Распечатать

Электропривод

Отвезет тот, кому повезет

12.05.2011

Источник: НИПТИЭМ

Нужны ли постоянные магниты и редуктор в лифтовом хозяйстве?

Мы не предполагали, что мнение немецкого профессора Петера Ф. Броша, выступившего за замену асинхронных двигателей на синхронные моторы с постоянными магнитами и электронной коммутацией, вызовет такой резонанс. На страницах журнала "Конструктор. Машиностроитель" свои аргументы высказали как противники, так и сторонники этой позиции. Сегодня мы решили конкретизировать дискуссию – двигатели работают не где-то на небесах, в безвоздушном пространстве, а используются в конкретных применениях. К примеру, ожесточенным полем боя между этими технологиями сегодня является лифтовый привод. Это массовый сегмент рынка с большим бюджетом. Есть за что сражаться. На ринг приглашаются представители асинхронной партии.

Энергоэффективность – веление времени, поэтому в последнее время появилось достаточно много документов, предписывающих необходимость внедрения стандартов и норм по определению фактической энергоэффективности различного рода механизмов и машин. Готовится к внедрению стандарт, предписывающий способ отнесения лифтов к определенному классу по энергоэффективности. Поэтому интерес вызывают высказывания специалистов на данную тему. Не менее интересным является анализ способов построения структуры лифтовой лебедки и особенно – выбор типа электродвигателя.

Так, в статье Е. Ю. Ганкевича "Энергосбережение и надежность работы лифтов" [1] отдается предпочтение либо редукторной лебедке с асинхронным двигателем, либо безредукторной лебедке, содержащей двигатель с постоянными магнитами (ПМ). Главный аргумент автора: двигатель с ПМ обладает большей перегрузочной способностью по сравнению с асинхронными двигателями и потому может обеспечить удовлетворительную работу лебедки даже в наиболее экстремальных условиях (неуравновешенных канатах, дисбалансе кбины и противовеса, перегрузке кабины).

Позволим себе не согласиться с этой точкой зрения. Учитывая, что система привода лифта призвана обеспечить перемещение уравновешенных масс, экстремальными режимами являются спуск пустой кабины и подъем максимально нагруженного лифта. Нажимая на кнопку включения лифта, мы часто вызываем пустую кабину. Однако трудно представить, что в лифт, рассчитанный на 13 человек, одновременно войдет полный комплект упитанных людей, обеспечивая лифту полную загрузку да еще прихвативших по чемодану весом 25 кг. Безусловно, техническими нормами на лифт это должно быть предусмотрено, но вероятность такой ситуации крайне редка. В жилых домах она возникает только при перевозке дополнительного груза вместе с людьми. В офисных помещениях только в начале и конце рабочего дня, а также в обеденный перерыв. Поэтому можно с большой вероятностью предположить, что в основном перемещение лифта происходит в состоянии, близком к уравновешенному.

Цель нашей статьи – попытаться объективно оценить существующие типы лифтовых приводов с позиций эволюционного развития системы приводов.

Самым совершенным преобразователем электрической энергии в механическую признан асинхронный двигатель. Благодаря простоте и совершенной технологии производства подобные моторы осуществляют привод более 60% всех механизмов, задействованных в сфере материального производства. С таким же успехом они применяются в составе редукторной лебедки для привода лифтов. До тех пор пока системы электронного регулирования были несовершенны и дороги, этот вид привода считался оптимальным. Для обеспечения сложной динамики разгона и торможения конструкция лифтовых двигателей была в корне изменена (по сравнению с общепромышленными моторами). Это двухскоростные двигатели с разгруженной магнитной системой и "мягким ротором", легко подстраивающимся под переменный характер внешней нагрузки. Такие двигатели обычно имеют низкие значения КПД и коэффициента мощности, но достаточно хорошие моментные характеристики как в двигательном, так и в генераторном режимах, что и обеспечивает нормальную работу лифта. Основной недостаток – большие значения пускового тока, что при частых включениях (современные лифты требуют до 200–240 включений в час) требует введения принудительного охлаждения от внешнего вентилятора. Кроме того, система двигатель – редуктор с большим коэффициентом редукции (обычно 40) обладает низкими значениями КПД, что делает данный привод малоэнергоэффективным. В данном приводе исключительно трудно обеспечить виброакустические характеристики. В двигателях часто применяются специальные амортизаторы для снижения воздействия вибраций на конструкцию здания. Для снижения шума некоторые фирмы применяют подшипники скольжения; шумы магнитного происхождения подавляются специальной конструкцией магнитной системы, что приводит к дальнейшему снижению энергоэффективности. С шумом в переходном режиме приходится мириться; в итоге допустимые значения уровня шума завышены на 5–10 дБ, что обычно вызывает раздражение жителей верхних этажей. Мы не говорим о комфортности разгона и торможения, которые тоже оставляют желать лучшего.

