автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Асинхронные частотно-регулируемые электродвигатели для привода безредукторных лифтовых лебедок

На правах рукописи

9 15-5/520

КРУГЛИКОВ ОЛЕГ ВАЛЕРЬЕВИЧ

АСИНХРОННЫЕ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ ДЛЯ ПРИВОДА БЕЗРЕДУКТОРНЫХ ЛИФТОВЫХ ЛЕБЕДОК

Специальность 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2015

Работа выполнена на кафедре электромеханики ФГБОУ ВО НИУ «МЭИ»

Научный руководитель: Беспалов Виктор Яковлевич

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры электромеханики ФГБОУ ВО НИУ «МЭИ»

Официальные оппоненты: Гольдберг Оскар Давидович

доктор технических наук, профессор, заслуженный работник высшей школы, временно не работает

Литвин Валерий Иванович

доктор технических наук, профессор, Первый проректор по учебной работе ФГБОУ ВПО РГАЗУ

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный

авиационный технический университет »

Защита диссертации состоится 14 октября 2015 г. в 13 часов 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.19 при ФГБОУ ВО НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 13, корпус Е, ауд. Е-205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан « ^у> ¿¿¿¿'•¿^'Р¿р 15

| года

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.19 к.т.н., доцент Боровкова А.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ПТ се HS-

Актуальность темы. В настоящее время в России эксплуатируется-болёв4>0в-тыс. лифтов различного назначения и типоразмеров. В жилищном фонде Российской Федерации эксплуатируется около 430 тыс. лифтов, 35% которых уже выработали свой ресурс и требуют срочной замены или модернизации. Следует отметить, что лифт является самым массовым транспортом в стране, поскольку практически каждый человек пользуется лифтом ежедневно. Только в Москве 125 тыс. лифтов перевозят до 25 млн. человек, а в целом по стране - до 90 млн. пассажиров.

Особое место в современном оборудовании лифта принадлежит лифтовой лебедке, осуществляющей подъемно-транспортные функции и реализующей преобразование электрической энергии в механическую. Качество характеристик преобразования энергии электроприводом лебедки определяет энергетические, регулировочные, показатели лифта, а также оказывает существенное влияние на качество и комфорт перемещения пассажиров в кабине.

В конце прошлого столетия на смену традиционным лифтовым приводам с двух-скоростными асинхронными двигателями с короткоэамкнутым ротором пришли привода с регулируемой скоростью, построенные по схеме «электродвигатель + автоматический регулятор скорости» на базе статических преобразователей частоты. Их интенсивному внедрению способствовали очевидные преимущества указанных систем регулируемых лифтовых приводов над релейными двухскоростными системами. Применение частотно-регулируемых электродвигателей позволило отказаться от редукторов, за счет чего уменьшились габариты и себестоимость лебедок.

Различными аспектами проектирования и применения безредукторных лифтовых занимается ряд отечественных научных и производственных организаций, среди которых необходимо отметить Московский энергетический институт (МЭИ (ТУ)), Национальный исследовательский Томский политехнический университет, ОАО «НИПТИЭМ», ОАО «Компания ЭлеСи», ОАО «Могилевский лифтострои-тельный завод», ОАО «Щербинский лифтостроительный завод». Из зарубежных компаний отметим Otis, Копе, Tissen, Wittur и др.

В работах Афонина В.И., Ланграфа C.B., Макарова Л.Н., Масандилова Л.Б., Полянского В.П, Попова В.И., Родионова Р.В. Рикконена C.B., Фумма ГЛ. и других ученых отражены результаты научных исследований в области проектирования и эксплуатации электрических двигателей и приводов в электрооборудовании лифтовых лебедок.

Несмотря на значительные успехи в развитии теории и практики создания безредукторных лифтовых лебедок, задачам проектирования конструкции и активной части электродвигателя лифтовой лебедки, а также алгоритмам управления таковыми электродвигателями уделено недостаточно внимания.

Цель и задачи работы. Цель работы - совершенствование технико-экономических показателей подъемно-транспортного оборудования за счет улучшения энергетических и массогабаритных характеристик низкочастотных асинхронных двигателей, применяемых в безредукторных лифтовых лебедках с частотным управлением.

Для достижения поставленной цели сформулирована научная задача: Провести теоретические и экспериментальные исследования механических, электромеханических, управляющих процессов, протекающих в подъемно-транспортной системе лифта. На базе этих исследований разработать систему беэредуктроной лиф-

-3-

товой лебедки, построенную на основе специальных низкочастотных, высокомо-ментных регулируемых асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, и реализующую специальные алгоритмы управления, что в совокупности обеспечит снижение энергопотребления, уменьшение себестоимости, повышение безопасности и комфортности передвижения.

Задачи работы:

1. Исследование механических, электромеханических и энергетических процессов, протекающих при циклической работе лифта, с помощью математических моделей и экспериментов.

2. Анализ вариантов пазовой геометрии и размеров активной части асинхронных электродвигателей, предназначенных для использования в высокомоментном тихоходном электроприводе с векторным управлением частотой вращения.

3.Анализ влияния алгоритмов управления частотой вращения и магнитным потоком на энергетические параметры системы.

4. Исследование механических нагрузок на конструктивные элементы двигателя привода лебедки.

5. Технико-экономический анализ проектных вариантов и поиск перспективных решений активных и конструктивных частей электродвигателя лифтовой лебедки.

