Brevet FR2500082A1 — publié le 19820820

La présente invention concerne une centrale hydraulique à rendement amélioré, en particu lier pour la commande de presse à injection. On sait que, dans de nombreux types de presses à injection, la commande des différents organes mobiles au cours de chaque cycle d'injection est assurée par une centrale hydraulique, qui comporte une pompe entraSnEe par un moteur et débitant tantes dans un accumulateur et tantôt dans un circuit de retour, par l'intermédiaire d'un distributeur, commandé lui-même à partir de la pression dans l'accumulateur. La présente invention résulte d'études approfondies effectuées en vue de réduire la consommation globale d'énergie dane des ateliers d'injection de matières plastiques,comportant plusieurs dizaines de presses à injection. Ces etudes ont porté notamment sur une presse à injection équipée d'une centrale hydraulique du type mentionné, dont la pompe est entratnée par un moteur électrique de 30 kW.Le fonctionnement d'une presse à injection de ce type nécessite seulement, d'une part, la fourniture de l'énergie électrique consommée par ce moteur, et, d'autre part, l'énergie, également électrique, qui est nécessaire pour porter et maintenir la matière plastique à sa température d'injection. I1 a été constaté que l'énergie consommé par le moteur électrique est au moins quatre fois supérieure à celle nécessaire au chauffage de la matière plastique.Four tenter de réduire la consommation du moteur électrique, il a fallu prendre en considération ses conditions de fonctionnement, qui sont essentiellement variables au cours de chacun des cycles successifs d'injection, dont la durée est de l'ordre de quelques dizaines de secondes, la pompe entratnée par le,moteur a pour fonction de recharger l'accumulateur à sa pression nominale, chaque fois que la pression régnant dans ledit accumulateur est tombée en dessous d'un certain seuil; pour l'installation considérée, on a constaté que, de ce fait, la pompe ne débite dans l'accumulateur, et par suite son moteur d'entraînement est pleine- ment chargé, que pendant environ 35 à 90% de la durée de chaque cycle; pendant le reste de la durée de chaque cycle1 soit en moyenne 55 % de sa durée, la charge du moteur est fortement réduite puisque la pompe ne travaille que pour refouler le liquide hydraulique dans le circuit de retour C'est ainsi que, dans l'installation considérée à titre d exemple, le moteur électrique de 30 kW consomme 6,1 kW. lorsque la pompe débite seulement dans le circuit de retour, ce qui représente 20 % de l'énergie électri- que consommée par le moteur, eoit encore environ 16% de l'énergie totale consommée par la presse chaque cycle d'injection. Il est évident que l'énergie consommée par la pompe pour refouler le liquide hydraulique dans le circuit de retour, l'est en pure perte. Il semblerait donc que l'on puisse obtenir un gain global de 16 % sur la puissance totale consommée par l'installation, simplement en arrêtant le moteur d'entraînement de la pompe chaque fois que la pression dans l'accumulateur a atteint sa valeur nominale.Cette solution ne peut cependant pas être adoptée en raison du fait notamment qu'elle entratnerait au moins une demi-douzaine d'arrêts et de démarrages successifs du moteur électrique pendant la durée de chaque cycle (quelques dizaines de secondes), ce qui serait préjudiciable à la durée de vie du moteur; on sait d'autre part que, pendant les régimes transitoires qui,respectivement, précède l'arrêt d'un moteur électrique et suive son redémarrage, le rendement du moteur est très mauvais, ce qui se traduit par des pertes d'énergie, et un échauffement du moteur, si bien que cette solution, apparemment simple, indépendamment des inconvénients qu'elle présenterait pour la survie du moteur, ne permettrait certainement pas d'obtenir l'économie maximale de 16 %. Les différents essais qui ont abouti à la présente invention ont montré effectivement que l'économie maximale d'énergie peut être obtenne, de façon surprenante, par des dispositions appropriées qui laissent cependant le moteur dentratnement de la pompe constamment en fonctionnement, au moins pendant la durée de chaque cycle d'injection. la centrale hydraulique selon la présente invention est du type indiqué initialement, et