Într-o privire:

• Aflați cum arată proiectarea inteligentă a centralelor hidraulice.
• Majoritatea circuitelor hidraulice nu sunt un sistem care funcționează în permanență – consumul de energie în timpul perioadelor de inactivitate este substanțial.
• Utilizarea VFD-urilor și a unor instrumente suplimentare poate ajuta la economisirea energiei și la reducerea timpilor morți.

Unitățile de putere hidraulică (HPU) presurizează uleiul pentru a alimenta echipamentele hidraulice. Echipamentele hidraulice furnizează cantități mai mari de forță decât mașinile de antrenare electrice și mecanice tradiționale și pot fi controlate cu mai multă precizie. Performanța solicitată de la aceste sisteme hidraulice este mai mare, în special atunci când funcționează într-o industrie de procesare 24/7. Prin urmare, costurile de operare și întreținere – împreună cu timpul de nefuncționare datorat defecțiunilor – reprezintă o preocupare pentru uzinele și operațiunile care funcționează 24/7.

Ce este o unitate de putere hidraulică?

Unitățile de putere hidraulică sunt unități autonome care constau dintr-un motor, un rezervor, o supapă de suprapresiune, un filtru, un manometru, un debitmetru, un schimbător de căldură, un presostat, un comutator de presiune, un comutator de nivel/flotant, un senzor de temperatură și o pompă hidraulică. Această unitate de alimentare hidraulică este utilizată pentru transferul de putere dintr-o locație în alta prin utilizarea motoarelor hidraulice sau a actuatorilor hidraulici.

În ce fel se aseamănă puterea electrică și puterea hidraulică?

Pentru a face o analogie, centrala hidraulică ajută la dezvoltarea presiunii într-un mod similar cu cel în care tensiunea electrică este generată de un generator. Cu alte cuvinte, un bloc de alimentare hidraulică este un generator de energie pentru un sistem hidraulic, în același mod în care un generator electric produce potențial pentru a transfera energia de la stația generatoare la substații pentru a fi distribuită mai departe în casele noastre.

Diagrama monofilară tipică a blocului de alimentare.

Cum funcționează și cum consumă energie un bloc de alimentare hidraulică tipic?

Blocurile de alimentare hidraulice sunt utilizate în nenumărate aplicații, de la oțelării, uzine de galvanizare și diverse instalații de finisare a oțelului până la parcuri de distracții și locomotive. Centrala hidraulică este utilizată pentru transferul de putere dintr-un loc în altul cu ajutorul motoarelor hidraulice. Un încălzitor (sau un schimbător de căldură) atașat la centrala electrică ajută la menținerea uleiului la vâscozitatea proiectată.

Un motor electric cu inducție funcționează la viteză constantă pentru a furniza uleiul hidraulic la o presiune constantă în circuitul hidraulic. Debitmetrul din conductă indică debitul atunci când lucrarea este efectuată de uleiul hidraulic sub presiune. Atunci când lucrarea este efectuată, uleiul curge și presiunea scade (a se vedea graficul de mai jos).

Înfățișarea debitului în funcție de presiune.

Când lucrarea este finalizată sau nu este efectuată de circuitul hidraulic, uleiul nu curge prin sistemul hidraulic în acel moment. Presiunea din conductă crește și, prin urmare, supapa de suprapresiune se deschide pentru a ocoli uleiul înapoi în rezervor. Manometrul, debitmetrul și comutatorul de debit fac parte din instrumentele importante care indică unui operator că pompa hidraulică menține o presiune suficientă, astfel încât să se obțină debitul necesar în sistemul hidraulic.

Sistemele care funcționează 24 de ore din 24, 7 zile din 7, în locuri precum fabrici de prelucrare, spitale și aeroporturi, cu motoare de curent alternativ HPU pe toată linia, consumă energie în mod continuu, chiar și atunci când sistemul hidraulic doar împinge uleiul prin supapa de siguranță, în loc să facă munca reală. În acest caz, se adaugă costuri de funcționare la facturile de energie pentru nicio lucrare. Cu VFD care controlează presiunea și debitul în linie, viteza motorului poate fi redusă, reducând astfel presiunea pentru a avea un impact direct asupra consumului de energie.

Ideea este de a reduce presiunea prin reducerea turației pompei la un asemenea nivel încât uleiul să nu aibă suficientă presiune pentru a fi împins inutil prin supapa de siguranță atunci când sistemul este la ralanti, mai degrabă decât de a menține presiunea la niveluri atât de scăzute încât să mențină liniile pline, pentru a începe pomparea la nevoie. Prin reducerea vitezei motorului cu ajutorul unei unități de frecvență variabilă (VFD), nu numai că economisim energie, dar evităm și risipa inutilă.

