Auf einen Blick:

• Lernen Sie, wie ein intelligentes Hydraulikaggregat aussieht.
• Die meisten Hydraulikkreise sind kein kontinuierlich arbeitendes System – der Energieverbrauch während der Stillstandszeiten ist erheblich.
• Der Einsatz von VFDs und einigen zusätzlichen Instrumenten kann helfen, Energie zu sparen und Ausfallzeiten zu reduzieren.

Hydraulikaggregate (HPUs) setzen Öl unter Druck, um hydraulische Geräte anzutreiben. Hydraulische Anlagen bieten eine höhere Kraft als herkömmliche elektrische und mechanische Antriebe und lassen sich präziser steuern. Die Leistungsanforderungen an diese hydraulischen Systeme sind höher, insbesondere wenn sie in der Prozessindustrie rund um die Uhr betrieben werden. Daher sind die Betriebs- und Wartungskosten – zusammen mit den Ausfallzeiten aufgrund von Störungen – ein Problem für Anlagen und Betriebe, die rund um die Uhr laufen.

Was ist ein Hydraulikaggregat?

Hydraulikaggregate sind in sich geschlossene Einheiten, die aus einem Motor, einem Behälter, einem Überdruckventil, einem Filter, einem Druckmesser, einem Durchflussmesser, einem Wärmetauscher, einem Druckschalter, einem Schwimmer-/Niveauschalter, einem Temperatursensor und einer Hydraulikpumpe bestehen. Dieses Hydraulikaggregat dient zur Übertragung von Leistung von einem Ort zum anderen unter Verwendung von Hydraulikmotoren oder hydraulischen Stellgliedern.

Wie unterscheiden sich elektrische Energie und hydraulische Energie?

Um eine Analogie zu ziehen, hilft das Hydraulikaggregat bei der Druckentwicklung in ähnlicher Weise, wie elektrische Spannung von einem Generator erzeugt wird. Mit anderen Worten, ein Hydraulikaggregat ist ein Stromerzeuger für ein hydraulisches System, ähnlich wie ein elektrischer Generator Potenzial erzeugt, um Strom von der Erzeugungsstation zu den Unterstationen für die weitere Verteilung an unsere Haushalte zu übertragen.

Typisches Hydraulikaggregat Einzelleitungsdiagramm.

Wie funktioniert ein typisches Hydraulikaggregat und verbraucht Strom?

Hydraulikaggregate werden in unzähligen Anwendungen eingesetzt, von Stahlwerken, Verzinkungsanlagen und verschiedenen Stahlveredelungsanlagen bis hin zu Vergnügungsparks und Lokomotiven. Das Hydraulikaggregat dient der Kraftübertragung von einem Ort zum anderen mit Hilfe von Hydraulikmotoren. Eine am Aggregat angebrachte Heizung (oder ein Wärmetauscher) hilft, das Öl auf der vorgesehenen Viskosität zu halten.

Ein elektrischer Induktionsmotor läuft mit konstanter Drehzahl, um das Hydrauliköl mit konstantem Druck in den Hydraulikkreislauf zu leiten. Der Durchflussmesser in der Leitung zeigt den Durchfluss an, wenn die Arbeit vom Hydrauliköl unter Druck verrichtet wird. Wenn die Arbeit verrichtet wird, fließt das Öl und der Druck sinkt (siehe nachstehende Grafik).

Der Durchfluss im Verhältnis zum Druck wird angezeigt.

Wenn die Arbeit beendet ist oder nicht durch den Hydraulikkreislauf verrichtet wird, fließt das Öl zu dieser Zeit nicht durch das Hydrauliksystem. Der Druck in der Leitung steigt und deshalb öffnet sich das Druckbegrenzungsventil, um das Öl zurück in den Vorratsbehälter zu leiten. Das Manometer, der Durchflussmesser und der Durchflussschalter gehören zu den wichtigen Instrumenten, die dem Bediener anzeigen, dass die Hydraulikpumpe einen ausreichenden Druck aufrechterhält, um den erforderlichen Durchfluss im Hydrauliksystem zu erreichen.

