Schéma unifilaire typique du bloc d'alimentation.

Les unités hydrauliques intelligentes génèrent efficacité et contrôle

En un coup d’oeil:

  • Découvrez à quoi ressemble la conception du bloc d’alimentation hydraulique intelligent.
  • La plupart des circuits hydrauliques ne sont pas un système fonctionnant en continu – la consommation d’énergie pendant les périodes d’inactivité est importante.
  • L’utilisation des VFD et de certains instruments supplémentaires peut aider à économiser de l’énergie et à réduire les temps d’arrêt.

Les groupes hydrauliques (HPU) pressurisent l’huile pour alimenter l’équipement hydraulique. Les équipements hydrauliques fournissent une force plus élevée que les moteurs principaux électriques et mécaniques traditionnels et peuvent être contrôlés avec plus de précision. Les performances exigées de ces systèmes hydrauliques sont plus élevées, en particulier lorsqu’ils fonctionnent dans une industrie de processus 24/7. Par conséquent, les coûts d’exploitation et de maintenanceainsi que les temps d’arrêt dus à une panneest une préoccupation pour les usines et les opérations qui fonctionnent 24/7.

Qu’est-ce qu’une unité de puissance hydraulique?

Les unités hydrauliques sont des unités autonomes qui se composent d’un moteur, d’un réservoir, d’une soupape de surpression, d’un filtre, d’un manomètre, d’un débitmètre, d’un échangeur de chaleur, d’un pressostat, d’un interrupteur à flotteur / niveau, d’un capteur de température et d’une pompe hydraulique. Ce bloc d’alimentation hydraulique est utilisé pour transférer la puissance d’un endroit à un autre à l’aide de moteurs hydrauliques ou d’actionneurs hydrauliques.

Comment l’énergie électrique et l’énergie hydraulique se ressemblent-elles?

Pour faire une analogie, le groupe hydraulique aide à développer la pression de la même manière que la tension électrique est générée par un générateur. En d’autres termes, un groupe hydraulique est un générateur d’énergie pour un système hydraulique de la même manière qu’un générateur électrique produit le potentiel de transférer l’énergie de la centrale vers les sous-stations pour une distribution ultérieure à nos maisons.

Schéma unifilaire typique du bloc d’alimentation.

Comment un groupe hydraulique typique fonctionne-t-il et consomme-t-il de l’énergie?

Les centrales hydrauliques sont utilisées dans d’innombrables applications, des aciéries, des usines de galvanisation et de diverses usines de finition d’acier aux parcs d’attractions et aux locomotives. Le bloc d’alimentation hydraulique est utilisé pour transférer la puissance d’un endroit à un autre à l’aide de moteurs hydrauliques. Un réchauffeur (ou un échangeur de chaleur) attaché au bloc d’alimentation aide à maintenir l’huile à la viscosité prévue.

Un moteur électrique à induction tourne à vitesse constante pour fournir de l’huile hydraulique à une pression constante au circuit hydraulique. Le débitmètre dans la ligne indique le débit lorsque le travail est effectué par l’huile hydraulique sous pression. Lorsque le travail est terminé, l’huile coule et la pression chute (voir le graphique ci-dessous).

Affichage du débit en fonction de la pression.Affichage du débit en fonction de la pression.

Lorsque le travail est terminé ou n’est pas effectué par le circuit hydraulique, l’huile ne circule pas dans le système hydraulique à ce moment-là. La pression dans la conduite augmente et, par conséquent, la soupape de surpression s’ouvre pour contourner l’huile vers le réservoir. Le manomètre, le débitmètre et le commutateur de débit font tous partie d’une instrumentation importante qui indique à un opérateur que la pompe hydraulique maintient une pression suffisante, afin d’obtenir le débit requis dans le système hydraulique.

Les systèmes qui fonctionnent 24h / 24 et 7j / 7 dans des endroits tels que les usines de traitement, les hôpitaux et les aéroports, avec des moteurs CA HPU sur toute la ligne, consomment de l’énergie en continu, même lorsque le système hydraulique pousse simplement l’huile à travers la soupape de décharge plutôt que de faire le vrai travail. . Dans ce cas, cela ajoute des frais de fonctionnement aux factures d’énergie pour aucun travail. Avec les VFD contrôlant la pression et le débit dans la ligne, la vitesse du moteur peut être réduite, réduisant ainsi la pression pour avoir un impact direct sur la consommation d’énergie.

L’idée est de réduire la pression en réduisant la vitesse de la pompe à un niveau tel que l’huile n’a pas assez de pression pour être poussée inutilement à travers la soupape de décharge lorsque le système est au ralenti, plutôt que de maintenir la pression à des niveaux si bas qu’elle maintient les conduites remplies, pour commencer le pompage si nécessaire. En réduisant la vitesse du moteur à l’aide d’un variateur de fréquence (VFD), nous économisons non seulement l’énergie, mais évitons également les gaspillages inutiles.

