Frequenzvariable Antriebssysteme für hydraulische Aufzüge

Ein Überblick über die Flexibilität und verschiedene Arten energieeffizienter hydraulischer Antriebe

Ein Überblick

Aufzüge mit hydraulischem Antrieb sind per Definition flexibel. Nahezu unbegrenzte Konfigurationen von Aufzugs- und Kabinendesigns sind möglich, ein deutlicher Kontrast zum etwas begrenzten, massenproduzierten Traktionsstandard ohne Maschinenraum. Die Debatte über den Klimawandel hat dazu geführt, dass die Kunden den Fokus noch stärker auf Energieeffizienz legen. Einige sprangen sogar auf, um den Untergang des hydraulischen Aufzugs zu verkünden. Mittlerweile ist jedoch klar, dass ein hydraulisches System mit der richtigen hydraulischen Antriebsart die Energieeffizienzklasse B erreichen kann.

Lernziele

Nachdem Sie diesen Artikel gelesen haben, sollten Sie Folgendes erfahren haben:
♦ Warum drehzahlgeregelte Antriebe wichtig sind
♦ Welche Arten von drehzahlvariablen Antrieben sind für verschiedene Anwendungen sinnvoll?
♦ Konventionelle Fahrarten mit elektronischer Steuerung
♦ Wie sich mechanische und elektrische Steuerventile in ihren Auswirkungen auf das Aufzugssystem unterscheiden
♦ Die Auswirkungen frequenzgesteuerter Auf- und Abfahrten auf die Aufzugsanlage
♦ Was ist zu verwenden, wenn die Stromkonnektivität begrenzt ist?
♦ Die Vorteile und Einsatzmöglichkeiten für Rückgewinnung und hydraulische Rekuperation
♦ Wie man am besten mit hoher Fahrfrequenz umgeht
♦ Lastabhängige Geschwindigkeitsreduzierung

Angetrieben von einer weltweiten Diskussion um Energieeffizienz haben sich einige Anbieter von hydraulischen Antrieben diesem Thema angenommen und frequenzveränderliche Antriebe in ihr Produktprogramm aufgenommen. Diese werden dem energiebewussten Kunden als perfekte Lösung präsentiert. Bei genauerer Betrachtung werden dem technisch versierten und kritischen Betrachter erhebliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Angeboten auffallen. Dieser Artikel soll dem interessierten Leser helfen, die verschiedenen Arten von energieeffizienten hydraulischen Antrieben zu unterscheiden.

Der Bedarf an Antrieben mit variabler Frequenz

Unabhängig von ihrem Einsatz in Traktions- oder Hydrauliksystemen reduzieren Aufzugsantriebe mit variabler Spannung und variabler Frequenz (VVVF) den Energieverbrauch während der Fahrt. Der Nachteil ist ein relativ hoher Standby-Energieverbrauch. Herkömmliche hydraulische Antriebe verbrauchen im Standby-Modus keinerlei Energie und eignen sich daher perfekt für selten genutzte Aufzüge (Nutzungsklasse 1). Mit dem elektronischen Ventil von Bucher Hydraulics verfügen diese Antriebe seit 4707 Jahren über die Einstufung B nach VDI 30. Neue Designs von Aufzugssteuerungssystemen und VVVF-Antrieben haben jetzt eine viel geringere Standby-Nutzung; Daher sind VVVF-Antriebe zu einer praktikablen Lösung für ein breiteres Anwendungsspektrum geworden.

Arten von Antrieben mit variabler Frequenz

Frequenzvariable Antriebe für hydraulische Aufzüge sind keine Neuheit, denn Bucher Hydraulics baut und installiert sie seit 1996 weltweit erfolgreich. Auf der Interlift 2009 präsentierten zahlreiche andere Hersteller eigene Typen von frequenzvariablen Antrieben. Es gibt deutliche Unterschiede zwischen ihnen (Tabelle 1).

Herkömmliche Auf- und Abfahrt (Typ a)

Bei einem herkömmlichen hydraulischen Antrieb läuft der Tauchmotor nach dem Startsignal von Null auf die maximale Drehzahl (typischerweise 2,800 U/min) hoch. Die Pumpe liefert den maximal möglichen Durchfluss. Um aus der Startebene nach oben zu gelangen und auf der Zielebene anzuhalten, muss die Geschwindigkeit kontrolliert werden. Dies geschieht über ein mechanisches (zwei Geschwindigkeiten) oder elektronisches (variable Geschwindigkeit) Steuerventil, das den Rückfluss von überschüssigem Öl in den Tank ermöglicht. Es wird mehr Öl gepumpt als effektiv genutzt wird. Diese Vorgehensweise ist nicht nur schlecht für die Energieeffizienz, sondern führt auch zu einer unnötigen Erwärmung des Öls: Bei der Umleitung des Ölstroms im Ventil wird Energie in Wärme umgewandelt. Auch die Ölumleitung im Ventil erzeugt eine gewisse Geräuschentwicklung.

