Регенеративные приводы лифтов

Разделы

Главная страница

Публикации

Регенеративные приводы лифтов

В течение нескольких сотен лет мы имеем дело с лифтами разных видов. Сначала это были механические лифты типа подъемного крана с барабаном и лебедкой, которые приводились в движение вручную, тягловым скотом, водяными колесами или паром. Талевая система канатов позволяла поднимать даже самые тяжелые грузы.

Для повторяющегося использования изобретатели быстро научились уравновешивать с помощью груза подъемную платформу или клеть кабины, чтобы уменьшить усилие, необходимое для перемещения полезной нагрузки вверх и вниз по шахте. К концу XIX века изобрели множество усовершенствований в части безопасности лифтов и практического использования электродвигателей. Несмотря на научные споры по поводу сравнительных характеристик использования энергии переменного и постоянного тока, к 20-м годам XX века почти все лифты были переделаны или вновь построены в расчете на использование электродвигателей. Барабан с лебедкой уступили место системам с противовесом, шкивам прямой тяги и стальными подвесными канатами.

Электрические лифты стали катализатором строительства огромного количества высотных зданий в крупных городах. Несмотря на многочисленные усовершенствования, направленные на повышение безопасности и удобства эксплуатации, в лифтах наших дней все еще используется подъемный механизм с противовесом и ведущий шкив с подвесными канатами. Причина простая -уравновешивание веса (массы) кабины против действия силы тяжести уменьшает величину силы, необходимой для передвижения кабины в шахте вверх и вниз. Кроме того, когда добавляется дополнительный противовес для уравновешивания системы со средней полезной нагрузкой, требуется наименьшее усилие для предполагаемого диапазона типичных значений нагрузки.

Меньшее усилие для перемещения средней нагрузки означает и меньшее среднее количество потребляемой энергии. В современном мире одна из главных целей усовершенствования -энергосбережение. Обычно мы платим за электроэнергию по показаниям счетчика киловатт-часов. Все, что можно сделать для сбережения энергии или минимизации ее потребления, безусловно, позволяет экономить деньги и беречь источники электроэнергии.

Известно, что во многих невысоких зданиях используются гидравлические механизмы лифтов, но в данной статье будут рассматриваться только лифты с канатоведущим шкивом.

Энергия

Что мы называем энергией? С научной точки зрения, энергия - это действие, выполняющее работу, где базовым определением служит сила, умноженная на расстояние, на которое перемещается предмет. В работе лифта участвуют два основных вида механической энергии: потенциальная и кинетическая.

Предмет (масса) набирает или теряет потенциальную энергию по мере того, как он поднимается или опускается при действии силы тяжести. Лифт должен вкладывать энергию в массу полезной нагрузки, когда она поднимается (вес, умноженный на расстояние). То же количество потенциальной энергии будет теряться полезной нагрузкой, когда она опускается под действием силы тяжести.

Кинетическая энергия представляет собой энергию движения, накапливаемую в массе при ее движении. Мы часто называем ее инерцией или импульсом. Величина кинетической энергии в движущемся предмете равна половине массы, умноженной на квадрат скорости. Ее необходимо добавить к любому предмету, чтобы ускорить его движение или привести его в движение. Аналогично, то же значение кинетической энергии необходимо удалить из предмета, чтобы заставить его остановиться. Кинетическая энергия приобретает большое значение, когда мы рассматриваем конструкцию лифтов или скорость их движения.

Все основные компоненты лифта должны двигаться, чтобы привести в движение полезную нагрузку. Для обеспечения требуемой механической прочности необходимо, чтобы масса рамы кабины и противовес обладали значительно большей массой, чем номинальная полезная нагрузка лифта. В результате полная кинетическая энергия, которую нужно добавить для ускорения движения лифта или убрать для его замедления, в четыре-пять раз превышает кинетическую энергию, которая была бы при перемещении одной только полезной нагрузки. Обратите внимание на то, что речь идет о механической энергии и двунаправленном ее потоке. То есть мы должны приложить энергию к механическим компонентам и полезной нагрузке, чтобы заставить их двигаться с ускорением и подниматься. Энергия выделяется снова, когда мы останавливаем движение или опускаем нагрузку. Для лифта это действие многократно повторяется в течение дня. Циклический характер потока энергии дает идеальную возможность минимизации общего потребления энергии.

