CC BY
105
УДК 519.673:62-83
А. С. Коваль, канд. техн. наук, доц., А. В. Шваяков
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЛИФТОВ СО СКОРОСТЬЮ ДО 2 М/С
В статье рассматривается электромеханическая система лифта, образованная электрической и механической подсистемами. Выполнен анализ основных составляющих, входящих в электрическую и механическую подсистемы. Представлен обзор систем управления, применяемых в лифтах. Рассмотрены кинематические схемы массовых лифтов.
Введение
Лифт представляет собой стационарную грузоподъемную установку, которую можно представить в виде двух подсистем: электрической и механической. Вместе электрическая и механическая подсистемы образуют электромеханическую систему лифта.
В массовых лифтах со скоростью до 2 м/с и нерегулируемым электроприводом (ЭП) основой электрической подсистемы является двухскоростной асинхронный двигатель (АД) с короткозамкнутым ротором [1]. В настоящее время происходит
постепенный отказ от использования нерегулируемого электропривода в лифтах со скоростью до 2 м/с в пользу частотно-регулируемого, в том числе на основе односкоростного АД с короткозамкнутым ротором. Основная причина такой замены заключается в энергосберегающем эффекте и улучшении характеристик комфортности при поездке.
Для наиболее распространенных лифтов, с верхним расположением ЭП, состав электромеханической системы лифта с регулируемым ЭП и односкоростным АД представлен на рис. 1.
а)
б)
Рис. 1. Состав электромеханической установки лифта: а
подсистема
электрическая подсистема; б - механическая
К электрической подсистеме относятся статический преобразователь, асинхронный двигатель, система управления и датчики скорости, напряжения и тока. Вместе они образуют частотно-регули-
руемый ЭП лифта.
Механическая подсистема включает червячный редуктор, кинематические связи, кабину и противовес.
Статические преобразователи лифтов
В современных лифтах наибольшее распространение получили преобразователи частоты с принципиальной схемой, показанной на рис. 2 [2, 3]. Также находят применение преобразователи, построенные по принципиальной схеме (см. рис. 2), но имеющие вместо цепи сброса энергии цепь накопления энергии [2].
В скоростных лифтах применяются преобразователи с другой принципиальной схемой (рис. 3) [3].
Использование в электроприводах лифтов перспективных преобразователей, например, «матричного» типа [4-6] или «многоуровневых» [7-9], ограничено вследствие увеличения периода окупаемости лифта.
Рис. 2. Принципиальная схема статического преобразователя
Рис. 3. Принципиальная схема статического преобразователя скоростных лифтов
Асинхронные двигатели для регулируемого электропривода лифта
Применение частотного регулирования позволяет использовать в лифтах односкоростные короткозамкнутые АД [10-12], что приводит к существенной экономии электрической энергии, причем
сегодня - это основное направление повышения технико-экономических характеристик лифтов.
Существует мировая практика применения в перспективных лифтах синхронных двигателей с постоянными магнитами (вентильные двигатели), в том числе в безредукторном исполнении и с
внешним ротором [13]. Однако для массового лифта применение таких конструкций экономически не оправдано, т. к. требуют существенных первичных затрат.
Ведутся работы по разработке тихоходных многополюсных односкоростных АД привода лифта [14].
Системы частотного управления, применяемые в лифтах
На работу электрической подсистемы наибольшее влияние оказывает система частотного управления. Существуют
различные классификации систем частотного управления, например, приведенная на рис. 4.
Алгоритм управления систем скалярного управления основан на соотношениях, справедливых для статического режима. В соответствии с этими алгоритмами управляемыми величинами являются амплитуда и частота напряжения, тока или потока [16]. Системы скалярного управления уступают по качеству регулирования и быстродействию системам векторного управления.
Рис. 4. Классификация систем частотного управления АД [15]
В системах векторного управления регулируется не только амплитуда и частота, но и пространственное положение вектора напряжения, тока или потока [16]. Системы векторного управления позволяют построить замкнутые системы управления, обладающие улучшенными статическими и динамическими характеристиками по сравнению со скалярными системами управления [16], но являются более сложными.
