Pokaż menu

Firmy z okładek

Multiprojekt BeckhoffFESTO

Reklama

Współpraca

Oszczędzaj energię i pieniądze z Parkerem
Maciej Oleksiuk



Ochrona środowiska naturalnego nie jest hasłem czy sloganem. To imperatyw naszych czasów wynikający z aktualnego poziomu technicznego, ponieważ skala działalności człowieka osiągnęła poziom mający wpływ na ziemski klimat. Jednym z możliwych działań zmierzających do realnej ochrony środowiska jest ograniczanie zużycia energii do rzeczywiście potrzebnego poziomu. Każdy z nas musi zachować równowagę pomiędzy rozwojem a potrzebami środowiska naturalnego. Parker Hannifin w swoich działaniach wdraża powyższą ideę.


Niniejsza publikacja ma na celu pokazanie na kilku konkretnych przykładach produktów, których zastosowanie realizuje to w praktyce. Przykłady te pochodzą tylko z jednej z dziewięciu grup Parkera – Hydrauliki – i są swobodnym wyborem autora spośród wielu różnorodnych działań prowadzonych przez korporację z myślą o środowisku naturalnym.

W układzie hydraulicznym następuje przekształcenie energii mechanicznej wirującego wału silnika elektrycznego lub spalinowego na energię płynu roboczego, a następnie przekształcenie energii płynu na energię organów wykonawczych (cylindrów i silników hydraulicznych). Oszczędność energii polega więc na dwóch aspektach działania:
  • podniesieniu sprawności układu, czyli zbliżeniu wartości pobranej energii do wykonanej pracy;
  • odzysku energii.

Oba powyższe aspekty znajdują odzwierciedlenie w oferowanej bazie elementów, z których możliwe jest stworzenie energooszczędnych systemów. Poniżej kilka przykładów.

1. Pompy hydrauliczne ze zintegrowanym napędem serwo
Firma Parker Hannifin opracowała i z powodzeniem wdrożyła energooszczędne hydrauliczne systemy zasilające, konfigurowane zgodnie z potrzebami konkretnej aplikacji. Na taki system składają się następujące podstawowe elementy:
A. Sterowniki
B. Silniki elektryczne
C. Pompy hydrauliczne o stałej i zmiennej wydajności

Płynna regulacji prędkości obrotowej silnika elektrycznego w szerokim, dostosowanym do możliwości pompy zakresie, uzyskana dzięki zastosowaniu sterowników, umożliwia użycie maszyn o mniejszej wydajności jednostkowej, co zawsze skutkuje niższą ceną, a czasem zmniejszeniem emisji hałasu.

Dodatkowo dzięki regulowanej prędkości obrotowej zestawu silnik – pompa możliwe jest dostosowywanie aktualnego poboru mocy do wymaganego zapotrzebowania, czyli minimalizacji strat energii.
 


Fot. 1. Sterowniki serii 690+ z panelem operatorskim
Fot. 1. Sterowniki serii 690+ z panelem operatorskim


 
A. Sterowniki
Systemy sterowane mogą być za pomocą sterowników z dwóch serii: AC690 Plus lub Compax3.

Sterownik serii AC690+
Sterownik serii AC690+ (fot. 1) jest sterownikiem prądu przemiennego przeznaczonym do regulacji prędkości obrotowej asynchronicznych silników trójfazowych. Sercem sterownika jest 32-bitowy procesor, realizujący oprócz funkcji kontrolnych również zadania komunikacyjne z możliwością adaptacji do konkretnych wymagań danej aplikacji. Typoszereg sterowników stosowanych w omawianych systemach zasilania hydraulicznego obejmuje zakres mocy od 0,75 do 350 KW.

Sterownik ten skonfigurowany może być w różnych trybach pracy, w układzie otwartym lub zamkniętym.

Sterownik posiada zewnętrzny panel operatorski umożliwiający zabudowę w szafie oddzielającej go od wpływów środowiska, co pozwala na aplikację w takich miejscach, jak papiernie, środowisko morskie, stalownie, przemysł spożywczy itp.