Скорость, с которой энергия течет для выполнения работы, называется мощностью. Она равна силе, умноженной на скорость в механических единицах. В электрических единицах она выражается в Ваттах (или киловаттах), представляющих собой напряжение (силу), умноженное на силу тока (скорость потока электронов), которые наблюдаются одновременно. Поток мощности тоже является двунаправленным. Когда потребность в электрической мощности измеряется и накапливается за какой-то период времени, в результате получается суммарное значение всей работы, выполненной за этот период. Электрические счетчики, стоящие в месте подводки сети питания к зданию, именно это и делают. Они определяют суммарный поток энергии на конец месяца. Это истинное значение электрической энергии, поставленной электростанцией общего назначения в здание, где измерялось количество электроэнергии.

Двигатели, приводящие в движение лифты, - это устройства, преобразующие мощность. Электрическая мощность подается на входе (в Вольтах х Амперы или в Ваттах) и преобразуется в механическую мощность (крутящий момент х об/мин или в лошадиных силах). Двигатели и генераторы имеют аналогичную конструкцию и действуют тоже аналогично. Все электрические двигатели могут работать как электрические генераторы. Каждый раз, когда под механическим воздействием вал двигателя вынужден двигаться быстрее, чем дает источник электроэнергии, механическая мощность (крутящий момент х скорость вращения вала) преобразуется в электрическую мощность (Вольты х Амперы). Следовательно, мощность может идти через электродвигатель в любом из этих направлений. Это справедливо для двигателей постоянного тока (со щетками и без них), асинхронных двигателей переменного тока и синхронных двигателей на постоянном магните. Этот принцип позволяет получить обратно энергию, временно хранящуюся в массе движущегося лифта.

Приводы с регулируемой скоростью представляют собой один из видов преобразователей электрической мощности, который обычно используется для преобразования фиксированного напряжения сети питания в регулируемое напряжение, управляющее скоростью двигателей лифта. О приводах с регулируемой скоростью обычно думают только как о приводах и двигателях переменного тока, но скорость двигателей постоянного тока можно также легко регулировать с помощью напряжения, и это в течение многих лет использовалось в лифтах. Агрегаты генератор-двигатель типа систем Варда-Леонарда представляют собой разновидность привода постоянного тока, так же как однооперационный триодный тиристор является устройством управления постоянного тока с регулируемой скоростью. В любом из этих случаев, регулировка напряжения (и частоты для привода переменного тока) является главным механизмом, с помощью которого мы контролируем величину мощности, идущей к двигателю или от него.

Когда преобразователь мощности дает напряжение, превышающее величину противодействующего напряжения (противоэлектродвижущая сила вырабатывается внутри за счет вращения двигателя), электрическая мощность идет на двигатель, чтобы создать ускорение или подъемный крутящий момент на валу и шкиве лифта. Когда напряжение на выходе преобразователя мощности меньше противоэдс двигателя, двигатель работает как генератор, преобразуя механическую мощность (крутящий момент х скорость) в электричество, которое течет обратно в преобразователь мощности. От конструкции и типа преобразователя электрической мощности, используемого для регулировки скорости двигателя, зависит, что случится с регенерированной энергией, идущей от двигателя лифта.

Двигатели лифта постоянного тока с управлением типа агрегата двигатель-генератор

Агрегат двигатель-генератор представляет собой асинхронный двигатель переменного тока, подключенный к сети питания, который вращает вал генератора постоянного тока с относительно постоянной скоростью. Двигатель лифта постоянного тока подсоединяется к выходу генератора. Регулировка силы поля генератора непосредственно изменяет выходное напряжение, поступающее на двигатель лифта постоянного тока. Значение напряжения генератора относительно противодействия двигателя лифта определяет направление и величину реального потока мощности. Когда двигатель лифта прикладывает тормозное усилие к нагрузке, мощность идет от двигателя к генератору. Тогда генератор начинает действовать как двигатель и пытается ускорить вращение вала, соединенного с асинхронным двигателем переменного тока. Поскольку асинхронный двигатель работает несколько быстрее, чем позволяют частота и напряжение сети, он, в сущности, становится асинхронным генератором, создавая электрическую энергию и отправляя ее обратно в сеть питания. Здесь, конечно, играет роль КПД оборудования, но тот факт, что агрегат двигатель-генератор регенерирует энергию, часто забывается. Даже при том, что двигатель переменного тока агрегата двигатель-генератор на холостом ходу берет значительное количество тока с низким коэффициентом мощности, ток в сети питания всегда свободен от гармоник.

