Der Dieselantrieb kann dann im optimalen Betriebsbereich laufen, benötigt weniger Treibstoff und die Wartungsintervalle des Gesamtsystems verlängern sich. Es geht aber noch wirtschaftlicher: Ein intelligentes Gesamtsystem, bei dem Generatorsteuerung, Frequenzumrichter für Fahrwerk, Hubeinrichtung oder Drehwerk sowie eine Rekuperationseinheit mit Energiespeicher miteinander kommunizieren, sparen – abhängig von Betriebs- und Terminalbedingungen – oft noch einmal zweistellige Prozentzahlen bei den Treibstoffkosten. Energieeffizienz und umweltfreundliche Ausführung sind heute wichtige Forderungen, wenn man mobile Maschinen in der Nähe von Gewässern betreiben möchte. Die Abkehr von Hydraulikantrieben mit möglichem Ölaustritt und damit einhergehender Wasserverschmutzung ist da schon ein großer Fortschritt. Zudem spart die Umstellung auf Elektromobilität mit Diesel-elektrischer- oder Akku-Stromversorgung aufgrund des höheren Wirkungsgrades Betriebskosten. Refu Elektronik, der Spezialist für elektrische Antriebsregelungen rund um mobile Maschinen, bietet dafür eine breite Palette an Generator-Contollern, Wechselrichtern und Energiespeichersystemen an. Damit sind Fahrzeuge einfacher zu steuern, benötigen weniger Wartung, erlauben die Rückgewinnung von Energie aus Brems- und Senkbewegungen (Rekuperation) und bieten so hohe Effizienz. Je nach Umschlaggerät sowie Terminal und Betriebsbedingungen ist dadurch ein bis zu 30% niedrigerer Kraftstoffverbrauch möglich.
Bessere Regelung und höhere Effizienz
Der Wechsel von einem Diesel-hydraulischen zu einem Diesel-elektrischen Antriebssystem bietet erhebliche Vorteile: Elektrische Antriebe lassen sich feinfühlig sowohl in der Drehzahl wie auch im Drehmoment regeln. Die Entkopplung des Spannungs-Zwischenkreises von der Drehzahl des Dieselaggregats erlaubt es, die Drehzahl des Generators immer im besten Betriebsbereich des Dieselmotors zu halten unabhängig von der benötigten Zwischenkreisspannung. Verschleiß- und verbrauchssteigernde hohe Drehzahlen, die für große Fördermengen bei der Hydraulikpumpe erforderlich waren (z.B. für schnelle Fahrt), sind nicht mehr notwendig. Der Dieselmotor läuft immer mit bestem Wirkungsgrad und geringstem Verbrauch; Elektroantriebe, per Frequenzumrichter angesteuert, übernehmen die Drehzahlregelung, um die gewünschte Fahr- oder Hubgeschwindigkeit zu erreichen. Ein weiterer Vorteil: Durch die schnelle Regelung lassen sich sicherheitsfördernde Zusatzfunktionen recht einfach in das Antriebskonzept integrieren. Sei es die Einschränkung der maximal zu hebenden Last per im Umrichter berechneter Belastung oder eine automatische Reduzierung der Fahrgeschwindigkeit je nach Kurvenradius.
Effizient durch Rekuperation und Speicherung
Ein weiterer Schritt in Richtung Effizienz ist die Rekuperation und Speicherung von Energie beim Bremsen oder Absenken von Lasten. Hier wird der Antriebsmotor im 4-Quadrantenbetrieb angesteuert und agiert beim Bremsen als Generator. Dabei speist er Strom in den Zwischenkreis ein. Diese Energie kann nun entweder direkt von anderen Verbrauchern genutzt werden oder sie wird in Zwischenspeichern wie Kondensatoren und Akkus \’gespeichert\‘. Die Energie steht dann zeitversetzt z.B. zum Anfahren aus dem Stillstand zur Verfügung oder deckt kurzzeitige Lastspitzen ab. So kann der Generator oft eine Nummer kleiner ausfallen, was wiederum die Investitions- und Betriebskosten senkt. Eine Kommunikation per Bus-Querkoppelung aller Umrichter, des Generatorwechselrichters und der Energie-Rekuperationseinheit mit einer SPS, in der ein Programm zur Energieflussteuerung (Power-Management) läuft, ermöglicht dabei die optimale Abstimmung aller Funktionen auf beste Energieeffizienz. Je nach Nutzungsprofil der Stapler, Transportfahrzeuge oder Krane ergeben sich so Einsparungen von rund 20 bis 30% Diesel durch die Umstellung von hydraulischen auf elektrische Antriebe in Abhängigkeit der bereits zuvor genannten Bedingungen. Bei Rekuperationsbetrieb sind zusätzlich Einsparungen im Bereich von guten 10% der früher benötigten Energiemenge erzielbar. Die folgenden Beispiele zeigen, wie sich diese Umrüstung auf die unterschiedlichen Transportmaschinen anpassen lässt.
