Γιατί τα ηλεκτρικά υδραυλικά αντλητικά χρειάζονται διακόπτη πίεσης εκκίνησης-διακοπής;

Μια υδραυλική μονάδα ισχύος που λειτουργεί με αντλία σταθερής εκτόπισης εναντίον βαλβίδας ασφαλείας αποτελεί, από ενεργειακής άποψης, μηχανή που μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε θερμότητα με επιπλέον βήματα. Η αντλία συνεχίζει να περιστρέφεται, το λάδι συνεχίζει να ρέει και η βαλβίδα ασφαλείας συνεχίζει να το επιστρέφει στη δεξαμενή υπό τη ρυθμισμένη πίεση. Δεν συμβαίνει τίποτα χρήσιμο, εκτός από το ότι το λάδι ζεσταίνεται και ο ηλεκτρικός μετρητής συνεχίζει να γυρίζει. Ένας διακόπτης πίεσης τύπου «start-stop» διακόπτει αυτόν τον κύκλο. Παρακολουθεί την πίεση του συστήματος και ενημερώνει τον επαφέα του κινητήρα πότε να διακόψει την παροχή ρεύματος και πότε να την επαναφέρει. Το ίδιο το εξάρτημα είναι μικρό και φθηνό σε σχέση με την αντλία ή τον κινητήρα. Ωστόσο, οι συνέπειες της παράλειψής του ή της εσφαλμένης ρύθμισής του δεν είναι ούτε μικρές ούτε φθηνές.

Η ΒΑΛΒΙΔΑ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ ΔΕΝ ΡΥΘΜΙΖΕΙ ΤΗΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑ, ΤΗΝ ΚΑΤΑΝΑΛΩΝΕΙ

Μια βαλβίδα ασφαλείας προστατεύει το κύκλωμα από υπερπίεση. Αυτή είναι η λειτουργία της. Δεν είναι ρυθμιστής πίεσης στην έννοια της διαχείρισης ενέργειας. Όταν μια αντλία σταθερής εκτόπισης συνεχίζει να λειτουργεί μετά τη διακοπή του ενεργοποιητή ή το κλείσιμο της σύσφιξης, κάθε λίτρο ανά λεπτό πέραν του απαιτούμενου από το φορτίο διέρχεται από τη βαλβίδα ασφαλείας στη ρυθμισμένη πίεση. Αυτή η ροή μετατρέπεται σε θερμότητα με ρυθμό ανάλογο του γινομένου πίεσης επί ροής. Σε μια μονάδα σύσφιξης που μελέτησαν οι Gattinger και Schwimmer στην Weber-Hydraulik, ο κινητήρας λειτουργούσε περίπου το 60 % ενός κύκλου διάρκειας 483 δευτερολέπτων, και μεγάλο μέρος αυτής της χρονικής διάρκειας αφορούσε ροή λαδιού πάνω από την κύρια βαλβίδα ασφαλείας. Η θερμοκρασία του λαδιού σταθεροποιήθηκε κοντά στους 90 °C, παρόλο που η πίεση σύσφιξης ήταν μόνο περίπου 80 bar. Αυτό είναι το χαρακτηριστικό σημάδι μιας αντλίας που συνεχίζει να λειτουργεί χωρίς εντολή διακοπής βασισμένη στην πίεση.

Η διόρθωση σε αυτή τη μελέτη δεν ήταν ένας νέος αντλητικός σταθμός ή μια αναβάθμιση με μεταβλητή εκτόπιση. Προστέθηκε ένας μικρός αποθηκευτικός χώρος (accumulator) στην πίεση της προσαγωγής, και ένας ξεχωριστός διακόπτης πίεσης συνδέθηκε στον επαφέα του κινητήρα, ώστε η αντλία να επανεκκινείται μόνο όταν η πίεση στον αποθηκευτικό χώρο πέφτει κάτω από το όριο ενεργοποίησης του διακόπτη. Ο χρόνος λειτουργίας του κινητήρα μειώθηκε σε μερικές σύντομες επαναφορτώσεις ανά κύκλο. Η μετρηθείσα κατανάλωση ενέργειας μειώθηκε από 96 Wh σε 11 Wh ανά κύκλο, και η θερμοκρασία του λαδιού σταθεροποιήθηκε στη θερμοκρασία δωματίου αντί για 90°C. Ο διακόπτης εκτέλεσε το έργο που μια βαλβίδα ασφαλείας δεν μπορεί να κάνει: σταμάτησε να πληρώνει για πίεση που δεν χρησιμοποιείτο.

