Kort fortalt:

• Lær, hvordan design af smarte hydrauliske aggregater ser ud.
• De fleste hydrauliske kredsløb er ikke et system, der fungerer kontinuerligt – energiforbruget i tomgangsperioder er betydeligt.
• Brugen af VFD’er og noget ekstra instrumentering kan være med til at spare energi og reducere nedetiden.

Hydrauliske aggregater (HPU’er) sætter olie under tryk for at drive hydraulisk udstyr. Hydraulisk udstyr giver større kraftmængder end traditionelle elektriske og mekaniske drivaggregater og kan styres med større præcision. Der stilles højere krav til disse hydrauliske systemers ydeevne, især når de arbejder i en 24/7-procesindustri. Derfor er drifts- og vedligeholdelsesomkostningerne – sammen med nedetiden på grund af nedbrud – et problem for anlæg og operationer, der kører døgnet rundt.

Hvad er en hydraulisk aggregat?

Hydrauliske aggregater er selvstændige enheder, der består af en motor, et reservoir, en overtryksventil, et filter, en trykmåler, en flowmåler, en varmeveksler, en trykkontakt, en svømmer/niveauafbryder, en temperatursensor og en hydraulikpumpe. Denne hydrauliske aggregat anvendes til overførsel af kraft fra et sted til et andet ved hjælp af hydrauliske motorer eller hydrauliske aktuatorer.

Hvordan er elektrisk kraft og hydraulisk kraft ens?

For at drage en analogi er det hydrauliske aggregat med til at udvikle trykket på samme måde, som elektrisk spænding genereres af en generator. Med andre ord er en hydraulisk strømforsyningspakke en strømgenerator for et hydraulisk system på samme måde, som en elektrisk generator producerer potentiale til at overføre strøm fra generatorstationen til understationer til videre distribution til vores hjem.

Typisk strømforsyningspakke enkeltledningsdiagram.

Hvordan fungerer og forbruger en typisk hydraulisk strømforsyningspakke strøm?

Hydrauliske aggregater anvendes i utallige applikationer, lige fra stålværker, galvaniseringsanlæg og forskellige stålforædlingsanlæg til forlystelsesparker og lokomotiver. Hydraulikaggregatet bruges til at overføre kraft fra et sted til et andet ved hjælp af hydrauliske motorer. Et varmelegeme (eller en varmeveksler), der er fastgjort til aggregatet, hjælper med at holde olien på den ønskede viskositet.

En elektrisk induktionsmotor kører med konstant hastighed for at levere hydraulikolien med et konstant tryk til det hydrauliske kredsløb. Flowmåleren i ledningen viser flowet, når arbejdet udføres af hydraulikolien under tryk. Når arbejdet udføres, strømmer olien, og trykket falder (se nedenstående plot).

Visning af flowhastighed i forhold til tryk.

Når arbejdet er afsluttet eller ikke udføres af det hydrauliske kredsløb, strømmer olien ikke gennem det hydrauliske system på det pågældende tidspunkt. Trykket i ledningen stiger, og derfor åbnes overtryksventilen for at omlede olien tilbage til reservoiret. Manometeret, flowmåleren og flowkontakten er alle en del af den vigtige instrumentering, der viser operatøren, at hydraulikpumpen opretholder et tilstrækkeligt tryk til at opnå det nødvendige flow i det hydrauliske system.

De systemer, der kører døgnet rundt på f.eks. forarbejdningsanlæg, hospitaler og lufthavne, med HPU-vekselstrømsmotorer på tværs af linjen, forbruger konstant strøm, selv når det hydrauliske system blot skubber olien gennem aflastningsventilen i stedet for at udføre det egentlige arbejde. I dette tilfælde øger det de løbende omkostninger til energiregningerne for intet arbejde. Med VFD’er, der styrer trykket og flowet i ledningen, kan motorhastigheden reduceres, hvilket reducerer trykket og dermed direkte påvirker energiforbruget.

Tanken er at reducere trykket ved at reducere pumpehastigheden til et sådant niveau, at olien ikke har nok tryk til at blive presset unødigt gennem aflastningsventilen, når systemet kører i tomgang, i stedet for at opretholde trykket på et så lavt niveau, at det holder linjerne fyldte, så de kan begynde at pumpe efter behov. Ved at reducere motorhastigheden ved hjælp af et variabelt frekvensdrev (VFD) sparer vi ikke kun strøm, men undgår også unødigt spild.

