Waarom hebben elektrische hydraulische pompunits een aan-/uit-drukregelaar nodig?

Een hydraulische aandrijfunit die een pomp met vaste verplaatsing via een veilheidsklep laat draaien, is energetisch gezien een machine die elektriciteit omzet in warmte – met extra stappen. De pomp blijft draaien, olie blijft stromen en de veilheidsklep blijft deze olie bij de ingestelde druk terug naar de tank afvoeren. Er gebeurt niets nuttigs, behalve dat de olie warmer wordt en de elektriciteitsmeter blijft draaien. Een aan-uit-drukgeschakelaar onderbreekt die cyclus. Deze houdt de systeemdruk in de gaten en geeft het motorcontactorgestel opdracht om de stroom te onderbreken of weer in te schakelen. Het onderdeel zelf is klein en goedkoop ten opzichte van de pomp of de motor. De gevolgen van het weglaten ervan of een verkeerde instelling zijn echter noch klein noch goedkoop.

De veilheidsklep regelt geen energie – ze verspilt het.

Een veiligheidsklep beschermt de circuit tegen overdruk. Dat is haar functie. Het is geen drukregelaar in de zin van energiebeheer. Wanneer een pomp met vaste verplaatsing blijft draaien nadat de actuator is gestopt of de klem is dichtgegaan, stroomt elke liter per minuut die de belasting niet nodig heeft via de veiligheidsklep bij de ingestelde druk. Deze stroming wordt omgezet in warmte met een snelheid die evenredig is aan druk maal stroming. In een klemkrachtpakket dat Gattinger en Schwimmer onderzochten bij Weber-Hydraulik draaide de motor ongeveer zestig procent van een cyclus van 483 seconden, en een groot deel van die draaitijd bestond uit olie die over de hoofdveiligheidsklep stroomde. De olie temperatuur stabiliseerde zich rond 90 °C, hoewel de klemdruk zelf slechts ongeveer 80 bar bedroeg. Dat is het kenmerk van een pomp die blijft draaien zonder een drukgebaseerd stopcommando.

De oplossing in die studie was geen nieuwe pomp of een upgrade naar variabele verplaatsing. Er werd een kleine accumulator toegevoegd aan de drukpoort en een aparte druk-schakelaar werd aangesloten op de motorcontactor, zodat de pomp alleen opnieuw startte wanneer de accumulator-druk onder de drempelwaarde van de schakelaar daalde. De motortijd daalde tot een paar korte herladen per cyclus. Het gemeten energieverbruik daalde van 96 Wh naar 11 Wh per cyclus en de olie-temperatuur stabiliseerde zich op kamertemperatuur in plaats van 90 °C. De schakelaar verrichtte de taak die een overstromingsklep niet kan uitvoeren: hij stopte met energie te verbruiken voor druk die niet werd gebruikt.

Druk-schakelaars en ontlastingscircuiten lossen verschillende problemen op

Het is verstandig om de start-stop-schakelaar te scheiden van de ontlastklep of het ontlastcircuit. Ze worden vaak samen besproken en overlappen in functie, maar ze werken op verschillende delen van het systeem. Een ontlastklep leidt de pompstroom bij lage druk naar de tank terwijl de pomp blijft draaien. Een start-stop-drukschakelaar onderbreekt de elektrische voeding naar de motor. De eerste bespaart hydraulische energie door de drukval over de pomp te verminderen; de tweede bespaart elektrische energie door de aandrijfmotor stil te zetten.

Een vergelijking van beide benaderingen in een vaste-verplaatsings-krachtbron maakt het verschil duidelijk.

De derde rij is waar de start-stop-schakelaar zijn nut bewijst. In het geval van Weber-Hydraulik vervangt de drukschakelaar een tijdsgebaseerd motorcommando van de hogere-niveau-machinecontroller. De controller startte de motor voor elke klem- of ontklemactie en stopte hem op een vaste timer, ongeacht of de druk al beschikbaar was. De schakelaar zorgt ervoor dat de motor reageert op de werkelijke hydraulische vraag in plaats van op een vast schema.

Dode band is de instelling die bepaalt of de schakelaar helpt of schaadt

Een start-stop-druk-schakelaar werkt niet bij één enkele druk. Hij heeft een uitschakeldruk waarbij de motor stopt en een inschakeldruk waarbij de motor opnieuw start. Het verschil tussen deze twee drukken is de dode band, soms ook differentieel of hysteresis genoemd. Stel de dode band te smal in, dan schakelt de pomp telkens kort aan en uit zodra een kleine lekkage of thermische krimp de druk onder het inschakelpunt brengt. Stel hem te breed in, dan varieert de systeemdruk zo sterk dat de actuator of de klem mogelijk niet de benodigde druk ziet voordat de motor weer aanspringt.