Οι διακόπτες πίεσης και τα κυκλώματα αποφόρτισης επιλύουν διαφορετικά προβλήματα

Αξίζει να διαχωριστεί ο διακόπτης εκκίνησης-διακοπής από τη βαλβίδα αποφόρτισης ή το κύκλωμα αποφόρτισης. Συχνά συζητούνται μαζί και πράγματι επικαλύπτονται ως προς τη λειτουργία τους, αλλά λειτουργούν σε διαφορετικά μέρη του συστήματος. Μία βαλβίδα αποφόρτισης παρακάμπτει τη ροή της αντλίας προς τη δεξαμενή υπό χαμηλή πίεση, ενώ η αντλία συνεχίζει να περιστρέφεται. Ένας διακόπτης πίεσης εκκίνησης-διακοπής αποσυνδέει την ηλεκτρική τροφοδοσία από τον κινητήρα. Ο πρώτος εξοικονομεί υδραυλική ενέργεια μειώνοντας την πτώση πίεσης στην αντλία· ο δεύτερος εξοικονομεί ηλεκτρική ενέργεια διακόπτοντας τον κινητήρα κίνησης.

Μία σύγκριση των δύο προσεγγίσεων σε ένα σύστημα ισχύος σταθερής αντλητικής εκτόπισης καθιστά τη διάκριση σαφή.

Η τρίτη γραμμή είναι εκείνη όπου ο διακόπτης εκκίνησης-διακοπής αποκτά την αξία του. Στην περίπτωση Weber-Hydraulik, ο διακόπτης πίεσης αντικατέστησε μια εντολή κινητήρα βασισμένη στο χρόνο, που προερχόταν από τον ελεγκτή της μηχανής υψηλότερου επιπέδου. Ο ελεγκτής εκκινούσε τον κινητήρα πριν από κάθε ενέργεια σύσφιξης ή αποσύσφιξης και τον σταματούσε με χρονοδιακόπτη, ανεξάρτητα από το αν η πίεση ήταν ήδη διαθέσιμη. Ο διακόπτης έκανε τον κινητήρα να ανταποκρίνεται στην πραγματική υδραυλική ζήτηση, αντί να ακολουθεί ένα πρόγραμμα.

Το εύρος αδράνειας (deadband) είναι η ρύθμιση που καθορίζει εάν ο διακόπτης βοηθά ή βλάπτει

Ένα διακόπτης πίεσης εκκίνησης-διακοπής δεν λειτουργεί σε μία μόνο τιμή πίεσης. Έχει μία τιμή πίεσης απενεργοποίησης, όπου ο κινητήρας σταματά, και μία τιμή πίεσης ενεργοποίησης, όπου ο κινητήρας επανεκκινεί. Η διαφορά μεταξύ αυτών των δύο τιμών είναι το «νεκρό διάστημα» (deadband), το οποίο αναφέρεται ενίοτε ως διαφορική πίεση ή υστέρηση. Αν ρυθμίσετε το νεκρό διάστημα πολύ στενό, η αντλία θα εκτελεί σύντομους κύκλους λειτουργίας κάθε φορά που μία μικρή διαρροή ή μία θερμική συστολή μειώσει την πίεση κάτω από την τιμή ενεργοποίησης. Αν το ρυθμίσετε πολύ ευρύ, η πίεση του συστήματος θα μεταβάλλεται σε τέτοιο βαθμό, ώστε ο ενεργοποιητής ή η σφιγκτήρα να μην λαμβάνουν την απαιτούμενη πίεση πριν επανέλθει σε λειτουργία ο κινητήρας.

