Blog dotyczący technologii ruchu i sterowania | Parker Polska

Pompy sterowane napędem elektrycznym dla bardziej ekologicznych oraz wydajnych systemów hydraulicznych

PAREU759_DCP_HRES_2Serce nowoczesnych maszyn przemysłowych stanowi skomplikowany kompromis, który każdego dnia rzuca wyzwanie umysłom inżynierów. Oczekuje się, że rozwiązania hydrauliczne będą coraz cichsze, wydajniejsze i będą wywierały mniejszy wpływ na środowisko. Z drugiej strony istnieje oczekiwanie, że postęp ten nie będzie miał wpływu na inne czynniki dotyczące wydajności, takie jak gęstość mocy, niezawodność i kontrola. Stanowi to wielkie wyzwanie optymalizacyjne.

Potęguje je fakt, że systemy hydrauliczne składają się z wielu precyzyjnych podzespołów, które muszą być do siebie idealnie dopasowane. Nie ma dwóch identycznych instalacji, a efektywna integracja wymaga doskonałej znajomości systemów hydraulicznych, technologii pomp hydraulicznych i silników elektrycznych oraz algorytmów sterowania, a także wzajemnych zależności między tymi elementami.

Na szczęście istnieje rozwiązanie tej łamigłówki, czyli pompy sterowane z przetwornicy częstotliwości. Jest to innowacja, która pozwala na integrację energooszczędnych systemów hydraulicznych z możliwościami dostosowania do wymagań aplikacji, które wcześniej były nieosiągalne. Technologia ta zapewnia szybką adaptację w kilku kluczowych branżach, takich jak przemysł morski, motoryzacyjny, maszynowy i odlewniczy, w których istnieje niepowstrzymany popyt na zmniejszanie rozmiaru, hałasu i pobieranej energii przez system hydrauliczny przy jednoczesnym utrzymaniu lub zwiększeniu okresu eksploatacyjnego sprzętu.
 

Bardziej inteligentne podejście

Zanim jednak dokładniej przyjrzymy się korzyściom technologicznym, jakie mogą zapewnić pompy sterowane napędem elektrycznym, warto przyjrzeć się niektórym wadom konwencjonalnych jednostek. W przeszłości systemy te wymagały stosowania wielkich pomp i silników w celu zapewnienia wydajności na potrzeby najbardziej wymagających cykli pracy. Dopóki koszty energii były niskie i przewidywalne, a przepisy dotyczące ochrony środowiska mniej wymagające, marnotrawstwo energetyczne oraz wysokie emisje CO2 nie stanowiły problemu. Jednak te czasy już dawno minęły.

Wymogi dotyczące ochrony środowiska naturalnego powodują obecnie silny trend, związany z przechodzeniem na systemy, które precyzyjnie dostosowują moc do wymagań konkretnych zastosowań w wysoce złożonych systemach hydraulicznych. Tutaj na scenę wkracza technologia pomp sterowanych napędem elektrycznym z przetwornicą częstotliwości. Zapewnia ona synergiczne rozwiązanie, w którym napędy elektroniczne, silniki elektryczne i pompy hydrauliczne są w pełni zintegrowane, by sprostać każdemu lokalnemu zapotrzebowaniu na moc w systemie hydraulicznym. Ich najważniejszymi elementami są falowniki o zmiennej częstotliwości/prędkości, które sterują momentem obrotowym i prędkością obrotową silników elektrycznych, zapewniając precyzyjne, regulowane ciśnienie i przepływ wymagane w dowolnym punkcie maszyny lub cyklu pracy. Za sterowanie napędem odpowiadają sprawdzone algorytmy, opracowane w celu realizacji znormalizowanych i konfigurowalnych funkcji hydraulicznych.

Ta wszechstronność spełnia wiele wymagań systemowych. W zastosowaniach pomp hydraulicznych o stałym wydatku w warunkach utrzymywania ciśnienia wydajność zasilacza hydraulicznego jest bliska zeru. Obniżając prędkość pompy za pomocą funkcji sterowania przepływem, systemy pomp sterowanych napędem mogą zmniejszyć tę nieefektywność nawet o 90%. W takich zastosowaniach rozwiązanie z pompą sterowaną napędem współdziała z pompami tłokowymi osiowymi o zmiennym wydatku.