При выборе конкретного вида системы управления необходимо учитывать
особенности работы системы частотного управления и причины, способствующие возникновению слабозатухающих колебаний скорости в лифтах. Одной из причин является инерционность контура управления моментом [17]. Необходимо, чтобы электропривод обладал быстродействующим контуром управления моментом, т. е. использовал векторный принцип управления.
Среди всех систем векторного управления система при прямом управлении моментом (ПУМ, «Direct Torque
Control», DTC) обладает самым быстрым контуром управления моментом, причем робастность и быстрый динамический отклик по моменту достигнуты без дополнительной информации с датчиков скорости, положения, координатных преобразований, широтно-импульсного модулятора и регуляторов тока [18, 19].
Примером практической реализации системы векторного управления при ПУМ является ряд комплектных приводов типа ACS-600, ACS-800 и ACS-1000, выпущенных фирмой ABB. Фирма TWERD представила электропривод с алгоритмом управления при ПУМ-ШИМ (широтноимпульсный модулятор) [20].
Применение в лифтах быстродействующих электроприводов, таких как ПУМ и ПУМ-ШИМ, позволяет реализовать активный способ демпфирования упругих колебаний в механической подсистеме [21]. Особенности работы систем векторного управления при ПУМ или ПУМ-ШИМ в электроприводах лифтов, в том числе со скоростью движения до 2 м/с, требуют дальнейших исследований.
Кинематические схемы лифтов
Механические подсистемы канатных лифтов могут иметь различное исполнение (рис. 5) [17, с. 10; 22; 23, с. 61].
Рис. 5. Кинематические схемы лифтов
Наиболее часто встречаемая кинематическая схема приведена на рис. 5, в. На ней условно не показаны уравновешивающие канаты. Эта схема применяется в редукторных канатных лифтах с высотой подъема до 75 м и скоростью движения кабины лифта до 2 м/с, в том числе и с регулируемым ЭП.
На этой схеме (см. рис. 5, в) можно выделить элементы, характеризуемые сосредоточенными и распределенными параметрами [22-24]. К сосредоточенным элементам относятся массы кабины, противовеса, канатоведущего шкива, моменты инерции редуктора, муфты, валов и двигателя; к распределенным элементам -канаты, которые представляют собой сложную динамическую систему.
Анализу механических подсистем с упругими связями, в числе которых и механическая подсистема лифтов, уделено достаточное внимание [25, 26]. Основные исследования в этом направлении связаны с учетом распределённости параметров, которая при математическом описании сводится аппроксимацией к цепочке парциальных систем [25, 26], а также к описанию механической подсистемы трехмассовой [24] и четырехмассовой расчетными схемами.
При синтезе и анализе системы управления важно иметь наиболее простое математическое описание, имеющее наибольшую сходимость с реальными переходными процессами в лифтах.
Редукторные лифтовые лебедки
Редукторные лифтовые лебедки в подавляющем большинстве оснащаются червячной передачей [17, 23]. Применение червячных редукторов в лифтах связано со следующими преимуществами [23]:
- компактный и небольшой размер при заданном передаточном числе и передаваемой мощности;
- минимальное число движущихся частей, что минимизирует расходы на техническое обслуживание и замену;
- обеспечение червячным зацеплением бесшумной работы;
- стойкость к ударной нагрузке.
Недостатки червячного редуктора:
- невысокий коэффициент полезного действия;
- нелинейная зависимость коэффициента полезного действия в функции скорости вращения червяка (рис. 6) [27-29].
0,6
0,4
0,2
* ш ^ — — 1 ■■ 1 о- - - - -к. О ----т о
./ ч Ч ч ч с 0
/ /
/ /
{Т + ПРЯМОЙ кпд О ОБРАТНЫЙ КПД | 1
0 10 20 30 40 50 60 70 80 рад/с 100
Ю ---------->-
Рис. 6. Зависимости прямого и обратного КПД от скорости червяка
п
Нелинейность коэффициента полезного действия существенным образом сказывается на переходных процессах электропривода лифта, особенно при малых частотах вращения [30]. Низкие энергетические характеристики червячных редукторов определяют основной интерес к разработке безредукторных ЭП с низкооборотными двигателями переменного тока.
