In één oogopslag:

• Leer hoe het ontwerp van slimme hydraulische aggregaten eruitziet.
• De meeste hydraulische circuits zijn geen continu werkend systeem – het energieverbruik tijdens onbelaste perioden is aanzienlijk.
• Het gebruik van VFD’s en wat extra instrumentatie kan helpen energie te besparen en stilstand te verminderen.

Hydraulische aggregaten (HPU’s) brengen olie onder druk om hydraulische apparatuur aan te drijven. Hydraulische apparatuur levert grotere hoeveelheden kracht dan traditionele elektrische en mechanische prime movers en kan met grotere precisie worden bestuurd. De prestaties die van deze hydraulische systemen worden verlangd, zijn hoger, vooral wanneer zij 24 uur per dag, 7 dagen per week in een procesindustrie worden ingezet. Daarom zijn de bedrijfs- en onderhoudskosten – samen met de uitvaltijd als gevolg van storingen – een punt van zorg voor fabrieken en operaties die 24/7 draaien.

Wat is een hydraulisch aggregaat?

Hydraulische aggregaten zijn autonome eenheden die bestaan uit een motor, reservoir, overdrukklep, filter, manometer, debietmeter, warmtewisselaar, drukschakelaar, vlotter-/niveauschakelaar, temperatuursensor en hydraulische pomp. Dit hydraulisch aggregaat wordt gebruikt voor het overbrengen van vermogen van de ene plaats naar de andere met behulp van hydraulische motoren of hydraulische actuatoren.

Hoe zijn elektrische kracht en hydraulische kracht hetzelfde?

Om een analogie te trekken, het hydraulisch aggregaat helpt de druk te ontwikkelen op een soortgelijke manier als elektrische spanning wordt opgewekt door een generator. Met andere woorden, een hydraulisch aggregaat is een vermogensgenerator voor een hydraulisch systeem, op vrijwel dezelfde wijze als een elektrische generator potentieel produceert om stroom van het opwekkingsstation naar onderstations over te brengen voor verdere distributie naar onze huizen.

Typisch stroomconvertor éénlijnschema.

Hoe functioneert een typisch hydraulisch aggregaat en verbruikt het vermogen?

Hydraulische aggregaten worden in talloze toepassingen gebruikt, van staalfabrieken, galvaniseringsbedrijven en diverse staalveredelingsbedrijven tot pretparken en locomotieven. De hydraulische power pack wordt gebruikt voor het overbrengen van kracht van de ene plaats naar de andere door middel van hydraulische motoren. Een verwarmer (of een warmtewisselaar) die aan de powerpack is bevestigd, helpt de olie op de ontworpen viscositeit te houden.

Een elektrische inductiemotor draait met constante snelheid om de hydraulische olie onder constante druk aan het hydraulische circuit te leveren. De debietmeter in de leiding geeft de stroom aan wanneer het werk wordt gedaan door de hydraulische olie onder druk. Wanneer het werk wordt verricht, stroomt de olie en daalt de druk (zie onderstaande grafiek).

Het debiet tegenover de druk.

Wanneer het werk is voltooid of niet wordt verricht door het hydraulische circuit, stroomt de olie op dat moment niet door het hydraulische systeem. De druk in de leiding neemt toe en daarom gaat de overdrukklep open om de olie terug naar het reservoir te leiden. De manometer, de debietmeter en de debietschakelaar maken alle deel uit van belangrijke instrumenten die de bediener erop wijzen dat de hydraulische pomp voldoende druk handhaaft om het vereiste debiet in het hydraulische systeem te bereiken.

De systemen die 24/7 draaien op plaatsen als verwerkingsfabrieken, ziekenhuizen en luchthavens, met HPU wisselstroommotoren over de hele lijn, verbruiken voortdurend stroom, zelfs wanneer het hydraulisch systeem alleen maar de olie door de ontlastklep perst in plaats van het echte werk te doen. In dit geval brengt het extra kosten op de energierekeningen voor geen enkel werk. Met VFD’s die de druk en het debiet in de leiding regelen, kan het motortoerental worden verlaagd, waardoor de druk afneemt en het energieverbruik direct wordt beïnvloed.

Het idee is om de druk te verlagen door het toerental van de pomp zodanig te verlagen dat de olie niet genoeg druk heeft om onnodig door de ontlastklep te worden geperst wanneer het systeem stationair draait, in plaats van de druk zo laag te houden dat de leidingen gevuld blijven, om te gaan pompen wanneer dat nodig is. Door het motortoerental te verlagen met behulp van een variabele frequentieregelaar (VFD), besparen we niet alleen stroom, maar voorkomen we ook onnodige verspilling.

