Сравнительный анализ энергетической эффективности лебедок основных типов

Лифты с редукторными лебедками

Лифтовая лебедка традиционной конструкции с червячным редуктором, двухскоростным асинхронным двигателем и релейно-контакторным управлением. (ЧР – АД).

За базовый вариант, для сравнения с другими вариантами, принят пассажирский лифт, по структуре и техническим решениям механической и электромеханической части соответствующий большинству ныне работающих лифтов. Это лифт с прямой и полиспастной подвеской кабины и противовеса (в данном случае рассматривается полиспастная подвеска), червячным редуктором, двухскоростным асинхронным двигателем. В качестве системы управления применяется нерегулируемая релейно-контакторная станция или станция на базе тиристорного пускателя (разомкнутая система «Тиристорный преобразователь – асинхронный двигатель»).

Принятые для примера анализа параметры базового варианта лифта: масса груза m_г = 1000 кг; скорость и максимальное ускорение кабины, соответственно, v_к = 1, 4 м/с, a_к = 1 м/с²; масса кабины и противовеса, соответственно, m_к = 1000 кг, m_п = 1500 кг; механическая передача в составе червячного редуктора с передаточным отношением i_р = 12, 5; канатоведущего шкива диаметром D_шк = 0, 5 м, полиспаста с кратностью i_п = 2; двигатель лифтовый асинхронный двухскоростной (АИФ180М4/16НЛ), мощностью 11, 8/3, 0 кВт и КПД η _дв = 85, 5% и 50% на рабочей и пониженной скорости, соответственно. Частота вращения двигателя на рабочей обмотке 1500 об/мин, на пониженной 375 об/мин. Момент инерции двигателя J_дв = 2, 0 кгм². Коэффициент полезного действия применяемого червячного редуктора η _р = 70% и КПД канатной передачи, с учетом трения кабины и противовеса о направляющие η _кп = 95%.

Ввиду множества возможных вариантов режимов работы (направление движения и загрузка кабины, процессы пуска и замедления) для получения представления об эффективности предложенного метода, рассматриваются энергетические диаграммы для двух характерных случаев: установившийся процесс подъема номинального груза с номинальной скоростью и процесс разгона кабины с номинальным грузом до номинальной скорости [6].

Для режима движения с установившейся скоростью за базовую величину принята полезная мощность, требуемая для подъема кабины с номинальным грузом, с номинальной скоростью при наличии противовеса:

, (3.9)

Для наглядности и удобства сравнения с динамическими режимами базовая величина мощности преобразуется в базовую величину энергии W_бу, совершаемую при перемещении номинального груза с номинальной скоростью на один этаж (заданная высота этажа h = 3м):

, (3.10)

Для динамических режимов за базовую величину принимается полезная энергия, затрачиваемая на один спуск полной кабины при подъеме груза, которая состоит из кинетической энергии кабины с грузом номинальной массы, движущейся с номинальной скоростью, с учетом наличия противовеса:

, (3.11)

Работы силы тяжести груза при разгоне кабины. При заданных условиях пуска (учитывается только ограничение ускорения) время пуска составляет:

, (3.12)

За это время кабина проходит путь h_п = 0, 98 м, а потенциальная энергия, с учетом влияния противовеса, на этом пути составляет:

, (3.13)

Таким образом, базовая энергия одного пуска:

, (3.14)

Энергетическая диаграмма при движении с установившейся скоростью.

В режиме подъема номинального груза с номинальной скоростью полезная мощность равна базовой. Мощность на валу канатоведущего шкива:

, (3.15)

Потери мощности в канатной передаче составляют ∆ P_кп = 361 Вт. Мощность на быстроходном (входном) валу редуктора:

, (3.16)

Потери мощности в редукторе ∆ P_р = 3098 Вт. Мощность на двигателем лебедки из сети:

, (3.17)

Потери мощности в двигателе ∆ P_дв = 3752 Дж. Соответствующие значения энергии и ее потерь, при перемещении кабины на один этаж в установившемся режиме с учетом заданных условий: W_кш = 15489 Дж; ∆ W_кп = 774 Дж; W_дв = 22127 Дж; ∆ W_р = 6639 Дж; ∆ W_дв = 3752 Дж; W₁ = 25879 Дж (таблица 3.1). Таким образом, суммарный КПД при движении с установившейся скоростью с учетом заданных условий, определяется:

, (3.18)

Энергетическая диаграмма процесса пуска. Полезная работа лебедки в режиме пуска равна базовой энергии W_бп. Кроме этого, в общем балансе необходимо учесть кинетическую энергию, запасаемую подвижными частями лифтового подъемного механизма и ротором двигателя лебедки, а также потери, сопровождающие накопление кинетической энергии. Подвижные части подъемного механизма разделяются на вращающиеся (шкивы и блоки) и на поступательно перемещающиеся (кабина, груз и противовес). Тогда, кинетическая энергия груза:

, (3.19)

Кинетическая энергия кабины:

, (3.20)

Кинетическая энергия противовеса:

, (3.21)

Моменты инерции канатоведущего шкива, блоков подвески и отводных блоков могут быть рассчитаны по упрощенному выражению:

, (3.22)

где n – количество блоков и шкивов.

Кинетические энергии канатоведущего шкива, блоков подвески и отводных блоков:

, (3.23)

Энергия на оси КВШ при заданных параметрах режима пуска:

, (3.24)

Потери в канатной передаче ∆ W_кп = 320 Дж. Энергия на быстроходном (входном) валу редуктора:

. (3.25)

Где кинетическая энергия редуктора:

, (3.26)

Кинетическая энергия тормозного шкива с учетом тормозных систем:

, (3.27)

Тогда:

Потери энергии в редукторе составляют ∆ W_р = 2743 Дж. Энергия, потребляемая из сети:

. (3.28)

Где кинетическая энергия ротора двигателя лебедки:

, (3.29)

Потери энергии в приводном двигателе лебедки ∆ W_дв = 11006 Дж. Тогда суммарный КПД в режиме пуска:

, (3.30)

Расчетные энергетические показатели базового варианта лифта с лебедкой традиционной конструкции показаны в таблице 3.1 в абсолютных и относительных величинах. Следует обратить внимание, что базовые значения энергии для пуска и установившегося движения существенно отличаются.

Анализ энергетической диаграммы. Анализ установившегося движения позволяет заключить, что энергетика этого процесса может быть характеризована, как невысокая. Суммарный КПД, вычисленный по соотношению полезной и затраченной энергии, совпадает по значению с произведением КПД его основных составляющих: канатной передачи, редуктора, двигателя и т.д.

, (3.31)

где – коэффициенты полезного действия канатной передачи, редуктора и двигателя лебедки, соответственно.

Очевидными “слабыми” звеньями являются червячный редуктор с КПД 70% и частично двигатель с КПД 85, 5% [9]. Общей рекомендацией по улучшению энергоэффективности лебедки является увеличение коэффициента полезного действия этих элементов, а кардинальным решением – отказ от редуктора. Еще значительно хуже энергетика процесса пуска. Эквивалентный КПД в этом процессе едва достигает 13, 0%.

Для правильной оценки влияния отдельных составляющих лифта следует отметить, что базовая энергия процесса пуска состоит из двух частей – из кинетической энергии механизма подъема, и потенциальной энергии силы тяжести груза на пути разгона кабины. Причем, первая, в рассматриваемом случае, составляет 9, 2% от базовой энергии, а вторая – 92, 8%. Большим недостатком следует считать громоздкость и тяжеловесность всех подвижных составляющих подъемного механизма и лебедки, в результате чего их эквивалентная кинетическая энергия в процессе пуска в 7, 86 раз больше базовой энергии перемещения груза. Здесь вносят свой вклад практически все составляющие, но наибольший – ротор двухскоростного асинхронного двигателя: 3, 7 от базовой энергии. Относительно величины потерь энергии в лебедке, то они значительны в червячном редукторе, но наибольшие потери выделяются в двигателе. В отличие от установившегося режима, где двигатель работает на естественной характеристике с достаточно высоким КПД, в процессе прямого неуправляемого неэкономичного способа пуска в обмотках статора и ротора выделяются большие потери.