Взаимодействие электрической и механической подсистем
В электромеханической системе лифта может существовать взаимосвязь между процессами, протекающими в электрической и механической подсистемах [17]. Причем ЭП при определенных условиях оказывает демпфирующее воздействие на слабо демпфированную механическую подсистему, которой и является механическая подсистема лифта, и, как следствие, может снижать динамические нагрузки на элементы механической подсистемы. В таком случае можно говорить о взаимодействии электрической и механической подсистем. Степень взаимодействия подсистем зависит от структуры системы управления электрической подсистемы, её динамических характеристик, собственной частоты механической подсистемы.
Существуют способы оценки степени взаимодействия электрической и механической подсистем, основанные на частотных методах, в том числе на основе оценки коэффициента электромеханической связи [17]. Для определения степени взаимодействия необходима разработка математических моделей электрической и механической подсистем, а также оценка резонансных частот механической подсистемы.
Оптимальная диаграмма движения
Одним из основных требований к электроприводу лифтов является обеспечение минимального времени движения кабины лифта при проездке с учетом ог-
раничений на величины рывка, ускорения и скорости кабины. Это требование положено в основу формирования оптимальной диаграммы движения кабины лифта [31].
В литературе встречаются различные способы формирования диаграмм движения [31-36], отличающиеся прежде всего законом формирования рывка [33].
В практике применения регулируемого электропривода в массовых лифтах со скоростью до 2 м/с. В качестве сигнала задания, как приближение к оптимальной диаграмме движения, используется Б-диаграмма движения с постоянным рывком и ускорением, изменяющимся по трапецеидальному закону. Причем и рывок, и ускорение при этом существенно отличаются от оптимальных. Поэтому при формировании диаграммы движения необходимо учитывать особенности электрической и механической подсистем лифта, что при использовании частотно-регулируемого ЭП, в том числе и с ПУМ (ПУМ-ШИМ), требует дальнейших исследований.
Выводы
1. Частотно-регулируемый ЭП с односкоростным асинхронным двигателем в массовых лифтах со скоростью движения до 2 м/с - основное энергосберегающее решение, определяющее направление развития массовых лифтов в настоящее время.
2. В связи с использованием регулируемого ЭП в массовых лифтах со скоростью до 2 м/с необходимо адекватное и экспериментально обоснованное математическое описание механической подсистемы лифта, что позволит решать задачи анализа и синтеза систем автоматического управления используемого ЭП.
3. Применение частотно-регулируемого ЭП с векторным управлением при ПУМ (ПУМ-ШИМ), обладающего наибольшим быстродействием в контуре регулирования моментом, предостав-
ляет потенциальную возможность влиять на степень взаимодействия электрической и механической подсистем в лифтах, т. е. определяет направление дальнейшего исследования по изучению возможностей ЭП при ПУМ (ПУМ-ШИМ) в массовых лифтах.
4. В механической подсистеме ре-дукторных лифтов червячный редуктор представляет собой существенно-нелинейный элемент, определяющий качество работы регулируемого ЭП лифта при малых частотах вращения, что важно при позиционировании кабины лифта. Необходимы дальнейшие исследования структур систем автоматического регулирования ЭП лифта, позволяющих учесть влияние этой нелинейности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Афонин, В. И. Развитие лифтовых приводов [Электрон. ресурс] / В. И. Афонин, А. В. Шорохов. - Режим доступа : http : // www.vemp.ru / science.html. - Дата доступа : 10.02.08.
2. Rufer, A. A supercapacitor-based energy-storage system for elevator with soft commutated interface / A. Rufer, Ph. Barrade // IEEE Transactions on Industry Application. - 2002. - Vol. 38, № 5. -P. 1151-1158.
3. Yano, M. History of Power Electronics for Motor Drives in Japan / M. Yano, S. Abe, E. Ohno // [Electronic resource] Mode of access : http : // www.ieee.org / portal / cms_docs_iportals / iportals / aboutus / history_center / conferences / che2004 / Yano2.pdf. - Date of access : 25.11.06.
