Yleiskatsaus:

• Opi, miltä älykkään hydraulisen voimayksikön suunnittelu näyttää.
• Useimmat hydraulipiirit eivät ole jatkuvasti toimiva järjestelmä – energiankulutus tyhjäkäynnin aikana on huomattava.
• VFD:n ja joidenkin lisäinstrumenttien käyttö voi auttaa säästämään energiaa ja vähentämään seisokkiaikoja.

Hydrauliset tehoyksiköt (HPU) paineistavat öljyä hydraulisten laitteiden käyttövoimaksi. Hydrauliset laitteet tuottavat suuremman voiman kuin perinteiset sähköiset ja mekaaniset voimanlähteet, ja niitä voidaan ohjata tarkemmin. Näiltä hydrauliikkajärjestelmiltä vaadittava suorituskyky on korkeampi erityisesti silloin, kun ne toimivat 24/7-prosessiteollisuudessa. Siksi käyttö- ja kunnossapitokustannukset – yhdessä rikkoutumisesta johtuvien seisokkien kanssa – ovat huolenaihe laitoksissa ja toiminnoissa, jotka toimivat 24/7.

Mikä on hydraulinen voimayksikkö?

Hydrauliset tehoyksiköt ovat itsenäisiä yksiköitä, jotka koostuvat moottorista, säiliöstä, paineenrajoitusventtiilistä, suodattimesta, painemittarista, virtausmittarista, lämmönvaihtimesta, painekytkimestä, kelluvasta/tasokytkimestä, lämpötila-anturista ja hydraulipumpusta. Tätä hydraulivoimayksikköä käytetään voiman siirtämiseen paikasta toiseen käyttämällä hydraulimoottoreita tai hydraulisia toimilaitteita.

Miten sähkövoima ja hydraulivoima ovat samanlaisia?

Voidaksemme vetää analogian, hydraulinen tehopaketti auttaa kehittämään painetta samalla tavalla kuin sähköjännite tuotetaan generaattorilla. Toisin sanoen hydraulinen aggregaatti on hydraulijärjestelmän tehogeneraattori samalla tavalla kuin sähkögeneraattori tuottaa potentiaalia, jolla siirretään sähköä generaattoriasemalta ala-asemille, joista se jaetaan edelleen koteihimme.

Tyypillinen aggregaatin yksirivikaavio.

Miten tyypillinen hydrauliaggregaatin aggregaatti toimii ja kuinka se kuluttaa tehoa?

Hydraulisia aggregaatteja käytetään lukemattomissa sovelluksissa terästehtaista, galvanointilaitoksista ja erilaisista teräksen viimeistelylaitoksista huvipuistoihin ja vetureihin. Hydraulivoimalaitetta käytetään voiman siirtämiseen paikasta toiseen hydraulimoottoreiden avulla. Voimalaitteeseen kiinnitetty lämmitin (tai lämmönvaihdin) auttaa pitämään öljyn suunnitellussa viskositeetissa.

Sähköinen induktiomoottori käy vakionopeudella toimittaakseen hydrauliöljyä vakiopaineella hydraulipiiriin. Linjassa oleva virtausmittari osoittaa virtauksen, kun hydrauliöljy tekee työtä paineen alaisena. Kun työtä tehdään, öljy virtaa ja paine laskee (ks. alla oleva kuvaaja).

Näyttää virtausnopeuden ja paineen suhteen.

Kun hydraulipiirissä tehdään työtä tai kun työtä ei tehdä, öljy ei virtaa hydraulijärjestelmän läpi tuolloin. Paine linjassa kasvaa, ja siksi paineenrajoitusventtiili avautuu ohittaakseen öljyn takaisin säiliöön. Painemittari, virtausmittari ja virtauskytkin ovat kaikki osa tärkeitä mittalaitteita, jotka ilmoittavat käyttäjälle, että hydraulipumppu pitää yllä riittävää painetta, jotta hydraulijärjestelmässä saavutetaan vaadittu virtaus.

