Proč potřebují elektrické hydraulické čerpadlové jednotky tlakový spínač zapnutí/vypnutí?

Hydraulická pohonná jednotka, která provozuje čerpadlo s pevným výtlakem proti pojistnému ventilu, je z hlediska energie stroj, který přeměňuje elektřinu na teplo s navíc nutnými kroky. Čerpadlo se neustále otáčí, olej neustále proteká a pojistný ventil ho neustále vrací zpět do nádrže za nastaveného tlaku. Neprobíhá žádná užitečná činnost – jediné, co se děje, je zahřívání oleje a neustálé otáčení elektroměru. Spínač tlaku se startem a zastavením tento cyklus přeruší. Sleduje tlak v systému a řídí kontaktor motoru, kdy má napájení vypnout a kdy jej opět zapnout. Samotná součást je malá a levná ve srovnání s čerpadlem nebo motorem. Důsledky jejího vynechání nebo špatného nastavení však ani malé, ani levné nejsou.

Pojistný ventil neřídí energii – rozptýlí ji

Uzavírací ventil chrání obvod před nadměrným tlakem. To je jeho úkol. Není to regulátor tlaku ve smyslu řízení energie. Když čerpadlo s pevným výtlakem pokračuje v činnosti poté, co se hybný člen zastavil nebo se upínací zařízení uzavřelo, každý litr za minutu nad to, co zátěž vyžaduje, proteče uzavíracím ventilem za nastaveného tlaku. Tento průtok se mění na teplo rychlostí úměrnou součinu tlaku a průtoku. U hydraulického agregátu pro upínání, který zkoumali Gattinger a Schwimmer ve společnosti Weber-Hydraulik, motor běžel přibližně šedesát procent cyklu trvajícího 483 sekund a velká část tohoto provozního času byla spojena s průtokem oleje přes hlavní uzavírací ventil. Teplota oleje se ustálila kolem 90 °C, i když samotný upínací tlak činil pouze přibližně 80 bar. To je typický znak čerpadla, které zůstává v chodu bez příkazu k zastavení založeného na tlaku.

Oprava v tomto studiu nezahrnovala nové čerpadlo ani modernizaci s proměnným výtlakem. Byl přidaný malý akumulátor na tlakový port a samostatný tlakový spínač byl zapojený do kontaktoru motoru, takže se čerpadlo znovu spouštělo pouze tehdy, když tlak v akumulátoru klesl pod prahovou hodnotu spínače. Doba chodu motoru klesla na několik krátkých dob doplňování za cyklus. Naměřená spotřeba energie klesla z 96 Wh na 11 Wh za cyklus a teplota oleje se ustálila na pokojové teplotě místo 90 °C. Spínač vykonal úkol, který nelze splnit pojistným ventilem: ukončil platbu za tlak, který nebyl využíván.

Tlakové spínače a obvody pro odlehčení řeší různé problémy

Stojí za to oddělit spínač zapnutí/vypnutí od uzavíracího ventilu nebo uzavíracího obvodu. Často se o nich diskutuje společně a jejich funkce se částečně překrývají, avšak ovlivňují různé části systému. Uzavírací ventil přesměruje průtok čerpadla do nádrže při nízkém tlaku, zatímco čerpadlo nadále rotuje. Spínač zapnutí/vypnutí řízený tlakem odpojí elektrickou energii od motoru. První řešení šetří hydraulickou energii snížením tlakové ztráty na čerpadle; druhé šetří elektrickou energii zastavením pohonné jednotky.

Porovnání obou přístupů u napájecí jednotky se stálým výkonem tuto rozdílnost konkrétně ilustruje.

Třetí řádek je místo, kde si tlakový spínač pro start-stop zaslouží své uplatnění. V případě Weber-Hydraulik nahradil tlakový spínač časově řízený příkaz pro spuštění motoru od nadřazeného řídicího systému stroje. Řídicí systém spouštěl motor před každou operací upínání nebo uvolňování a zastavoval ho podle pevně nastaveného časovače, bez ohledu na to, zda byl tlak již k dispozici. Spínač umožnil, aby se motor reagoval na skutečnou hydraulickou potřebu místo na předem daný časový plán.

Mrtvé pásmo je nastavení, které rozhoduje o tom, zda spínač pomáhá nebo škodí

Spínač pro start-stop nefunguje při jediném tlaku. Má vypínací tlak, při němž se motor zastaví, a zapínací tlak, při němž se motor znovu spustí. Rozdíl mezi těmito dvěma tlaky se nazývá mrtvá zóna, někdy také diferenciál nebo hystereze. Pokud je mrtvá zóna nastavena příliš úzká, čerpadlo bude krátkodobě cyklovat pokaždé, když malý únik nebo tepelná kontrakce sníží tlak pod zapínací bod. Pokud je nastavena příliš široká, tlak v systému se bude kolísat natolik, že akční člen nebo upínka nemusí zaznamenat požadovaný tlak, než se motor znovu spustí.

