijn mogen op de EU-markt worden verkocht en krijgen een CE-markering.

Gemeenschappelijk

Alle aandrijfsystemen hebben gemeenschappelijk dat ze energie omzetten in beweging dan wel zorgen voor een specifieke mechanische actie. Een energiebron levert daarbij de initiële kracht, een transmissiesysteem draagt de mechanische beweging over aan de werkende delen van de machine en de uitvoerelementen zetten die beweging/kracht om in een daadwerkelijke actie of beweging.

Om problemen als slijtage, corrosie en lekkages te voorkomen, is periodiek, gedegen onderhoud van genoemde onderdelen essentieel, ongeacht het aandrijfprincipe. Bepalend voor de keuze van het type aandrijfsysteem zijn de aard van de toepassing en parameters zoals belasting, snelheid en nauwkeurigheid. Dit artikel spitst zich toe op hydraulische aandrijvingen en de consequenties die de ‘groene uitdaging’ heeft voor de fabricage ervan.

Vloeistofdruk

Bij hydraulische systemen wordt de benodigde kracht overgebracht door middel van vloeistofdruk. De keuze van het type vloeistof hangt nauw samen met de aan het systeem gestelde eisen. Van belang daarbij zijn onder meer de aanbevolen viscositeit, het temperatuurtraject, het soort systeem (statisch of dynamisch) en eventuele specifieke vereisten.

Bij het vloeistoftransport van de opslagtank naar het systeem wordt druk gegenereerd. In de actuator – een hydraulische cilinder of een motor − wordt onder invloed van die druk de hydraulische energie omgezet in mechanische energie. De (vaak grote) kracht die hiervan het gevolg is, wordt bepaald door de druk in het systeem en het zuigeroppervlak.

Bepalend voor de keuze van het type aandrijfsysteem zijn de aard van de toepassing en parameters als belasting, snelheid en nauwkeurigheid

Veiligheidsventielen en controlerende componenten – controlerende componenten – kleppen, druk- en flowcompensatoren en regelmechanismen – zijn in onderlinge interactie verantwoordelijk voor de vloeistofdruk en stroomsnelheid, de drukregulatie, het voorkomen van overbelasting en de bescherming van het systeem tegen schade. Afdichtingen zorgen ervoor dat het gesloten systeem ook daadwerkelijk gesloten blijft.

Energetische efficiëntie

Specialisten op het gebied van hydraulica en motion control zijn doorlopend op zoek naar verbetering van de energetische efficiëntie. Het hiervoor beschreven werkingsprincipe biedt daartoe diverse aangrijpingspunten.

Motortype

Voorbeelden daarvan zijn:

• Elektromotoren met de classificatie IE3, IE4 en tegenwoordig ook IE5 beschikken over een hoog rendement doordat het wrijvings- en warmteverlies minimaal is, onder meer door het gebruik van hoogwaardige (isolatie)materialen en wikkelingen met grotere koperdraadsecties;
• permanentmagneet(PM-)motoren waarbij een constant magnetisch veld wordt gegenereerd zonder een externe stroombron. De elektrische verliezen in de spoelen liggen daardoor lager, de vermogensdichtheid is hoger en de respons en de nauwkeurigheid zijn beter;
• synchroon reluctantie(SR-)motoren die gebruikmaken van het verschijnsel magnetische reluctantie, de weerstand die een magnetisch veld ondervindt bij het passeren van een magnetisch circuit. Hoe hoger de reluctantie, hoe moeizamer deze passage verloopt.

Geavanceerde besturing

Voorbeelden daarvan zijn:

• directe koppelregeling (Direct Torque Control - DTC), waarbij het koppel en de flux van een
  wisselstroommotor worden geregeld zonder complexe vectortransformaties of snelheidssensoren. Dit resulteert in hogere koppelrimpels en variaties in de schakelfrequentie;
• veldgeoriënteerde of vectorregeling (Field-Oriented Control - FOC), waarbij de statorstroom wordt opgesplitst: de ene component regelt het koppel, de andere de magnetisatie. Doordat dit onafhankelijk gebeurt, is er sprake van een optimale koppelregeling en een constante schakelfrequentie.

Optimalisatie transmissie

Dit is onder meer realiseerbaar door:

• in de ontwerpfase voldoende oog te hebben voor het in- en uitlaatgebied (juiste dimensionering, beperken drukval);
• het gebruik van de juiste hydraulische vloeistof, zie kader;
• de slangen vrij te houden van verstoppingen dan wel deze zo snel mogelijk te verwijderen;
• ervoor te zorgen dat de leidingen recht en van binnen glad zijn (minder weerstand dus minder slijtage);
• het tijdig en op de juiste wijze uitvoeren van de ontluchtingsprocedures (voorkomt cavitatie).

