In the coming decade, cost reduction and energy efficiency will be the dominating success factors for any industry. Currently, the hydraulic industry is not fit to meet these demands: hydraulic systems and components are simply too expensive and too inefficient. It is important to mention that there are no fundamental reasons for the poor performance and high manufacturing, production, and engineering cost. Without doubt, hydraulics can be efficient and low-cost. However, the niche market in which the hydraulic industry operates simply does not have an alternative for the hydraulic cylinder. Without feeling the heat of competition, the hydraulic industry has not had enough incentive to invest in new products and technologies. But changes are apparent. Relatively high labour cost already threatens the production industry in Europe and North America. Moreover, the uncertainty about future fuel and energy prices, and CO2 emission demands, will force the industry to change. If it does, it will create unprecedented market opportunities, utilizing the full potential of high power, torque, and force densities, combined with flexibility in control and power management. The fluid power industry really does not have an alternative. It is convicted to innovation.

Im Wasser-/Dampfkreislauf thermischer Kraftwerke müssen Dampfmassenströme zuverlässig manipuliert werden. Dabei sind über Dampfventile sowohl diskrete Absperrfunktionen zu erfüllen als auch Druck und Temperatur entsprechend den Erfordernissen nachfolgender Systeme, beispielsweise der Turbine, feinfühlig einzustellen und zu regeln. Beim Betrieb verfahrenstechnischer Anlagen im Kraftwerk sind zudem hohe Sicherheitsanforderungen einzuhalten, da sie ein erhöhtes Gefährdungspotential für Mensch und Umwelt darstellen und im Störungsfall Schäden verursachen können. Nichtsdestoweniger soll eine hohe wirtschaftliche Verfügbarkeit gewährleistet werden. Vor diesem Hintergrund wird der Steuerfunktion der Dampfventile häufig eine Sicherheitsfunktion zur Schnellauslösung überlagert.

Mit elektrohydraulischen Stellantrieben können gesteuerte wie geregelte Bewegungen von Dampfventilen zur Erfüllung der genannten Funktionen effektiv und zuverlässig realisiert werden. Im Beitrag werden Aufbau und Funktionsweise herkömmlicher Dampfventilstellantriebe vorgestellt. Als Aktuatoren kommen üblicherweise hydraulische Gleichgangzylinder zum Einsatz, als Energiespeicher für die Schnellauslösung Tellerfederpakete. Die Versorgung eines kompletten Turbinensatzes (8-10 Antriebe) erfolgt aus einem zentralen Hydraulikaggregat. Die Auslösung der Sicherheitsfunktion erfolgt durch Ventilsteuerungen, die in verschiedenen Auswahllogiken (1 von 1, 1 von 2, 2 von 3 usw.) verschaltet sein können. Ausführung der Auswahllogik, Eigenschaften der Komponenten, Redundanzen und Überwachungsmöglichkeiten beeinflussen maßgeblich die funktionale Sicherheit, bewertet durch den Sicherheitsintegritätslevel (SIL) nach DIN EN 61508, sowie die wirtschaftliche Verfügbarkeit.

In diesem Bereich ergeben sich aus Entwicklungssicht diverse Tätigkeitsfelder. Schwerpunkt des Vortrags ist die Entwicklung von Stellantrieben auf Basis eines alternativen Konzepts, das sich durch zwei wesentliche Innovationen von konventionellen Stellantrieben abhebt:
• Zum einen wird ein Paradigmenwechsel weg von der Zentralhydraulik hin zu dezentralen autarken Antrieben vollzogen. Diese Kompaktantriebseinheiten sind eigenständig und können nach dem Plug-and-Work-Prinzip eingesetzt und ausgetauscht werden.
• Zum anderen wird die mechanische Feder (meist Tellerfedern) durch eine hydropneumatische Feder in Form eines oder mehrerer Hydrospeicher ersetzt. Die Federkennlinie kann dabei sowohl durch die Komponentenkonstellation als auch durch eine ständig wirkende Druckstelleinrichtung flexibel kontrolliert werden.

Mit diesem Antriebskonzept können diverse Vorteile erzielt werden:
• Hohe Modularität und Anpassungsfähigkeit, Redundanz leicht realisierbar
• Geringe Antriebsvariantenvielfalt, viele Gleichteile
• Hohe Flexibilität durch Kennlinien- und Kraftniveauanpassung, auch im Betrieb
• Einsatz eines Antriebs an unterschiedlichen Dampfventilen durch einfache Umbauten und Einstellungen möglich
• Während der Bewegung ständige Überwachung der Schließkraftverfügbarkeit
• Zuverlässige Ausübung der Sicherheitsfunktion durch bewährte Technik und Bauteile
• Auswahllogik der Sicherheitssteuerung austauschbar; SIL 2 für Einzelantrieb, SIL 3 für Serienschaltung möglich

Die Eigenschaften des autarken Hydrospeicherantriebs eröffnen prinzipiell auch Anwendungen außerhalb des Kraftwerksbereichs, insbesondere dort, wo Regel- und Steuerfunktionen in Kombination mit sicherheitsrelevanter Schnellauslösung gefragt sind, z.B. in Prozesstechnik- und Industriearmaturen, Klappensteuerungen, Marine- und Offshoreanwendungen oder Leistungsschalterantrieben.