Zveřejněná data o spínačích poskytují představu o použitelném rozsahu. Průmyslové tlakové spínače obvykle umožňují mrtvou zónu od minimální pevné hodnoty až přibližně do 45 % nastaveného bodu. Empirické pravidlo pro hydraulické pohonné jednotky je začít s mrtvou zónou kolem 10 až 15 % vypínacího tlaku a rozšířit ji, pokud počítání cyklů ukazuje nadměrný počet zapnutí. Správná hodnota závisí na objemu akumulátoru, úniku zpětného ventilu a tom, jak velké kolísání tlaku je v dolní části procesu přípustné. Tlakový spínač, který mechanicky umožňuje diferenciální tlak 0,5 baru, není nutně spínač, který by měl být v systému s tlakem 200 baru nastaven takto úzce.

Ložiska motoru a kontakty závisí na frekvenci zapínání

Každé spuštění vyvolá krátkodobý proud zablokovaného rotoru, než se motor dosáhne provozní rychlosti. Tento proud vyvolává teplo ve vinutí statoru a tepelné namáhání v tyčích rotoru. Výrobci motorů uvádějí povolený počet spuštění za hodinu, a tyto limity mají svůj důvod. Tlakový spínač s nadměrně úzkou mrtvou zónou může přetížit motor nad jeho povolený startovací režim, aniž by si to někdo všiml – dokud se například kontaktor nesvaří do polohy zapnuto nebo se nezničí vinutí.

Stejná logika platí i pro kontakty samotného tlakového spínače. Mechanický spínač se snap-action mikrospínačem má omezenou elektrickou životnost a každé spuštění motoru zatěžuje tyto kontakty cyklem zapnutí/vypnutí. Spínač obvykle není nejslabším článkem, ale stane se jím, je-li mrtvá zóna nastavena tak úzce, že čerpadlo znovu spouští každých několik sekund. Malý akumulátor nebo mírně širší diferenciál stojí méně než pravidelná výměna kontaktorů. Spínač je třeba považovat za řídicí zařízení s určitým cyklem zatížení, nikoli za pasivní senzor.

Tam, kde je spínač start-stop špatným nástrojem

Existují oprávněné případy, kdy tlakový spínač start-stop není správným řešením. Pokud musí čerpadlo běžet nepřetržitě, aby zajišťovalo stálý průtok do proporcionálního ventilu nebo servopohonného členu, zastavení motoru účelu naproti tomu odporuje. Pokud systém nemá akumulátor ani zpětný ventil schopný udržet tlak po zastavení motoru, spínač čerpadlo téměř okamžitě znovu spustí a výsledkem je krátkodobé cyklování namísto úspory energie. Pokud proces vyžaduje udržení tlaku v velmi úzkém rozmezí, spínač s praktickým mrtvým zdvihem nemusí splňovat požadovanou tolerance a vhodnější je uzavřená proporcionální tlaková regulace.

Tento spínač také nep nahrazuje pojistný ventil. Je to řídicí zařízení, nikoli bezpečnostní zařízení. Pojistný ventil musí být stále nastaven nad tlakem vypnutí spínače, aby při poruše spínače nebo svařeném kontaktoru nedošlo k zablokování čerpadla v uzavřeném obvodu. Obě zařízení patří na stejnou jednotku, avšak plní různé funkce a jejich nastavení by se nemělo navzájem kompenzovat.

Jak vypadá dobře integrovaný tlakový spínač na výrobní napájecí jednotce

U správně zkonstruované elektrické hydraulické čerpadlové jednotky není spínač pro spuštění a zastavení dodatkem. Jeho přípojnice je umístěna tak, aby měřila skutečný tlak v systému, nikoli tlak v mrtvé větvi, kde se může uchytit vzduch, ani v potrubí, kde se tlak objevuje pouze během jednoho zdvihu pohonného členu. Elektrická skříň odpovídá danému prostředí – ať už jde o místo vyžadující čištění proudem vody, venkovní montáž zvedacího zařízení nebo obráběcí stroj s jemnou olejovou mlhou ve vzduchu. Nastavení spínače a jeho mrtvá zóna jsou dokumentovány a stykač motoru je dimenzován pro výslednou frekvenci spouštění.

Hydrarite vyrábí hydraulické pohonné jednotky, přičemž tyto detaily integrace jsou považovány za součást montáže, nikoli za možnosti instalované na místě. Výrobní stránka je zde rozhodující, protože tlakový spínač, který je sice správně vybrán, ale nainstalován na rozváděči se zúženým snímacím průchodem, nebude měřit tlak, který má měřit. Konzistentní obrábění přípojek, čistá montáž a dokumentovaný test vypínacího a zapínacího tlaku na konci výrobní linky jsou to, co přeměňuje spínač z katalogové součástky na funkční řídící prvek. Spínač je jednoduchý. Systém kolem něj však rozhoduje o tom, zda bude fungovat.