Pompy sterowane napędem – odpowiedź na potrzeby wielu dziedzin przemysłu

Michael Gundlach, Product Manager, Parker Hannifin

Serce nowoczesnych maszyn przemysłowych to skomplikowany kompromis, który każdego dnia stawia wyzwania przed inżynierami. Oczekuje się bowiem, że rozwiązania hydrauliczne będą coraz cichsze, wydajniejsze, o mniejszym wpływie na środowisko. Jednocześnie nie chcemy negatywnego wpływu na takie czynniki jak wydajność, gęstość mocy, niezawodność i sterowanie. Stanowi to wielkie wyzwanie optymalizacyjne.

Potęguje je fakt, że systemy hydrauliczne składają się z wielu precyzyjnych podzespołów, które muszą być do siebie idealnie dopasowane. Nie ma dwóch identycznych instalacji, a efektywna integracja wymaga doskonałej znajomości systemów hydraulicznych, technologii pomp hydraulicznych i silników elektrycznych oraz algorytmów sterowania, a także zależności między tymi elementami.

Na szczęście istnieje rozwiązanie tej łamigłówki - pompy sterowane z przetwornicy częstotliwości (Drive Controlled Pumps, DCP). To innowacyjne rozwiązanie pozwala na integrację energooszczędnych systemów hydraulicznych, umożliwiając dostosowanie ich do wymagań aplikacji, co wcześniej było nieosiągalne.

Technologia ta zapewnia szybką adaptację w kilku kluczowych branżach, takich jak przemysł morski, motoryzacyjny, maszynowy i odlewniczy, w których obserwujemy ciągły popyt na zmniejszanie rozmiaru, hałasu i poboru energii przez system hydrauliczny przy jednoczesnym utrzymaniu lub zwiększeniu okresu eksploatacji sprzętu.

Inteligentne podejście

Zanim przyjrzymy się korzyściom, jakie mogą zapewnić pompy sterowane napędem elektrycznym, warto przeanalizować niektóre z wad konwencjonalnych jednostek. W przeszłości systemy te wymagały stosowania wielkich pomp i silników do zapewnienia wydajności na potrzeby najbardziej wymagających cykli pracy. Dopóki koszty energii były niskie i przewidywalne, a przepisy dotyczące ochrony środowiska mniej wymagające, marnotrawstwo energetyczne oraz wysokie emisje CO2 nie stanowiły problemu. Jednak te czasy dawno minęły.

Wymogi dotyczące ochrony środowiska naturalnego sprzyjają trendowi przechodzenia na rozwiązania, które precyzyjnie dostosowują moc do wymagań konkretnych zastosowań złożonych systemów hydraulicznych. Tutaj na scenę wkracza technologia DCP z przetwornicą częstotliwości. Zapewnia ona synergiczne rozwiązanie, w którym napędy elektroniczne, silniki elektryczne i pompy hydrauliczne są w pełni zintegrowane, by sprostać każdemu lokalnemu zapotrzebowaniu na moc w systemie hydraulicznym. Ich najważniejszymi elementami są falowniki o zmiennej częstotliwości/prędkości, które sterują momentem obrotowym i prędkością obrotową silników elektrycznych, zapewniając precyzyjne, regulowane ciśnienie i przepływ wymagane w dowolnym punkcie maszyny lub cyklu pracy. Za sterowanie napędem odpowiadają sprawdzone algorytmy, opracowane w celu realizacji znormalizowanych i konfigurowalnych funkcji hydraulicznych.

Ich wszechstronność jest odpowiedzią na wiele wyzwań systemowych. W zastosowaniach pomp hydraulicznych o stałym wydatku w warunkach utrzymywania ciśnienia wydajność zasilacza hydraulicznego jest bliska zeru. Obniżając prędkość pompy za pomocą funkcji sterowania przepływem, systemy DCP mogą zmniejszyć tę nieefektywność nawet o 90%. W takich zastosowaniach rozwiązanie z pompą sterowaną napędem współdziała z pompami tłokowymi osiowymi o zmiennym wydatku.

Jeśli w takiej instalacji użyje się pomp o zmiennym wydatku, zwykle sterowanych przez różne hydraulicznie obsługiwane elementy sterowania pilotowego, w warunkach niskiego przepływu lub minimalnego ciśnienia obniżenie prędkości pompy może zniwelować straty nawet o 50%. Technologia DCP wykorzystuje tę funkcję w celu rozszerzenia możliwości systemu, regulując pracą silników oraz pomp o stałym i zmiennym wydatku przez dostosowanie ciśnienia w pętli zamkniętej na podstawie sygnału zwrotnego z czujnika ciśnienia. Oprócz tych najczęściej używanych funkcji technologia pomp sterowanych napędem pozwala inżynierom projektującym systemy hydrauliczne wdrożyć szeroką gamę funkcji sterowania, dostosowanych do konkretnych wymagań aplikacji.