Vi kan analysere strømstyringen og instrumenteringskomponenterne i dette typiske hydrauliksystem sammen med mulighederne for at spare på energi- og vedligeholdelsesomkostningerne, reducere udstyrets nedetid og implementere forebyggende vedligeholdelse. Det kan ses som en alternativ tilgang til integration af et typisk hydraulisk kraftsystem.

Traditionelt startes strømstyringskomponenterne, såsom induktionsmotorer til hydrauliske pumper og varmevekslere, på tværs af linjen, hvilket medfører meget slid for motor og udstyr.

Da disse induktionsmotorer ikke styres proportionalt med flow, tryk eller temperaturkrav, kører vekselstrømsmotorerne, når de først er startet, med en konstant hastighed, hvilket fører til uønsket energiforbrug i tomgangsperioden. Da de fleste hydrauliske kredsløb ikke er et system, der er i kontinuerlig drift, er energiforbruget i tomgangsperioder betydeligt. Al den energi, der forbruges af pumpemotoren og varmevekslermotoren i tomgangsperioden, kan spares ved at anvende en VFD til disse vekselstrømsmotorer.

Sidst er instrumenteringen på hydrauliske aggregater traditionelt anvendt enten til visning af tryk og flow eller til nødafbrydelse af enheden. Dette sker i tilfælde af, at enheden opbygger et højt tryk på grund af en tilstopning af en ledning, i stedet for at bruge dette instrumenteringssystem til en tæt sløjfekontrol af vekselstrømsmotorerne.

Ved at tilslutte den eksisterende instrumentering direkte til VFD’ens digitale indgange, tilføje yderligere analoge transducere til det hydrauliske system og integrere det hele til VFD’en, vil det generere en mere effektiv styring af aggregatet til en lavere pris og et minimum af vedligeholdelse.

I de seneste år er VFD’er blevet IoT-aktiveret. Når instrumenteringen går direkte ind i VFD’en, opnår brugeren fordelene ved forudsigelig vedligeholdelse for at reducere uønsket nedetid.

Hvordan ville et smart design af en hydraulisk aggregat se ud?

1. Installer en VFD til en hydraulisk pumpemotor og en anden til en kølepumpemotor på varmeveksleren. På missionskritiske hydrauliske aggregater er der redundante motorer til hver motor. I så fald skal du installere separate VFD’er til de redundante motorer.

Sluk alle ventiler i bypass-ledningen. Nødaflastningsventilen skal indstilles således, at den kun kommer ind i billedet, når drevet ikke formår at regulere trykket.

2. Installer en differenstrykføler mellem forsynings- og returløbsrørene ved procesbelastningen (placeret længst væk fra aggregatet). Bestem det trykfald, der er nødvendigt for at opretholde tilstrækkelig strøm gennem det fjerneste procesbelastningspunkt i det hydrauliske netværk. Styr hydraulikpumpens VFD-hastighed ved hjælp af intern PID for at opretholde et tilstrækkeligt differenstryk.
3. Installer en temperaturtransducer ved hydraulikaggregatet for at tilbagemelde olietemperaturen til VFD’en til varmeveksleren og styre kølevandsstrømmen gennem varmeveksleren.
4. Aktiverer IoT på VFD’erne for at sende de intelligente oplysninger til en smartphone med jævne mellemrum og sammenligne oplysninger for at advare en bruger om at træffe proaktive vedligeholdelsesforanstaltninger, når det er nødvendigt.

Binde det hele sammen:

Induktionsmotoren på hydraulikpumpen bør styres af en VFD i stedet for af en starter på tværs af linjen. VFD-hastighedsreferencen kan styres af drevets interne PID-regulator, der modtager feedback fra en differenstryktransducer, der er tilføjet til det hydrauliske system. PID’ens indstillingspunkt vil være at opretholde et tilstrækkeligt dP-tryk på det fjerneste punkt i det hydrauliske netværk.

Det betyder, at VFD’en efter affinitetsreglerne vil køre en hydraulikpumpemotor med en hastighed, der er nødvendig for at opretholde trykindstillingspunktet, i stedet for altid at køre med fuld hastighed, når den kører over linjestarteren, og forbruge strøm i tomgang.

