Num relance:

• Saiba como é o design da unidade de potência hidráulica inteligente.
• A maior parte dos circuitos hidráulicos não é um sistema em funcionamento contínuo – o consumo de energia durante os períodos de inactividade é substancial.
• O uso dos VFDs e de alguns instrumentos adicionais pode ajudar a economizar energia e reduzir o tempo de inatividade.

Unidades hidráulicas de potência (HPUs) pressurizam óleo para alimentar equipamentos hidráulicos. Os equipamentos hidráulicos fornecem maiores quantidades de força do que os tradicionais motores elétricos e mecânicos e podem ser controlados com mais precisão. O desempenho exigido por estes sistemas hidráulicos é maior, especialmente quando operando em uma indústria de processo 24/7. Portanto, os custos de operação e manutenção – juntamente com o tempo de parada devido a avarias – é uma preocupação para instalações e operações que funcionam 24/7.

O que é uma unidade de potência hidráulica?

As unidades hidráulicas são unidades autónomas que consistem num motor, reservatório, válvula de alívio de pressão, filtro, manómetro, medidor de caudal, permutador de calor, pressostato, interruptor de bóia/interruptor de nível, sensor de temperatura e bomba hidráulica. Esta unidade de energia hidráulica é utilizada para transferir energia de um local para outro usando motores hidráulicos ou atuadores hidráulicos.

Como é que a energia eléctrica e a hidráulica são semelhantes?

Para fazer uma analogia, a fonte de alimentação hidráulica ajuda a desenvolver a pressão de forma semelhante à que a tensão elétrica é gerada por um gerador. Em outras palavras, uma fonte de energia hidráulica é um gerador de energia para um sistema hidráulico da mesma forma que um gerador elétrico produz potencial para transferir energia da estação geradora para subestações para distribuição posterior em nossas casas.

Diagrama unifilar da fonte de energia típica.
>

Como funciona e consome energia uma fonte de energia hidráulica típica?

As centrais hidráulicas são utilizadas em inúmeras aplicações, desde siderúrgicas, instalações de galvanização e várias instalações de acabamento de aço até parques de diversões e locomotivas. A fonte de alimentação hidráulica é utilizada para transferir energia de um local para outro, utilizando motores hidráulicos. Um aquecedor (ou um trocador de calor) ligado à fonte de alimentação ajuda a manter o óleo na viscosidade projetada.

Um motor de indução eléctrico funciona a uma velocidade constante para fornecer o óleo hidráulico a uma pressão constante ao circuito hidráulico. O medidor de fluxo na linha indica o fluxo quando o trabalho está sendo feito pelo óleo hidráulico sob pressão. Quando o trabalho é feito, o óleo está fluindo e a pressão cai (veja o gráfico abaixo).

Mostrar o fluxo versus pressão.

Quando o trabalho é terminado ou não está sendo feito pelo circuito hidráulico, o óleo não está fluindo através do sistema hidráulico naquele momento. A pressão na linha aumenta e, portanto, a válvula de alívio de pressão se abre para desviar o óleo de volta para o reservatório. O manômetro, o medidor e o interruptor de fluxo fazem parte de importantes instrumentos que indicam ao operador que a bomba hidráulica está mantendo pressão suficiente, de modo a atingir o fluxo necessário no sistema hidráulico.

Os sistemas que funcionam 24/7 em locais como plantas de processamento, hospitais e aeroportos, com motores CA da HPU através da linha, consomem energia continuamente, mesmo quando o sistema hidráulico está apenas empurrando o óleo através da válvula de alívio, em vez de fazer o trabalho real. Neste caso, acrescenta o custo de funcionamento às contas de energia por nenhum trabalho. Com os VFDs controlando a pressão e o fluxo na linha, a velocidade do motor pode ser reduzida, reduzindo assim a pressão para impactar diretamente no consumo de energia.

A ideia é reduzir a pressão reduzindo a velocidade da bomba para um nível tal que o óleo não tenha pressão suficiente para ser empurrado desnecessariamente através da válvula de alívio quando o sistema está em marcha lenta, em vez de manter a pressão a níveis tão baixos que mantém as linhas cheias, para começar a bombear conforme necessário. Ao reduzir a velocidade do motor usando um acionamento de freqüência variável (VFD), não só economizamos energia como também evitamos desperdícios desnecessários.