Применение частотного регулирования

Ситуация изменилась с появлением частотного регулирования. Уменьшаются пусковые токи, режим разгона и торможения делается комфортным, снижаются шумы переходного режима.

Энергоэффективность повышается за счет комфортности пусковых режимов. Большинство лифтовых заводов применяют частотное регулирование для обычных двухскоростных двигателей, при этом используется только одна обмотка. Вторая обмотка низкой скорости эксплуатируется только в момент монтажа лифта, а затем отключается: вопиющий факт неправильного выбора двигателя для работы с ПЧ. Только один завод – Могилевский лифтостроительный, – наконец-то «созрел» и заказывает специальные односкоростные двигатели для редукторных лебедок с частотным управлением. На всевозможных конференциях и в публикациях мы неоднократно обращали внимание лифтостроителей на то, что, встав на путь широкого применения частотного регулирования, необходимо полностью использовать потенциал, который дает регулируемый привод. Для этого необходимо переработать редуктор на меньший коэффициент редукции, поскольку это повысит его КПД, а двигатель должен быть выполнен специально на низкую частоту вращения и с повышенными энергетическими показателями. В этом случае достигается самый высокий результат как по энергоэффективности, так и по снижению себестоимости.

Вроде бы всем понятные вещи, но со стороны лифтостроителей выстроилась мощная стена неприятия. Безусловно, имея устоявшееся производство, менять что-то себе дороже. Да и потребитель не особенно требователен, поскольку лифтов дефицит, а требования по энергоэффективности легко обходятся формальным применением частотного регулятора. Вот и получается, что седло на корову приспособили. Вроде и на острие прогресса, а менталитет пещерный.

Предельным вариантом использования частотного регулирования для привода лифтов является полный отказ от редуктора. Эта идея возникла в конце прошлого тысячелетия и прогнозировалась для использования в высокоскоростных лифтах повышенной комфортности для высотного строительства, где редукторные лебедки неприменимы. Для низких скоростей перемещения лифта (до 1 м/сек) создание безредукторной лебедки на базе асинхронной машины было затруднительно, поскольку при частотах, близких к 10 Гц, обычные двигатели теряли максимальный момент. Поэтому за рубежом стали активно разрабатываться и внедряться синхронные машины с использованием магнитов на основе NdFeB (неодим-железо-бор). К этому времени Китай предложил низкие цены на данные магниты, что давало синхронным двигателям определенную нишу рынка.

Учитывая, что лифты со скоростью до 1м/сек используются на муниципальных объектах, где цены являются определяющим фактором продвижения продукта на рынок, лебедки с синхронными двигателями будут иметь крайне низкий спрос. Ситуация обостряется фактом резкого повышения стоимости редкоземельных магнитов (РЗМ). Стоимость 1кг таких магнитов на порядок больше стоимости обмоточного провода и продолжает расти. Поэтому начиная с 2005 года мы стали заниматься разработкой асинхронных двигателей, которые по техническим параметрам конкурируют с синхронными машинами для привода лифтов со скоростью 1м/сек при существенном снижении стоимости. Наши исследования позволили значительно повысить максимальный момент при питании двигателя от частоты ниже 10 Гц, что позволило разработать гамму безредукторных лебедок со скоростью 1 и 1,6 м/сек и грузоподъемностью 400, 630 и 1000 кг. При этом цены оказались ниже цены обычных редукторных лебедок, выполненных без применения преобразователей частоты (стоимость редуктора составляет около 30–40% стоимости лебедки). В настоящее время все лебедки прошли сертификационные и эксплуатационные испытания и серийно изготавливаются. Начиная с 2010 года изготовлено и установлено свыше ста лебедок. Выполнены сравнительные испытания лебедок редукторных и безредукторных. Приведенные графики (рис.1) показывают сравнительное потребление мощности за один цикл перемещения пустой кабины 400 кг лифта. На рис.2 показаны кривые изменения токов за цикл. Цикл включает режим разгона, равномерного движения и торможения.

