Perché le unità di pompa idraulica elettrica necessitano di un interruttore di pressione per avvio e arresto?

Un’unità idraulica alimentata da una pompa a cilindrata fissa che opera contro una valvola di sicurezza è, dal punto di vista energetico, una macchina che converte l’elettricità in calore con passaggi aggiuntivi. La pompa continua a ruotare, l’olio continua a scorrere e la valvola di sicurezza lo scarica costantemente nel serbatoio alla pressione impostata. Non accade nulla di utile, se non il riscaldamento dell’olio e la continua rotazione del contatore elettrico. Un interruttore di pressione a funzionamento start-stop interrompe tale ciclo: monitora la pressione del sistema e comanda al contattore del motore quando interrompere e quando ripristinare l’alimentazione. Il componente stesso è piccolo e poco costoso rispetto alla pompa o al motore. Le conseguenze dell’omissione di questo dispositivo, o di un suo errato regolaggio, non sono né trascurabili né economiche.

La valvola di sicurezza non regola l’energia: la dissipa.

Una valvola di sicurezza protegge il circuito da sovrappressione. Questo è il suo compito. Non è un regolatore di pressione nel senso della gestione dell’energia. Quando una pompa a cilindrata fissa continua a funzionare dopo che l’attuatore si è arrestato o dopo che il morsetto si è chiuso, ogni litro al minuto in eccesso rispetto a quanto richiesto dal carico attraversa la valvola di sicurezza alla pressione impostata. Questo flusso si trasforma in calore a una velocità proporzionale al prodotto tra pressione e portata. In un gruppo di alimentazione per morsetti analizzato da Gattinger e Schwimmer presso Weber-Hydraulik, il motore ha funzionato per circa il sessanta percento di un ciclo di 483 secondi, e gran parte di questo tempo operativo è stato occupato dal passaggio dell’olio sulla valvola di sicurezza principale. La temperatura dell’olio si è stabilizzata intorno ai 90 °C, benché la pressione di serraggio fosse di soli circa 80 bar. Questo è il segno distintivo di una pompa lasciata in funzione senza un comando di arresto basato sulla pressione.

La correzione applicata in tale studio non prevedeva una nuova pompa né un aggiornamento a cilindrata variabile. È stato aggiunto un piccolo accumulatore al raccordo di pressione e un interruttore di pressione separato è stato collegato al contattore del motore, in modo che la pompa si riavviasse soltanto quando la pressione nell’accumulatore scendeva al di sotto della soglia impostata sull’interruttore. Il tempo di funzionamento del motore si ridusse a pochi brevi ricaricamenti per ciclo. Il consumo energetico misurato passò da 96 Wh a 11 Wh per ciclo e la temperatura dell’olio si stabilizzò alla temperatura ambiente anziché a 90 °C. L’interruttore svolgeva un compito che una valvola di sicurezza non può assolvere: interrompeva il consumo di energia per generare una pressione non effettivamente utilizzata.

Interruttori di pressione e circuiti di scarico risolvono problemi diversi

Vale la pena separare l’interruttore di avvio-fermata dalla valvola di scarico o dal circuito di scarico. Spesso vengono trattati insieme e, in effetti, le loro funzioni si sovrappongono, ma agiscono su parti diverse del sistema. Una valvola di scarico devia il flusso della pompa verso il serbatoio a bassa pressione, mentre la pompa continua a ruotare. Un interruttore di pressione per avvio-fermata invece interrompe l’alimentazione elettrica al motore. Il primo risparmia energia idraulica riducendo la caduta di pressione attraverso la pompa; il secondo risparmia energia elettrica arrestando il motore primario.

Un confronto tra i due approcci in un gruppo elettrogeno a cilindrata fissa rende questa distinzione concreta.

La terza riga è quella in cui l’interruttore avvio-fermo dimostra il proprio valore. Nel caso Weber-Hydraulik, l’interruttore di pressione ha sostituito un comando motorizzato basato sul tempo proveniente dal controllore macchina di livello superiore. Il controllore avviava il motore prima di ogni operazione di serraggio o rilascio e lo arrestava secondo un timer fisso, indipendentemente dal fatto che la pressione fosse già disponibile. L’interruttore ha reso il motore reattivo alla domanda idraulica effettiva, anziché a un programma prestabilito.

La banda morta è la regolazione che determina se l’interruttore apporta vantaggi o svantaggi

Un interruttore di pressione avvio-fermo non funziona a una singola pressione. Ha una pressione di spegnimento, alla quale il motore si ferma, e una pressione di riavvio, alla quale il motore riparte. La differenza tra queste due pressioni è la banda morta, talvolta chiamata differenziale o isteresi. Se la banda morta è impostata troppo stretta, la pompa esegue cicli brevi ogni volta che una piccola perdita o una contrazione termica fa scendere la pressione al di sotto del punto di riavvio. Se invece è impostata troppo ampia, le oscillazioni della pressione nel sistema sono tali che l’attuatore o la morsetto potrebbero non ricevere la pressione necessaria prima che il motore si riavvii.