Podemos analisar o gerenciamento de energia e os componentes de instrumentação neste sistema hidráulico típico, juntamente com as oportunidades de economizar em custos de energia e manutenção, reduzir o tempo de parada do equipamento e implementar manutenção preditiva. Pode ser visto como uma abordagem alternativa para integrar um sistema hidráulico típico.

Tradicionalmente, os componentes de gerenciamento de energia, como motores de indução para bombas hidráulicas e trocadores de calor, são iniciados através da linha, causando muito desgaste para o motor e equipamentos.

Porque estes motores de indução não são controlados proporcionalmente ao caudal, à pressão ou à necessidade de temperatura, uma vez arranques, os motores CA funcionam a uma velocidade constante que leva a um consumo de energia indesejado durante o período de marcha lenta. Sabendo que a maioria dos circuitos hidráulicos não é um sistema em funcionamento contínuo, o consumo de energia durante o período de marcha lenta é substancial. Toda a energia consumida pelo motor da bomba e pelo motor do permutador de calor durante o período de ralenti pode ser conservada utilizando um VFD para estes motores CA.

Por último, a instrumentação que está nas unidades hidráulicas é tradicionalmente utilizada quer para a visualização da pressão e do fluxo pelo operador, quer para um corte de emergência da unidade. Isto é feito no caso da unidade acumular alta pressão devido a um entupimento da linha, em vez de utilizar esta instrumentação para um controle de ciclo fechado dos motores CA.

Conectando a instrumentação existente diretamente nas entradas digitais do VFD, adicionando transdutores analógicos adicionais ao sistema hidráulico e integrando tudo ao VFD, gerará um controle mais eficiente da central, a um custo menor e com manutenção mínima.

Nos últimos anos, os VFD têm sido activados por IoT. Com a instrumentação entrando diretamente na VFD, o usuário adquire o benefício da manutenção preditiva para reduzir o tempo de parada indesejada.

Como seria o design de uma power pack hidráulica inteligente?

1. Instalar um VFD para um motor de bomba hidráulica e outro para um motor de bomba de arrefecimento no permutador de calor. Nas unidades de potência hidráulica de missão crítica existem motores redundantes para cada uma. Nesse caso, você precisaria instalar VFDs separados para motores redundantes.
2. Fechar todas as válvulas na linha de bypass. A válvula de alívio de emergência deve ser regulada de modo a que só entre em cena quando o accionamento não conseguir regular a pressão.
3. Instale um sensor de pressão diferencial entre os cabeçotes de alimentação e retorno na carga do processo (localizado na distância mais afastada da fonte de alimentação). Determine a queda de pressão necessária para manter um fluxo suficiente através do ponto de carga do processo mais distante da rede hidráulica. Controle a velocidade da bomba hidráulica VFD usando o PID interno para manter pressão diferencial suficiente.
4. Instale um transdutor de temperatura na central hidráulica para alimentar a temperatura do óleo no trocador de calor VFD e controlar o fluxo da água de resfriamento através do trocador de calor.

>

5. Disponibilizar o IoT nos VFDs para enviar periodicamente as informações inteligentes para um smartphone, comparando informações para alertar o usuário a tomar medidas de manutenção proativas quando necessário.

Aplicar tudo junto: Como é que um smart hydraulic power pack funcionaria eficientemente com tempos de paragem previsíveis?

O motor de indução na bomba hidráulica deve ser controlado por um VFD em vez de ser controlado através da linha de arranque. A referência de velocidade VFD pode ser controlada pelo controlador PID interno do acionamento que recebe feedback de um transdutor de pressão diferencial adicionado ao sistema hidráulico. O ponto de ajuste para o PID será manter uma pressão dP suficiente no ponto mais distante da rede hidráulica.

O que isto significa é que seguindo as regras de afinidade, o VFD irá operar um motor de bomba hidráulica a uma velocidade necessária para manter o ponto de ajuste da pressão, ao invés de sempre operar à velocidade máxima quando estiver operando através da linha de partida, consumindo energia enquanto ocioso.

