Ocena efektywności energetycznej zasilacza hydraulicznego z regulacją wg zasady stałego ciśnienia

Transkrypt

1 ZYGMUNT DOMAGAŁA 1), JAN KAWIAK 2), WIKTOR KUŚNIERZ 3), RAFAŁ ŁABIK 4), PIOTR OSIŃSKI 5), MICHAŁ STOSIAK 6) 1) Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczny, 2) Amet s.c., Wrocław, 3) Amet s.c., Wrocław, 4) Amet s.c., Wrocław, 5) Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczny, 6) Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczny, Ocena efektywności energetycznej zasilacza hydraulicznego z regulacją wg zasady stałego ciśnienia Streszczenie W referacie przedstawiono innowacyjny zasilacz hydrauliczny z pompą zębatą. Zmianę prędkości obrotowej pompy miał zapewnić falownik, a cały zespół napędowy miał zastąpić pompę wielotłoczkowa z regulatorem stałego ciśnienia. Tak zbudowany zasilacz został przebadany pod kątem efektywności energetycznej. Przewidywania autorów potwierdziły się. Badany układ jest tańszy od układu z pompą wielotłoczkowa, ma wyższą sprawność i mniejsze zapotrzebowanie na moc. 1. Wprowadzenie Pompy wyporowe i wirowe należą do grupy maszyn energetycznych, które zużywają blisko 30% światowej energii. Kwestia zmniejszenia energochłonności procesów hydraulicznych nabiera w związku z tym istotnego znaczenia zarówno w skali pojedynczej maszyny czy urządzenia, jak i całego przedsiębiorstwa, a w szerszym zakresie również gospodarki światowej. Ponadto istotnym czynnikiem eksploatacji oprócz korzyści finansowych jest aspekt związany z ochroną środowiska. Kryterium energooszczędności układów hydrostatycznych staje się zatem coraz bardziej istotne. Obecnie prowadzone są już intensywne prace, które mają na celu ograniczenie zapotrzebowania na moc układów hydrostatycznych oraz zmniejszenie już występujących strat mocy. Ograniczenie to jest wprawdzie realizowane na wiele sposobów, m.in. za dwóch grup układów energooszczędnych: z pompami o stałej i zmiennej wydajności. Układy hydrostatyczne energooszczędne z pompami o zmiennej wydajności są bardzo rozpowszechnione i zazwyczaj składają się z pompy o zmiennej wydajności z regulatorem stałego ciśnienia, a w wersjach bardziej rozbudowanych posiadają dodatkowe regulatory. Uproszczony schemat pompy z regulatorem stałego ciśnienia pokazano na rys. 1. Układy te samoczynnie dostosowują parametry pracy do chwilowych warunków eksploatacji (obciążenia odbiornika). Zysk energetyczny widoczny jest dobrze na rys. 2, na którym pokazano charakterystyki ideowe układu konwencjonalnego, tj. z pompą stałej wydajności, oraz układu z regulatorem stałego ciśnienia, tj. z pompą zmiennej wydajności. Obszar zakreskowany odpowiada mocy traconej. W wersjach bardziej zaawansowanych, pozwalających na znaczne oszczędności energii noszą one nazwę układów LS (load-sensing z wyczuciem obciążenia) oraz LUDV (load-independent flow distribution system z niezależnym od obciążenia rozdziałem przepływu). Pozwala to, w przeciwieństwie do układów z pompami stałej wydajności, w istotnym stopniu 137