elle est caractérisée en ce qu'elle comporte un embrayage inséré entre le moteur et la pompe, et des moyens pour commander cet embrayage de manière que ledit moteur tourne à vide pendant au moins une fraction importante de chaque période de temps où la pompe ne débite pas dans l'accumulateur. En insérant notamment un embrayage électromagnétique approprié entre le moteur de 30 ka et la pompe qu'il doit entratner,dans le cas de lsinstallation considérée précédemment à titre d'exemple, on a en effet constaté que,pendant la fraction de chaque période où la pompe ne débite pas dans l'accumulateur - fraction pendant laquelle l'embrayage est débrayé -, le moteur électrique, tournant à vide, consomme environ 1,6 kW, alors qu'il consommait environ 6,1 kW pour entrntter la pompe débitant dans le circuit de retour, en l'absence de l'embrayage selon la présente invention.Cette consommation réduite du moteur électrique correspond non seulement à ses différentes pertes électriques et mécaniques (frottements), mais aussi aux pertes mécaniques dans l'embrayage lui-mme, notamment aux pertes par frottement et dégagement de chaleur, rela tivement importantes, qui se produisent à chaque réembrayage. Il en résulte donc une économie environ 4,5 kW sur la puissance consommée par le moteur, et cela pendant environ 55 % de son temps de fonctionnement, ce qui entrains une économie globale d'énergie voisine de 2,5 kWh. Dans le cas d'une presse à injection utilisée pendant 70 % du temps, il en résulte une économie quotidienne de 42 kWh, soit de presque 10.000 kWh par année. Enfin, il y a lieu de remarquer que la puissance électrique consommée par l'embrayage électromagnétique, qui ne dépasse pas quelques dizaines de Watts, n'intervient pratiquement pas dans le hilan énergétiqueS favorable, de la centrale hydraulique selon La présente invention. Dans une forme de réalisation préférée de la centrale hydraulique selon la présente invention, l'embrayage comme le distributeur sont commandés à partir de la pression dans l'accumulateur, par exemple par l'intermédiaire d'un manocontacteur. De préférence, des moyens sont prévus pr;;ar retarder la transmission au distributeur, du signal électrique de commande produit par le manocontacteur, ou bien l'effet de ce signal sur le distributeur, de manière que la pompe ne cotret-ce à débiter dans l'accumu- lateur que lorsqu'elle a atteintpratiquement son régime nominal Grâce à cette dernière disposition, lorsque la pression dans l'accumulateur a atteint sa valeur nomina- le et que le manocontacteur provoque aussitôt l'excitation de l'embrayage électromagnétique, le moteur électrique, qui tournait précédemment à vide, se trouve accouplé à la pompe, alors que le distributeur se trouve encore dans la position pour laquelle ladite pompe débite seulement dans le circuit de retour ; il en résulte un régime transitoire, qui peut avoir une durée aussi courte suture fraction de secondet et pendant lequel le moteur est encore relativement peu chargé ; cela évite l'inconvénient de charger brusquement le moteur au maximum, ce qui a lieu si, en même temps que l'embrayage électromagnétique est excité, le distributeur est commuté de manière que la pompe commence tout de suite à débiter dans l'accumulateur. le même avantage, résultant d'une charge transitoire modérée du mateur à chaque redémarrage de la pompe, peut être obtenu Cans une autre forme de réalisation de l'invention, qui est caractérisée en ce que le distributeur lui-même est commandé à partir du régime de la pompe, de manière que celle-ci ne commence à débiter dans l'accumulateur que lorsque ladite pompe 2 pratiquernent atteint son régime nominal. Â titre d'exemple, on a décrit ci-dessous et illustré schématiquement au dessin annexé une forme de réalisation de la centrale hydraulique selon la présente invention0 La figure 1 est le schéma par blocs de cette forme de réalisation de l'invention. La figure 2 est le diagramme de fonctionnement du moteur électrique de la centrale hydraulique de la figure 1,au cours d'un cycle complet d'utilisation de la centrale, correspondant notamment à un cycle de fonctionnement de la presse à injection que alimentez Sur la figure 1, la roférence 1 désigne un bac à huile, 2, une pompe, dont l'aspiration est alimentée en huile à partir