Tại sao các đơn vị bơm thủy lực điện cần công tắc áp suất khởi động-dừng?

Một bộ nguồn thủy lực vận hành bơm có lưu lượng cố định chống lại van xả là một máy, xét về mặt năng lượng, chuyển đổi điện năng thành nhiệt năng qua nhiều bước thừa. Bơm tiếp tục quay, dầu tiếp tục chảy và van xả tiếp tục xả dầu trở lại bể chứa ở áp suất đã thiết lập. Không có việc hữu ích nào xảy ra ngoại trừ việc dầu nóng lên và đồng hồ điện tiếp tục quay. Một công tắc áp suất kiểu khởi động-dừng ngắt chu kỳ đó. Công tắc này theo dõi áp suất hệ thống và thông báo cho bộ tiếp xúc động cơ khi nào cần cắt điện và khi nào khôi phục lại điện. Bản thân bộ phận này nhỏ và rẻ so với bơm hoặc động cơ. Tuy nhiên, hậu quả của việc bỏ sót bộ phận này hoặc thiết lập sai hoàn toàn không nhỏ và cũng không rẻ.

Van xả KHÔNG điều tiết năng lượng — nó tiêu tán năng lượng

Van xả áp bảo vệ mạch khỏi áp suất quá cao. Đó là chức năng chính của nó. Nó không phải là bộ điều chỉnh áp suất theo nghĩa quản lý năng lượng. Khi một bơm có lưu lượng cố định tiếp tục hoạt động sau khi cơ cấu chấp hành đã dừng hoặc kẹp đã đóng, mọi lít mỗi phút vượt quá nhu cầu tải sẽ đi qua van xả áp ở áp suất cài đặt. Dòng chảy này chuyển thành nhiệt với tốc độ tỷ lệ thuận với áp suất nhân với lưu lượng. Trong một cụm nguồn cấp lực kẹp được Gattinger và Schwimmer nghiên cứu tại Weber-Hydraulik, động cơ chạy khoảng sáu mươi phần trăm chu kỳ 483 giây, và phần lớn thời gian chạy đó là dầu đi qua van xả áp chính. Nhiệt độ dầu ổn định ở mức gần 90°C dù áp suất kẹp thực tế chỉ vào khoảng 80 bar. Đây là đặc điểm nhận dạng của một bơm tiếp tục chạy mà không có lệnh dừng dựa trên áp suất.

Việc khắc phục trong nghiên cứu đó không phải là một bơm mới hay nâng cấp sang loại bơm có lưu lượng thay đổi. Một bộ tích áp nhỏ được lắp thêm tại cổng áp suất, và một công tắc áp suất riêng biệt được nối dây tới contactor động cơ để bơm chỉ khởi động lại khi áp suất trong bộ tích áp giảm xuống dưới ngưỡng kích hoạt của công tắc. Thời gian vận hành động cơ giảm xuống chỉ còn vài lần nạp lại ngắn trong mỗi chu kỳ. Lượng năng lượng tiêu thụ đo được giảm từ 96 Wh xuống còn 11 Wh mỗi chu kỳ, và nhiệt độ dầu ổn định ở nhiệt độ phòng thay vì 90°C. Công tắc thực hiện nhiệm vụ mà van an toàn không thể làm được: nó ngừng tiêu tốn năng lượng cho áp suất không được sử dụng.

Công tắc áp suất và mạch xả tải giải quyết những vấn đề khác nhau

Nên tách biệt công tắc khởi động-dừng lại khỏi van xả hoặc mạch xả. Hai thành phần này thường được thảo luận cùng nhau và có phần chồng lấn về chức năng, nhưng chúng vận hành trên các bộ phận khác nhau của hệ thống. Van xả chuyển dòng chảy từ bơm sang bể chứa ở áp suất thấp trong khi bơm vẫn quay. Công tắc áp suất khởi động-dừng lại ngắt nguồn điện cấp cho động cơ. Phương pháp thứ nhất tiết kiệm năng lượng thủy lực bằng cách giảm độ sụt áp qua bơm; phương pháp thứ hai tiết kiệm năng lượng điện bằng cách dừng động cơ dẫn động.

