Энергопотребление лифтов

Население нашей планеты в настоящее время составляет уже более 7, 1 миллиарда человек. По разным оценкам в 2050 году население возрастет до 9, 2 миллиардов. Вследствие этого потребность в энергетических ресурсах увеличится на 60% уже к 2030 году по сравнению с 2004 годом. Во всех отраслях хозяйственной деятельности вопросы энергосбережения приобретают все большее значение.

На здания и сооружения приходится около 40% энергетических затрат [14]. В различных источниках приведены различные оценки доли лифтов в суммарном энергопотреблении здания. Они колеблются в среднем от 3% до 10% [15].

Лифтовое оборудование, как нам известно, не имеет определенного рабочего цикла. Их нагрузка зависит от типа здания (офис, административный центр, производственный цех, и т.д.), назначения лифта (панорамный, грузовой и др.) и имеет случайный характер. В Германии более 78% лифтового оборудования установлено в зданиях небольшой высотности (до 6 этажей) [17]. Проведенные рядом исследовательских центров (ENEA, ISI, ISR-UC, ELA, КАРЕ) исследования показали, что количество лифтов в жилых зданиях составляет по ряду Европейских стран (Западная Европа, Чехия, Дания, Финляндия, Греция, Италия, Португалия, Испания, Швеция, Норвегия) около 64% [18]. Наибольшее количество лифтов установлено в жилых зданиях, вопросы их энергопотребления наиболее актуальны.

В таблице 2.1 показаны сведения о суммарном годовом энергопотреблении лифтового оборудования.

Таблица 2.1 – Годовое энергопотребление лифтового оборудования

*СДПМ — синхронный двигатель с постоянными магнитами

Из таблицы 2.1 следует, что по сравнению с лифтами, оборудованными редукторным электроприводом, лифты с безредукторным электроприводом потребляют меньше энергии. Отличия в энергопотреблении лифтов обусловлены не только типом используемого электропривода, но и различными энергосберегающими мероприятиями. Данные показанные в литературе, как правило, относятся к энергопотреблению всего лифта. Поэтому остается неопределенным, какая часть электроэнергии сэкономлена благодаря использованию безредукторного электропривода, а какая за счет других энергосберегающих мероприятий.

Лифтовое оборудование включает в себя множество устройств, которые обеспечивают его безопасную и надежную эксплуатацию. Главный электропривод и электропривод дверей кабины, освещение, станция управления, система диспетчеризации, органы управления, вентиляция, устройства и цепи безопасности – это еще не полный список, потребителей электроэнергии лифта. В лифтовом оборудовании можно выделить два характерных режима энергопотребления: режим движения (перевозки) и режим ожидания (простоя). Для каждого из режимов работы характерно различное влияние на суммарное энергопотребление перечисленных потребителей.

Во время перевозке пассажиров задействованы все системы лифта. Режим движения лифтового оборудования характеризуется большей мощностью энергопотребления в сравнении с режимом простоя, однако в режиме простоя лифт работает больше времени. Энергопотребление лифтов в режиме простоя составляет по разным данным от 20% до 85% от общего энергопотребления [19]. Для лифтов с меньшей интенсивностью использования соответствует большее значение потребления. Для лифтового оборудования, работающего в жилых зданиях, эта цифра равна порядка 70%, а для лифтов, которые установлены в больницах и административных зданиях - 25% [16].

Энергетические характеристики интенсивно используемых лифтов (офисные и больничные здания) в большей мере определяются показателями электропривода, а лифты с малой интенсивностью использования (жилые дома) — мощностью потребителей, которые задействованы в режиме ожидания. Использование энергосберегающего электропривода на лифтах с высокой интенсивностью использования позволяет значительно улучшить энергетические показатели лифта. На лифтах с небольшой интенсивностью использования для энергосбережения эффективно использовать меры, снижающие потребление энергии в режиме ожидания.

Для снижения потребления энергии в режиме ожидания широко используется отключение неосновных потребителей [21]. В этом случае для пуска лифта требуется дополнительное время, что остается практически незаметным для пассажиров, а эффект уменьшения энергопотребления существенный. Использование энергосберегающего освещения также снижает энергопотребление лифта [19].

При наличии нескольких лифтов влияние на эффективность их использования оказывает используемый групповой алгоритм управления, в котором критерий минимального энергопотребления должен быть соответствующим образом учтен.