Из рисунков видно, что ток, потребляемый редукторной машиной, во время пуска составляет 50А, безредукторной – 9,3А. Энергопотребление в часовом режиме при 150 включениях в час редукторной машиной составляет 2,2 кВт, безредукторной –1,05 кВт. Полная мощность 5,2 и 1,3 кВА, соответственно.

На двигателях лифтов, установленных во Владимире, замерялся расход энергии по электрическому счетчику при работе в течение двух месяцев. Результаты показали, что безредукторная лебедка по сравнению с редукторной потребила энергии в 2 раза меньше.

 Можно сделать вывод, что безредукторный привод при сравнении с традиционным редукторным имеет существенные преимущества. Характеристики редукторного привода приближаются к безредукторному при условии применения частотного управления, а также редуктора на пониженный коэффициент редукции и специального энергоэффективного низкооборотного электродвигателя. Однако в последнем случае система проиграет безредукторному по стоимости.

Безусловно, безредукторный привод на базе асинхронного двигателя для скоростей перемещения лифта до 1м/сек пока проигрывает безредукторному с синхронным двигателем из редкоземельных материалов по габаритам. Вместе с тем по техническим параметрам реально возможно выполнить асинхронную машину под любые требования потребителя.

Изначально, приступая к работам по созданию безредукторного привода, мы отказались от идеи применения машин на основе редкоземельных материалов. Эти материалы дефицитны, и поэтому при увеличении спроса цены на них будут резко расти.

Особенно резко возросла потребность в данных материалах с развитием электротрансмиссий как для транспортных средств городского транспорта, так и для спецтехники. Уже сейчас, по данным швейцарской фирмы Brusa, занимающей лидирующие позиции в производстве компонентов для электротрансмиссии, в мире производится около 25 тыс. редкоземельных магнитов, а потребность составляет более 60 тыс. тонн. 80% их производства приходится на Китай, который изначально низкими ценами и спровоцировал бум потребления РЗМ. Значительный рост цен неизбежен.

Имеются и другие негативные последствия, которых не избежать. Если срок службы транспортного средства не превышает 10 лет и в нем применение редкоземельных магнитов оправданно, то лифты в России должны служить не менее 25 лет. В настоящее время четверть всего парка наших лифтов превышает и этот предел. По истечении 12–15 лет эксплуатации магниты, находящиеся под воздействием сильных магнитных полей, потеряют свои изначальные свойства, и их необходимо будет утилизировать.

1. Процесс утилизации по стоимости соизмерим со стоимостью изготовления новых двигателей и требует специального оборудования.
2. Ремонт вышедшей из строя электрической машины также требует специального оборудования и специальной технологии.
3. Существенным недостатком постоянных магнитов на основе NdFeB является их повышенная чувствительность к частоте ШИМа преобразователя. При низких частотах (2–4 кГц) качество магнитов ухудшается; для успешной работы привода необходима частота не менее 16 кГц, лучше (18–24 кГц). Номинальные параметры ПЧ задаются при низком значении частоты ШИМа (2–4 кГц). С увеличением частоты растут внутренние потери ПЧ, т. е. падает КПД системы "двигатель – ПЧ". Одновременно снижается величина тока, который может быть допустим преобразователем. В таблице 2 приводится зависимость допустимого тока ПЧ от частоты ШИМ для преобразователя фирмы Siemens Micromaster-440.
Таким образом, если двигатель в номинальном режиме потребляет ток 10А, то для частоты 4 кГц для него мощность ПЧ равна 4 кВт, для работы при ШИМ 16 кГц потребуется уже ПЧ мощностью 11 кВт. К сожалению, некоторые потребители пренебрегают этим требованием, в результате чего срок службы привода резко сокращается.
4. Преимуществом регулируемых асинхронных приводов является более низкая цена преобразовательной части и меньшие потери в ключах инвертора. Это обусловлено величиной модуляционной составляющей тока статора, которая в свою очередь зависит от индуктивности рассеяния обмоток ротора и статора. Суммарная индуктивность рассеяния асинхронного двигателя примерно в два раза больше, чем у синхронного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов той же мощности, индуктивность рассеяния ротора которого равна нулю.

