Энергетическая эффективность и рекуперация энергии

Экономичность и энергоэффективность безредукторных лебедок достигается, прежде всего, за счет изъятия одного из основных звеньев – редуктора и уменьшения объемов кинетической энергии, которую запасает при пуске тихоходный приводной двигатель. Вместе с тем, количественный анализ реальной энергетической эффективности новых типов лебедок в большинстве случаев ограничивается отсутствием информации об основных базовых показателях, что подчеркивается многими исследователями [13].

При аналитическом обзоре лебедок разных производителей чаще всего встречаются выражения: “…внедрение данного технического решения привело к уменьшению потребления энергии на 35%, 45% или 90%”. Как правило, это не информативно. Так как, в большинстве случаев, сравнение выполняется с предыдущим подобным образцом лебедки именно этого разработчика. Но каждый производитель выпускает большой перечень лифтов различных грузоподъемностей и скоростей, каждая компания имеет свои традиции конструирования, использует разные материалы и закладывает разные запасы прочности. Следовательно, массы подвижных частей лифтов – кабины, противовеса, двигателя, редуктора, шкивов, канатов и блоков, также разнятся. Лифты устанавливаются в зданиях различного назначения, и величина потребляемой энергии напрямую зависит от параметров пассажиропотока и графика эксплуатации на протяжении интервалов времени. И наконец, характер и величина загрузки кабины приводит к тому, что определенное время двигатель лебедки может работать в генераторном режиме. При этом существенное значение имеет способ использования генерируемой энергии: накопление в конденсаторах фильтра (специальных накопителях), рассеяние на тормозных резисторах в виде нагрева или рекуперации в сеть.

Особое внимание уделяется рекуперации – отдачи энергии в сеть, как наиболее энергоэффективному виду торможения. В установившемся режиме, рекуперация энергии возможна, если мощность активных сил превышает суммарные потери мощности. Например, в режимах спуска нагруженной кабины или подъема пустой кабины. Здесь нужно учитывать реактивный характер всех сил и моментов потерь. Рекуперация может выполнятся только в том случае, если сумма составляющих активной силы тяжести будет превышать сумму потерь, вызванных реактивными силами, то есть когда появляется избыточная энергия. Для нерегулируемой системы управления, рекуперация при спуске кабины возможна только тогда, когда масса груза приближается к номинальной, или превышает ее, а в большинстве других вариантах загрузки кабины, двигатель лебедки будет работать в двигательном режиме. При применении регулируемой системы управления тихоходным двигателем безредукторной лебедки, рекуперация возможна при небольших небалансах сил тяжести кабины с грузом и противовеса.

В динамических режимах, если объем кинетической энергии принять за единицу, по при пуске, из сети потребляется энергия, равная:

. (1.6)

Потери энергии в преобразователях будут определяться:

, (1.7)

где η – результирующий КПД лебедки с двигателем и преобразователем, о.е.

При торможении в сеть отдается энергия , а потери равны:

. (1.8)

Можно вычислить такое граничное значение КПД преобразователей η _гр, при котором рекуперация энергии в цикле «пуск – торможение» отсутствует. Это случай, когда сумма потерь энергии при пуске и при торможении равняется кинетической энергии:

(1.9)

Откуда величина граничного значения коэффициента полезного действия составляет 0, 618. При этом значении КПД, в цикле «пуск – торможение» из сети потребляется энергия, равная кинетической энергии запасенной в подъемном механизме, а кинетическая энергия, которая отдается при торможении, компенсирует потери энергии. Если КПД будет больше этого граничного значения η _гр, то рекуперация энергии возможна, и из сети потребляется меньший объем энергии. При значениях КПД меньших η _гр, рекуперация невозможна, а из сети потребляется энергия, большая кинетической энергии.

Здесь нужно также учитывать «расстояние» каждого из элементов лифтового подъемного механизма от питающей сети. Так, лебедка «соединена» с сетью посредством электромеханического преобразователя с КПД, например η _дв=0, 9 и полупроводникового преобразователя с достаточно большим КПД, η _нп=0, 97. Общий КПД составляет 0, 873. Поэтому в цикле накопления и отдачи кинетической энергии, ротором двигателя потери энергии не только компенсируются, но и некоторая часть энергии может рекуперироваться в сеть. Для элементов механизма подъема, которые находятся «дальше» от сети, а это – груз, кабина и противовес, общее значение КПД может оказаться таким, что исключит возможность рекуперации. Например, КПД лифта с редукторной лебедкой и асинхронным двигателем с частотным управлением η _кп * η _р * η _дв * η _нп = 0, 95*0, 75*0, 9*0, 97 = 0, 622, находится на границе возможного условия рекуперации. Для редукторного лифта с неуправляемым двухскоростным двигателем суммарный КПД менее 0, 618, а рекуперация отсутствует, что подтверждается экспериментами и математическим моделированием. Для безредукторной лебедки КПД η _кп * η _дв * η _нп = 0, 95*0, 81*0, 97 = 0, 746, при этом, рекуперация части накопленной кинетической энергии возможна. Конечно, подобный анализ возможностей рекуперации отдельными составляющими лифта является приближенным, а окончательный вывод делается только после сведения баланса энергии по всем ее элементам. Однако показанная методика позволяет качественно оценить один из важных параметров энергетической эффективности лифтовых систем на основании каталожных параметров производителей.

Круг вопросов ограничивается элементами подъемных лебедок и механизмов подъема, хотя для полной картины следует также учитывать энергию, потребляемую вспомогательными устройствами лифтов (системами освещения, автоматики и т.д.). Эти составляющие так же имеют «вес» в суммарном балансе энергии, которая потребляется лифтом. Для примера на рисунке 1.8 показаны диаграммы, построенные по данным компании OTIS (приведенные зависимости для лифтов грузоподъемностью 1000 кг, скоростью 0, 76 м/с, предназначенные для обслуживания 8-ми этажного дома; типы привода: гидравлический, электрический с редуктором и двухскоростным двигателем, электрический безредукторный).

Следует отметить, что данные по потреблению энергии отдельными составляющими лифтов носят противоречивый характер и как правило, приводятся без предоставления информации об интенсивности работы лифтовых подъемных механизмов. Интересно, что при уменьшении потребления энергии редукторными лебедками при переходе к управляемым системам управления и безредукторным лебедкам, другие составляющие затрат энергии становятся более значимыми в суммарном балансе. Большинство исследований сходятся на том, что это так же должно быть объектом дальнейшего изучения в области энергоэффективности пассажирских лифтов [12].

Рисунок 1.8 – Зависимости объемов потребляемой лифтами энергии