БЕЗРЕДУКТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ЛИФТА (ВАРИАНТЫ)
GEARLESS ELECTRIC LIFT DRIVE (VERSIONS)

Предлагаемое техническое решение относится к области электротехники и может использоваться преимущественно в регулируемых безредукторных асинхронных электроприводах лифтовых установок.
Известен безредукторный электропривод лифта [Яновски Л. Проектирование механического оборудования лифтов. М.: Монография. Издательство АСВ. 2005, с. 134-144], содержащий асинхронный двигатель и преобразователь частоты, подключенный к сети переменного тока. Недостатком данного устройства является использование асинхронного двигателя, выполненного с числом витков обмотки статора, соответствующих номинальному напряжению и номинальной частоте сети, в диапазоне частот, значительно меньших номинальной. При этом преобразователь частоты должен быть выбран на номинальный ток указанного двигателя и имеет относительно высокую стоимость.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемым первому, второму и третьему вариантам изобретения является техническое решение [патент на полезную модель №55224, класс Н02К 3/00 и Н02К 17/00], в котором асинхронный двигатель для безредукторного электропривода, содержащего преобразователь частоты с возможностью формирования напряжений с пониженными по отношению к частоте сети частотами, выполнен с повышенным числом витков обмотки статора, что приводит к уменьшению тока, на который выбирается преобразователь частоты, и обеспечивает снижение его стоимости.
Недостатком данной полезной модели является использование приводного асинхронного двигателя с относительно большими габаритами.
В предлагаемых вариантах технического решения ставится задача одновременно со снижением тока уменьшить габариты и стоимость приводного асинхронного двигателя.
Решение поставленной задачи в первом варианте изобретения достигается тем, что в безредукторном электроприводе лифта, содержащем полиспастную подвеску кабины, преобразователь частоты с возможностью формирования напряжений с пониженными по отношению к частоте сети частотами и низкочастотный асинхронный двигатель, подключенный к выходу преобразователя частоты и предназначенный для работы с указанными напряжениями, наибольшее значение пониженной частоты на выходе преобразователя частоты установлено в зависимости от заданной номинальной скорости кабины лифта в соответствии с выражением
,
где  - наибольшее значение пониженной частоты на выходе преобразователя частоты;
ном
ν - заданная номинальная скорость кабины лифта;
пп
i - кратность полиспастной подвески кабины;
р - число пар полюсов обмотки статора асинхронного двигателя;
ш
D - диаметр канатоведущего шкива лифта;
- частота питающей сети,
а обмотки статора низкочастотного асинхронного двигателя выполнены на номинальное напряжение сети и наибольшее значение пониженной частоты.
Решение поставленной задачи во втором варианте изобретения достигается тем, что в безредукторном электроприводе лифта, содержащем полиспастную подвеску кабины, преобразователь частоты с возможностью формирования напряжений с пониженными по отношению к частоте сети частотами и низкочастотный асинхронный двигатель, подключенный к выходу преобразователя частоты и предназначенный для работы с указанными напряжениями, наибольшее значение пониженной частоты на выходе преобразователя частоты установлено в зависимости от заданной номинальной скорости кабины лифта в соответствии с выражением
,
где  - наибольшее значение пониженной частоты на выходе преобразователя частоты;
ном
ν - заданная номинальная скорость кабины лифта;
пп
i - кратность полиспастной подвески кабины;
р - число пар полюсов обмотки статора асинхронного двигателя;
ш
D - диаметр канатоведущего шкива лифта;
- частота питающей сети,
а обмотки статора низкочастотного асинхронного двигателя выполнены на номинальное напряжение сети и наибольшее значение пониженной частоты с числом витков, определяемым по формуле
,
1,нч
где w - число витков обмотки статора низкочастотного асинхронного двигателя;
1
w - расчетное число витков обмотки статора асинхронного двигателя, определяемое по номинальному напряжению и номинальной частоте сети;
c
U - действующее значение фазного номинального напряжения сети;
- действующее значение фазного напряжения на статоре асинхронного двигателя с расчетным числом витков, задающее при наибольшем значении пониженной частоты такой же критический момент, как и при номинальных значениях фазного напряжения и частоты сети.