 

Fot. 2. Sterownik Compax3 oraz zestaw silnik serwo – pompa łopatkowa
Fot. 2. Sterownik Compax3 oraz zestaw silnik serwo – pompa łopatkowa  

 

Sterowniki serii Compax3
Pokazany na fot. 2 sterownik serii Compax3 przeznaczony jest do sterowania różnymi napędami. W aplikacji z napędami hydraulicznymi omawianymi tutaj sterowniki te sterują silnikami serwo o mocy w zakresie od 1 do 110 kVA wyposażonymi w enkoder, jako sprzężenie zwrotne.

Stosując język programowania IEC61131-3, możliwe jest zaprogramowanie zadanego cyklu prędkości obrotowej spełniającego wymagania procesu dzięki całej bibliotece modułów programowych oraz modułów cyfrowych i analogowych. Umożliwia to realizację prostych aplikacji, bez konieczności stosowania sterownika PLC.

B. Silniki elektryczne
Zestawy pompa – silnik kompletowane są z trzema typami silników:
  • standardowy silnik asynchroniczny trójfazowy prądu przemiennego sterowany sterownikiem serii 690+;
  • silnik asynchroniczny w kwadratowej obudowie sterowany sterownikiem serii 690+;
  • silnik serwo ze sprzężeniem zwrotnym sterowany sterownikiem serii Compax3.
Doboru silnika dokonuje się w zależności od wymaganego przebiegu cyklu pracy z uwzględnieniem właściwego sterownika.

C. Pompy hydrauliczne
Zestawy pompa – silnik kompletowane mogą być z różnymi jednostkami hydraulicznymi:
  • pompa łopatkowa o stałej wydajności, o wydajności jednostkowej od 5,8 do 137,5 cm3/obr.; pompy te stosuje się zwykle z silnikami synchronicznymi;
  • wielotłoczkowa pompa osiowa o zmiennej wydajności, o wydajności jednostkowej od 16 do 360 cm3/obr.;
  • dwusekcyjna pompa łopatkowa o stałej wydajności;
  • zestaw pomp złożony z pompy łopatkowej o stałej wydajności i wielotłoczkowej pompy osiowej o zmiennej wydajności.

Wytyczne doboru elementów zestawu
Niezależnie od tego, jak bardzo specyficzne są wymagania danej aplikacji, możliwe jest znalezienie optymalnej konfiguracji. Połączenie napędu o zmiennej prędkości z różnymi pompami tworzy nowe potencjalne możliwości korekty i efektywnego kreowania cyklu pracy maszyny.

Efektywne wykorzystanie zestawu pompa – silnik wymaga rozważenia poniższych przesłanek.
  1. Maksymalne ciśnienie pracy w niektórych przypadkach ogranicza zastosowanie pomp łopatkowych. Z drugiej strony zmniejszenie tego ciśnienia prowadzić może niekiedy do optymalizacji energetycznej całego układu hydraulicznego.
  2. Przebiegi czasowe wymaganych przepływów i spodziewanych ciśnień stanowią podstawę doboru pomp. Przy doborze uwzględnić należy możliwe zakresy prędkości obrotowych.
  3. Warunki aplikacji: medium robocze, wymagany poziom hałasu, intensywność użytkowania układu itp. Zwłaszcza medium robocze może mieć istotny wpływ na zakres ciśnień czy prędkości obrotowych.

Każda aplikacja określa specyficzne wymagania w stosunku do układu hydraulicznego. Elastyczność konfigurowanego do konkretnych potrzeb zestawu jest odpowiedzą na takie oczekiwania, co pozwala na zastosowanie tych zestawów z takich maszynach, jak:
  • obrabiarki skrawające;
  • maszyny odlewnicze;
  • prasy;
  • wtryskarki.

