W skrócie:

• Dowiedz się, jak wygląda inteligentny projekt zasilacza hydraulicznego.
• Większość układów hydraulicznych nie jest systemem działającym w sposób ciągły – zużycie energii podczas okresów bezczynności jest znaczne.
• Zastosowanie VFD i niektórych dodatkowych przyrządów może pomóc zaoszczędzić energię i skrócić czas przestoju.

Hydrauliczne jednostki zasilające (HPU) tłoczą olej do zasilania urządzeń hydraulicznych. Sprzęt hydrauliczny zapewnia większą siłę niż tradycyjne elektryczne i mechaniczne napędy główne i może być kontrolowany z większą precyzją. Wydajność wymagana od tych systemów hydraulicznych jest wyższa, szczególnie w przypadku pracy w przemyśle procesowym w trybie 24/7. Dlatego koszty eksploatacji i konserwacji – wraz z czasem przestoju spowodowanym awarią – są problemem dla zakładów i operacji, które działają 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu.

Co to jest hydrauliczny zespół napędowy?

Zespoły hydrauliczne są samodzielnymi jednostkami, które składają się z silnika, zbiornika, zaworu bezpieczeństwa, filtra, manometru, przepływomierza, wymiennika ciepła, wyłącznika ciśnieniowego, wyłącznika pływakowego/poziomowego, czujnika temperatury i pompy hydraulicznej. Ten zasilacz hydrauliczny jest używany do przenoszenia mocy z jednego miejsca do drugiego za pomocą silników hydraulicznych lub siłowników hydraulicznych.

Jakie są podobieństwa między zasilaniem elektrycznym a hydraulicznym?

Skłaniając się do analogii, zasilacz hydrauliczny pomaga rozwinąć ciśnienie w podobny sposób, w jaki napięcie elektryczne jest generowane przez generator. Innymi słowy, zasilacz hydrauliczny jest generatorem mocy dla układu hydraulicznego w taki sam sposób, w jaki generator elektryczny wytwarza potencjał do przesyłania mocy ze stacji generującej do podstacji w celu dalszej dystrybucji do naszych domów.

Typowy schemat jednokreskowy zasilacza.

Jak funkcjonuje i pobiera moc typowy zasilacz hydrauliczny?

Zasilacze hydrauliczne są używane w niezliczonych zastosowaniach, od hut stali, galwanizerni i różnych zakładów wykańczania stali do parków rozrywki i lokomotyw. Zasilacz hydrauliczny jest używany do przenoszenia mocy z jednego miejsca do drugiego za pomocą silników hydraulicznych. Grzejnik (lub wymiennik ciepła) dołączony do zasilacza pomaga utrzymać olej w zaprojektowanej lepkości.

Elektryczny silnik indukcyjny pracuje ze stałą prędkością, aby dostarczyć olej hydrauliczny pod stałym ciśnieniem do obwodu hydraulicznego. Przepływomierz w linii wskazuje przepływ, gdy praca jest wykonywana przez olej hydrauliczny pod ciśnieniem. Gdy praca jest wykonywana, olej przepływa, a ciśnienie spada (patrz wykres poniżej).

Przedstawia natężenie przepływu w funkcji ciśnienia.

Gdy praca jest zakończona lub nie jest wykonywana przez obwód hydrauliczny, olej nie przepływa w tym czasie przez układ hydrauliczny. Ciśnienie w przewodzie wzrasta i dlatego zawór nadmiarowy otwiera się, aby odprowadzić olej z powrotem do zbiornika. Manometr, przepływomierz i przełącznik przepływu są częścią ważnego oprzyrządowania, które wskazuje operatorowi, że pompa hydrauliczna utrzymuje wystarczające ciśnienie, aby osiągnąć wymagany przepływ w układzie hydraulicznym.

Systemy, które działają 24/7 w takich miejscach jak zakłady przetwórcze, szpitale i lotniska, z silnikami prądu przemiennego HPU na całej linii, zużywają energię w sposób ciągły, nawet wtedy, gdy system hydrauliczny jedynie przepycha olej przez zawór nadmiarowy, a nie wykonuje prawdziwą pracę. W tym przypadku powoduje to zwiększenie kosztów bieżących rachunków za energię bez wykonywania pracy. Dzięki napędom VFD kontrolującym ciśnienie i przepływ w linii, można zmniejszyć prędkość silnika, a tym samym zredukować ciśnienie, co ma bezpośredni wpływ na zużycie energii.

Pomysł polega na zmniejszeniu ciśnienia poprzez zmniejszenie prędkości pompy do takiego poziomu, że olej nie ma wystarczającego ciśnienia, aby być niepotrzebnie przepychane przez zawór nadmiarowy, gdy system jest na biegu jałowym, a nie utrzymać ciśnienie do tak niskiego poziomu, że utrzymuje linie wypełnione, aby rozpocząć pompowanie w razie potrzeby. Zmniejszając prędkość silnika za pomocą napędu o zmiennej częstotliwości (VFD), nie tylko oszczędzamy energię, ale także unikamy niepotrzebnych strat.

