I korthet:

• Lär dig hur smarta hydrauliska aggregat ser ut.
• De flesta hydrauliska kretsar är inte ett system som arbetar kontinuerligt – energiförbrukningen under tomgångsperioder är betydande.
• Användningen av VFD:er och viss ytterligare instrumentering kan bidra till att spara energi och minska stilleståndstiden.

Hydrauliska aggregat (HPU) sätter olja under tryck för att driva hydraulisk utrustning. Hydraulisk utrustning ger högre kraftmängder än traditionella elektriska och mekaniska drivkrafter och kan styras med större precision. De prestanda som krävs av dessa hydrauliska system är högre, särskilt när de arbetar i en processindustri som är öppen dygnet runt. Därför är drifts- och underhållskostnaderna – tillsammans med stilleståndstiden på grund av haveri – ett bekymmer för anläggningar och verksamheter som körs dygnet runt.

Vad är ett hydrauliskt aggregat?

Hydrauliska aggregat är fristående enheter som består av en motor, reservoar, övertrycksventil, filter, tryckmätare, flödesmätare, värmeväxlare, tryckbrytare, flottör/nivåbrytare, temperatursensor och hydraulpump. Detta hydraulaggregat används för att överföra kraft från en plats till en annan med hjälp av hydrauliska motorer eller hydrauliska ställdon.

Hur är elektrisk kraft och hydraulisk kraft likadana?

För att göra en analogi hjälper hydraulaggregatet till att utveckla trycket på ett liknande sätt som elektrisk spänning genereras av en generator. Med andra ord är ett hydrauliskt aggregat en kraftgenerator för ett hydraulsystem på samma sätt som en elektrisk generator producerar potential för att överföra kraft från generatorstationen till understationer för vidare distribution till våra hem.

Typiskt aggregat enkelt linjediagram.

Hur fungerar och förbrukar ett typiskt hydrauliskt aggregat kraft?

Hydrauliska aggregat används i otaliga tillämpningar, från stålverk, galvaniseringsanläggningar och olika stålbearbetningsanläggningar till nöjesparker och lokomotiv. Hydraulaggregatet används för att överföra kraft från en plats till en annan med hjälp av hydrauliska motorer. En värmare (eller en värmeväxlare) som är fäst vid aggregatet hjälper till att hålla oljan vid avsedd viskositet.

En elektrisk induktionsmotor körs med konstant hastighet för att leverera hydrauloljan med konstant tryck till den hydrauliska kretsen. Flödesmätaren i ledningen visar flödet när arbetet utförs av hydrauloljan under tryck. När arbetet utförs flödar oljan och trycket sjunker (se diagrammet nedan).

Visar flödeshastighet mot tryck.

När arbetet är avslutat eller inte utförs av hydraulikkretsen flödar oljan inte genom hydraulsystemet vid den tidpunkten. Trycket i ledningen ökar och därför öppnas övertrycksventilen så att oljan leds tillbaka till reservoaren. Tryckmätare, flödesmätare och flödesbrytare är alla viktiga instrument som indikerar för operatören att hydraulpumpen upprätthåller tillräckligt tryck för att uppnå erforderligt flöde i hydraulsystemet.

De system som är i drift dygnet runt på t.ex. bearbetningsanläggningar, sjukhus och flygplatser, med HPU-växelströmsmotorer över hela linjen, förbrukar kontinuerligt ström, även när hydraulsystemet bara trycker oljan genom avlastningsventilen i stället för att utföra det egentliga arbetet. I det här fallet ökar den löpande kostnaden på energiräkningarna utan att något arbete utförs. Med VFD:er som styr trycket och flödet i ledningen kan motorhastigheten minskas, vilket minskar trycket och direkt påverkar energiförbrukningen.

Tanken är att minska trycket genom att sänka pumphastigheten till en sådan nivå att oljan inte har tillräckligt tryck för att i onödan tryckas genom avlastningsventilen när systemet går på tomgång, snarare än att hålla trycket på så låga nivåer att det håller ledningarna fyllda, för att börja pumpa vid behov. Genom att minska motorhastigheten med hjälp av en frekvensomriktare (VFD) sparar vi inte bara energi utan undviker också onödigt slöseri.

