antriebstechnik 9/2019

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG PEER REVIEWED 13 Temperaturverläufe der Verbraucher für einen stufenartig ansteigenden Lastzyklus mit der Kühlbetriebsstrategie 1 14 Vergleich Volumenstrom- (links) und Leistungsverlauf (rechts) der Antriebe der aktuellen Kühlsystemstrukturen mit den neuen Kühlsystemstrukturen Regelkreis Verfahren K R [V/K] T I [s] Pumpenregelkreis exp. – 0,49 11,64 Regelventil-Kühlwasser- Kreislauf analyt. 0,36 7,2 exp. – 3,04 45 analyt. – 6,4 31,7 Regelventil-Kühlsystem exp. – 2,48 14,5 analyt. – 4,91 3,5 Tabelle 05: Experimentelle und analytische Reglerparameter der Pumpe sowie des Regelventils und die zugehörige Zeitkonstante berechnet werden. Für das betragsmäßig kleinste ω kann nach Gl. (8) die kritische Periodendauer berechnet werden. Unter Berücksichtigung der definierten Arbeitspunkte und Systemgrenzen in den Gl. (6) und (8) können für die analytischen Ver- fahren K krit = – 0,8 V/K und T krit = 8,5 s als kritische Reglerparameter bestimmt werden. Für einen PI-Regler lässt sich nach Ziegler und Nichols aus Tabelle 03 eine Reglerverstärkung K R = – 0,36 V/K und eine Nachstellzeit von T I = 7,2 s berechnen. Werden in der Gl. (6) und (8) die Arbeitspunkte und (vgl. Bild 09 und Bild 10) variiert, ergeben sich für K krit und T krit folgende Kennfelder in Bild 11. Für den definierten AP können die kritischen Reglerparameter ebenfalls erkannt werden. Um die kritischen Reglerparameter der Antriebseinheit K krit und T krit experimentell durch heuristische Verfahren zu bestimmen, dienen die ermittelten Reglerparameter aus dem analytischen Verfahren als Referenzwerte. Hier wird der Pumpenregelkreis in Bild 09 bei einem Störgrößensprung der Heizelemente von = 1 500 W analysiert. Bild 12 veranschaulicht die Systemantwort als Austrittstemperatur des Durchlauferhitzers des ersten Stranges. Im linken Diagramm ist zu erkennen, dass sich der Temperaturverlauf entlang einer Hüllkurve einem stationären Zustand annähert und gegen Ende der Messung nicht mehr schwingt. Wird der Verstärkungsfaktor auf – 1,1 V/K gesetzt, verändern sich die Spitzenwerte des Temperaturverlaufs im rechten Diagramm ab ca. 180 s nicht mehr. Das System ist ab diesem Zeitpunkt in Dauerschwingung. Somit lässt sich die kritische Reglerverstärkung für die Pumpe an der Systemgrenze durch heuristische Verfahren mit einem K krit = – 1,1 V/K bestimmen. Die kritische Periodendauer T krit lässt sich aus der Messung ablesen. Der Mittelwert der einzelnen Perioden liegt in etwa bei einer kritischen Periodendauer von T krit = 13,7 s. Für die Ermittlung der Reglerparameter für einen PI-Regler nach Ziegler und Nichols (vgl. Tabelle 03) ergibt sich eine Reglerverstärkung K R = – 0,49 V/K und eine Zeitkonstante T I = 11,64 s. Die Reglerparameter des Pumpenregelkreises für das analytische und das experimentelle Verfahren weichen geringfügig voneinander ab. Das gleiche Vorgehen wurde für die davon unabhängigen Regelkreise, zur Einstellung des Volumenstroms des von außen zugeführten Kühlwassers durch den Plattenwärmetauscher und die Regelventile, die in Kühlstruktur 1 eingesetzt werden, gewählt. Die dadurch bestimmten Regelparameter sind in Tabelle 05 zu finden. EXPERIMENTELLE AUSWERTUNG UND VERGLEICH DER NEUEN KÜHLSYSTEMSTRUKTUREN Die experimentelle Bewertung und der Vergleich der neuen Kühlsystemstrukturen erfolgt auf Basis der Temperaturverläufe der Verbraucher (Durchlauferhitzer) und des Energieverbrauchs der jeweiligen Kühlstrukturvariante. Bei der Energiebetrachtung wird nur die Versorgungseinheit berücksichtigt, da die Kühlleistung für den Versuchsstand extern durch das zentrale Kühlaggregat bereitgestellt wird. Bild 13 zeigt die Entwicklung der Austrittstemperatur der Verbraucher aller Kühlstrukturen für einen treppenförmig ansteigenden Lastzyklus mit der Betriebsstrategie 1. Die eingestellten Austrittstemperaturen betragen 23 °C für das Gestell, 24 °C für die Linear führung und 25 °C für die Motorspindel. Die Solleintrittstemperatur ϑ ein , d. h. Tanktemperatur, wird für die Kühlstruktur 1 und 2 auf 22 °C geregelt. Da die Messung in Kühlstruktur 3 für jede Komponente am Kühlsystemversuchsstand sukzessive stattfindet, wird die Tanktemperatur immer um ∆ T = – 1 K zur Sollaustrittstemperatur der Maschinenkomponente (22, 23 ,24 °C) eingestellt. Der Übersichtlichkeit wegen sind die Tanktemperaturverläufe der Kühlstruktur 3 in Bild 13 nicht dargestellt. Die Temperaturentwicklungen der neuen Kühlsystemstrukturen für den erwähnten Lastzyklus verlaufen analog. Im Vergleich zu den bisher untersuchten konventionellen Kühlstrukturen sind die auf dem Versuchsstand überprüften neuen Kühlstrukturvarianten in der Lage, die geforderten Sollaustrittstemperaturen mit einer durchschnittlichen Abweichung von ± 0,3 K 104 antriebstechnik 2019/09 www.antriebstechnik.de

