Hydraulikdagarna i Linköping 16-17 mars, 2015 Energieffektiva hydraulsystem - Systemlösningar för förlustminimering LiU/IEI/Flumes E-mail: karl-erik.rydberg@liu.se
Energieffektivitet - förlustminimering! Utnyttja primärdrivkällans energi optimalt.! Effektiv energiöverföring för rörelsestyrning.! Minimera flödes- tryck- och friktionsförluster.! Minimera förlusterna vid tomgång och lasthållning.! Effektiv energilagring och återanvändning.! Robusthet och styrbarhet.
Förluster i ventilstyrt hydraulsystem Typiska förlustnivåer i mobilt ventilstyrt hydraulsystem med variabel pump, till ex kranstyrning 15 % Pumpförluster 10 % Tillförd energi Ledningsförluster Nyttigt arbete Ventilförluster 35 % Totalverkningsgrad: Hydraulsystem Pump till last: 35 % Mekaniska förl. 10 % 30 %
Lastkännande ventilstyrt hydraulsystem Ventilverkningsgrader hos LS-system med variabel pump Ventilverkningsgrad:! v = q L1! p L1 + q L2! p L2 ( q L1 + q L2 )! p L max + "p LS ( ) Lastflödesförhållande:! q = q L2 q L1 Lasttryckförhållande:! p = p L2 p L1 Ventilverkningsgrad: p L1 = p L max!! v =! p =1.0!! v = 1+! q!! p ( ) ( 1+! q )! 1+ "p LS / p L1 1 ( 1+!p LS / p L1 )
Lastkännande hydraulsystem - Ventilförluster Ventilförluster hos lastkännande system med variabel pump och samtidig drivning av två lyftlaster Ventilförluster [%] " p = 0.5, #p LS = 25 bar p Lmax = 100 bar Ventilförluster i % = (1 -! v )*100 " p = 0.5, #p LS = 10 bar " p = 1.0, #p LS = 25 bar " p = 1.0, #p LS = 10 bar Ventilförluster [%] p Lmax = 200 bar " p = 0.5, #p LS = 25 bar " p = 0.5, #p LS = 10 bar " p = 1.0, #p LS = 25 bar " p = 1.0, #p LS = 10 bar Lastflödesförhållande, q L2 /q L1 [-] Lastflödesförhållande, q L2 /q L1 [-]!p LS = 25bar " P vf,m 11+ 46 #100 = P in 2 = 28%!p LS =10bar " P vf,m P in #100 = 5+ 40 2 = 22%
Kran-applikation Tryckvariationer och ventilförl. Cylindertryck - vertikal lyftrörelse C 1 C 2 h Cylindertryck, [bar] p L1 p L2 0 1 2 3 4 Lyfthöjd h, [m] Ventilförluster vid vertikal lyftrörelse och lyfthöjden h! 2 m p L1 =185bar,!p LS = 25bar,! p = 0, 784,! q =1, 0 " (1#" v )$100 = (1# 0, 786)$100 = 21, 4%
Lastkännande system med sänkavlastning Sänkavlastning kan erhållas med manöverventiler som har separata meter-in och meter-out strypningar Effektdiagram p #p LS q p *p p 0 Lyftlast Sänklast q A B V1 V2 V3 V4 T P Inget pumpflöde till sänklasten minskar pumpeffekten då pumpen är variabel
Lasthållningsventil med sänkavlastningsfunktion Källa: Bo R. Andersson, Energy Efficient Load Holding Valve. SICFP 09, Linköping, 2-4 juni 2009. Pumpeffekt vid typisk avlastningscykel för lastbilskran (variabel pump) 3G LHV Effektdiagrammet visar att lasthållningsventilen 3G LHV reducerar pumpens medel-effekt med ca 17% jämfört med en konventionell over-center ventil. 10-25 % energieffektivisering
Electrohydraulic Flow Matching (EFM), Bosch Rexroth 10-15 % energieffektivisering
Flödesstyrning med flödesdelande kompensatorer och lasthållningsventil för sänkavlastning 3G LHV 20-30 % energieffektivisering Källa: Mikael Axin: Fluid Power Systems for Mobile Applications, LIU-TEK-LIC-2013:29, Linköpings universitet, april 2013.
Utbalansering av egenvikt hos lyftaggregat Cylinder med inbyggd ackumulator, THORDAB Hydraulsystem - BT smalgångs truck för höglager, Vector C15 Energibesparing container-truck >= 10% Energibesparing: 20-50%!