Несколько слов о номинальной мощности двигателя для безредукторного привода лифтов. Если проанализировать всю гамму выпускаемых редукторных лебедок, то мы не обнаружим логики в обосновании выбора мощности двигателя для лифта с конкретными грузоподъемностью и скоростью. Анализ каталогов безредукторных иностранных лебедок показывает, что отношение момента, требуемого для идеального движения лифта, к реальному суммарному моменту на валу электродвигателя колеблется от 0,72 до 0,84.

Мощности асинхронных двигателей обычного исполнения определяются допустимым нагревом для данного класса изоляции, и поэтому для безредукторного привода мощность двигателя устанавливалась, исходя из наиболее вероятной загрузки лифта. Она определяется, как это было отмечено в начале данной статьи, при движении пустой кабины вниз, поскольку эта нагрузка наиболее точно определяет тепловое состояние электродвигателя. Все остальные режимы рассматриваются как случайные с трудноопределяемым режимом повторяемости. На тепловой режим они существенного влияния не имеют и поэтому не могут быть учтены в номинальной мощности. Однако двигатель должен быть готов к появлению данных нагрузок. Это обеспечивается за счет индивидуальной способности асинхронного двигателя воспринимать любую нагрузку, не превышающую его максимальный момент. То же самое относится и к ПЧ, который выбирается из условий обеспечения требуемого максимального момента. Поэтому для двигателя 2,4 кВт выбирается преобразователь на 5,5 кВт. Кроме того, двигатель изготавливается на напряжение, которое ниже напряжения сети на 50 – 60 В. Поэтому при возникновении случайных перегрузок система отстроена так, что напряжение на двигателе повы- шается, повышается и момент при сохранении тока, потребляемого от ПЧ.  Если потребитель – лифтостроительный завод – настаивает на записи на заводском щитке максимального значения мощности электродвигателя, то это можно исправить. Однако было бы правильнее для регулируемой машины устанавливать значения моментов, а мощность использовать справочно, что и должно быть отражено на заводском щитке и каталоге.

Наконец, сомнительная позиция, отраженная в [1] – выполнять привод с большими запасами по максимальному моменту, противоречит требованиям безопасности. Большие запасы по моменту позволяют допускать эксплуатацию л ифта с неуравновешенной кабиной, с плохо установленными направляющими (тем самым протягивать противовес, подвергая излишней нагрузке детали подвески с непредсказуемыми последствиями), неработающим грузовзвешивающим устройством. Кто ответит в случае аварии, если выяснится, что лифт г/п 400 кг работал, как лифт г/п 500 или 630 кг?

Из сказанного можно сделать следующие выводы:

1. Для безредукторного привода лифтов асинхронный двигатель безальтернативен. Он обладает рядом преимуществ перед остальными типами машин:

– во-первых, данные двигатели себя зарекомендовали в процессе многолетней эксплуатации на редукторных лебедках;
– во-вторых, они наиболее дешевые;
– в-третьих, по своим техническим параметрам не уступают синхронным машинам с постоянными магнитами.

