De un vistazo:

• Aprenda cómo es el diseño de las centrales hidráulicas inteligentes.
• La mayoría de los circuitos hidráulicos no son un sistema de funcionamiento continuo: el consumo de energía durante los períodos de inactividad es considerable.
• El uso de los VFD y de alguna instrumentación adicional puede ayudar a ahorrar energía y a reducir el tiempo de inactividad.

Las unidades de potencia hidráulica (HPU) presurizan el aceite para accionar los equipos hidráulicos. Los equipos hidráulicos proporcionan mayores cantidades de fuerza que los motores primarios eléctricos y mecánicos tradicionales y pueden controlarse con mayor precisión. El rendimiento que se exige a estos sistemas hidráulicos es mayor, sobre todo cuando operan en una industria de procesos 24/7. Por lo tanto, los costes de operación y mantenimiento -junto con el tiempo de inactividad debido a las averías- son una preocupación para las plantas y operaciones que funcionan 24 horas al día, 7 días a la semana.

¿Qué es una unidad de potencia hidráulica?

Las unidades de potencia hidráulica son unidades autónomas que constan de un motor, un depósito, una válvula de alivio de presión, un filtro, un manómetro, un caudalímetro, un intercambiador de calor, un presostato, un interruptor de flotador/nivel, un sensor de temperatura y una bomba hidráulica. Este grupo hidráulico se utiliza para transferir energía de un lugar a otro mediante el uso de motores hidráulicos o actuadores hidráulicos.

¿En qué se parecen la energía eléctrica y la hidráulica?

Para establecer una analogía, el grupo hidráulico ayuda a desarrollar la presión de forma similar a la que genera la tensión eléctrica un generador. En otras palabras, una central hidráulica es un generador de energía para un sistema hidráulico de la misma manera que un generador eléctrico produce potencial para transferir energía desde la estación generadora a las subestaciones para su posterior distribución a nuestros hogares.

Diagrama unifilar de una central típica.

¿Cómo funciona y consume energía una central hidráulica típica?

Los grupos hidráulicos se utilizan en innumerables aplicaciones, desde acerías, plantas de galvanización y diversas plantas de acabado del acero hasta parques de atracciones y locomotoras. El grupo hidráulico se utiliza para transferir energía de un lugar a otro mediante el uso de motores hidráulicos. Un calentador (o un intercambiador de calor) unido a la centralita ayuda a mantener el aceite a la viscosidad diseñada.

Un motor eléctrico de inducción funciona a velocidad constante para suministrar el aceite hidráulico a una presión constante al circuito hidráulico. El medidor de flujo en la línea indica el flujo cuando el trabajo está siendo realizado por el aceite hidráulico bajo presión. Cuando se realiza el trabajo, el aceite está fluyendo y la presión disminuye (véase el gráfico siguiente).

Se muestra el caudal frente a la presión.

Cuando el trabajo se completa o no está siendo realizado por el circuito hidráulico, el aceite no está fluyendo a través del sistema hidráulico en ese momento. La presión en la línea aumenta y, por lo tanto, la válvula de alivio de presión se abre para derivar el aceite de vuelta al depósito. El manómetro, el medidor de flujo y el interruptor de flujo son parte de la instrumentación importante que indica a un operador que la bomba hidráulica está manteniendo suficiente presión, a fin de lograr el flujo requerido en el sistema hidráulico.

Los sistemas que funcionan 24 horas al día, 7 días a la semana, en lugares como plantas de procesamiento, hospitales y aeropuertos, con motores de CA HPU en toda la línea, consumen energía continuamente, incluso cuando el sistema hidráulico está simplemente empujando el aceite a través de la válvula de alivio en lugar de hacer el trabajo real. En este caso, se añaden costes de funcionamiento a las facturas de energía para no realizar ningún trabajo. Con los VFD que controlan la presión y el caudal en la línea, se puede reducir la velocidad del motor, con lo que se reduce la presión para incidir directamente en el consumo de energía.

La idea es reducir la presión mediante la reducción de la velocidad de la bomba a un nivel tal que el aceite no tenga suficiente presión para ser empujado innecesariamente a través de la válvula de alivio cuando el sistema está al ralentí, en lugar de mantener la presión a niveles tan bajos que mantenga las líneas llenas, para comenzar a bombear cuando sea necesario. Al reducir la velocidad del motor mediante un accionamiento de frecuencia variable (VFD), no sólo ahorramos energía sino que también evitamos el despilfarro innecesario.