2 zminimalizować straty spowodowane nadmiarem wydajności pompy oraz nadmiarem ciśnienia tłoczenia pompy. Szacuje się, że oszczędności energii sięgają min. 30% [1]. Rys. 1. Pompa z regulatorem stałego ciśnienia: 1 pompa zmiennej wydajności, 2 siłownik sterujący wydajnością pompy, 3 zawór kompensujący, 4 zawór maksymalny [1] Rys. 2. Charakterystyki ideowe układów: a) konwencjonalnego z pompą stałej wydajności, b) z regulatorem stałego ciśnienia i pompą zmiennej wydajności [2] Niestety, rozwiązanie takie posiada pewne wady. Zaliczyć do nich można m.in.: zwiększony koszt zakupu pompy, ponieważ pompy o zmiennej wydajności są zazwyczaj kilkakrotnie droższe od np. pomp zębatych; pompy wielotłokowe, które są przeważnie używane w układach z regulacją p = const, są bardziej wrażliwe na zanieczyszczenia cieczy roboczej niż pompy zębate; hałaśliwość pomp tłokowych przewyższająca pompy zębate, przy czym warto podkreślić, że kryterium hałaśliwości pracy układów hydrostatycznych jest podnoszone w dokumentach normatywnych Unii Europejskiej (UE) [3], a jego niespełnienie może prowadzić do niedopuszczenia wyrobu na rynki UE. Co więcej, dopuszczalny poziom hałasu generowanego przez maszyny i urządzenia z napędem hydrostatycznym jest sukcesywnie obniżany. Intensywny rozwój elektroniki w ostatnich latach pozwolił na integrację klasycznej hydrauliki z elektroniką i sensoryką, a w związku z tym na sterowanie i regulację elektroniczną pomp wyporowych. Ten rodzaj sterowania umożliwia realizację dowolnej charakterystyki sterowania i regulacji oraz programowanie jednostek wyporowych czy całych zasilaczy. Układ hydrauliczny zasilacza wyposażony może być w przetworniki przekształcające odpowiednie wartości 138

3 mechaniczne i hydrauliczne na proporcjonalne sygnały elektryczne. Sygnały te są doprowadzane do układu elektronicznego stale, dzięki czemu można na bieżąco śledzić stan pracy pompy. Zastosować tu można przetworniki takich wielkości, jak np.: moment rzeczywistego pompy; prędkość obrotowa wału pompy; ciśnienie na wyjściu pompy; wydajność rzeczywista pompy. W zależności od rozwiązania, czyli tego, czy układ jest z pompą zmiennej wydajności czy z pompą stałej wydajności, układ elektroniczny analizuje wartości tych sygnałów i steruje charakterystyką pompy wyporowej według wybranego programu. Dla pompy zmiennej wydajności odbywa się to poprzez zmianę objętości roboczej pompy, a dla pompy stałej wydajności poprzez zmianę prędkości obrotowej wału tej pompy. Wśród zalet sterowania i regulacji elektronicznej można wymienić m.in.: łatwość zmiany programy regulacji możliwość przełączenia trybu pracy np. z regulacji stałego ciśnienia na regulację stałej wydajności; łatwość zmiany charakterystyk regulacji możliwość zmiany np. ciśnienie pracy regulatora p=const; możliwość rozbudowy układu elektronicznego o dodatkowe sprzężenia zwrotne; możliwość programowania cykli pracy, ich wyboru i przełączania pomiędzy sobą np. według czasu lub innych sygnałów. W ten sposób maszyna może adaptować się do zmieniających się warunków eksploatacji [2]. Jeżeli dodatkowo porównamy dwa typy pomp, tj. pompę o zmiennej oraz o stałej wydajności pod względem osiąganych parametrów technicznych oraz ceny (tab. 1), to można wysnuć następujące wnioski: ciśnienie maksymalne pompy wielotłoczkowych o zmiennej wydajności jest zdecydowanie większe niż pompy zębatej; zakres prędkości obrotowej pompy zębatej jest prawie dwa razy większy niż pompy wielotłoczkowej; koszt zakupu pompy zębatej jest 10-krotnie mniejszy niż pompy wielotłoczkowej; koszt zakupu pompy zębatej z falownikiem jest prawie 3-krotnie mniejszy niż pompy wielotłoczkowej; w przypadku pomp wielotłoczkowych rosną wymagania dotyczące dokładności filtracji cieczy roboczej [1], [4]. Na podstawie przeprowadzonej analizy postanowiono zbudować prototypowy zasilacz hydrauliczny, w którym generatorem miała być pompa zębata napędzana silnikiem elektrycznym. Zmianę prędkości obrotowej pompy miał zapewnić falownik, a cały zespół napędowy miał zastąpić pompę wielotłoczkową z regulatorem stałego ciśnienia. Tak zbudowany zasilacz został przebadany pod kątem efektywności energetycznej. Tabela 1. Porównanie dwóch typów pomp 139