При выборе преобразователя частоты для регулируемого электропривода следует обращать внимание на его энергопотребление в режиме ожидания. Мощность потребления энергии преобразователем частоты составляет от 20 до 30 Вт при мощности от 4 до 7, 5 кВт без учета потребления вентилятором охлаждения, использующем от 6 до 14 Вт [15]. За год потребляемая инвертором в режиме ожидания энергия может составить 200-380 кВт*ч.

Улучшение энергетических показателей лифта является комплексной задачей и требует рассмотрения множества факторов. Использование безредукторного электропривода, энергосберегающего освещения, отключение неосновных потребителей энергии в режиме ожидания, уменьшение мощности станции управления и другие меры улучшают эффективность лифта. Указанные меры приводят к различному экономическому эффекту в зависимости от интенсивности использования лифта.

В случае внедрения энергосберегающих мероприятий на действующих лифтах требуется замена оборудования. Для этого необходимы единовременные капиталовложения. Требуется тщательно сопоставлять материальные затраты и ожидаемый эффект снижения потребления энергии для каждого энергосберегающего мероприятия в отдельности.

Использование безредукторного электропривода с тихоходным асинхронным двигателем позволяет обеспечить высокий комфорт перемещения, снизить механические нагрузки на элементы лифта. Это подтвердилось в ходе испытаний лифтов, различной грузоподъемности и скорости движения [22]. Энергосбережение является важным, но не единственным аспектом улучшения эффективности лифта при использовании безредукторного электропривода с тихоходным асинхронным двигателем.

2.2Оценка энергетической эффективности электропривода лифта

Наиболее точную оценку энергетической эффективности электропривода лифта могут дать длительные наблюдения за энергопотреблением на различных лифтах. Использование таких методов в каждом конкретном случае представляется затруднительным. Возрастающее внимание к энергетическим показателям лифтового оборудования заставляет использовать методы, позволяющие с минимальными временными затратами экспериментально определить такие показатели.

На сегодняшний день отсутствуют подобные, утвержденные законодательно, отечественные методы. В Европе разработаны две методики, представленные в следующих документах: ISO/DIS 25745-1 - [24] (2008 год) и VDI 4707 - [21] (2009 год). В этих методиках предлагается определять энергетические показатели лифта в режимах движения и простоя.

В режиме ожидания производится измерение потребляемой мощности после 10 минут простоя лифта. За это время станция управления перейдет в режим ожидания, отключив неосновные потребители.

В режиме движения согласно двум методикам оценка энергоэффективности лифта производится путем измерения потребляемой энергии, затрачиваемой в определенном контрольном цикле. Контрольный цикл - перемещение пустой кабины лифта на высоту шахты 2 раза (в каком-либо начальном и обратном ему направлении) [24]. Такой цикл используется ввиду простоты его реализации (отсутствует необходимость в использовании тарированных грузов) [25].

Для экспериментального определения энергетических показателей электропривода лифта требуется измерять потребляемую энергию. В частотно-регулируемом электроприводе наибольшее распространение на сегодняшний день получили преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока и неуправляемым выпрямителем на входе. Форма тока, потребляемая из сети данным типом устройств, является несинусоидальной. Такой тип преобразователей частоты используется в составе безредукторного электропривода. При несинусоидальных формах токов и напряжений для определения электрической энергии, передаваемой по трем фазам питающей сети, применима формула:

(2.1)

где p_A, p_B и p_C – мгновенная электрическая мощность, передаваемая по фазам А, В и С;

t – период времени, для которого определяется потребляемая (отдаваемая) из сети энергия.

Мгновенная мощность выражается через фазные напряжения и токи:

(2.2)

В случае, когда напряжения в фазах питающей сети симметричны, напряжение одной из фаз (например, С) можно выразить через напряжения других фаз:

(2.3)

Ток одной из фаз также можно выразить через другие фазные токи:

(2.4)

С учетом (2.3) и (2.4) выражение (2.1) можно записать в виде:

(2.5)

Формула (2.5) позволяет определить потребляемую (или отдаваемую) нагрузкой энергию из трехфазной сети с использованием фазных напряжений и токов двух питающих фаз.