Aplicando o primeiro princípio, uma combinação de bomba hidráulica e motor elétrico em uma potência hidráulica controlará o fluxo de óleo para acionar um pistão ou girar um motor hidráulico. O fluxo (gpm) é uma função do deslocamento de óleo por rotação * velocidade de rotação. Portanto, uma VFD pode ser usada para reduzir a velocidade da bomba para controlar o fluxo quando o fluxo mínimo é necessário durante os tempos em que o sistema hidráulico está ocioso.

Durante o trabalho executado pelo sistema hidráulico, é mantido um certo caudal que está relacionado com o dP no ponto mais distante, contabilizando o trabalho a ser feito pelo actuador ou qualquer fuga. Este fluxo constante dá origem a uma diferença de pressão devido à resistência oferecida pela carga.

Por isso, utilizando o VFD PID em circuito fechado controla as velocidades do motor; a sobrepressurização do sistema não ocorre durante os tempos de marcha lenta, e o fluxo necessário para manter a pressão requerida é fornecido durante o tempo de trabalho que está sendo realizado pelo sistema hidráulico.

Over todo, pode-se ver que reduzindo a velocidade da bomba quando o sistema está ocioso e operando a bomba apenas na velocidade requerida para manter um fluxo suficiente durante a fase não-idular pode economizar energia e custos de operação em um sistema que está em operação 24 horas por dia, 7 dias por semana, em qualquer aplicação. Se a velocidade não for reduzida e o óleo ainda estiver sendo bombeado sem fazer nenhum trabalho, ele tomará o caminho de menor resistência e retornará ao reservatório através da válvula de alívio de pressão, custando ao usuário um gasto desnecessário de energia.

Segundamente, em um sistema onde o dP é bem definido que deve ser mantido, o sistema já conhece a velocidade normal de operação do motor. Portanto, um evento de vazamento no sistema fará com que a bomba funcione a uma velocidade maior do que a normal ao longo do tempo. Isto indica que a bomba precisa de afinação ou que há uma fuga no sistema. Esta é a vantagem do diagnóstico preditivo do uso de um VFD para a bomba hidráulica.

Além disso, ao ligar o interruptor de fluxo existente e o pressostato às entradas digitais do acionamento, o acionamento se desligará automaticamente se programado para disparar quando um destes interruptores for acionado. Ao fornecer segurança adicional inteligente e um acionamento habilitado para IoT, ele fornece aos usuários uma notificação oportuna de uma ação exigida pela equipe de manutenção.

A viscosidade do óleo é uma função importante para evitar qualquer cavitação da bomba e atingir o fluxo necessário na pressão de projeto. A manutenção da temperatura do óleo é fundamental para manter a viscosidade do óleo. Dependendo do tamanho do sistema hidráulico, as unidades possuem algum tipo de trocador de calor para manter a temperatura do óleo. Se o motor do permutador de calor for controlado com o VFD, a utilização de um controlador PID para regular o fluxo da água de arrefecimento com base na temperatura do óleo poupará custos energéticos, uma vez que a potência é P (Power) α Ƭ (Motor Torque) * N (Speed).

Porque os componentes da central hidráulica foram concebidos e colocados em funcionamento com parâmetros de funcionamento como a corrente do motor, a velocidade do motor e a pressão, qualquer alteração destes parâmetros ao longo do tempo é uma boa indicação para o utilizador como parte do recurso de manutenção preditiva. Ele alerta o usuário que algo mudou no sistema, como vazamentos, perda de rolamentos ou linhas entupidas (daí o motor estar funcionando a uma velocidade maior do que a normal para atingir a pressão necessária). Com os VFDs ativados por IoT, todos esses parâmetros estão disponíveis aos usuários na ponta dos dedos para melhorar a facilidade de uso e a experiência de gerenciamento de dados.

Em resumo, o uso dos VFDs e de alguns instrumentos adicionais em packs de potência hidráulica pode proporcionar ao utilizador poupança de energia, redução do tempo de paragem e custo de manutenção reduzido devido à manutenção preditiva.

Ranbir (Ron) Ghotra é um engenheiro de aplicações da linha de produtos da Eaton. A Ghotra tem 20 anos de experiência global em engenharia e gestão de projectos de controlo e automação, resolvendo problemas para várias indústrias que vão desde a residencial à aeroespacial. Ele é um profissional de gerenciamento de projetos com bacharelado em engenharia elétrica e um MBA da Katz Business School.