PEER REVIEWED FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG und einige Ausreise von ± 0,5 K über den gesamten Lastzyklus einzuhalten. Bei der herkömmlichen Kühlsystemstruktur findet keine Regelung statt und somit würde durch den konstanten Volumenstrom und die zunehmende Wärmeeinbringung die Komponententemperatur steigen /Sha18a/. Bei Kühlstruktur 1 in Bild 13 ist zu Beginn des Lastzyklus im Gegensatz zu den Kühlstrukturen 2 und 3 ein kleiner Temperaturamplitudenausschlag zu erkennen. Diese Temperaturspitze ergibt sich zum einen aus dem anfänglichen Wärmesprung und zum anderen aus der Trägheit der Schrittmotoren der Regelventile. Weiterhin weist der Temperaturverlauf der Verbraucher bei Kühlstruktur 2 und 3 im Vergleich zu Kühlstruktur 1 trotz einer einheitlichen Regelgüte der Tanktemperatur bei allen Kühlstrukturen eine geringere Abweichung aus. Die Regelgüte wird hier als minimale Ab weichung vom Sollwert definiert. Dies ist auf die gegenseitige Beeinflussung der Regelventile während der Regelung auf die Soll austrittstemperatur und die daraus resultierende Druck änderung zurückzuführen. Außerdem verfügen die Schrittmotoren der Regelventile über eine grobe Abtastung im Arbeitspunkt. Gemäß Datenblatt besteht der gesamte Verfahrweg aus 50 Schritten. Die drehzahlvariablen Pumpenantriebe lassen sich über einen Frequenzumrichter annähernd stufenlos auf die verschiedenen Arbeitspunkte einstellen und ermöglichen daher eine verbesserte Temperaturentwicklung. In Bild 14 ist ein Vergleich der Volumenstromentwicklung sowie der Leistungsverlauf der Antriebseinheiten der vorab untersuchten Demonstratormaschinen DBF630 und DMU80 eVo linear mit den neuen Kühlsystemstrukturen für den angenommenen Lastzyklus dargestellt. Um eine transparente Vergleichbarkeit des Leistungsbedarfs zwischen den Demonstratormaschinen und den neu entwickelten Kühlsystemstrukturen zu gewährleisten, wurde der Druckabfall für jeden Verbraucher bei 95 % der Drehzahl der Antriebseinheit mithilfe des Drosselventiles wie bei der Demonstratormaschinen auf 3,5 bar eingestellt. Werden bei der Messung der Kühlstruktur 3 für den Lastzyklus dieselben Temperaturdifferenzen über den Verbraucher (Kühlstruktur 3*) wie bei der Messung der Kühlstruktur 1 und 2 (∆T Gst = 1 K, ∆T LF = 2 K, ∆T MS = 3 K) verwendet, ist der Volumenstromverlauf in allen neuen Strukturen zwischen 8 – 24 l/min annähernd gleich. Wird der Vorteil der Kühlstruktur 3 genutzt und wird die Tanktemperatur, wie bereits beschrieben, immer um ∆T = – 1 K zur Verbrauchertemperatur geregelt, steigt der Volumenstrom bedarf auf bis zu 48 l/min, dafür ist die erforderliche Kühlleistung für die Tankkühlung jedoch geringer. Würde der angenommene Last zyklus an den Demonstratormaschinen durchgeführt, würde sich ein konstanter Volumenstrom ergeben, da es keine Regelung des Volumenstrombedarfs in der Praxis gibt. Die elektrische Leistung der Antriebseinheiten in den neuen Kühlstrukturen ist vergleichbar mit den steigenden Volumenströmen. Die Kühlstruktur 2 in Bild 14 (rechts) hat den höchsten Energieverbrauch bei der geringsten Temperatur abweichung der drei Kühlstrukturen. Dies ist auf die Überwindung des zusätzlichen Druckaufbaus der einzelnen Antriebseinheiten im Rücklauf zurückzuführen. In Kühlstruktur 3 sind die Verbraucher bzw. die Verbraucherstränge entkoppelt und somit ist der Druckabfall wenig bemerkbar. Die Kühlstruktur 1 zeigt ein besseres energetisches Verhalten mit nur einer Antriebseinheit trotz gegenseitiger Druckein wirkung der Regelventile. Der Grund dafür ist, dass die Antriebseinheit einen verbesserten Wirkungsgrad im höheren Lastbereich besitzt. In den Kühlstrukturen 2 und 3 fördern drei Pumpen den Volumenstrom. Diese werden für den gleichen Arbeitspunkt mit einem ungünstigeren Wirkungsgrad als eine Pumpe der Kühlstruktur 1 betrieben. Wird die elektrische Leistung der Antriebseinheiten der neuen Kühlsystemstrukturen mit den konventionellen Kühlsystemen der untersuchten Demonstratormaschinen verglichen, so lässt sich eine wesentliche Energieeinsparung vor allem im Unterlastbereich erkennen. 15 Temperaturverläufe der Verbraucher für einen stufenartig ansteigenden Lastzyklus mit der Kühlbetriebsstrategie 2 16 Vergleich des Leistungsbedarfs der Antriebseinheiten der neuen Kühlsystemstrukturen im Lastzyklus, BS1 (links) und BS2 (rechts) 17 Vergleich der Fluidtemperatur zwischen Messung und Simulation der drei Kühlstrukturen mit der Kühlbetriebsstrategie 1 www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2019/09 105