Prečo potrebujú jednotky elektrického hydraulického čerpadla prepínač tlaku na spustenie a zastavenie?

Hydraulická pohonná jednotka, ktorá prevádzkuje čerpadlo s pevným výtlakom proti prepúšťacej armatúre, je z hľadiska energie stroj, ktorý premieňa elektrickú energiu na teplo s nadbytočnými krokmi. Čerpadlo sa neustále otáča, olej neustále preteká a prepúšťacia armatúra ho neustále vracia späť do nádrže pri nastavenej tlakovej úrovni. Nič užitočné sa nedeje – okrem toho, že olej sa zohrieva a elektromer sa neustále otáča. Spínač tlaku so štart-stop funkciou tento cyklus preruší. Sleduje tlak v systéme a dáva pokyn kontaktoru motora, kedy má napájanie vypnúť a kedy ho znovu zapnúť. Samotná súčiastka je malá a lacná v porovnaní s čerpadlom alebo motorom. Dôsledky jej vynechania alebo nesprávneho nastavenia však ani malé, ani lacné nie sú.

Prepúšťacia armatúra nereguluje energiu – rozptyluje ju.

Uvoľňovací ventil chráni obvod pred prebytočným tlakom. To je jeho úloha. Nie je to regulátor tlaku v zmysle riadenia energie. Keď sa čerpadlo s pevným výkonom naďalej otáča po zastavení hydraulického zariadenia alebo po uzatvorení upínacieho zariadenia, každý liter za minútu navyše oproti množstvu potrebnému pre záťaž prechádza cez uvoľňovací ventil pri nastavenom tlaku. Tento prietok sa mení na teplo rýchlosťou úmernou súčinu tlaku a prietoku. V prípade upínacej hydrauliky, ktorú študovali Gattinger a Schwimmer v spoločnosti Weber-Hydraulik, sa motor otáčal približne šesťdesiat percent z 483-sekundového cyklu a veľká časť tohto času bola vyplnená prechodom oleja cez hlavný uvoľňovací ventil. Teplota oleja sa ustálila okolo 90 °C, hoci samotný upínací tlak bol len približne 80 bar. To je charakteristický znak čerpadla, ktoré sa nezastavuje po dosiahnutí tlaku.

Oprava v tom štúdii nezahŕňala nové čerpadlo ani modernizáciu s premenným výkonom. Na tlakový prípoj bol pridaný malý akumulátor a samostatný tlakový spínač bol zapojený do kontaktora motora, takže čerpadlo sa znovu spustilo len vtedy, keď klesol tlak v akumulátore pod prahovú hodnotu spínača. Doba chodu motora klesla na niekoľko krátkych doplnení tlaku po každom cykle. Meraná spotreba energie klesla z 96 Wh na 11 Wh za cyklus a teplota oleja sa ustálila na izbovej teplote namiesto 90 °C. Spínač vykonával úlohu, ktorú nemôže plniť uzáverový ventil: zastavil platbu za tlak, ktorý sa nepoužíval.

Tlakové spínače a obvody na vybíjanie riešia rozdielne problémy

Stojí za to oddeliť prepínač štart-zastavenie od vybíjacieho ventilu alebo vybíjacej obvodu. Často sa diskutujú spoločne a ich funkcie sa čiastočne prekrývajú, avšak ovládajú rôzne časti systému. Vybíjací ventil presmeruje prietok čerpadla do nádrže pri nízkom tlaku, pričom čerpadlo naďalej rotuje. Prepínač štart-zastavenie odpojí elektrickú energiu od motora. Prvý spôsob šetrí hydraulickú energiu znížením tlakového poklesu cez čerpadlo; druhý šetrí elektrickú energiu zastavením pohonnej jednotky.

Porovnanie týchto dvoch prístupov v napájacnom zariadení s pevným výkonom konkrétne ilustruje tento rozdiel.

Tretí riadok je ten, kde si tlakový spínač so štart-stop funkciou zaslúži svoje miesto. V prípade Weber-Hydraulik bol tlakový spínač namiesto časovo riadeného príkazu motora od vyššieho riadiaceho systému stroja. Riadiaci systém štartoval motor pred každým zatlačením alebo uvoľnením a zastavoval ho podľa pevne stanovenej doby, bez ohľadu na to, či bol tlak už k dispozícii. Spínač umožnil, aby sa motor reagoval na skutočnú hydraulickú potrebu namiesto preddefinovaného rozvrhu.

Mŕtva zóna je nastavenie, ktoré rozhoduje o tom, či spínač pomáha alebo škodí

Spínač na začiatok a zastavenie nepôsobí pri jedinom tlaku. Má vypínací tlak, pri ktorom sa motor zastaví, a zapínací tlak, pri ktorom sa motor znovu spustí. Rozdiel medzi týmito dvoma tlakmi sa nazýva mŕtva zóna, niekedy tiež diferenciálny tlak alebo hystereza. Ak je mŕtva zóna nastavená príliš úzko, čerpadlo sa bude krátko cyklovať pri každej malej netesnosti alebo tepelnej kontrakcii, ktorá zníži tlak pod zapínací bod. Ak je nastavená príliš široko, tlak v systéme sa bude veľmi kolísať, takže akčný člen alebo upínací mechanizmus nemusia získať požadovaný tlak, kým sa motor znovu nespustí.