Решение поставленной задачи в третьем варианте изобретения достигается тем, что в безредукторном электроприводе лифта, содержащем полиспастную подвеску кабины, преобразователь частоты с возможностью формирования напряжений с пониженными по отношению к частоте сети частотами и низкочастотный асинхронный двигатель, подключенный к выходу преобразователя частоты и предназначенный для работы с указанными напряжениями, наибольшее значение пониженной частоты на выходе преобразователя частоты установлено в зависимости от заданной номинальной скорости кабины лифта в соответствии с выражением
,
где  - наибольшее значение пониженной частоты на выходе преобразователя частоты;
ном
ν - заданная номинальная скорость кабины лифта;
пп
i - кратность полиспастной подвески кабины;
р - число пар полюсов обмотки статора асинхронного двигателя;
ш
D - диаметр канатоведущего шкива лифта;
- частота питающей сети,
а обмотки статора низкочастотного двигателя выполнены на заданное номинальное напряжение и наибольшее значение пониженной частоты с числом витков, определяемым по формуле
,
1,нч
где w - число витков обмотки статора низкочастотного асинхронного двигателя;
1
w - расчетное число витков обмотки статора асинхронного двигателя, определяемое по его номинальным значениям напряжения и частоты;
н
U - действующее значение заданного фазного номинального напряжения на статоре низкочастотного асинхронного двигателя;
- действующее значение фазного напряжения на статоре асинхронного двигателя с расчетным числом витков, задающее при наибольшем значении пониженной частоты низкочастотного двигателя такой же критический момент, как и при его номинальных значениях фазного напряжения и частоты.
На фиг. 1 изображен безредукторный вариант кинематической схемы лифта с полиспастной подвеской кабины и приводным двигателем. На фиг. 2 показана схема электропривода.
Кинематическая схема лифта содержит асинхронный двигатель 1, на валу которого установлены канатоведущий шкив 2 и тормозное устройство 3. Канатоведущий шкив 2 охватывается тяговым канатом 4, который огибает полиспастные блоки 5 и 6 и обеспечивает движение кабины 7 и противовеса 8. Приведенная на фиг. 1 кратность полиспастной подвески равна двум. Для реализации вариантов предлагаемого технического решения возможно также использовать полиспастные подвески с кратностью 3 и 4.
Обмотки статора двигателя 1 подключены к выходу преобразователя 9 частоты, вход которого соединен с сетью 10 переменного тока. Преобразователь 9 снабжен блоком 11 управления, с помощью которого устанавливают указанное в формуле изобретения наибольшее значение пониженной частоты на выходе преобразователя и задают требуемые в процессе работы лифта значения напряжения и частоты для асинхронного двигателя.
Принцип действия предлагаемого технического решения заключается в следующем.
с
Поскольку электропривод лифта безредукторный, момент сопротивления М двигателя практически равен моменту на канатоведущем шкиве. При подъеме номинального груза момент сопротивления достигает максимального значения
,
определяющего наибольшее значение потребляемой мощности в установившемся режиме
.
2
1эл
В последних формулах Q - масса номинального груза в кабине; g=9,81 м/с;  - синхронная скорость асинхронного двигателя, соответствующая наибольшему значению пониженной частоты; ΔP - электрические потери в обмотке статора.
ш
к
к
Вследствие наличия полиспастной подвески сила натяжения каната уменьшается пропорционально ее кратности. Со снижением силы натяжения каната соответственно снижают его сечение, а также и диаметр канатоведущего шкива, поскольку между диаметрами шкива и каната поддерживают следующее соотношение: D/d≈30÷45, где d - диаметр каната.
с,max
Согласно формуле для момента сопротивления М при введении полиспастной подвески и уменьшении диаметра канатоведущего шкива существенно уменьшается момент приводного двигателя, что соответственно приводит к снижению его габаритов и стоимости.
