Комплексный метод анализа энергетических показателей лебедок пассажирских лифтов с применением энергетических диаграмм

Необходимые параметры энергетических характеристик большинства современных применяемых лифтов, в свободном доступе, или отсутствуют, или имеют разрозненный характер [13]. Актуальной представляется задача, иметь общий не трудоемкий подход к комплексному анализу энергетических показателей элементов подъемного механизма, лебедки с двигателем и управляющего устройства, в целом. Это даст возможность проводить объективную сравнительную оценку энергетической эффективности лифтов с лебедками различного типа и разных производителей, а также разрабатывать рекомендации по их применению.

Если лифтовой подъемный механизм и его электропривод рассматривать как сложную комплексную систему, то их энергетическую эффективность целесообразно рассчитывать при помощи энергетических диаграмм. Метод заключается в разложении суммарной энергии, потребляемой из сети на отдельные составляющие, которые потребляются на приведение в движение кабины с грузом, противовеса, лебедки с двигателем и др. Это позволит выявить наиболее затратные, с точки зрения потребления энергии, элементы и режимы работы лифта и корректно оценить степень влияния на них предлагаемых конструктивных решений.

Общую оценку энергетической эффективности лифта можно разделить на две части [13]:

- общие показатели качества и эффективности преобразования энергии в статических и динамических режимах, которые можно принять за базовые (паспортные данные энергетической эффективности конкретного типа лифта) и выразить через значение коэффициента полезного действия;

- оценка энергетической эффективности в виде потребляемой из сети энергии за определенный промежуток времени с учетом места размещения лифта и его графика нагрузки, определяемого пассажиропотоком.

Первая группа показателей позволяет объективно провести относительное сопоставление качеств лебедок различных типов с одинаковыми параметрами скорости и грузоподъемности. Второй показатель, кроме рекламных функций, служит в качестве технико-экономического показателя эксплуатации лифта.

Для расчета указанных энергетических показателей можно применять несколько методов:

- аналитические упрощенные расчеты;

- математическое моделирование с максимальным учетом параметров и особенностей всех элементов лифта и особенностей пассажиропотока;

- экспериментальные статистические исследования потребляемой энергии, с учетом разделения на силовую часть, автоматику, освещение.

Для первой группы показателей важнейшим и объективным, при сопоставлении энергетической эффективности различных вариантов лебедок, является суммарный коэффициент полезного действия. Для анализа можно рекомендовать учитывать два режима: режим установившегося движения кабины с номинальной скоростью и динамический режим пуска двигателя лебедки, поскольку каждый из них имеет различное математическое описание.

Установившийся режим движения. В данном случае, полезной является мощность, которая тратится на перемещение груза с заданной скоростью с учетом действия противовеса и КПД всех преобразователей энергии. Для однозначности предлагается использовать номинальное значение скорости, массы груза при подъеме и номинальные данные КПД отдельных составляющих лебедки и других составляющих механизма подъема (двигатель, редуктор, канатная передача и т.д.). Тогда полезная мощность в номинальном режиме будет определяться [11]:

, (3.1)

где – номинальная скорость кабины, м/с;

– номинальная масса груза, кг;

– коэффициент уравновешивания груза (m_п, m_п – массы противовеса и кабины, соответственно, кг);

g – ускорение свободного падения, м/с².

Мощность, которая потребляется из сети с учетом допущения, определяется [28]:

, (3.2)

где η _пр, η _дв, η _р, η _кп, - номинальные значения коэффициентов полезного действия управляющего преобразователя, двигателя лебедки, редуктора, канатной передачи, соответственно.

Допущение заключается в учете только номинальных значений КПД преобразователей энергии, принимая во внимание, что рассматривается режим подъема груза номинальной массы.

Таким образом, КПД в установившемся режиме:

. (3.3)

Динамический режим работы. Их энергоэффективность можно оценить через усредненный КПД процесса пуска (или цикла пуск-торможение при перемещении на один этаж). Полезная энергия процесса пуска состоит из кинетической энергии, накопленной массой груза и работы силы веса груза во время разгона. Здесь, как и в установившемся режиме, для однозначности можно использовать номинальный вес груза и номинальную скорость в режиме подъема. Время и путь при пуске рассчитываются по упрощенным выражениям с учетом только ограничение ускорения. Лифты с управляемым электроприводом гарантировано отрабатывают заданные кинематические параметры, при этом время и путь разгона можно определить по выражениям:

. (3.4)

При применении нерегулируемой системы управления, время и путь при пуске могут быть рассчитаны при помощи пускового момента двигателя, или для упрощения можно так же допустить, что пуск происходит с заданными параметрами ускорения. Кинетическая энергия при подъеме кабины с номинальным грузом, с номинальной скоростью при наличии противовеса:

. (3.5)

Аналогично, потенциальная энергия:

. (3.6)

Потребляемая энергия, состоит из общей кинетической энергии системы и потенциальной энергии по перемещению груза. При расчетах необходимо учитывать, что составляющие механизма подъема лифта, лебедки с двигателем и преобразователя находятся на разной «удаленности» от источника питания, что обуславливает различное количество ступеней преобразования энергии. Например, кинетическая энергия масс, движущихся поступательно, преобразуется через канатную передачу, редуктор, двигатель, полупроводниковый преобразователь. Поэтому при расчетах необходимо учитывать коэффициенты полезного действия соответствующих устройств [11]:

, (3.7)

где – моменты инерций канатоведущего шкива, редуктора, двигателя, элетромагнитного тормоза, соответственно;

– сумма моментов инерций всех вспомогательных блоков канатной передачи.

Тогда, усредненный коэффициент полезного действия в динамическом режиме пуска может быть определен:

. (3.8)

Описанный метод, основанный на анализе энергетических диаграмм путем разложения всей потребляемой энергии на отдельные составляющие, позволяет рассматривать механизмы подъема, лебедки с двигателями и управляющие устройства лифта как единую комплексную систему. Благодаря этому, появляется возможность:

- проанализировать влияние каждого из элементов на общую энергетическую эффективность лифта;

- корректно оценить степень влияния на энергетическую эффективность лебедок различных традиционных и инновационных решений;

- выявить наиболее затратные, с точки зрения потребляемой энергии, отдельные конструктивные элементы и режимы работы.

В различных источниках приведены примеры такого анализа, которые убедительно доказывают эффективность предложенного метода [28]. Его недостатком можно считать погрешности расчетов в динамических режимах, вызванные принятым допущением о постоянстве КПД всех элементов и их независимости от текущей загрузки кабины.