2. Rozdzielacze hydrauliczne z odzyskiem energii
W wielu maszynach stosowane są cylindry tłoczyskowe poruszające się na znacznym odcinku drogi ruchem jałowym. Ten typ pracy charakteryzuje się w znacznej części cyklu zapotrzebowaniem dużego przepływu przy niskim ciśnieniu, a przez pewien czas potrzebą pracy pod dużym ciśnieniem, przy małym bądź minimalnym przepływie. Jeśli jest to jedyny napęd w układzie hydraulicznym, to z powodzeniem stosuje się pompy o zmiennej wydajności lub rozwiązania opisane powyżej, w punkcie 1. Jeśli mamy do czynienia z kilkoma napędami pracującymi w swoich cyklach, to zastosowanie rozdzielaczy z odzyskiem energii zapewnia dostarczenie takiej ilości energii do cylindra, jaka dokładnie jest potrzebna. Parker Hannifin ma swojej ofercie zarówno rozdzielacze trójpołożeniowe, jak i proporcjonalne z funkcją regeneracji.

2.1. Rozdzielacze trójpołożeniowe
Typoszereg rozdzielaczy trójpołożeniowych jednostki o wielkości od NG10 do NG32, co oznacza możliwość sterowania przepływem do 2000 l/min. Rozdzielacze te są wykonywane w wersjach z funkcją regeneracyjną
bądź hybrydową.

Funkcja regeneracyjna
Na rys. 1 pokazano przekrój przez rozdzielacz oraz zasadę działania rozdzielacza z funkcją regeneracyjną. Gdy tłoczysko jest chowane, rozdzielacz pracuje standardowo – połączenia P → B i A → T. Gdy tłoczysko ma być wysuwane, włączana jest funkcja regeneracji – zasilanie z pompy podawane jest do obu wyjść. Ze względu na różnicę powierzchni strony tłoczyskowej i beztłoczyskowej w cylindrze tłoczysko będzie wysuwało się, a olej ze strony tłoczyskowej będzie przepływał na stronę beztłoczyskową. W ten sposób prędkość ruchu tłoczyska będzie wynikać z sumy wydajności pompy i przepływu oleju ze strony tłoczyskowej. Dzięki temu prędkość ruchu cylindra będzie większa, niż wynikałoby to z wydajności pompy. Odzysk energii polega na tym, że olej z komory tłoczyskowej cylindra nie wraca do zbiornika, a zasila komorę beztłoczyskową.
 

Rys. 1. Zasada działania trójpołożeniowego rozdzielacza z funkcją regeneracyjną
Rys. 1. Zasada działania trójpołożeniowego rozdzielacza z funkcją regeneracyjną   

 

Tak więc za pomocą mniejszej pompy, zasilanej mniejszym silnikiem, można uzyskać większą prędkość ruchu.

Funkcja hybrydowa
Na rys. 2 pokazano przekrój przez rozdzielacz oraz zasadę działania rozdzielacza z funkcją hybrydową. Rozdzielacz ten działa tak, jak rozdzielacz z funkcją regeneracyjną z tą różnicą, że w głównym bloku dwustopniowego rozdzielacza suwakowego umieszczono nabojowy rozdzielacz dwupołożeniowy łączący wylot B ze zlewem oraz zawór zwrotny, co widać na schemacie pokazanym na rys. 2. W przypadku, gdy rozdzielacz ten jest zamknięty, realizowana jest funkcja regeneracyjna opisana wyżej – cylinder porusza się z dużą prędkością i z ograniczoną siłą. W przypadku załączenia rozdzielacza bocznikowego komora tłoczyskowa zostanie połączona ze zlewem, tłok cylindra zwolni, ale cylinder będzie mógł rozwinąć maksymalną siłę.

 
Rys. 2. Zasada działania trójpołożeniowego rozdzielacza z funkcją hybrydową
Rys. 2. Zasada działania trójpołożeniowego rozdzielacza z funkcją hybrydową

 

2.2. Rozdzielacze proporcjonalne
Niekiedy prędkość ruchu tłoka cylindra musi być kontrolowana i wtedy zastosować można rozdzielacze proporcjonalne z funkcją regeneracyjną lub hybrydową.