Jeśli w takiej instalacji użyje się pomp o zmiennym wydatku, zwykle sterowanych przez różne hydraulicznie obsługiwane elementy sterowania pilotowego, w warunkach niskiego przepływu lub minimalnego ciśnienia obniżenie prędkości pompy może zmniejszyć straty nawet o 50%. Technologia pomp sterowanych napędem wykorzystuje funkcję sterowania w celu rozszerzenia możliwości systemu, regulując pracą silników oraz pomp o stałym i zmiennym wydatku przez dostosowanie ciśnienia w pętli zamkniętej na podstawie sygnału zwrotnego z czujnika ciśnienia. Oprócz tych najczęściej używanych funkcji technologia pomp sterowanych napędem pozwala inżynierom projektującym systemy hydrauliczne wdrożyć szeroką gamę funkcji sterowania, dostosowanych do konkretnych wymagań aplikacji.
 

Spełnienie potrzeb różnych dziedzin przemysłu

Popularność tego podejścia rośnie w sektorach, w których kwestie ochrony środowiska są coraz ważniejsze. Na przykład w branży morskiej, gdzie przepisy dotyczące emisji są coraz bardziej rygorystyczne, marnowanie energii na pokładzie i wysoka emisja CO2 stają się poważnym problemem, zwłaszcza przy brzegu. Wymaga to wprowadzenia wydajniejszych układów, których moc jest precyzyjnie dostosowywana do potrzeb określonych zadań. Rozwiązanie DCP może zostać zoptymalizowane pod kątem pracy z użyciem akumulatorów, zapewniając energooszczędne rozwiązanie o niskim poziomie hałasu.

W sektorach przemysłowych, takich jak obróbka maszynowa, technologia ta może zmniejszyć zapotrzebowanie na energię potrzebną do wykonania głównego ruchu, umożliwiając jednocześnie szybkie mocowanie i ruchy pomocnicze, a w efekcie zoptymalizować rozmiar pompy. W zastosowaniach odlewniczych może ona zostać użyta w celu dostosowania przepływu i ciśnienia do bardzo zmiennych wymagań elementów zamykających i wtryskowych oraz umożliwić użycie różnych kombinacji pomp przy zmniejszeniu wymaganej wielkości silnika. Również w procesach formowania metalu technologia ta może zmniejszyć zapotrzebowanie na energię, ograniczyć hałas i wpłynąć na zmniejszenie wielkości podzespołów przez wykorzystanie szerszego zakresu prędkości silnika elektrycznego.
 

Obliczanie zwrotu z inwestycji

To oczywiste, że technologia DCP reprezentuje nowe, innowacyjne podejście do projektowania systemu hydraulicznego, w którym tryby pracy precyzyjnie sterowanych pomp o zmiennej prędkości mogą być skonfigurowane pod kątem wymagań funkcjonalnych dla każdego procesu w złożonym systemie hydraulicznym. Z biznesowego punktu widzenia zapewnia ona najszybszy zwrot z inwestycji dzięki zaprojektowanym z bezpiecznym zapasem systemom hydraulicznym, z podzespołami przewymiarowanymi w celu zapewnienia maksymalnego wymaganego przepływu i ciśnienia.

Krótko mówiąc, jeśli system hydrauliczny wymaga chłodzenia, oznacza to, że działa ze sprawnością mniejszą niż optymalna. Wstępna ocena prawdopodobnych oszczędności energii uwzględni napięcie źródła zasilania i moc silnika elektrycznego. Uwzględnione zostaną również liczba i typy stosowanych pomp, długość i częstotliwość występowania warunków utrzymywania ciśnienia, obecność lub brak obciążenia podczas pracy jałowej, wymagania dotyczące kontroli ciśnienia, ciśnienie oleju i otoczenia, wymagania dotyczące chłodzenia HPU oraz pożądany poziom kontroli hałasu.