Deplacement- eller varvtals-styrd pump Totalverkningsgrad för axialkolvpump, in-line Frekvensomriktare EM EM n p P-reg. Pumpverkningsgrad, [-] $ p = 1,0 $ p = 0,5 p p = 210 bar n p 500 1000 1500 2000 2500 Pumpvarvtal, [rpm] Varvtalsstyrning är energieffektivare än deplacementstyrning Ex: n p = 1000 rpm,! p = 1,0 ger! ptot = 0,91 n p = 2000 rpm,! p = 0,5 ger! ptot = 0,85
Induktions- eller synkron reluktans-motor (SRM) Induction motor Loss origin Rotor iron Rotor conductor Windage Bearings Stator iron Stator conductor ABB review 1/11 Monitoring ahead Synchronous reluctance motor Loss reduction: 10 30% (Example: 15 kw @1500 rpm) Efficiency (%) due to loss reduction 98 96 94 92 90 88 86 84 1 10 100 1000 Rated power (kw) SynRM IM! m = 0, 95 Frekvensomriktare EM Märkeffekt:! 30 kw! f = 0, 98! m = 0, 93 n p! p = 0, 91 EM n p! pr = 0, 98 P-reg.! p = 0,86! tot = 0,85! tot = 0, 78 Förlustreduktion ca 32 %
Linjärenheter för tunga drifter EMA, EHA Frekvensomriktare Frekvensomriktare EM Rull-skruv! tot! 0, 74! em! 0, 92 n p! rs! 0,80! tot! 0,80 EM! em! 0, 92 n p! p! 0, 91! c! 0, 95
Energieffektiv försörningsenhet för industridrifter Försörjningsenhet Konstanttrycksystem för industridrifter Ackumulatorbatteri Frekvensomriktare Intermittent drift Intermittent drift EM n p EM n p EM n p Tankaggregat med filtersystem och kylare (HYDAC OXiStop) Energibesparingspotential: 20-80 %, jämfört med konventionella tryckreglerade variabla pumpar (konstant varvtal)
Förluster i hydrostatisk drivlina Typiska förlustnivåer i hydrostatisk drivlina med mekanisk växellåda 20 % Tillförd energi Pump/motor förluster Matarpump-förluster Ledningsförluster Mekaniska förluster 3 % Nyttigt arbete 2 % 55 % Totalverkningsgrad för hydrostatisk drivlina Pump/ last: 55 % 20 %
Energieffektiv hydraul-mekanisk drivlina Jarchow-concept of multi-mode power-split transmission Total speed ratio Hydrostatic speed ratio Jarchow 2-mode power-split transmission Gear configuration Linköping Studies in Science and Technology Licentiate Thesis No. 1620 Design Automation of Complex Hydromechanical Transmissions Karl Pettersson
Energiåtervinning i lastbil med hybriddrift 40 tons lastbil Potentiell energireduktion:! ER,max! 0,58 Relativ energiåtervinning Tid för konstantfart/total cykeltid
%&'()&#*+,%,$%&'()&#*+,%,- +,-./$01.2345.36789./6.4:(#)(:;.5<=)(;<* &'()&#*+,%,(.&(/012Hydraulisk parallell-hybrid i 16 tons lastbil med 3 drivaxlar Urban + >9?.@A.B)<C<;.D"E)"<* + FG-H<<&./'#%0:#)(.4$:"C0)CC)%"* Driving Schedule + /I-.I$:@<C* + 2';;.4)0<./;;GA=<<;GB$)J<* + K5A.L.6MNFO7.@E* K$:H=)(.(%'$#<C1.%P.-#<Q:$#.R.-#<J<"C%" ERDS = 0,51*Etot!" Energy recovering efficiency:!" Fritionsförluster representerar 31% av totala bromsenergin Es,b 0, 51! Etot = 0, 96! 0, 92 2! = 0,81! 0, 512 = 0, 21 Eu,d Etot / 0, 51 Källa: Investigation into the Potential of Fuel Saving from the use of Hydraulic Regenerative Systems in Heavy Vehicles, ARTSA, Australia, 2003.
Parker, avancerad hydraulisk serie-hybrid TM Källa: Parker Serial hybrid under 60 km/h Direct driving in highway speed Gear-box LP Acc. Valve block HP Acc. Gear-box Energibesparingspotential: 50% Pump/Motor Mechanical Path Motor/Pump
Hydrauliska ackumulatorer - Karakteristik Termisk verkningsgrad för ackumulator p1 ( V p 0 V 0 = 1/ n & p # 1 1 ' $! % p2 " n = 1,5 2,5 # s [ rad / s]!" [ s] = 1.0 w Komposithölje " w = 116 s Metallhölje " w = 58 s Ökas ackumulatorns termiska tidskonstant (" w ) ökar ackumulatorns cykelverknings grad för störfrekvenser högre än den kritiska frekvensen (vid min-verkningsgrad)
Optimal oljeviskositet för axialkolv-pumpar Modellbaserade verkningsgradsberäkningar Hydro-mechanical efficiency Volumetric efficiency 75 cst Overall efficiency Optimal viskositet: p p C " v opt =! np kv 12 cst Overall efficiency
Viskositetsindex Inverkan på pumpverkningsgrad VI = 200 VI = 100
Slutsatser om förlustminimering! Mobila ventilstyrda system Variabel pump och ventilsystem som medger elektronisk flödesmatchning minimerar ventilförlusterna. Sänkavlastning ska kunna utnyttjas även i applikationer som kräver lasthållningsventiler. Utbalansering av egenvikt hos lyftanordningar ger stor energibesparing.! Industriella elmotordrivna system Fast pump och varvtalsreglerad elmotor (SRM) ger väsentligt bättre energieffektivitet än deplacementreglerad pump. Elektro-hydrauliska linjärenheter (EHA) är energieffektivare och robustare än elektro-mekaniska (EMA).! Hydrauliska drivlinor och hybridsystem Hydraul-mekaniska transmissioner (power-split) ger lägre mekaniska förluster än hydrostattransmission i serie med växellåda.! Ackumulatorer och hydraulvätskor Lättvikts-ackumulatorer (komposit-hölje) ger högre cykel-verkningsgrad än ackumulatorer med metallhölje. Hydraulvätskans viskositet vid arbetstemperatur är avgörande för systemverkningsgraden. Viskositetsindex väljs för att klara komponenternas gränsviskositeter inom specificerat temperaturintervall.