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TECHNISCHER BEREICH
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Die Erfindung beabsichtigt ein elektrohydraulisches Reglersystem zur Konstantleistungsregelung variabler Pumpen, die mit geschlossenen oder geöffneten Systemen verbunden sind und zur Konstantleistungsregelung von Pumpen in unterschiedlichen industriellen und mobilen Anwendungen verwendet werden können.
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STAND DER TECHNIK
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Konstantleistungsregelung von hydraulischen Pumpen wird hauptsächlich in Systemen eingesetzt, in denen es wünschenswert ist, eine Überbelastung des Antriebs der Pumpe zu verhindern. Das Ziel ist, die ganze Zeit die maximal zugängliche Leistung des Antriebs auszunutzen, ohne ihn zu überlasten. Überlastung eines Elektroantriebs in einer industriellen Applikation kann teuere Stillstände im Prozess und im schlimmsten Fall Überhitzung der Wicklungen des Antriebs bedeuten. Bei mobilen Applikationen, in welchen Dieselantriebe als Antrieb verwendet werden, kann im schlimmsten Fall eine Überbelastung zu einem Schadenrisiko im kritischen Applikationen, aber auch zu einem unnötigen Verschleiß des Antriebs führen. Ein Beispiel einer eine Konstantleistungsregelung nutzenden industriellen Applikation sind hydraulische Pressen. In einer solchen Applikation ist es wünschenswert, die Arbeit so schnell wie möglich durchzuführen, ohne dass der Primärantrieb überlastet wird, was bedeutet, dass die Pumpe entsprechend einer durch die dem Elektroantrieb zur Verfügung stehende Leistung bestimmten Konstantleistungskurve geregelt wird. Die von der Pumpe verbrauchte Leistung des Antriebs ist das Produkt zwischen dem Fluss der Pumpe und dem Arbeitsdruck der Pumpe und weiteren mechanischen und volumetrischen Pumpenverlusten. Dieses bedeutet, dass die Informationen über die aktuell abgegebene Leistung der Pumpe, in Form von Druck und Fluss verfügbar sein müssen, um eine Konstantleistungsregelung der Pumpe zu ermöglichen.
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Konventionelle Konstantleistungsregulatoren benutzen oft federvorgespannte mechanische Komponenten, die auf unterschiedliche Weise den Druck der Pumpe und das aktuelle Hubvolumen/den aktuellen Fluss erfassen. Die Nachteile dieser Art von Reglern sind oft hohe Produktionskosten mechanischer Komponenten mit engen Toleranzen, Empfindlichkeit gegen Schmutz, hohe Hysterese, mit der Zeit verschlechterte Regelung wegen Abnutzung zwischen den Komponenten und verschlechterte Reglerpräzision wegen Viskositätsvariationen im Fluid, welches temperaturabhängig ist. Weiterer Stand der Technik ist in den folgenden Druckschriften dargelegt:
DE 100 25 772 A1 ,
DE 199 28 249 A1 ,
DE 197 33 096 A1 ,
DE 41 40 409 A1 ,
DE 29 51 948 C2 ,
DE 31 18 576 A1 .
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Die Aufgabe dieser Erfindung ist es die Konstantleistungsregelung auf eine neue Weise mit weniger Komponenten zu lösen, und somit Kostenersparnisse und erhöhte Betriebssicherheit zu bieten.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die oben genannten Probleme sowie die Aufgabe werden gemäß den beigefügten Patentansprüchen und insbesondere durch ein elektrohydraulisches System zur Konstantleistungsregelung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein hydraulisches System zur Konstantleistungsregelung zumindest einer Pumpe mit variablem Hubvolumen. Genannte zumindest eine Pumpe ist angeordnet, um durch einen Antrieb angetrieben zu werden und, abhängig von der Last eines Verbrauchers, diesen Verbrauchers mit einem Fluss und einem hydraulischen Druck zu versehen. Der Antrieb kann ein elektrischer Motor, ein Verbrennungsmotor oder ähnliches sein. Das hydraulische System umfasst Mittel zur Regelung des Hubvolumens der Pumpe in Abhängigkeit von der Last des Verbrauchers, während gleichzeitig die verfügbare Leistung des Antriebs (im Folgenden Referenzleistung genannt) ausgenutzt wird, ohne dass der Antrieb überlastet wird. Zu diesem Zweck ist das System mit Mitteln zur Messung des aktuellen Flusses der Pumpe ausgestaltet. Das System umfasst auch ein druckgesteuertes Ventil dazu bestimmt, durch einen Vorsteuerdruck gesteuert zu werden, dieses druckgesteuerte Ventil ist so angeordnet, um das Hubvolumen der Pumpe zu regeln. Eine elektronische Steuereinheit ist angeordnet, die aktuell abgegebene Leistung des genannten Antriebs zu regeln. Eine elektronische Steuereinheit ist zur Berechnung und Regelung der aktuellen abgegebenen Leistung des Antriebs vorgesehen.