Możemy przeanalizować zarządzanie energią i elementy oprzyrządowania w tym typowym układzie hydraulicznym, wraz z możliwościami zaoszczędzenia energii i kosztów utrzymania, skrócenia czasu przestoju sprzętu i wdrożenia konserwacji predykcyjnej. Może to być postrzegane jako alternatywne podejście do integracji typowego systemu hydraulicznego.

Tradycyjnie, elementy zarządzania zasilaniem, takie jak silniki indukcyjne dla pomp hydraulicznych i wymienników ciepła są uruchamiane w całej linii, powodując duże zużycie silnika i sprzętu.

Ponieważ te silniki indukcyjne nie są sterowane proporcjonalnie do przepływu, ciśnienia lub wymaganej temperatury, po uruchomieniu, silniki AC działają ze stałą prędkością, co prowadzi do niepożądanego zużycia energii w okresie bezczynności. Wiedząc, że większość układów hydraulicznych nie jest systemem działającym w sposób ciągły, zużycie energii podczas okresów bezczynności jest znaczne. Cała energia zużywana przez silnik pompy i silnik wymiennika ciepła podczas okresu bezczynności może być zachowana poprzez zastosowanie VFD dla tych silników AC.

Na koniec, oprzyrządowanie, które znajduje się na zasilaczach hydraulicznych jest tradycyjnie stosowane albo do wyświetlania ciśnienia i przepływu przez operatora albo do awaryjnego wyłączenia jednostki. Odbywa się to w przypadku, gdy jednostka wytwarza wysokie ciśnienie z powodu zatkania linii, zamiast używać tego oprzyrządowania do sterowania silnikami AC w bliskiej pętli.

Podłączając istniejące oprzyrządowanie bezpośrednio do wejść cyfrowych VFD, dodając dodatkowe przetworniki analogowe do układu hydraulicznego i integrując wszystko z VFD, uzyskamy bardziej efektywne sterowanie zespołem napędowym, przy niższych kosztach i minimalnej konserwacji.

W ostatnich latach urządzenia VFD zostały wyposażone w technologię IoT. Dzięki oprzyrządowaniu wchodzącemu bezpośrednio do VFD, użytkownik uzyskuje korzyści z predykcyjnej konserwacji w celu ograniczenia niepożądanych przestojów.

Jak wyglądałby projekt inteligentnego zasilacza hydraulicznego?

1. Zainstaluj VFD dla silnika pompy hydraulicznej i drugi dla silnika pompy chłodzącej na wymienniku ciepła. W krytycznych dla misji zasilaczach hydraulicznych są silniki nadmiarowe dla każdego z nich. W takim przypadku należałoby zainstalować oddzielne VFD dla silników nadmiarowych.
2. Zamknąć wszystkie zawory w linii obejścia. Awaryjny zawór nadmiarowy powinien być ustawiony w taki sposób, aby pojawiał się tylko wtedy, gdy napęd nie reguluje ciśnienia.
3. Zainstalować czujnik różnicy ciśnień pomiędzy kolektorem zasilającym i powrotnym przy obciążeniu procesowym (w najdalszej odległości od agregatu). Określić spadek ciśnienia potrzebny do utrzymania wystarczającego przepływu przez najdalszy punkt obciążenia procesowego w sieci hydraulicznej. Sterować prędkością pompy hydraulicznej VFD za pomocą wewnętrznego PID, aby utrzymać wystarczającą różnicę ciśnień.
4. Zainstalować przetwornik temperatury na zasilaczu hydraulicznym, aby przekazać temperaturę oleju z powrotem do wymiennika ciepła VFD i sterować przepływem wody chłodzącej przez wymiennik ciepła.
5. Włącz IoT na VFD, aby okresowo wysyłać inteligentne informacje do smartfona, porównując informacje w celu ostrzeżenia użytkownika, aby w razie potrzeby podjąć proaktywne działania konserwacyjne.

Wiązanie tego wszystkiego razem: W jaki sposób inteligentny zasilacz hydrauliczny działałby wydajnie z przewidywalnym czasem przestoju?

Silnik indukcyjny na pompie hydraulicznej powinien być sterowany przez VFD, a nie przez rozrusznik liniowy. Prędkość referencyjna VFD może być kontrolowana przez wewnętrzny regulator PID napędu, który otrzymuje informację zwrotną z przetwornika różnicy ciśnień dodanego do układu hydraulicznego. Punktem nastawy dla PID będzie utrzymanie wystarczającego ciśnienia dP w najdalszym punkcie sieci hydraulicznej.

Co to oznacza, że zgodnie z zasadami powinowactwa, VFD będzie uruchamiał silnik pompy hydraulicznej z prędkością wymaganą do utrzymania wartości zadanej ciśnienia, a nie zawsze z pełną prędkością podczas pracy w poprzek rozrusznika liniowego, zużywając moc podczas biegu jałowego.

