CC BY
229
13th International Power Electronics and Motion Control Conference EPE-PEMC 2008, Poznan. Poland, 2008. P. 41-42.
I. Braslavskij, A. Kosty'lyov, D. Cibanov
Optimization of power consumption of frequency controlled electrical drives with periodic load
The opportunity to optimize the losses in frequency controlled electrical drives with periodic load are considered in this paper. The optimization system algorithm is described. The comparison of energy losses in proposed system with optimal control system for minimizing the stator current in static mode had been performed.
Keywords: frequency controlled electrical drive, optimization of power consumption, optimization system algorithm, comparison of energy losses.
Получено 06.07.10
УДК 620.9:502.14:62.83
В.И. Афонин, канд. техн. наук, ведущий науч. сотр., (4922) 33-13-37, [email protected] (Россия, Владимир, ОАО «НИПТИЭМ»), О.В. Кругликов, исп. директор, (4922) 33-13-37, [email protected] (Россия, Владимир, ОАО «НИПТИЭМ»), Р.В. Родионов, канд. техн. наук, науч. сотр., (4922) 33-13-37, [email protected] (Россия, Владимир, ОАО «НИПТИЭМ»), Ю.В. Чернышев, зам. гл. технолога, (4922) 33-13-37, [email protected] (Россия, Владимир, ОАО «НИПТИЭМ»)
БЕЗРЕДУКТОРНЫЙ ЛИФТОВЫЙ ПРИВОД - ИННОВАЦИОННОЕ ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Приводятся основные этапы разработки и внедрения безредукторной лебедки. Рассматриваются некоторые аспекты испытаний безредукторных лифтовых приводов.
Ключевые слова: безредукторный привод, кабина лифта, двигатель, лебедка.
Основной особенностью развития лифтостроения конца ХХ и начала ХХ1 столетия является постоянное совершенствование приводов лифтов. С середины прошлого века на смену традиционным редукторным приводам пришли безредукторные переменного тока. Асинхронные односкоростные двигатели с короткозамкнутым ротором специально спроектированы для таких приводов. Это тихоходные двигатели (60...200 мин-1) с большим вращающим моментом (от 200 Нм). Система частотного регулирования с обратной связью по скорости и положению, а также контроль нагрузки в кабине обеспечивают необходимую плавность хода и точность остановки. В приводах современных лифтов для упрощения механической части и повышения комфортности передачу движения от дви-
гателя к исполнительному механизму (канатоведущему шкиву) осуществляют без использования редуктора. Наряду с экономией редукторов и, соответственно, уменьшением габаритов лебедки, а также потерь при передачах, в безредукторных приводах имеются условия для осуществления благоприятного динамического режима, и поэтому возможна реализация более высоких скоростей перемещения и точности позиционирования. Применение безредукторных приводов позволяет преодолеть ограничения по мощности и частоте вращения, присущие редукторам. В рамках целевой программы «Реконструкция и капитальный ремонт «жилищного фонда» на предприятиях концерна «Русэлпром» (г. Москва, Владимир) был разработан лифтовый привод с безредукторной лебедкой на базе асинхронного двигателя. Данный привод предназначен для использования на массовых пассажирских лифтах грузоподъемностью до 1000 кг и скоростью перемещения 1 и 1,6 м/с. (табл.1). Основными составными частями привода (рис.1) являются электродвигатель с датчиком обратной связи , вал привода - он же вал ротора электродвигателя, две системы торможения - тормоз лебедки, канатоведущий шкив (КВШ), защитный каркасно-сетчатый кожух. Ротор электродвигателя и КВШ установлены на одном валу, вращающемся в двух шариковых подшипниках. При такой схеме подшипники электродвигателя освобождаются от радиальных нагрузок со стороны лифтового оборудования и систем торможения. Две независимых нормально замкнутых системы торможения взаимодействуют с тормозным диском, расположенным на одном валу с КВШ, т. е., обеспечивается неразрывная кинематическая связь между тормозом и КВШ. Каждая из систем торможения приводится в действие пружиной и электромагнитом постоянного тока, имеет устройство для ручного растормаживания и способна удерживать кабину лифта с номинальным грузом. Две независимых нормально замкнутых системы торможения взаимодействуют с тормозным диском, расположенным на одном валу с КВШ, т. е., обеспечивается неразрывная кинематическая связь между тормозом и КВШ. Каждая из систем торможения приводится в действие пружиной и электромагнитом постоянного тока, имеет устройство для ручного растормаживания и способна удерживать кабину лифта с номинальным грузом.
