Lineartechnik

Der Energiesparer

Vergleich zwischen Verstellsystemen sieht elektrische Systeme energetisch vorn
In direkten Vergleich stellte Linak bei der FH Friedberg den Energieverbrauch verschiedener Linearssysteme. (Foto: Linak)
Hydraulische und pneumatische Verstellsysteme haben in der industriellen Automation eine lange Tradition. Im Vergleich zu Hydraulik und Pneumatik ist die Verstellung mit elektrischen Aktuatoren noch relativ jung. Das dänische Unternehmen Linak hat bei der Fachhochschule Gießen-Friedberg angeregt, drei Systeme unter dem Aspekt der Energieeffizienz zu vergleichen. Ergebnis: Elektrische Systeme sind bei vielen Anwendungen eindeutige Sieger, wenn es um Energieverbrauch geht.

In Zeiten steigender Energiekosten spielt der Energieverbrauch bei der Wahl des Systems eine entscheidende Rolle. Viele Prozesse werden aus diesem Grund nicht mehr mit hydraulischen oder pneumatischen Systemen, sondern mit elektrischen Verstellsystemen bewältigt. Matthias John hat für seine Diplom-Arbeit eine Versuchsumgebung entwickelt, die einen Vergleich der verschiedenen Systeme im energetischen Bereich zulässt. Bei der Auswahl der Stellantriebe fiel die Wahl ausschließlich auf handelsübliche Systeme, die sich bei Kraft und Geschwindigkeit vergleichen lassen. Stellantriebe werden häufig für Anwendungen eingesetzt, bei denen sie eine veränderliche Last bewegen müssen. In dem Versuchsaufbau hat Matthias John eine Klappenverstellung simuliert. Eine einfache Möglichkeit solche Belastungen zu realisieren, ergibt sich durch die Verwendung von Gasfedern. Zum Einsatz kamen Gasfedern mit mit einer Anschubkraft von 175 Newton und einer Ausschubkraft von 280 Newton.

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Als Hydraulikaggregat kam ein Modul der Firma Bosch Rexroth zum Einsatz. Bei diesem Aggregat, welches für Ausbildungszwecke zum Einsatz kommt, handelt es sich um eine Zahnradpumpe mit einer Förderleistung von zwei Liter pro Minute. Angetrieben wird die Pumpe durch einen einphasigen Wechselstrommotor mit einer Leistung von 0,55 Kilowatt. Der erreichbare Nenndruck beläuft sich auf 50 bar. Der Tank fasst 2,8 Liter. Die Komponenten der hydraulischen und pneumatischen Systems ähneln sich stark. Für den pneumatischen Teil des Versuchsaufbaus wurde ein Kolbenkompressor des Typs „SilentMaster 50-8-9 W“ von Schneider airsystems ausgewählt. Dieser Kompressor wird – wie schon das Hydraulikaggregat – vor allem für den Schulungs- oder Werkstatteinsatz genutzt. Die Motorleistung des Aggregats beträgt 0,34 Kilowatt. Der vom Hersteller angegebene Verdichtungsenddruck beträgt acht bar. Zur Druckluftspeicherung dient ein Neun-Liter-Tank. Wie schon das Hydraulikaggregat kann auch der Kolbenkompressor mit 230 Volt aus der Steckdose betrieben werden.

Den elektrischen Part übernahm der Linearantrieb LA12 von Linak. Mit einer bei der verwendeten Ausführung maximalen Verstellkraft von 300 Newton deckte dieser Antrieb den angestrebten Lastbereich optimal ab. Außerdem diente dieser Wert als Referenz für die Auswahl der Last, welche die Antriebe zu Versuchszwecken verstellen sollten. Kennzeichnend für diesen Antrieb ist, dass er von Werk aus mit ein und derselben Spindellänge ausgeliefert wird – unabhängig davon, welchen Typ des LA12 der Kunde wählt. Die geforderte Hublänge wird mittels Endschaltern kundenspezifisch eingestellt. Somit ist es möglich, das Teilespektrum dieses Antriebs gering zu halten und dennoch eine Vielzahl an Ausführungen anbieten zu können. Dieser Vorteil schlägt sich im günstigen Preis dieses Antriebs nieder.

Um ihn über eine Steckdose zu betreiben, war es erforderlich, die 230 Volt Wechselspannung in 24 Volt Gleichspannung zu transformieren. Diese Aufgabe übernahm die Controlbox TR-EM-208-T-230. Ergebnisse: Ein großer Vorteil des elektrischen Aktuators besteht darin, dass sich die Leistungsaufnahme nach der Belastung richtet. Wird keine Last bewegt, wird lediglich ein vergleichbar geringer Trafo-Strom gezogen. Das Hydraulikaggregat bezieht durchgehend eine hohe elektrische Leistung. Die periodischen Schwankungen liegen darin begründet, dass beim Ausfahren des Zylinders das Gesamtvolumen im System vergrößert wird und die Pumpe etwas entlastet wird. Das Pneumatikaggregat muss zunächst auf den Betriebsdruck hochpumpen. In dieser Zeit wird Leistung benötigt, es kann aber keine Arbeit verrichtet werden. Im Laufe des Zyklus wird der Tankdruck durch Luftentnahme absinken. Dies führt dazu, dass die Verstellkraft nicht konstant ist, sondern absinkt, bis der Aggregat nachpumpt. Bei dem Versuch mussten die drei Systeme zwölf Zyklen mit 100 Millimeter Hub leisten. Der Energieverbrauch (Tab.1) zeigt deutlich den Vorteil des elektrischen Aktuators.

Der Versuch zeigt, dass das elektrische System beim Energieverbrauch, bei Kosten und bei Einbaumaßen eindeutige Vorteile hat. Jedoch kommt er zum Schluss, dass eine Entscheidung für eines der Systeme immer von der Anwendung bestimmt wird. So war das Hydraulik-System in dem dargestellten Versuchsaufbau von der Kraftentwicklung eher unterfordert. Die Diplomarbeit macht jedoch auch deutlich, dass der elektrische Aktuator eine sehr energieeffiziente Alternative zu hydraulischen und pneumatischen Lösungen ist. Christian Renner/bw

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