4. Cha, H. J. An Approach to Reduce Common-Mode Voltage in Matrix Converter / H. J. Cha,
P. N. Enjeti // IEEE Transactions on Industry Applications. - 2003. - Vol. 39, № 4. - P. 1151-1159.
5. Nielsen, P. New Protection Issues of a Matrix Converter : Design Considerations for Adjustable-Speed Drives / P. Nielsen, F. Blaabjerg, J. K. Pedersen // IEEE Transactions on Industry Applications. -1999. - Vol. 35, № 5. - P. 1150-1161.
6. Kim, S. AC / AC Power Conversion Based on Matrix Converter Topology with Unidirectional Switches / S. Kim, S.-K. Sul, T. A. Lipo // IEEE Transactions on Industry Applications. - 2000. -Vol. 36, № 1. - P. 139-145.
7. Rodriguez, J. Multilevel Inverters : A Survey of Topologies, Controls, and Applications /
J. Rodriguez, JS. Lai, F. Z. Peng // IEEE Transactions on Industry Applications. - 2002. - Vol. 49, № 4. -P. 724-738.
8. A Multilevel Inverter System for an Induc-
tion Motor With Open-End Windings / V. T. So-masekhar [etc.] // IEEE Transactions on Industrial Electronics. - 2005. - Vol. 52, № 3. - P. 824-836.
9. Reduced Common-Mode Modulation Strategies for Cascaded Multilevel Inverters / P. C. Loh [etc.] // IEEE Transactions on Industry Applications. - 2003. - Vol. 39, №5 - P. 1386-1395.
10. Попов, В. И. Частотно-регулируемые асинхронные двигатели для трехфазного лифтового электропривода / В. И. Попов // Электричество. - 2006. - № 6. - С. 60-64.
11. Парфенович, О. Н. Применение стандартизированных односкоростных асинхронных электродвигателей для привода лифтов массовых серий / О. Н. Парфенович, А. С. Коваль // Повышение энергетических характеристик и снижение расхода материалов низкого напряжения : всесоюзный межотраслевой науч.-техн. семинар. - М. : Информэлектро, 1983. -С. 2.
12. Электропривод лифтов со скоростью движения до 1,6 м/c / О. Н. Парфенович [и др.] // Применение систем автоматизированного электропривода на промышленных предприятиях Беларуси : материалы науч.-техн. конф. - Минск : БПИ, 1982. - С. 145.
13. Axial-Flux Permanent-Magnet Motor for Direct-Drive Elevator Systems Without Machine Room / R. L. Ficheux [etc.] // IEEE transactions on industry applications. - 2001. - Vol. 37, № 6. - P. 1693-1701.
14. Афонин, В. И. Основные направления повышения технического уровня двигателей для привода лифтов [Электрон. ресурс] / В. И. Афонин, А. В. Шорохов. - Режим доступа : http : // www.vemp.ru / science.html. - Дата доступа : 10.02.08.
15. Kazmierkowski, M. P. Direct Torque Control of PWM Inverter-Fed AC Motors - A Review / M. P. Kazmierkowski // III Summer Seminar on Nordick Network for Multi Disciplinary Optimised Electric Drives : Material of Proceeding. -Zegrze, Poland, - 2003. - P. 1-19.
16. Vas, P. Sensorless vector and direct torque control / P. Vas. - Oxford : Oxford science publications, 1998. - 730 p.
17. Ключев, В. И. Ограничение динамических нагрузок электропривода / В. И. Ключев. -М. : Энергия, 1971. - 320 с. : ил.
18. Vas, P. Artificial-Intelligence-Based Electrical Machines and Drivers / Р. Vas. - Oxford : University Press, 1998. - 620 р. : pic.
19. Assessment of direct torque control for induction motor drivers / D. Casadei [etc.] // Bulletin of the polish academy of sciences technical sciences. - 2006. - Vol. 54, № 3. - P. 237-254.
20. Zelechowski, M. Industrial Application of Sensorless Direct Torque Control - Space Vector Modulated (DTC-SVM) for Inverter Fed Induction Motor Drives / M. Zelechowski, W. Kolomyjski,
M. Twerd // IV Summer Seminar on Nordick Network for Multi Disciplinary Optimised Electric Drives : Material of Proceeding. - Tallinn, 2004. - P. 81-83.