Regeneratieve remming

Hydraulische systemen staan erom bekend dat veel energie verloren gaat door drukverliezen of door remmen. Regeneratieve remming minimaliseert deze verliezen door de energie die normaal gesproken tijdens het remmen verloren gaat als warmte terug te winnen.

Deze energie kan direct worden hergebruikt in het systeem, worden opgeslagen in accumulatoren (onder meer hydraulische drukvaten) of via een elektrohydraulisch systeem worden omgezet in elektrische energie die wordt opgeslagen in batterijen. Deze techniek is vooral nuttig in situaties waarin zich een groot aantal cyclische bewegingen dan wel plotselinge stops voordoet; mobiele machines en industriële persen zijn daar voorbeelden van.

Warmtebeheer

Aangezien een substantieel deel van de energieverliezen in hydraulische systemen wordt omgezet in warmte, is het zaak die warmteontwikkeling waar mogelijk te beperken, de overtollige warmte terug te winnen en, wanneer dat niet mogelijk is, deze af te voeren.

Beperking warmteontwikkeling

Optimalisatie van het systeemontwerp − grotere leidingen en efficiëntere klepconfiguraties − helpt drukverliezen terug te dringen. Eveneens zinvol is het gebruik van vloeistoffen met een lage viscositeit (minder wrijving) en van energie-efficiënte componenten zoals proportionele kleppen en variabele pompen.

Terugwinning overtollige warmte

In sommige gevallen kan de ontstane warmte worden teruggewonnen en nuttig worden ingezet: het gebruik van overtollige warmte voor andere processen in het proces of de industriële omgeving dan wel de integratie van thermodynamische cycli om bijvoorbeeld elektriciteit op te wekken.

Afvoer overtollige warmte

Oververhitting vermindert de prestaties van hydraulische systemen, en moet derhalve worden voorkomen. Mogelijkheden daartoe zijn de inzet van koelsystemen (radiatoren, koelers, warmtewisselaars), temperatuurregeling (thermostaten en sensoren) en/of het gebruik van ontwerpen en materialen die de warmte snel afvoeren (geoptimaliseerde warmtegeleiding). 

Hydraulische olie
Factoren die de keuze voor een hydraulische olie beïnvloeden, zijn onder meer de omgevingstemperatuur, de druk, de snelheid en de milieu-impact. Doorgaans worden minerale, synthetische of biologisch afbreekbare oliën gebruikt.
Soms krijgen watergebaseerde vloeistoffen − emulsies van olie en water − de voorkeur. Dat is met name het geval in die situaties waarin kosten en/of ecologische aspecten een rol spelen of er een verhoogde kans bestaat op brandgevaar (zie de tabel brandwerende hydraulische vloeistoffen). En dan zijn er nog de speciale vloeistoffen, bijvoorbeeld siliconen- en fluorocarbonvloeistoffen, voor gebruik onder extreme omstandigheden zoals zeer hoge temperaturen, hoge drukken, een corrosieve omgeving of combinaties daarvan.

Ontwikkelingen

Fabrikanten verbeteren de energie-efficiëntie van hun hydraulische aandrijfsystemen. Twee ontwikkelingen verdienen daarbij speciale aandacht:

Combi servomotor - frequentieregelaar

Bij deze combi is er sprake is van the best of both worlds. De servomotor levert een hoog koppel bij lage snelheden en is in staat te anticiperen op veranderingen in de belasting of de gewenste beweging. De frequentieregelaar regelt de snelheid en het koppel van de servomotor door frequentie en spanning van de aangevoerde elektriciteit te variëren.

Bij hydraulische aandrijvingen wordt er voortdurend gewerkt aan het terugdringen van de vereiste energie per productie-eenheid

Dit resulteert in een nauwkeurige controle ten aanzien van de hydraulische druk en stroom. Ook is de warmteontwikkeling geringer doordat de motor niet langer continu en op volle snelheid draait. Dit type aandrijving is terug te vinden in onder meer industriële machines en precisieapparatuur.

Drive Controlled Pump (DCP)

Bij dit technologisch concept wordt de pompsnelheid rechtstreeks aangestuurd door een frequentieregelaar of een servomotor. Door het toerental van de motor direct aan te passen aan de vereisten van het systeem levert de pomp exact die hoeveelheid hydraulische energie die op dat moment nodig is.

Doordat een geïntegreerd controlesysteem de vraag naar hydraulische druk en flow real time monitort, werkt de pomp bovendien alleen wanneer het systeem hydraulische energie nodig heeft. Dit resulteert in een grotere precisie en een efficiënter gebruik van energie. DCP’s worden veelal toegepast in geavanceerde industriële en mobiele hydraulische systemen, zoals persen en spuitgietmachines.

Met medewerking van DV Hydraulics