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Das hydraulische System umfasst weiter ein Druckbegrenzungsventil, welches das druckgesteuerte Ventil mit Vorsteuerdruck versieht, wobei das druckgesteuerte Ventil zur Regelung des Vorsteuerdrucks für das druckgesteuerte Ventil im Verhältnis zu einem Steuerstrom angeordnet ist. Der Arbeitsdruck, der von der Pumpe geliefert wird, ist somit bekannt, da die Beziehung zwischen Druck und Steuerstrom zum Druckbegrenzungsventil bekannt ist. Das elektronische Steuergerät ist zur Berechnung eines Wertes des Steuerstroms angeordnet, so dass die berechnete, aktuell abgegebene Leistung des Antriebs die Referenzleistung erreicht, indem die aktuelle, abgegebene, berechnete Leistung zu dem gemessenen Fluss und einem bei der Pumpe gelieferten, aktuellen Arbeitsdruck proportional ist. Zum Zweck der Berechnung des Arbeitsdrucks wird das elektronische Steuergerät mit einem den aktuellen Arbeitsdruck repräsentierenden Input-Signal versehen. Ferner ist der berechnete Steuerstrom rückgekoppelt zur elektronischen Steuereinheit angeordnet, zum Zweck, den aktuell von der Pumpe gelieferten Arbeitsdruck zu berechnen.
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Gemäß einer vorgezogenen Ausführungsform kann genanntes Input-Signal der Steuerstrom sein, da die Beziehung zwischen aktuellem hydraulischem Arbeitsdruck und Steuerstrom bekannt ist. Der berechnete Steuerstrom kann demnach rückgekoppelt zur elektronischen Steuereinheit angeordnet sein zum Zweck die Berechnung der bei der Pumpe aktuell abgegebenen Leistung zu erlauben. Die berechnete, aktuell abgegebene Leistung ist somit eine Funktion des gemessenen Flusses und des berechneten Steuerstroms.
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Das elektronische Steuergerät kann mit einem Regler versehen sein, welcher zur Berechnung eines Steuerstroms angeordnet ist, so dass die berechnete, aktuell abgegebene Leistung des Antriebs die Referenzleistung erreicht. Zur geschlossenen Regelung des Systems ist genannter Regler vorzugsweise ein PID-Regler, aber er kann auch eine andere Reglerstruktur aufweisen. Das elektronische Steuergerät kann auch mit einer druckbegrenzenden Einheit versehen sein, die angeordnet ist um den Steuerstrom zu einem Wert entsprechend eines maximalen Arbeitsdrucks zu begrenzen, den die Pumpe abgeben kann oder an den das äußere System angepasst ist.
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Genanntes Mittel zur Messung des Flusses von der Pumpe kann aus einem in der Mündung der Pumpe angeordneten Flussgeber oder einem Geber zur Messung des eingestellten Hubvolumens der Pumpe und falls notwendig einem Drehzahlgeber für den Antrieb.
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Das Druckbegrenzungsventil ist vorzugsweise ein elektrisch gesteuertes Ventil, das vorgesehen ist um mittels des Steuerstroms den Vorsteuerdruck zu steuern, während das druckgesteuerte Ventil aus einem vorgesteuerten 3/2-Ventil ausgebildet sein kann.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme der beigefügten Zeichnungen im Detail beschreiben. Es ist implizit verstanden, dass die Zeichnungen nur Illustrationen darstellen, und dass sie nicht beabsichtigen, den Schutzumfang der Erfindung zu definieren. Es ist auch implizit verstanden, dass die Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabgerecht sind, sowie, wenn nichts anderes gesagt ist, dass sie nur schematische Illustrationen der darin dargestellten Konstruktionen und Verfahren zeigen. Sie zeigen:
- 1 ein schematisches Diagramm eines hydraulischen Systems nach einer Ausführungsform der Erfindung, und
- 2 ein schematisches Diagramm eines Regelsystems zur Benutzung in einem System gemäß 1.
