Een grote potentie voor meer energie-efficiëntie van machines ligt in het vervangen van hydraulische systemen voor elektrische aandrijvingen. Elektrische aandrijvingen consumeren namelijk alleen de benodigde energie terwijl veel hydraulische systemen constant op druk gehouden moet worden, waardoor verliezen ontstaan. Ook kunnen elektrische aandrijvingen (rem)energie terugwinnen, zijn ze stiller en compacter en is er geen potentieel vervuilende hydrauliekolie voor nodig. Daarnaast nemen, dankzij technologische ontwikkelingen, de technische beperkingen en de kosten van elektrische aandrijvingen steeds verder af.
Bij hydraulische systemen wordt olie onder hoge druk (standaard 70 -100 bar al komt boven 400 bar ook voor) via slangen en regelkleppen naar diverse componenten gevoerd. Hierdoor kunnen grote krachten worden overgebracht. Hydrauliek wordt daarom vooral toegepast in situaties waar krachtige lineaire bewegingen nodig zijn, maar ook pompen en motoren kunnen hydraulisch worden aangedreven. Om betrouwbaar te functioneren moet het systeem constant op druk worden gehouden door pompen gekoppeld aan een elektro- of brandstofmotor. Elektrische (lineaire) aandrijvingen zetten met frequentieregelaars en elektromotoren elektrische energie direct om in mechanische beweging, ze kunnen direct op een voedingsnet worden aangesloten.
Dit artikel vind je vast ook interessant:
- Grasmatsteker van Galesloot; van hydraulisch naar elektrisch
- Heien met elektriciteit
- Liebherr introduceert online configurator voor hydraulische cilinders
Efficiëntie
Een hydraulisch systeem zet energie om in beweging (elektro- of brandstofmotor) en vervolgens in oliedruk (pompen). Daarna zetten hydraulische cilinders- of aandrijvingen deze oliedruk weer om in beweging. Tijdens dit proces gaat energie verloren aan wrijving en lekkage, daarnaast treden wrijvingsverliezen op in slangen, kleppen en andere mechanische componenten van het systeem waardoor het rendement daalt. Elektrische aandrijvingen kunnen (dankzij frequentieregelaars) de spanning, stroom en frequentie van de voedingsbron omvormen, waardoor het toerental en koppel van elektromotoren kan worden geregeld. Hierbij treden nauwelijks verliezen op, alleen het benodigde vermogen neemt af en dankzij nieuwe IE-normen zijn de verliezen tijdens het omvormen minimaal.
Een bijkomend voordeel is dat dit proces ook omgekeerd kan werken; de elektromotor werkt dan als generator en zet (rem)energie weer om in elektriciteit. Het totale rendement van hydraulische systemen ligt tussen de 6 en 60 procent, afhankelijk van de toepassing. Bij industriële toepassingen is het gemiddelde rendement slechts 22 procent, zo blijkt uit onderzoek. Elektrische (lineaire) aandrijfsystemen kennen een typisch rendement van 80 procent en kunnen de energie-efficiëntie dus flink verhogen.
Snelheid, kracht en nauwkeurigheid
Het grote voordeel van hydrauliek is dat grote krachten snel kunnen worden overgebracht, simpelweg door een klep open of dicht te zetten. De nauwkeurigheid van kracht en positie is hierbij echter beperkt en om dit goed te controleren zijn extra componenten nodig (sensoren, wegopnemers, speciale kleppen en besturing) waardoor het systeem kostbaar en complex wordt.
Bij elektrische lineaire aandrijvingen wordt een rotatie (elektromotor) omgezet in een translatie (lineaire beweging). Dit kan een beperking zijn voor snelheid of kracht. Het voordeel is echter dat frequentieregelaars in staat zijn de kracht en positie van elektromotoren nauwkeurig te controleren en (magnetisch) vast te houden. Hierdoor kunnen hoge dynamische eigenschappen worden behaald. Met behulp van encoders zijn zelfs nauwkeurigheden tot 0,001 mm mogelijk. Ook de beperkingen in reactiesnelheid en kracht worden dankzij innovaties steeds kleiner, zo liggen snelheden tot 2.000 mm/s en krachten tot 2.000 kN inmiddels binnen bereik.
Onderhoud en levensduur
Voor een hydraulisch systeem zijn veel componenten nodig. Denk aan een motor en pomp, oliereservoir, aansturing, druk- en schakelventiel, slangen en koppelingen en de hydraulische cilinder of motor. Al deze componenten staan onder hoge druk en moeten vakkundig ontworpen en geassembleerd worden. Een lekkage in het systeem heeft niet alleen gevolgen voor de prestaties, lekkende hydrauliekolie vormt ook een milieurisico. Omdat alle onderdelen van het systeem gevoelig zijn voor slijtage moeten ze regelmatig gecontroleerd en onderhouden worden, vaak een kostbare aangelegenheid.
Elektrische aandrijfsystemen bestaan slechts uit een besturing (PLC), frequentieregelaar, motor en stroom- en communicatiekabels. Minder mechanische onderdelen betekent minder risico op slijtage. Elektrische aandrijfsystemen zijn bovendien goed (op afstand) te monitoren. De ingebouwde monitorings- en diagnosesystemen kunnen teruglopende prestaties herkennen, waardoor tijdig stappen kunnen worden ondernomen om stilstand te voorkomen. Ook helpt de eenvoud en omvang van het systeem bij het ontwerpen van een (compacte) machine.
Besturing
Hydraulische systemen kunnen zeer eenvoudig zijn, denk aan agrarische machines waarbij kleppen en cilinders direct met hand worden bediend. Zodra er automatisering nodig is wordt het systeem echter snel complex. De mechanische eigenschappen en verliezen van de diverse onderdelen maken een goede afstelling lastig. Hoe hoger de eisen op het gebied van nauwkeurigheid en toleranties, hoe ingewikkelder de regelkring wordt.
Elektrische aandrijfsystemen bevatten minder componenten en hebben onderling minder afstelling nodig, in sommige gevallen is het zelfs mogelijk de regelaar zelfstandig ‘in te leren’ op het gedrag van de aandrijving. Ook kunnen elektrische aandrijfsystemen direct aangestuurd worden vanuit een centrale controller (PLC) zodat eenvoudig (meerdere) complexe bewegingsprogramma’s kunnen worden geprogrammeerd. Op deze manier kan zowel de productiviteit als de inzetbaarheid van de machine verhoogd worden.
De juiste keuze
Welke systeem het meest toepasselijk is hangt af van meerdere factoren. Het is daarom belangrijk om altijd alle opties in overweging te nemen en niet te snel voor de bekende weg te kiezen. Zo kan een oplossing in eerste instantie voordelig lijken, maar kunnen de kosten over de gehele levensduur (Total Cost of Ownership) de situatie wel eens geheel omdraaien. Ook voor machinebouwers kunnen lagere gebruikskosten, hoge beschikbaarheid en duurzaamheid pluspunten zijn om de klant te overtuigen.
Bronnen:
¹ IPFE; International Fluid Power Society
² Study of Energy Efficiency Characteristics of a Hydraulic System Component
³ Stichting Stimular