Svet se, na podlagi svetovnih in evropskih iniciativ ter predpisov, vedno bolj usmerja k trajnostnim praksam. Tudi industrijski sektor evropske unije ni izjema, kar je razvidno iz paketa evropski zeleni dogovor oz. European Green Deal. [1] Podjetja so primorana v pričetek proaktivnega razmišljanja o zelenem prehodu. Trije glavni podnebni in energetski cilji so doseganje ničelnih emisij ogljika, zmanjševanje vplivov podnebnih sprememb in doseganje cilja 20-20-20, ki predstavlja 20 odstotno zmanjšanje izpusta toplogrednih plinov, 20 odstotno povišanje energetske učinkovitosti ter 20 odstotno uporabo obnovljive energije. Evropska unija je nedavno sprejela cilj zmanjšanja neto emisij za 55% do leta 2030. Ta cilj utira pot za dosego podnebne nevtralnosti v Evropi do leta 2050. Doseganje cilja EU glede energetske učinkovitosti do leta 2030 bo zahtevalo tudi znatno zmanjšanje porabe energije v primerjavi z izboljšanjem učinkovitosti, doseženim med letoma 2005 in 2020. [2] Združena študija skupine Boston Consulting in skupine VDMA (Nemško združenje strojne industrije) izpostavlja, da je mogoče emisije CO2 iz industrijskih toplogrednih plinov zmanjšati za 13 giga ton do leta 2030 in do leta 2050 za 30 giga ton. Proizvajalci strojev in opreme bodo imeli v naslednjem desetletju bistveno vlogo pri zmanjševanju emisij toplogrednih plinov, ki povzročajo globalno segrevanje. Njihovi izdelki in storitve bodo zagotovili večjo učinkovitost in tehnološke inovacije, potrebne za znatno zmanjšanje ogljičnega odtisa njihovih strank. [3] Na podlagi večletnega sodelovanja z uporabniki hidravličnih sistemov na slovenskem trgu vemo, da postaja poraba električne energije hidravličnih sistemov vedno bolj pomembna tematika. Predvsem se pojavlja potreba po optimizaciji sistemov v fazah delovnih ciklov, ko hidravlika ne opravlja koristnega dela. Na primer čakanje stroja na nov obdelovanec. V okviru prijave na javni razpis Podpora zagonskim mikro, malim in srednjim podjetjem pri strateški trajnostni in krožni transformaciji poslovanja v letih 2022–2025 je podjetje LA & CO. d.o.o. izvedlo piloten projekt s fokusom na pogonske sklope hidravličnih sistemov ter možne rešitve za njihovo optimizacijo.

2 Učinkovitost hidravličnih sistemov

Na splošno je hidravlični sistem stroškovno učinkovita rešitev za aplikacije, ki zahtevajo visoko gostoto moči ter visoke navore. Večina hidravličnih sistemov ni zasnovana s ciljem minimaliziranja porabe energije, zato so energetsko slabše učinkoviti.

Hidravlični stroji pretvarjajo električno energijo najprej v mehansko – elektromotor kot pogon črpalke, nato v hidravlično – črpalka, ter končno v mehansko energijo – aktuator v obliki cilindra ali hidro-motorja. Pri vsaki pretvorbi energije se soočamo z izgubami. Ko govorimo o učinkovitosti hidravličnega sistema le ta niha med 6 ter 60 odstotkov. [4]

2.1 Energijska bilanca v hidravličnih sistemih

Slika 1 prikazuje energijsko bilanco klasičnega hidravličnega sistema, kjer je uporabljen elektromotor s konstantnimi vrtljaji ter hidravlična črpalka fiksne iztisnine, breme pa je regulirano preko zvezno delujočega potnega ventila. Razvidno je, da se velik del izgub pojavlja na pogonskem sklopu hidravličnega sistema.