Zasada działania jest identyczna, jak rozdzielaczy trójpołożeniowych. Różnica polega na zwiększonym efekcie oszczędności energii – kontrolując stopień otwarcia rozdzielacza, dostarczamy do cylindra dokładnie tylko tyle energii hydraulicznej, ile potrzeba, wykorzystując jako jej źródło zarówno pompę, jak i olej z tłoczyskowej komory cylindra.

3. Elementy systemu load sensing dla układów stacjonarnych i mobilnych
Koncepcja load sensing została wdrożona początkowo w mobilnych, a później w stacjonarnych układach hydraulicznych w latach siedemdziesiątych ub. wieku. Od tego czasu wysiłek producentów skupiał się głównie na optymalizacji konstrukcji i technologii, aby obniżyć koszty wytwarzania i stworzyć warunki do upowszechnienia tych rozwiązań.

Przypomnijmy, że istotą tego systemu jest regulowanie przepływu niezależnie od zmiany obciążenia.

Wśród jego zalet należy wymienić:
  • możliwość kontrolowania przepływu (prędkości pracy) kilku odbiorników jednocześnie z odseparowaniem wzajemnego wpływu;
  • oszczędność energii przez zapewnienie utrzymania ciśnienia jedynie nieco wyższego od potrzebnego;
  • oszczędność energii przez dostosowanie wydajności do potrzeb;
  • ograniczenie grzania oleju dzięki minimalizacji strat;
  • niezależne sterowanie kilkoma odbiornikami (napędami).
  • Podstawowymi elementami systemu LS są:
  • pompy zmiennej wydajności z kompensatorem LS;
  • rozdzielacze proporcjonalne;
  • zawory alternatywne (suma logiczna) umożliwiające niezależne pozyskanie sygnału LS z różnych źródeł instalacji hydraulicznej.

Pompy z kompensatorem LS
Za pomocą elementu sterującego głównym przepływem do odbiornika nastawiamy żądaną wartość przepływu, czyli prędkość odbiornika. Im większa ma być prędkość, tym bardziej otwieramy element sterujący i obniżamy spadek ciśnień na nim. Spadek ten podawany jest na kompensator LS pompy, który powoduje wychylenie tarczy pompy i wzrost wydajności. Jeśli chcemy ograniczyć prędkość i przepływ, to zamykając element sterujący, powodujemy wzrost różnicy ciśnień, co skutkuje przesterowaniem suwaka kompensatora i zmniejszaniem wydajności pompy. W granicznym przypadku, gdy element sterujący zamknie się, kompensator ustawi się w położeniu równowagi będącej efektem oddziaływania napiętej sprężyny.
 

Fot. 3. Pompy o zmiennej wydajności PV+ (przemysłowa) i P1 (mobilna)
Fot. 3. Pompy o zmiennej wydajności PV+ (przemysłowa) i P1 (mobilna)  

 

Oczywiście, z punktu widzenia minimalizacji strat energii nastawa powinna być jak najniższa, ponieważ w przypadku braku zapotrzebowania na energię hydrauliczną ze strony napędów pompa będzie utrzymywać nastawione ciśnienie, co oznacza wprost straty energii. Niemniej zachodzące na suwaku procesy, wynikające ze zmian temperatury i lepkości oleju, oddziaływań dynamicznych, możliwych pików i pulsacji w instalacji, możliwych tolerancji wykonania pary suwakowej i sprężyny powodują, że jest to praktycznie dolna granica stabilnej pracy kompensatora. Producenci pomp ustawiają fabrycznie kompensatory przeważnie na poziomie 10–14 barów. Dla przykładu pompa produkcji Parkera serii PV+ (pokazana na fot. 3), przewidziana głównie do zastosowań przemysłowych, ustawiona jest fabrycznie na 10 barów i producent nie zaleca zmiany tej nastawy. Z kolei popularne pompy produkcji Boscha-Rexrotha serii A4VO czy A10VO są fabrycznie nastawione na 14 barów, co powoduje znacznie większe straty energii w „zerowym” położeniu pompy, choć możliwa jest jej zmiana w zakresie 10 do 30 barów. Podobne zasady obowiązują dla pompy produkcji Parkera serii P1 (fot. 3) przeznaczonej do zastosowań mobilnych, która może mieć nastawę kompensatora LS w zakresie 10–30 barów. Wyższe nastawy LS w układach mobilnych wynikają zarówno z charakteru pracy odbiorników instalacji mobilnej, jak i zmiennych warunków pracy, co powoduje, że potrzebne są większe spadki ciśnienia, aby zapewnić stabilną pracę pompy. Fabrycznej nastawy kompensatora LS pompy serii P1 Parkera dokonuje się każdorazowo zgodnie z zamówieniem Klienta, optymalizując konkretną pompę do konkretnych potrzeb użytkownika.