Ze względu na szybki zwrot z inwestycji oczekuje się, że do 2019 r. zastosowanie napędów o zmiennej prędkości do zarządzania przydziałem mocy hydraulicznej wzrośnie ponad dwukrotnie. Łatwe wdrożenie rozwiązania opartego na pompie sterowanej z przetwornicy częstotliwości zapewnia odpowiednio dostosowany proces, w którym wielozadaniowy zespół inżynierów zajmujących się napędami, układami ruchu, hydrauliką siłową i technologiami sterowania wykonuje wiele różnych zadań. Obejmują one przeprowadzenie audytów energetycznych z analizą przewidywanych oszczędności energii i ocenę oraz — w razie potrzeby — wymianę poszczególnych podzespołów na bardziej kompaktowe i mniej energochłonne. Uwzględnia to również integrację napędów o zmiennej prędkości, które modulują prędkość i moment obrotowy w celu spełnienia określonych wymagań dotyczących przepływu i ciśnienia przez wykorzystanie niestandardowych trybów pracy oraz możliwość inicjalizacji systemu i monitorowania wydajności w celu walidacji zwrotu z inwestycji.

Michael Gundlach, Product Manager, Parker Hannifin_2

 

 

 

 

 

 

 

 

Autor: Michael Gundlach, kierownik produktu w Parker Hannifin

 

Powiązane wpisy:

Improving Hydraulic Systems for Better Performance and Energy Efficiency

Energy-Saving Hydraulic Systems Using Drive Controlled Pump (DCP)

Simplified Hydraulic Pumps for the Low Speed, High Torque Market

 

 

Drive Controlled Pumps match power to the task enabling green, efficient hydraulic systems

PAREU759_DCP_HRES_2There is a complex trade-off at the heart of modern industrial machinery which challenges the minds of engineers on a daily basis. On the one hand, hydraulic solutions are expected to be quieter and more efficient, with less of an impact on the environment. Yet, there is also an expectation that these advancements will have no impact on a host of other performance factors such as power density, reliability and control. This represents quite a balancing act.

The challenge is magnified by the fact that hydraulic systems comprise a broad range of discreet components that need to fit together in the best possible way. No two systems are identical, and effective integrations require a deep understanding of hydraulic systems, hydraulic pump and electric motor technologies, and control algorithms – and how these interact with each other.

Fortunately, there is a solution to this conundrum, which comes in the form of Drive Controlled Pumps, an innovation which allows for the integration of energy-saving hydraulic systems with a level of customization that hasn’t been available before. This technology is achieving rapid adoption in several key industrial sectors, such as marine, automotive, machine tools and die casting, where there is an unstoppable demand to reduce the footprint, noise and energy of hydraulics while retaining or increasing equipment longevity.
 

A more intelligent approach

Before we look in greater depth at the sorts of technological benefits that Drive Controlled Pumps can deliver, though, it is worth looking at some of the drawbacks to conventional hydraulic power units. Historically, these systems have required oversized pumps and motors to ensure performance during a system’s highest duty-cycle demands. In years gone by, when energy costs were low and predictable and environmental regulations were less of a consideration, the wasted energy and high CO2 emissions were not viewed as being problematic. However, that is no longer the case.

With environmental considerations top of the agenda, there is a strong desire to move towards systems which can precisely modulate power to the requirements of specific tasks within highly complex hydraulic systems. That is where Drive Controlled Pump technology comes in - as it provides a synergistic approach in which electronic drives, electric motors and hydraulic pumps are seamlessly integrated to meet each local load demand within a hydraulic system. Specifically, variable frequency / speed drives manage the electric motor’s operating torque and speed, producing the precise, variable pressure and flow required at any given point in the machine or duty cycle. Drive control is directed through the use of field-tested control algorithms designed to provide standardized and customizable hydraulic functions.