4 2. Przedmiot badań Obiektem badań był zasilacz hydrauliczny (rys. 3), którego głównym elementem była pompa zębata o zazębieniu zewnętrznym 2, o wydajności jednostkowej q = 6,3 cm 3 /obr. Jednostkę wyporową umieszczono bezpośrednio w zbiorniku oleju hydraulicznego. Pompa napędzana była 3-fazowym silnikiem elektrycznym 1 o mocy 4 kw z chłodzeniem obcym. Układ sterowania pracą silnika elektrycznego znajdował się w szafie sterowniczej. Zasilacz mógł pracować w dwóch trybach pracy: normal oraz eko. Układ sterowania umożliwiał zmianę prędkości obrotowej silnika napędzającego pompę, a co za tym idzie samej pompy. Sterowanie prędkością obrotową oparte jest w głównej mierze na przetwornicy częstotliwości. Falowniki zapewniają szeroki zakres zmiany prędkości obrotowej silnika elektrycznego. Dzięki układowi sterowania możliwe jest m.in. ustawienie takich parametrów pracy silnika elektrycznego, jak: czas przyspieszania i zwalniania; górna i dolna granica częstotliwości; prąd znamionowy silnika; tryb sterowania wektorowego (zgodnie z charakterystyką napięcie-częstotliwość). Zasilacz wyposażony był również w manometr 15 do kontroli wartości chwilowej ciśnienia tłoczenia pompy wyporowej. W celach badawczych zasilacz wyposażono w przetwornik ciśnienia Hysense PR oraz przepływomierz Hysense QG Przetwornik ciśnienia 13 oraz przepływomierz 10 współpracowały z bezpośrednio podłączonym panelem kontrolno-pomiarowym MultiSystem5060 Plus Hydrotechnik. Pozwoliło to na wyznaczenie charakterystyk statycznych zasilacza w trybach pracy normal i eko. Podczas badań zasilacz zalany był olejem mineralnym Hydrol L-HL46. W zbiorniku znajdowało się 75 dm 3 oleju. Zasilacz wyposażony był w dodatkowy przetwornik ciśnienia ADZ Nagano 14, który podłączony do modułu sterowania silnikiem elektrycznym 1 tworzył pętlę sprzężenia zwrotnego i wykorzystywany był w trybie pracy eko. Na płycie zbiornika zasilacza zainstalowany był rozdzielacz 4/3 7 oraz zawory dławiąco-zwrotne 8 (które podczas badań były całkowicie otwarte). Obciążenie pompy zadawano zaworem dławiąco-zwrotnym 9, co jednak wymagało zajęcia przez suwak rozdzielacza 7 prawego, skrajnego położenia i połączenia dróg P z A oraz B z T. Objętościowe natężenie przepływu cieczy spływającej do zbiornika zasilacza mierzono przepływomierzem 10. Przed nadmiernym wzrostem temperatury oleju układ zabezpieczony był chłodnicą oleju 11. W trybie pracy normal zasilacz pracuje w taki sposób, że na wałku pompy utrzymywana jest stała prędkość obrotowa niezależnie od ciśnienia panującego w króćcu tłocznym pompy. W momencie, gdy ciśnienie w króćcu tłocznym pompy osiągnie ustaloną wartość ciśnienia otwarcia zaworu maksymalnego, zawór zaczyna pracować, odprowadzając część bądź całość strumienia cieczy generowanego przez pompę do zbiornika. Odbywa się to przy wysokim ciśnieniu, powodując obciążenie pompy wyporowej, a w konsekwencji jest źródłem znacznych strat energetycznych. Praca zaworu maksymalnego jest głównym składnikiem strat mocy takiego układu. W celu ograniczenia strat mocy zasilacza oraz poprawy jego energooszczędności wprowadzono w linii tłoczenia pompy przetwornik ciśnienia, który podawał sygnał elektryczny do modułu sterującego prędkością elektrycznego silnika napędowego. Dzięki temu prędkość na wale silnika napędzającego pompę była stała tylko do pewnej, ustalonej wartości ciśnienia w linii tłocznej pompy. Po przekroczeniu wartości ciśnienia ustawionego w module sterującym pracą silnika elektrycznego następował spadek wartości prędkości obrotowej wału silnika. Dalsze zwiększanie obciążenia pompy wyporowej powodowało dalszy spadek prędkości obrotowej wału silnika napędzającego pompę zasilacza. Taka charakterystyka pracy zasilacza osiągana była dla trybu pracy eko. 140