1
При использовании вариантов предлагаемого технического решения, кроме уменьшения момента приводного двигателя, также снижается ток в его обмотке статора. Действительно, низкочастотный асинхронный двигатель представляет собой двигатель традиционной конструкции, обмотка статора которого рассчитана на наибольшее значение пониженной частоты на выходе преобразователя частоты и на максимально возможное напряжение. При этом ток статора имеет минимально возможное значение, так как потребляемая мощность P асинхронного двигателя пропорциональна действующим значениям напряжения и тока.
Предполагается, что для второго и третьего вариантов предлагаемого изобретения выполнены проектировочные расчеты вспомогательных асинхронных двигателей на заданные значения номинальных моментов, напряжений и частот. По результатам расчета таких двигателей, которые можно назвать базовыми, известны все параметры их Т-образных схем замещения. Параметры базового двигателя используются далее для облегченного расчета рабочего асинхронного двигателя, подключенного к преобразователю частоты. Частоты выходных напряжений этого преобразователя всегда ниже частоты питающей сети, поэтому такие рабочие двигатели можно назвать низкочастотными.
В качестве базовых двигателей для второго варианта предлагаемого технического решения используются асинхронные двигатели, рассчитанные на номинальную частоту питающей сети, а для третьего варианта - низкочастотные асинхронные двигатели, рассчитанные на пониженную частоту.
В качестве рабочих двигателей для предлагаемого изобретения применяются низкочастотные асинхронные двигатели, которые отличаются от соответствующих базовых только числом витков обмотки статора.
Поскольку значения параметров Т-образной схемы замещения асинхронного двигателя приведены к цепи статора, они пропорциональны квадрату числа витков обмотки статора. Поэтому параметры рабочего низкочастотного двигателя связаны с соответствующими известными параметрами базового двигателя следующим образом:
,
1
σ1
0
где  - отношение числа витков обмоток статора рабочего и базового двигателей; R,  и L,  - активные сопротивления и индуктивности рассеяния обмоток соответственно статора, ротора базового двигателя; М - взаимная индуктивность ветви намагничивания базового двигателя.
Анализ второго варианта технического решения. Для второго варианта технического решения в качестве базового использован асинхронный двигатель, рассчитанный на номинальную частоту и номинальное напряжение питающей сети и обозначенный как «б2».
Критические моменты базового двигателя равны:
при номинальной частоте и номинальном напряжении сети
;
при наибольшем значении пониженной частоты
,
c
где U и  - номинальные значения фазного напряжения и круговой частоты сети;
и  - фазное напряжение базового двигателя и круговая частота, соответствующая наибольшему значению пониженной частоты  рабочего двигателя.
Согласно пояснению напряжения , приведенному в формуле изобретения для второго варианта, критические моменты  и  базового двигателя одинаковы. Поэтому, приравнивая далее эти критические моменты друг к другу, получаем выражение для напряжения  в виде:
.
Критический момент рабочего низкочастотного двигателя, обозначенного как «р2», при наибольшем значении пониженной частоты равен:
где  - коэффициент отношения числа витков рабочего и базового асинхронных двигателей.
Из выражений для критических моментов рабочего  и базового  асинхронных двигателей при наибольшем значении пониженной частоты следует:
.
Принимая в последней формуле условие , получаем два равенства:
;
.
Первое равенство представляет собой формулу для числа витков обмотки статора рабочего низкочастотного асинхронного двигателя. Из второго равенства следует, что при наибольшем значении пониженной частоты критические моменты рабочего и базового двигателей одинаковые.
Согласно формуле изобретения для второго варианта обмотки статора низкочастотного двигателя выполнены с числом витков, определяемым по выражению
,
откуда следует
.
W2
w2
Таким образом, k≤k. В этом случае согласно формуле для критического момента рабочего двигателя его значение  может возрасти на 20-25% при небольшом увеличении тока статора, что приведет к увеличению перегрузочной способности низкочастотного асинхронного двигателя.