This versatility provides the answer to a multitude of system requirements. During fixed displacement hydraulic pump applications, hydraulic power unit efficiency approaches zero per cent during pressure-holding conditions. By lowering the pump speed using flow control function, Drive Controlled Pump systems can reduce inefficiency by as much as 90 per cent. In these applications, the Drive Controlled Pump solution performs well with variable axial piston pumps.

When used with variable displacement pumps, which are typically controlled using a variety of hydraulically operated pilot controls, lowering the pump speed can reduce inefficiency by as much as 50 per cent in low-flow or deadhead conditions. Drive Controlled Pump technology uses the control function to extend system capabilities, regulating the operation of fixed and variable displacement pumps/motors through the closed-loop pressure control by using the pressure feedback signal. In addition to these most commonly used functions, Drive Controlled Pump technology enables hydraulic system design engineers to deploy a wide range of application-specific customized and standardized control functions.
 

Meeting needs across industry

This new approach is proving increasingly popular in sectors where environmental concerns have risen up the agenda. In marine, for example, as emissions regulations have become more stringent, on-board energy wastage and high CO2 emissions have become increasingly problematic, particularly in near-shore situations. This has required a transition to more efficient systems where power is precisely modulated to the requirements of specific tasks. Drive Controlled Pump technology can be optimized for battery operation, providing an energy-efficient solution with low noise levels.

In industrial sectors, such as machine tools, the technology can reduce the energy required during the main movement, while enabling energy delivery for quick clamping actions and auxiliary movements, therefore optimizing pump sizing. In die casting applications, meanwhile, it can be used to adjust flow and pressure to meet the highly varying requirements of closing and injection slides, enabling a variety of pump combinations while reducing motor size requirements. Also, in metal forming processes, it can reduce the energy, noise and component-size required by taking advantage of the extended speed range of the electric motor.
 

Calculating the return on investment

It is clear that Drive Controlled Pump technology represents an innovative new approach to hydraulic system design, in which precisely controlled, variable-speed-pump modes are custom-configured to meet the functional requirements of each process within a complex hydraulic system. In terms of the business case, it provides the most rapid return on investment with conservatively designed hydraulic systems using oversized components engineered to meet the maximum flow and pressure requirements.

Simply put, if cooling is required for a hydraulic system, it is operating at less-than-optimum efficiency. A preliminary assessment of probable energy savings will take into consideration the voltage of the power source and electric motor horsepower. It will also consider the number and types of pumps used, the length and frequency of deadhead conditions, whether or not a pump unloads during idle, pressure control requirements, both oil and ambient system pressures, HPU cooling requirements and the desired level of noise control.

Due to the rapidity of return on investment, the use of variable speed drives to manage hydraulic power allocation is expected to more than double by 2019. Easy adoption of the Drive Controlled Pump solution is best achieved through a customized process in which a multi-disciplinary team of drive and motion system, fluid power and control technologies engineers perform a number of tasks. These include conducting energy audits with predictive analysis of energy savings and evaluating and replacing individual components, as appropriate, with more compact, less energy-wasting alternatives. It also includes the integration of variable speed drives that modulate speed and torque to meet specific flow and pressure requirements through the use of customized modes, and the ability to initialize the system and monitor performance to validate ROI. 

Michael Gundlach, Product Manager, Parker Hannifin_2

 

 

 

 

 

 

 

By: Michael Gundlach, Product Manager, Parker Hannifin

Published by MachineBuilding –http://www.machinebuilding.net/ta/t1291.htm
 

Related articles:

Improving Hydraulic Systems for Better Performance and Energy Efficiency

Energy-Saving Hydraulic Systems Using Drive Controlled Pump (DCP)

Simplified Hydraulic Pumps for the Low Speed, High Torque Market

Masz pytanie dotyczące produktów lub usług firmy Parker? Możemy pomóc: Skontaktuj się z nami!

Note to Pompy sterowane napędem elektrycznym dla bardziej ekologicznych oraz wydajnych systemów hydraulicznych


Uwaga: Aby przeciwdziałać spamowi, komentarze z hiperłączami nie zostaną opublikowane

Dodaj komentarz





Captcha