Зачем электрическим гидравлическим насосным установкам нужен выключатель давления типа «пуск-стоп»?

Гидравлический силовой агрегат, в котором насос постоянной подачи работает против предохранительного клапана, с энергетической точки зрения представляет собой устройство, преобразующее электроэнергию в тепло с лишними этапами. Насос продолжает вращаться, масло продолжает циркулировать, а предохранительный клапан постоянно сбрасывает его обратно в бак при заданном давлении. Полезной работы не выполняется — только нагрев масла и вращение диска электросчётчика. Выключатель давления с функцией «старт-стоп» прерывает этот цикл: он отслеживает давление в системе и подаёт сигнал контактору двигателя о размыкании или замыкании цепи питания. Сам выключатель мал по размерам и недорог по сравнению с насосом или двигателем. Однако последствия его отсутствия или неправильной настройки — ни малы, ни дешевы.

Предохранительный клапан не регулирует энергию — он рассеивает её

Предохранительный клапан защищает гидравлическую систему от избыточного давления. Именно это его основная функция. Он не является регулятором давления в смысле управления энергопотреблением. Когда насос постоянной подачи продолжает работать после остановки исполнительного механизма или закрытия зажима, каждый литр в минуту сверх потребности нагрузки проходит через предохранительный клапан при установленном давлении. Этот поток превращается в тепло со скоростью, пропорциональной произведению давления на расход. В исследовании силового агрегата для зажима, проведённом Гаттингером и Швиммером в компании Weber-Hydraulik, двигатель работал примерно шестьдесят процентов цикла продолжительностью 483 секунды, причём значительную часть этого времени масло перетекало через главный предохранительный клапан. Температура масла стабилизировалась около 90 °C, хотя само давление зажима составляло лишь примерно 80 бар. Это характерный признак насоса, продолжающего работать без команды на остановку по достижении заданного давления.

В этом исследовании исправление заключалось не в установке нового насоса или модернизации с переменным рабочим объёмом. К порту давления добавили небольшой аккумулятор, а отдельный датчик давления подключили к контактору электродвигателя так, чтобы насос перезапускался только при падении давления в аккумуляторе ниже порогового значения датчика. Время работы электродвигателя сократилось до нескольких коротких циклов перезарядки за один рабочий цикл. Измерённое энергопотребление уменьшилось с 96 Вт·ч до 11 Вт·ч на цикл, а температура масла стабилизировалась на уровне комнатной температуры вместо 90 °C. Датчик выполнял задачу, которую клапан предохранительного сброса выполнить не может: он прекращал оплату давления, которое фактически не использовалось.

Датчики давления и схемы разгрузки решают разные задачи

Следует раздельно рассматривать выключатель «пуск-стоп» и клапан разгрузки или разгрузочную схему. Их часто обсуждают совместно, и функционально они частично пересекаются, однако управляют разными участками системы. Клапан разгрузки направляет поток насоса в бак при низком давлении, в то время как насос продолжает вращаться. Выключатель «пуск-стоп» по давлению отключает электропитание двигателя. Первый способ экономит гидравлическую энергию за счёт снижения перепада давления на насосе; второй — электрическую энергию за счёт остановки приводного двигателя.

Сравнение этих двух подходов в гидроагрегате с постоянной подачей делает различие наглядным.

Третий ряд — это то место, где переключатель включения-выключения оправдывает своё применение. В случае Weber-Hydraulik давление-срабатывание: включение-выключение заменило команду на включение двигателя по таймеру от контроллера верхнего уровня машины. Контроллер включал двигатель перед каждым циклом зажима или разжима и выключал его по фиксированному таймеру, независимо от того, было ли давление уже доступно. Переключатель заставил двигатель реагировать на фактический гидравлический спрос, а не на расписание.

Мёртвая зона — это настройка, определяющая, будет ли переключатель полезен или вреден

Выключатель давления типа «старт-стоп» работает не при одном фиксированном значении давления. Он имеет давление отключения, при котором двигатель останавливается, и давление включения, при котором двигатель возобновляет работу. Разница между этими двумя значениями называется зоной нечувствительности (deadband), а также может обозначаться как дифференциал или гистерезис. Если зона нечувствительности установлена слишком узкой, насос будет часто включаться и выключаться (режим кратковременных циклов), даже при небольшой утечке или термическом сжатии, вызывающих падение давления ниже порога включения. Если же зона нечувствительности слишком широка, колебания давления в системе станут настолько значительными, что исполнительный механизм или зажим могут не получить требуемого давления до повторного включения двигателя.