Для измерения напряжений и токов использован изготовленный автором измерительный комплекс, состоящий из датчиков тока (LEM LT 100-S) и напряжения (LEM LV 25-Р), смонтированных с блоком питания и вспомогательными измерительными цепями в универсальный измерительный блок (рисунок 2.1), персонального компьютера с платой аналого-цифрового преобразователя (производства L-Card). Сигналы с датчиков тока и напряжения оцифровывались при помощи АЦП и сохранялись в персональном компьютере. Массивы получаемых данных позволяют не только определить снижение энергопотребления при использовании безредукторного электропривода с тихоходным асинхронным двигателем, но и проанализировать особенности энергетических процессов в электроприводе.

Рисунок 2.1 – Измерительный комплекс

Получаемые с АЦП данные имеют дискретный характер. Для вычисления потребляемой энергии используем методы численного интегрирования и запишем выражение (2.5) в виде:

(2.6)

где — период дискретизации;

N — число точек в обрабатываемом массиве;

и_Аk, i_Аk и и_Bk, i_Bk — значения тока и напряжения при k-м измерении.

Выражение (2.6) позволяет определять значение потребляемой (или отдаваемой) энергии из питающей сети при произвольных формах токов и напряжений, в том числе и при синусоидальных. Приведенный способ измерения потребляемой энергии применим как для нерегулируемого, так и регулируемого электропривода.

2.3 Результаты экспериментальной оценки энергетической эффективности действующих лифтовых установок

Измерения потребляемой энергии были проведены на действующих лифтах с характеристиками, указанными в таблице 2.2. Лифты установлены по адресу: город Алматы, 9 микрорайон, дом 29а.

Таблица 2.2 – Параметры лифтов

*ТАД — тихоходный асинхронный двигатель

Параметры электродвигателей лебедок указаны в таблице 2.3.

Таблица 2.3 – Параметры электродвигателей лебедок

На лифтах с редукторным электроприводом на базе двухскоростного АД (№ 1) и безредукторным с тихоходным асинхронным двигателем (№2) проведены измерения потребляемой электроприводом энергии в контрольном цикле согласно [24]. В том же цикле проведены измерения энергопотребления каждого лифта в целом. Контрольный цикл включал движение пустой кабины сначала на спуск (двигательный режим), затем на подъем (генераторный режим). Каждое измерение проведено три раза.

На рисунке 2.2 приведены фотографии испытуемых электроприводов лифтов.

А) редукторный Б) безредукторный

Рисунок 2.2 – Испытуемые электропривода

Из приведенных фотографий на рисунке 2.2 и данных в таблице 2.3 видно, что электропривод с тихоходным асинхронным двигателем имеет меньшие массогабаритные показатели по сравнению с лебедкой на базе двухскоростного АД.

На рисунке 2.3 указаны потребители энергии рассматриваемых лифтов, и места подключения универсального измерительного комплекса. Измерения на лифте с редукторным электроприводом проводились в цепях, питающих двухскоростной АД, на лифте с безредукторным электроприводом - в питающих преобразователь частоты цепях (точки 1-1' на рисунке 2.3). Энергопотребление лифта в каждом случае определялось при подключении измерительного комплекса после вводного устройства (точки 2-2' на рисунке 2.3).

На рисунке 2.4 приведены осциллограммы изменения тока и напряжения в одной из питающих фаз лифта с редукторным электроприводом на базе двухскоростного АД, на рисунке 2.5 — лифта с безредукторным электроприводом на базе тихоходного асинхронного двигателя.

Из рисунка 2.4 видно, что редукторный электропривод с двухскоростным асинхронным двигателем характеризуется значительными бросками токов при разгоне и замедлении от номинальной до пониженной скорости. Движение кабины с пониженной скоростью осуществляется при повышенном значении тока. Подобный характер изменения амплитуды потребляемого тока характерен как для двигательного, так и для генераторного режимов работы электропривода.

Рисунок 2.3 – Схематическое изображение потребителей энергии в лифте

Рисунок 2.4 – Осциллограммы токов и напряжений в фазе, питающей редукторный электропривод

Потребляемый безредукторным электроприводом с тихоходным асинхронным двигателем ток в динамических режимах не имеет пиков, как в случае с двухскоростным двигателем (рисунок 2.5). При движении кабины с пониженной скоростью ток снижается относительно значения при номинальной скорости. В генераторных режимах работы токи протекают только на участках разгона и движения с малой скоростью.

Рисунок 2.5 – Осциллограммы токов и напряжений в фазе, питающей безредукторный электропривод

На рисунке 2.6 приведены осциллограммы напряжения в одной из питающих фаз для рассматриваемых электроприводов.

