En bref :

• Apprenez à quoi ressemble la conception d’un groupe hydraulique intelligent.
• La plupart des circuits hydrauliques ne sont pas un système fonctionnant en continu – la consommation d’énergie pendant les périodes d’inactivité est importante.
• L’utilisation des VFD et de certains instruments supplémentaires peut aider à économiser de l’énergie et à réduire les temps d’arrêt.

Les unités de puissance hydraulique (HPU) pressurisent l’huile pour alimenter l’équipement hydraulique. Les équipements hydrauliques fournissent des quantités de force plus élevées que les moteurs électriques et mécaniques traditionnels et peuvent être contrôlés avec plus de précision. Les performances exigées de ces systèmes hydrauliques sont plus élevées, surtout lorsqu’ils fonctionnent dans une industrie de transformation 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7. Par conséquent, les coûts d’exploitation et de maintenance – ainsi que les temps d’arrêt dus aux pannes – sont une préoccupation pour les usines et les opérations qui fonctionnent 24/7.

Qu’est-ce qu’une unité de puissance hydraulique ?

Les groupes hydrauliques sont des unités autonomes qui se composent d’un moteur, d’un réservoir, d’une soupape de décharge, d’un filtre, d’un manomètre, d’un débitmètre, d’un échangeur thermique, d’un pressostat, d’un interrupteur à flotteur/niveau, d’un capteur de température et d’une pompe hydraulique. Ce groupe hydraulique est utilisé pour transférer de la puissance d’un endroit à un autre en utilisant des moteurs hydrauliques ou des actionneurs hydrauliques.

Comment l’énergie électrique et l’énergie hydraulique se ressemblent-elles ?

Pour faire une analogie, le groupe hydraulique aide à développer la pression de la même manière que la tension électrique est générée par un générateur. En d’autres termes, un groupe hydraulique est un générateur de puissance pour un système hydraulique de la même manière qu’un générateur électrique produit du potentiel pour transférer la puissance de la centrale aux sous-stations pour une distribution ultérieure dans nos foyers.

Schéma unifilaire d’un groupe hydraulique typique.

Comment un groupe hydraulique typique fonctionne-t-il et consomme-t-il de la puissance ?

Les groupes hydrauliques sont utilisés dans d’innombrables applications, depuis les aciéries, les usines de galvanisation et diverses usines de finition de l’acier jusqu’aux parcs d’attractions et aux locomotives. Le groupe hydraulique est utilisé pour transférer la puissance d’un endroit à un autre en utilisant des moteurs hydrauliques. Un réchauffeur (ou un échangeur de chaleur) fixé au groupe moteur permet de maintenir l’huile à la viscosité prévue.

Un moteur électrique à induction tourne à vitesse constante pour délivrer l’huile hydraulique à une pression constante au circuit hydraulique. Le débitmètre dans la ligne indique le débit lorsque le travail est effectué par l’huile hydraulique sous pression. Lorsque le travail est effectué, l’huile circule et la pression diminue (voir le tracé ci-dessous).

Montrant le débit en fonction de la pression.

Lorsque le travail est terminé ou n’est pas effectué par le circuit hydraulique, l’huile ne circule pas dans le circuit hydraulique à ce moment-là. La pression dans la conduite augmente et, par conséquent, le limiteur de pression s’ouvre pour dériver l’huile vers le réservoir. Le manomètre, le débitmètre et le commutateur de débit font tous partie d’une instrumentation importante qui indique à un opérateur que la pompe hydraulique maintient une pression suffisante, de manière à obtenir le débit requis dans le système hydraulique.

Les systèmes qui fonctionnent 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 dans des endroits tels que les usines de transformation, les hôpitaux et les aéroports, avec des moteurs à courant alternatif HPU sur toute la ligne, consomment de l’énergie en permanence, même lorsque le système hydraulique ne fait que pousser l’huile à travers la soupape de décharge plutôt que de faire le vrai travail. Dans ce cas, il ajoute un coût de fonctionnement aux factures d’énergie pour un travail inexistant. Avec des VFD contrôlant la pression et le débit dans la ligne, la vitesse du moteur peut être réduite, donc réduire la pression pour impacter directement la consommation d’énergie.

L’idée est de réduire la pression en réduisant la vitesse de la pompe à un niveau tel que l’huile n’a pas assez de pression pour être poussée inutilement à travers la soupape de décharge lorsque le système est au ralenti, plutôt que de maintenir la pression à des niveaux si bas qu’elle maintient les lignes remplies, pour commencer à pomper si nécessaire. En réduisant la vitesse du moteur à l’aide d’un variateur de fréquence (VFD), nous économisons non seulement de l’énergie, mais évitons également les gaspillages inutiles.