Τα δημοσιευμένα στοιχεία για τους διακόπτες παρέχουν μια εντύπωση της χρήσιμης περιοχής. Οι βιομηχανικοί διακόπτες πίεσης επιτρέπουν συνήθως μια νεκρή ζώνη (deadband) από μια ελάχιστη σταθερή τιμή μέχρι περίπου το 45 % της τιμής ρύθμισης. Ένας εμπειρικός κανόνας στην εργασία με υδραυλικές μονάδες ισχύος είναι να ξεκινά κανείς με μια νεκρή ζώνη περίπου 10–15 % της πίεσης απενεργοποίησης (cut-out pressure) και να την επεκτείνει, εάν ο μετρητής κύκλων δείξει υπερβολικές ενεργοποιήσεις. Η κατάλληλη τιμή εξαρτάται από τον όγκο του αποθηκευτικού δοχείου (accumulator), τη διαρροή της βαλβίδας ελέγχου (check valve) και το βαθμό μεταβολής της πίεσης που ανέχεται η επόμενη διαδικασία. Ένας διακόπτης πίεσης που είναι μηχανικά ικανός να διατηρήσει διαφορά 0,5 bar δεν είναι αναγκαστικά κατάλληλος για ρύθμιση τόσο σφιχτής σε ένα σύστημα 200 bar.

Οι εδράνους και οι επαφές του κινητήρα επηρεάζονται από τη συχνότητα ενεργοποίησης

Κάθε εκκίνηση προκαλεί ρεύμα ακινητοποιημένου δρομέα για μια σύντομη χρονική διάρκεια, προτού ο κινητήρας φτάσει στην ονομαστική του ταχύτητα. Αυτό το ρεύμα παράγει θερμότητα στην τυλίγματα του στάτορα και θερμική τάση στις ράβδους του δρομέα. Οι κατασκευαστές κινητήρων δημοσιεύουν τον επιτρεπόμενο αριθμό εκκινήσεων ανά ώρα, και αυτά τα όρια υπάρχουν για συγκεκριμένο λόγο. Ένας διακόπτης πίεσης με υπερβολικά στενό νεκρό διάστημα μπορεί να ωθήσει έναν κινητήρα πέρα από την επιτρεπόμενη εκκινησιμότητά του, χωρίς κανείς να το αντιληφθεί — μέχρις ότου ενας επαφέας συγκολληθεί ή μια τύλιγμα καταστραφεί.

Το ίδιο συλλογιστικό πλαίσιο ισχύει και για τις επαφές του ίδιου του διακόπτη πίεσης. Ένας μηχανικός διακόπτης με μικροδιακόπτη ενεργειακής ενεργοποίησης έχει πεπερασμένη ηλεκτρική διάρκεια ζωής, και κάθε εκκίνηση του κινητήρα κυκλοφορεί αυτές τις επαφές. Ο διακόπτης συνήθως δεν είναι ο ασθενέστερος κρίκος, αλλά γίνεται ένας τέτοιος όταν το νεκρό διάστημα ρυθμίζεται τόσο στενό, ώστε η αντλία να επανεκκινείται κάθε λίγα δευτερόλεπτα. Ένας μικρός αποθηκευτικός δοχείο (accumulator) ή μια ελαφρώς ευρύτερη διαφορική πίεση κοστίζει λιγότερο από την τακτική αντικατάσταση επαφέων. Ο διακόπτης πρέπει να αντιμετωπίζεται ως συσκευή ελέγχου με καθορισμένο κύκλο λειτουργίας, όχι ως παθητικός αισθητήρας.

Όπου ο διακόπτης εκκίνησης-διακοπής είναι το λάθος εργαλείο

Υπάρχουν νόμιμες περιπτώσεις όπου ένας διακόπτης πίεσης εκκίνησης-διακοπής δεν είναι η κατάλληλη λύση. Εάν η αντλία πρέπει να λειτουργεί συνεχώς για να παρέχει σταθερή ροή σε μια αναλογική βαλβίδα ή σε έναν ενεργητικό εκτελεστή (servo actuator), η διακοπή του κινητήρα ακυρώνει τον σκοπό. Εάν το σύστημα δεν διαθέτει αποθηκευτικό δοχείο (accumulator) και καμία βαλβίδα ελέγχου ικανή να διατηρεί την πίεση μετά τη διακοπή του κινητήρα, ο διακόπτης απλώς θα επανεκκινήσει την αντλία σχεδόν αμέσως, με αποτέλεσμα την εναλλασσόμενη λειτουργία (short cycling) αντί για εξοικονόμηση ενέργειας. Εάν η διαδικασία απαιτεί διατήρηση της πίεσης εντός πολύ στενής περιοχής, ένας διακόπτης με πρακτικό «νεκρό διάστημα» (deadband) ενδέχεται να μην πληροί τις απαιτήσεις ακρίβειας, και μια κλειστού τύπου αναλογική έλεγχος πίεσης (closed-loop proportional pressure control) είναι καλύτερη επιλογή.