Im Folgenden wird mit dem Begriff „konventionell“ nur ein elektronisch gesteuertes Ventil gemeint. Dank einer patentierten internen Rückkopplungsschleife arbeitet der LRV-1 unabhängig von Temperatur- oder Druckschwankungen. Die Fahrkurve kann nur einmal eingestellt werden, ohne dass Toleranzen oder saisonale Neueinstellungen erforderlich sind. Ein hydraulischer Aufzug mit elektronischem Ventil verbraucht etwa 30 % weniger Energie als der gleiche Aufzug mit mechanischem Ventil.

Es wird erwartet, dass das mechanische Ventil in Bereichen, die der Norm EN 81 unterliegen, durch die Übernahme von Anhang 3 zu EN 81-2 obsolet wird. Es wird zu schwierig, die erforderliche Nivelliergenauigkeit von ±10 mm und Redundanzanforderungen zu erreichen. (Im Vergleich dazu reicht der LRV-1 von Bucher Hydraulics auf ±3 mm.) Elektronische Ventile wie das iValve verfügen über eine integrierte Redundanz und die Möglichkeit zum Fernzugriff.

Frequenzgesteuerte Aufwärtsfahrt (alle b-Typen)

Mit einem frequenzvariablen Antrieb für die Bergauffahrt wird nur so viel Öl gepumpt, wie tatsächlich benötigt wird. Die Drehzahl der Motor/Pumpen-Kombination wird direkt vom VVVF-Antrieb gesteuert, und es wird das gleiche Durchfluss-Feedbacksignal wie für das elektronische Ventil verwendet. Die VVVF-Antriebssteuerung hat den Vorteil des schnelleren Starts: Der Motor startet sofort, ohne dass die 2-3 s benötigt werden. für Stern-Dreieck-Umschaltung. Die tatsächliche Motorleistung ist bei VVVF-Antrieben jedoch nicht anders als beim konventionellen System.

Der Unterschied im Energieverbrauch zwischen VVVF-Antriebs-gesteuerten und konventionellen Antrieben macht sich beim Anfahren und Abbremsen bemerkbar. Das heißt, je kürzer die Vollgeschwindigkeitsfahrt im Vergleich zur Gesamtfahrzeit ist (bzw. je kürzer die Fahrten), desto größer ist das Energiesparpotenzial. Auch die maximale Anzahl Fahrten ohne Ölkühlung ist höher.

Lastabhängige Geschwindigkeitsreduzierung/begrenzte Leistungszuschaltung (alle c-Typen)

Die meisten installierten Personenaufzüge laufen selten mit Volllast. Der typische Ablauf sieht eher so aus: Der Kunde ruft den leeren Aufzug an und fährt dann in die Zieletage. Der Aufzug ist jedoch darauf ausgelegt, bei jeder Fahrt die maximale Belastung zu bewältigen. Das bedeutet, dass die Stromversorgung entsprechend dimensioniert werden muss. Bei Modernisierungen ist die Stromversorgung des Gebäudes oft begrenzt und eine Erhöhung kann aufwändig und teuer sein. Ein Strombegrenzer kann die Lösung sein: Steigt die Last über einen definierten Schwellenwert (Beispiel: leere Kabine plus ein Passagier), wird die Fahrgeschwindigkeit automatisch reduziert und der Strombedarf bleibt unter dem Schwellenwert. Auf diese Weise kann der Energieeinspeisebedarf im Vergleich zum Volllast-/Vollgeschwindigkeitsbedarf um bis zu 40 % reduziert werden. Voraussetzung für die Funktion dieses Systems ist ein VVVF-Antrieb.

Frequenzgesteuerte Abwärtsfahrt (B2- und C2-Typen)

Während der Abwärtsfahrt wird Öl durch die Pumpe zurück in den Tank geleitet und treibt den Motor als Generator an. Die so erzeugte Leistung kann von einem Standard-Frequenzumrichter nicht genutzt werden und wird daher über einen Bremswiderstand oder ähnliches „abgebrannt“. Der Unterschied zum herkömmlichen Antrieb besteht darin, dass die Wärme nicht mehr durch Strömungsumlenkung im Ventil in das Öl gelangt, sondern über den Bremswiderstand an eine beliebige Stelle (z. B. im Aufzugsschacht) abgegeben werden kann. Der wesentliche Vorteil besteht darin, dass die Anzahl der möglichen Fahrten ohne erforderliche Ölkühlung deutlich steigt (typischerweise bis zu 120 Fahrten pro Stunde).