Järjestelmät, jotka toimivat ympäri vuorokauden esimerkiksi jalostuslaitoksissa, sairaaloissa ja lentokentillä ja joissa on HPU:n vaihtovirtamoottorit kautta linjan, kuluttavat virtaa jatkuvasti, vaikka hydraulijärjestelmä vain työntää öljyä varoventtiilin läpi sen sijaan, että se tekisi todellista työtä. Tällöin se lisää juoksevia kustannuksia energialaskuihin ilman työtä. Kun linjan painetta ja virtausta ohjaavat VFD:t, moottorin nopeutta voidaan pienentää, jolloin paine laskee ja vaikuttaa suoraan energiankulutukseen.

Ajatuksena on alentaa painetta vähentämällä pumpun nopeutta sellaiselle tasolle, että öljyllä ei ole tarpeeksi painetta, jotta sitä ei työnnetä tarpeettomasti varoventtiilin läpi järjestelmän ollessa tyhjäkäynnillä, sen sijaan, että paine pidetään niin alhaisella tasolla, että se pitää linjat täynnä, jotta pumppaus voidaan aloittaa tarpeen mukaan. Vähentämällä moottorin nopeutta taajuusmuuttajan (VFD) avulla ei ainoastaan säästetä virtaa vaan myös vältetään tarpeetonta hukkaa.

Voidaan analysoida tämän tyypillisen hydrauliikkajärjestelmän tehonhallinta- ja instrumentointikomponentteja sekä mahdollisuuksia säästää energia- ja huoltokustannuksissa, vähentää laitteiden seisokkiaikaa ja ottaa käyttöön ennakoiva huolto. Sitä voidaan pitää vaihtoehtoisena lähestymistapana tyypillisen hydraulisen tehojärjestelmän integrointiin.

Traditionaalisesti tehonhallintakomponentit, kuten hydraulipumppujen ja lämmönvaihtimien induktiomoottorit, käynnistetään poikki linjan, mikä aiheuttaa paljon kulumista moottorille ja laitteille.

Koska näitä induktiomoottoreita ei ohjata suhteessa virtaukseen, paineeseen tai lämpötilavaatimukseen, käynnistyksen jälkeen vaihtovirtamoottorit käyvät vakionopeudella, mikä johtaa ei-toivottuun energiankulutukseen joutokäynnin aikana. Kun tiedetään, että useimmat hydraulipiirit eivät ole jatkuvasti toimiva järjestelmä, energiankulutus joutokäynnin aikana on huomattava. Kaikki pumppumoottorin ja lämmönvaihtimen moottorin tyhjäkäynnin aikana kuluttama energia voidaan säästää käyttämällä näissä vaihtovirtamoottoreissa taajuusmuuttajaa.

Viimeisenä mainittakoon, että hydraulisten aggregaattien mittaristoa käytetään perinteisesti joko paineen ja virtauksen näyttämiseen käyttäjälle tai yksikön hätäsulkemiseen. Tämä tehdään siinä tapauksessa, että yksikköön muodostuu korkea paine linjan tukkeutumisen vuoksi, sen sijaan, että näitä mittalaitteita käytettäisiin vaihtovirtamoottoreiden lähisäätöön.

Kytkemällä nykyiset mittalaitteet suoraan VFD:n digitaalisiin tuloihin, lisäämällä hydraulijärjestelmään lisää analogisia antureita ja integroimalla kaikki VFD:hen, saadaan aikaan tehokkaampi voimalaitteen ohjaus alhaisemmilla kustannuksilla ja minimaalisella huollolla.

Viime vuosina VFD:t ovat olleet IoT-yhteensopivia. Kun mittalaitteet menevät suoraan VFD:hen, käyttäjä saa ennakoivan kunnossapidon hyödyn, joka vähentää ei-toivottuja seisokkiaikoja.

Miltä näyttäisi älykkään hydraulisen aggregaatin suunnittelu?

