В работе рассматриваются актуальные вопросы энергосбережения и энергоэффективности силовых подъемных механизмов с частотно-регулируемым электрическим приводом. Описаны проблемы экономии электроэнергии лифтовыми механизмами в многоэтажных зданиях и представлен способ рекуперации энергии в различных режимах работы подъемного механизма. Представлен метод ускоренной аккумуляции электроэнергии с помощью суперконденсаторов.
Ключевые слова: рекуперация, энергосбережение, лифт, подъемник, устройство
На сегодняшний день тема энергосбережения актуальна во всем мире. Внедрение энергосберегающих технологий происходит во всех сферах деятельности человека [3]. На энергосбережение в отрасли лифтов еще не обращали такого пристального внимания, хотя потребление электроэнергии лифтом по общим показателям среднестатистического здания занимает значительную долю (до 15 %) Сохранение, накопление и повторное использование этой электроэнергии является важной научно-технической задачей как в рамках одного лифта, так и в пределах всей страны [5].
Рекуперация — возвращение части энергии для повторного использования в том же технологическом процессе. В нашем случае — преобразование электрической энергии сети в кинетическую энергию лифта и наоборот, при определенных условиях генерирования электрической энергии во время движения лифта с большим дисбалансом кабины относительно противовеса. Обычно лифтовая система состоит из кабины, лебедки, противовеса и станции управления [2]. Противовес необходим для балансировки веса частично нагруженной кабины [1]. В результате этого противовес тяжелее, чем пустая или частично заполненная людьми кабина, но легче, чем полностью загруженная кабина. Энергия сети тратится, когда полностью загруженная кабина движется вверх, или, когда слегка загруженная кабина движется вниз [4]. Схематическая модель данных процессов представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схематическая модель работы лифтового механизма в режиме потребления электроэнергии: а) полностью загруженная кабина движется вверх; б) слегка загруженная кабина движется вниз
Когда мало загруженная кабина движется вверх или сильно загруженная кабина движется вниз, двигатель начинает работать в роли электрогенератора (рис. 2). В случае потребления электроэнергии 3-фазный ток идет через частотный преобразователь и в управляемом режиме подается на электродвигатель. В приводе, который не использует регенерацию энергии, ее излишки, производимые преобразователем частоты, рассеивается на тормозном резисторе.
Рис. 2. Схематическая модель работы лифтового механизма в режиме генерации электроэнергии: а) мало загруженная кабина движется вверх; б) сильно загружена кабина движется вниз
Применение тормозных резисторов имеет ряд недостатков:
- большие габариты;
- разогрев их поверхности до высоких температур — выше 100 °С;
- обязательная защита от попадания пыли, влаги и т. д.;
- необходимость системы отвода тепла.
Экономичность и энергоэффективность безредукторных лебедок достигается, прежде всего, за счет изъятия одного из основных звеньев — редуктора и уменьшения объемов кинетической энергии, которую запасает при пуске тихоходный приводной двигатель. В установившемся режиме, рекуперация энергии возможна, если мощность активных сил превышает суммарные потери мощности. Например, в режимах спуска нагруженной кабины или подъема пустой кабины. Здесь нужно учитывать реактивный характер всех сил и потери энергии. Рекуперация может выполняться только в том случае, если сумма составляющих активной силы притяжения будет превышать сумму потерь, вызванных реактивными силами, то есть когда появляется избыточная энергия. При применении регулируемой системы управления синхронным двигателем безредукторной лебедки, рекуперация возможна при небольшом дисбалансе кабины относительно противовеса.
В большинстве случаев, при количественном анализе реальной энергетической эффективности новых типов лебедок отсутствует информация об основных базовых показателях. Наиболее точную оценку энергоэффективности электропривода могут дать длительные наблюдения за энергопотреблением на разных типах лифтов. Возрастающее внимание к энергетическим показателям лифтового оборудования заставляет использовать методы, позволяющие с минимальными временными потерями. Применение таких методов в каждом конкретном случае является достаточно тяжелым. На сегодняшний день отсутствуют, утвержденные законодательно, отечественные методы исследования энергоэффективности электропривода в лифтах. В Европе разработаны две методики, представленные в следующих документах: ISO / DIS 25745–1 (2015 год) и VDI 4707 (2009 год). В этих методах предлагается определять энергетические показатели лифта в режимах движения и ожидания. В режиме ожидания производится измерение потребляемой мощности после 10 минут простоя лифта. За это время станция управления перейдет в режим простоя, произойдет отключение второстепенных потребителей. В режиме движения согласно этим методикам, оценка энергоэффективности лифтовой установки проводится путем измерения потребляемой энергии, которая расходуется в определенном контрольном цикле. Контрольный цикл — это перемещения пустой кабины лифта на высоту шахты 2 раза (в любом начальном и обратном ему направлении). Такой цикл применяется ввиду простоты его реализации (отсутствует необходимость в использовании тарированных грузов.