So sánh hai phương pháp trên một bộ nguồn có lưu lượng cố định giúp làm rõ sự khác biệt này.

Hàng thứ ba là nơi công tắc khởi động-dừng phát huy vai trò. Trong trường hợp của Weber-Hydraulik, công tắc áp suất đã thay thế lệnh điều khiển động cơ dựa trên thời gian từ bộ điều khiển máy cấp cao hơn. Bộ điều khiển này khởi động động cơ trước mỗi lần kẹp hoặc nhả kẹp và dừng động cơ theo một bộ đếm thời gian cố định, bất kể áp suất đã sẵn có hay chưa. Công tắc giúp động cơ phản ứng với nhu cầu thủy lực thực tế thay vì phản ứng theo lịch trình.

Khoảng chết là thông số điều chỉnh quyết định liệu công tắc mang lại lợi ích hay gây hại

Một công tắc áp suất khởi động-dừng không hoạt động ở một mức áp suất duy nhất. Nó có mức áp suất ngắt (cut-out pressure) để động cơ dừng và mức áp suất kích hoạt (cut-in pressure) để động cơ khởi động lại. Khoảng chênh lệch giữa hai mức này được gọi là dải chết (deadband), đôi khi còn được gọi là độ chênh hoặc độ trễ (hysteresis). Nếu thiết lập dải chết quá hẹp, máy bơm sẽ chạy-ngắt liên tục (short-cycle) mỗi khi có rò rỉ nhỏ hoặc co nhiệt làm giảm áp suất xuống dưới mức áp suất kích hoạt. Ngược lại, nếu thiết lập dải chết quá rộng, áp suất hệ thống sẽ dao động mạnh đến mức bộ chấp hành hoặc kẹp có thể không nhận đủ áp suất cần thiết trước khi động cơ khởi động lại.

Dữ liệu công tắc được công bố giúp đánh giá phạm vi sử dụng được. Các công tắc áp suất công nghiệp thường cho phép dải chết (deadband) từ một giá trị cố định tối thiểu lên đến khoảng 45 phần trăm giá trị điểm đặt. Một kinh nghiệm chung trong công việc với bộ nguồn thủy lực là bắt đầu với dải chết khoảng 10–15 phần trăm áp suất ngắt (cut-out pressure) và mở rộng dải này nếu đếm chu kỳ cho thấy số lần khởi động quá nhiều. Giá trị phù hợp phụ thuộc vào thể tích bình tích năng, mức rò rỉ của van một chiều và mức độ dao động áp suất mà quy trình phía hạ lưu có thể chịu đựng. Một công tắc áp suất có khả năng cơ học đạt chênh lệch 0,5 bar không nhất thiết phải được cài đặt chặt như vậy trên hệ thống 200 bar.

Bộ phận ổ trượt động cơ và tiếp điểm quan tâm đến tần suất khởi động

Mỗi lần khởi động đều kéo dòng điện khởi động (locked-rotor current) trong một khoảng thời gian ngắn trước khi động cơ đạt tốc độ vận hành. Dòng điện này sinh nhiệt trong cuộn dây stato và gây ứng suất nhiệt lên các thanh dẫn rôto. Nhà sản xuất động cơ công bố giới hạn số lần khởi động cho phép mỗi giờ, và những giới hạn này tồn tại vì một lý do rõ ràng. Một công tắc áp suất có dải chênh lệch (deadband) quá hẹp một cách không cần thiết có thể khiến động cơ vượt quá khả năng chịu tải khởi động, mà không ai nhận ra cho đến khi tiếp điểm công-tắc bị hàn dính hoặc cuộn dây hỏng.

Lập luận tương tự cũng đúng với chính tiếp điểm của công tắc áp suất. Một công tắc cơ học sử dụng vi-công tắc kiểu bật nhanh (snap-action microswitch) có tuổi thọ điện hữu hạn, và mỗi lần khởi động động cơ đều làm tiếp điểm này thực hiện một chu kỳ đóng/ngắt. Thông thường công tắc không phải là thành phần yếu nhất, nhưng nó sẽ trở thành điểm yếu khi dải chênh lệch được đặt quá hẹp đến mức máy bơm khởi động lại sau vài giây. Việc lắp một bình tích áp nhỏ hoặc mở rộng nhẹ dải chênh lệch về mặt chi phí thấp hơn nhiều so với việc thay thế định kỳ các công-tắc. Công tắc cần được xem như một thiết bị điều khiển có chu kỳ làm việc (duty cycle), chứ không phải là một cảm biến thụ động.