Effiziente Portalstapler
Bei Portalhubstaplern (Bild 1) wird die eingesetzte Primärenergie einerseits für die Hubeinrichtung, andererseits für das Fahrwerk benötigt. Bei hydraulischen oder konventionellen elektrischen Systemen wird die für den Hub bzw. die Fortbewegung investierte Energie nur einmal genutzt; über Drosseln und Ölkühler bzw. Bremswiderstände geht hier die jeweilige potentielle oder kinetische Energie als Wärme verloren. Mit einem System aus vier Fahrwerkswechselrichtern (Refupcs 075), einem Hubwerkwechselrichter (Refupcs 160), einem Bordnetzumrichter (Refupcs 045) und einem DC/DC-Steller (Refupcs 085) die optional über CAN-Bus miteinander und mit der übergeordneten SPS des Fahrzeugs kommunizieren, lässt sich diese bisher dissipierte Energie nutzen. Die einzeln regelbaren Wechselrichter erhalten dabei ihre Sollwerte für Drehzahl und Drehmoment aus der SPS, die den gesamten Energiefluss zwischen Dieselgenerator, Antrieben und Energiespeicher koordiniert. Weiterhin wird von der SPS die Dieselmotordrehzahl nach der aktuell geforderten Leistung vorgegeben, sodass der Dieselmotor meist bei kraftstoffsparenden Drehzahlen betrieben wird. Das Fahrwerk wird im Betrieb über die Wechselrichter per Drehmoment gesteuert, eine übergeordnete Drehzahlbegrenzung beschränkt die maximale Geschwindigkeit. Zusätzlich wird die Differenzdrehzahl aller Radnabenmotoren überwacht, da dies ein Indiz für das Schleudern oder Rutschen der Räder ist, was verhindert werden muss. Zusätzlich übernimmt der Umrichter die Kontrolle der Motortemperatur und der Bremsensteuerung (Bild 2). Der Hubwerkwechselrichter regelt die Motordrehzahl und stellt den Betrieb bis zu einem Feldschwächebetrieb 1:2 sicher. Kurze Beschleunigungszeiten werden durch hohe Überlastströme des Umrichters sichergestellt. Während der Beschleunigung wird die angehängte Last berechnet und so lastabhängig die maximale Drehzahl für den Senkbetrieb bestimmt und freigegeben. Zusätzlich sind auch hier im Umrichter die Motortemperaturüberwachung und die Bremsensteuerung integriert. Die Bremsensteuerung stellt hier sicher, dass die Last ruckfrei aus dem Stillstand übernommen bzw. aus der Fahrt in die Haltebremse übergeben wird, bei minimaler mechanischer Belastung (\’schleifen\‘) derselben. Der Bordnetzumrichter regelt das dreiphasige 400V-Bordnetz für Hilfsantriebe und Nebenverbraucher sowie einen 230VAC-Kreis mit hoher Güte. Der Generator versorgt über die Gleichrichterbrücke den Nutzzwischenkreis, in den auch die bisher verheizte Bremsleistung zurückgespeist wird. Über den DC/DC-Steller wird bei Energieüberschuss (Bremsbetrieb des Fahrwerks bzw. Senkbetrieb des Hubwerks) der Strom in einen aus Doppelschichtkondensatoren bestehenden Energiespeicher oder einem Speicherakku eingelagert. So kann zum späteren Anfahren oder Anheben ein guter Teil der zuvor zurückgewonnenen und eingelagerten Bremsenergie verwertet werden. Der DC/DC-Steller selbst wird ebenfalls von der Energieflusssteuerung in der übergeordneten SPS gesteuert oder speist autonom die Energie über eine integrierte Regelung ein.
