Das Antriebskonzept von modernen Umformmaschinen basiert zunehmend auf Verdrängersteuerung anstatt der klassisch eingesetzten Drosselsteuerung. Bei diesem Ansatz werden die Achsen über fluid-mechatronische Direktantriebe unmittelbar in Geschwindigkeit, Position und Kraft verfahren. Durch das prinzipbedingte Vermeiden von Drosselverlusten lassen sich hier erhebliche energetische Einsparungen verzeichnen. Des Weiteren ist es durch den Einsatz von vierquadrantfähigen Motor-Pumpeneinheiten möglich, Brems- und Dekompressionsenergie im Prozess zurückzugewinnen und wiederzuverwenden. Dies setzt allerdings voraus, dass die Energie zwischengespeichert oder in das Netz zurückgespeist werden kann. Ein Nachteil, der sich bei diesem Technologiewechsel zu elektrohydrostatischen Antrieben ergeben kann, ist, dass die Anschlussleistung der Antriebe und somit der gesamten Maschine stark ansteigt. Dies ist besonders der Fall, wenn zuvor ein Hydraulikaggregat in Kombination mit Hydrospeichern verwendet wurde. Durch den Einsatz der Speicher wird hier hydraulische Lastspitzenkappung betrieben und die Leistungsspitzen vom Netz werden stark reduziert. Bei den elektrohydrostatischen Antriebsachsen wird hier -- ohne zusätzliche Maßnahmen -- die gesamte Spitzenleistung direkt vom Netz bezogen. Ziel der Arbeit ist es, zu untersuchen, wie bei Umformmaschinen mit Verdrängersteuerung -- durch den Einsatz des richtigen Leistungs- und Energieversorgungssystems -- die Anschlussleistung ebenfalls verringert werden kann. Hierzu wird recherchiert, welche Ansätze nach heutigem Stand der Technik bereits zur Verfügung stehen und in welchen anderen Bereichen Leistungsversorgung, Energiespeicherung und Lastspitzenvermeidung untersucht und angewendet werden. Mit Hilfe von Modellen des Prozesses, des elektrohydrostatischen Antriebsstrangs und ausgewählten Komponenten des Leistungs- und Energieversorgungsystems soll eine Simulationsumgebung geschaffen werden, die es ermöglicht, verschiedene Applikationen zu simulieren und zu analysieren. Ziel ist es, herauszufinden, bei welchen Anwendungen welche Einspeisungs- und Speichertypen eingesetzt werden können, um ein Minimierung der Anschlussleistung zu erreichen und mit welchen Mehraufwänden bei den Speichern, aber auch mit welchen Ersparnissen an der Elektroperipherie, zu rechnen ist. \\ Anschließend wird eine Methodik erarbeitet, die mit Hilfe des gemessenen oder simulierten Leistungsflusses eine Empfehlung für ein sinnvolles Leistungs- und Energieversorgungssystem ausgibt. Da diese Betrachtung aus eher zentral-europäischer Sicht erfolgt, wird außerdem ein punktebasiertes Ranking erarbeitet, welches Leistungs- und Energieversorgungsysteme für Umformmaschinen vergleichend für variierende Anforderungen quantifiziert.:1 Einleitung 1 1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 Stand der Technik und Grundlagen 8 2.1 Grundlagen der Fertigungstechnik und Prozesssimulation . . . . . . . . . . 11 2.2 Energiemanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3 Hydraulische Umformmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.4 EHA Anwendungen und Ausprägungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.5 LEV-Systeme bei EHAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.6 LEV-Systeme bei Maschinen mit elektromechanischen Antrieben . . . . . . 24 2.7 LEV-Systeme auf Fabrikebene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.8 LEV-Systeme bei weiteren stationären und bei mobilen Anwendungen . . . 26 2.9 Zwischenfazit und Klassifizierung von LEV-Systemen . . . . . . . . . . . . 30 2.10 Einordnung & Grundlagen Einspeisungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.10.1 Netzrückwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.11 Einordnung & Grundlagen Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.11.1 Motorauswahl für kinetische Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . 48 3 Zielstellung 52 4 Anforderung des LEV-Systems für EHAM 54 4.1 Analyse von Hydrospeichern für LEV-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.2 Finale Auswahl der LEV-Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 5 Modellierung der Maschine und der EHA Komponenten 67 5.1 Prozess, Zylinder und Maschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 5.2 Verdrängereinheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.3 Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 5.4 Wechselrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 6 Modellierung der LEV-Komponenten 79 6.1 Nicht aktiver Gleichrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 6.2 Aktiver Netzstromrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 6.3 Gleichrichter mit DC-DC Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 6.4 Generisches Einspeisemodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 6.5 Kondensatorspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 6.5.1 Elektrolytkondensatoren und Doppelschichtkondensatoren . . . . . 85 6.5.2 Kondensatormodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 6.5.3 Verluste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6.5.4 Regelung eines aktiven Kondensatorspeichers . . . . . . . . . . . . . 90 6.6 Kinetischer Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 6.6.1 Aufbau und Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 6.6.2 Einfluss der Dynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 6.6.3 Verlustmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 6.6.4 Ansätze der Leistungsfluss-Regelung/Steuerung . . . . . . . . . . . 101 7 Simulation von LEV-Systemen mit EHA basierten Maschinen 105 7.1 Charakteristische Kenngrößen des Leistungsflusses . . . . . . . . . . . . . . 105 7.2 Simulationsbeispiel 1: 1000 kN Ringwalzanlage . . . . . . . . . . . . . . . . 106 7.3 Simulationsbeispiel 2: 16000 kN Warmumformpresse . . . . . . . . . . . . . 114 7.4 Simulationsbeispiel 3: Gaskompressor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 7.5 Automatisierte Komponentenauslegung und Kostenschätzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 7.6 Kostenbetrachtung der Simulationsbeispiele 1 bis 3 . . . . . . . . . . . . . 148 7.7 Weitere Simulationsstudien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 8 Regelbasierte Empfehlungsmethodik für LEV-Systeme 157 8.1 Diskussion des Ergebnisses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 9 Punktebasiertes Ranking von LEV-Systemen unter variierenden Anforderungen 162 9.1 Bewertungskriterien für LEV-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 9.1.1 Anschlussleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 9.1.2 Effizienz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 9.1.3 Netzrückwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 9.1.4 Kosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 9.2 Gesamtbewertung und Bias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 9.3 Bewertungsbeispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 10 Zusammenfassung und Ausblick 172 10.1 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 10.2 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176