1. Asenna VFD hydraulipumpun moottorille ja toinen jäähdytyspumpun moottorille lämmönvaihtimeen. Tehtäväkriittisissä hydrauliikkakoneistoissa on redundantit moottorit kummallekin. Siinä tapauksessa sinun on asennettava erilliset VFD:t redundantteja moottoreita varten.
2. Sulje kaikki ohituslinjan venttiilit. Hätäpoistoventtiili on asetettava siten, että se tulee kuvaan vain silloin, kun taajuusmuuttaja ei pysty säätelemään painetta.
3. Asenna paine-eroanturi prosessikuorman syöttö- ja paluukanavien väliin (sijaitsee kauimpana voimalaitteesta). Määritä painehäviö, joka tarvitaan ylläpitämään riittävä virtaus hydrauliverkon kauimmaisen prosessikuormituspisteen läpi. Ohjaa hydraulipumpun VFD:n nopeutta sisäisen PID:n avulla riittävän paine-eron ylläpitämiseksi.
4. Asenna hydrauliseen aggregaattiin lämpötila-anturi, joka syöttää öljyn lämpötilan takaisin lämmittimen vaihtimen VFD:hen ja ohjaa jäähdytysveden virtausta lämmönvaihtimen läpi.
5. Ota IoT käyttöön VFD:ssä lähettämään älykkäitä tietoja älypuhelimeen määräajoin ja vertailemaan tietoja, jotta käyttäjä voi tarvittaessa varoittaa ennakoiviin huoltotoimenpiteisiin ryhtymisestä.

Kytke kaikki yhteen:

Hydraulipumpun induktiomoottoria tulisi ohjata VFD:llä eikä linjakäynnistimellä. VFD:n nopeuden referenssiä voidaan ohjata taajuusmuuttajan sisäisellä PID-säätimellä, joka saa palautetta hydraulijärjestelmään lisätystä paine-eromittarista. PID:n asetusarvona on ylläpitää riittävä dP-paine hydrauliverkoston kauimmaisessa pisteessä.

Tämä tarkoittaa sitä, että affiniteettisääntöjen mukaisesti VFD ajaa hydraulipumpun moottoria nopeudella, jota tarvitaan paineen asetuspisteen ylläpitämiseksi sen sijaan, että se toimisi aina täydellä nopeudella, kun se kulkee linjastokäynnistimen poikki ja kuluttaa virtaa tyhjäkäynnin aikana.

Ensimmäistä periaatetta soveltaen hydraulipumpun ja sähkömoottorin yhdistelmä hydraulivoimalla ohjaa öljyn virtausta männän käyttämiseksi tai hydraulimoottorin pyörittämiseksi. Virtaus (gpm) on funktiona öljyn siirtymä kierrosta kohti * pyörimisnopeus. Siksi VFD:tä voidaan käyttää vähentämään pumpun nopeutta virtauksen hallitsemiseksi, kun minimivirtausta tarvitaan silloin, kun hydraulijärjestelmä on käyttämättömänä.

Hydraulijärjestelmän suorittaman työn aikana ylläpidetään tiettyä virtausta, joka liittyy dP:hen kaukaisimmassa pisteessä ottaen huomioon toimilaitteen tekemä työ tai mahdolliset vuodot. Tämä vakiovirtaus synnyttää paine-eron kuorman tarjoaman vastuksen vuoksi.

Siten käyttämällä VFD PID:tä suljetussa silmukassa ohjataan moottorin nopeuksia; järjestelmän ylipaineistumista ei tapahdu joutokäyntiaikoina, ja vaaditun paineen ylläpitämiseen tarvittava virtaus toimitetaan hydraulijärjestelmän tekemän työn aikana.