Zastosowując pierwszą zasadę, pompa hydrauliczna i kombinacja silnika elektrycznego na mocy hydraulicznej będzie kontrolować przepływ oleju, aby uruchomić tłok lub obrócić silnik hydrauliczny. Przepływ (gpm) jest funkcją przemieszczenia oleju na obrót * prędkość obrotowa. Dlatego VFD może być użyty do zmniejszenia prędkości pompy, aby kontrolować przepływ, gdy wymagany jest minimalny przepływ w czasie, gdy układ hydrauliczny jest bezczynny.

Podczas pracy wykonywanej przez układ hydrauliczny utrzymywany jest pewien przepływ, który jest związany z dP w najdalszym punkcie, uwzględniając pracę wykonywaną przez siłownik lub wszelkie wycieki. Ten stały przepływ powoduje powstanie różnicy ciśnień wynikającej z oporów stawianych przez obciążenie.

W związku z tym, użycie VFD PID w zamkniętej pętli steruje prędkościami silnika; nadmierne ciśnienie w układzie nie występuje w czasie bezczynności, a przepływ wymagany do utrzymania wymaganego ciśnienia jest dostarczany w czasie pracy wykonywanej przez układ hydrauliczny.

Ogółem, można zauważyć, że zmniejszenie prędkości pompy, gdy system jest w stanie spoczynku i uruchomienie pompy tylko przy wymaganej prędkości, aby utrzymać wystarczający przepływ podczas fazy bezczynności może zaoszczędzić energię i koszty eksploatacji w systemie, który działa 24/7 w każdym danym zastosowaniu. Jeśli prędkość nie jest zmniejszona i olej jest nadal pompowany bez wykonywania żadnej pracy, wybierze on drogę najmniejszego oporu i powróci do zbiornika przez zawór nadmiarowy, powodując niepotrzebne koszty zużycia energii dla użytkownika.

Po drugie, w systemie, w którym dobrze zdefiniowane jest dP, które ma być utrzymane, system zna już normalną prędkość roboczą silnika. W związku z tym, zdarzenie przecieku w systemie spowoduje, że pompa będzie pracować z prędkością wyższą niż normalna w czasie. Wskazuje to, że pompa wymaga dostrojenia lub że w systemie występuje nieszczelność. Jest to zaleta diagnostyki predykcyjnej wynikająca z zastosowania VFD do pompy hydraulicznej.

Podłączając istniejący wyłącznik przepływowy i wyłącznik ciśnieniowy do wejść cyfrowych w napędzie, napęd wyłączy się automatycznie, jeśli zostanie zaprogramowany do zadziałania po wyzwoleniu jednego z tych wyłączników. Dzięki zapewnieniu dodatkowego inteligentnego bezpieczeństwa i napędu z obsługą technologii IoT, użytkownicy otrzymują w odpowiednim czasie powiadomienie o działaniach wymaganych przez zespół konserwacyjny.

Lepkość oleju jest ważną funkcją zapobiegającą kawitacji pompy i zapewniającą wymagany przepływ przy ciśnieniu projektowym. Utrzymanie temperatury oleju jest kluczem do utrzymania lepkości oleju. W zależności od wielkości układu hydraulicznego, jednostki posiadają pewien rodzaj wymiennika ciepła do utrzymywania temperatury oleju. Jeśli silnik wymiennika ciepła jest sterowany za pomocą VFD, zastosowanie sterownika PID do regulacji przepływu wody chłodzącej na podstawie temperatury oleju pozwoli zaoszczędzić koszty energii, ponieważ moc wynosi P (Moc) α Ƭ (Moment obrotowy silnika) * N (Prędkość).

Ponieważ komponenty zasilacza hydraulicznego zostały zaprojektowane i uruchomione z uwzględnieniem parametrów roboczych, takich jak prąd silnika, prędkość silnika i ciśnienie, każda zmiana tych parametrów w czasie jest dobrym wskaźnikiem dla użytkownika w ramach funkcji konserwacji predykcyjnej. Ostrzega użytkownika, że coś się zmieniło w systemie, np. przeciek, utrata łożyska lub zatkane przewody (stąd silnik pracuje z wyższą prędkością niż normalnie, aby osiągnąć wymagane ciśnienie). Dzięki napędom VFD z obsługą technologii IoT wszystkie te parametry są dostępne dla użytkowników na wyciągnięcie ręki, co zwiększa łatwość obsługi i doświadczenie w zarządzaniu danymi.

Podsumowując, zastosowanie VFD i pewnego dodatkowego oprzyrządowania w zasilaczach hydraulicznych może zapewnić użytkownikowi oszczędność energii, skrócenie czasu przestojów i obniżenie kosztów konserwacji dzięki konserwacji predykcyjnej.

Ranbir (Ron) Ghotra jest inżynierem ds. zastosowań linii produktów w firmie Eaton. Ghotra ma 20 lat globalnego doświadczenia w inżynierii i zarządzaniu projektami sterowania i automatyki, w rozwiązywaniu problemów dla różnych branż, od mieszkaniowej po lotniczą. Jest profesjonalistą w zarządzaniu projektami z tytułem licencjata w dziedzinie inżynierii elektrycznej i MBA z Katz Business School.