Khi công tắc khởi động-dừng là công cụ không phù hợp

Có những trường hợp hợp lý mà công tắc áp suất khởi động-dừng không phải là giải pháp đúng. Nếu bơm phải chạy liên tục để cung cấp dòng chảy ổn định cho van tỷ lệ hoặc bộ chấp hành servo, thì việc dừng động cơ sẽ làm mất đi mục đích sử dụng. Nếu hệ thống không có bình tích áp và cũng không có van một chiều đủ khả năng giữ áp suất sau khi động cơ dừng, công tắc sẽ chỉ khởi động lại bơm gần như ngay lập tức, dẫn đến hiện tượng vận hành ngắn mạch (short cycling) thay vì tiết kiệm năng lượng. Nếu quy trình yêu cầu duy trì áp suất trong một dải rất hẹp, thì một công tắc có độ chênh lệch tắt-mở (deadband) thực tế có thể không đáp ứng được dung sai yêu cầu, và khi đó điều khiển áp suất tỷ lệ vòng kín (closed-loop proportional pressure control) sẽ là lựa chọn phù hợp hơn.

Công tắc này cũng không thay thế van xả áp. Đây là một thiết bị điều khiển, chứ không phải thiết bị an toàn. Van xả áp vẫn phải được cài đặt ở áp suất cao hơn áp suất ngắt của công tắc để đảm bảo rằng nếu công tắc hỏng hoặc tiếp điểm của bộ tiếp xúc bị hàn dính, máy bơm sẽ không chạy không tải vào mạch bị chặn. Hai thiết bị này cùng lắp trên cùng một đơn vị, nhưng chúng thực hiện các chức năng khác nhau và không nên điều chỉnh để bù trừ cho nhau.

Công tắc áp suất tích hợp tốt trông như thế nào trên một bộ nguồn sản xuất

Trên một bộ bơm thủy lực điện được chế tạo đúng cách, công tắc khởi động–dừng không phải là yếu tố được bổ sung sau cùng. Cổng kết nối của nó được đặt tại vị trí đo được áp suất thực tế của hệ thống, chứ không phải tại một đoạn ống chết dễ giữ khí hoặc một đường ống chỉ chịu áp suất trong suốt một hành trình duy nhất của cơ cấu chấp hành. Vỏ bọc điện được lựa chọn phù hợp với môi trường làm việc — dù đó là khu vực cần rửa sạch bằng nước, nơi lắp đặt nâng ngoài trời hay máy công cụ có sương mù dầu mịn trong không khí. Giá trị cài đặt và dải chênh lệch (deadband) của công tắc được ghi chép đầy đủ, đồng thời rơ-le động cơ được đánh giá phù hợp với tần suất khởi động phát sinh.

Hydrarite sản xuất các bộ nguồn thủy lực với những chi tiết tích hợp này được xử lý như một phần của quá trình lắp ráp thay vì là các tùy chọn lắp đặt tại hiện trường. Khía cạnh sản xuất ở đây rất quan trọng, bởi vì một công tắc áp suất được lựa chọn đúng nhưng lại được lắp trên một cụm phân phối có đường dẫn cảm biến bị hạn chế thì sẽ không phát hiện được áp suất mà nó cần đo. Việc gia công lỗ nối đồng đều, quy trình lắp ráp sạch sẽ và việc kiểm tra có tài liệu ghi chép về áp suất ngắt và áp suất khởi động tại cuối dây chuyền sản xuất chính là những yếu tố biến một công tắc từ một linh kiện trong danh mục thành một bộ phận điều khiển hoạt động hiệu quả. Bản thân công tắc thì đơn giản. Còn hệ thống bao quanh nó mới quyết định xem công tắc có hoạt động hay không.