Сравнительный анализ потерь в двигателях редукторных лебедок лифтов

Богданов Евгений Петрович

Evgeny P. Bogdanov

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

National Research Tomsk Polytechnic University Доцент кафедры «Электромеханические комплексы и материалы» Associate Professor of department “Electromechanical systems and materials”

Канд. техн. Наук

Рикконен Сергей Владимирович

Sergey V. Rikkonen

ООО «Система», г. Томск “System” Ltd, Tomsk Главный конструктор ООО «Система», г. Томск Chief designer of “System” LTD, Tomsk

Канд. техн. Наук

05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

Сравнительный анализ потерь в двигателях редукторных лебедок лифтов

Comparative analysis of the losses in the motor of the geared elevator drive

Аннотация: Показан сравнительный анализ потерь мощности двухскоростного редукторного привода лебедки пассажирского лифта с редукторным частотно-регулируемым приводом. Повторно - кратковременный режим работы лифтового привода характеризуется повышенными потерями энергии во время переходных процессов пуска и останова.

The Abstract: Comparative analysis of power losses of two-speed gear drive of passenger lift winch with geared variable-frequency drive is shown. Recursive short-time mode of elevator drive is characterized by increased energy losses during the transient of starting and stop.

Ключевые слова: Энергоффективность, лебёдка, лифт, привод.

Keywords: Energy efficiency, elevator drive, lift, drive.

***

Развитие силовой электроники дало толчок широкому применению электромеханических систем, основанных на использовании звена «преобразователь частоты - электродвигатель переменного тока». В мировой практике применение такого электропривода признан одной из наиболее эффективных энерго-ресурсосберегающих, экологическои чистых технологий.

Режим работы электропривода лифта характеризуется частыми включениями и отключениями. При этом имеются следующие этапы движения: разгон электродвигателя до установившейся скорости; движение с установившейся скоростью; уменьшение скорости при подходе к этажу назначения; торможение и остановка кабины на этаже назначения с нужной точностью. В таких электроприводах за счет снижения потерь электропривода в установившихся и переходных режимах возможна значительная экономия электроэнергии. Преобразователь частоты (ПЧ) выполняет, кроме функции энергосбережения, важные функции управления режимами пуска и торможения, регулировки скорости, момента и плавности движения, защиты, диагностики, т. е. повышает технический уровень привода в целом [5, 1].

В статье [2] приведён сравнительный анализ энергозатрат лифтовых лебедок с точки зрения общей физики процесса движения лифта с учетом к.п.д. и моментов инерции элементов системы. Анализ проводился на установившихся скоростях движения кабины лифта и не учитывал переходные процессы пуска и останова кабины.

В настоящей работе проведен сравнительный анализ энергозатрат двухскоростной ре-дукторной лебёдки лифта с энергозатратами этого же привода, но с питанием от преобразователя частоты со скалярным и векторным управлениями. Оценка потерь энергии проводилась с учетом потерь установившегося режима и переходных процессов (1111) пуска и останова кабины. Для упрощения анализа потери пуска и останова считаются равными.

Лифтовая лебёдка с приводом от двухскоростного асинхронного двигателя состоит из маховика, двухскоростного асинхронного двигателя ДАД, червячного редуктора, канатоведущего шкива КВШ, тросов и кабины.

Параметры двигателя 5АФ200МА6/24НЛБУХЛ4: Р1 = 6,5 кВт; Р2 = 1,6 кВт;

п1 = 940 (об/мин); п2 = 215 (об/мин); п1 = 0,835; п2 = 0,345. Коэффициент редукции червячного редуктора I = 15. Момент инерции ротора /рот = /ред = 0,55 кг*м , момент инерции маховика и муфты /мах = 0,8 кг*м2, /квш = 0,8 кг*м2. Скорость движения кабины V =

1 м/с.

Угловая скорость вращения ротора двигателя приблизительно равна юр = 98 (1/с).

