スマートな油圧パワーユニットが生み出す効率と制御
At the Glance:
- スマートな油圧パワーパック設計とはどのようなものかについて説明します。
- ほとんどの油圧回路は継続的に動作するシステムではなく、アイドル時のエネルギー消費はかなりのものです。
- VFD といくつかの追加計器の使用により、エネルギーを節約し、ダウンタイムを減らすことができます。
Hydraulic Power Unit (HPU) は、油圧機器に電力を供給するために油を加圧します。 油圧機器は、従来の電気的および機械的な原動機よりも大きな力を提供し、より正確に制御することができます。 特に24時間365日稼働するプロセス産業では、これらの油圧システムに求められる性能はより高いものとなっている。 そのため、24時間365日稼働するプラントやオペレーションでは、運転・保守コストや故障によるダウンタイムが懸念されます。
油圧パワーユニットとは？
油圧パワーユニットは、モーター、リザーバー、圧力リリーフバルブ、フィルター、圧力計、流量計、熱交換器、圧力スイッチ、フロート/レベルスイッチ、温度センサー、油圧ポンプからなる自己充足型のユニットです。 この油圧パワーパックは、油圧モータや油圧アクチュエータを使用して、ある場所から別の場所に動力を伝達するために使用されます。
電力と油圧はどのように似ているのですか。
例えるなら、発電機で電圧を発生させるのと同じように、油圧パワーパックは圧力を発生させるのに役立ちます。 言い換えれば、発電機が電位を発生させて発電所からサブステーションに電力を伝達し、さらに家庭に配電するのと同じように、油圧パワーパックは油圧システムの発電機です。
Typical power pack single line diagram.
The typical hydraulic power pack does how the function and consume power?
油圧パワーパックは、製鉄所、亜鉛メッキ工場、各種鉄鋼仕上げ工場から遊園地や機関車まで、数え切れないほどの用途で使用されています。 油圧パワーパックは、油圧モータを使用して、ある場所から別の場所へ動力を伝達するために使用されます。 パワーパックに取り付けられたヒーター（または熱交換器）により、オイルを設計通りの粘度に維持することができます。
電動インダクションモータが一定速度で回転し、油圧回路に一定の圧力で作動油を送り込みます。 ライン内の流量計は、圧力のかかった作動油で仕事をしているときの流量を示しています。 作業が行われるとき、油は流れ、圧力は低下する（下のプロットを参照）。
Showing the flow rate versus pressure.
作業が完了するか油圧回路によって行われないとき、油はそのとき油圧システムを通って流れてはいない。 ライン内の圧力は上昇し、そのため圧力逃し弁が開いて油をリザーバにバイパスして戻す。 圧力計、流量計、フロースイッチは、油圧ポンプが十分な圧力を維持していることをオペレータに示し、油圧システムで必要な流量を確保するための重要な計器の一部である。
加工工場、病院、空港などで24時間365日稼働しているシステムでは、HPUのACモータがライン全体に設置されており、油圧システムが実際の作業ではなく、単に油をリリーフバルブに押し出すだけの場合でも、継続的に電力を消費しているのである。 この場合、何の仕事もしないのにエネルギー代としてランニングコストがかかってしまうのです。 VFDがラインの圧力と流量を制御することで、モーターの回転数を下げ、圧力を下げることができ、エネルギー消費量に直接影響します。
システムがアイドリング状態のとき、オイルがリリーフバルブから不必要に押し出されるほどの圧力を持たないようなレベルまでポンプ速度を下げることによって圧力を下げ、むしろラインを満たし続けるような低レベルの圧力を維持し、必要に応じてポンプを始動させようというものです。 可変周波数ドライブ (VFD) を使用してモーターの回転数を下げることで、電力を節約するだけでなく、不必要な浪費を避けることができます。
この典型的な油圧システムの電力管理と計装部品を、エネルギーとメンテナンス費用の節約、機器のダウンタイムの短縮、予知保全の展開の機会とともに分析することが可能です。
従来、油圧ポンプや熱交換器用の誘導モーターなどの電力管理コンポーネントは、ライン全体で起動され、モーターや機器の多くの摩耗を引き起こしていました。
これらの誘導モーターは、流量、圧力、または温度要件に比例して制御されないため、一度起動すると、AC モーターは一定の速度で動作し、アイドル期間中は不要なエネルギー消費につながります。 ほとんどの油圧回路は連続運転できるシステムではないので、アイドル時のエネルギー消費は相当なものになります。 アイドル期間中にポンプモーターと熱交換器モーターで消費されるすべてのエネルギーは、これらの AC モーターに VFD を使用することで節約できます。
最後に、油圧パワーパックにある計装は、圧力と流量のオペレータ表示またはユニットの緊急遮断のために、従来配備されています。 これは、ACモータのクローズループ制御のためにこの計装を使用するのではなく、ラインの詰まりによってユニットが高圧になった場合に行われます。
既存の計装を VFD のデジタル入力に直接接続し、油圧システムに追加のアナログ変換器を追加して、すべてを VFD に統合することにより、低コストと最小限のメンテナンスで、パワーパックをより効率的に制御することが可能になります。
近年、VFDはIoT化されています。 計装が直接VFDに入ることで、ユーザーは不要なダウンタイムを減らすための予知保全の利点を獲得します。
スマート油圧パワーパックの設計はどのようなものでしょうか。
