CC BY
152
АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТРАДИЦИОННОГО РЕДУКТОРНОГО ПОДЪЕМНОГО МЕХАНИЗМА ПАССАЖИРСКОГО ЛИФТА С ДВУХСКОРОСТНЫМ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
Бойко А.О. Одесский национальный политехнический университет
Аннотация. В статье предложена методика математического описания и исследования двухскоростного асинхронного электропривода пассажирского лифта. Уделено внимание описанию нелинейных параметров асинхронного электрического двигателя и детальному анализу его энергетики. Приведена математическая модель и описаны ее элементы. Представлены результаты исследования качества электромеханического преобразования энергии в механизме подъема пассажирского лифта с двухскоростным асинхронным двигателем методом математического моделирования. При исследованиях учтены переменные параметры схемы замещения при работе двигателя на высокой и на низкой скоростях, переменное значение коэффициента полезного действия червячного редуктора, параметры загрузки кабины, направление и реальная структура цикла движения лифта по оптимальной диаграмме. Результаты моделирования проверены и подтверждены экспериментально на действующем пассажирском лифте.
Ключевые слова: Пассажирский лифт, редуктор, двухскоростной асинхронный электрический двигатель, КПД, моделирование, энергетические показатели
ANALIZA PARAMETRILOR ENERGETICE ALE ASCENSORULUI DE PERSOANE TIPIC CU MOTORUL ASINCRON CU DOUA VITEZE §I CU MECANISMUL DE RIDICARE CU REDUCTOR
Boico A.O.
Universitatea Nafionala Politehnica din Odesa Rezumat. in lucrarea se propune o metoda de descriere matematica §i de studiu ascensorului de pasageri cu moroul asincron cu doua viteze. A acordat o atentie la descrierea parametrilor neliniare ale motorului electric asincron §i o analiza detaliata a performantei energetice. Este prezentat modelul matematic §i sunt descrise elementele ei §i rezultatele studiilor de cercetare de calitate a conversiei electromecanice a energiei in mecanismul ridicarii ascensorului cu motorul asincron cu doua viteze prin modelare matematica. La cercetari sunt studiate parametri variabile a schemei. Sunt prezentate rezultatele cercetarii calitatii transformarii electromecanice a energiei in mecanismul de ridicat al ascensorului de persoane cu motorul electric asinhron cu doua viteze prin metoda de modelare matematica. La cercetari este studiata influenta a parametrii variabili ai schemei echivalente a motorului la lucru la vitezele inalta §i joasa, valoarea variabila a randamentului reductorului cu melc, parametrilor de incarcare a cabinei, directie §i structura reala a ciclului de mi§care a acsensorului la diagrama optimala. Rezultatele modelarii sunt verificate experimental la ascensor de persoane. Cuvinte-cheie: Ascensor de persoane, reductor, motor electric asicncron cu doua viteze, randamentul, modelare, indicii energetice.
ANALYSIS OF ENERGETIC INDICES OF TRADITIONAL GEARED ELEVATING MECHANISM WITH TWO-SPEED ASYNCHRONOUS MOTOR FOR PASSENGER LIFTS
Boyko A.
Odessa National Polytechnic University Abstract. In article the technique of the mathematical description and researches of the two- speed asynchronous electric drive for the passenger lift of a traditional design is offered. The mathematical model is presented and its elements are described. The attention is paid to nonlinearities of the two-speed asynchronous electric drive and to detailed analysis of its energetic indices. The results of research of electromechanical transformation in the mechanism of the passenger lift with the two - speed asynchronous motor by a method of mathematical modeling are submitted. At researches are taken into account: variable parameters of an equivalent circuit of the asynchronous motor at work on high and low speeds, variable value of а worm gear reducer efficiency, load of a
cabin, direction and real structure of a motion cycle of the lift, which moved under the optimum diagram. The results of modeling are checked up and are confirmed experimentally on the working passenger lift. bywords: Passenger lift, reducer, two-speed asynchronous electric drive, efficiency, modeling, energetic parameters.
Введение.
Главными технико-экономическими показателями при обосновании технических решений различных систем лифтовых электроприводов - это способность обеспечить оптимальные комфортные условия перевозки пассажиров, энергетическая эффективность и массогабаритные показатели [1]. Современным и актуальным направлением развития электромеханики является переход от неуправляемых автоматизированных систем к управляемым, которые обеспечивают значительное улучшение динамических и энергетических показателей электропривода и механизма. В области пассажирских лифтов - это замена неуправляемых асинхронных электроприводов с двухскоростными двигателями на частотно управляемые электропривода с односкоростными двигателями, а также внедрение безредукторных лебедок с тихоходными приводными двигателями [2,3]. Тем не менее, изучение традиционных лифтовых электроприводов с двухскоростными асинхронными двигателями (АД) и червячными редукторами, не потеряли актуальности, ввиду массовости их применения (в Украине на 2013 год более 400 тыс.). Анализ их показателей необходим для поиска путей модернизации, а так же для расчета технико -экономической эффективности других альтернативных вариантов электроприводов, при этом традиционная лифтовая электромеханическая система используется в качестве базовой [2,4].