На приводе применен КВШ 0320 мм с полукруглой канавкой без подреза под канат 08 мм. Обхват КВШ канатом 270°. Чтобы горизонтальная и вертикальная ветви канатов, сбегающие с КВШ на отводной блок и кабину соответственно, не касались друг друга, привод установлен на раме лебедки под углом 4,5°. Работа лебедки начинается с подачи команды на движение кабины лифта. При этом преобразователь частоты (ПЧ) подает электропитание на двигатель таким образом, чтобы на валу двигателя создался вращающий момент, уравновешивающий разницу между моментами на канатоведущем шкиве от веса кабины и противовеса. Вращающий момент с вала двигателя передается на КВШ, снимая нагрузку с тормоза. По-
сле этого включаются электромагниты тормоза, растормаживая привод. Вал двигателя начинает вращаться, увеличивая частоту вращения до номинальной по заданной программе и плавно разгоняет кабину лифта. Параметры лебедок безредукторного привода приведены в табл. 1.
Рис. 1. Безредукторный лифтовой привод
Таблица 1
Параметры лебедок безредукторного привода
Скор ость движения Грузоподъем-ность Полиспаст Частота вращения Момент номинальный Момент максимальный Мощность электродвигателя Вес лебедки Диаметр шкива
м/сек кг - -1 мин Нм Нм кВт кг мм
1,0 400 2 1 119 200 300 2,5 305 320
400 1 1 60 390 560 2,4 335
630 2 1 119 300 430 3,7 335
630 1 1 60 580 820 3,6 375
1000 2 1 119 480 650 5,9 385
1,6 400 2 1 191 200 300 4,0 305
400 1 1 96 390 590 3,9 335
630 2 1 191 300 460 6,0 355
630 1 1 96 580 860 5,8 395
1000 2 1 191 480 740 9,6 385
При подаче команды на остановку, на двигатель через (ПЧ) подается электропитание таким образом, чтобы двигатель по заранее заданной программе снизил частоту вращения вала и плавно остановил кабину лифта на разгрузочной площадке этажа. После полной остановки кабины электромагниты тормоза отключаются и под действием пружин обе системы торможения накладываются на тормозную поверхность диска (замыкаются), фиксируя положение канатоведущего шкива. Выбор типа двигателя, в первую очередь, определяется требуемым характером регулирования частоты вращения. В лифтовых приводах, не требующих непрерывного регулирования частоты вращения, применяются асинхронные двигатели с ко-роткозамкнутым ротором. Отказ от редуктора в лифтовых приводах наряду с уменьшением вероятности возникновения колебаний, вызванных упругими деформациями, и исключением нелинейного звена из-за зазоров в зубчатом зацеплении червячной пары приводит к определенному недоиспользованию двигателя по мощности. Приемлемые результаты могут быть получены применением специальных двигателей с частотой вращения ниже, чем у стандартных двигателей (р>4).
Отсутствие редуктора имеет массу преимуществ: наряду с экономией места в связи с компактностью механизма и сокращением затрат на обслуживание, по сравнению с редукторными приводами, существенную роль играет более высокая эффективность работы. В мировой практике на действующих частотно-регулируемых редукторных приводах лифтов применяются двигатели по своим характеристикам и конструкции аналогичные двигателям общего назначения. Двигатели работают в диапазоне частот питания 40.. .60 Гц при напряжении близком к стандартному.
В безредукторных приводах переменного тока для лифтов грузоподъемностью до 630 кг и скоростью перемещения до 1,6 м/с ведущие лифтостроительные фирмы мира (Otis, Kone, Tissen и др.) применяют синхронные машины с постоянными магнитами [1]. Российские электромашиностроительные предприятия в течении многих лет совершенствуют конструкцию и технологию производства лифтовых асинхронных двигателей. Поэтому безредукторный лифтовый привод на базе высокомоментно-го асинхронного двигателя является более привлекательным как в техническом плане, так и в ценовом.