Nous pouvons analyser la gestion de l’énergie et les composants d’instrumentation de ce système hydraulique typique, ainsi que les opportunités d’économiser sur les coûts d’énergie et de maintenance, de réduire les temps d’arrêt des équipements et de déployer une maintenance prédictive. Il peut être considéré comme une approche alternative pour intégrer un système d’alimentation hydraulique typique.

Traditionnellement, les composants de gestion de l’énergie tels que les moteurs à induction pour les pompes hydrauliques et les échangeurs de chaleur sont démarrés sur toute la ligne, ce qui provoque une forte usure du moteur et de l’équipement.

Étant donné que ces moteurs à induction ne sont pas contrôlés proportionnellement au débit, à la pression ou à la température requise, une fois démarrés, les moteurs à courant alternatif fonctionnent à une vitesse constante, ce qui entraîne une consommation d’énergie indésirable pendant la période d’inactivité. Sachant que la plupart des circuits hydrauliques ne sont pas un système fonctionnant en continu, la consommation d’énergie pendant les périodes d’inactivité est importante. Toute l’énergie consommée par le moteur de la pompe et le moteur de l’échangeur de chaleur pendant la période de ralenti peut être conservée en utilisant un VFD pour ces moteurs à courant alternatif.

Enfin, l’instrumentation qui se trouve sur les groupes hydrauliques est traditionnellement déployée soit pour l’affichage opérateur de la pression et du débit, soit pour un arrêt d’urgence de l’unité. Ceci est fait au cas où l’unité accumulerait une pression élevée en raison d’un colmatage de la ligne, plutôt que d’utiliser cette instrumentation pour une commande en boucle fermée des moteurs à courant alternatif.

En connectant l’instrumentation existante directement aux entrées numériques du VFD, en ajoutant des transducteurs analogiques supplémentaires au système hydraulique et en intégrant le tout au VFD, il générera un contrôle plus efficace du bloc d’alimentation, à un coût inférieur et une maintenance minimale.

Ces dernières années, les VFD ont été activés pour l’IoT. L’instrumentation étant directement intégrée au VFD, l’utilisateur bénéficie de la maintenance prédictive pour réduire les temps d’arrêt indésirables.

À quoi ressemblerait une conception de groupe hydraulique intelligent?

  1. Installez un VFD pour un moteur de pompe hydraulique et un autre pour un moteur de pompe de refroidissement sur l’échangeur de chaleur. Sur les groupes hydrauliques critiques, il existe des moteurs redondants pour chacun. Dans ce cas, vous devrez installer des VFD séparés pour les moteurs redondants.
  2. Fermez toutes les vannes de la conduite de dérivation. La soupape de décharge d’urgence doit être réglée de manière à n’être visible que lorsque le variateur ne parvient pas à réguler la pression.
  3. Installez un capteur de pression différentielle entre les collecteurs d’alimentation et de retour au niveau de la charge de processus (situé à la distance la plus éloignée du bloc d’alimentation). Déterminez la perte de charge nécessaire pour maintenir un débit suffisant à travers le point de charge de processus le plus éloigné du réseau hydraulique. Contrôlez la vitesse de la pompe hydraulique VFD à l’aide du PID interne pour maintenir une pression différentielle suffisante.
  4. Installez un transducteur de température sur le bloc d’alimentation hydraulique pour renvoyer la température d’huile à l’échangeur de chauffage VFD et contrôler le débit d’eau de refroidissement à travers l’échangeur de chaleur.
  5. Activez l’IoT sur les VFD pour envoyer périodiquement les informations intelligentes à un smartphone, en comparant les informations afin d’alerter un utilisateur pour qu’il prenne des mesures de maintenance proactives si nécessaire.

Lier tout cela: comment un groupe hydraulique intelligent fonctionnerait-il efficacement avec des temps d’arrêt prévisibles?

Le moteur à induction de la pompe hydraulique doit être contrôlé par un VFD plutôt que par le démarreur de ligne. La référence de vitesse du VFD peut être contrôlée par le contrôleur PID interne du variateur qui reçoit la rétroaction d’un transducteur de pression différentielle ajouté au système hydraulique. Le point de consigne du PID sera de maintenir une pression dP suffisante au point le plus éloigné du réseau hydraulique.

Cela signifie qu’en suivant les règles d’affinité, le VFD fera fonctionner un moteur de pompe hydraulique à une vitesse requise pour maintenir le point de consigne de pression plutôt que de toujours fonctionner à pleine vitesse lorsqu’il fonctionne sur le démarreur de ligne, consommant de l’énergie au ralenti.