Die Systeme, die rund um die Uhr an Orten wie Verarbeitungsbetrieben, Krankenhäusern und Flughäfen mit HPU-Wechselstrommotoren in Betrieb sind, verbrauchen ständig Strom, auch wenn das Hydrauliksystem nur das Öl durch das Überdruckventil drückt und nicht die eigentliche Arbeit verrichtet. In diesem Fall werden die laufenden Kosten auf die Energierechnungen aufgeschlagen, obwohl keine Arbeit geleistet wird. Mit VFDs, die den Druck und den Durchfluss in der Leitung steuern, kann die Motordrehzahl reduziert werden, wodurch der Druck verringert wird, was sich direkt auf den Energieverbrauch auswirkt.

Die Idee besteht darin, den Druck zu reduzieren, indem die Pumpendrehzahl so weit verringert wird, dass das Öl nicht unnötig durch das Überdruckventil gedrückt wird, wenn das System im Leerlauf ist, anstatt den Druck auf einem so niedrigen Niveau zu halten, dass die Leitungen gefüllt bleiben, um bei Bedarf den Pumpvorgang zu starten. Durch die Verringerung der Motordrehzahl mit Hilfe eines frequenzvariablen Antriebs (VFD) wird nicht nur Energie gespart, sondern auch unnötige Verschwendung vermieden.

Wir können das Energiemanagement und die Instrumentierungskomponenten in diesem typischen Hydrauliksystem sowie die Möglichkeiten zur Einsparung von Energie- und Wartungskosten, zur Verringerung der Ausfallzeiten der Geräte und zur Einführung einer vorausschauenden Wartung analysieren. Dies kann als alternativer Ansatz für die Integration eines typischen Hydrauliksystems betrachtet werden.

Traditionell werden die Komponenten des Energiemanagements, wie z. B. Induktionsmotoren für Hydraulikpumpen und Wärmetauscher, über die Leitung gestartet, was zu einem hohen Verschleiß des Motors und der Ausrüstung führt.

Da diese Induktionsmotoren nicht proportional zum Durchfluss, zum Druck oder zur Temperaturanforderung gesteuert werden, laufen die Wechselstrommotoren nach dem Start mit konstanter Drehzahl, was zu einem unerwünschten Energieverbrauch während der Leerlaufzeit führt. Da es sich bei den meisten Hydraulikkreisläufen nicht um ein kontinuierlich arbeitendes System handelt, ist der Energieverbrauch während der Leerlaufzeiten erheblich. Die gesamte Energie, die der Pumpenmotor und der Motor des Wärmetauschers während der Leerlaufzeit verbrauchen, kann durch den Einsatz eines Frequenzumrichters für diese Wechselstrommotoren eingespart werden.

Schließlich wird die Instrumentierung der Hydraulikaggregate traditionell entweder zur Anzeige von Druck und Durchfluss durch den Bediener oder zur Notabschaltung des Aggregats eingesetzt. Dies geschieht für den Fall, dass das Aggregat aufgrund einer Leitungsverstopfung einen hohen Druck aufbaut, anstatt diese Instrumente für eine Regelung der Wechselstrommotoren zu verwenden.

Durch den direkten Anschluss der vorhandenen Messgeräte an die digitalen Eingänge des VFD, das Hinzufügen zusätzlicher analoger Messwandler zum Hydrauliksystem und die Integration aller Messgeräte in den VFD wird eine effizientere Steuerung des Aggregats bei geringeren Kosten und minimaler Wartung erreicht.

In den letzten Jahren sind VFDs IoT-fähig geworden. Da die Messgeräte direkt in den VFD integriert sind, profitiert der Anwender von einer vorausschauenden Wartung, um unerwünschte Ausfallzeiten zu reduzieren.

Wie würde ein intelligentes Hydraulikaggregat aussehen?

