Dlaczego jednostki elektrycznych pomp hydraulicznych wymagają przełącznika ciśnienia start-stop?

Jednostka hydrauliczna zasilana prądem, w której stała pompa przepływu działa przeciwko zaworowi bezpieczeństwa, jest – pod względem energetycznym – maszyną przekształcającą energię elektryczną w ciepło w sposób pośredni. Pompa cały czas się obraca, olej ciągle przepływa, a zawór bezpieczeństwa nieustannie odprowadza go z powrotem do zbiornika przy ustalonej wartości ciśnienia. Nic użytecznego się nie dzieje – oprócz nagrzewania się oleju i obracania się licznika energii elektrycznej. Przełącznik ciśnieniowy typu start-stop przerywa ten cykl: monitoruje ciśnienie w układzie i wysyła sygnały do stycznika silnika, kiedy należy odciąć zasilanie, a kiedy je przywrócić. Sam przełącznik jest mały i tani w porównaniu do pompy lub silnika. Skutki pominięcia go lub nieprawidłowego jego ustawienia są jednak ani małe, ani tanie.

Zawór bezpieczeństwa nie reguluje energii – rozprasza ją

Zawór bezpieczeństwa chroni obwód przed nadciśnieniem. To właśnie jego zadanie. Nie jest on regulatorem ciśnienia w znaczeniu zarządzania energią. Gdy pompa o stałej wydajności nadal pracuje po zatrzymaniu siłownika lub zamknięciu uchwytu, każdy litr na minutę przepływu powyżej zapotrzebowania obciążenia przechodzi przez zawór bezpieczeństwa przy ustawionym ciśnieniu. Ten przepływ przekształca się w ciepło z szybkością proporcjonalną do iloczynu ciśnienia i przepływu. W układzie zasilania uchwytu badanym przez Gattingera i Schwimmiera w Weber-Hydraulik silnik pracował przez około sześćdziesiąt procent cyklu trwającego 483 sekundy, a duża część tego czasu pracy to przepływ oleju przez główny zawór bezpieczeństwa. Temperatura oleju ustabilizowała się w pobliżu 90°C, mimo że ciśnienie uchwytu wynosiło jedynie około 80 barów. Jest to charakterystyczny sygnał pracy pompy bez polecenia zatrzymania opartego na ciśnieniu.

Poprawka zastosowana w tym badaniu nie polegała na zamianie pompy ani na ulepszeniu jej o możliwość zmiany wydajności. Do portu ciśnienia dodano mały akumulator, a osobny przełącznik ciśnienia połączono przewodami z stycznikiem silnika, dzięki czemu pompa uruchamiała się ponownie jedynie wtedy, gdy ciśnienie w akumulatorze spadło poniżej progu zadziałania przełącznika. Czas pracy silnika zmniejszył się do kilku krótkich cykli uzupełniania na jeden cykl. Zmierzone zużycie energii spadło z 96 Wh do 11 Wh na cykl, a temperatura oleju ustabilizowała się na poziomie temperatury otoczenia zamiast 90°C. Przełącznik wykonał zadanie, którego zawór bezpieczeństwa wykonać nie potrafi: zaprzestał pobierania opłat za ciśnienie, które nie było w danej chwili wykorzystywane.

Przełączniki ciśnienia i obwody zwalniania rozwiązały różne problemy

Warto oddzielić przełącznik uruchomienia/zatrzymania od zaworu zwrotnego lub obwodu zwrotnego. Często omawia się je razem, a ich funkcje rzeczywiście częściowo się pokrywają, jednak działają one na różnych elementach układu. Zawór zwrotny odprowadza przepływ pompy do zbiornika przy niskim ciśnieniu, podczas gdy pompa nadal się obraca. Przełącznik ciśnieniowy uruchomienia/zatrzymania wyłącza zasilanie elektryczne silnika. Pierwszy oszczędza energię hydrauliczną, ograniczając spadek ciśnienia na pompie; drugi oszczędza energię elektryczną, zatrzymując napęd pierwotny.

Porównanie obu rozwiązań w zestawie napędowym o stałej wydajności czyni tę różnicę wyraźną.

Trzeci wiersz to miejsce, w którym włącznik ciśnieniowy typu start-stop uzasadnia swoje zastosowanie. W przypadku Weber-Hydraulik włącznik ciśnieniowy zastąpił polecenie uruchomienia silnika oparte na czasie, wysyłane przez sterownik maszyny wyższego rzędu. Sterownik uruchamiał silnik przed każdym cyklem zaciskania lub luzowania i zatrzymywał go po upływie ustalonego czasu, niezależnie od tego, czy ciśnienie było już dostępne. Dzięki włącznikowi silnik reaguje teraz na rzeczywiste zapotrzebowanie hydrauliczne, a nie na harmonogram.

Strefa martwa to ustawienie decydujące o tym, czy włącznik przynosi korzyści, czy szkodzi

Przełącznik ciśnieniowy start-stop nie działa przy pojedynczej wartości ciśnienia. Ma on wartość ciśnienia wyłączenia (cut-out), przy której silnik się zatrzymuje, oraz wartość ciśnienia włączenia (cut-in), przy której silnik ponownie się uruchamia. Różnica między tymi dwiema wartościami to pasmo martwe (deadband), nazywane czasem różnicą lub histerezą. Jeśli pasmo martwe jest ustawione zbyt wąsko, pompa będzie krótkotrwałe cyklować (short-cycle) za każdym razem, gdy niewielka wycieka lub kurczenie termiczne obniży ciśnienie poniżej punktu włączenia. Jeśli natomiast pasmo martwe jest zbyt szerokie, wahania ciśnienia w układzie będą tak duże, że siłownik lub uchwyt mogą nie otrzymać wymaganego ciśnienia przed ponownym uruchomieniem silnika.