Ο διακόπτης δεν αντικαθιστά επίσης και μια βαλβίδα ασφαλείας. Πρόκειται για μια συσκευή ελέγχου, όχι για μια συσκευή ασφαλείας. Μια βαλβίδα ασφαλείας πρέπει να ρυθμιστεί σε πίεση υψηλότερη από την πίεση απενεργοποίησης του διακόπτη, ώστε να αποφευχθεί η αδρανοποίηση της αντλίας σε μπλοκαρισμένο κύκλωμα σε περίπτωση βλάβης του διακόπτη ή συγκολλημένου επαφέα. Οι δύο συσκευές πρέπει να τοποθετηθούν στην ίδια μονάδα, αλλά εξυπηρετούν διαφορετικές λειτουργίες και δεν πρέπει να ρυθμιστούν έτσι ώστε να αντισταθμίζουν η μία την άλλη.

Πώς φαίνεται ένας καλά ενσωματωμένος διακόπτης πίεσης σε μια παραγωγική ηλεκτρική μονάδα

Σε μια σωστά κατασκευασμένη ηλεκτρική υδραυλική μονάδα αντλίας, ο διακόπτης ενεργοποίησης-απενεργοποίησης δεν προστίθεται ως μεταγενέστερη σκέψη. Η υδραυλική του πρόσβαση βρίσκεται σε θέση όπου μετρά την πραγματική πίεση του συστήματος, όχι σε μια «νεκρή» γραμμή που εγκλωβίζει αέρα ή σε μια γραμμή που ανιχνεύει πίεση μόνο κατά τη διάρκεια μιας κίνησης του ενεργού στοιχείου. Το ηλεκτρικό περίβλημα είναι κατάλληλο για το συγκεκριμένο περιβάλλον, είτε πρόκειται για περιοχή πλύσιμος, είτε για εξωτερική εγκατάσταση ανύψωσης, είτε για εργαλειομηχανή με λεπτό ορυκτέλαιο στην ατμόσφαιρα. Το ρυθμιστικό σημείο (set point) και το εύρος ανενεργοποίησης (deadband) του διακόπτη έχουν τεκμηριωθεί, ενώ ο επαφέας του κινητήρα είναι κατάλληλα βαθμονομημένος για την αντίστοιχη συχνότητα ενεργοποιήσεων.

Η εταιρεία Hydrarite κατασκευάζει υδραυλικές μονάδες ισχύος με αυτές τις λεπτομέρειες ενσωμάτωσης να θεωρούνται μέρος της συναρμολόγησης, αντί να προσφέρονται ως επιλογές εγκατάστασης επιτόπου. Η πλευρά της παραγωγής έχει καθοριστική σημασία εδώ, διότι ένας διακόπτης πίεσης που έχει επιλεγεί σωστά, αλλά εγκαθίσταται σε μια μανιφόλντ με περιορισμένο αισθητήριο διάυλο, δεν θα ανιχνεύσει την πίεση που πρέπει να ανιχνεύσει. Η συνεκτική μηχανική κατεργασία των υποδοχών, η καθαρή συναρμολόγηση και η τεκμηριωμένη δοκιμή των πιέσεων απενεργοποίησης (cut-out) και ενεργοποίησης (cut-in) στο τέλος της γραμμής παραγωγής είναι αυτά που μετατρέπουν έναν διακόπτη από ένα απλό εξάρτημα καταλόγου σε ένα λειτουργικό στοιχείο ελέγχου. Ο διακόπτης είναι απλός. Το σύστημα που τον περιβάλλει είναι αυτό που καθορίζει αν θα λειτουργήσει.