Vi kan analysera energihanteringen och instrumenteringskomponenterna i detta typiska hydraulsystem, tillsammans med möjligheterna att spara på energi- och underhållskostnader, minska utrustningens stilleståndstid och införa förebyggande underhåll. Det kan ses som ett alternativt tillvägagångssätt för att integrera ett typiskt hydrauliskt kraftsystem.

Traditionellt sett startas kraftstyrningskomponenterna, t.ex. induktionsmotorer för hydraulpumpar och värmeväxlare, över linjen, vilket orsakar mycket slitage för motor och utrustning.

Då dessa induktionsmotorer inte styrs proportionellt mot flödet, trycket eller temperaturbehovet körs växelströmsmotorerna, när de väl har startats, med ett konstant varvtal, vilket leder till oönskad energiförbrukning under tomgångsperioden. Med tanke på att de flesta hydrauliska kretsar inte är ett system som arbetar kontinuerligt är energiförbrukningen under tomgångsperioderna betydande. All energi som förbrukas av pumpmotorn och värmeväxlarmotorn under tomgångsperioden kan sparas genom att använda en VFD för dessa växelströmsmotorer.

Slutningsvis används instrumenteringen på hydrauliska aggregat traditionellt antingen för att visa tryck och flöde för operatören eller för att stänga av enheten i nödsituationer. Detta görs om enheten bygger upp ett högt tryck på grund av att en ledning är igensatt, snarare än att använda instrumenteringen för att styra växelströmsmotorerna i ett nära kretslopp.

Genom att ansluta den befintliga instrumenteringen direkt till VFD:ns digitala ingångar, lägga till ytterligare analoga givare till hydraulsystemet och integrera allt till VFD:n kommer det att generera en effektivare styrning av aggregatet, till en lägre kostnad och minimalt underhåll.

Under de senaste åren har VFD:er blivit IoT-aktiverade. När instrumenteringen går direkt in i VFD:n får användaren fördelen av förebyggande underhåll för att minska oönskad stilleståndstid.

Hur skulle en smart konstruktion av ett hydrauliskt aggregat se ut?

1. Installera en VFD för en hydraulpumpmotor och en annan för en kylpumpsmotor på värmeväxlaren. På uppdragskritiska hydrauliska aggregat finns det redundanta motorer för var och en av dem. I det fallet måste du installera separata VFD:er för de redundanta motorerna.

Stäng alla ventiler i bypassledningen. Nödventilen bör ställas in så att den bara kommer in i bilden när drivenheten misslyckas med att reglera trycket.

2. Installera en differenstrycksensor mellan fram- och returledningarna vid processbelastningen (placerad längst bort från aggregatet). Bestäm det tryckfall som behövs för att upprätthålla tillräckligt flöde genom den mest avlägsna processbelastningspunkten i det hydrauliska nätverket. Styr hydraulpumpens VFD-hastighet med hjälp av intern PID för att upprätthålla tillräckligt differenstryck.
3. Installera en temperaturgivare vid hydraulaggregatet för att återkoppla oljetemperaturen till VFD:n för värmeväxlaren och styra kylvattenflödet genom värmeväxlaren.
4. Aktivera IoT på VFD:erna för att skicka den smarta informationen till en smartphone med jämna mellanrum och jämföra informationen för att varna en användare så att denne vid behov kan vidta proaktiva underhållsåtgärder.

Binda ihop det hela:

Induktionsmotorn på hydraulpumpen bör styras av en VFD i stället för av en startmotor. VFD-hastighetsreferensen kan styras av enhetens interna PID-regulator som får återkoppling från en differenstryckgivare som läggs till i hydraulsystemet. PID-regulatorns inställningsvärde kommer att vara att upprätthålla ett tillräckligt dP-tryck vid den mest avlägsna punkten i det hydrauliska nätverket.

Vad detta innebär är att enligt affinitetsreglerna kommer VFD:n att driva en hydraulpumpmotor med ett varvtal som krävs för att bibehålla tryckets börvärde i stället för att alltid köra med fullt varvtal när den körs över linjestarten, vilket förbrukar ström när den går på tomgång.