Kaiken kaikkiaan voidaan nähdä, että vähentämällä pumpun nopeutta järjestelmän ollessa tyhjäkäynnillä ja pyörittämällä pumppua vain vaaditulla nopeudella riittävän virtauksen ylläpitämiseksi tyhjäkäynnin ulkopuolisen vaiheen aikana voidaan säästää energiaa ja käyttökustannuksia järjestelmässä, joka on toiminnassa ympäri vuorokauden missä tahansa sovelluksessa. Jos nopeutta ei alenneta ja öljyä pumpataan edelleen tekemättä mitään työtä, se kulkee pienimmän vastuksen reittiä ja palaa säiliöön paineenrajoitusventtiilin kautta, mikä maksaa käyttäjälle tarpeetonta energiankulutusta.

Toisekseen, järjestelmässä, jossa ylläpidettävä dP on tarkkaan määritelty, järjestelmä tuntee jo moottorin normaalin toimintanopeuden. Siksi järjestelmässä esiintyvä vuoto aiheuttaa sen, että pumppu käy ajan mittaan normaalia suuremmalla nopeudella. Tämä osoittaa, että pumppu tarvitsee viritystä tai että järjestelmässä on vuoto. Tämä on ennakoivan diagnostiikan etu, kun hydraulipumpussa käytetään VFD:tä.

Johdottamalla nykyinen virtauskytkin ja painekytkin taajuusmuuttajan digitaalituloihin taajuusmuuttaja kytkeytyy automaattisesti pois päältä, jos se on ohjelmoitu laukeamaan, kun jompikumpi näistä kytkimistä laukeaa. Tarjoamalla lisää älykästä turvallisuutta ja IoT-yhteensopivan taajuusmuuttajan se antaa käyttäjille oikea-aikaisen ilmoituksen huoltoryhmän tarvitsemasta toimenpiteestä.

Oljyn viskositeetti on tärkeä toiminto pumpun kavitaation estämiseksi ja vaaditun virtauksen saavuttamiseksi suunnittelupaineella. Öljyn lämpötilan ylläpitäminen on avainasemassa öljyn viskositeetin ylläpitämisessä. Hydraulijärjestelmän koosta riippuen yksiköissä on jonkinlainen lämmönvaihdinyksikkö öljyn lämpötilan ylläpitämiseksi. Jos lämmönvaihtimen moottoria ohjataan VFD:llä, PID-säätimen käyttäminen jäähdytysveden virtauksen säätöön öljyn lämpötilan perusteella säästää energiakustannuksia, koska teho on P (teho) α Ƭ (moottorin vääntömomentti) * N (nopeus).

Koska hydrauliikkayksikön komponentit suunniteltiin ja otettiin käyttöön käyttöparametrien, kuten moottorin virran, moottorin kierrosnopeuden ja paineen, avulla, näiden parametrien muuttuminen ajan mittaan on hyvä osoitus käyttäjälle osana ennakoivan kunnossapidon ominaisuutta. Se ilmoittaa käyttäjälle, että jokin on muuttunut järjestelmässä, kuten vuoto, laakerihäviö tai tukkeutuneet linjat (siksi moottori käy normaalia suuremmalla nopeudella vaaditun paineen saavuttamiseksi). IoT-yhteensopivien VFD:iden avulla kaikki nämä parametrit ovat käyttäjien saatavilla käden ulottuvilla, mikä parantaa käyttömukavuutta ja tiedonhallintakokemusta.

Yhteenvetona voidaan todeta, että VFD:n ja joidenkin lisämittalaitteiden käyttö hydraulisissa aggregaateissa voi tarjota käyttäjälle energiansäästöjä, vähentää seisokkiaikoja ja ennakoivan kunnossapidon ansiosta pienempiä kunnossapitokustannuksia.

Ranbir (Ron) Ghotra on Eatonin tuotesarjan sovellusinsinööri. Ghotralla on 20 vuoden maailmanlaajuinen kokemus ohjaus- ja automaatioprojektien suunnittelusta ja johtamisesta, ja hän on ratkaissut ongelmia eri teollisuudenaloilla asuinrakennuksista ilmailu- ja avaruusteollisuuteen. Hän on projektinhallinnan ammattilainen, jolla on sähkötekniikan kandidaatin tutkinto ja MBA-tutkinto Katz Business Schoolista.