Ved anvendelse af det første princip vil en kombination af en hydraulisk pumpe og en elektrisk motor på en hydraulisk effekt styre olieflowet for at aktivere et stempel eller dreje en hydraulisk motor. Flowet (gpm) er en funktion af oliedisposition pr. omdrejning * omdrejningshastighed. Derfor kan en VFD anvendes til at reducere pumpens hastighed for at styre flowet, når der er behov for et minimalt flow i de perioder, hvor det hydrauliske system er i tomgang.

Under det arbejde, der udføres af det hydrauliske system, opretholdes et vist flow, som er relateret til dP i det fjerneste punkt, idet der tages hensyn til det arbejde, der udføres af aktuatoren, eller til eventuel lækage. Dette konstante flow giver anledning til trykforskel som følge af den modstand, som belastningen giver.

Derfor styrer anvendelsen af VFD PID i et lukket kredsløb motorhastighederne; der opstår ikke overtryk i systemet i tomgangstiderne, og det flow, der er nødvendigt for at opretholde det krævede tryk, leveres i den tid, hvor der udføres arbejde af hydrauliksystemet.

Samlet set kan det ses, at man ved at reducere pumpens hastighed, når systemet er i tomgang, og køre pumpen netop med den nødvendige hastighed for at opretholde tilstrækkeligt flow i den ikke- tomgangsperiode kan spare energi og driftsomkostninger på et system, der er i drift 24/7 i en given anvendelse. Hvis hastigheden ikke reduceres, og olien stadig pumpes uden at udføre noget arbejde, vil den tage den vej med mindst mulig modstand og vende tilbage til reservoiret gennem overtryksventilen, hvilket koster unødvendigt energiforbrug for brugeren.

For det andet kender systemet allerede motorens normale driftshastighed på et system, hvor det er veldefineret dP, der skal opretholdes. Derfor vil en lækage i systemet få pumpen til at køre med en højere hastighed end normalt over tid. Dette indikerer, at pumpen skal indstilles, eller at der er en lækage i systemet. Dette er den prædiktive diagnosefordel ved at bruge en VFD til hydraulikpumpen.

Det er også muligt ved at tilslutte den eksisterende flowafbryder og trykafbryderen til de digitale indgange på drevet, at drevet slukker automatisk, hvis det er programmeret til at udløse, når en af disse afbrydere udløses. Ved at give yderligere intelligent sikkerhed og et IoT-aktiveret drev giver det brugerne en rettidig meddelelse om en nødvendig handling fra vedligeholdelsesholdet.

Viskositeten af olien er en vigtig funktion for at forhindre kavitation af pumpen og opnå det nødvendige flow ved designtrykket. Opretholdelse af olietemperaturen er nøglen til opretholdelse af olieviskositeten. Afhængigt af hydrauliksystemets størrelse har enhederne en eller anden form for varmevekslerenhed til opretholdelse af olietemperaturen. Hvis varmevekslermotoren styres med VFD’en, vil brugen af en PID-regulator til regulering af kølevandsstrømmen baseret på oliens temperatur spare energiomkostninger, da effekten er P (Power) α Ƭ (Motor Torque) * N (Speed).

Da komponenterne i hydraulikaggregatet blev konstrueret og idriftsat med driftsparametre som motorstrøm, motorhastighed og tryk, er enhver ændring i disse parametre over tid en god indikation for brugeren som en del af den prædiktive vedligeholdelsesfunktion. Det advarer brugeren om, at noget har ændret sig i systemet, f.eks. lækage, tab af lejer eller tilstoppede ledninger (derfor kører motoren med en højere hastighed end normalt for at opnå det nødvendige tryk). Med IoT-aktiverede VFD’er er alle disse parametre tilgængelige for brugerne lige ved hånden for at øge brugervenligheden og datahåndteringsoplevelsen.

Sammenfattende kan brugen af VFD’er og noget ekstra instrumentering på hydrauliske aggregater give brugeren energibesparelser, reduceret nedetid og reducerede vedligeholdelsesomkostninger på grund af forudsigelig vedligeholdelse.

Ranbir (Ron) Ghotra er applikationsingeniør for produktlinjen hos Eaton. Ghotra har 20 års global erfaring inden for ingeniørarbejde og ledelse af kontrol- og automatiseringsprojekter, hvor han har løst problemer for forskellige industrier lige fra boliger til luft- og rumfart. Han er en professionel projektleder med en bachelorgrad i elektroteknik og en MBA fra Katz Business School.