Frequenzgesteuerte Abwärtsfahrt mit Erholung (Typen b3 und c3)

Beim Abwärtsfahren wird potentielle Energie in elektrische Energie umgewandelt. Dabei fungiert der Pumpenmotor als Generator. Der so erzeugte Strom wird durch eine spezielle Rückspeiseeinheit umgewandelt und kann anschließend wieder in das Stromnetz eingespeist werden. Dadurch können 30 % der sonst verlorenen Energie zurückgewonnen werden. Anstelle einer separaten Rückgewinnungseinheit wird heute häufig ein Frequenzumrichter verwendet, bei dem die Rückgewinnungseinheit im selben Gehäuse untergebracht ist.

Frequenzgesteuertes Downride mit hydraulischer Rekuperation (Typen b4 und c4)

Bei dieser Art von System wird ein Teil der potentiellen Energie in einem Druckspeicher gespeichert. Während der Abwärtsfahrt pumpt eine Hochdruckpumpe, die auf derselben Achse wie die Hauptpumpen-/Motorkombination montiert ist, Öl in einen Akkumulator, wo es unter hohem Druck gespeichert bleibt. Bei der Aufwärtsfahrt wird der Druck abgelassen, um den Hauptmotor beim Antrieb der Hauptpumpe zu unterstützen. Dieses System ermöglicht weitere 30 % Energieeinsparungen im Vergleich zum Energieverbrauch des Standard-VVVF-Antriebs. Lediglich die Last benötigt zusätzliche Leistung. Dieses High-End-System spart nicht nur Energie durch das hydraulische Gegengewicht, sondern arbeitet auch mit einem kleineren Motor und hat daher einen geringeren Stromeinspeisebedarf.

Gründe für den Einsatz frequenzvariabler Antriebe bei Hydraulikaggregaten

Im vorherigen Abschnitt haben wir gesehen, dass es viele verschiedene Möglichkeiten gibt, Frequenzumrichter zu verwenden. Jeder Typ hat seine eigene spezifische Anwendung mit unterschiedlichen Gewichtungen und Grauzonen dazwischen. Abbildung 2 hilft dem Kunden bei der Auswahl des richtigen Antriebstyps für spezifische Anwendungen.

Anzahl der Reisen:

Hohe Fahrfrequenz

Zu den Einheiten mit hoher Fahrfrequenz gehören die Typen b2, b3, b4 und c2, c3, c4. Ihre Einsatzgebiete sind Flughäfen, Bahnhöfe, Einkaufszentren, Krankenhäuser, Hotels usw. Der Frequenzumrichter trägt auf zwei Arten dazu bei, eine hohe Fahrfrequenz zu erreichen:

Aufwärtsfahrt: keine Ölumleitung mehr beim Anfahren und Abbremsen des Aufzugs

Downride: Die erzeugte Wärme gelangt nicht in das Öl, da der Motor als Generator genutzt wird.

Bisher wurden für diese Art von Anwendungen Ölkühler eingesetzt. Auf den ersten Blick scheint dies die kostengünstigere Lösung zu sein. Allerdings benötigen Ölkühler frische oder sogar gekühlte Luft, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Der Betreiber muss daher je nach Umgebungsbedingungen für eine Belüftung oder Klimatisierung des Maschinenraums sorgen. Ölkühler sind außerdem laut, benötigen Platz und verbrauchen Energie. Bucher Hydraulics ist davon überzeugt, dass der Einsatz eines frequenzvariablen Antriebs langfristig die kostengünstigere Lösung ist.

Die Ölheizung ist nicht das einzige Problem bei dieser Art von Hochfrequenzanwendung. Das Leistungsteil selbst und alle anderen Systemkomponenten müssen für die zusätzliche Belastung richtig dimensioniert sein. Es ist unverantwortlich, ein konventionelles System zu verwenden und einfach einen VVVF-Antrieb hinzuzufügen. Die Pumpe beispielsweise hat beim Aufpumpen ganz andere Belastungen als beim Antrieb des Motors als Generator; dies ist bei der Material- und Designauswahl zu berücksichtigen. Es gibt erhebliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Angeboten auf dem Markt, daher sollten individuelle Vergleiche angestellt werden.