Nous pouvons analyser la gestion de l’énergie et les composants d’instrumentation dans ce système hydraulique typique, ainsi que les possibilités d’économiser sur les coûts d’énergie et de maintenance, de réduire les temps d’arrêt de l’équipement et de déployer une maintenance prédictive. Cela peut être considéré comme une approche alternative à l’intégration d’un système de puissance hydraulique typique.

Traditionnellement, les composants de gestion de la puissance tels que les moteurs à induction pour les pompes hydrauliques et les échangeurs de chaleur sont démarrés à travers la ligne, ce qui entraîne beaucoup d’usure pour le moteur et l’équipement.

Parce que ces moteurs à induction ne sont pas contrôlés proportionnellement au débit, à la pression ou à l’exigence de température, une fois démarrés, les moteurs à courant alternatif fonctionnent à une vitesse constante qui entraîne une consommation d’énergie indésirable pendant la période d’inactivité. Sachant que la plupart des circuits hydrauliques ne sont pas un système fonctionnant en continu, la consommation d’énergie pendant les périodes d’inactivité est substantielle. Toute l’énergie consommée par le moteur de la pompe et le moteur de l’échangeur de chaleur pendant la période d’inactivité peut être conservée en utilisant un VFD pour ces moteurs AC.

Enfin, l’instrumentation qui se trouve sur les groupes hydrauliques est traditionnellement déployée soit pour l’affichage de la pression et du débit par l’opérateur, soit pour un arrêt d’urgence de l’unité. Ceci est fait au cas où l’unité accumule une pression élevée en raison d’une obstruction de la ligne, plutôt que d’utiliser cette instrumentation pour un contrôle en boucle fermée des moteurs AC.

En connectant l’instrumentation existante directement dans les entrées numériques du VFD, en ajoutant des transducteurs analogiques supplémentaires au système hydraulique et en intégrant le tout au VFD, cela générera un contrôle plus efficace du groupe moteur, à un coût moindre et une maintenance minimale.

Ces dernières années, les VFD ont été dotés d’une fonction IoT. L’instrumentation allant directement dans le VFD, l’utilisateur acquiert l’avantage de la maintenance prédictive pour réduire les temps d’arrêt indésirables.

À quoi ressemblerait la conception d’un groupe hydraulique intelligent ?

1. Installer un VFD pour un moteur de pompe hydraulique et un autre pour un moteur de pompe de refroidissement sur l’échangeur de chaleur. Sur les groupes hydrauliques critiques, il y a des moteurs redondants pour chacun. Dans ce cas, vous devriez installer des VFD séparés pour les moteurs redondants.
2. Fixez toutes les vannes de la ligne de dérivation. La soupape de décharge d’urgence doit être réglée de telle sorte qu’elle n’entre en jeu que lorsque l’entraînement ne parvient pas à réguler la pression.
3. Installez un capteur de pression différentielle entre les collecteurs d’alimentation et de retour à la charge du processus (situé à la distance la plus éloignée du groupe moteur). Déterminez la chute de pression nécessaire pour maintenir un débit suffisant à travers le point de charge du processus le plus éloigné dans le réseau hydraulique. Contrôlez la vitesse du VFD de la pompe hydraulique en utilisant le PID interne pour maintenir une pression différentielle suffisante.
4. Installez un transducteur de température au niveau du groupe hydraulique pour renvoyer la température de l’huile au VFD de l’échangeur de chaleur et contrôler le débit d’eau de refroidissement à travers l’échangeur de chaleur.
5. Activer l’IoT sur les VFD pour envoyer les informations intelligentes à un smartphone de manière périodique, en comparant les informations afin d’alerter un utilisateur pour qu’il prenne des mesures de maintenance proactives lorsque cela est nécessaire.

Relier le tout : Comment un groupe hydraulique intelligent fonctionnerait-il efficacement avec des temps d’arrêt prévisibles ?

Le moteur à induction sur la pompe hydraulique devrait être contrôlé par un VFD plutôt que par un démarreur à travers la ligne. La référence de vitesse du VFD peut être contrôlée par le contrôleur PID interne de l’entraînement qui reçoit une rétroaction d’un transducteur de pression différentielle ajouté au système hydraulique. Le point de consigne du PID sera de maintenir une pression dP suffisante au point le plus éloigné du réseau hydraulique.

Ce que cela signifie, c’est qu’en suivant les règles d’affinité, le VFD fera fonctionner un moteur de pompe hydraulique à une vitesse requise pour maintenir le point de consigne de la pression plutôt que de toujours fonctionner à pleine vitesse lorsqu’il traverse le démarreur de ligne, consommant de l’énergie pendant le ralenti.