Rozdzielacze proporcjonalne
Zadaniem rozdzielacza proporcjonalnego w układzie LS jest stworzenie zmiennego oporu przepływu w głównym strumieniu zasilającym napęd, aby spowodować spadek ciśnienia, który stanowi sygnał LS sterujący wydajnością pompy. Na podstawie bieżącej nastawy rozdzielacza pompa będzie nadążać na zapotrzebowaniem odbiornika zgodnie z sygnałem sterującym z rozdzielacza.
Nieco inaczej realizacja techniczna wygląda w układach przemysłowych, a inaczej w mobilnych.

4. Akumulatory hydrauliczne w układach o nierównomiernym zapotrzebowaniu na energię
Oszczędność energii polegać może nie tylko na dostosowaniu wielkości dostarczanej energii do potrzeb odbiornika, ale też na ponownym wykorzystaniu dostarczonej już energii, którą możemy zmagazynować na przykład w akumulatorze. Przykładem tego mogą być wrota lub rzadko działające osłony, do których otwarcia wymagana jest duża siła, a czas otwierania i zamykania musi być możliwie krótki. Oznacza to, że w krótkich odcinkach czasu odbiornik wymaga dużej mocy (duże wartości ciśnienia i przepływu), a w pozostałym czasie odbiornik jest w stanie oczekiwania. Aby zrealizować zadanie pokazane na rys. 3, potrzebna jest moc 30 kW. Możemy jednak zadanie to wykonać zasilaczem o mocy jedynie 4 kW. Energia dostarczana w dłuższym okresie zostanie bowiem zmagazynowana i oddana do układu w krótkim czasie podczas ruchu napędu.
 

Rys. 4. Wykres przebiegu dostarczonej energii i wykonanej pracy
Rys. 3. Wykres przebiegu dostarczonej energii i wykonanej pracy

 

Do doboru akumulatora najlepiej użyć oprogramowania dostępnego na stronie: http://solutions.parker.com/Accumulator_Sizing_Software.

Szczegółowe zalecenia odnośnie do zasad doboru akumulatorów, warunków ich zabudowy, w tym stosowania zaworów bezpieczeństwa, zasad ich ładowania oraz aspektów prawnych dotyczących użytkowania akumulatorów jako zbiorników ciśnieniowych opisano w publikacji [1].

Podsumowanie
Przedstawione powyżej przykłady produktów pozwalających oszczędzać energię ich użytkownikom stanowią z jednej strony tylko wycinek działań w zakresie ochrony środowiska, a z drugiej skutkują wymiernym dla nich efektem finansowym.

Literatura
  1. Oleksiuk M.: Akumulator w układach hydraulicznych. Część II. Dobór i zastosowanie akumulatora. „Napędy i Sterowanie” 11/2016.
  2. Katalogi i biuletyny firmy Parker Hannifin.

 Autor: Mgr inż. Maciej Oleksiuk


Parker Hannifin Sales Poland Sp. z o.o.
ul. Równoległa 8
02-235 Warszawa
tel. 22-573 24 00
fax 22-573 24 03
e-mail: warszawa@parker.com
www.parker.com

Reklama