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BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 bezieht sich auf ein elektrohydraulisches Regelsystem, welches zur Konstantleistungsregelung der abgegebenen Leistung eines Primärantriebs 11 benutzt werden kann, künftig Antrieb 11 genannt, welcher eine vom Fluid unabhängige variable Pumpe 10 antreibt. Die variable Pumpe 10 wird nur schematisch in 1 gezeigt und ist zu einem Tank T angeschlossen, welcher die Pumpe 10 mit hydraulischem Fluid versieht. Die Anordnung wird beispielsweise zur Konstantleistungsregelung von variablen, hydraulischen „in-line“ Pumpen benutzt, aber kann auch zur Regelung anderer Arten von Pumpen benutzt werden. Gemäß der Erfindung umfasst das hydraulische System zumindest ein elektrisch gesteuertes Ventil 14, welches das Hubvolumen der Pumpe beeinflussen kann, während zugleich die Beziehung zwischen Steuersignal und Systemdruck, oder Arbeitsdruck p_1, des elektrisch gesteuerten Ventils 14 bekannt ist und die Information des aktuellen Hubvolumens der Pumpe zur Verfügung steht.
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Das hydraulische System umfasst ein vorgesteuertes 3/2-Ventil 13, ein Druckbegrenzungsventil 14, ein digitales Modul 16, einen Drehzahlgeber 10a und einen Flussmesser 12 oder einen Hubvolumengeber 10b (beide in 1 gezeigt).
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Der Hubvolumengeber 10b beziehungsweise Drehzahlgeber 10a versieht das Digitalmodul mit Input-Signalen in Form eines Hubvolumensignals S und eines Drehzahlsignals n. Das elektrisch gesteuerte Druckbegrenzungsventil 14 wirkt als Vorsteuerungssteg zu genanntem vorgesteuertem Ventil 13.
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1 illustriert einen Vorschlag, wie ein solches System auf einer variablen Pumpe 10 appliziert werden kann, wo eine Einheit 15 (mit gestrichelten Linien indiziert) eine allgemeine Last eines hydraulischen Systems, so wie einen hydraulischen Zylinder, einen hydraulischen Motor oder ein Ventilpaket repräsentiert. Die von der Pumpe 10 gelieferte Leistung zur Last in Form von Druck und Fluss kommt von Antrieb 11, welcher ein elektrischer Motor oder einen Dieselmotor sein kann. Es ist wichtig darauf hinzuweisen, dass die abgegebene Leistung des Antriebs 11 immer wegen der mechanischen und volumetrischen Verluste der Pumpe, d.h. des Wirkungsgrads der Pumpe größer als die abgegebene Leistung der Pumpe 10 in Form von Druck und Fluss sein wird,.
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Der folgende Absatz erklärt die Funktion des Systems. Im einem hydraulischen System allgemein bestimmt die Last des Verbrauchers die Druckebene p_1, oder den aktuellen Arbeitsdruck, bei dem die Pumpe 10 arbeiten muss, und „die Geschwindigkeit“ der Last bestimmt den Flussbedarf der Pumpe. Das Ziel der Konstantleistungsregelung ist, das Produkt zwischen Druck und Fluss auf einer konstanten Ebene, die von der zugänglichen Leistung des Antriebs 11 bestimmt wird, zu halten. Die Pumpe 10 umfasst einen druckbetätigten Steuerkolben 10d zur Steuerung des Hubvolumens der Pumpe 10. Der Steuerkolben 10d ist in eine zylindrische Kammer verschiebbar, die vom Kolben in eine von der Kolbenstange durchquerte kleinere, erste Kammer 10c, und eine größere, zweite Kammer 10e abgeteilt wird. Der Arbeitsdruck p_1, der auf die Last 15 wirkt, wirkt auch gegen eine kreisförmige Fläche des Kolbens in der ersten Kammer 10c des Stellkolbens 10d und weiter auf die linke Seite des pilotgesteuerten Ventils 13. Die linke und die rechte Seite des vorgesteuerten Ventils sind mit einer Drosselung 13b verbunden und der Fluss, der die Drosselung passiert, wird zum Druckbegrenzungsventil 14 weitergeleitet. Bei Lasten, wenn der Arbeitsdruck p_1 im System geringer als die Federvorspannung 13a des vorgesteuerten Ventils 13 zusammen mit dem Druckbeitrag p_2 vom elektrisch gesteuerten Druckbegrenzungsventil 12 ist, ist die große Kammer des Steuerkolbens 10d durch das vorgesteuerte Ventil 13 an den Tank angeschlossen. Dieses bedeutet, dass die zweite Kammer 10e dräniert gehalten wird, und dass der Steuerkolben 10d mit Hilfe des aktuellen Arbeitsdrucks p_1 der ersten Kammer 10c die Pumpe 10 völlig aufgestellt hält. Bei einem Arbeitsdruck p_1, der größer als die Federvorspannung 13a des vorgesteuerten Ventils 13 zusammen mit dem Druckbeitrag p_2 des Druckbegrenzungsventils ist, wird der Schieber des Ventils nach rechts in 1 versetzt und schließt den aktuellen Arbeitsdruck p_1 zur großen Kammer 10e an. Die Drucksetzung der zweiten Kammer 10e resultiert in eine runterstellende Kraft, wobei das Hubvolumen der Pumpe 10 reduziert wird, und abhängig vom aktuellen Kraftgleichgewicht über die Steuerkolben 10d die Steuerkolben in einen regulierten Gleichgewichtszustand balanciert werden. Die Anordnung mit dem vorgesteuerten Ventil 13, der Drosselung 13b und dem Druckbegrenzungsventil 14 macht, dass in einem regulierten Zustand immer ein konstanter Druckabfall über die Drosselung 13b und dabei konstanter Druckunterschied zwischen dem Systemdruck p_1 und dem Druckbeitrag P_2 herrscht, wobei der Druckunterschied auf der Federvorspannung 13a des vorgesteuerten Ventils 13 beruht. Der Steuerstrom 16a zum Druckbegrenzungsventil 14 bestimmt somit den aktuellen Arbeitsdruck p_1, den die Pumpe 10 im System aufrecht zu halten strebt.