du bac 1, par une conduite 3, tandis que son refoulement débouche dans une conduite 4 ; 5 désigne un moteur électrique. par exemple un moteur asynchrone triphasé, dont l'arbre peut être accouplé à l'arbre d'entrainement de la pompe 2, par l'intermédiaire d'un embrayage électromagnétique 6 ; par l'intermédiaire d'un distributeur 7, la conduite de refoulement 4 de la pompe 2 peut être commutée soit sur une conduite de retour 8, aboutissant dans le bac 1, soit sur une conduite 9,aboutissant à l'entrée d'un accumulateur de liquide hydraulique, 10, d'un type connu ; la sortie de cet accumulateur est reliée,par une conduite 10a,au circuit hydraulique d'utilisation (non représenté), qui, dans l'exemple considéré, est le circuit de commande dune presse à injection (non représent. Il désigne un manocontacteur, dont la sonde 1la est placée dans l'accumulateur 10, et qui, lorsque la pression mesurée par cette sonde 11a, tombe en dessous dun seuil prédéterminé, transmet un signal électrique - produit par une source de courant électrique non représentée - sur une ligne 12 ; cette ligne 12 comporte d'une part Uil prolongement 12a@qui aboutit directement à l'entrée d'excitation de l'embrayage électromagnétique 6, et un prolongement 12b, qui aboutit à l'entrée de commande du distributeur 7, par l'intermédiaire d'un circuit de retardement 130 Le distributeur 7 est par exemple une électro-valve à trois voies, dont l'enroulement d'excitation (non représenté) est relié au prolongement 12b de la ligne électrique 12, au-delè du circuit de retardement 13, tandis que ses trois voies sont raccordées respectivement aux conduites hydrauliques 4, 8, 9, de telle fanon que, en l'absence de signal électrique sur la ligne 12b, ladite électro-valve relie la conduite 4 à la conduite 8, tandis que la présence d'un signal électrique sur la ligne 12b a pour effet de lui faireraccorder la conduite 4 à la conduite 9X La centrale hydraulique illustrée sur la figure 1 et précédemment décrite fonctionne de la façon suivante : on suppose que, au début d'un cycle d'injection, correspondant à l'instant to sur le diagramme de la figure 2, illustrant le fonctionnement du moteur électrique 5, la pression dans l'accumulateur 10 a a valeur niaflinale, si bien que le manocontacteur 11 ne transmet aucun signal électrique aux lignes 12a et 12b, et que, par suite, l'embrayage électr@- magnétique 6 est débrayé le moteur 5 tournant à vide, à sa puissance minimale Po = 1,6 kW, s'il s'agit par exemple d'un moteur de 30 kW.Bien entendu, la pompe 2 est alors arreAtée. Le liquide hydraulique est alors prélevé dans l'accumulateur 14 par la conduite I Oa, pour assurer notam- ment la commande hydraulique de la fermeture da moule de la presse à injection.La puissance correspondante, relativement importante, devant entre fournie en une courte durée, il en résulte un abaissement rapide de la pression dans l'accumulateur 10, en dessous d'un seuil prédéterminé,ce qui est décele par la sonde 11a @a manocontacteur 11 ; celui-ci envoie aussitôt, sur la ligne 12, un signal électrique, qui est transmis sans retard à l'enroulement d'excitation de l'embrayage électromagnétique 6, de manière à accoupler immédiatement l'arbre de la pompe 2 à celui du moteur 5. En raison de la présence du circuit de retardement 13 dans le prolongement 12b de la ligne électrique 12, aucun signal électrique n'est alors transmis à l'enroulement de commande de l'électro-valve distri- butrice 7, qui reste donc dans sa position où elle relie les conduites 4 et 8.Le moteur 5 commence donc à entrainer en rotation la pompe 2, qui commence elle-même à débiter dans le circuit de retour 8, de façon à refouler de l'huile vers le bac 1. C'est seulement à la fin du retardement produit par le circuit 13 que le signal électrique présent sur la ligne 12 apparat sur son prolongement I 2b et fait par suite commuter le distributeur 7 sur sa position où il relie la conduite 4 à la conduite 9. C'est alors seulement que la pompe 2 débite du liquide hydraulique par la conduite 9 dans l'accumulateur 10 de manière à y rétablir rapidement la pression à sa valeur nominale.Dès que celle-ci est atteinte, le manocontacteur Il cesse de transmettre un signal électrique à la ligne 12, si bien que l'embrayage électromagnétique 6 cesse aussitôt