5 Rys. 3. Schemat hydrauliczny badanego zasilacza: 1 silnik elektryczny napędowy o mocy 4 kw, 2 pompa zębata o zazębieniu zewnętrznym, 3 filtr ssawny, 4 filtr wlewowy z odpowietrzeniem, 5 zawór zwrotny obciążony, 6 zawór maksymalny, 7 rozdzielacz 4/3, 8 zawory dławiąco-zwrotne, 9 zawór dławiąco-zwrotny, 10 przepływomierz, 11 chłodnica oleju CSL 1 firmy Ciesse, 12 filtr zlewowy, 13 przetwornik ciśnienia pomiarowy Hysense PR100, 14 przetwornik ciśnienia pętli sprzężenia zwrotnego dla trybu eko ADZ Nagano, 15 manometr, 16 zawór odcinający 3. Program badań Badania zasilacza przeprowadzono w Laboratorium Napędów Hydraulicznych i Wibroakustyki Maszyn Katedry Eksploatacji Systemów Logistycznych, Systemów Transportowych i Układów Hydraulicznych na Wydziale Mechanicznym Politechniki Wrocławskiej. Badania obejmowały: wyznaczenie charakterystyk statycznych zaworu maksymalnego; wyznaczenie charakterystyki pompy wyporowej przedmiotowego zasilacza. Badania prowadzono w dwóch dostępnych trybach pracy zasilacza oznaczonych jako normal oraz eko. Pomiarowi i rejestracji podlegały następujące wielkości: ciśnienie tłoczenia pompy; natężenie przepływu cieczy generowanej przez pompę; prędkość obrotowa wałka silnika elektrycznego napędzającego pompę wyporową. Badania przeprowadzono w warunkach pracy ustalonej zasilacza. Jako obciążenie badanego układu zastosowano nastawny jednokierunkowy zawór dławiący. Podczas badań temperatura cieczy (olej mineralny Hydrol L-HL68) była stabilizowana chłodnicą, w którą wyposażony był zasilacz. Zakres ciśnień obciążenia mieścił się w przedziale bar w zależności od trybu pracy zasilacza. Nominalna prędkość obrotowa wału pompy ustalona była na poziomie 1430 obr/min. 141