Таблица 3.1 – Энергетические характеристики некоторых лифтовых лебедок

Продолжение таблицы 3.1

Лифтовая лебедка традиционной конструкции с червячным редуктором, двухскоростным асинхронным двигателем и тиристорным преобразователем напряжения (ЧР-АД-ТПН). Регулируемая система управления с тиристорным преобразователем напряжения проста, сравнительно недорога и достаточно успешно решает проблемы комфортности перемещения кабины – ограничения до заданного уровня ускорений и рывков и точности остановки. В то же время, как показывает анализ (таблица 3.1), с точки зрения энергетической эффективности, применение подобного регулируемого электропривода в лебедках традиционной конструкции, к существенному улучшению не приводит.

В установившемся режиме работы коэффициент полезного действия незначительно уменьшается, за счет влияния преобразовательного устройства с конечным КПД:

, (3.32)

В режиме пуска двухскоростного асинхронного двигателя лебедки, с учетом его управления от ТПН, используется обмотка высокой скорости, а необходимость в обмотке пониженной скорости исчезает. Это обстоятельство, а так же то, что КПД этих обмоток, для рассматриваемого типа двигателя, составляет 85, 5% и 50%, соответственно, позволяет значительно уменьшить потери в двигателе. Однако, это радикальное уменьшение в общем балансе энергии нивелируется, ввиду, по-прежнему очень большой величины кинетической энергии ротора двигателя (в 3, 7 раза превышающей базовую энергию) и редуктора лебедки. Таким образом, эквивалентный КПД, при пуске увеличивается до 16, 0%, однако это увеличение не велико, относительно 12, 7% с предыдущим вариантом. Следует отметить, что применение частотного управления АД лебедки этого типа, приведет к схожим низким энергетическим показателям [29].

Лифтовая лебедка с цилиндрическим редуктором и односкоростным асинхронным двигателем с управлением от преобразователя частоты (ЦР-АД-ПЧ). Здесь и далее при анализе определяется то, что главным и неизменным в предлагаемых инновационных вариантах должны остаться грузоподъемность, скорость кабины и комфортность перемещения по базовому варианту. Все остальные параметры могут изменяться. За базовую единицу энергии принимается та ее часть, которая идет на полезную работу по перемещению груза, то есть первые строки сравнительной таблицы (таблица 3.1), которые должны оставаться одинаковыми для всех вариантов. Сравнение вариантов производится в абсолютных и относительных единицах.

По сравнению с базовым, в этом варианте определяются три важных преимущества:

- возможность применения в лебедке цилиндрического редуктора с высокими энергетическими характеристиками (КПД = 0, 96-0, 98 одной ступени);

- переход от двухскоростного к односкоростному двигателю, что существенно уменьшает его массогабаритные и энергетические показатели, а также инерционность. Так, двухскоростной двигатель базового варианта с высотой оси 180 мм, массой 210 кг и моментом инерции ротора 2, 0 кг·м², может быть заменен на односкоростной двигатель, практически той же мощности и скорости, но высотой оси 132 мм, массой 93 кг и моментом инерции ротора 0, 042 кг·м². Этот двигатель имеет также больший, до 90%, КПД. По исполнению лифтовой двигатель, предназначенный для частотного регулирования проще, так как не обязательно должен иметь сложную форму пазов и специальные сплавы для беличьей клетки ротора [30];

- экономичный способ пуска двигателя лебедки, путем плавного регулирования частоты и напряжения в процессе разгона [31].

При расчете энергетической диаграммы учитывается, что все расчетные величины от груза до вала двигателя лебедки остаются неизменными, такими, как в базовом варианте.

Анализ энергетической диаграммы показывает, что энергетика установившегося движения лифта значительно улучшается за счет более высокого коэффициента полезного действия лебедки (и двигателя, и редуктора). Эквивалентный КПД, с учетом КПД преобразователя, может быть увеличен на 18, 6% (с 56, 9% до 75, 5%), относительно базового варианта.

Значительно улучшаются энергетические показатели в режиме пуска за счет:

- уменьшенного момента инерции двигателя лебедки (кинетическая энергия ротора в 47, 6 раза, и составляет не более 0, 078 относительно, базовой энергии пуска);

- уменьшенного момента инерции и увеличенного КПД редуктора лебедки (кинетическая энергия редуктора уменьшается в 2, 46 раза, потери снижаются более чем в 4, 9 раз);

- применение экономичного способа частотного пуска двигателя лебедки.

