Учет характера нагрузки и требования к двигателям лебедок

В связи с отсутствием эффекта самоторможения в предлагаемых новых типах безредукторных лебедок в полной мере сказывается активный характер действия сил тяжести груза, кабины и противовеса. При не учете этого обстоятельства возможны “проседания” кабины или противовеса в начале и в конце движения при снятии или наложении механического тормоза. В лебедках с регулируемыми системами управления эту проблему разработчиками предлагается решать за счет введения в цикл движения участка, так называемого, режима удерживания кабины. В начале движения одновременно с подачей команды на снятие тормоза, или на доли секунды раньше, включается система управления с нулевым заданием по скорости и по положению. Двигатель лебедки, при этом, удерживает кабину на уровне этажа за счет создания момента, противодействующего сумме активных сил тяжести подъемного механизма. После полного снятия тормоза подается команда на начало движения и осуществляется разгон по диаграмме заданной формы. Процесс пуска начинается при ненулевых начальных условиях по току, который равняется току статической нагрузки, что положительно сказывается на качестве динамического процесса. Аналогично, при остановке кабины на этаже, когда ошибки по скорости и перемещению достигли нулевого значения, система управления отключает двигатель не сразу, а он удерживает кабину в “нулевом” положении до момента наложения тормоза. Режим удерживания кабины занимает по времени десятые доли секунды и на производительность лифта существенно не влияет. Применение подобного режима не только обеспечивает комфортность движения при пуске и остановке, но и изменяет характер работы механического тормоза. Отмечается, что в этом случае колодки тормоза не проскальзывают, что положительно сказывается на их износе.

При отказе от механического редуктора его роль выполняет двигатель лебедки. Электродвигатель, сохраняя ту же мощность (или меньшую мощность, с учетом вычета мощности потерь в редукторе), кроме того, что должен быть тихоходным, должен развивать пропорционально увеличенный рабочий момент. Общеизвестно, что габариты двигателя, его масса и момент инерции ротора при равной мощности значительно зависят от его номинальной скорости. Все быстроходные двигатели имеют малые габариты, а тихоходные, наоборот, большие. Изъятие из подъемного механизма редуктора, с передаточным отношением i_р требует такого же уменьшения скорости двигателя и соответствующего увеличения момента, что видно из таблицы 1.4.

Таблица 1.4 – Зависимости скорости двигателей лебедки от заданной скорости кабины и диаметра канатов

Машины переменного тока традиционной конструкции (асинхронные, синхронные) при этом должны иметь обмотку с огромным числом полюсов, которое теоретически доходит до 150. Для размещения большого количества полюсов потребуется большой объем пространства. Снижается качество распределения магнитного поля в воздушном зазоре. Кроме этого, создание большого момента требует соответствующего увеличения сечения магнитопроводов. Габариты и масса тихоходного двигателя значительно увеличиваются. Это объясняет возможность применения безредукторных лебедок с асинхронными двигателями в высокоскоростных лифтах, с теми условиями, где требования к двигателю оказываются более приемлемыми.

Относительно пассажирских лифтов массового применения со сравнительно невысокими скоростями, проблема решается за счет создания двигателей специальных конструкций, например синхронных с возбуждением от постоянных магнитов. Постоянные магниты, которые могут иметь индукцию в несколько раз большую, чем электротехническая сталь, при небольших габаритах (полюса имеют форму пластин, изготовленных методом порошковой металлургии), позволяют упростить проблему создания многополюсной машины с высоким моментом. Реально, количество полюсов синхронных машин меньше, а скорость больше указанных в таблице 1.4. Некоторые производители разрабатывают двигатели лебедок с ротором увеличенного диаметра, но «плоской» формы. Такие машины, кроме того, что стоят достаточно дорого, так же предъявляют особые требования к их обслуживанию и эксплуатации. Другим решением проблемы может быть применение специальных конструкции вентильных двигателей постоянного тока, индукторных двигателей, разработка которых продолжается.