Gepubliceerde schakelgegevens geven een indruk van het bruikbare bereik. Industriële drukgeschakelaars staan doorgaans een dode band toe vanaf een minimale vaste waarde tot ongeveer 45 procent van de instelwaarde. Een vuistregel bij hydraulische aandrijfunittoepassingen is om te beginnen met een dode band van ongeveer 10 tot 15 procent van de uitschakeldruk en deze uit te breiden als het tellen van schakelcycli te veel inschakelingen laat zien. Het juiste percentage hangt af van het volume van de drukvat, de lekkage van de terugslagklep en de mate van drukvariatie die het downstreamproces kan verdragen. Een drukgeschakelaar die mechanisch in staat is tot een differentieel van 0,5 bar, is niet noodzakelijkerwijs geschikt om op een systeem van 200 bar zo strak ingesteld te worden.

De motorlagers en contacten zijn gevoelig voor de startfrequentie

Elke start trekt gedurende een korte periode stroom bij stilstaande rotor voordat de motor zijn draaisnelheid bereikt. Deze stroom veroorzaakt warmte in de statorwikkeling en thermische spanning in de rotorstaven. Fabrikanten van motoren geven het toegestane aantal starts per uur op, en die limieten bestaan om een reden. Een druk schakelaar met een onnodig smalle doodzone kan een motor dwingen zijn startbelasting te overschrijden, zonder dat iemand dit opmerkt totdat een contactor vastlas of een wikkeling defect raakt.

Dezelfde logica geldt ook voor de contacten van de druk schakelaar zelf. Een mechanische schakelaar met een snelle microschakelaar heeft een beperkte elektrische levensduur, en elke motorstart belast deze contacten. De schakelaar is meestal niet de zwakste schakel, maar wordt wel degene wanneer de doodzone zo smal is ingesteld dat de pomp elke paar seconden opnieuw start. Een kleine accumulator of een iets bredere differentie kost minder dan het regelmatig vervangen van contactoren. De schakelaar moet worden beschouwd als een besturingsapparaat met een inschakelduurcyclus, niet als een passieve sensor.

Waar de aan/uit-schakelaar de verkeerde tool is

Er zijn legitieme gevallen waarbij een aan/uit-drukschakelaar niet het juiste antwoord is. Als de pomp continu moet draaien om een constante stroming te leveren aan een proportionele klep of een servoaandrijving, dan ondermijnt het stoppen van de motor het doel. Als het systeem geen opslagtank (accumulator) heeft en ook geen terugslagklep die druk kan vasthouden nadat de motor is gestopt, dan wordt de pomp bijna onmiddellijk opnieuw gestart door de schakelaar, met als gevolg kortcyclisch bedrijf in plaats van energiebesparing. Als het proces een druk vereist die binnen een zeer nauwe band moet worden gehandhaafd, dan kan een schakelaar met een realistische dode zone (deadband) aan de tolerantie-eisen niet voldoen; in dat geval is een gesloten-regelkring proportionele drukregeling een betere oplossing.

De schakelaar vervangt ook geen veiligheidsklep. Het is een regelapparaat, geen veiligheidsapparaat. Een veiligheidsklep moet nog steeds ingesteld worden op een hogere druk dan de uitschakeldruk van de schakelaar, zodat een defecte schakelaar of een gelaste contactor de pomp niet in een geblokkeerde stroomkring blijft laten draaien. Beide apparaten behoren tot dezelfde unit, maar vervullen verschillende functies en mogen niet op elkaar afgestemd worden om elkaars tekortkomingen te compenseren.

Hoe een goed geïntegreerde drukschakelaar eruitziet op een productiekrachtunit

Bij een correct gebouwde elektrische hydraulische pompunit is de aan-/uitschakelaar geen nagedachte toevoeging. De aansluitpoort ervan bevindt zich op een plaats waar hij de werkelijke systeemdruk meet, niet op een dode tak die lucht vasthoudt of in een leiding die slechts tijdens één actuatorstrekking onder druk staat. De elektrische behuizing is afgestemd op de omgeving, of dat nu een spoelomgeving is, een buiteninstallatie voor een hefinstallatie of een gereedschapsmachine met fijne olieachtige nevel in de lucht. Het instelpunt en het differentieel van de schakelaar zijn gedocumenteerd, en de motorcontacteur is gecertificeerd voor de resulterende startbelasting.

Hydrarite bouwt hydraulische aandrijfeenheden waarbij deze integratiedetails worden beschouwd als onderdeel van de assemblage in plaats van als opties ter plaatse. De productiekant is hier belangrijk, want een druk-schakelaar die correct is gespecificeerd maar is geïnstalleerd op een verdeelstuk met een beperkte sensorkanaalopening, zal de druk die hij zou moeten detecteren, niet waarnemen. Eenvormige poortbewerking, schone assemblage en een gedocumenteerde test van de uitschakeldruk en inschakeldruk aan het einde van de productielijn zijn wat een schakelaar transformeert van een cataloguscomponent naar een functionerend regelonderdeel. De schakelaar zelf is eenvoudig. Het systeem eromheen bepaalt of hij werkt.