- 熱交換器に、油圧ポンプモーター用の VFD と冷却ポンプモーター用の VFD を設置します。 ミッションクリティカルな油圧パワーパックでは、それぞれのモータが冗長化されています。
- バイパスラインのバルブをすべて閉止します。 非常用リリーフバルブは、ドライブが圧力調整に失敗したときのみ登場するように設定する必要があります。
- プロセス負荷の供給ヘッダーと戻りヘッダーの間に差圧センサを設置します(パワーパックから最も遠い場所に設置します)。 油圧ネットワークで最も遠いプロセス負荷ポイントを通して十分な流量を維持するために必要な圧力降下を決定します。 十分な差圧を維持するために、内部 PID を使用して油圧ポンプ VFD の速度を制御します。
- 油圧パワーパックに温度トランスデューサを取り付け、油温を熱交換器 VFD にフィードバックして、熱交換器を通る冷却水流を制御します。
- VFDのIoTを有効にしてスマート情報を定期的にスマートフォンに送信し、情報を比較することで、必要なときにユーザーに警告して積極的なメンテナンス措置を取る。
すべてを繋げる。
油圧ポンプの誘導モータは、クロスザラインスタータではなく、VFDで制御する必要があります。 VFDの速度基準は、油圧システムに追加された差圧変換器からフィードバックを受けるドライブ内部PIDコントローラで制御できます。 PIDのセットポイントは、油圧ネットワーク内の最遠点における十分なdP圧を維持することである。
これが意味するところは、親和性の規則に従って、VFD は、ライン スターターを横切るときに常に全速力で運転するのではなく、圧力設定点を維持するために必要な速度で油圧ポンプ モーターを運転し、アイドリング中に電力を消費するということです。
第一原理を応用すると、油圧動力上の油圧ポンプと電気モーターの組み合わせは、油の流れを制御してピストンを作動させたり、油圧モーターを回転させたりすることになります。 流量（gpm）は、1回転あたりの油の変位量*回転速度の関数である。 従って、油圧システムが休止している時間帯に最小限の流量が必要な場合、VFDを使用してポンプの回転数を下げ、流量を制御することができる。
油圧システムによる作業中、アクチュエータによる作業や漏れを考慮すると、最遠点でのdPに関係する一定の流量が維持される。 この一定の流量は、負荷による抵抗のために圧力差を生じさせる。
したがって、閉ループでVFD PIDを使用すると、モータ速度が制御されます。システムの過圧はアイドル時間には発生せず、必要な圧力を維持するために必要な流量は、油圧システムによって行われている仕事の時間帯に供給されます。
全体として、システムがアイドル状態のときにポンプの速度を低下させ、非アイドル段階中に十分な流量を維持するために必要な速度だけでポンプを運転することにより、任意のアプリケーションで24時間365日運転されているシステムでエネルギーとランニングコストを節約できることが分かる。 速度を下げず、オイルがまだ何の仕事もせずにポンプされている場合、オイルは最も抵抗の少ない経路を取り、圧力解放弁を通ってリザーバに戻り、ユーザーにとって不必要なエネルギー使用のコストがかかる。
第二に、維持すべきdPが明確に定義されているシステムでは、システムはすでにモーターの通常の作動速度を知っている。 したがって、システム内で漏れが発生すると、時間の経過とともにポンプが通常よりも高い速度で動作するようになります。 これは、ポンプにチューニングが必要であること、あるいはシステム内に漏れがあることを示しています。 これは、油圧ポンプに VFD を使用する予測診断の利点です。
また、既存のフロースイッチと圧力スイッチをドライブのデジタル入力に配線することにより、これらのスイッチのいずれかがトリガーしたときにトリップするようにプログラムされていれば、ドライブは自動的にシャットオフされます。 スマートな安全性と IoT 対応のドライブを追加することで、メンテナンス チームが必要とするアクションをユーザーにタイムリーに通知します。
オイルの粘度は、ポンプのあらゆるキャビテーションを防止し、設計圧力で必要な流量を達成するための重要な機能です。 油の粘度を維持するためには、油温の維持が重要です。 油圧システムの大きさにもよるが、油温を維持するために何らかの熱交換器ユニットを備えている。 熱交換器のモータをVFDで制御する場合、油温に応じて冷却水の流量を調整するPIDコントローラを使用すれば、P（Power）α Ƭ（モータトルク）* N（速度）なので、エネルギーコストの節約になります。
油圧パワーパックのコンポーネントは、モータ電流、モータ速度、圧力などの運転パラメータを設計して委託しているので、これらのパラメータの時間変化は予測保守機能の一部としてユーザへの良い指標となります。 漏水、軸受損失、ラインの詰まりなど、システム内で何かが変化したことをユーザーに警告します（そのため、必要な圧力を得るために通常よりも高い回転数でモーターが動作しています）。 IoT対応VFDでは、これらのすべてのパラメータがユーザーの手元で利用でき、使いやすさとデータ管理体験を向上させることができます。
要約すると、油圧パワーパックにVFDといくつかの追加計装を使用することで、ユーザーにエネルギー節約、ダウンタイムの削減、予知保全による保守コストの削減をもたらすことができます。
Ranbir (Ron) GhotraはEatonの製品ライン アプリケーション エンジニアです。 Ghotra は、エンジニアリングと制御および自動化プロジェクトの管理で 20 年のグローバルな経験を持っており、住宅から航空宇宙までさまざまな産業の問題を解決しています。 彼は、電気工学の学士号とカッツビジネススクールのMBAを持つプロジェクト管理のプロフェッショナルです。