Egy pillantás:

• Tudja meg, hogyan néz ki az intelligens hidraulikus erőművek kialakítása.
• A legtöbb hidraulikus áramkör nem folyamatosan működő rendszer – az üresjárati időszakokban jelentős az energiafogyasztás.
• A VFD-k és néhány kiegészítő műszer használata segíthet energiát megtakarítani és csökkenteni az állásidőt.

A hidraulikus tápegységek (HPU) a hidraulikus berendezések működtetéséhez nyomást gyakorolnak az olajra. A hidraulikus berendezések nagyobb erőt biztosítanak, mint a hagyományos elektromos és mechanikus erőgépek, és pontosabban szabályozhatók. Ezektől a hidraulikus rendszerektől nagyobb teljesítményt követelnek meg, különösen akkor, ha 24/7 folyamatiparban működnek. Ezért az üzemeltetési és karbantartási költségek – a meghibásodás miatti állásidővel együtt – aggodalomra adnak okot a 24/7-ben működő üzemek és műveletek esetében.

Mi az a hidraulikus erőforrás?

A hidraulikus erőműegységek olyan önálló egységek, amelyek motorból, tartályból, nyomáscsökkentő szelepből, szűrőből, nyomásmérőből, áramlásmérőből, hőcserélőből, nyomáskapcsolóból, úszó/szintkapcsolóból, hőmérsékletérzékelőből és hidraulikaszivattyúból állnak. Ezt a hidraulikus aggregátot arra használják, hogy hidraulikus motorok vagy hidraulikus működtetők segítségével energiát továbbítsanak egyik helyről a másikra.

Hogyan hasonlít az elektromos és a hidraulikus teljesítmény?

Hasonlattal élve, a hidraulikus aggregát segít a nyomás kialakításában, hasonlóan ahhoz, ahogyan az elektromos feszültséget egy generátor állítja elő. Más szóval, a hidraulikus erőforrás egy hidraulikus rendszer áramfejlesztője, hasonlóan ahhoz, ahogyan egy elektromos generátor potenciált termel, hogy az áramot az erőműből az alállomásokba továbbítsa, ahol aztán az otthonunkba továbbítják.

Típusos erőforrás egyvezetékes diagram.

Hogyan működik és fogyasztja az áramot egy tipikus hidraulikus erőforrás?

A hidraulikus erőgépeket számtalan alkalmazásban használják, az acélművektől kezdve a horganyzóüzemeken és a különböző acélfeldolgozó üzemeken át a vidámparkokig és a mozdonyokig. A hidraulikus erőművet hidraulikus motorok segítségével az egyik helyről a másikra történő erőátvitelre használják. Az erőforráshoz csatlakoztatott fűtőberendezés (vagy hőcserélő) segít az olajat a tervezett viszkozitáson tartani.

Egy elektromos indukciós motor állandó fordulatszámon működik, hogy a hidraulikus olajat állandó nyomáson juttassa a hidraulikus körbe. A vezetékben lévő áramlásmérő jelzi az áramlást, amikor a munkát a nyomás alatt lévő hidraulikaolaj végzi. Amikor a munkát elvégzik, az olaj áramlik, és a nyomás csökken (lásd az alábbi ábrát).

Az áramlási sebességet a nyomás függvényében mutatja.

Amikor a munka befejeződik vagy a hidraulikus kör nem végez munkát, az olaj ekkor nem áramlik a hidraulikus rendszeren keresztül. A vezetékben megnő a nyomás, ezért a nyomáscsökkentő szelep kinyílik, hogy az olajat visszaengedje a tartályba. A nyomásmérő, az áramlásmérő és az áramláskapcsoló mind a fontos műszerek részei, amelyek jelzik a kezelőnek, hogy a hidraulikaszivattyú elegendő nyomást tart fenn ahhoz, hogy a hidraulikarendszerben a szükséges áramlást elérje.

Az olyan helyeken, mint például a feldolgozóüzemek, kórházak és repülőterek, a HPU váltakozó áramú motorjaival a teljes soron folyamatosan áramot fogyasztanak, még akkor is, amikor a hidraulikus rendszer csupán az olajat nyomja át a nyomáscsökkentő szelepen, ahelyett, hogy valódi munkát végezne. Ebben az esetben ez növeli a folyó költséget az energiaszámlákhoz a munka nélkül. A VFD-kkel, amelyek a nyomást és az áramlást szabályozzák a vezetékben, a motor fordulatszáma csökkenthető, így csökkentve a nyomást, ami közvetlenül befolyásolja az energiafogyasztást.

Az ötlet a nyomás csökkentése a szivattyú fordulatszámának olyan szintre való csökkentésével, hogy az olajnak ne legyen elég nyomása ahhoz, hogy szükségtelenül átnyomja a nyomáscsökkentő szelepen, amikor a rendszer üresjáratban van, ahelyett, hogy a nyomást olyan alacsony szinten tartaná, hogy a vezetékeket tele tartja, hogy szükség esetén elindítsa a szivattyúzást. A motor fordulatszámának változó frekvenciájú meghajtó (VFD) segítségével történő csökkentésével nemcsak energiát takarítunk meg, hanem elkerüljük a felesleges pazarlást is.