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Die leistungsregulierende Funktion wird in der Software ereicht, das heißt im Digitalmodul 16, welches im 2 schematisch illustriert wird. Detaillierte Beschreibungen der benutzten Elektronikkomponenten werden in diesem Text nicht im Detail beschrieben werden.
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Abhängig von der Art des Gebers, d.h. des Fluss- oder Hubvolumengebers, mit dem die Pumpe 10 ausgestattet ist, muss das Digitalmodul 16 eine Funktion 18, durch welche das Signal vom Flussgeber zu einem aktuellen Fluss Q umgewandelt wird und Informationen über die volumetrischen Verluste der Pumpe enthalten. Angaben zu den Verlusten der Pumpe können im Digitalmodul gespeichert sein. Falls der Hubvolumengeber 10b benutzt wird, muss auch die Drehzahl n der Pumpe vom Drehzahlsensor 10a bekannt sein, sowie Informationen, welche die Berechnung des ab die Pumpe gelieferten Flusses Q 10 zu erlauben. Der aktuelle Arbeitsdruck p_1 im System wird durch Messung des zum Druckbegrenzungsventil 14 ausgelegten Steuerstroms 16a, 21 festgestellt. Das Druckbegrenzungsventil 14 ist somit die Schlüsselkomponente, die im Digitalmodul 16 sowohl als „Sensor“ als auch als Steuergerät funktioniert. Um den aktuellen Arbeitsdruck p_1 durch Messung des zum Druckbegrenzungsventil 14 ausgelegten Steuerstroms 16a festzustellen, muss eine Funktion 17, die die Beziehung zwischen Steuerstrom und Druck beschreibt, bekannt und im Digitalmodul implementiert sein. Durch die Anwendung des ausgelegten Steuerstroms 21 als Input-Signal in Funktion 17 ist es somit möglich, den aktuellen Arbeitsdruck P_1 festzustellen. Die aktuell abgegebene Leistung des Antriebs wird durch Berechnung des Produkts zwischen dem gemessenen/berechneten Pumpenfluss Q und dem aktuellen Druck p festgestellt. Die Abweichung zwischen der aktuell abgegebenen Leistung des Antriebs und einer Referenzleistung P_ref wird im Regulator 19 berechnet und weiter zur Berechnung des Steuersignals 16a benutzt. Die Referenzleistung P_ref ist, wie oben angegeben, die verfügbare Leistung des Antriebs, welcher als ein externes Signal zum Digitalmodul 16 angegeben werden kann, wie es aus 1 und 2 hervorgeht. Alternativ kann die Referenzleistung P_ref im Digitalmodul 16 gespeichert werden, und dort in der Software angegeben sein. Der Regulator 19 kann von einem generellen Regulator gebildet werden. In der aktuellen Applikation gemäß 2 kann es geeignet sein, einen Regulator mit PID-Struktur zu benutzen, um die geschlossene Regelung des Systems zu erreichen. Um die druckbegrenzende Funktion zu erreichen, gibt es eine beliebige Begrenzung des Steuerstroms 16a vom Digitalmodul 16 zur Ventil 14 im Regulator 19 implementiert. Die Begrenzung des maximalen, zugegebenen Steuerstroms kann fortlaufend justiert werden, entweder mit einem externen Signal via eine druckabschneidende Einheit 20 oder intern in der Software. Falls der maximale Druck p_max droht überschritten zu werden, wird die Pumpe 10 das Hubvolumen runterstellen und genau so viel Fluss einstellen, dass der maximale Druck p_max nicht überschritten wird.
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Die Erfindung wird demnach nur von den in den beigefügten Patentansprüchen angegebenen Merkmalen begrenzt. Die Erfindung ist folglich nicht auf das in den beigefügten Zeichnungen beschriebene Regelsystem beschränkt.