I dati di commutazione pubblicati forniscono un’indicazione della gamma utilizzabile. I pressostati industriali consentono comunemente una banda morta compresa tra un valore fisso minimo e circa il 45% del valore di taratura. Una regola empirica nel lavoro relativo alle unità idrauliche è iniziare con una banda morta pari a circa il 10–15% della pressione di spegnimento e allargarla qualora il conteggio dei cicli riveli un numero eccessivo di avviamenti. Il valore ottimale dipende dal volume dell’accumulatore, dalla perdita del valvola di ritenuta e dalla tolleranza del processo a valle rispetto alle variazioni di pressione. Un pressostato meccanicamente in grado di garantire una differenza di 0,5 bar non è necessariamente adatto a essere impostato con tale stretta tolleranza su un sistema a 200 bar.

I cuscinetti del motore e i contatti sono sensibili alla frequenza di avviamento

Ogni avviamento assorbe una corrente di spunto per un breve intervallo prima che il motore raggiunga la velocità di regime. Tale corrente genera calore nell’avvolgimento dello statore e sollecitazione termica nelle barre del rotore. I produttori di motori indicano il numero massimo di avviamenti consentiti all’ora, e tali limiti esistono per una precisa ragione. Un pressostato con un campo morto eccessivamente ristretto può far superare al motore il suo ciclo di avviamenti consentito senza che nessuno se ne accorga, fino a quando un contattore si salda in posizione di chiusura o un avvolgimento va in avaria.

Lo stesso ragionamento vale anche per i contatti del pressostato stesso. Un interruttore meccanico dotato di microinterruttore a scatto ha una vita elettrica finita, e ogni avviamento del motore comporta un ciclo di commutazione di tali contatti. Di norma l’interruttore non è il componente più debole, ma lo diventa quando il campo morto è impostato così stretto da far riavviare la pompa ogni pochi secondi. Un piccolo accumulatore o una differenza di taratura leggermente maggiore costa meno della sostituzione periodica dei contattori. Il pressostato deve essere considerato un dispositivo di controllo con un proprio ciclo di lavoro, non un semplice sensore passivo.

Dove l’interruttore di avvio-fermo non è lo strumento adatto

Esistono casi legittimi in cui un interruttore di pressione per avvio-fermo non rappresenta la soluzione corretta. Se la pompa deve funzionare ininterrottamente per fornire una portata costante a una valvola proporzionale o a un attuatore servo, arrestare il motore vanifica lo scopo. Se il sistema non dispone di un accumulatore né di una valvola di ritenuta in grado di mantenere la pressione dopo l’arresto del motore, l’interruttore riavvierà quasi immediatamente la pompa, causando cicli brevi anziché risparmi energetici. Se il processo richiede che la pressione sia mantenuta entro un intervallo molto ristretto, un interruttore con un campo morto pratico potrebbe non soddisfare la tolleranza richiesta, rendendo più idoneo un controllo proporzionale della pressione in anello chiuso.

L'interruttore non sostituisce neppure una valvola di sicurezza. Si tratta di un dispositivo di controllo, non di un dispositivo di sicurezza. Una valvola di sicurezza deve comunque essere regolata a una pressione superiore alla pressione di interruzione dell'interruttore, affinché un guasto dell'interruttore o un contattore saldato non provochi il blocco della pompa in un circuito ostruito. I due dispositivi devono trovarsi sulla stessa unità, ma svolgono funzioni diverse e non devono essere regolati per compensarsi reciprocamente.

Come appare un interruttore di pressione ben integrato su un'unità di potenza produttiva

Su un'unità di pompa idraulica elettrica realizzata correttamente, l'interruttore di avviamento-fermata non è un elemento aggiunto in un secondo momento. Il suo attacco è posizionato dove rileva effettivamente la pressione del sistema, non su un ramo cieco che intrappola aria né su una tubazione che rileva la pressione soltanto durante una singola corsa dell'attuatore. L'involucro elettrico è adatto all'ambiente in cui viene installato, sia esso un'area soggetta a lavaggi intensivi, un'impianto di sollevamento all'aperto oppure una macchina utensile con finissima nebbia oleosa nell'aria. Il valore di regolazione (set point) dell'interruttore e la sua isteresi (deadband) sono documentati, e il contattore del motore è dimensionato per il regime di avviamenti previsto.

Hydrarite costruisce unità idrauliche di potenza con questi dettagli di integrazione considerati parte integrante dell’assemblaggio, anziché opzioni da installare sul campo. Il lato produttivo è fondamentale in questo contesto: un pressostato correttamente specificato, ma montato su un collettore con un condotto di rilevamento della pressione limitato, non rileverà la pressione per cui è stato progettato. La fresatura uniforme dei raccordi, l’assemblaggio accurato e una verifica documentata delle pressioni di intervento e di disinserimento alla fine della linea sono gli elementi che trasformano un pressostato da semplice componente catalogo in un elemento di controllo funzionante. Il pressostato è semplice. È il sistema che lo circonda a determinare se funzionerà correttamente.