Для решения проблемы создания лебедок с тихоходными двигателями существует интересная подсказка: для лифта заданной грузоподъемности и со сравнительно большой скоростью, например 2, 5 м/с, разрабатывается двигатель с достаточно «удобной, не очень проблемной» для проектирования скоростью, например 300 об/мин или более. Для лифта той же грузоподъемности, но со скоростью 1, 6 м/с присваивают этому двигателю новую искусственную номинальную скорость 192 об/мин., а для лифта 1 м/с – соответственно 120 об/мин. Преобразователь частоты без проблем обеспечивает эти скорости. Такой подход оправдывает себя относительно габаритов и массы двигателя. Специально спроектированный двигатель с номинальной скоростью 120 об/мин. будет тяжелее двигателя с тем же моментом и номинальной скоростью 300 об/мин. С точки зрения регулирования, этот подход также является приемлемым, поскольку современные системы управления имеют большие диапазоны регулирования скорости и изменение этого диапазона в несколько раз не снижает качество регулирования. Таким образом, одному и тому же двигателю, в зависимости от требований, присваиваются разные номинальные значения скорости и мощности. Эта ситуация напоминает аналогичную ситуацию для двигателей, которые работают в повторно – кратковременном режиме S3, когда один и тот же двигатель имеет разные номинальные данные, в зависимости от параметра продолжительности включения. Практическая польза заключается в том, что лебедка с таким двигателем, например для лифта со скоростью движения кабины 1 м/с, будет иметь намного лучшие масса – габаритные показатели сравнительно с лебедками со специально спроектированным двигателем. Другое дело относительно энергетических показателей, и здесь есть серьезный негатив. При работе с постоянным моментом снижение скорости приводит к уменьшению мощности и соответствующему уменьшению КПД. Если предположить, что при номинальном моменте при снижении скорости сохраняются номинальные потери мощности, то новое значение номинального КПД двигателя лебедки η _ин имеет зависимость от диапазона снижения номинальной скорости:

, (1.10)

где D_зн – диапазон искусственного снижения номинальной скорости;

η _н, η _ин – паспортный номинальный КПД двигателя, и КПД при работе на искусственной номинальной скорости.

Выражение (1.10) позволяет прогнозировать допустимую степень снижения скорости лебедки с серийным двигателем. Например, если номинальный КПД серийного двигателя составляет 90%, то при D_зн = 8, он снижается до 53%, а это уже меньше результирующего КПД традиционных редукторных лебедок. Если номинальный КПД двигателя составляет 80%, то уже при диапазоне снижения скорости D_зн = 4, КПД двигателя снижается до 50%. Именно такими значениями диапазонов уменьшения искусственной номинальной скорости оперируют большинство производителей. Некоторые разработчики и исследователи этого не скрывают и указывают сниженные в несколько раз частоты напряжения питания двигателей лебедок. Другие, очевидно понимая, что этот показатель носит негативный характер, эти данные вовсе не приводят [8]. Для устранения недоразумений, для лебедки данного конкретного лифта, необходимо детально проанализировать информацию о номинальных и искусственных значениях скорости и КПД ее составляющих.

Выводы

Во-первых, актуальным направлением развития лифтовых лебедок, является переход от редукторных конструкций к безредукторным, а также применение регулируемых систем управления. В этом направлении, на сегодняшний день, работает подавляющее большинство исследователей и мировых разработчиков.

Во-вторых, уменьшение динамических колебаний, возникающих в лифтовых подъемных механизмах возможно с помощью механических демпфирующих устройств. Однако снижение максимальных нагрузок на 30-40% в большинстве случаев не достаточно эффективно. Целесообразным и актуальным, видится разработка и усовершенствование способов ограничения демпфирования колебаний средствами систем управления.

В-третьих, дальнейшее техническое развитие традиционных лифтовых лебедок с червячным редуктором и двухскоростным асинхронным двигателем – ограничено, однако массовость их применения и невысокие рабочие показатели, в настоящее время, определяют требования по разработке методов и способов улучшения их динамических и энергетических характеристик.

В-четвертых, во многих лифтовых лебедках новых типов, при удовлетворительных массогабаритных показателях, применяется широкое варьирование пониженными скоростями двигателей, что приводит к значительному ухудшению их энергоэффективности, особенно в области скоростей перемещения кабины 1–1, 6 м/с. Использование серийных двигателей, в нижнем диапазоне скорости, приводит к значительному снижению энергетических показателей, которое полностью дискредитирует идею применения безредукторных лебедок.

В пятых, практически все ведущие разработчики скрывают конкретную техническую информацию о предлагаемых новых типах лифтовых лебедок. Необходимые данные исследователям или не доступны, или имеют разрозненный характер. По информации, которая присутствует, с помощью общепринятых методов, провести объективную сравнительную оценку энергетической эффективности лебедок различного исполнения и различных производителей, очень трудно, а иногда и невозможно.

В шестых, реальная загрузка пассажирских лифтов может существенно отличаться от величины пассажиропотока, определяемого расчетным путем по общепринятым методикам. Для синтеза параметров лебедок и систем управления, оценки энергетических показателей и выполнения технико-экономических расчетов, обязательным является наличие информации о реальной загрузке лифта, представленной на основании статических исследований. При отсутствии такой информации необходимо применение новых методов технико-экономического сопоставления применяемых вариантов и технических решений лифтовых подъемных механизмов.