В настоящей работе рассмотрены энергетические диаграммы для некоторых режимов работы традиционной электромеханической системы пассажирского лифта, рассчитанные с использованием математических моделей асинхронной электрической машины с переменными параметрами и механической передачи с переменным значением коэффициента полезного действия (КПД), зависящего от текущей загрузки подъемного механизма. При моделировании детально учитывались параметры механической и электрической частей лифта, а так же реальная структура цикла работы от начала движения до наложения электромагнитного тормоза. Моделирование процессов выполнено с применением библиотеки «Simulink» среды «Matlab». Результаты моделирования проверены и подтверждены экспериментально на действующем пассажирском лифте [5]. Основными параметрами, характеризующие электромеханическую систему, приняты:
Общая характеристика лифта. Пассажирский лифт, установлен в 10-ти этажном здании с высотой этажа 3,2 м, номинальная скорость 1м/с, грузоподъемность 500 кг, масса кабины 1250 кг, масса противовеса 1500 кг.
Механическая передача. Червячный глобоидный редуктор РГЛ-180-47. Передаточное число 47, номинальная исходная мощность 5 кВт, номинальный ККД 63%, диаметр канатоведущего шкива 0,93 м, четыре ветви тяговых канатов диаметром 12 мм.
Приводной двигатель. Асинхронный двухскоростной АСС 92-6/24; мощность 7,1/1,8 кВт; номинальная скорость 975/205 об/мин; номинальный ток 17,1/16,3 А; КПД
0,85/0,42; коэффициент мощности 0,85/0,4. Между редуктором и приводным двигателем установлен электромагнитный тормоз с моментом 100 Нм.
Моделирование асинхронного двигателя выполняется на основе известной теории обобщенной машины в неподвижных координатах а,Р,0 [6].
Уравнения питающего напряжения, записываются
и1а = и1т
и1Р = и1т 5ІП(ЮоІ)
Уравнение равновесия напряжений статора и ротора
иіа = Ча^ +
&
иіР = Іір ^ +
0 = І2аR2 + ,
<^2_р
&
0 = +Ю^ 2 а-
Уравнение потокосцеплений
^ір
1Р мр^ Л , (2)
^іа= Ча” + І2 а—,
00 00
X • хп
^ір = Чр — +І
2Р
00 ®0
. хг . х0
(3)
V 2 а = І2 а” + Ча”,
• хг . х0
^2р = І2р + Іір 00 00
Электромагнитный момент
М = 3Р "х°(І2 аІір І1аІ2р) (4)
2 00
Уравнение движения
М - Мс = ІЕ (5)
Л р
В уравнениях (1) - (5) : ю0, ю, ю2 угловые скорости, электромагнитного поля, электрическая ротора, механическая ротора, соответственно; х8 = х1 + х0 - полное индуктивное сопротивление статора, хг = х’2 + х0 - полное индуктивное сопротивление ротора, р - число пар полюсов АД.
На рис. 1 представлена схема базовой модели асинхронного двигателя согласно приведенным уравнениям. Все переменные параметры, выбранные в качестве расчетных, обозначены дополнительным индексом "г". Дополнительно в модель
введены блоки измерения и блоки, реализующие нелинейности параметров АД: Х0 -индуктивного сопротивления контура намагничивания, как функции тока намагничивания; Х1; Х2 - индуктивных сопротивлений рассеяния обмоток статора и ротора, как функции тока статора; R2 - активного сопротивления ротора, как функции скольжения.
При настройке блоков нелинейностей необходимо учитывать, что при работе модели, с большей степенью вероятности, реализуется, так называемая, "алгебраическая петля", когда числовое решение системы дифференциальных уравнений невозможно [7]. Для недопущения этого явления, в контуры, которые моделируют нелинейности АД, вводятся блоки задержки сигналов «Transport Delau» с шагом задержки, согласно шагу интегрирования [5].
При моделировании двухскоростного двигателя моделируются одновременно и независимо две модели, аналогичные изображенной на рис. 1, с параметрами, соответствующими каждой из обмоток АД. Упрощенная блок-схема модели двухскоростного асинхронного электропривода показана на рис. 2.