1. Ein VFD für einen Hydraulikpumpenmotor und ein weiterer für einen Kühlpumpenmotor am Wärmetauscher installieren. Bei einsatzkritischen Hydraulikaggregaten gibt es für jeden Motor einen redundanten Motor. In diesem Fall müssen Sie separate Frequenzumrichter für die redundanten Motoren installieren.
2. Schließen Sie alle Ventile in der Bypassleitung. Das Notablassventil sollte so eingestellt werden, dass es nur dann zum Einsatz kommt, wenn der Antrieb den Druck nicht regeln kann.
3. Installieren Sie einen Differenzdrucksensor zwischen den Vor- und Rücklaufsammlern an der Prozesslast (am weitesten vom Aggregat entfernt). Ermitteln Sie den Druckabfall, der erforderlich ist, um einen ausreichenden Durchfluss durch den am weitesten entfernten Prozesslastpunkt im Hydrauliknetz aufrechtzuerhalten. Steuern Sie die Drehzahl des VFD der Hydraulikpumpe mit einem internen PID, um einen ausreichenden Differenzdruck aufrechtzuerhalten.
4. Installieren Sie einen Temperaturmesswertgeber am Hydraulikaggregat, um die Öltemperatur an den VFD des Wärmetauschers zurückzumelden und den Kühlwasserdurchfluss durch den Wärmetauscher zu steuern.
5. Aktivieren Sie das IoT auf den VFDs, um die intelligenten Informationen regelmäßig an ein Smartphone zu senden und die Informationen zu vergleichen, um den Benutzer zu warnen, damit er bei Bedarf proaktive Wartungsmaßnahmen ergreifen kann.

Das alles zusammen: Wie würde ein intelligentes Hydraulikaggregat effizient und mit vorhersehbaren Ausfallzeiten arbeiten?

Der Asynchronmotor der Hydraulikpumpe sollte durch einen VFD und nicht durch einen Querstromstarter gesteuert werden. Der Drehzahlsollwert des VFD kann durch den internen PID-Regler des Antriebs gesteuert werden, der eine Rückmeldung von einem in das Hydrauliksystem integrierten Differenzdruckwandler erhält. Der Sollwert für den PID-Regler besteht darin, einen ausreichenden dP-Druck am äußersten Punkt des Hydrauliknetzes aufrechtzuerhalten.

Das bedeutet, dass der VFD einen Hydraulikpumpenmotor gemäß den Affinitätsregeln mit der zur Aufrechterhaltung des Drucksollwerts erforderlichen Drehzahl betreibt, anstatt immer mit voller Drehzahl zu laufen, wenn er über den Leitungsstarter läuft und im Leerlauf Strom verbraucht.

Bei Anwendung des ersten Prinzips steuert eine Kombination aus Hydraulikpumpe und Elektromotor den Ölfluss, um einen Kolben zu betätigen oder einen Hydraulikmotor zu drehen. Der Durchfluss (gpm) ist eine Funktion der Ölverdrängung pro Umdrehung * Drehzahl. Daher kann ein VFD verwendet werden, um die Drehzahl der Pumpe zu reduzieren, um den Durchfluss zu steuern, wenn der minimale Durchfluss während der Zeiten erforderlich ist, in denen das Hydrauliksystem im Leerlauf ist.

Während der vom Hydrauliksystem ausgeführten Arbeit wird ein bestimmter Durchfluss aufrechterhalten, der sich auf dP am weitesten entfernten Punkt bezieht, wobei die vom Antrieb geleistete Arbeit oder etwaige Leckagen berücksichtigt werden. Dieser konstante Durchfluss führt zu einer Druckdifferenz aufgrund des Widerstands, den die Last bietet.

Der Einsatz des VFD-PID in einem geschlossenen Regelkreis steuert daher die Motordrehzahlen; während der Leerlaufzeiten kommt es nicht zu einer Überdruckbeaufschlagung des Systems, und der zur Aufrechterhaltung des erforderlichen Drucks erforderliche Durchfluss wird während der Zeit geliefert, in der das Hydrauliksystem arbeitet.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass durch die Verringerung der Pumpendrehzahl im Leerlauf des Systems und den Betrieb der Pumpe nur mit der erforderlichen Drehzahl zur Aufrechterhaltung eines ausreichenden Förderstroms während der Nicht-Leerlaufphase Energie und Betriebskosten für ein System eingespart werden können, das bei einer bestimmten Anwendung rund um die Uhr in Betrieb ist. Wenn die Drehzahl nicht reduziert wird und das Öl weiter gepumpt wird, ohne dass es Arbeit verrichtet, nimmt es den Weg des geringsten Widerstands und kehrt über das Überdruckventil in den Behälter zurück, was den Benutzer unnötig viel Energie kostet.