6 4. Wyniki badań Z rezultatów badań przedstawionych na rys. 4 wynika, że dla trybu normal w całym zakresie ciśnień prędkość wału silnika elektrycznego jest stała. Rys. 4. Zależność prędkości obrotowej wału silnika elektrycznego napędzającego pompę zasilacza od ciśnienia w jej króćcu tłocznym Stała jest również wydajność pompy, ale przy założeniu jej sprawności objętościowej równej 100%. Natomiast w trybie eko wartość prędkości wału silnika elektrycznego jest stała tylko do pewnego ciśnienia ustawionego w module sterującym silnikiem elektrycznym. Zasilacz podczas pracy w trybie eko był tak ustawiony, że układ regulacji prędkości obrotowej wału silnika elektrycznego zaczynał działać przy ciśnieniu w króćcu tłocznym pompy równym ok. 150 barom. Podczas badań (w obu trybach pracy zasilacza) zawór maksymalny ustawiony był na wartość 200 barów. Zmniejszenie prędkości obrotowej wału silnika elektrycznego pociąga za sobą zmniejszenie prędkości wału pompy oraz zmniejszenie jej wydajności, a to zapobiega w trybie pracy eko wzrostowi ciśnienia do wartości pracy zaworu maksymalnego (rys. 5). W trybie pracy eko zawór maksymalny pozostaje zamknięty i pełni rolę zaworu bezpieczeństwa. W ten sposób eliminowane są straty mocy związane z przepływem cieczy przez zawór maksymalny. Charakterystyka 3 pompy zasilacza pracującego w trybie eko (rys. 5) odpowiada charakterystyce pompy zmiennej wydajności z regulatorem stałego ciśnienia. Pod względem zasady działania i struktury strat mocy tryb normal pracy zasilacza odpowiada sterowaniu dławieniowemu-szeregowemu, a tryb eko regulacji stałego ciśnienia [4]. W ten sposób w trybie pracy eko minimalizowane są straty mocy spowodowane nadmiarem wydajności pompy wyporowej. 142

7 Rys. 5. Charakterystyka statyczna zasilacza: 1 charakterystyka pompy w trybie normal, 2 charakterystyka zaworu maksymalnego, 3 charakterystyka pompy w trybie eko Analizując bilans mocy dla układu pracującego w trybie normal, można wyodrębnić następujące straty mocy [4]: strukturalna objętościowa związana z upuszczaniem przez zawór przelewowy; hydrauliczne wynikające ze spadku ciśnienia w przewodach; hydrauliczne wynikające ze spadku ciśnienia na zaworze dławiącym; wynikające ze sprawności objętościowej silnika; straty objętościowej generatora. Na rysunku 6 przedstawiono układ współrzędnych p, Q, na którym poglądowo zestawiono charakterystyki przepływowe poszczególnych elementów. Dodatkowo za pomocą prostokątów graficznie wyrażono mocy efektywną traconą lub przenoszoną przez dany element. Rys. 6. Straty mocy w układzie sterowania dławieniowo-szeregowego, praca w trybie normal [4] 143

8 Zastosowanie układu regulacji elektronicznej znacząco podnosi efektywność energetyczną zasilacza. W wyniku jego użycia w bilansie mocy występują jedynie straty: hydrauliczne związane ze spadkiem ciśnienia w przewodach; wynikające ze sprawności objętościowej silnika; wynikające ze straty objętościowej generatora; hydrauliczne wynikające ze spadku ciśnienia na zaworze dławiącym. Rys. 7. Straty mocy w układzie regulacji elektronicznej, praca w trybie eko Rys. 8. Zależność sprawności układu sterowania dławieniowego-szeregowego od współczynnika obciążenia [5] Sprawność całkowita typowych układów ze sterowaniem dławieniowo-szeregowym nie przekracza 40% [4], [5] i zależy w głównej mierze od współczynnika obciążenia odbiornika oraz nastawy szczeliny zaworu dławiącego. Wykorzystanie elektronicznej regulacji umożliwia pozbycie się dwóch najistotniejszych strat, tj. strukturalnych objętościowych związanych z upuszczaniem przez zawór przelewowy oraz, w bardziej rozbudowanych układach hydraulicznych, wynikające ze spadku ciśnienia na zaworze dławiącym. 144