Рисунок 2.6 – Осциллограммы питающего напряжения редукторного (а) и безредукторного (б) электроприводов

Из рисунка 2.6, а видно, что значительные броски тока редукторного электропривода в режимах разгона, замедления и движения с пониженной скоростью обусловливают просадки питающего напряжения. В случае безредукторного электропривода с тихоходным асинхронным двигателем просадки напряжения отсутствуют (рисунок 2.6, б).

При проведении измерений помимо исследуемых лифтов в режиме «нормальной работы» продолжали функционировать еще два лифта с редукторным электроприводом, аналогичным с используемым на лифте №1. Эти лифты запитаны от той же электросети. На осциллограммах изменения питающего напряжения безредукторного электропривода (рисунок 2.6, б на 20-й и 45-й секунде) видны просадки напряжения, обусловленные динамическими режимами работающих одновременно лифтов с редукторным электроприводом. На осциллограммах для лифта № 1 (рисунок 1.6, а на 15-й и 45-й секунде) также видны просадки напряжения, вызываемые работающими лифтами с редукторным электроприводом. Для двух других питающих фаз рассматриваемых электроприводов формы токов, напряжений, их взаимное расположение качественно не отличается от приводимых выше.

В общем случае реактивным является элемент, интеграл мгновенной мощности для которого за период времени остается равным нулю [26]. В течение периода колебания сетевого напряжения двухскоростной АД энергию из сети то потребляет, то отдает и является активно-реактивным элементом. Преобразователь частоты энергию из сети только потребляет.

На рисунке 2.7 приведены построенные с использованием формулы (2.6) графики потребления энергии для редукторного и безредукторного электроприводов.

Из рисунке 2.7, а видно, что редукторный электропривод с двухскоростным АД в генераторном режиме возвращает энергию в сеть. Однако при разгоне и движении с пониженной скоростью в генераторном режиме он потребляет энергии больше, чем отдает при движении с номинальной скоростью.

В режимах разгона, замедления и движения с малой скоростью редукторный электропривод потребляет энергию более интенсивно, чем безредукторный. Безредукторный электропривод потребляет энергию равномерно как в статических, так и динамических режимах работы, при снижении рабочей скорости снижается мощность потребления энергии.

Электропривод с тихоходным асинхронным двигателем в генераторном режиме работы энергию практически не потребляет (рисунок 2.7, б).

Рисунок 2.7 – График потребления энергии редукторным (а) и безредукторным (б) электроприводами

В таблице 2.4 и таблице 2.5 приведены результаты трех измерений потребляемой электроприводами энергии для характерных этапов движения кабины: разгон, движение с номинальной скоростью, замедление и последующее движение кабины с пониженной скоростью. Также приведены цифры, полученные при усреднении результатов трех измерений.

Таблица 2.4 – Потребляемая энергия редукторной лебедкой с двухскоростным АД

Таблица 2.5 – Потребляемая энергия лебедкой с безредукторным ЭП с ТАД

Из таблицы 2.4 и таблицы 2.5 видно, что результаты трех измерений близки друг к другу, что говорит о повторяемости результатов эксперимента.

В динамических режимах (разгон, замедление), составляющих 17 % от общей продолжительности цикла, двухскоростной АД потребляет 17, 7 Вт · ч (40 %) энергии. В статических режимах энергопотребление составляет 26, 14 Вт · ч энергии. Безредукторный электропривод в динамических режимах потребляется 5 Вт · ч (11, 5 %) энергии, в статических - 29, 6 Вт · ч энергии.

Экономия энергии при, использовании безредукторного электропривода связана со снижением энергопотребления в динамически режимах работы. Это происходит в результате снижения потребной для разгона лифта механической энергии при использовании безредукторного регулируемого электропривода.

В таблице 2.6 приведены усредненные по трем измерениям суммарные затраты энергии электропривода и электрооборудования лифта в рассматриваемом цикле работы.

Таблица 2.6 – Потребляемая электроэнергия электроприводом и электрооборудованием лифта

Анализ приводимых в таблице 2.6 данных показывает, что безредукторный электропривод с тихоходным асинхронным двигателем потребляет в рассматриваемом цикле на 9, 9 Вт · ч (22, 5 %) меньше энергии.