Opublikowane dane dotyczące przełączników dają wyobrażenie o użytecznym zakresie. Przemysłowe przełączniki ciśnieniowe zwykle pozwalają na martwą strefę od minimalnej, ustalonej wartości do około 45 procent wartości nastawy. Zasada kciuka stosowana przy jednostkach hydraulicznych zakłada rozpoczęcie od martwej strefy wynoszącej około 10–15 procent ciśnienia wyłączenia i jej poszerzanie w przypadku nadmiernego liczby cykli uruchamiania, stwierdzonego na podstawie zliczania cykli. Odpowiednia wartość zależy od objętości akumulatora, przecieków zaworu zwrotnego oraz dopuszczalnych wahań ciśnienia w procesie w dół linii. Przełącznik ciśnieniowy mechanicznie zdolny do różnicowania ciśnień o 0,5 bar nie musi koniecznie być ustawiany tak ściśle w systemie o ciśnieniu 200 bar.

Łożyska silnika i styki są wrażliwe na częstotliwość uruchamiania

Każde uruchomienie powoduje przepływ prądu zablokowanego wirnika przez krótki czas, zanim silnik osiągnie nominalną prędkość obrotową. Prąd ten generuje ciepło w uzwojeniu stojana oraz naprężenia termiczne w prętach wirnika. Producenti silników podają dopuszczalną liczbę uruchomień na godzinę, a te ograniczenia mają swoje uzasadnienie. Przełącznik ciśnieniowy o nadmiernie wąskiej strefie martwej może spowodować przekroczenie dopuszczalnego cyklu uruchomień silnika, co pozostaje niezauważone aż do momentu zalania styków wyzwalacza lub uszkodzenia uzwojenia.

To samo dotyczy styków przełącznika ciśnieniowego. Mechaniczny przełącznik z mikrowyłącznikiem typu snap-action ma ograniczoną żywotność elektryczną, a każde uruchomienie silnika powoduje cyklowanie tych styków. Zwykle przełącznik nie jest najbardziej wrażliwym elementem, ale staje się nim wtedy, gdy strefa martwa jest ustawiona tak wąsko, że pompa ponownie się uruchamia co kilka sekund. Mały akumulator lub nieco szersza różnica ciśnień kosztuje mniej niż regularna wymiana wyzwalaczy. Przełącznik należy traktować jako urządzenie sterujące o określonym cyklu roboczym, a nie jako bierny czujnik.

Gdzie przełącznik start-stop jest nieodpowiednim narzędziem

Istnieją uzasadnione przypadki, w których przełącznik ciśnieniowy start-stop nie jest odpowiednią odpowiedzią. Jeśli pompa musi pracować ciągle, aby zapewnić stały przepływ do zaworu proporcjonalnego lub siłownika serwonapędowego, zatrzymanie silnika uniemożliwia osiągnięcie zamierzonego celu. Jeśli system nie posiada akumulatora ani zaworu zwrotnego zdolnego do utrzymywania ciśnienia po zatrzymaniu silnika, przełącznik niemal natychmiast ponownie uruchomi pompę, co skutkuje krótkim cyklowaniem zamiast oszczędności energii. Jeśli proces wymaga utrzymania ciśnienia w bardzo wąskim zakresie, przełącznik o praktycznej strefie martwej może nie spełniać wymaganej dokładności, a lepszym rozwiązaniem będzie zamknięta pętla sterowania ciśnieniem w trybie proporcjonalnym.

Przełącznik nie zastępuje również zaworu bezpieczeństwa. Jest urządzeniem sterującym, a nie urządzeniem zabezpieczającym. Zawór bezpieczeństwa nadal musi być ustawiony powyżej ciśnienia wyłączenia przełącznika, aby w przypadku awarii przełącznika lub przylutowania się styków kontaktora pompa nie pracowała na zablokowanym obwodzie. Oba urządzenia powinny znajdować się w tej samej jednostce, ale pełnią różne funkcje i nie należy ich regulować tak, aby kompensowały się wzajemnie.

Jak wygląda dobrze zintegrowany przełącznik ciśnieniowy w produkcyjnej jednostce zasilającej

W prawidłowo skonstruowanej elektrycznej pompie hydraulicznej przełącznik uruchamiający–zatrzymujący nie jest elementem dodanym po fakcie. Jego port znajduje się w miejscu, w którym mierzy rzeczywiste ciśnienie w układzie, a nie w martwej gałęzi, w której może gromadzić się powietrze, ani w przewodzie, w którym ciśnienie występuje tylko podczas jednego ruchu siłownika. Obudowa elektryczna jest dopasowana do warunków otoczenia – niezależnie od tego, czy jest to strefa mycia pod wysokim ciśnieniem, zewnętrzna instalacja podnośnika, czy też obrabiarka z drobnodyspersyjną mgłą oleju w powietrzu. Punkty nastawy przełącznika i szerokość jego strefy martwej są udokumentowane, a stykownik silnikowy ma odpowiedni stopień odporności na częstotliwość cykli uruchamiania.

Hydrarite buduje jednostki hydrauliczne z tymi szczegółami integracji traktowanymi jako część montażu, a nie opcjami montowanymi na miejscu. Strona produkcyjna ma tutaj znaczenie, ponieważ wyłącznik ciśnienia prawidłowo dobrany, ale zamontowany na kolektorze z ograniczonym kanałem pomiarowym, nie zarejestruje ciśnienia, którego powinien wykrywać. Spójne frezowanie otworów, czysty montaż oraz udokumentowany test ciśnień wyłączenia i włączenia na końcu linii produkcyjnej przekształcają wyłącznik z elementu katalogowego w działający element sterujący. Wyłącznik jest prosty. To otaczający go system decyduje o jego skuteczności.