Zweitens kennt das System bei einem System, bei dem ein genau definierter dP-Wert eingehalten werden muss, bereits die normale Betriebsdrehzahl des Motors. Daher wird eine Leckage im System dazu führen, dass die Pumpe im Laufe der Zeit mit einer höheren Drehzahl als normal läuft. Dies zeigt an, dass die Pumpe eingestellt werden muss oder dass ein Leck im System vorhanden ist. Dies ist der Vorteil der vorausschauenden Diagnose bei der Verwendung eines Frequenzumrichters für die Hydraulikpumpe.

Durch die Verdrahtung des vorhandenen Strömungsschalters und des Druckschalters mit den digitalen Eingängen des Frequenzumrichters schaltet sich der Frequenzumrichter außerdem automatisch ab, wenn er so programmiert ist, dass er auslöst, wenn einer dieser Schalter ausgelöst wird. Durch die Bereitstellung zusätzlicher intelligenter Sicherheit und eines IoT-fähigen Antriebs erhalten die Benutzer eine rechtzeitige Benachrichtigung über eine vom Wartungsteam erforderliche Maßnahme.

Die Viskosität des Öls ist eine wichtige Funktion, um Kavitation der Pumpe zu verhindern und den erforderlichen Durchfluss beim Auslegungsdruck zu erreichen. Die Aufrechterhaltung der Öltemperatur ist der Schlüssel zur Aufrechterhaltung der Ölviskosität. Je nach Größe des Hydrauliksystems verfügen die Geräte über eine Art Wärmetauschereinheit zur Aufrechterhaltung der Öltemperatur. Wenn der Wärmetauschermotor mit dem VFD gesteuert wird, spart die Verwendung eines PID-Reglers zur Regelung des Kühlwasserdurchflusses auf der Grundlage der Öltemperatur Energiekosten, da die Leistung P (Leistung) α Ƭ (Motordrehmoment) * N (Drehzahl) ist.

Da die Komponenten des Hydraulikaggregats mit Betriebsparametern wie Motorstrom, Motordrehzahl und -druck ausgelegt und in Betrieb genommen wurden, ist jede Änderung dieser Parameter im Laufe der Zeit ein guter Hinweis für den Benutzer als Teil der vorausschauenden Wartungsfunktion. Der Benutzer wird darauf aufmerksam gemacht, dass sich etwas im System verändert hat, z. B. Leckagen, Lagerverlust oder verstopfte Leitungen (daher läuft der Motor mit einer höheren Drehzahl als normal, um den erforderlichen Druck zu erreichen). Mit den IoT-fähigen VFDs sind all diese Parameter für den Benutzer auf Knopfdruck verfügbar, um die Benutzerfreundlichkeit und das Datenmanagement zu verbessern.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Einsatz von VFDs und einiger zusätzlicher Instrumente an Hydraulikaggregaten dem Anwender Energieeinsparungen, geringere Ausfallzeiten und geringere Wartungskosten durch vorausschauende Wartung ermöglichen kann.

Ranbir (Ron) Ghotra ist ein Anwendungsingenieur für die Produktlinie bei Eaton. Ghotra verfügt über 20 Jahre globale Erfahrung in der Entwicklung und Leitung von Steuerungs- und Automatisierungsprojekten, wobei er Probleme für verschiedene Branchen von der Wohnungswirtschaft bis zur Luft- und Raumfahrt gelöst hat. Er ist ein professioneller Projektmanager mit einem Bachelor-Abschluss in Elektrotechnik und einem MBA der Katz Business School.