Pot fi analizate componentele de gestionare a energiei și de instrumentație din acest sistem hidraulic tipic, împreună cu oportunitățile de a economisi energie și costuri de întreținere, de a reduce timpul de nefuncționare a echipamentului și de a implementa întreținerea predictivă. Poate fi privită ca o abordare alternativă a integrării unui sistem tipic de putere hidraulică.

În mod tradițional, componentele de gestionare a puterii, cum ar fi motoarele cu inducție pentru pompele hidraulice și schimbătoarele de căldură, sunt pornite pe linie, provocând multă uzură pentru motor și echipament.

Pentru că aceste motoare de inducție nu sunt controlate proporțional cu debitul, presiunea sau cerința de temperatură, odată pornite, motoarele de curent alternativ funcționează la o viteză constantă, ceea ce duce la un consum nedorit de energie în timpul perioadei de inactivitate. Știind că majoritatea circuitelor hidraulice nu sunt un sistem care funcționează continuu, consumul de energie în timpul perioadelor de inactivitate este substanțial. Toată energia consumată de motorul pompei și de motorul schimbătorului de căldură în timpul perioadei de inactivitate poate fi conservată prin utilizarea unui VFD pentru aceste motoare de curent alternativ.

În cele din urmă, instrumentația care se află pe grupurile hidraulice este în mod tradițional implementată fie pentru afișarea de către operator a presiunii și debitului, fie pentru o oprire de urgență a unității. Acest lucru se face în cazul în care unitatea acumulează o presiune ridicată din cauza unei înfundări a conductei, mai degrabă decât să se utilizeze această instrumentație pentru un control în buclă strânsă al motoarelor de curent alternativ.

Prin conectarea instrumentației existente direct la intrările digitale ale VFD, prin adăugarea de traductoare analogice suplimentare la sistemul hidraulic și integrarea tuturor la VFD, se va genera un control mai eficient al grupului de alimentare, la un cost mai mic și o întreținere minimă.

În ultimii ani, VFD-urile au fost adaptate la IoT. Cu instrumentația care intră direct în VFD, utilizatorul dobândește avantajul întreținerii predictive pentru a reduce timpii de nefuncționare nedoriți.

Cum ar arăta un design inteligent al grupului hidraulic de putere?

1. Instalați un VFD pentru un motor de pompă hidraulică și un altul pentru un motor de pompă de răcire pe schimbătorul de căldură. La centralele hidraulice de misiune critică există motoare redundante pentru fiecare dintre ele. În acest caz, ar trebui să instalați VFD-uri separate pentru motoarele redundante.
2. Închideți toate supapele din linia de bypass. Supapa de siguranță de urgență ar trebui să fie setată astfel încât să intre în acțiune numai atunci când unitatea nu reușește să regleze presiunea.
3. Instalați un senzor de presiune diferențială între capetele de alimentare și de retur la sarcina de proces (amplasat la cea mai mare distanță de unitatea de alimentare). Determinați căderea de presiune necesară pentru a menține un debit suficient prin cel mai îndepărtat punct de sarcină de proces din rețeaua hidraulică. Controlați viteza pompei hidraulice VFD utilizând PID intern pentru a menține o presiune diferențială suficientă.
4. Instalați un traductor de temperatură la grupul hidraulic de putere pentru a transmite temperatura uleiului către VFD al schimbătorului de căldură și a controla debitul de apă de răcire prin schimbătorul de căldură.
5. Activați IoT pe VFD-uri pentru a trimite periodic informații inteligente către un smartphone, comparând informațiile pentru a alerta un utilizator pentru a lua măsuri proactive de întreținere atunci când este necesar.

Corelarea tuturor: Cum ar funcționa o centrală hidraulică inteligentă în mod eficient, cu un timp de nefuncționare previzibil?

Motorul de inducție de pe pompa hidraulică ar trebui să fie controlat de un VFD mai degrabă decât de un demaror pe linie. Referința de viteză VFD poate fi controlată de controlerul PID intern al unității care primește feedback de la un traductor de presiune diferențială adăugat la sistemul hidraulic. Punctul de setare pentru PID va fi acela de a menține o presiune dP suficientă în cel mai îndepărtat punct din rețeaua hidraulică.

Ceea ce înseamnă acest lucru este că, urmând regulile de afinitate, VFD va rula un motor de pompă hidraulică la o turație necesară pentru a menține punctul de setare a presiunii, mai degrabă decât să funcționeze întotdeauna la turație maximă atunci când rulează prin demarorul de linie, consumând energie în timpul mersului în gol.