Zverejnené údaje o prepínačoch poskytujú predstavu o použiteľnom rozsahu. Priemyselné tlakové prepínače zvyčajne umožňujú mŕtvu zónu od minimálnej pevnej hodnoty až približne do 45 percent nastavenej hodnoty. Pravidlo palca pri práci s hydraulickými pohonnými jednotkami je začať s mŕtvou zónou približne 10 až 15 percent nastavenej tlakovej hodnoty vypnutia a rozšíriť ju, ak počítanie cyklov ukáže nadmerný počet zapnutí. Správna hodnota závisí od objemu akumulátora, netesnosti skontrolného ventilu a od toho, aké veľké kolísanie tlaku môže proces v dolnom toku zniesť. Tlakový prepínač, ktorý mechanicky dokáže dosiahnuť rozdiel 0,5 bar, nie je nutne prepínač, ktorý by mal byť v systéme s tlakom 200 bar nastavený takto tesne.

Ložiská motora a kontakty sa zaujímajú o frekvenciu zapínania

Každé spustenie vyvoláva krátkodobý prúd pri zablokovanom rotore, kým sa motor nedosiahne požadovanej rýchlosti. Tento prúd spôsobuje zahrievanie vinutia statora a tepelné namáhanie tyčí rotora. Výrobcovia motorov uvádzajú povolený počet štartov za hodinu, a tieto limity majú vážny dôvod. Tlakový spínač s neprimerane úzkym mŕtvym pásmom môže prekročiť povolený štartovací režim motora bez toho, aby si to niekto všimol – až kým sa kontaktor nesvári do uzavretého stavu alebo sa nezničí vinutie.

Rovnaká logika platí aj pre kontakty tlakového spínača samotného. Mechanický spínač so snap-action mikrospínačom má obmedzenú elektrickú životnosť a každé spustenie motora cykluje tieto kontakty. Spínač zvyčajne nie je najslabším článkom, avšak stáva sa ním, ak je mŕtve pásmo nastavené tak úzko, že sa čerpadlo znova spúšťa každých niekoľko sekúnd. Malý akumulátor alebo mierne širší diferenciálny tlak stojí menej ako pravidelná výmena kontaktorov. Spínač by sa mal považovať za riadiace zariadenie s určitým štartovacím režimom, nie za pasívny snímač.

Tam, kde je spínač štart–stop nesprávnym nástrojom

Existujú oprávnené prípady, keď spínač štart–stop na tlak nie je správnou odpoveďou. Ak čerpadlo musí pracovať nepretržite, aby zabezpečilo stály prietok do proporcionálneho ventilu alebo servopohonného zariadenia, zastavenie motora účelu napodobuje. Ak systém nemá akumulátor ani uzatvárací ventil schopný udržať tlak po zastavení motora, spínač jednoducho čerpadlo takmer okamžite znovu spustí a výsledkom je krátkodobé cyklenie namiesto úspory energie. Ak proces vyžaduje udržiavanie tlaku v veľmi úzkom rozsahu, spínač s praktickým mŕtvym pásmom nemusí spĺňať požadovanú presnosť a lepším riešením je uzavretá proporcionálna regulácia tlaku.

Tento prepínač tiež nahrádza bezpečnostný ventil. Je to riadiace zariadenie, nie bezpečnostné zariadenie. Bezpečnostný ventil sa stále musí nastaviť nad tlakom vypnutia prepínača, aby pri poruche prepínača alebo zváranom kontaktore nedošlo k zablokovaniu čerpadla v uzavretom obvode. Obe zariadenia patria na rovnakú jednotku, avšak plnia rôzne funkcie a ich nastavenia by sa nemali navzájom kompenzovať.

Ako vyzerá dobre integrovaný tlakový prepínač na výrobnej hydraulicko-elektrickej jednotke

Na správne skonštruovanej elektrickej hydraulicko-elektrickej čerpadlovej jednotke nie je prepínač pre spustenie a zastavenie postrannou záležitosťou. Jeho prípojnica je umiestnená tak, aby snímala skutočný tlak v systéme, nie mŕtvy úsek, v ktorom sa zachytáva vzduch, ani potrubie, v ktorom sa tlak vyskytuje len počas jedného zdvihu hydraulického valca. Elektrická skriňa je prispôsobená prostrediu – či už ide o priestor s možnosťou umývania, vonkajšiu inštaláciu zdvíhacieho zariadenia alebo obrábací stroj s jemnou olejovou mlhou vo vzduchu. Nastavený bod prepínača a jeho mŕtva zóna sú zdokumentované a magnetický kontaktor motora je dimenzovaný pre výslednú frekvenciu spúšťania.

Hydrarite vyrába hydraulické pohonné jednotky, pričom tieto podrobnosti integrácie sú považované za súčasť montáže namiesto možností inštalácie na mieste. Výrobná stránka je tu dôležitá, pretože tlakový spínač, ktorý je správne špecifikovaný, ale namontovaný na rozdeľovacej doske s obmedzeným snímacím kanálom, nebude vnímať tlak, ktorý má merať. Konzistentné obrábanie prípojok, čistá montáž a zdokumentovaný test tlaku vypnutia a zapnutia na konci výrobnej linky premieňajú spínač z katalógového komponentu na funkčný riadiaci prvok. Samotný spínač je jednoduchý. Systém okolo neho však rozhoduje o tom, či bude fungovať.