21. Пятибратов, Г. Я. Ресурсосберегающее управление усилиями в упругих передачах и исполнительных устройствах электромеханических систем и комплексов / Г. Я. Пятибратов // V меж-дунар. (XVI Всероссийская) конф. по автоматизированному электроприводу АЭП-2007, 18-21 сент. 2007 г. - СПб. : С.-Петерб. гос. политехн. ун-т ; Моск. энергет. ин-т, 2007. - С. 58-60.
22. Чутчиков, П. И. Электрооборудование лифтов массового применения / П. И. Чутчиков, Н. И. Алексеев, А. К. Прокофьев - М. : Машиностроение, 1983. - 168 с. : ил.
23. Яновский, Л. Проектирование механического оборудования лифтов : монография / Л. Яновский. - 3-е изд. - М. : АСВ, 2005. - 336 с.
24. Коваль, А. С. К вопросу исследования частотных свойств электропривода при прямом управлении моментом с широтно-импульсной модуляцией в лифтовых установках / А. С. Коваль, А. В. Шваяков // Изв. вузов и энерг. объединений СНГ. - 2008. - № 1. - С. 24-33.
25. Рассудов, Л. Н. Электропривод с распределенными параметрами электромеханических элементов / Л. Н. Рассудов, В. Н. Мядзель. - Л. : Энергоатомиздат, 1987. - 144 с. : ил.
26. Киселев, Н. В. Электроприводы с распределенными параметрами / Н. В. Киселев, В. Н. Мядзель, Л. Н. Рассудов. - Л. : Судостроение, 1985. - 220 с. : ил.
27. Скойбеда, Т. А. Детали машин и основы конструирования : учебник / Т. А. Скойбеда, А. В. Кузьмин, Н. Н. Макейчик ; под общ. ред.
А. Т. Скойбеды. - Минск : Выш. шк., 2000. -584 с. : ил.
28. Решетов, Д. Н. Детали машин : учебник для вузов / Д. Н. Решетов. - 3-е изд., испр. и перераб. - М. : Машиностроение, 1975. - 655 с.
29. Левитан, Ю. В. Червячные редукторы : справочник / Ю. В. Левитан, В. П. Обмор-нов, В. И. Васильев. - Л. : Машиностроение, Ленингр. отделение, 1985. - 168 с. : ил.
30. Pelchen, С. Modeling and Simulating the Efficiency of Gearboxes and of Planetary Gearboxes / С. Pelchen, С. Schweiger, M. Otter // 2 International Modelica Conference, Proceedings. -Oberpfaffenhofen, Germany, 2002, - P. 257-266.
31. Лифты : учебник для вузов / Под общ. ред. Д. П. Волкова - М. : АСВ, 1999. - 480 с. : ил.
32. Белов, М. П. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов : учебник для вузов / М. П. Белов, В. А. Новиков, Л. Н. Рассудов. - 2-е изд., стер. - М. : Академия, 2004. - 576 с.
33. Harris, C. M. Harris' shock and vibration handbook / C. M. Harris, A. G. Piersol. - New York : McGraw-Hill, 2002. - 1456 p.
34. Pat. US005896950A (USA). Position control method for elevator / E. M. Koh ; applicant 25.11.96 ; printed 27.04.99.
35. Pat. US007147084B2 (USA). Elevator control using switched speed and position / P. Jahkonen ; applicant 12.08.05 ; printed 12.12.06.
36. Pat. US006164416A (USA). Procedure and apparatus for the deceleration of an elevator / A. Laine [etc.] ; applicant 30.04.97 ; printed 26.12.00.
Белорусско-Российский университет Материал поступил 02.04.2009
A. S. Koval, A. V. Shvayakov Electromechanical system of lifts with a speed of 2 m/s
An electromechanical lift system formed by electric and mechanical subsystems is considered in the paper. The analysis of main components included in electric and mechanical subsystems is given. The review of the control systems used in lifts is done. Kinematic circuits of mass lifts are examined.