We kunnen het energiebeheer en de instrumentatiecomponenten in dit typische hydraulische systeem analyseren, samen met de mogelijkheden om te besparen op energie- en onderhoudskosten, de uitvaltijd van apparatuur te verminderen en voorspellend onderhoud in te zetten. Het kan worden gezien als een alternatieve benadering van de integratie van een typisch hydraulisch aandrijfsysteem.

Traditioneel worden de vermogensbeheercomponenten, zoals inductiemotoren voor hydraulische pompen en warmtewisselaars, over de lijn gestart, wat veel slijtage van de motor en de apparatuur tot gevolg heeft.

Omdat deze inductiemotoren niet proportioneel aan het debiet, de druk of de vereiste temperatuur worden geregeld, draaien de AC-motoren, eenmaal gestart, met een constant toerental dat leidt tot ongewenst energieverbruik tijdens de stationaire periode. In de wetenschap dat de meeste hydraulische circuits geen continu werkend systeem zijn, is het energieverbruik tijdens de stationaire perioden aanzienlijk. Alle energie die door de pompmotor en de warmtewisselaarmotor tijdens de stationaire periode wordt verbruikt, kan worden bespaard door een VFD voor deze wisselstroommotoren te gebruiken.

Ten slotte wordt de instrumentatie die zich op de hydraulische aggregaten bevindt, traditioneel gebruikt om de druk en het debiet door de bediener te laten zien of om de eenheid in noodgevallen af te sluiten. Dit wordt gedaan in het geval dat de eenheid hoge druk opbouwt ten gevolge van een leidingverstopping, in plaats van deze instrumentatie te gebruiken voor een close-loop controle van de wisselstroommotoren.

Door de bestaande instrumentatie rechtstreeks op de digitale ingangen van de VFD aan te sluiten, extra analoge transducers aan het hydraulisch systeem toe te voegen en alles te integreren in de VFD, wordt een efficiëntere regeling van het aggregaat verkregen, tegen lagere kosten en minimaal onderhoud.

In de afgelopen jaren zijn VFD’s IoT-enabled geworden. Met de instrumentatie die rechtstreeks in de VFD gaat, krijgt de gebruiker het voordeel van voorspellend onderhoud om ongewenste stilstandtijd te verminderen.

Hoe zou een slim hydraulisch power pack-ontwerp eruitzien?

1. Installeer een VFD voor een hydraulische pompmotor en een andere voor een koelpompmotor op de warmtewisselaar. Op bedrijfskritische hydraulische power packs zijn er redundante motoren voor elk. In dat geval moet u aparte VFD’s installeren voor redundante motoren.
2. Sluit alle kleppen in de bypass-leiding. De noodontlastklep moet zo worden ingesteld dat deze alleen in beeld komt wanneer de aandrijving er niet in slaagt de druk te regelen.
3. Installeer een drukverschilsensor tussen de aanvoer- en retourleiding bij de procesbelasting (op de verste afstand van het aggregaat). Bepaal de drukval die nodig is om voldoende debiet door het verste procesbelastingspunt in het hydraulische netwerk te handhaven. Regel het toerental van de hydraulische pomp VFD met behulp van interne PID om voldoende drukverschil te handhaven.
4. Installeer een temperatuurtransducer bij het hydraulische aggregaat om de olietemperatuur terug te koppelen naar de warmtewisselaar VFD en het koelwaterdebiet door de warmtewisselaar te regelen.
5. Het IoT op de VFD’s inschakelen om de slimme informatie periodiek naar een smartphone te sturen, waarbij informatie wordt vergeleken om een gebruiker te waarschuwen om proactieve onderhoudsmaatregelen te nemen wanneer dat nodig is.

Het geheel aan elkaar koppelen: Hoe zou een slim hydraulisch aggregaat efficiënt werken met voorspelbare stilstand?

De inductiemotor op de hydraulische pomp moet worden aangestuurd door een VFD in plaats van over de lijnstarter. De snelheidsreferentie van de VFD kan worden geregeld door de interne PID-regelaar van de aandrijving, die feedback krijgt van een drukverschilomvormer die aan het hydraulische systeem is toegevoegd. Het instelpunt voor de PID zal zijn om voldoende drukverschil te handhaven op het verste punt in het hydraulische netwerk.

Wat dit betekent is dat volgens de affiniteitsregels, de VFD een hydraulische pompmotor zal laten draaien met een snelheid die nodig is om het druksetpoint te handhaven, in plaats van altijd op volle snelheid te draaien wanneer hij over de lijnstarter loopt, en stroom verbruikt terwijl hij stationair draait.

Als het eerste principe wordt toegepast, zal een hydraulische pomp en een elektrische motorcombinatie op een hydraulisch vermogen de oliestroom regelen om een zuiger in beweging te brengen of een hydraulische motor te doen draaien. Het debiet (gpm) is een functie van de olieverplaatsing per omwenteling * rotatiesnelheid. Daarom kan een VFD worden gebruikt om het toerental van de pomp te verlagen om het debiet te regelen wanneer het minimale debiet vereist is tijdens de perioden dat het hydraulisch systeem stationair draait.