9 Przedstawiona na rys. 9 zależność mocy hydraulicznej generatora w funkcji zapotrzebowania na ciecz przez odbiornik hydrauliczny najlepiej ilustruje efektywność energetyczną zasilacza hydraulicznego. Przy maksymalnym zapotrzebowaniu cieczy zapotrzebowanie na moc w trybie eko jest o ok. 20% niższe niż w trybie normal. Jeszcze wyraźniej widać to przy minimalnym zapotrzebowaniu na ciecz odbiorników. W takim przypadku zapotrzebowanie na moc w trybie eko wynosi jedynie 23% mocy, której potrzebuje układ pracujący w trybie normal. Rys. 9. Zależność mocy hydraulicznej generatora w funkcji zapotrzebowania na ciecz przez odbiornik hydrauliczny 5. Podsumowanie Podstawowym celem przeprowadzonych badań było określenie efektywności energetycznej prototypowego zasilacza z układem regulacji elektronicznej. Za stosowaniem tego typu rozwiązań przemawiają aspekty ekonomiczne. Cena zasilacza z kompletnym układem regulacji elektronicznej jest niższa od równoważnego układu, w którym wykorzystuje się pompę o zmiennej wydajności. W trybie pracy eko praca zaworu maksymalnego w warunkach ustalonych została wyeliminowana poprzez wprowadzenie pętli sprzężenia zwrotnego od ciśnienia w króćcu tłocznym pompy do modułu sterującego pracą elektrycznego silnika napędowego. Wzrost ciśnienia w króćcu tłocznym pompy ponad ustaloną wartość powoduje zmniejszenie prędkości obrotowej wału silnika elektrycznego sprzęgniętego z wałem pompy wyporowej. Konsekwencją tego jest zmniejszenie wydajności pompy wyporowej i zapobieżenie dalszemu wzrostowi ciśnienia, tak że jest ono stale mniejsze od ciśnienia otwarcia zaworu maksymalnego. Pompa tłoczy do układu tylko taką ilość cieczy, na jaką jest zapotrzebowanie. W stanach ustalonych zawór maksymalny pozostaje zamknięty. W trakcie badań stwierdzono również, że w trybie pracy eko poniżej prędkości obrotowej 500 obr/min elektrycznego silnika napędzającego pompę ciśnienie w króćcu tłocznym pompy zaczyna zmieniać się dynamicznie, a wartości amplitud tych zmian sięgają 20% wartości ustalonej dla pracy w tym trybie. W celu uwypuklenia zalet zastosowanego rozwiązania (tryb eko) należałoby prowadzić dalsze badania, w tym również z zakresu stanów dynamicznych, zjawisk akustycznych oraz możliwości wykorzystania w aplikacjach o dużych mocach. 145

10 LITERATURA [1] OSIECKI A., Hydrostatyczny napęd maszyn. WNT, Warszawa. [2] SZYDELSKI Z., Pojazdy samochodowe. Napęd i sterowanie hydrauliczne. WKŁ, Warszawa. [3] Dyrektywa nr 2000/14/EC Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 8 maja 2000 r. w sprawie zbliżenia przepisów prawnych państw członkowskich dotyczących emisji hałasu do środowiska przez urządzenia używane na zewnątrz pomieszczeń. [4] STRYCZEK S., Napęd hydrostatyczny. WNT, Warszawa. [5] DINDORF R., Modelowanie i symulacja nieliniowych elementów i układów regulacji płynowych. Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej w Kielcach, Kielce. ENERGETIC EFFICIENCY EVALUATION OF HYDRAULIC POWER UNIT WITH PRESSURE CONTROL Abstract In the paper an innovative hydraulic power with gear pump unit was presented. Change of pump s rotational speed was controlled by electronic power inverter. Whole considered hydraulic power unit set replace multipiston pump with pressure control. Developed hydraulic power unit was laboratory tested in consideration with energy efficiency. Predictions of authors was fully verified by laboratory tests results. Considered system in chipper than system with multipiston pump and is characterized by higher efficiency and low power consumption. 146