Podemos analizar la gestión de la energía y los componentes de instrumentación en este sistema hidráulico típico, junto con las oportunidades de ahorrar en costes de energía y mantenimiento, reducir el tiempo de inactividad del equipo y desplegar el mantenimiento predictivo. Puede verse como un enfoque alternativo a la integración de un sistema típico de energía hidráulica.

Tradicionalmente, los componentes de gestión de la energía, como los motores de inducción para las bombas hidráulicas y los intercambiadores de calor, se ponen en marcha a través de la línea, lo que provoca un gran desgaste para el motor y el equipo.

Debido a que estos motores de inducción no se controlan de forma proporcional al caudal, la presión o la temperatura requerida, una vez arrancados, los motores de corriente alterna funcionan a una velocidad constante que provoca un consumo de energía no deseado durante el periodo de inactividad. Sabiendo que la mayoría de los circuitos hidráulicos no son un sistema de funcionamiento continuo, el consumo de energía durante los períodos de inactividad es considerable. Toda la energía consumida por el motor de la bomba y el motor del intercambiador de calor durante el período de inactividad puede conservarse utilizando un VFD para estos motores de CA.

Por último, la instrumentación que se encuentra en los grupos hidráulicos se despliega tradicionalmente para la visualización de la presión y el flujo por parte del operador o para un cierre de emergencia de la unidad. Esto se hace en caso de que la unidad acumule alta presión debido a un atasco en la línea, en lugar de utilizar esta instrumentación para un control de bucle cerrado de los motores de CA.

Conectando la instrumentación existente directamente a las entradas digitales del VFD, añadiendo transductores analógicos adicionales al sistema hidráulico e integrando todo al VFD, se generará un control más eficiente del grupo, con un coste menor y un mantenimiento mínimo.

En los últimos años, los VFD se han habilitado para el IoT. Con la instrumentación que va directamente al VFD, el usuario adquiere el beneficio del mantenimiento predictivo para reducir el tiempo de inactividad no deseado.

¿Cómo sería el diseño de un grupo hidráulico inteligente?

1. Instalar un VFD para un motor de bomba hidráulica y otro para un motor de bomba de refrigeración en el intercambiador de calor. En los grupos hidráulicos de misión crítica hay motores redundantes para cada uno. En ese caso, tendría que instalar VFD separados para los motores redundantes.
2. Cierre todas las válvulas de la línea de derivación. La válvula de alivio de emergencia debe ajustarse de modo que sólo entre en acción cuando el accionamiento no regule la presión.
3. Instale un sensor de presión diferencial entre los colectores de suministro y de retorno en la carga del proceso (situado a la mayor distancia de la unidad motriz). Determine la caída de presión necesaria para mantener un caudal suficiente a través del punto de carga de proceso más lejano de la red hidráulica. Controle la velocidad del VFD de la bomba hidráulica utilizando el PID interno para mantener una presión diferencial suficiente.
4. Instale un transductor de temperatura en el grupo hidráulico para retroalimentar la temperatura del aceite al VFD del intercambiador de calor y controlar el flujo de agua de refrigeración a través del intercambiador de calor.
5. Habilitar el IoT en los VFD para enviar la información inteligente a un smartphone periódicamente, comparando la información con el fin de alertar a un usuario para que tome medidas de mantenimiento proactivas cuando sea necesario.

Uniendo todo: ¿Cómo funcionaría una central hidráulica inteligente con un tiempo de inactividad predecible?

El motor de inducción de la bomba hidráulica debería estar controlado por un VFD en lugar de por un arrancador de línea. La referencia de velocidad del VFD puede ser controlada por el controlador PID interno de la unidad que recibe retroalimentación de un transductor de presión diferencial añadido al sistema hidráulico. El punto de ajuste para el PID será mantener suficiente presión dP en el punto más lejano de la red hidráulica.

Lo que esto significa es que, siguiendo las reglas de afinidad, el VFD hará funcionar el motor de la bomba hidráulica a la velocidad necesaria para mantener el punto de ajuste de la presión en lugar de funcionar siempre a toda velocidad cuando se ejecuta a través del arrancador de línea, consumiendo energía mientras está en ralentí.