В частотно-регулируемом электроприводе наибольшее распространение на сегодняшний день получили преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока и неуправляемым выпрямителем на входе. Форма тока, потребляемая из сети данным типом устройств, является несинусоидальной. Такой тип преобразователей частоты используется в составе безредукторного электропривода.
Согласно рис. 2, была запущена малогабаритная кабина на подъем в шахте длиной 50 м. Осциллограммы выбросов регенерированной энергии представлены на рис. 3. В результате эксперимента было установлено, что, когда лифт переходит на большую скорость, почти по всей траектории движения наблюдалась присутствие выбросов регенерированной энергии размахом до 2000 В. Данный эксперимент был проведен на редукторному двигателе грузоподъемностью 1000 кг.
Рис. 3. Осциллограммы размаха выбросов импульсов регенерированной энергии с двигателя на тормозной резистор сопротивлением 50 Ом: а) t=5 мс, 100 В/дел.; б) t=50 мс, 100 В/дел.
Существует прямая зависимость эффективности рекуперации энергии от типа привода (асинхронный двигатель с червячным редуктором), или же безредукторный синхронный двигатель. Известно, что синхронные безредукторные лебедки имеют КПД намного выше относительно асинхронных редукторных лебедок. Таким образом, количество экономии энергии зависит от многих факторов, таких как: загрузка кабины, скорости движения лифта, типа применяемой лебедки, высоты подъема и т. д.
Энергетическая эффективность пассажирского лифта экспериментально определена и приведена на рис. 4.
Рис. 4. Энергетическая эффективность лифтовых подъемных механизмов: сектор 1 — затраты электроэнергии редукторной лебедки; сектор 2 — затраты электроэнергии безредукторной лебедки; сектор 3 — затраты электроэнергии безредукторной лебедки в паре с устройством рекуперации
Для лифта грузоподъемностью 1000 кг потребляемая мощность электродвигателя будет равна: для редукторной лебедки с асинхронным двигателем 11 кВт, для безредукторной лебедки с синхронным двигателем — 6,9 кВт и для безредукторной лебедки с синхронным двигателем в паре с блоком рекуперации — 4,14 кВт.
Использование энергии, поступающей от электродвигателя лифта в генераторном режиме во время движения кабины лифта с большим дисбалансом кабины относительно противовеса, осуществляется следующим образом (рис. 5). Вход трехфазного напряжения (L1, L2, L3) организован через вводное устройство на частотный преобразователь, который, в свою очередь, питает электродвигатель.
Рис. 5. Блок-схема предлагаемого устройства рекуперации энергии
Специфика работы частотных преобразователей такова, что он содержит трехфазный выпрямитель и круг постоянного тока (DC шина), к которой подключается тормозной резистор. Предлагается вместо тормозного резистора установить блок накопления энергии, который состоит из суперконденсаторов и аккумуляторов. Тормозной резистор можно исключить из системы полностью, или же оставить, как элемент дополнительной защиты, подсоединив через защитное устройство. Если блок накопления энергии будет полностью заполнен рекуперированной энергией и она в это время будет потребляться менее интенсивнее, устройство защиты перенаправит поток регенерированной энергии на тормозной резистор.
Актуальность вопроса энергосбережения требует детального рассмотрения как с научной, так и с технической точек зрения. Энергетическая эффективность устройства рекуперации подтверждена рядом экспериментов и составляет 20–40 % в зависимости от ряда факторов: типа лебедки, высоты подъема, загруженности кабины лифта и тому подобное. В данной статье предлагается устройство рекуперации энергии, который использует блок накопления энергии в виде сочетания суперконденсаторов и аккумуляторов. Это позволяет максимально быстро аккумулировать энергию, которая рекуперируется, повышает срок эксплуатации аккумуляторных батарей, позволяет адаптировать данную систему в любую современную станцию управления лифтом и значительно снижает себестоимость потребляемой электроэнергии.
Литература:
- Афонин В. И., Кругликов О. В., Родионов Р. В. Волновые процессы в обмотках электродвигателей для безредукторного привода лифта // Электротехника. 2015. № 3. С. 35–38.
- Коваль А. С., Шваяков А. В., Ефименко Е. В. К вопросу реализации наблюдающих устройств для механической подсистемы в системах регулируемого привода лифтов // Вестник Белорусско-Российского университета. 2014. № 3 (44). С. 123–129.
- Колесник Д. А., Илаев К. А., Шарапов Р. Р. Грузоподъемные лифты, приводы и безопасная эксплуатация // В сборнике: новые решения в области упрочняющих технологий: взгляд молодых специалистов: сборник научных статей материалы международной научно-практической конференции. Юго-Западный государственный университет. 2016. С. 58–61.
- Крылов К. Ю., Грачева Е. В., Алферов С. В. Методика определения энергетической эффективности лифтов // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2016. № 7–5. С. 42–45.
- Морозов А. В. Разработка частотного преобразователя для основного привода лифта // В книге: Выставка инноваций — 2015 (весенняя сессия) Электронное научное издание: сборник тезисов докладов XIX Республиканской выставки-сессии студенческих инновационных проектов. 2015. С. 99–100.