Slika 1: energijska bilanca klasičnega hidravličnega sistema

3 Variabilni pogonski sistemi

3.1 Razlogi za implementacijo

Energijska bilanca klasičnega hidravličnega sistema je slaba. Za njeno izboljšanje je fokus na konceptu »energije na zahtevo« (angleški izvirnik »Energy on demand«). Z realizacijo takšnega sistema generiramo hidravlično energijo samo takrat, ko hidravlični sistem opravlja koristno delo. Za realizacijo takšnega sistema se implementira variabilni pogonski sklop (elektromotor ter hidravlična črpalka). Prednosti, ki jih prinaša implementacija variabilnega pogona:

- Znižanje porabe energije sistema v delno obremenjenih ter neobremenjenih fazah delovnega cikla. Znižani stroški energije ter nižji ogljični odtis

- Znižanje generacije toplote v hidravličnem sistemu z znižanjem povprečne vrtilne hitrosti črpalke. Posledično je potreba po hlajenju v sistemu nižja

- Nižja emisija hrupa, ki ga generira hidravlični sistem. Integracija v stroj je mogoča brez dodatnih protihrupnih zaščit

- Cenovno dostopne rešitve – razvoj je pocenil komponente, potrebne za implementacijo.

3.2 Delitev pogonskih sistemov

Pogonske sisteme lahko razdelimo v skupine glede na tip elektromotorja in na tip črpalke. Pogonski elektromotor je lahko servo ali asinhronski. Zaradi visoke cene servo pogonov le ter redkeje zasledimo v industrijski hidravliki. Zato so asinhronski motorji še vedno najpogosteje uporabljeni pogon v industrijski hidravliki. Črpalke pa je mogoče umestiti v eno od dveh skupin: črpalke s fiksno iztisnino ter črpalke z variabilno iztisnino. Pri fiksnih je volumetrična iztisnina polnega obrata gredi črpalke nespremenljiva konstanta, pri variabilnih pa je le ta spremenljiv. Sprememba iztisnine variabilne črpalke je posledica mehanskega ali električnega regulatorja vgrajenega na hidravlični črpalki. Zaradi kompleksnejše izvedbe so hidravlične črpalke s spremenljivo iztisnino načelno dražje od fiksnih izvedb.

3.3 Omejitve črpalk

Pri uporabi hidravličnih črpalk v variabilnem pogonskem sistemu je potrebno upoštevati njihove konstrukcijske omejitve, ki se odražajo v določenih prednostih ter slabostih. V nadaljevanju sta podrobneje obravnavana dva najpogostejša tipa hidravličnih črpalk, ki sta uporabljena v variabilnih črpalnih enotah.

3.3.1 Zobniške črpalke z notranjim ozobljenjem

Prednosti

- Nizek vztrajnostni moment

- Majhna pulzacija pretoka

- Nižja stopnja hrupa v primerjavi z zobniškimi črpalkami z zunanjim ozobljenjem

- Visok izkoristek

Slabosti

- Neprijazne za vzdrževanje

- Notranja lekaža iz visokotlačne na nizkotlačno stran črpalke generira toploto, ki je pri vrtljajih, nižjih od 100 obratov na minuto ni možno odvajati

- Za aplikacije kjer je potreben pretok manjši od minimalnega dopustnega za črpalko, je potrebna vgradnja dodatnega omejevalnika pretoka, kar znižuje izkoristek črpalke

Omejitve:

Slika 2: omejitve zobniške črpalke

Slika 2 prikazuje omejitve zobniške črpalke, katere je potrebno upoštevati pri izbiri:

- 1 – Minimalna vrtilna hitrost – interna lekaža povzroča generacijo toplote v obočju (1). obratovanje v tem območju je dovoljeno v krajših časovnih intervalih

- 2 – Kontinuiran pritisk črpalke – črpalka lahko deluje kontinuirano v območju pod krivuljo (2).

- 3 – Kratkotrajni maksimalni pritisk črpalke – črpalka lahko v krajšem časovnem intervalu deluje na višjem tlaku. Potrebno je paziti, da v skupnem delovnem ciklu ne presežemo dopustnega časovnega intervala. Npr. za črpalko tipa PGH proizvajalca Bosch Rexroth ta interval znaša maksimalno 6 sekund, do 15% delovnega cikla.

- 4 – Omejitev moči črpalka je omejena z maksimalno močjo pogona. V kolikor je pogon premočan tvegamo poškodbo črpalke.

- 5 – Maksimalna vrtilna hitrost ter pretok črpalke za črpalko PGH proizvajalca Bosch Rexoth znaša 3000 obratov na minuto.