Aplicando el primer principio, una combinación de bomba hidráulica y motor eléctrico en una potencia hidráulica controlará el flujo de aceite para accionar un pistón o girar un motor hidráulico. El flujo (gpm) es una función de desplazamiento de aceite por revolución * velocidad de rotación. Por lo tanto, un VFD se puede utilizar para reducir la velocidad de la bomba para controlar el flujo cuando se requiere el flujo mínimo durante los tiempos que el sistema hidráulico está inactivo.

Durante el trabajo ejecutado por el sistema hidráulico, se mantiene un determinado caudal que está relacionado con dP en el punto más alejado, teniendo en cuenta el trabajo realizado por el actuador o cualquier fuga. Este caudal constante da lugar a una diferencia de presión debida a la resistencia ofrecida por la carga.

Por lo tanto, utilizando el PID del VFD en un bucle cerrado se controlan las velocidades del motor; la sobrepresurización del sistema no se produce durante los tiempos de inactividad, y el caudal necesario para mantener la presión requerida se suministra durante el tiempo de trabajo que realiza el sistema hidráulico.

En general, se puede ver que reduciendo la velocidad de la bomba cuando el sistema está en ralentí y haciendo funcionar la bomba justo a la velocidad requerida para mantener un caudal suficiente durante la fase de no ralentí, se puede ahorrar energía y costes de funcionamiento en un sistema que está en funcionamiento las 24 horas del día en cualquier aplicación. Si no se reduce la velocidad y el aceite sigue siendo bombeado sin hacer ningún trabajo, tomará el camino de menor resistencia y volverá al depósito a través de la válvula de alivio de presión, costando un uso innecesario de energía para el usuario.

En segundo lugar, en un sistema en el que está bien definida la dP que hay que mantener, el sistema ya conoce la velocidad normal de funcionamiento del motor. Por lo tanto, un evento de fuga en el sistema hará que la bomba funcione a una velocidad superior a la normal con el tiempo. Esto indica que la bomba necesita una puesta a punto o que hay una fuga en el sistema. Esta es la ventaja de diagnóstico predictivo de utilizar un VFD para la bomba hidráulica.

Además, al cablear el interruptor de flujo existente y el interruptor de presión a las entradas digitales del variador, el variador se apagará automáticamente si está programado para dispararse cuando cualquiera de estos interruptores se active. Al proporcionar una seguridad inteligente adicional y un accionamiento habilitado para el IoT, proporciona a los usuarios una notificación oportuna de una acción requerida por el equipo de mantenimiento.

La viscosidad del aceite es una función importante para prevenir cualquier cavitación de la bomba y alcanzar el flujo requerido a la presión de diseño. El mantenimiento de la temperatura del aceite es clave para mantener la viscosidad del mismo. Dependiendo del tamaño del sistema hidráulico, las unidades tienen algún tipo de unidad de intercambio de calor para mantener la temperatura del aceite. Si el motor del intercambiador de calor se controla con el VFD, el uso de un controlador PID para regular el flujo de agua de refrigeración basado en la temperatura del aceite ahorrará costes de energía, ya que la potencia es P (Potencia) α Ƭ (Par del motor) * N (Velocidad).

Debido a que los componentes del grupo hidráulico fueron diseñados y puestos en marcha con parámetros de funcionamiento como la corriente del motor, la velocidad del motor y la presión, cualquier cambio en estos parámetros con el tiempo es una buena indicación para el usuario como parte de la función de mantenimiento predictivo. Alerta al usuario de que algo ha cambiado en el sistema, como una fuga, una pérdida de cojinetes o líneas obstruidas (de ahí que el motor esté funcionando a una velocidad más alta de lo normal para alcanzar la presión requerida). Con los VFD habilitados para IoT, todos estos parámetros están a disposición de los usuarios al alcance de su mano para mejorar la facilidad de uso y la experiencia de gestión de datos.

En resumen, el uso de los VFD y de alguna instrumentación adicional en las centrales hidráulicas puede proporcionar al usuario un ahorro de energía, una reducción del tiempo de inactividad y un menor coste de mantenimiento gracias al mantenimiento predictivo.

Ranbir (Ron) Ghotra es ingeniero de aplicaciones de la línea de productos de Eaton. Ghotra tiene 20 años de experiencia global en ingeniería y gestión de proyectos de control y automatización, resolviendo problemas para diversas industrias que van desde la residencial hasta la aeroespacial. Es un profesional de la gestión de proyectos con una licenciatura en ingeniería eléctrica y un MBA por la Katz Business School.