Для безредукторных лифтовых лебедок ООО «Русэлпром» (табл. 1) ОАО «НИПТИЭМ» разработал гамму односкоростных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, работающих с питанием от частотного регулятора скорости и датчиком обратной связи. При проектировании двигателей рассматривался вопрос о минимизации величины потребляемой мощности, что позволит применить ПЧ меньшей мощности и, соответственно, стоимости. Решение поставленной задачи достигается соответствующим выбором параметров обмотки статора приводного двигателя.
Число витков обмотки статора определяется с учетом параметров режима работы привода: частота переменного тока, которую формирует преобразователь частоты и подает в обмотку статора меньше частоты сети; напряжение соответствующее полученной частоте меньше напряжения сети [4]:
/пр <и иПр <ис (1)
Число витков обмотки статора (предварительно) рассчитывается по формуле
Жн = Жб • (2)
/ пр
Рабочее напряжение, соответствующее частоте /пр ,
/ ЖБ
ипр = 0,95 • ис, (3)
пр с / Ж
пр н
где /с (/пр) - частота сети (наибольшее значение частоты, подаваемой преобразователем в обмотку статора двигателя); ис (ипр) - напряжение сети фазное (напряжение подаваемое преобразователем в обмотку статора (фазное); ЖБ (Жн) - число витков обмотки статора базовой машины (число витков статора двигателя привода безредукторной лебедки). Пример. Выбор обмотки статора двигателя привода безредукторной лебедки лифта грузоподъемностью 500 кг и скоростью перемещения 1,6 м/с.
При выбранном диаметре канатоведущего шкива (КВШ) двигатель должен иметь вращающий момент 280.. .300 Нм при частоте вращения 192 мин-1 (частота питания от преобразователя «14 Гц).
За базу приняты активные части двигателя 5А200Ь8 (иф=220 В; /с=50 Гц):
наружный диаметр статора 0а=327 мм;
внутренний диаметр статора 0^=235,7 мм;
длина сердечника статора 1=225 мм;
21/22=72/68 (паз ротора овальный);
число витков обмотки статора ЖБ=48 (а=4).
Определим предварительно число витков обмотки статора и величину рабочего напряжения.
Число витков обмотки статора Жн = 48 • -54- = 171,42. Чтобы получить катушку с целым числом витков и а=1, примем Жн = 174. Рабочее напряжение, соответствующее частоте питания 14 Гц:
ипр = 0,95 • 220 •50 • — = 206 В. пр 14 174
В дальнейшем выполняется серия электромагнитных расчетов для уточнения найденных величин с учетом минимизации подводимой мощности. Сердечники статора и ротора электродвигателей изготавливаются из
штампованных листов высококачественной электротехнической стали, легированной кремнием. Сталь имеет термостойкое электроизоляционное покрытие. Сердечники статора скрепляются скобами. Обмотки статоров двигателей выполняются всыпными из круглого эмалированного медного провода. Обмотки роторов выполняются короткозамкнутыми литыми из чистого алюминия. Элементы оболочки (станины, щиты подшипниковые) выполняются литыми из чугуна. Станина имеет наружные продольные охлаждающие ребра. Для испытаний двигателя главного привода безредук-торной лебедки была разработана физическая модель [2,3]. Результаты испытаний привода с двигателем АЧ200Ь8ЛБЧ приведены в табл. 2 с числом включений 150/час.
Таблица 2
Результаты испытаний привода с двигателем АЧ200Ь8ЛБЧ с числом включений 150/час
№ п/п Параметры испытания Испытание №1 Испытание №2 Испытание №3 Испытание №4
1 Момент сопротивления при разгоне, Нм 480 440 440 440
2 Момент сопротивления в рабочем режиме, Нм 420 315 315 315
3 Момент сопротивления при торможении, Нм 260 180 180 180
4 Соединение «звезда» «звезда» «треугольник» «треугольник»
5 Частота вращения, об/мин 48,75 61 98,3 122
6 Напряжение, В 349 285 246,5 268,9
7 Частота, Гц 4,35 4,86 7,36 9,21
8 Температура окру-жающеи среды, С 17,8 17,8 20 16,2
9 Температура корпуса, оС 109 53,5 76 71
10 Превышение температуры обмотки статора, оС 87,5 50 65,7 67,7
11 Среднеквадратичное значение тока, А 12,39 8,41 14,4 14,82
12 Первая гармоника тока, А 12,11 7,96 14,24 14,66
13 Подводимая мощность (при работе), кВт 6,14 3,277 4,750 5,706
14 Скольжение в рабочем режиме,% 25,53 16,18 10,65 11,63
Целесообразность применения безредукторных приводов в лифтовых системах определяется следующими техническими и экономическими показателями:
1) технические и эксплуатационные свойства двигателя в целом, диапазон регулирования скорости, точность позиционирования, массога-баритные параметры;
2) капитальные затраты, определяющие стоимость электрооборудования, стоимость монтажа;
3) эксплуатационные затраты, определяемые расходом электроэнергии, затратами на обслуживание и выполнение ремонта.
