Presse, Bild: © MIRACLE MOMENTS, Fotolia

Das Dual-Displacement-Pump-Konzept ist speziell für Anwendungen wie Pressen geeignet, bei denen im Arbeitstakt die Druck- und Volumenstromanforderungen sehr stark variieren. Das System ermöglicht, in anspruchsvollen Anwendungen das erforderliche Drehmoment gegenüber Konstantpumpen-Lösungen zu reduzieren und so das Antriebssystem kleiner und kostengünstiger auszulegen. Bild: © MIRACLE MOMENTS, Fotolia

Drehzahlvariable Pumpenantriebe haben sich inzwischen in vielen Industrieanwendungen bewährt. Meist werden dafür Komponenten mit konstantem Verdrängungsvolumen wie Innenzahnrad- oder Flügelzellenpumpen eingesetzt. Diese Kombination aus drehzahlvariablem Motor und Pumpe ist die einfachste und naheliegende Kombination. Der Einsatz von drehzahlvariablen Verstellpumpen mit zwei Verdrängungsvolumen (Dual-Displacement) bietet im Vergleich jedoch einige Vorteile.

Die Volumenstrom- und Druckanforderungen innerhalb des Arbeitszyklus‘ sind in Industrieanwendungen unterschiedlich. Meist werden entweder hohe Volumenströme bei geringeren Drücken oder kleine Volumenströme bei Hochdruck benötigt. Ein gutes Beispiel sind Eilgang und Schleich- beziehungsweise Arbeitsgang in Pressen: Je nach Anwendung sind die Phasen, in denen Hochdruck aufgebracht werden muss, unterschiedlich lang. Bei Schneidpressen wird der maximale Druck nur kurzzeitig beim Schnitt benötigt. In Gummi- und Compositepressen hingegen sind zum Teil Druckhaltezeiten von über zehn Minuten erforderlich. Da hoher Druck und hoher Volumenstrom folglich selten gleichzeitig benötigt werden, sind die Antriebe häufig für ein zu großes Moment ausgelegt. Hier könnten Kosten gespart werden.

Gängige Pumpenkonzepte und ihre Grenzen

Bei drehzahlvariablen Anwendungen, in denen Pumpen mit konstantem Verdrängungsvolumen verbaut sind, wird das maximale Drehmoment stets beim höchsten Druck erreicht. Ob ein hoher oder niedriger Volumenstrom benötigt wird, das heißt die Konstantpumpe schnell oder langsam dreht, ist für das Drehmoment unerheblich. Für das Antriebssystem leitet sich hieraus ein hoher Motorstrom ab, der vom Frequenzumrichter gestellt werden muss und so dessen Größe festlegt.

Durch den Einsatz von Doppel- oder Mehrfachpumpen kann das Verdrängungsvolumen und damit das Drehmoment an Arbeitspunkten, an denen nicht der maximale Volumenstrom benötigt wird, gezielt durch das Abschalten von Pumpenstufen beeinflusst werden. Wird nur eine Pumpenstufe mit geringem Verdrängungsvolumen zur Hochdruckerzeugung verwendet, können Motor und Umrichter kleiner dimensioniert werden. Die erzielbaren Kosteneinsparungen sind erheblich, da die Kosten des Gesamtsystems maßgeblich von Motor und Umrichter beeinflusst werden.

Schnelle Drehzalanpassung beim Zu- und Abschalten

Drehzahlvariable Pumpe, Bild: Parker Hannifin
Der Hersteller verwendet in dem Drive-Con-trolled-Pump-Konzept eine Pumpe mit Dual-Displacement und den GVM Synchron-Servomotor. Bild: Parker Hannifin

Doppel- und Dreifach-Flügelzellenpumpen wie die T7-Baureihe, die das Unternehmen Parker bei seinem Drive-Controlled-Pump-Konzept verwendet, bieten sich für diesen Zweck aufgrund hrer kompakten Bauweise an. Sie werden etwa in Druckgussmaschinen und Entgratpressen eingesetzt.

Beim Zu- und Abschalten der Pumpenstufen muss die Drehzahl des Motors allerdings sehr schnell angepasst werden, um die Verfahrgeschwindigkeit der Maschine durch die schlagartige Änderung des Volumenstroms konstant zu halten. Eine kurzfristige Unstetigkeit kann jedoch nicht verhindert werden. Für anspruchsvolle Applikationen, bei denen während eines Formprozesses umgeschaltet werden muss, sind diese Systeme nur bedingt geeignet.
Verstellpumpen sind eine weitere Option, um das Verdrängungsvolumen der Pumpe anzupassen und so das erforderliche maximale Motormoment zu reduzieren. Im Gegensatz zu Mehrfach-Konstantpumpen kann hier aber durch die kontinuierliche Änderung des Volumenstroms die Verfahrgeschwindigkeit der Maschine konstant gehalten werden. Es kommt zu keiner Unstetigkeit. Darüber hinaus sind Einbau und Verrohrung einfacher, da nur ein Saug- und ein Druckanschluss benötigt werden.

Je nach Bau- beziehungsweise Reglertyp kann das Verdrängungsvolumen der Pumpe frei vorgegeben werden oder passt sich bei der Druckregelung druckabhängig an. Hierdurch ergibt sich bei drehzahlvariablen Verstellpumpen ein zusätzlicher Freiheitsgrad, den Volumenstrom zu regeln. Soll das Verdrängungsvolumen direkt vorgegeben werden, ist eine Lageregelung der Pumpe notwendig. Das bedeutet zusätzliche Kosten für Proportionalventil, Wegmesssystem und Regler sowie einen höheren Verkabelungsaufwand. Um das Potenzial der drehzahlvariablen Verstellpumpe voll auszunutzen, ist eine Mehrgrößenregelung von Verdrän-
gungsvolumen und Drehzahl erforderlich.