3.3.2 Batne črpalke s spremenljivo iztisnino

Prednosti

- Na voljo visoki pretoki

- Visok obratovalni tlak

- Eksterna lekaža

- Spremenljiva iztisnina

Slabosti

- Visoka raven hrupa

- Pulzirajoč pretok

- Višja cena

Omejitve:

Slika 3: Omejitve variabilne batne črpalke

Slika 3 prikazuje omejitve variabilne batne črpalke, katere je potrebno upoštevati pri izbiri:.

- 1 – Minimalna vrtilna hitrost – zaradi eksterne lekaže je odpravljena omejitev minimalnih obratov črpalke. Minimalni obrati so pogojeni z izbiro pogonskega motorja, ob predpostavki, da je Vg<40%.

- 2 – Kratkotrajni maksimalni pritisk črpalke – črpalka lahko v krajšem časovnem intervalu deluje na višjem tlaku. Potrebno je paziti, da v skupnem delovnem ciklu ne presežemo dopustnega časovnega intervala.

- 3 – Maksimalna vrtilna hitrost ter pretok črpalke za črpalko A10VZO proizvajalca Bosch Rexoth znaša 3600 obratov na minuto.

3.4 Omejitve motorjev

Kot pri črpalkah je tudi pri motorjih potrebno upoštevati konstrukcijske omejitve. Zaradi nižje cene ter preproste konstrukcije velja asinhronski elektromotor še vedno za standard v industrijski hidravliki. Zato je v nadaljevanju podrobneje obravnavan v povezavi z frekvenčnim pretvornikom. Ker pa je v praksi že mogoče zaslediti aplikacije s servo motorjem smo kratko omenili tudi njegove prednosti ter slabosti.

3.4.1 Servo motor

Prednosti:

- Visoka dinamika zaradi nižjega vztrajnostnega momenta

- Višje vrtilne hitrosti

Slabosti:

- Visoka cena

3.4.2 Asinhronski motor

Prednosti:

- Industrijski standard v hidravliki

- Nizka cena

Slabosti:

- Nižja dinamika zaradi visokega vztrajnostnega momenta

- Uporabna vrtilna hitrost do 2400 obratov v minuti (za 4 polni motor)

Omejitve asinhronskega motorja z uporabo frekvenčnega pretvornika:

Slika 4: Omejitve asinhronskega motorja

- 6 – nazivni navor motorja prične padati pri vrtilni hitrosti višji od nazivne

- 7 – maksimalni navor motorja krivulja prične padati ter se z višanjem obratov približuje nazivni vrednosti

- 8 – območje oslabitve magnetnega polja ko je dosežena prelomna frekvenca (corner frequency), napetosti ni več mogoče povečati. Magnetizacijski tok se zmanjša. Magnetno polje se oslabi. Navor se zmanjšuje z naraščajočo frekvenco oziroma hitrostjo v razmerju na 1/n (slika 5)

Slika 5: območje oslabitve magnetnega polja

- 9 – dinamika motorja do prelomne frekvence (corner frequency) imamo na razpolago polno dinamiko pospeševanja motorja, v območju oslabljenega magnetnega polja je na voljo reducirana zmožnost pospeševanja, ko presežemo točko, kjer se stikata nazivni ter nominalni navor (slika 5) nadaljnje pospeševanje ni več mogoče.

- 10 - omejitev navora s konceptom hlajenja – pri uporabi prisilnega hlajenja lahko motor trajno deluje na nižjih obratih, brez prisilnega ventilatorja pa je potrebno upoštevati zmanjšano moč odvajanja toplote pri nižjih vrtljajih.

- 11 – zastojni navor – navor je mogoče trajno zagotavljati v celotnem razponu hitrosti znotraj nominalne navorne karakteristike

- 12 – prelomna frekvenca – dokler se napetost povečuje s frekvenco, sta magnetizacijski tok in navor konstantna. Točko, kjer se napetost ne povečuje s frekvenco imenujemo kotna/prelomna frekvenca (corner frequency)

Upoštevajoč vse omejitve dobimo območje, v katerem lahko motor deluje trajno (zeleno področje) ter območje, ki je kratkotrajno na razpolago (modro področje) predstavljeno na sliki številka 6