Рис. 1. Лифтовая лебёдка с приводом от двухскоростного асинхронного двигателя

Расчёт пуска, движения и останова кабины лифта проводился математическим моделированием по методике, представленной в литературе [ 1, 2].

220

193

176

154

132

110

83

66

44

22

0

Мде, Нм 0)р, 1/с

Г

г

1

Г

Мдв

t,c

0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1 5 1.75 2

Рис. 2. Зависимость момента и скорости ротора двигателя во времени при прямом пуске

привода лифта

Л,ДВ. 1дв,А

100

90

50

70

60

50

40

30

20

10

о

Л.ДВ

V Л

' 1

/

1дв

:

0 0.2 0 4 0.6 0.8 1 1.2 1 4 1.6 1.8 2 Рис. 3. Зависимость тока статора и к.п.д. двигателя при прямом пуске привода лифта

На рис. 2, 3 представлены электромеханические характеристики прямого пуска лифтовой лебёдки с приводом от двухскоростного асинхронного двигателя. Время переходного процесса составляет ^п = 0,8 с. В процессе пуска токи статора двигателя изменяются от пусковых до номинальных, пусковые мощности и потери значительно выше установившихся значений (рис. 4, 5).

При движении лифта затрачивается энергия на преодоление механических потерь. Чем больше время движения, тем выше уровень затраченной энергии, временная зависимость практически линейна (рис. 6). Учет потерь энергии при переходных процессах приводит к изменению наклона энергетических прямых. В режиме частых пусков и остановов доля потерь, приходящаяся на переходные процессы, вполне соизмерима с общими потерями.

Лифтовый привод с питанием от преобразователя частоты имеет ряд существенных преимуществ: регулирование частоты вращения двигателя обеспечивает существенную плавность хода; возможность плавного пуска и торможения; отсутствие маховика обеспечивает снижение момента инерции

Рис. 4. Зависимость мощности двигателя Р2, входной мощности Р1 и номинальной мощности двигателя при прямом пуске

Рис. 5. Зависимость потерь мощности двигателя при прямом пуске

и/. К Дне

52

48

44

40

36

32

28

24

20

16

12

8

4

\/

// 4'; /

/; // / 7 >  /

ф

/ / / / /  /

/у /. • У

/

/ / без с л гоири ЧАД б, ДС ДАД Ї1П п

/ '/

V 1 — — П отерії і

/ у

10 15

гр.с

20 25 30 33 40

Рис. 6. Потери энергии двигателя в зависимости от времени движения кабины.

Прерывистая зависимость - потери энергии в двухскоростном двигателе без учета потерь

на переходные процессы

[3].

подвижных частей лебёдки, что снижает потери энергии при пуске и останове кабины

Юр

1»*1ред

квш

АД 4 Редуктор

; ; Г пит 1

0)квш

IV

Кабина

Рис. 7. Схема лифтовой лебёдки со скалярным управлением

дс

юр ».Чред квш

АД 44- Ре ДУК ТО])

{ ПЇІТ - А '

О) кв их

Клбіша

Не

Рис. 8. Схема лифтовой лебёдки с векторным управлением

На испытательном лифтовом стенде ОАО «Элеси» (г. Томск) были проведены натурные испытания лифтовых лебёдок с приводом от двигателя 5АФ200МА 6/24НЛБУХЛ4 в скалярном режиме управления (рис. 7) и с приводом в векторном режиме управления (рис. 8).

Видно, что в обоих случаях (с датчиком скорости (ДС) и без датчика скорости) привод неплохо отрабатывает заданную частоту вращения вала, токи при маршевой скорости лифта практически равны и отличаются только при пуске и останове привода.

Среднее значения токов за время переходного процесса: скалярный режим /ск =18 А; векторный режим /вк = 16 А.