Анализ третьего варианта технического решения. Для третьего варианта технического решения в качестве базового использован низкочастотный асинхронный двигатель, обозначенный как «б3».
Критические моменты этого базового двигателя равны:
при его номинальных значениях напряжения и частоты
;
при наибольшем значении пониженной частоты соответствующего рабочего двигателя, обозначенного как «р3»,
,
б3
где U и  - номинальные значения фазного напряжения и круговой частоты базового двигателя «б3»;
и  - фазное напряжение базового двигателя «б3» и круговая частота, соответствующая наибольшему значению пониженной частоты  рабочего двигателя «р3».
Согласно пояснению напряжения , приведенному в формуле изобретения для третьего варианта, критические моменты  и  одинаковы. Поэтому, приравнивая далее эти критические моменты друг к другу, получаем выражение для напряжения  в виде:
.
Критический момент рабочего низкочастотного двигателя «р3» при наибольшем значении пониженной частоты и его номинальном напряжении равен:
,
р3
где U - заданное номинальное значение фазного напряжения рабочего низкочастотного двигателя «р3»;
- коэффициент отношения числа витков рабочего и базового асинхронных двигателей.
Из выражений для критических моментов рабочего  и базового  асинхронных двигателей при наибольшем значении пониженной частоты следует:
.
Принимая в последней формуле условие , получаем два равенства:
;
.
Первое равенство представляет собой формулу для числа витков обмотки статора рабочего низкочастотного асинхронного двигателя «р3». Из второго равенства следует, что при наибольшем значении пониженной частоты критические моменты рабочего и базового двигателей одинаковые.
Согласно формуле изобретения для третьего варианта обмотки статора низкочастотного двигателя выполнены с числом витков, определяемым по выражению
,
откуда следует
.
W3
w3
Таким образом, k≤k. В этом случае согласно формуле для критического момента рабочего двигателя его значение  может возрасти на 20-25% при небольшом увеличении тока статора, что приведет к увеличению перегрузочной способности низкочастотного асинхронного двигателя.
Согласно формуле изобретения и проведенному анализу второго и третьего вариантов технического решения числа витков обмоток статора рабочих двигателей определяются по значениям соответствующих фазных напряжений  или  базовых двигателей, которые можно определить расчетным или экспериментальным путем. Расчетным путем эти напряжения определяются по приведенным выше формулам, которые получены для упрощенной схемы замещения асинхронного двигателя. Можно показать, что результаты расчетов по указанным формулам близки к соответствующим результатам, полученным для Т-образной схемы замещения. При этом выражения для чисел витков рабочих низкочастотных асинхронных двигателей не изменяются.
Определение указанных напряжений экспериментальным путем производится по следующему алгоритму. Сначала находят критический момент базового двигателя при его номинальных значениях напряжения и частоты. Затем при наибольшем значении пониженной частоты рабочего двигателя подбирают фазное напряжение базового двигателя, при котором его критический момент равен найденному ранее. Подобранное таким образом напряжение и является искомым. Подставляя далее его значение в соответствующую формулу полезной модели, находят число витков обмотки статора рабочего двигателя.
При использовании данного алгоритма определения требуемого числа витков обмотки статора рабочий двигатель может быть изготовлен без дальнейших сложных расчетов.
Наиболее удобно производить рабочие низкочастотные асинхронные двигатели на базе двигателей, выпускаемых электромеханическими заводами. Действительно, если учесть, что рабочие и базовые двигатели отличаются друг от друга только числом витков обмотки статора, то, подбирая по моменту двигатель из выпускаемых заводами в качестве базового, нетрудно рассчитать и изготовить соответствующий рабочий низкочастотный двигатель. Таким путем можно значительно расширить номенклатуру выпускаемых низкочастотных асинхронных двигателей, в частности, для безредукторных асинхронных электроприводов лифтов.
Предлагаемый безредукторный электропривод лифта обеспечивает уменьшение токов статора и преобразователя частоты, а также снижение габаритов двигателя и соответственно всей лифтовой лебедки, что очень важно, в частности, для лифтов без машинного помещения.