Двигатели лифта постоянного тока с управлением от привода на однооперационных триодных тиристорах

Тиристорный привод преобразует напряжение переменного тока от сети питания в регулируемое напряжение постоянного тока путем селективного процесса выпрямления, известного как фазовое управление. Тиристоры действуют как выключатели, подводящие определенные участки синусоиды напряжения от сети питания к двигателю постоянного тока. Регулировка синхронизации фазы каждого тиристорного выключателя относительно мгновенного значения напряжения переменного тока регулирует среднее напряжение постоянного тока, подаваемого на двигатель. Схема с двойным тиристорным мостом позволяет току двигателя течь в любом направлении, к сети питания и от нее. С помощью регулировки среднего напряжения постоянного тока на выходе преобразователя мощности относительно противодействия двигателя осуществляется управление направлением и величиной мощности. Процесс преобразования мощности с помощью тиристоров особенно эффективен при прокрутке двигателя или регенерации. Однако механизм фазового управления регулируемым напряжением создает значительное количество гармоник тока в сети питания в любом рабочем режиме при существенно меняющемся коэффициенте мощности.

Двигатели лифта переменного тока с инверторами

Скорость и крутящий момент двигателя переменного тока - синхронного или асинхронного - регулируются электронным инвертором мощности путем изменения частоты и напряжения, подаваемых на выводы двигателя. Существует несколько типов инверторов, и во всех используется быстро регулируемая подача импульсов с помощью электронного переключателя (широтно-импульсная модуляция) для преобразования неизменного напряжения от временного источника постоянного напряжения или шины в трехфазное изменяемое напряжение переменного тока с регулируемой частотой. Хотя для точного управления используются различные технические схемы, двигатель приводится в движение, когда напряжение и частота, подаваемые на двигатель переменного тока, превышают противоэдс, генерируемую в двигателе пропорционально скорости вращения. Мощность идет от источника постоянного тока через инвертор и двигатель к механической нагрузке. Когда прилагаемые напряжение и частота меньше генерируемой противоэдс, двигатель работает как генератор. Механическая мощность, вращающая вал, преобразуется двигателем в электрическую мощность переменного тока, а инвертор направляет эту мощность обратно в шину постоянного тока.

Инверторы, не регенерирующие энергию

Во многих инверторах, используемых для управления двигателями переменного тока, установлен однонаправленный выпрямитель мощности на переднем конце для преобразования напряжения переменного тока от сети питания в напряжение постоянного тока, которое временно хранится на внутренней шине питания с емкостной фильтрацией. Это идеальный недорогой способ подачи напряжения постоянного тока для управления двигателем переменного тока с помощью инвертора. Однако выпрямитель может подавать мощность только в одном направлении. Когда лифт работает так, что двигатель и инвертор регенерируют мощность для управления скоростью контролируемой нагрузкой, движущейся под действием силы тяжести (поднимающаяся пустая кабина или спускающаяся полная кабина), или просто высвобождают кинетическую энергию для замедления движущейся массы, энергия будет накачиваться в шину постоянного тока, в результате чего возрастет напряжение в конденсаторах шины, хранящих энергию.

Традиционным способом, позволяющим решить проблему накопления излишнего количества энергии, служит установка схемы, которая временно замыкает выключатель, отводящий излишек энергии в блок резисторов. Резистивное торможение является одним из способов использования энергии, возвращенной от оборудования лифта. Но оно представляет собой чистые потери с точки зрения измеряемого потребления электроэнергии. Есть и другие потери, обусловленные КПД оборудования лифта, но 25-40% всей энергии, потребляемой лифтом, обычно теряется на блоке резисторов. Тепло, выделяемое резисторами, необходимо удалять из помещения с системой управления. Приходится дополнительно платить за энергию, используемую для работы вентиляторов или воздушных кондиционеров, которые могут потребоваться для удаления тепла от блока резисторов.

Регенерирующие приставки

К большинству традиционных инверторов, используемых для управления работой двигателя, можно добавить модуль регенерации мощности, чтобы регулировать поток мощности от источника постоянного тока обратно в сеть питания. Действие аналогично второму инвертору, работающему синхронно частоте сети питания. Когда двигатель лифта и инвертор действуют так, что накачивают мощность обратно в шину постоянного тока, вызывая подъем напряжения выше пиковых значений сети питания (подъем пустой кабины или спуск полной кабины, как сказано выше), регенерирующий модуль отправляет излишек мощности обратно в сеть. Это держит под контролем подъем напряжения в шине постоянного тока так, что тормозное сопротивление постоянного тока не используется. Энергия, которая была бы потеряна на тормозном сопротивлении в виде тепла, возвращается в систему распределения электроэнергии от электростанции. Это дает существенную разницу в общем потреблении энергии, особенно для безредукторной системы лифта на постоянном магните, обладающей низким коэффициентом трения.