Durch Initiativen der EU und auch aus wirtschaftlichen Gründen rückt die Reduzierung des Energiebedarfs bei der Entwicklung von Maschinen und deren Antrieben immer stärker in den Vordergrund. Die gesetzlichen Vorgaben haben auch Auswirkungen auf die Gestaltung der hydraulischen Systeme. So fordert die europaweit geltende Elektromotorenverordnung (640/2009 vom 22.07.2009) den nächsten Schritt zur Reduzierung der Energieverluste von elektrischen Motoren schon ab dem 01.01.2015. Während der Einsatz von IE1 – Motoren heute schon in der EU untersagt und durch IE2 – Motoren als Antrieb von Hydraulikpumpen ersetzt wurden, ist zukünftig nur noch der Einsatz von IE3-Motoren erlaubt. Die kostengünstigeren IE2 – Motoren sind ab 01.01.2015 nur noch im drehzahlgeregelten Betrieb zulässig.

Die Eingruppierung eines Elektromotors hinsichtlich seiner Energieeffizienz erfolgt auf Basis seiner Verluste im Nennbetriebspunkt. Da Elektromotoren an Pumpen hydraulischer Druckversorgungen während des Maschinenbetriebs meist in stark wechselnden Betriebspunkten betrieben werden, lässt die Energieeffizienzklasse des Motors keinen Rückschluss auf die Energieeffizienz in der speziellen Applikation zu. Der optimale Arbeitspunkt des Elektromotors wie auch der Hydraulikpumpe wird in vielen Anwendungen nur in kurzen Betriebsphasen genutzt, so dass die Optimierung des Gesamtsystems „Drehzahlgeregelte Motor-Pumpen-Einheit“ zu fordern ist.
Deshalb gilt es bei der energetischen Optimierung drehzahlveränderbarer Pumpensysteme wie beispielsweise der Parker Drive-Controlled-Pump eine applikationsorientiert optimierte Konfiguration unter Berücksichtigung der verschiedenen Elektromotor- und Pumpenkonzepte zu finden, um das Potential der energetischen Optimierung auszuschöpfen.

Als hydraulische Lösung zum Energiesparen wurde nach der in Stufen schaltbaren Konstantpumpe die Verstellpumpe mit änderbarem Schluckvolumen bei konstanter Drehzahl entwickelt. Eine Hydraulikpumpe mit veränderlichem Schluckvolumen ist deutlich kostengünstiger als ein zusätzlicher Frequenzumrichter für den drehzahlvariablen Betrieb eines Elektromotors. Verstellbare Pumpen erreichen in ihrem Nennarbeitspunkt gute Wirkungsgrade. Allerdings fällt der Wirkungsgrad im Teillastbereich bei zurückgeschwenkter Pumpe stark ab. Auch benötigt die hydraulische Verstellung des Schluckvolumens eine Steuerleistung, die unabhängig von der abgegebenen Leistung ist. Durch den reduzierten Hub verliert der Pumpvorgang an Effektivität.

Konstantpumpen in Zahnrad-, Flügelzellen- und Kolbenbauweise benötigen keine hydraulische Vorsteuerung, die Verluste erzeugt, die Pumpe fördert immer ihr spezfisches Verdrängungsvolumen. Die einfache Mechanik führt zu sehr niedrigen Verlusten im unteren Teillastbereich, wenn z.B. drucklos zum Tank umgewälzt wird. Werden in Stufen schaltbare Konstantpumpen drehzahlvariabel angetrieben, kann wahlweise energieeffizient mit kleinem Drehmoment ein großer Volumenstrom bei kleinem Druck oder ein kleiner Förderstrom bei hohem Druck gefördert werden.
Besonders gute Wirkungsgrade lassen sich durch die Kombination von Konstantpumpe und verstellbarer Pumpe erreichen. Der große Volumenstrom wird dabei von allen Pumpen gefördert und der Druck von der verstellbaren Pumpe alleine gehalten. Die Konstantpumpe verbessert den Wirkungsgrad in der Teillast.

Bei der Konfiguration der optimalen Motor-Pumpen-Kombination wird auch die Charakteristik unterschiedlicher Elektromotorkonzepte zur Erzielung eines optimierten Energieverbrauchs in der Applikation berücksichtigt. Insbesondere vor dem Hintergrund der Elektromotorenverordnung werden neben den heute gebräuchlichen Asynchron- und Synchronmotoren auch neue Entwicklung alternativer Motorkonzepte wie beispielsweise der Reluktanzmotorentechnik betrachtet.

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In the most applications of hydraulic actuators in industrial automation and power generation there is a demand for reduction of energy consumption. The competitive electromechanical actuators full fill this requirement. They are characterised by limited forces and lower reliabilities and availabilities. Electro hydrostatic actuators combine the advantages of both technologies (hydraulic and electro mechanical), which means:
 Low energy consumption – power only on demand
 Easy implementation of a linear movement
 High force levels
 Line replaceable unit
 Power by wire
The following picture shows the circuit and the implementation of such an actuator for the pitch control of a 3 MW wind turbine:

This paper describes the integration of the components of the actuator and the adaptation of the subsystems and components. All elements of the actuator are based on well proofed developments and have been modified for this highly integrated system. From outside the actuator is easy to use and to connect, so mechanical, electrical and SW interfaces are described in the paper. Such an actuator has to full fill other requirements like minimised service intervals, self-diagnosis and noise emission, which is also described in this paper.