Med tillämpning av den första principen kommer en kombination av hydraulpump och elmotor på en hydraulisk kraft att styra oljeflödet för att aktivera en kolv eller rotera en hydraulisk motor. Flödet (gpm) är en funktion av oljeförskjutning per varv * rotationshastighet. Därför kan en VFD användas för att minska pumpens varvtal för att styra flödet när minimalt flöde krävs under de tider då hydraulsystemet är inaktivt.

Under det arbete som utförs av hydraulsystemet upprätthålls ett visst flöde som är relaterat till dP vid den mest avlägsna punkten, med hänsyn tagen till det arbete som utförs av manöverdonet eller eventuellt läckage. Detta konstanta flöde ger upphov till en tryckskillnad på grund av det motstånd som belastningen erbjuder.

Därmed styr användningen av VFD PID i en sluten krets motorhastigheterna; övertryck i systemet uppstår inte under tomgångstider, och det flöde som krävs för att upprätthålla det erforderliga trycket levereras under den tid då arbete utförs av hydraulsystemet.

Samt sett kan man se att man genom att minska pumpens varvtal när systemet är tomgång och köra pumpen precis vid det varvtal som krävs för att upprätthålla ett tillräckligt flöde under den icke-lediga fasen kan spara energi och driftskostnader på ett system som är i drift dygnet runt i en viss tillämpning. Om hastigheten inte minskas och oljan fortfarande pumpas utan att utföra något arbete, kommer den att ta den väg som ger minst motstånd och återvända till reservoaren genom tryckavlastningsventilen, vilket kostar onödig energianvändning för användaren.

För det andra, på ett system där det är väldefinierat dP som ska upprätthållas, känner systemet redan till motorns normala driftshastighet. Därför kommer ett läckage i systemet att leda till att pumpen med tiden körs med ett högre varvtal än normalt. Detta tyder på att pumpen behöver justeras eller att det finns ett läckage i systemet. Detta är den prediktiva diagnostiska fördelen med att använda en VFD för hydraulpumpen.

Och genom att koppla den befintliga flödesbrytaren och tryckbrytaren till de digitala ingångarna på drivenheten kommer drivenheten att stänga av automatiskt om den är programmerad för att utlösas när någon av dessa brytare utlöses. Genom att tillhandahålla ytterligare smart säkerhet och en IoT-aktiverad enhet ger den användarna ett snabbt meddelande om en åtgärd som krävs av underhållsteamet.

Viskositeten hos oljan är en viktig funktion för att förhindra kavitation i pumpen och för att uppnå det erforderliga flödet vid konstruktionstrycket. Att upprätthålla oljetemperaturen är nyckeln till att upprätthålla oljans viskositet. Beroende på hydraulsystemets storlek har enheterna någon form av värmeväxlarenhet för att upprätthålla oljetemperaturen. Om värmeväxlarmotorn styrs med VFD:n kommer användningen av en PID-regulator för reglering av kylvattenflödet baserat på oljetemperaturen att spara energikostnader, eftersom effekten är P (effekt) α Ƭ (motorns vridmoment) * N (varvtal).

Då komponenterna i hydraulikaggregatet konstruerades och driftsattes med driftsparametrar som motorns ström, motorns varvtal och tryck är varje förändring av dessa parametrar med tiden en bra indikation för användaren som en del av den förebyggande underhållsfunktionen. Det varnar användaren om att något har förändrats i systemet, t.ex. läckage, lagerförlust eller igensatta ledningar (vilket innebär att motorn körs med ett högre varvtal än normalt för att uppnå det tryck som krävs). Med IoT-aktiverade VFD:er är alla dessa parametrar tillgängliga för användarna vid deras fingertoppar för att öka användarvänligheten och datahanteringsupplevelsen.

Sammanfattningsvis kan användningen av VFD:er och viss ytterligare instrumentering på hydrauliska aggregat ge användaren energibesparingar, minskad stilleståndstid och minskad underhållskostnad på grund av förutsägbart underhåll.

Ranbir (Ron) Ghotra är applikationsingenjör för produktlinjen på Eaton. Ghotra har 20 års global erfarenhet av teknik och hantering av styr- och automationsprojekt och har löst problem för olika branscher från bostäder till flygindustrin. Han är en professionell projektledare med en kandidatexamen i elektroteknik och en MBA från Katz Business School.