Величина сопротивления тихоходного высокомоментного электродвигателя значительно больше величин сопротивления быстроходных машин, это вносит определенные особенности в статические характеристики привода. Тихоходный электродвигатель обладает большей постоянной времени в сравнении с быстроходным. Это обстоятельство компенсируется применением регуляторов скорости (преобразователь частоты) и обратной связи по скорости.
Преимущества безредукторного привода в сравнении с редуктор-
ным:
1) отсутствие редуктора облегчает, упрощает и удешевляет уход и обслуживание привода;
2) увеличение стоимости тихоходного высокомоментного двигателя компенсируется отсутствием редуктора и исключением затрат по уходу за ним;
3) коэффициент полезного действия безредукторного привода выше, так как отсутствует редуктор с низким КПД. Экономия электроэнергии составляет порядка 40 %;
4) безредукторный привод позволяет сократить размеры машинного помещения. В безредукторном приводе вся электромеханическая система может быть выполнена в двух подшипниковых опорах;
5) за счет снижения уровня шума, плавности хода и точности остановки повышается комфортность поездки.
Список литературы
1. Афонин В.И., Родионов Р.В. Исследование синхронного электропривода лифта в замкнутой системе регулирования // Электротехника. 2009. №4. С.13-17.
2. Афонин В.И., Родионов Р.В. Моделирование работы безредукторного электропривода лифта // Лифт. 2009. №2. С.42-46.
3. Афонин В.И., Родионов Р.В. Разработка физической модели без-редукторного электропривода лифта: тезисы // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии: сборник трудов Международной
научно-технической конференции. Тольятти, 12-15 мая 2009г. В 3 ч. Тольятти: ТГУ, 2009. Ч.1., С.266-270.
4. Асинхронный двигатель для безредукторного электропривода: пат. РФ №5524 МПК H02K 3/30, 3/32, 17/16. 2006.
V. Afonin, O. Kruglikov, R. Rodionov, Yu. Cherny'shev
Lift drive without gear- innovative energo - and the resource-saving equipment In article the basic development cycles and introductions without gear drive are resulted. Some aspects of tests without gear drives are considered. Keywords: without gear drive, lift cabin, engine, winch.
Получено 06.07.10
УДК 620.9:502.14:62.83
В.Ф. Глазунов, д-р техн. наук., проф., (4932) 26-97-07, [email protected] (Россия, Иваново, ИГЭУ им. В. И. Ленина), А.А. Репин, ассист., (4932) 56-27-87,
[email protected] (Россия, Иваново, ИГЭУ имени В.И.Ленина)
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ СИНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РЕГУЛЯТОР КООРДИНАТ БЕСКОНТАКТНОГО СИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
На основе метода АКАР синергетической теории управления синтезирован энергосберегающий закон векторного регулирования координат бесконтактного синхронного электропривода, позволяющий минимизировать потери мощности в двигателе на всем диапазоне регулирования, обеспечивая при этом высокую стабильность скорости вращения и малую чувствительность к изменениям параметров объекта и нагрузки на валу.
Ключевые слова: энергосбережение, БСЭП, СДПМ, АКАР.
Приоритетными направлениями развития обрабатывающих отраслей промышленности в соответствии с государственной политикой России в области науки, технологий и техники являются энерго- и ресурсосбережение [1, 2]. В данных условиях на фоне стремления руководства предприятий к наращиванию темпов производства, а также к повышению конкурентоспособности в связи с непрерывным ужесточением требований к качеству готовой продукции необходимость совершенствования элементов и систем технологического оборудования становится очевидной.
Одной из сфер применения мер по энергосбережению традиционно является электрический привод (ЭП), предоставляющий один из самых эффективных и экологичных способов получения механической энергии. На сегодняшний день в развитии ЭП малой и средней мощности (до нескольких десятков киловатт) прослеживается тенденция к применению