Куда идет регенерированная энергия?

Распределение электрической мощности внутри здания часто принимает одну из форм, показанных на рис. 1 или 2. В здании одного назначения, например, в корпоративном офисе или гостинице, можно поставить один счетчик электроэнергии там, где энергия от электростанции подводится к зданию. В коммерческих зданиях смешанного назначения есть электрооборудование общего пользования для освещения холлов, обогрева, вентиляции и воздушного кондиционирования, также и лифты, а, кроме того, есть индивидуальные счетчики для различных арендаторов, например, ресторанов, офисов и жилых помещений. Понижающий трансформатор, распределяющий напряжение от электростанции, может находиться вне здания - в подвале близлежащей электростанции или на столбе для небольших зданий. В крупных зданиях часто устанавливается понижающий трансформатор подстанции, встроенный в цоколь здания или в другом удобном месте. В любом случае, существует центр распределения энергии, оборудованный счетчиками (панель рубильников), откуда многочисленные линии питания расходятся в другие части здания. Для лифтов обычно предусмотрена своя линия электросети, но на нее почти никогда не ставят отдельный счетчик электроэнергии.

Даже при условии, что совокупная номинальная мощность всех лифтов может быть большой, работа лифтов носит случайный характер, и реальная электрическая нагрузка относительно невелика по сравнению с суммарной непрерывной нагрузкой других линий питания, подходящих к той же распределительной панели. Общая мощность, потребляемая всеми электрическими нагрузками здания, измеряется электрическим счетчиком, и скорость вращения электрического счетчика зависит от условий населенности здания в дневное и ночное время, уличной температуры, режима использования других машин и механизмов и от того, работает ли подъемное устройство лифта. Обратите внимание: когда оборудование лифта регенерирует энергию, она может отправляться обратно, непосредственно к распределительной панели, а от нее к какому-то другому оборудованию, используемому в здании, минуя электрический счетчик.

В течение нескольких секунд, во время которых идет регенерация оборудованием лифта, счетчик не должен вращаться в обратную сторону: просто замедляется его вращение на тот период, когда энергия, получаемая от лифта, помогает обеспечить питание другого лифта, освещения в холле или вентиляторов системы воздушного кондиционирования. Нет никаких иных заметных проявлений этого процесса, таких как всплеск напряжения или искажение его импульса, которые могут вызвать мерцание света или нарушение работы другого оборудования. Просто часть энергии, которая измерена счетчиком и использована для пуска лифта или поднятия нагрузки, получена обратно и снова используется для выполнения другой работы в пределах здания. Разумный владелец здания заметит, что повторное использование той же энергии приводит к уменьшению расходов на электроэнергию.

Следует помнить, что номинальные характеристики двигателя лифта, приведенные на паспортной табличке (в Вольтах, Амперах, лошадиных силах или киловаттах), основаны на значении мощности, необходимой, чтобы поднять максимальную номинальную нагрузку лифта с номинальной скоростью. Однако лифт не всегда заполнен полностью до номинальной грузоподъемности, и работает он лишь в течение коротких периодов времени. Кроме того, потери за счет КПД диктуют, что общее количество регенерированной мощности всегда будет меньше значения, необходимого для работы лифта при полной нагрузке, и что лифт может регенерировать мощность в течение времени, составляющего менее половины его рабочего цикла. В конечном итоге, в обычный день регенерируется лишь небольшая часть номинальной электрической мощности лифта при полной нагрузке, и это даже еще меньшая часть общего количества энергии, потребляемой всем зданием.

Регенерация по сравнению с когенерацией

Хотя эти термины могут звучать одинаково, есть существенная разница между регенерирующей системой лифта и когенерацией. Системы для когенерации (ветряные турбины, топливные элементы, фотоэлектрические элементы и генератор, работающий на отходящих газах) предназначены для почти непрерывной работы в районе номинальной мощности. Целью когенерации является обеспечение основной части энергии, необходимой для местного здания, или даже для продажи электричества электростанциям для распределения по другим платящим заказчикам. Мощность, регенерируемая оборудованием лифта, носит случайный характер и сравнительно невелика. Она предназначена для экономии энергии путем ее повторного использования для питания других нагрузок в пределах здания. Использование полученной обратно энергии для полезных целей вместо того, чтобы терять ее в виде тепла, - это эффективный способ энергосбережения.