Energieeffizienz

Energieeffizienz kann in allen Anlagen erreicht werden, die für hydraulische Antriebe geeignet sind, einschließlich aller B- und C-Typen. Entscheidend ist, dass bei der Aufwärtsfahrt nur so viel Öl gefördert wird, wie tatsächlich benötigt wird (kein Ventilbypass). Im Vergleich zu einem herkömmlichen mechanischen Ventilsystem können bis zu 60 % Energie eingespart werden. Je kürzer die Fahrt, desto mehr Energie wird gespart.

Die Abwärtsfahrt kann nur dann zur Energieeffizienz beitragen, wenn die potenzielle Energie des Aufzugs gespeichert und dann teilweise oder vollständig für die anschließende Aufwärtsfahrt wiederverwendet wird. Dies ist derzeit nur mit dem Typ c4 möglich. Im Vergleich zu einem herkömmlichen mechanischen Ventilsystem können bis zu 80 % Energieeinsparungen erzielt werden.

Auch die Rückspeisung von Energie ins Netz während der Bergabfahrt (B3- und C3-Typen) kann die Energieeffizienz steigern, wenn auch indirekt, da die Energie nicht für die nächste Bergfahrt genutzt werden kann. Die Energie kann innerhalb des Gebäudes für andere Verbraucher (Beleuchtung, Heizung, Klimaanlage, Betrieb von Computern usw.) genutzt werden. Nur in seltenen Fällen wird der Netzbetreiber eine Leistungsrückspeisung in das Netz selbst zulassen.

Lastabhängige Geschwindigkeitsreduzierung/Strombegrenzung

Bei Einschränkungen der verfügbaren Energieversorgung können mit einem hydraulischen Gegengewicht (Typen b4 oder c4) oder der lastabhängigen Geschwindigkeitsreduzierung (alle Typen c) ordentliche Geschwindigkeiten mit teilbeladener Kabine (bzw. höheren Lasten beim Original) erreicht werden Geschwindigkeit). Das hydraulische Gegengewicht kommt zum Einsatz, wenn trotz begrenzter Stromzufuhr eine hohe Fahrfrequenz erforderlich ist; beispielsweise bei der Modernisierung von Aufzügen für Bahnhöfe oder Hotels. Wenn die Fahrfrequenz kein Problem darstellt, kann der kostengünstigere „Up-only“-Antriebstyp c1 mit variabler Frequenz verwendet werden. Derartige Anlagen werden in der Regel bei Modernisierungsprojekten mit begrenzter Stromversorgung eingesetzt.

Zusammenfassung

So vielfältig die Anwendungen auch sind, so unterschiedlich sind auch die unterschiedlichen Arten hydraulischer Antriebe. Lassen Sie sich nicht von Schlagworten wie „optimale Leistung“ ablenken; Der Antriebstyp sollte sorgfältig ausgewählt werden.

Fragen zur Lernverstärkung

Verwenden Sie die unten stehenden Fragen zur Lernverstärkung, um für die Online-Einstufungsprüfung für die Weiterbildung zu lernen unter www.elevatorbooks.com oder auf Seite 127 dieser Ausgabe.
♦ Spart die Frequenzregelung bei einem Wohnaufzug mit geringem Verbrauch Energie? Nein – hier setzt man am besten einen hydraulischen Antrieb ohne Frequenzregelung ein. Die Standby-Leistungsaufnahme des Frequenzumrichters wäre typischerweise höher als die eingesparte Antriebsenergie.
♦ Warum ist ein mechanisches Ventil einem elektronisch gesteuerten Ventil unterlegen? Mechanische Ventile haben eine schlechtere Nivellierungsgenauigkeit, eine Fahrkurve, die je nach Last und Temperaturschwankungen (insbesondere bei heißem Öl) variiert, und benötigen 30 % mehr Antriebsenergie.
♦ Wozu dient die lastabhängige Geschwindigkeitsreduzierung? Selbst bei begrenzter Stromversorgung können Sie den Aufzug mit einem modernen (schnellen) hydraulischen Antrieb ausstatten. Lediglich bei voller Beladung wird die Fahrt in den seltenen Fällen etwas langsamer.
♦ Was sind die Gründe für den Einsatz einer Frequenzregelung bei hydraulischen Aufzügen? Eine höhere Anzahl Fahrten pro Stunde ist möglich, es entsteht eine höhere Energieeffizienz und die Stromversorgung kann eingeschränkt werden.
♦ Kann die beim Abwärtsfahren eines hydraulischen Aufzugs „produzierte“ Energie genutzt werden? Ja, die potentielle Energie kann gespeichert (in einem Akkumulator) oder ins Stromnetz zurückgespeist werden.