Slika 6: območje trajnega in kratkotrajnega delovanja

4 Pilotni projekt

V sklopu pilotnega projekta smo projektirali nov hidravlični sistem, namenjen testiranju končnih produktov kupca. Pri novem sistemu smo poudarek namenili energetski učinkovitosti pogonskega sklopa. S tem namenom smo izvedli primerjalno analizo porabe električne v različnih delovnih točkah med klasični sistemom – fiksni obrati motorja v povezavi z variabilno črpalko ter variabilnim sistemom – spremenljivi obrati motorja v povezavi z variabilno črpalko. Predvsem so nas zanimale točke, kjer sistem čaka (ne opravlja koristnega dela), saj se v teh točkah vsa uporabna energije pretvarja v toploto. Variabilni tip pogona hidravlične črpalke je pri podjetju Bosch Rexroth označen s komercialno oznako Sytronix Drn.

4.1 Izbira komponent

Ob upoštevanju omejitev posameznih komponent ter projektnih zahtev so bile izbrane sledeče komponente:

Hidravlična črpalka akisalno-batna izvedba, proizvajalca Bosch Rexroth tipa A4VSO, nazivne iztisnine 71 ccm na obrat z mehanskim regulatorjem DFR1. Na pilotno linijo črpalke se je vgradil proporcionalni tlačno omejitveni ventil proizvajalca Bosch Rexroth tipa DBETA-6X/P350G24K31F1V, ki omogoča daljinsko zvezno nastavitev maksimalnega tlaka črpalke, v območju nižjem od fizične nastavitve vzmeti na tlačnem regulatorju črpalke.

Asinhronski elektromotor proizvajalca WEG W22-IE4 280 S/M-4, nazivne moči 75 kW.

Tlačni senzor proizvajalca Bosch Rexroth tip HM 20-2X/400-C-K35-N, katerega izhodni signal je povezan neposredno na analogni vhod frekvenčnega pretvornika

Frekvenčni pretvornik proizvajalca Bosch Rexroht tip EFC5610-75K0-3P4-MDA-7P-DRNNN-L1NN, nazivne moči 75 kW.

4.2 Delovanje sistema

Frekvenčni pretvornik t.i. »pumpe drive« podjetja Bosch Rexroth ima vgrajeno posebno programsko opremo, ki omogoča samodejno optimalno prilagajanje obratov sistema. Tlačni senzor na tlačnem vodu črpalke pošilja aktualno vrednost tlaka v sistemu neposredno v frekvenčni pretvornik, ki nato glede na želene ter dejanske vrednosti tlaka in pretoka v sistemu aktivno prilagaja izhodno frekvenco. Na sliki 7 so prikazani grafični simboli, ob njih pa slike fizičnih komponent, ki jih le ti predstavljajo. V primerjavi s klasičnim pogonom z konstantnimi vrtljaji sta za implementacijo potrebni le dve dodatni komponenti – frekvenčni pretvornik ter tlačni senzor z analognim izhodom.

Slika 7: grafični prikaz komponent

Za pilotni sistem se je dodatno vgradil še proporcionalni tlačno omejilni ventil na krmilnem vodu regulatorja črpalke, s katerim je mogoče zvezno prestavljati točko maksimalnega tlaka črpalke, torej vplivamo na mehanski regulator črpalke, ki prekrmili črpalko v minimalni pretok, ki odgovarja delovni točki v kateri se nahaja sistem. Za primerjavo klasični tlačni regulator črpalke deluje tako, da je črpalka odprta v maksimalnem pretoku, dokler v sistemu ni dosežen maksimalni tlak, ki je nastavljen na črpalki, ter šele ko je le ta dosežen, prekrmili črpalko v minimalen pretok. Karakteristični krivulji regulatorjev sta prikazani na sliki 8.

Slika 8: karakteristična krivulja DR (levo) in DFR1 (desno) regulatorja

4.3 Primerjava novega ter starega sistema

Ker je celotno preizkuševališče kompleksno je hidravlična shema za obravnavano tematiko preobširna. Za lažje razumevanje sta klasičen (obstoječ) in variabilen (nov) pogonski sklop prikazana na poenostavljen način.

4.3.1 Klasičen pogonski sklop

Prikazan na sliki 9, sestoji iz asinhronskega elektromotorja s konstantnimi vrtljaji (pozicija 1), variabilne batne črpalke s tlačnim regulatorjem (pozicija 2), regulator pretoka (pozicija 3), merilnik pretoka (pozicija 4), senzor tlaka (pozicija 5) ter tlačno omejitveni ventil (pozicija 6) za simulacijo bremena.