Когда привод лифта регенерирует мощность, полученная вновь энергия действительно течет обратно в сеть питания. В большинстве случаев местная электрическая нагрузка забирает эту энергию до того, как она дойдет до электрического счетчика. Если местная нагрузка недостаточно велика, чтобы поглотить всю регенерированную мощность, она все равно идет обратно в сеть питания. Однако во многих электрических счетчиках стоит храповой механизм, не позволяющий им вращаться в обратную сторону. Тем не менее, мощность все равно проходит через них к распределительной сети. Энергия будет сберегаться, но владелец здания не обязательно получит полную денежную компенсацию.

В случае использования аварийных генераторов мощности для приведения в действие лифтов, когда отсутствует питание от электрической сети, к тому же генератору следует подключать нагрузку, поглощающую энергию. Необходимо провести анализ потребления энергии в аварийных ситуациях, чтобы определить минимальный размер генератора, используемого для этих целей. Очень часто осветительное оборудование и системы отопления, вентиляции и воздушного кондиционирования, подключенные к тому же генератору, будут поглощать всю регенерированную лифтами энергию. Однако подключение лишь одного лифта к аварийному генератору мощности соответствующего размера не даст желаемого эффекта из-за случайного характера работы лифта и неспособности генератора абсорбировать сколько-нибудь значительное количество регенерированной энергии.

Можно уменьшить значение регенерируемой энергии за счет уменьшения скорости лифта в аварийных ситуациях. Максимальное количество регенерируемой мощности и энергии будет уменьшаться прямо пропорционально уменьшению рабочей скорости лифта. Внутренние потери в большинстве систем лифта позволят работать на уровне 10-15% номинальной мощности без регенерации какой-либо существенной мощности в сеть питания или линии питания генератора.

В случае приводов лифта с дополнительным регенерирующим устройством может появиться возможность использования логики управления для отключения регенерации и включения традиционного рассеяния тепла на тормозных сопротивлениях в условиях аварийного режима работы. Сложнее (и дороже) обеспечить резервное рассеяние тепла на тормозных сопротивлениях в приводах лифтов, рассчитанных на автоматическую регенерацию, в то же время контролируя гармоники в сети питания и коэффициент мощности. Большинство оборудования лифтов, выпускаемого в настоящее время, не рассчитано на включение и отключение регенеративной функции.

Другие опасения относительно безопасности при использовании регенеративных приводов лифта совершенно безосновательны. Конструкция приводов, управляющих работой двигателя, как регенерирующих энергию, так и без этой функции, предусматривает способность восприятия состояния энергии от сети питания. Это обязательное условие при разработке конструкции, чтобы обеспечить надежное изделие в лифто-строительной отрасли. Если мощность от сети питания внезапно слабеет или не подается совсем во время работы привода, он должен почувствовать условия плохой подачи мощности и отключиться контролируемым образом, чтобы сохраниться неповрежденным. Если подача питания от сети прерывается во время поездки лифта, привод быстро воспринимает эту ситуацию и отключается. Согласно требованиям стандартов безопасности, связанные схемы управления тоже включат механический тормоз, чтобы безопасно остановить лифт на время, когда привод перестает работать. Стандарт по лифтам требует защиту от превышения скорости в виде регулятора скорости с электрическим выключателем, который размыкает схемы управления, отключающие органы управления двигателем и включающие механический тормоз. В высокоскоростных лифтах может быть предусмотрена дополнительная схема динамического торможения двигателя, помогающая остановить лифт. Комбинация этих функций означает, что лифт будет быстро и безопасно остановлен, даже если он регенерирует энергию в момент отключения питания сети.

Механизм, воспринимающий отключение энергии, в регенеративных приводах, о которых говорилось выше, приведет к выключению привода за доли секунды в случае сбоя в подаче питания от сети. Энергия движущегося лифта будет передана при остановке лифта механической системе торможения. Она не будет продолжать передаваться в сеть питания.

Регенерация идет естественным путем в тысячах зданий во всех странах мира, пока система подачи питания от сети остается здоровой и сильной. Огромная емкость сети питания позволяет мгновенной энергии, необходимой для работы лифта, идти в любом направлении и быть сравнительно незаметной в крупных зданиях. Истинная регенерация захватывает большую часть механической энергии работающих лифтов и отправляет ее обратно в электрическую систему, где она может повторно использоваться другим лифтом или для других видов электрической нагрузки. Получение регенеративной энергии может способствовать энергосбережению и минимизации потребления энергии, что, безусловно, поможет сэкономить деньги и сберечь источники электроэнергии.

© 2004-2024 AVTK.RU. Поддержка сайта: +7 495 7950139 в тональном режиме 271761
Копирование материалов разрешено при условии активной ссылки.