En appliquant le premier principe, une combinaison de pompe hydraulique et de moteur électrique sur une puissance hydraulique contrôlera le débit d’huile pour actionner un piston ou faire tourner un moteur hydraulique. Le débit (gpm) est fonction du déplacement d’huile par tour * vitesse de rotation. Par conséquent, un VFD peut être utilisé pour réduire la vitesse de la pompe afin de contrôler le débit lorsque le débit minimum est requis pendant les périodes de ralenti du système hydraulique.

Pendant les travaux exécutés par le système hydraulique, un certain débit est maintenu qui est lié au dP au point le plus éloigné, en tenant compte du travail effectué par l’actionneur ou de toute fuite. Ce débit constant donne lieu à une différence de pression due à la résistance offerte par la charge.

Par conséquent, l’utilisation du VFD PID en boucle fermée contrôle les vitesses du moteur; la surpression du système ne se produit pas pendant les périodes d’inactivité, et le débit requis pour maintenir la pression requise est fourni pendant le temps de travail effectué par le système hydraulique.

Dans l’ensemble, on peut voir qu’en réduisant la vitesse de la pompe lorsque le système est au ralenti et en faisant fonctionner la pompe juste à la vitesse requise pour maintenir un débit suffisant pendant la phase de non-ralenti, on peut économiser de l’énergie et des coûts de fonctionnement sur un système en fonctionnement 24/7 dans n’importe quelle application donnée. Si la vitesse n’est pas réduite et que l’huile est toujours pompée sans effectuer aucun travail, elle empruntera le chemin de moindre résistance et retournera au réservoir par la soupape de surpression, ce qui coûtera une consommation d’énergie inutile à l’utilisateur.

Deuxièmement, sur un système où il est bien défini dP qui doit être maintenu, le système connaît déjà la vitesse de fonctionnement normale du moteur. Par conséquent, un événement de fuite dans le système entraînera le fonctionnement de la pompe à une vitesse supérieure à la normale au fil du temps. Cela indique que la pompe doit être réglée ou qu’il y a une fuite dans le système. C’est l’avantage du diagnostic prédictif de l’utilisation d’un VFD pour la pompe hydraulique.

De plus, en câblant le débitmètre existant et le pressostat aux entrées numériques du variateur, le variateur s’arrête automatiquement s’il est programmé pour se déclencher lorsque l’un de ces interrupteurs se déclenche. En offrant une sécurité intelligente supplémentaire et un lecteur compatible IoT, il fournit aux utilisateurs une notification en temps opportun d’une action requise par l’équipe de maintenance.

La viscosité de l’huile est une fonction importante pour empêcher toute cavitation de la pompe et atteindre le débit requis à la pression de conception. Le maintien de la température de l’huile est essentiel pour maintenir la viscosité de l’huile. En fonction de la taille du système hydraulique, les unités ont une sorte d’unité d’échangeur de chaleur pour maintenir la température de l’huile. Si le moteur de l’échangeur de chaleur est contrôlé avec le VFD, l’utilisation d’un régulateur PID pour réguler le débit d’eau de refroidissement en fonction de la température de l’huile économisera des coûts d’énergie, car la puissance est P (Puissance) α Ƭ (Couple moteur) * N ( La vitesse).

Étant donné que les composants du groupe hydraulique ont été conçus et mis en service avec des paramètres de fonctionnement tels que le courant du moteur, la vitesse et la pression du moteur, tout changement de ces paramètres au fil du temps est une bonne indication pour l’utilisateur dans le cadre de la fonction de maintenance prédictive. Il avertit l’utilisateur que quelque chose a changé dans le système, comme une fuite, une perte de roulement ou des conduites obstruées (par conséquent, le moteur tourne à une vitesse plus élevée que la normale pour atteindre la pression requise). Avec les VFD activés pour l’IoT, tous ces paramètres sont disponibles pour les utilisateurs du bout des doigts pour améliorer la facilité d’utilisation et l’expérience de gestion des données.

En résumé, l’utilisation des VFD et de quelques instruments supplémentaires sur les groupes hydrauliques peut fournir à l’utilisateur des économies d’énergie, des temps d’arrêt réduits et des coûts de maintenance réduits grâce à la maintenance prédictive.

Ranbir (Ron) Ghotra est ingénieur d’application de ligne de produits chez Eaton. Ghotra possède 20 ans d’expérience mondiale dans l’ingénierie et la gestion de projets de contrôle et d’automatisation, résolvant des problèmes pour diverses industries allant du résidentiel à l’aérospatiale. Il est un professionnel de la gestion de projet avec un baccalauréat diplôme en génie électrique et un MBA de la Katz Business School.

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