3

6

51

4

2

1

Slika 9: Hidravlična shema klasičnega pogonskega sklopa

4.3.2 Variabilen pogonski sklop

Dodatno klasičnemu pogonskemu sklopu je v variabilnem sklopu (slika 10) dodatno vgrajen še frekvenčni pretvornik (pozicija 7), tlačni senzor na tlačnem vodu za hidravlično črpalko (pozicija 8), variabilna batna črpalka z daljinskim regulatorjem (pozicija 2), na katerega je povezan proporcionalni tlačno omejilni ventil (pozicija 9).

7

4

3

9

5

6

8

2

1

Slika 10: Hidravlična shema variabilnega pogonskega sklopa

4.4 Delovne točke sistema

Hidravlični sistem je namenjen testiranju različnih produktov končnega kupca. Ko je sistem polno obremenjen je prihranek energije zanemarljiv. Osredotočili smo se na faze v ciklu, ko sistem ni polno obremenjen in je smiselno razmišljati o konceptu energije na zahtevo oz. angleško »energy on demand«. To so deli v delovnem ciklu, ko hidravlika ne opravlja koristnega dela ali pa ni polno obremenjena. Takrat se vsi viški dovedene energije pretvarjajo v toploto, ki negativno zvišuje temperaturo hidravličnega olja. Delovne točke so zapisane v tabeli 1.

Delovna točka p[tlak]/Q[pretok]
1	p= 100 bar/Q= 5 l/min
2	p= 120 bar/Q= 120 l/min
3	p= 120 bar/Q= 5 l/min
4	p= 50 bar/Q= 70 l/min
5	p= 200 bar/Q= 5 l/min
6	p= 200 bar/Q= 85 l/min
7	p= 50 bar/Q= 60 l/min
8	p= 300 bar/Q= 5 l/min

Tabela 1: delovne točke sistema

4.5 Izvedba meritev

V sistemu smo merili trenutno porabo črpalnega sklopa v dani delovni točki. Meritev je bila izvedena z merilnim centrom Iskra MC330. V tabeli primerjava trenutne porabe pogonskih sklopov v različnih delovnih točkah:

Delovna točka p[tlak]/Q[pretok]		Klasični pogonski sklop P[kW]	Variabilen pogonski sklop P[kW]	Razlika [%]
1	p= 100 bar/Q= 5 l/min	3,5	1,0	71,4
2	p= 120 bar/Q= 5 l/min	3,9	1,2	69,4
3	p= 50 bar/Q= 70 l/min	12,7	2,8	77,9
4	p= 200 bar/Q= 5 l/min	5,0	1,8	64,3
5	p= 200 bar/Q= 85 l/min	38,5	23,6	38,7
6	p= 50 bar/Q= 60 l/min	10,8	2,2	79,6
7	p= 300 bar/Q= 5 l/min	5,5	3,0	44,9
8	p= 120 bar/Q= 120 l/min	18,6	17,8	4,3

Tabela 2: rezultat meritev porabe

V točkah 1, 2, 4 ter 7 je bila aktivna funkcija držanja tlaka ob minimalnem pretoku, s katerim se pokrivajo interne lekaže v sistemu. V teh točkah sistem samodejno z zmanjšanjem obratov motorja na 350 obratov na minuto ter nastavitvijo proporcionalnega tlačnega ventila na isto vrednost prihranimo med skoraj 45% ter 80% električne energije.

Točke 3, 5 in 6 predstavijo dele cikla, ko je potreba po pretoku manjša od nazivnega pretoka črpalke. V teh situacijah je optimalno s črpalko generirati le potreben pretok. Sistem to doseže s spreminjanjem vrtljajev motorja, kar posledično spreminja vrtilno frekvenco črpalke. Sprememba se odraža v količini olja, ki ga črpalka črpa v sistem. V takšnem režimu delovanja prihranimo v primerjavi z obstoječim sistemom med 38% ter 79%.

Zadnja meritev je delovna točka, ki zahteva polni pretok na pa visokega pritiska. V tem primeru je prihranek manjši in znaša 4%.