2. Безредукторные приводы должны использоваться с полиспастом 2:1, как это делают зарубежные фирмы. Мы не нашли ни одного каталога иностранных фирм, где бы применялся привод без полиспаста.
3. Необходимо широко внедрять пониженные диаметры канатоведущих шкивов (до 200–240 мм). Это значительно снижает весовые показатели, цену и повышает энергоэффективность.
4. Асинхронный безредукторный привод значительно повышает свои параметры при более высоких скоростях перемещения лифта (1,6 – 2,5 м/сек). В новом строительстве домов повышенной этажности (свыше 18 этажей) необходимо применять лифты на скорости 2 м/сек, это повысит комфортность и сократит время подъема и ожидания лифта, что может стать предметом по рассмотрению сокращения количества лифтов на подъезд.
5. Энергоэффективность безредукторного привода перед редукторным (без ПЧ) возрастает при увеличении частоты включения, поскольку основные потери в редукторной машине возникают в переходном режиме даже при уравновешенной кабине.
6. Редукторный привод на скорости до 1 м/сек может какое-то время быть конкурентным при введении питания от ПЧ с применением специальных низкоскоростных высокоэффективных асинхронных двигателей с одновременным уменьшением коэффициента редукции редуктора.
7. В паспорте и каталоге на безредукторный электропривод необходимо указывать величину номинального момента на валу электродвигателя, соответствующего максимально возможной загрузке кабины и КПД шахты.

Литература:

1. Е. Ю. Ганкевич. Энергосбережение и надежность работы лифтов // Лифт. № 3, 2011. С. 45–48.

Олег Кругликов, управляющий директор ОАО "НИПТИЭМ", член-корреспондент РАЭН, г. Владимир,

Лев Макаров, доктор технических наук, действительный член РАЭН, лауреат премии правительства в области науки и техники, генеральный конструктор концерна "РУСЭЛПРОМ"

Фото предоставлены компаниями "Могилевлифтмаш" и НИИ ИПТЭМ

Мнение 23.08.2017 Минпромторг России утвердил методику отбора российских машиностроителей для включения в вендор-листы международных инжиниринговых компаний. Цель отбора – оценить способности компаний выполнить поставку продукции и сформировать реестр квалифицированных претендентов.
Электропривод 23.08.2017 Американское подразделение компании YASKAWA выпустило мотор-редукторы на базе сервосистемы серии Sigma-7. Новая серия позволит обеспечить точность уже известных и активно применяемых серводвигателей Yaskawa для более широкого круга задач автоматизации.
Электропривод 21.08.2017 Компания "Инстарт" анонсировала выпуск новой серии преобразователей частоты SDI. В неё вошли одни из самых компактных и простых устройств в управлении электродвигателями в линейке преобразователей частоты INSTART.
Электропривод 21.08.2017 LINAK расширила линейку подъемных колонн DESKLINE новой моделью DL19 - колонной со встроенным двигателем. По данным производителя, новая трехступенчатая подъемная колонна предлагает плавное перемещение и простой монтаж.
Автоматизация 18.08.2017 У штаб-квартиры Mitsubishi Electric новый офис в российской столице. В августе компания перебралась в бизнес-центр «Вивальди Плаза» у метро «Павелецкая».
Электропривод 15.08.2017 Компания «Веспер» начала производство новой серии преобразователей частоты Е5 с пилотной модели Е5-8200. Векторный преобразователь Е5-8200 является продолжением самой популярной серии Е2-8300 и совмещает в себе её технические возможности с бюджетной стоимостью.
Электропривод 04.08.2017 Японская Nidec Corporation приобрела немецкого производителя компрессоров для холодильников Secop Group и итальянскую компанию LGB Elettropompe S.r.l., выпускающую насосы и электромоторы, и планирует укрепить свои позиции на рынке коммерческих и бытовых электроприборов.
Электропривод 31.07.2017 Bonfiglioli выпустила линейку планетарных редукторов 300М промышленного назначения с высокой интенсивностью крутящего момента и повышенный КПД при компактных габаритах. Серия представлена в 20 типоразмерах с выходным крутящим моментом в диапазоне от 1,3 до 1300 кНм.
Электропривод 25.07.2017 Yaskawa Electric Corporation сообщила о создании первого в мире серводвигателя со встроенным усилителем на нитрид-галлиевых полупроводниках. Серводвигатель Σ-7 F вдвое меньше по размеру традиционных приводов, что предоставляет возможность создавать более компактные и эффективные решения.