Эквивалентный коэффициент полезного действия в динамическом режиме увеличивается более чем в четыре раза и достигает 54, 8%.

Лифтовая лебедка с цилиндрическим редуктором, скоростным безколлекторным вентильным двигателем постоянного тока с безобмоточным ротором и силовым коммутатором (ЦР-БВДПТ-СК). Как уже отмечалось, двигатель постоянного тока с безобмоточным ротором является инновационным решением в области электромеханических преобразователей. От двигателей других типов и конструкции его отличают уменьшенные размеры и масса, а также значительно уменьшенный момент инерции ротора, что особенно важно для лебедок с частыми пусками и торможениями. Например, по сравнению с двухскоростным АД традиционной базовой лебедки, момент инерции БВДПТ, меньше в 182 раза, и в 3, 8 раза меньше момента инерции высокоскоростного АД аналогичного типоразмера. К рассмотрению приняты следующие расчетные данные БВДПТ: мощность 10, 8 кВт; частота вращения 1500 об/мин; КПД 90%; момент инерции ротора 0, 011 кг·м².

Анализ энергетической диаграммы в установившемся режиме принципиальных отличий в энергетике данного и предыдущего вариантов не предусматривает. Учитывая то, что коэффициент полезного действия рассматриваемого БВДПТ совпадает с КПД скоростного АД, то, при прочих равных условиях, потребляемая из сети энергия и эквивалентный КПД лебедки этого варианта и лебедки с АД и частотным управлением также практически совпадают. Различия значений эквивалентных коэффициентов полезных действий объясняются прогнозируемо меньшим КПД силового коммутатора относительно традиционного ПЧ, однако эта разность не превышает нескольких процентов.

В динамических режимах рассматриваемый вариант выигрывает за счет еще меньшей инерционности ротора. Однако это уменьшение, само по себе революционное, (сравнивается 0, 042 кг·м² и 0, 011 кг·м²), на фоне общей инерционности составляющих лебедки и потерь в них приводит к не столь значительному улучшению энергетических показателей – повышение эквивалентного КПД с 54, 8% до 56, 7%. К достоинствам этого варианта лебедки также следует отнести уменьшение ее массы и габаритов за счет соответствующего уменьшения параметров ее двигателя.

Лифты с безредукторными лебедками

Безредукторная лебедка с тихоходным асинхронным двигателем и управлением от преобразователя частоты (ТАД-ПЧ). К рассмотрению принимаются следующие расчетные данные двигателя лебедки: мощность 8, 5 кВт; скорость 140 об/мин; КПД 81%; момент инерции ротора 2, 6 кг·м². Данный ТАД принят ввиду отсутствия других аналогов, поэтому можно спрогнозировать, что подобный двигатель большей мощности и той же скорости будет иметь схожий КПД, но еще большие момент инерции и массу [2].

Анализ энергетической диаграммы. Энергетика установившегося движения лебедки хотя и ухудшается за счет пониженного коэффициента полезного действия тихоходного асинхронного двигателя, но значительно улучшается за счет исключения редуктора из ее состава. В результате эквивалентный КПД с учетом преобразовательного управляющего устройства увеличивается до 73, 9%. В режиме пуска проявляется общая закономерность: относительная величина момента инерции ТАД лебедки в суммарном моменте инерции становится значительно меньше. За счет этого, а также за счет применения экономичного способа частотного пуска, энергетические показатели улучшаются [29]. Однако, сравнительная невысокая величина КПД двигателя не позволяет добиться значительных улучшений, например относительно лебедки со скоростным АД. Эквивалентный коэффициент полезного действия повышается до 60, 3%.

Безредукторная лебедка с тихоходным безколлекторным вентильным двигателем постоянного тока с безобмоточным ротором и силовым коммутатором (БВДПТ-СК). К рассмотрению приняты следующие расчетные данные БВДПТ: мощность 10, 6 кВт; скорость 110 об/мин; КПД 88%; момент инерции ротора 0, 23 кг·м².

Анализ энергетической диаграммы. Благодаря благоприятному сочетанию свойств инновационного двигателя – высокого КПД и низкой механической инерционности, а также отсутствию редуктора, данная лебедка обеспечивает высшие показатели эквивалентного КПД среди рассмотренных вариантов – 79, 4% в установившемся режиме и 67, 0% в режиме пуска.