4.5.1 Interpretacija rezultatov

Iz meritev je razvidno, da so na hidravličnih sistemih možni prihranki z implementacijo variabilnih pogonskih sklopov. Seveda je potrebno omeniti, da so prihranki mogoči le v delih cikla, ko sistem ni polno obremenjen. Odstotek prihranka prav tako zavisi od delovne točke (tlak/pretok) ter njenega časa trajanja, kar se odraža v velikem razponu prihranka med različnimi izmerjenimi točkami. Prihranki v delovnih točkah, ko sistem ni polno obremenjen niso zanemarljivi, saj lahko, odvisno od profila celotnega cikla sistema, doprinesejo prihranke celotnega sistema med 10 % ter 30 %, v nekaterih aplikacijah celo do 40%. Dodatna prednost uporabe takšnega pogona je znižanje generacije toplote, ki nastaja kot posledica presežka pretoka olja v sistemu.

4.6 Hrup

Visoka gostota moči in s tem povezana visoka emisija hrupa hidravličnih komponent povzročata, da so industrijski hidravlični sistemi tarča prizadevanj za zmanjšanje povprečnih ravni hrupa. Hidravlična črpalka je glavni povzročitelj hrupa.

4.6.1 Meritev hrupa

Med izvajanjem meritev porabe smo vzporedno izvajali meritev hrupa. Za izvedbo meritev smo uporabili merilni instrument VoltCraft SL-451, ki je bil postavljen 1 meter od hidravlične črpalke. Rezultati meritev so podani v tabeli 3.

Pogonski sklop	Povprečen hrup (dB)A	Maksimalen hrup (dB)A
Klasični	85,7	87,7
Variabilni	77,1	82,4

Tabela 3: Meritev hrupa

Iz rezultatov je razvidno, da z implementacijo variabilnega pogona znižamo emisijo hrupa, ki jo povzroča hidravlična črpalka. Vzrok za to je v kotu nagibne plošče črpalke. Za izpolnitev potreb delovne točke po tlaku ter pretoku klasični sistem vrti črpalko na nazivnih obratih, kot nagibne plošče je minimalen (skoraj ničelni pretok). V variabilnem sistemu pa so obrati nižji, kot nagibne plošče je večji, kar pomeni nižjo pulzacijo, ki se odraža v tišjem delovanju.

5 Sklep

Vedno višje cene električne energije, predpisi ter lastna ozaveščenost nas vzpodbujajo v iskanje ter razvoj tehnično dovršenih rešitev, s katerimi ohranjamo naravne vire ter zmanjšujemo porabo energije. Obravnavan koncept variabilnega hidravličnega pogona izpostavlja prednost uporabe takšnih sistemov, saj z implementacijo znižamo porabo energije, hrup ter generacijo toplote v hidravličnem sistemu. Donosnost sredstev investicije (angl. ROI) kaže, da se v povprečju investicija v takšen sistem vrne po nekaj letih uporabe.

6 Viri

[1] The Green Deal Industrial Plan, dostopno na naslovu https://commission.europa.eu/strategy-and-policy/priorities-2019-2024/european-green-deal/green-deal-industrial-plan_en

[2] EU achieves 20-20-20 climate targets, 55 % emissions cut by 2030 reachable with more efforts and policies, dostopno na naslovu https://www.eea.europa.eu/highlights/eu-achieves-20-20-20

[3] For Machinery Makers, Green Tech Creates Green Busines, dostopno na naslovu https://web-assets.bcg.com/04/85/b6f771d0444887c5c99895b3b448/bcg-for-machinery-makers-green-tech-creates-green-business-jul-2020.pdf

[4] Study of Energy Efficiency Characteristics of a Hydraulic System Component, dostopno na naslovu

https://peer.asee.org/study-of-energy-efficiency-characteristics-of-a-hydraulic-system-component.pdf

« nazaj
« nazaj na seznam

LA & CO d.o.o., Limbuška cesta 2, SI-2341 Limbuš
T: (02) 429 26 60, E: info@la-co.si

Naša spletna stran uporablja piškotke za nemoteno delovanje in spremljanje obiska na strani. Z nadaljnjo uporabo spletne strani soglašate s piškotki. Več o piškotkih »

V redu

Hidravlika, pnevmatika, linearna tehnika

Zviševanje energijske učinkovitosti industrijskih hidravličnih sistemov z uporabo variabilnih pogonskih sklopov

1 Uvod