Блок «Source U» является источником напряжения для каждой из обмоток АД, которые в модели представлены блоками «Subsystem 1» и «Subsystem 2» (рис. 1). Входы «In1» этих блоков - управляющие. Поскольку между обмотками высокой и низкой скорости нет электромагнитной связи, то управление отдельными обмотками можно свести к разрешению или запрету работы интеграторов, которые реализуют решение уравнения (2). При отсутствии сигнала на входе соответствующего интегратора, он начинает работу. При поступлении на этот вход напряжения управления, например 10 В, интегратор перестает работать, а на его выходе устанавливаются нулевые начальные условия. Управление обмотками двигателя
выполняется в функции перемещения кабины лифта (сигнал hk блока «From 30») с помощью блоков «Relay1» - «Relay3». В начале работы существует разрешение на интегрирование уравнений (3) для обмотки высокой скорости, и запрет работы обмотки низкой скорости. Воспроизводится процесс пуска и работы в установившемся режиме. При подходе кабины к заданному этажу на расстояние от 1 до 1,5 м отключается обмотка высокой скорости и, с выдержкой времени на переключение контакторов, включается обмотка низкой скорости. При этом моделируется режим динамического торможения и работы на пониженной скорости. При подходе кабины на расстояние 0,1 - 0,2 м обмотка низкой скорости отключается и на вал двигателя накладывается электромагнитный тормоз. Момент электромагнитного тормоза «Memt» моделируется как момент реактивного характера. Моменты двигателя от обмоток большой скорости «Mhs» и малой скорости «Mls» подаются на вход блока «Speed», который моделирует механизм подъема лифта. На выходе этого блока формируются механическая скорость и ее производная, а также электрические скорости для моделей высокой и низкой скоростей АД.
На рис. 3 представлена осциллограмма процесса перемещения кабины с номинальным грузом при подъеме на один этаж [8]. На осциллограмме показаны: фазные токи обмоток высокой и низкой скорости, (а); моменты и скорость двигателя
(б); путь, скорость и ускорения кабины (в). Управление изменением режимов выполняется в функции пути. Переключение на обмотку низкой скорости происходит за 1 м до места остановки, отключение двигателя и наложение электромагнитного тормоза за 0,1 м до места остановки.
Зсореї
Рис. 1. Схема модели асинхронного двигателя
Рис. 2. Упрощенная схема модели двухскоростного асинхронного электропривода пассажирского лифта
Рис. 3. Осциллограмма процесса перемещения кабины с номинальным грузом на один этаж
Для анализа энергетических показателей проводилось измерение мгновенных мощностей и интегралов мощностей, что позволило проводить детальное
исследование энергетической эффективности, как лифта в целом, так и его отдельных составляющих [9].
Механические величины:
• мощность на валу приводного двигателя Р = М• а>, а также ее составляющие:
• полезная мощность на валу канатоведущего шкива, определяемая статическим моментом нагрузки Рс = Мс • юкш ;
• мощность, определяемая динамическими моментами элементов механизма
подъема, движущихся поступательно (кабина, противовес, груз)
Ваё1ё,1,а = I аё£ё,1,а •Юёе ;
• мощность, определяемая динамическими моментами элементов механизма
подъема, движущихся вращательно (ротор двигателя, редуктор, шкив
электр°магнитног° т°рмоза) а = 1 аё£ аа,5аа,Л а ' Ю ;
• потери мощности на трение в механизме подъема, приведенные к валу
канатоведущего шкива АР.^ = Мтр • акш. В общем моменте трения учтены
постоянные силы трения кабины и направляющих, постоянная и переменная составляющие потерь в редукторе.
Электрические величины:
• активная мощность, потребляемая из сети Р1 = ^2(и1«11а + и^в), а также ее составляющие:
• потери мощности в обмотках высокой и низкой скорости статора АРм1 = 32 (Ла +121в)' R1 и ротора АРм2 = 32 (122а + 122в)' R2 ;
потери мощности в стали АРст = АР
стн
где АРстн - номинальные потери в
стали, Т^Тон
и тока
квадраты амплитуд текущего тока намагничивания
намагничивания в номинальном режиме.
Энергетические диаграммы электромеханической системы пассажирского лифта при номинальной массе груза и за поездку на один этаж при разной загруженности кабины представлены на рис. 4.
Рис. 4. Энергетические диаграммы электромеханической системы лифта в установившемся (а) и в динамических (б) режимах
В установившемся режиме работы, рис. 4,а большую часть потребляемой мощности составляют потери в приводном двигателе и на трение. Причем потери на трение на низкой скорости уменьшаются, в сравнении с потерями на высокой скорости, а потери в двигателе, несмотря на уменьшение механической мощности, значительно возрастают. Принимая во внимание достаточную продолжительность участка работы на пониженной скорости, эти потери отрицательно влияют на общую энергетическую эффективность подъемного механизма. Благодаря значительным потерям в двигателе и на трение, ни в одном из установившихся режимов работы не наступает длительный режим генерации электрической энергии, в противоречие существующим представлениям [1,11]. Уточненные величины КПД исследуемой электромеханической лифтовой системы, оказались ниже декларируемых (значения в скобках) [10]. Так, для режима подъема номинального груза, КПД составил не более 42,4% (61%), а для случая пуска - 8,2% (16%).