Опубликованные данные по переключателям дают представление об используемом диапазоне. Промышленные давления переключателей обычно допускают мёртвую зону от минимального фиксированного значения до примерно 45 процентов уставки. Эмпирическое правило при работе с гидравлическими агрегатами: начинать с мёртвой зоны около 10–15 процентов от давления отключения и расширять её, если подсчёт циклов показывает чрезмерное количество включений. Оптимальное значение зависит от объёма аккумулятора, утечки обратного клапана и допустимого уровня колебаний давления в нижестоящем процессе. Давление переключателя, способного механически обеспечить дифференциал 0,5 бар, не обязательно следует настраивать так жёстко в системе с рабочим давлением 200 бар.

Подшипники двигателя и контакты зависят от частоты пусков

Каждый пуск вызывает ток блокировки ротора на короткий промежуток времени до достижения двигателем номинальной скорости. Этот ток вызывает нагрев обмотки статора и термические напряжения в стержнях ротора. Производители двигателей указывают допустимое количество пусков в час, и эти ограничения установлены не случайно. Давление-переключатель с излишне узкой зоной нечувствительности может привести к превышению допустимой частоты пусков двигателя, причём это останется незамеченным до тех пор, пока контактор не сварится в замкнутом положении или обмотка не выйдет из строя.

Та же логика применима и к контактам самого давления-переключателя. Механический переключатель со встроенным мгновенно-действующим микропереключателем имеет конечный электрический ресурс, и каждый пуск двигателя вызывает цикл срабатывания этих контактов. Обычно переключатель не является самым слабым звеном, однако становится таковым, если зона нечувствительности установлена настолько узко, что насос перезапускается каждые несколько секунд. Небольшой аккумулятор или немного увеличенная дифференциальная настройка обходятся дешевле регулярной замены контакторов. Переключатель следует рассматривать как устройство управления с определённым циклом нагрузки, а не как пассивный датчик.

Там, где выключатель «Пуск-Стоп» — неподходящий инструмент

Существуют обоснованные случаи, когда выключатель давления «Пуск-Стоп» не является правильным решением. Если насос должен работать непрерывно для обеспечения стабильного потока на пропорциональный клапан или сервоисполнительный механизм, остановка двигателя противоречит цели. Если в системе отсутствует аккумулятор и обратный клапан, способный удерживать давление после остановки двигателя, выключатель просто перезапустит насос почти сразу, в результате чего возникнет частое включение-выключение (short cycling), а не экономия энергии. Если в технологическом процессе требуется поддержание давления в очень узком диапазоне, выключатель с практически реализуемой зоной нечувствительности (deadband) может не удовлетворять заданной точности, и здесь лучше подойдёт замкнутая пропорциональная система регулирования давления.

Этот выключатель также не заменяет предохранительный клапан. Он является управляющим устройством, а не устройством безопасности. Предохранительный клапан по-прежнему должен быть настроен на давление, превышающее давление отключения выключателя, чтобы при отказе выключателя или сваривании контактов контактора насос не работал «вхолостую» в заблокированной гидравлической линии. Оба устройства устанавливаются на одном агрегате, однако выполняют разные функции и не должны регулироваться друг за счёт друга.

Как выглядит хорошо интегрированный датчик давления на серийном силовом агрегате

В правильно спроектированном электрогидравлическом насосном агрегате выключатель включения-выключения не является второстепенным элементом. Его присоединительный порт расположен так, чтобы он измерял истинное системное давление, а не давление в «мёртвой» ветви, где может скапливаться воздух, или в линии, где давление возникает лишь во время одного хода исполнительного механизма. Электрический корпус соответствует условиям эксплуатации — будь то зона мойки, наружная установка подъёмного оборудования или станок с мелкодисперсным масляным туманом в воздухе. Уставка выключателя и его гистерезис задокументированы, а контактор двигателя рассчитан на соответствующую частоту пусков.

Компания Hydrarite производит гидравлические силовые агрегаты, при этом указанные детали интеграции рассматриваются как часть сборки, а не как опции для монтажа на месте. Производственная сторона имеет здесь решающее значение: давление, которое должен измерять датчик, не будет корректно зафиксировано, если датчик, даже правильно подобранный по техническим характеристикам, установлен на коллекторе с ограниченным каналом для измерения давления. Единообразная обработка присоединительных отверстий, чистая сборка и документально подтверждённое испытание на срабатывание и отключение при заданном давлении в конце производственной линии превращают датчик из стандартного каталогового компонента в полнофункциональный элемент управления. Сам по себе датчик прост. А вот система вокруг него определяет, будет ли он работать.