Zaspokojenie potrzeb różnych dziedzin przemysłu

Popularność tego podejścia rośnie w sektorach, w których kwestie ochrony środowiska są coraz ważniejsze. Na przykład w branży morskiej, gdzie przepisy dotyczące emisji są coraz bardziej rygorystyczne, marnowanie energii na pokładzie i wysoka emisja CO2 stają się poważnym problemem, zwłaszcza przy brzegu. Wymaga to wprowadzenia wydajniejszych układów, których moc jest precyzyjnie dostosowywana do potrzeb określonych zadań. Rozwiązanie DCP może zostać zoptymalizowane pod kątem pracy z użyciem akumulatorów, zapewniając energooszczędne rozwiązanie o niskim poziomie hałasu.

W sektorach przemysłowych takich jak obróbka maszynowa technologia ta może zmniejszyć zapotrzebowanie na energię potrzebną do wykonania głównego ruchu, umożliwiając jednocześnie szybkie mocowanie i ruchy pomocnicze, a w efekcie zoptymalizować rozmiar pompy. W zastosowaniach odlewniczych może ona zostać użyta w celu dostosowania przepływu i ciśnienia do bardzo zmiennych wymagań elementów zamykających i wtryskowych oraz umożliwić użycie różnych kombinacji pomp przy zmniejszeniu wymaganej wielkości silnika. Również w procesach formowania metalu może ona zmniejszyć zapotrzebowanie na energię, ograniczyć hałas i wpłynąć na zmniejszenie wielkości podzespołów przez wykorzystanie szerszego zakresu prędkości silnika elektrycznego.

Obliczanie zwrotu z inwestycji

Technologia DCP reprezentuje innowacyjne podejście do projektowania systemu hydraulicznego, w którym tryby pracy precyzyjnie sterowanych pomp o zmiennej prędkości mogą być skonfigurowane pod kątem wymagań funkcjonalnych dla każdego procesu w złożonym systemie hydraulicznym. Z biznesowego punktu widzenia zapewnia ona najszybszy zwrot z inwestycji dzięki zaprojektowanym z bezpiecznym zapasem systemom hydraulicznym, z podzespołami przewymiarowanymi w celu zapewnienia maksymalnego wymaganego przepływu i ciśnienia.

Krótko mówiąc, jeśli system hydrauliczny wymaga chłodzenia, oznacza to, że działa ze sprawnością mniejszą niż optymalna. Wstępna ocena prawdopodobnych oszczędności energii uwzględnia napięcie źródła zasilania i moc silnika elektrycznego. Pod uwagę brane są również: liczba i typy stosowanych pomp, długość i częstotliwość występowania warunków utrzymywania ciśnienia, obecność lub brak obciążenia podczas pracy jałowej, wymagania dotyczące kontroli ciśnienia, ciśnienie oleju i otoczenia, wymagania dotyczące chłodzenia HPU oraz pożądany poziom kontroli hałasu.

Ze względu na szybki zwrot z inwestycji szacuje się, że do 2019 r. zastosowanie napędów o zmiennej prędkości do zarządzania przydziałem mocy hydraulicznej wzrosło ponad dwukrotnie. Łatwe wdrożenie rozwiązania opartego na pompie sterowanej z przetwornicy częstotliwości zapewnia odpowiednio dostosowany proces, w którym wielozadaniowy zespół inżynierów zajmujących się napędami, układami ruchu, hydrauliką siłową i technologiami sterowania wykonuje wiele różnych zadań. Obejmują one przeprowadzenie audytów energetycznych z analizą przewidywanych oszczędności energii i ocenę oraz — w razie potrzeby — wymianę poszczególnych podzespołów na bardziej kompaktowe i mniej energochłonne. Uwzględnia to również integrację napędów o zmiennej prędkości, które modulują prędkość i moment obrotowy w celu spełnienia określonych wymagań dotyczących przepływu i ciśnienia przez wykorzystanie niestandardowych trybów pracy oraz możliwość inicjacji systemu i monitorowania wydajności w celu walidacji zwrotu z inwestycji.

Autor: Michael Gundlach, kierownik produktu w Parker Hannifin

(gz)