Обобщенная картина энергетической эффективности представлена для цикла подъема кабины на один этаж при трех значениях загрузки: 500 кг; 250 кг и пустой кабины, рис. 4,б. Следует обратить внимание на то, что существует незначительный по продолжительности и величине участок генерирования энергии в сеть, при переходе на пониженную скорость АД, который, ввиду незначительной величины, практически не влияет на общую энергетическую картину. При подъеме пустой кабины энергия статических сил тяжести является генерирующей, но она не превышает сумму потерь энергии в двигателе и на трение.
Особенностью энергетических диаграмм в динамических режимах являются незначительные, практически незаметные, значения энергии динамических сил и моментов. Это объясняется тем, что в цикле пуск - торможение кинетическая энергия на участке пуска накапливается, а на участке торможения потребляется, компенсируя часть потерь. Теоретически эта энергия за цикл перемещения должна быть нулевой, но на практике она отличается от нуля, поскольку существует переменное значение КПД червячной механической передачи, которое формируется в зависимости от общей загрузки редуктора и может быть разным в моменты накопления и отдачи кинетической энергии.
Выводы
1. Приведенная методика моделирования является универсальной и может применяться как инструментарий для исследования работы двухскоростных асинхронных электроприводов пассажирских лифтов. Моделирование может выполняться, как с помощью комплексных программных пакетов, (например 81ши11пк Ма1;ЫаЬ), так и на основе авторской пользовательской программы.
2. Традиционный электропривод пассажирского лифта с двухскоростным асинхронным двигателем и червячным глобоидным редуктором представляет собой пример неэффективного преобразования как электрической, так и механической энергии.
3. Благодаря большим потерям энергии, при любой загрузке кабины, отсутствует продолжительная рекуперация энергии в сеть, а незначительный по продолжительности и объему генерации участок при переходе на пониженную скорость, на энергетическую диаграмму электромеханической системы лифта существенно не влияет.
4. Несовершенный способ точной остановки путем перехода на пониженную скорость приводит к существованию довольно продолжительного участка подхода
кабины к заданному этажу, который значительно снижает энергетические показатели и
производительность пассажирского лифта.
Литература
[1] Лифты. Учебник для вузов / под общей ред. Д. П. Волкова. - М.: АСВ, 1999.- 480 с.
[2] Андрющенко О.А., Бойко А.О. Повышение технического уровня пассажирских лифтов Украины, эволюция или революция?/ Андрющенко О.А. // Экономист. -2011. - №8. - С.75-79
[3] Архангельский Г.Г. Современные тенденции и перспективы развития лифтостроения // Стройпрофиль №7, 2008. С. 94-96.
[4] Макаров Л.Н. Современный электропривод скоростных лифтов повышенной комфортности // Электротехника. 2006. - №5. - С. 42-46.
[5] Андрющенко О.А, Бойко А.О., Акчебаш Н.В. Особливості математичного моделювання двохшвидкісного асинхронного електропривода пасажирського ліфту // Праці Одеського політехнічного університету: Науковий та науково-виробничий збірник. - Одеса, 2013, Вип. 2 (41). - С 164 - 168.
[6] Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. - М.: Высш. шк., 1987. - 248 с.
[7] Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся вузов. - М.: Наука, 1986. - 544 с.
[8] Бойко А.А. Синтез и анализ диаграмм движения лифтовых подъемных механизмов // Інформаційні технології в освіті, науці та виробництві. Збірник наукових праць. -Вип. 4(5) - Одеса: АО Бахва, 2013. - С. 83-91.
[9] Ключев В.И. Теория электропривода: Учеб. Для вузов. 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1998. -704 с
[10] Андрющенко О. А., Булгар В. В., Семенюк В. Ф. Пассажирский лифт как электромеханическая система. Перспективы и проблемы совершенствования энергетических показателей // Научно-технический и производственный журнал «Подъемные сооружения. Специальная техника». - №2. - 2010. - С 23-28.
[11] Андрющенко О.А., Семенюк В. Ф., Бойко А.О., Кнюх А.Б. Совершенствование энергетических показателей лифтовых лебедок. Критический анализ мировых достижений // Научно-технический и производственный журнал «Подъемные сооружения. Специальная техника». - №11 (129). - 2012. - С. 23-29.
Сведения об авторах:
Бойко Андрей Александрович 02.08.1977. Окончил Одесский политехнический университет в 1999 году. В 2002 году защитил диссертацию кандидата технических наук. С 2005 года - доцент. С 2010 года - директор института электромеханики и энергоменеджмента Одесского национального политехнического университета. Область научных интересов - методы исследования, разработка и модернизация электромеханических систем современных пассажирских лифтов. E-mail: [email protected]