Tijdens de door het hydraulisch systeem uitgevoerde werkzaamheden wordt een bepaald debiet gehandhaafd dat gerelateerd is aan dP op het verste punt, rekening houdend met de door de actuator verrichte arbeid of eventuele lekkage. Dit constante debiet geeft aanleiding tot drukverschil ten gevolge van de door de last geboden weerstand.

Daarom regelt het gebruik van de VFD PID in een gesloten lus de motortoerentallen; overdruk van het systeem treedt niet op tijdens de stationaire tijden, en het debiet dat nodig is om de vereiste druk te handhaven wordt geleverd gedurende de tijd van het werk dat door het hydraulische systeem wordt gedaan.

Over het geheel genomen kan worden vastgesteld dat door het toerental van de pomp te verlagen wanneer het systeem stationair draait en de pomp net op het vereiste toerental te laten draaien om voldoende debiet te handhaven tijdens de fase zonder stationair draaien, energie en bedrijfskosten kunnen worden bespaard op een systeem dat in een bepaalde toepassing 24 uur per dag en 7 dagen per week in bedrijf is. Als het toerental niet wordt verlaagd en de olie nog steeds wordt gepompt zonder dat er arbeid wordt verricht, zal de olie de weg van de minste weerstand nemen en via het overdrukventiel naar het reservoir terugkeren, wat de gebruiker onnodig veel energie kost.

Ten tweede kent het systeem op een systeem waar de dP die moet worden gehandhaafd, goed is gedefinieerd, reeds het normale bedrijfstoerental van de motor. Daarom zal een lek in het systeem ertoe leiden dat de pomp na verloop van tijd op een hoger toerental dan normaal gaat draaien. Dit geeft aan dat de pomp moet worden afgesteld of dat er een lek in het systeem zit. Dit is het voorspellende diagnostische voordeel van het gebruik van een VFD voor de hydraulische pomp.

Door de bestaande flowschakelaar en de drukschakelaar te verbinden met de digitale ingangen op de aandrijving, zal de aandrijving bovendien automatisch uitschakelen als deze is geprogrammeerd om uit te schakelen wanneer een van deze schakelaars wordt geactiveerd. Door extra slimme veiligheid te bieden en een aandrijving met IoT-ondersteuning, krijgen gebruikers een tijdige melding van een actie die door het onderhoudsteam is vereist.

De viscositeit van de olie is een belangrijke functie voor het voorkomen van cavitatie van de pomp en het bereiken van het vereiste debiet bij de ontwerpdruk. Het handhaven van de olietemperatuur is de sleutel tot het handhaven van de olieviscositeit. Afhankelijk van de grootte van het hydraulisch systeem hebben de aggregaten een soort warmtewisselaar om de olietemperatuur te handhaven. Als de warmtewisselaarmotor met de VFD wordt bestuurd, zal het gebruik van een PID-regelaar voor het regelen van de koelwaterstroom op basis van de temperatuur van de olie energiekosten besparen, aangezien het vermogen P (Vermogen) α Ƭ (Motorkoppel) * N (Toerental) is.

Omdat de componenten van het hydraulisch aggregaat zijn ontworpen en in bedrijf gesteld met bedrijfsparameters zoals motorstroom, motortoerental en druk, is elke verandering in deze parameters in de loop van de tijd een goede indicatie voor de gebruiker als onderdeel van de functie voor voorspellend onderhoud. Het waarschuwt de gebruiker dat er iets is veranderd in het systeem, zoals lekkage, lagerverlies of verstopte leidingen (vandaar dat de motor op een hoger toerental draait dan normaal om de vereiste druk te bereiken). Met de IoT-enabled VFD’s zijn al deze parameters voor gebruikers binnen handbereik beschikbaar om het gebruiksgemak en de gegevensbeheerervaring te verbeteren.

Samenvattend kan het gebruik van de VFD’s en enkele aanvullende instrumentatie op hydraulische aggregaten de gebruiker energiebesparingen, minder stilstand en lagere onderhoudskosten opleveren als gevolg van voorspellend onderhoud.

Ranbir (Ron) Ghotra is een product line application engineer bij Eaton. Ghotra heeft 20 jaar wereldwijde ervaring in engineering en het managen van besturings- en automatiseringsprojecten, waarbij hij problemen heeft opgelost voor verschillende industrieën, variërend van woningbouw tot lucht- en ruimtevaart. Hij is een professional op het gebied van projectmanagement met een bachelordiploma in elektrotechniek en een MBA van de Katz Business School.