Потери в меди двигателя:

скалярный режим РСИСК = (/Ск(й1 + Й2')^ ,

векторный режим РСИВК =

60

40

20

0

Частота, Гц

ь—і Частота вращения вала і \ » = *—

Заданна 1 1 1 я частота вр ащения і 1 1

32А без ДС /22А сДС 1 1 1 16А Ток статора, ь 1

/

1.5

2.5 Время, с

3.5

45

Рис. 9. Осциллограмма плавного пуска и останова привода лебёдки лифта без ДС (скалярный

режим управления) и с ДС

Потери мощности в двигателе в переходных процессах и на «марше» складываются из потерь в меди, механических потерь Рмех = 0,5РН и потерь в стали Рст = 390 Вт:

Ар = Рси + Рмех + Рст.

Потери энергии зависят от времени работы лифта:

АЖ = Дрпп х Н + АРМЛР Х tМАР (Дж^

где ДРпп - потери мощности двигателя в переходных процессах (Вт);

1;пп - время переходных процессов (с);

Д Рмар - потери мощности в установившимся режиме;

¿мар - время движения лифта на марше.

На рис. 6 представлены сравнительные характеристики потерь энергии в зависимости от времени работы лифта для электродвигателя ДАД без учета потерь на переходные процессы, электродвигателя ДАД с учетом потерь на переходные процессы, электродвигателя ДАД со скалярным управлением и с векторным управлением.

Рис. 10. Снижение потерь энергии при применении частотно - регулируемого привода относительно двухскоростного привода лифтов

Величины потерь в двигателе зависят от времени работы привода и с увеличением времени работы в установившемся режиме доля потерь на переходный период уменьшается.

Вероятная величина подъёма лифта по [4] составляет:

НВ = (0,7 ^ 0,9)Н ,

где Н - высота подвеса лифта. Нв = 28 ^ 36 м.

Без учета переходных процессов, с высотой подвеса, равной Нв, сравнительные потери энергии составляют в соответствии с рис. 10 от 10 до 8 %, а по рис. 11 - от 1,2 до 1 %.

Рис. 11. Снижение потерь энергии при применении частотно-регулируемого привода с векторным управлением относительно привода со скалярным управлением

Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800) Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru

Таким образом, анализ потерь энергии с учетом переходных процессов показывает, что снижение потерь энергии при применении частотно-регулируемого привода относительно двухскоростного привода лифтов составляет от 8 до 10 % при маршевой скорости привода, с увеличением доли переходных процессов в суммарном времени работы привода потери энергии возрастают до 60 - 70 % .

Сравнение разных режимов управления показывает, что снижение потерь энергии при применении частотно-регулируемого привода с векторным управлением относительно привода со скалярным управлением составляет от 1 до 1,2 % при маршевой скорости привода, с увеличением доли переходных процессов в суммарном времени работы привода потери энергии возрастают выше 10 %.

1. Антропов А.Т., Ланграф С.В., Рикконен С.В., Гимпельс А.С. Современная лифтовая система с безредукторной лебёдкой // itech-журнал интеллектуальных технологий. - 2009, - № 14, - С. 22-29.

2. Антропов А.Т., Рикконен С.В. Сравнительный анализ энергозатрат лифтовых лебёдок // itech-журнал интеллектуальных технологий. - 2010, - № 15, - С. 24-30.

3. Браславский И.Я., Ишматов З.Ш., Поляков В.Н. Энергосберегающий асинхронный электропривод. - Москва: Академия, 2004. - 265 с.

4. Волков Д.П. Лифты. - М.: Изд-во АСВ, 1999. - 480 с.

5. Краснов И.Ю., Гусев Н.В., Ланграф С.В., Ляпушкин С.В. Обеспечение плавного разгона и торможения промышленных механизмов. - Томск: Известия Томского политехнического университета, - 2011. - Т. 319. - № 4. - С. 122-127.

Рецензент: Лукутин Борис Владимирович. Докт. техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроснабжение промышленных предприятий» Национального исследовательского Томского политехнического университета.

ЛИТЕРАТУРА