En appliquant le premier principe, une combinaison pompe hydraulique et moteur électrique sur une puissance hydraulique va contrôler le débit d’huile pour actionner un piston ou faire tourner un moteur hydraulique. Le débit (gpm) est fonction du déplacement d’huile par révolution * vitesse de rotation. Par conséquent, un VFD peut être utilisé pour réduire la vitesse de la pompe pour contrôler le débit lorsque le débit minimum est requis pendant les périodes où le système hydraulique est inactif.

Pendant le travail exécuté par le système hydraulique, un certain débit est maintenu qui est lié à dP au point le plus éloigné, en tenant compte du travail effectué par l’actionneur ou de toute fuite. Ce débit constant donne lieu à une différence de pression due à la résistance offerte par la charge.

Par conséquent, l’utilisation du VFD PID dans une boucle fermée contrôle les vitesses du moteur ; la surpression du système ne se produit pas pendant les temps morts, et le débit nécessaire pour maintenir la pression requise est fourni pendant le temps de travail effectué par le système hydraulique.

Dans l’ensemble, on peut voir qu’en réduisant la vitesse de la pompe lorsque le système est au ralenti et en faisant fonctionner la pompe juste à la vitesse requise pour maintenir un débit suffisant pendant la phase de non-ralenti, on peut économiser de l’énergie et des coûts de fonctionnement sur un système qui fonctionne 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 dans une application donnée. Si la vitesse n’est pas réduite et que l’huile est toujours pompée sans effectuer de travail, elle prendra le chemin de moindre résistance et retournera au réservoir à travers la soupape de décharge, ce qui coûtera une utilisation d’énergie inutile pour l’utilisateur.

Deuxièmement, sur un système où c’est une dP bien définie qui doit être maintenue, le système connaît déjà la vitesse de fonctionnement normale du moteur. Par conséquent, un événement de fuite dans le système fera que la pompe fonctionnera à une vitesse supérieure à la normale au fil du temps. Cela indique que la pompe doit être réglée ou qu’il y a une fuite dans le système. C’est l’avantage du diagnostic prédictif de l’utilisation d’un VFD pour la pompe hydraulique.

En outre, en câblant le commutateur de débit existant et le commutateur de pression aux entrées numériques du variateur, le variateur s’arrêtera automatiquement s’il est programmé pour se déclencher lorsque l’un de ces commutateurs se déclenche. En fournissant une sécurité intelligente supplémentaire et un variateur compatible IoT, il donne aux utilisateurs une notification opportune d’une action requise par l’équipe de maintenance.

La viscosité de l’huile est une fonction importante pour empêcher toute cavitation de la pompe et atteindre le débit requis à la pression de conception. Le maintien de la température de l’huile est essentiel pour maintenir la viscosité de l’huile. Selon la taille du système hydraulique, les unités disposent d’une sorte d’échangeur de chaleur pour maintenir la température de l’huile. Si le moteur de l’échangeur de chaleur est contrôlé par le VFD, l’utilisation d’un contrôleur PID pour réguler le débit d’eau de refroidissement en fonction de la température de l’huile permettra d’économiser des coûts énergétiques, car la puissance est P (Puissance) α Ƭ (Couple moteur) * N (Vitesse).

Parce que les composants du groupe hydraulique ont été conçus et mis en service avec des paramètres de fonctionnement tels que le courant du moteur, la vitesse du moteur et la pression, tout changement de ces paramètres au fil du temps est une bonne indication pour l’utilisateur dans le cadre de la fonction de maintenance prédictive. Il alerte l’utilisateur que quelque chose a changé dans le système, comme une fuite, une perte de roulement ou des conduites bouchées (d’où le moteur tourne à une vitesse plus élevée que la normale pour atteindre la pression requise). Avec les VFD compatibles avec l’IoT, tous ces paramètres sont accessibles aux utilisateurs du bout des doigts pour améliorer la facilité d’utilisation et l’expérience de gestion des données.

En résumé, l’utilisation des VFD et de certains instruments supplémentaires sur les groupes hydrauliques peut permettre à l’utilisateur de réaliser des économies d’énergie, de réduire les temps d’arrêt et de réduire les coûts de maintenance grâce à la maintenance prédictive.

Ranbir (Ron) Ghotra est ingénieur d’application de la ligne de produits chez Eaton. Ghotra a 20 ans d’expérience mondiale dans l’ingénierie et la gestion de projets de contrôle et d’automatisation, résolvant des problèmes pour diverses industries allant du résidentiel à l’aérospatial. C’est un professionnel de la gestion de projet, titulaire d’une licence en génie électrique et d’un MBA de la Katz Business School.