d'être embrayé, et que le distributeur 7 est à nouveau commuté sur sa position où la pompe 2 débite dans le circuit de retour 8. Cette première phase du fonctionnement du moteur 5 correspond, sur le diagramme de la figure 2, au pie C1 et à la fraction to - t1 du cycle de fonctionnement T. Le circuit de retardement est dimensionné selon la présente invention de manière à retarder le signal électrique produit par le manocontacteur 11 suffisamment pour que la pompe 2 ait atteint pratiquement son régime nominal lorsque le signal retardé, apparaissant sur 'e prolongement de la ligne 12b, provoque la commutation du distributeur 7 ; un retard dune demi-seconde est généralement suffisant pour la plupart des installations. Cependant, à titre de variante, il est possible de placer le retard de transmission du signal au distributeur 7 sous la dépendance du régime de la pompe 2, par exemple en utilisant un capteur tachymétrique d'un type connu, par exemple une dynamo tachymétrique 14, qui transmet un signal électrique approprié,par une ligne 15,au circuit de retardement 13 ; celui-ci doit alors comporter,à son entrée de commande, reliée à la ligne 15, un circuit à seuil, qui déclenche par exemple la contation d'une bascule électronique bistable, dont la sortie envoie alors une impulsion électrique appropriée sur le prolongement 12b de la ligne. Cependant, le temps de retardement introduit -rai' le circuit 13 peut être fixe, ledit circuit étant alors constitué 'par exemple par une baseule monostable. Il n'est pas nécessaire de décrire en détail des formes de réalisation particulières du circuit do retardement 13, cer il existe de nombreuses réalisations électroniques qui sont bien connues. L'avantage, déjà indiqué, du circuit de retardement 13, ou des moyens équivalents, est d'éviter que le moteur 5, qui tournait précédemment à vide, ne reçoive brusquement sa charge maximale, correspondant au débit de la pompe 2 dans l'accumulateur 10. lia phase suivante du cycle d'injection consiste en l'avance du groupe d'injection en direction du moule, maintenant fermé, grâce à une commande hydraulique dérivée de la conduite 10a; il en résulte que, à un instant t2 (figure 2), la pression décelée par la sonde 11a dans l'accumulateur 10 tombe en dessous du seuil choisi, ce qui provoque à nouveau l'envoi d'un signal électrique sur la ligne 12 par le manocontacteur Il, et la répétition de la succession de manoeuvres précédemment décrite ; cependant, dès que le groupe d1injection a atteint sa position d'ali- mentation du moule fermé, un vérin hydraulique, également alimenté à partir de la conduite 10a,fait avancer la vis d'injection en direction du moule, puis fait ensuite reculer ladite vis, et enfin l'ensemble du groupe d'in- jection ; cette succession d'opérations, qui s'étend de l'instant t2 à l'instant t3,nécessite une recharge pratiquement ininterrompue de l'accumulateur 10 par la pompe 2, ce qui correspond au "créneau" C2 sur le diagramme de la figure 2.Enfin, le cycle d'injection considéré se termine par un nouveau pie de fonctionnement du moteur 5, C3, entre les instants t4 et tf ; cette phase finale du cycle d'injection T correspond à la réouverture du moule sous la commande du vérin correspondant, egalement alimenté à partir de la conduite I Oa. De diagramme de la figure 2 fait apparattre elaire- ment que le moteur 5 fonctionne à vide, avec une puissance Po très réduite, de par exemple 1,6 kW pour un moteur de 30 kW, pendant une importante fraction de chaque cycle d'injection T > correspondant à la somme des intervalles de temps (t2 - t1) + & - t3). On a indiqué en tiretés la puissance P1, qui aurait été consommée, pendant la même fraction du cycle d'injection ?, par le moteur 5, c'est-àdire environ 6,1 kW dans l'exemple considéré0 Pour une durée courante du cycle d'injection, T, d'environ 40 secondes, on comprend que l'embrayage électromagnétique 6 prévu selon la présente invention doit être successivement excité et désexcité six fois de suite, ctestà-dire avec une fréquence d'environ 1/7 t il est recommandé d'utiliser pour cette application notamment un embrayage électromagnétique à disques multiples fonctionnant à sec, qui est susceptible d'une longue durée de vie même pour des fréquences de commutation aussi élevées, et qui en outre