Сопоставляя результаты измерений энергопотребления для электроприводов (таблица 2.6) и лифтов в целом в том же цикле, можно сделать вывод, что в режиме движения на долю электропривода лебедки приходится более 80 % потребляемой лифтом энергии. В режиме движения мощность электропривода преобладает над мощностью остальных потребителей, энергетические показатели лифта в режиме движения определяются, главным образом, его характеристиками.

При проведении измерений кабина перемещалась на всю высоту шахты (7 этажей). В таком цикле влияние динамических режимов на суммарное потребление энергии минимально. Лифт за одну поездку редко перемещается на всю высоту шахты. Такой режим характеризуется маленьким числом включений в час. К примеру, рассматриваемые лифты преодолевают расстояние в 7 этажей за 30 секунд. Прибавив сюда 15 секунд (минимальное время, необходимое для открывания и закрывания дверей), получаем, что один пуск лифта занимает 45 секунд. Этому соответствует не более 80 включений в час. Представляет интерес учесть число включений и ПВ, характерные для самого интенсивного режима использования лифта.

Согласно [27] режим с максимальной интенсивностью использования пассажирского лифта характеризуется следующими показателями: 150 вкл/час и ПВ 50% в жилом здании, и 180 вкл/час и ПВ 40 % в административном. Время непрерывного движения лифта в жилом здании при максимальной интенсивности использования не превышает 12 секунд, а в административном - 8 секунд.

Используя результаты измерений из таблицы 2.4 и таблицы 2.5, расчетным путем определены энергетические затраты рассматриваемых электроприводов в режимах с максимальной интенсивностью использования лифта в жилом и административном зданиях. Для этого продолжительности участков разгона, замедления и движения с пониженной скоростью и энергозатраты на этих участках равны экспериментальным (таблица 2.4 и таблицы 2.5). Затраты энергии при движении с установившейся скоростью пропорциональны времени движения. Время движения с номинальной скоростью уменьшено для обеспечения заданного суммарного времени движения лифта за один пуск (не более 8 для административного и 12 секунд для жилого зданий).

Результаты расчетов суммарного потребления энергии редукторного и безредукторного электроприводов в жилом и административном зданиях приведены в таблице 2.7.

Таблица 2.7 – Энергопотребление электроприводов в жилом и административном здании при наиболее интенсивном использовании лифта

Из таблицы 2.7 видно, что при максимальной интенсивности работы лифта в жилом здании использование безредукторного электропривода с тихоходным асинхронным двигателем позволяет экономить 15, 13 Вт · ч (57%) энергии. При наиболее интенсивном использовании лифта в административном здании, как видно из таблицы 2.7, экономия энергии составляет 15, 43 Вт · ч (или 70%).

При перемещении кабины на полную высоту шахты снижение потребления энергии при использовании безредукторного электропривода с тихоходным асинхронным электроприводом составило 9, 9 Вт · ч (22, 5%). Расчеты, учитывающие время движения при наиболее интенсивном использовании лифта, показали, что энергопотребление при использовании безредукторного электропривода с тихоходным АД снизилось на 15, 13 Вт · ч (57%) в жилом и на 15, 43 Вт · ч (70%) в административном здании. Увеличение экономии энергии произошло за счет увеличения вклада динамических режимов в суммарное энергопотребление электропривода. Использование контрольного цикла, не учитывающего вклада в суммарное энергопотребление динамических режимов, при оценке показателей энергетической эффективности лифта представляется некорректным.

Выводы

Экспериментальным путем установлено, что использование безредукторного электропривода с тихоходным асинхронным двигателем позволяет снизить энергопотребление на 22, 5 %, по сравнению с редукторным электроприводом на базе двухскоростного АД. Измерения проведены в цикле, когда кабина перемещалась на полную высоту шахты (7 этажей).

Расчеты, проведенные по экспериментальным данным, показывают, что при наиболее интенсивном режиме работы лифта экономия энергии в режиме движения при применении безредукторного электропривода с тихоходным асинхронным двигателем составляет 57 % для жилого здания и 70 % для административного по сравнению с редукторным электроприводом.

Экспериментально установлено, что уменьшение энергопотребления лифта при использовании безредукторного электропривода с тихоходным асинхронным двигателем обусловлено значительным уменьшением энергопотребления в динамических режимах работы (разгон, замедление и движение с пониженной скоростью), по сравнению с редукторным электроприводом.

Использование для определения показателей энергетической эффективности электропривода лифта циклов, в которых вклад в суммарное энергопотребление от динамических режимов минимален, представляется некорректным.