Ebben a tipikus hidraulikus rendszerben elemezhetjük az energiagazdálkodást és a műszerelemeket, valamint az energia- és karbantartási költségek megtakarításának lehetőségeit, a berendezések állásidejének csökkentését és a prediktív karbantartás bevezetését. Ez egy tipikus hidraulikus energiarendszer integrálásának alternatív megközelítésének tekinthető.

Hagyományosan az energiagazdálkodási komponenseket, például a hidraulikus szivattyúk és hőcserélők indukciós motorjait soron kívül indítják el, ami nagy kopást okoz a motor és a berendezés számára.

Mivel ezeket az indukciós motorokat nem szabályozzák arányosan az áramlással, a nyomással vagy a hőmérsékleti követelményekkel, az indítás után a váltóáramú motorok állandó fordulatszámon futnak, ami az üresjárati időszakban nem kívánt energiafogyasztáshoz vezet. Tudva, hogy a legtöbb hidraulikus kör nem egy folyamatosan működő rendszer, az üresjárati időszakok alatti energiafogyasztás jelentős. A szivattyúmotor és a hőcserélőmotor által az üresjárati időszakban elfogyasztott összes energia megtakarítható, ha VFD-t használunk ezekhez a váltakozó áramú motorokhoz.

Végül a hidraulikus aggregátokon lévő műszereket hagyományosan vagy a nyomás és az áramlás kezelői kijelzésére, vagy az egység vészleállítására használják. Ez arra az esetre történik, ha az egység a vezeték eltömődése miatt magas nyomást épít fel, ahelyett, hogy ezt a műszert a váltóáramú motorok szoros vezérlésére használnák.

A meglévő műszerek közvetlen csatlakoztatásával a VFD digitális bemeneteire, további analóg jelátalakítók hozzáadásával a hidraulikus rendszerhez és mindennek a VFD-be történő integrálásával az erőforrás hatékonyabb vezérlését generálja, alacsonyabb költségek és minimális karbantartás mellett.

Az elmúlt években a VFD-k IoT-képessé váltak. Azzal, hogy a műszerek közvetlenül a VFD-be kerülnek, a felhasználó megszerzi a prediktív karbantartás előnyeit a nem kívánt állásidő csökkentése érdekében.

Milyen lenne egy intelligens hidraulikus erőforrás kialakítása?

1. Telepítsen egy VFD-t a hidraulikaszivattyú motorjához és egy másikat a hűtőszivattyú motorjához a hőcserélőn. A küldetéskritikus hidraulikus aggregátokon mindegyikhez redundáns motorok vannak. Ebben az esetben külön VFD-ket kell telepítenie a redundáns motorokhoz.
2. Zárja el az összes szelepet a megkerülő vezetékben. A vészhelyzeti nyomáscsökkentő szelepet úgy kell beállítani, hogy csak akkor lépjen működésbe, ha a hajtás nem tudja szabályozni a nyomást.
3. Telepítsen egy nyomáskülönbség-érzékelőt a folyamat terhelésénél lévő (a tápegységtől legtávolabb elhelyezkedő) táp- és visszatérő gyűjtőcsonkok közé. Határozza meg azt a nyomásesést, amely ahhoz szükséges, hogy a hidraulikus hálózat legtávolabbi folyamatterhelési pontján keresztül elegendő áramlást tartson fenn. Szabályozza a hidraulikaszivattyú VFD fordulatszámát belső PID segítségével, hogy elegendő nyomáskülönbséget tartson fenn.
4. Telepítsen egy hőmérséklet-jelátalakítót a hidraulikus erőforráshoz, hogy az olaj hőmérsékletét visszatáplálja a hőcserélő VFD-hez, és szabályozza a hűtővíz áramlását a hőcserélőn keresztül.
5. Engedélyezze az IoT-t a VFD-ken, hogy az intelligens információkat rendszeresen elküldje egy okostelefonra, összehasonlítva az információkat annak érdekében, hogy figyelmeztesse a felhasználót, hogy szükség esetén proaktív karbantartási intézkedéseket tegyen.

Az egészet összekötve:

A hidraulikaszivattyú indukciós motorját a vezetékindító helyett VFD-vel kellene vezérelni. A VFD fordulatszám-referenciát a meghajtó belső PID-vezérlője vezérelheti, amely a hidraulikus rendszerhez hozzáadott nyomáskülönbség-jelátalakítótól kap visszajelzést. A PID beállítási pontja az lesz, hogy elegendő dP nyomást tartson fenn a hidraulikahálózat legtávolabbi pontján.

Ez azt jelenti, hogy az affinitási szabályokat követve a VFD a hidraulikaszivattyú motorját a nyomásbeállítási pont fenntartásához szükséges fordulatszámon fogja működtetni, ahelyett, hogy mindig teljes fordulatszámon futna, amikor a vezetékindítón keresztül fut, és üresjáratban fogyasztja az energiát.