présente un faible encombrement. les mêmes considérations sont également applicables à la pompe 2, qui doit subir, dans l'exemple considéré, trois arrêts et trois démarrages en 40 secondes ; l'expérience a montré qu'unie pompe à palettes équilibrées, dont les palettes sont maintenues en position sur l'anneau statorique par une pression hydraulique radiale exercée sur chacune d'elles, peut supporter facilement un régime de fonctionnement aussi irrégulier pendant de très longues périodes. Des calculs de reniabilité ont montré que l'adjonction,à la centrale hydraulique,de l'embrayage électromagnétique 6 et du circuit de retardement 13, ainsi que les travaux correspo@dants peuvent être amortis en moins de deux ans par l'économie d'énergie ainsi obtenue. Un amortissement plus rapide encore peut évidemment être obtenu lorsque la même transformation est appliquée à un groupe de plusieurs presses à injection de même type. La présente invention n'est pas limitée à la forme de réalisation précédemment décrite. Elle englobe toutes ses varianves, dont quelques unes ont été indiquées précédemment. Au lieu d'utiliser un embrayage électromagnétique 6, un manocontacteur 11 et un circuit de retardement électronique 13, il serait poss@@le d'utiliser un embrayage à commande hydraulique, dérivée de la pression régnant dans l'accumulateur 10 ; da@s ce eas également, la commande du distributeur 7 pourrait être avantageusement hydraulique et dérivée de la pression dans l'accumulateur 10, la réalisation d'un organe de retardement à fonctionnement purement hydraulique étant bien connue.Au lieu de faire commander le distributeur 7 à partir de la pression régnant dans l'accumulateur 10. éventuellement par l'intermédiaire d'un faire manocontacteur il, il est aussi possible de le /commander à partir du régime de la pompe 2, de manière qu'elle ne commence à debiter dans l'accumulateur 10 que lorsque ladite pompe 2 a pratiquement atteint son régime nominal ; cette variante peut être également réalisée par des moyens électriques, comportant notamment une dynamo tachymétrique et un circuit à seuil commandant l'électrovanne de distribution 7 ; il est aussi possible d'utiliser un distributeur à commande hydraulique, dérivés de la pression de refoulement de la pompe 20 Les applications de la centrale hydraulique selon la présente invention ne sont pas limitées à la commande des presses à injection ; elle peut être utilisée pour la commande de toutes les nacbines qui, au cours d'un cycle de fonctionnement, nécessitent une puissance hydraulique fréquemment variable dans des proportions importantes. REVENDICATIONS 1. Centrale hydraulique à rendement amélioré, en particulier pour la commande de presses à injection, comportant une pompe entraînée par un moteur et débitant tantôt dans un accumulateur ei;; tantôt dans un circuit de retour, par l'intermédiaire d'un distributeur, commandé à partir de la pression dans l'accumulateur, caractérisée en ce qu'eLLe comporte un embrayage inséré entre le moteur et la pompe et des moyens pour commander cet embrayages de manière que ledit moteur tourne à vide pendant au moins une fraction imp@rtante de chaque période de temps où la pompe ne débite pas dans l'accvjrni- lateur. 2. Centrale hydraulique selon la re-endication 1, caractérisée en ce que l'embrayage comme le distributeur sont commandés à partir de 3a pression dans l'accumula- teur, par exemple par l'intermédiaire d'un manocontacteur. 30 Centrale hydraulique selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyons pour retarder la transmission, au distributeur, du signal électrique de commande produit par le manocontacteur, ou bien l'effet de ce signal sur le distributeur /de naniere que la pompe ne commence â débiter dans l'accumulateur que lorsque ladite pompe a pratiquement atteint son régime nominal. 40 Centrale hydraulique selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens pour placer le retard de transmission du signal au distributeur, sous la dépendance du régime de la pompe. 50 Centrale hydraulique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le distributeur est commandé à partir du régime de la pompe, de manière que celle-ci ne commence à débiter dans l'accumulateur que lorsque ladite pompe a pratiquement atteint son régime nominal.