Aplicând primul principiu, o combinație de pompă hidraulică și motor electric pe o putere hidraulică va controla fluxul de ulei pentru a acționa un piston sau a roti un motor hidraulic. Debitul (gpm) este o funcție de deplasarea uleiului pe revoluție * viteza de rotație. Prin urmare, un VFD poate fi utilizat pentru a reduce viteza pompei pentru a controla debitul atunci când este necesar un debit minim în perioadele în care sistemul hidraulic este inactiv.

În timpul lucrului executat de sistemul hidraulic, se menține un anumit debit care este legat de dP în punctul cel mai îndepărtat, ținând cont de lucrul efectuat de actuator sau de eventualele scurgeri. Acest debit constant dă naștere la o diferență de presiune datorată rezistenței oferite de sarcină.

Prin urmare, utilizarea VFD PID într-o buclă închisă controlează vitezele motorului; suprapresurizarea sistemului nu are loc în timpul perioadelor de inactivitate, iar debitul necesar pentru a menține presiunea necesară este furnizat în timpul lucrului efectuat de sistemul hidraulic.

În general, se poate observa că prin reducerea turației pompei atunci când sistemul este inactiv și funcționarea pompei doar la turația necesară pentru a menține un debit suficient în timpul fazei de repaus se poate economisi energie și costuri de funcționare pe un sistem care funcționează 24 de ore din 24, 7 zile din 7 în orice aplicație dată. Dacă turația nu este redusă și uleiul este în continuare pompat fără a efectua nicio lucrare, acesta va lua calea de cea mai mică rezistență și se va întoarce în rezervor prin supapa de suprapresiune, ceea ce va costa utilizarea inutilă a energiei pentru utilizator.

În al doilea rând, pe un sistem în care este bine definit dP care trebuie menținut, sistemul cunoaște deja viteza normală de funcționare a motorului. Prin urmare, un eveniment de scurgere în sistem va face ca pompa să funcționeze la o viteză mai mare decât cea normală în timp. Acest lucru indică faptul că pompa trebuie reglată sau că există o scurgere în sistem. Acesta este avantajul diagnosticării predictive al utilizării unui VFD pentru pompa hidraulică.

De asemenea, prin cablarea comutatorului de debit existent și a comutatorului de presiune la intrările digitale de pe unitatea de acționare, unitatea de acționare se va opri automat dacă este programată să se declanșeze atunci când se declanșează oricare dintre aceste comutatoare. Prin asigurarea unei siguranțe inteligente suplimentare și a unei unități de acționare compatibile cu IoT, aceasta oferă utilizatorilor o notificare în timp util a unei acțiuni solicitate de echipa de întreținere.

Vâscozitatea uleiului este o funcție importantă pentru a preveni orice cavitație a pompei și pentru a atinge debitul necesar la presiunea de proiectare. Menținerea temperaturii uleiului este esențială pentru menținerea vâscozității uleiului. În funcție de mărimea sistemului hidraulic, unitățile au un fel de unitate de schimbător de căldură pentru menținerea temperaturii uleiului. Dacă motorul schimbătorului de căldură este controlat cu ajutorul VFD, utilizarea unui controler PID pentru reglarea debitului de apă de răcire pe baza temperaturii uleiului va economisi costurile de energie, deoarece puterea este P (Putere) α Ƭ (Cuplu motor) * N (Viteză).

Pentru că componentele grupului hidraulic au fost proiectate și puse în funcțiune cu parametrii de funcționare, cum ar fi curentul motorului, turația motorului și presiunea, orice modificare a acestor parametri în timp este o bună indicație pentru utilizator ca parte a funcției de întreținere predictivă. Aceasta avertizează utilizatorul că ceva s-a schimbat în sistem, cum ar fi scurgeri, pierderi de rulmenți sau conducte înfundate (prin urmare, motorul funcționează la o viteză mai mare decât în mod normal pentru a obține presiunea necesară). Cu VFD-urile compatibile cu IoT, toți acești parametri sunt la dispoziția utilizatorilor, la îndemâna lor, pentru a îmbunătăți ușurința de utilizare și experiența de gestionare a datelor.

În concluzie, utilizarea VFD-urilor și a unor instrumente suplimentare pe centralele hidraulice poate oferi utilizatorului economii de energie, reducerea timpilor de nefuncționare și reducerea costurilor de întreținere datorită întreținerii predictive.

Ranbir (Ron) Ghotra este inginer de aplicații pentru linia de produse la Eaton. Ghotra are 20 de ani de experiență globală în inginerie și gestionarea proiectelor de control și automatizare, rezolvând probleme pentru diverse industrii, de la cea rezidențială la cea aerospațială. Este un profesionist în managementul proiectelor, cu o diplomă de licență în inginerie electrică și un MBA de la Katz Business School.