Az első elvet alkalmazva egy hidraulikus szivattyú és egy villanymotor kombinációja egy hidraulikus teljesítményen szabályozza az olajáramlást egy dugattyú működtetéséhez vagy egy hidraulikus motor forgatásához. Az áramlás (gpm) a fordulatonkénti olajkiszorítás * fordulatszám függvénye. Ezért egy VFD használható a szivattyú fordulatszámának csökkentésére, hogy szabályozza az áramlást, amikor a minimális áramlásra van szükség a hidraulikus rendszer üresjárati idejében.

A hidraulikus rendszer által végzett munka során bizonyos áramlást tartanak fenn, amely a dP-hez kapcsolódik a legtávolabbi ponton, figyelembe véve a működtető által végzett munkát vagy bármilyen szivárgást. Ez az állandó áramlás a terhelés által nyújtott ellenállás miatt nyomáskülönbséget eredményez.

Ezért a VFD PID zárt hurokban történő használata szabályozza a motor fordulatszámát; a rendszer túlnyomásosodása nem következik be az üresjárati időkben, és a szükséges nyomás fenntartásához szükséges áramlás a hidraulikus rendszer által végzett munka ideje alatt történik.

Összességében látható, hogy a szivattyú fordulatszámának csökkentésével, amikor a rendszer üresjáratban van, és a szivattyúnak csak az elegendő áramlás fenntartásához szükséges fordulatszámon való működtetésével a nem üresjárati fázisban energiát és üzemeltetési költségeket lehet megtakarítani egy olyan rendszernél, amely bármely adott alkalmazásban 24/7-ben üzemel. Ha a fordulatszámot nem csökkentik, és az olajat továbbra is szivattyúzzák anélkül, hogy munkát végezne, az a legkisebb ellenállás útját választja, és a nyomáscsökkentő szelepen keresztül visszatér a tartályba, felesleges energiafelhasználásba kerülve a felhasználónak.

Másrészt egy olyan rendszernél, ahol jól meghatározott dP-t kell fenntartani, a rendszer már ismeri a motor normál üzemi fordulatszámát. Ezért a rendszerben bekövetkező szivárgás esetén a szivattyú idővel a normálisnál magasabb fordulatszámon fog működni. Ez azt jelzi, hogy a szivattyúnak hangolásra van szüksége, vagy hogy szivárgás van a rendszerben. Ez az előnye a hidraulikaszivattyú VFD használatának a prediktív diagnosztikában.

Azzal, hogy a meglévő áramláskapcsolót és a nyomáskapcsolót a meghajtó digitális bemeneteire kapcsolja, a meghajtó automatikusan kikapcsol, ha úgy van programozva, hogy a kapcsolók bármelyikének kioldásakor kioldjon. A további intelligens biztonság és az IoT-képes hajtás révén a felhasználók időben értesítést kapnak a karbantartó csapat által szükséges intézkedésről.

Az olaj viszkozitása fontos funkció a szivattyú esetleges kavitációjának megelőzése és a kívánt áramlás elérése érdekében a tervezési nyomáson. Az olaj hőmérsékletének fenntartása kulcsfontosságú az olaj viszkozitásának fenntartásához. A hidraulikus rendszer méretétől függően az egységek rendelkeznek valamilyen hőcserélő egységgel az olaj hőmérsékletének fenntartására. Ha a hőcserélő motort a VFD vezérli, a hűtővíz áramlásának az olaj hőmérséklete alapján történő szabályozására szolgáló PID-szabályozó használatával energiaköltségeket takaríthat meg, mivel a teljesítmény P (teljesítmény) α Ƭ (motor nyomatéka) * N (sebesség).

Mivel a hidraulikus aggregát alkatrészeit olyan működési paraméterekkel tervezték és helyezték üzembe, mint a motoráram, motorfordulatszám és nyomás, e paraméterek időbeli változása jó jelzés a felhasználó számára a megelőző karbantartási funkció részeként. Figyelmezteti a felhasználót, hogy valami megváltozott a rendszerben, például szivárgás, csapágyvesztés vagy eltömődött vezetékek (ezért a motor a normálisnál nagyobb fordulatszámon működik a szükséges nyomás elérése érdekében). Az IoT-kompatibilis VFD-kkel mindezek a paraméterek a felhasználók számára ujjhegyről elérhetőek, hogy fokozzák a könnyű használatot és az adatkezelési élményt.

Összefoglalva, a VFD-k és néhány kiegészítő műszer használata a hidraulikus aggregátokon energiamegtakarítást, csökkentett állásidőt és a megelőző karbantartásnak köszönhetően csökkentett karbantartási költségeket biztosíthat a felhasználó számára.

Ranbir (Ron) Ghotra az Eaton termékcsalád alkalmazásmérnöke. Ghotra 20 éves globális tapasztalattal rendelkezik a vezérlési és automatizálási projektek tervezésében és irányításában, különböző iparágak problémáinak megoldásában, a lakóépületektől a repülőgépiparig. Projektmenedzsment szakember, villamosmérnöki alapdiplomával és a Katz Business School MBA diplomájával.