6. Разработка методики выбора элементов системы безредукторной лифтовой лебедки.

7. Разработка испытательного стенда, а также методик и программ имитационных, типовых, приемо-сдаточных испытаний на разработанном лабораторном стенде.

8. Разработка рекомендаций, необходимых для производства и практической реализации на объектах безредукгорных лифтовых лебедок пассажирских лифтов с грузоподъемностью до 1000кг.

Методы исследований. Основные результаты работы получены на основе использования методов электромеханики, классической механики, теории автоматического управления. Теоретические результаты получены с использованием апробированных расчетных методик, программ, реализованных и используемых ОАО «НИПТИЭМ» в научной и практической работе. Экспериментальные результаты получены на основе исследований проводимых в сертифицированном испытательном центре ОАО НИПТИЭМ, а также в специальных экспериментальных лифтовых шахтах, созданных ОАО «НИПТИЭМ» совместно с ОАО «Карачаровский механический завод», ОАО «Щербинский лифтостроительный завод», ООО «РУ-СЭЛПРОМ», а также в шахтах лифтов в городах: Владимир, Москва, Уфа, Красноярск при проведении пуско-наладочных работ.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые результаты:

1. С помощью расчетной и конструкторско-технологической проработки, серийного изготовления и эксплуатации электродвигателей разных типов (синхронных двигателей с постоянными магнитами, асинхронных, вентильно-индукторных) в электроприводах безредукторных лифтовых лебедках основных типоразмеров лифтов обоснована возможность и показана целесообразность построения электроприводов безредукгорных лифтовых лебедок на основе специальных частотно-регулируемых асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором.

2. На основе анализа разработанных в диссертации математических моделей механической части безредукторных лифтовых лебедок создана методика определения технических требований, предъявляемых к специальным электродвигателям безредукторных лифтовых лебедок, входными параметрами которой являются основные параметры лифтов.

3. Проведено исследование влияния главных размеров, параметров зубцо-во-паэовой зоны и обмоточных данных на характеристики низкочастотных асинхронных электродвигателей, предназначенных для привода безредукторных лифтовых лебедок. На основе полученных результатов разработаны активные части асинхронных электродвигателей, обеспечивающие высокий максимальный момент при минимальной материалоемкости и себестоимости.

4. Разработаны и исследованы и физическая модель испытаний и методика стендовых испытаний лифтовых электродвигателей, создан оригинальный испытательный стенд, позволившие моделировать сложную циклическую работу машины в основных режимах движения и оценить ее основные характеристики в этих режимах.

6. Разработана методика рационального выбора конструктивных элементов лифтовой лебедки, основанная на аппарате дискретного программирования.

7. Представлены результаты исследования динамических режимов работы привода безредукторной лебедки с учетом алгоритмов управления частотой вращения электродвигателя позволившие, с одной стороны, подтвердить адекватность расчетов проведенных на основе методики поверочного электромагнитного расчета, с другой стороны, сформулировать рекомендации по регулированию магнитного потока в основных режимах движения.

Практическая ценность.

1. Путем имитационного моделирования на компьютерных и физических моделях проведена оценка фактической экономии электрической энергии, получаемой при замене устаревших редукторных лебедок на новые безредукторные; величина экономии составила от 40 до 60%. Проведены испытания в лифтовых шахтах, подтвердившие полученные теоретические результаты.

2. Впервые разработаны активные части, конструктивные элементы и технология изготовления серии специальных асинхронных электродвигателей, предназначенных для применения в электроприводе безредукторных лифтовых лебедок с диметрами канатоведущего шкива (КВШ) 15=320, 240, 160 мм, грузоподьемностя-ми 0=400, 630, 1000 кг, кратностями полиспаста К=1:1, 2:1 и скоростью перемещения кабины у=1.0, 1.6 м/с. Разработка позволила заменить устаревшие редукгор-ные лебедки со снижением энергопотребления лифта на 60% при близких ценах на комплект.

3. Разработаны техническое описание и руководящие документы, на основании которых внедрено в эксплуатацию испытательное оборудование, позволяющее проводить не только исследование отдельных характеристик, но и типовые и приемо-сдаточные испытания лифтовых электродвигателей для безредукторных лифтовых лебедок.

4. Разработаны рекомендации и руководящие документы, позволившие организовать и освоить производство девяти типоразмеров серии лифтовых электродвигателей на Владимирском электромоторном заводе ПК «ВЭМЗ».

Основные положения, защищаемые автором.

1. Структура безредукгорной лифтовой лебедки на основе низкочастотного высокомоментного регулируемого асинхронного электродвигателя с короткоэамк-нутым ротором.

2. Конструктивные решения электродвигателей, предназначенных для беэре-дукгорных лифтовых лебедок, обеспечивающие надежную работу при значительных радиальных нагрузках, получаемых со стороны подвешенной кабины лифта.

3. Новые пазовые геометрии активной части асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, обеспечивающие эффективную работу в низкочастотном высокомоментном частотно-регулируемом приводе лифтовой лебедки.

4. Методика выбора элементов конструкции безредукгорных лифтовых лебедок с грузоподъемностью до 1000 кг.

Апробация работы. Основные результаты исследований и разработок докладывались на Международной конференции по электромеханике и электротехнологии, МКЭЭ - 2008 (Алушта, 2008), Международной конференции по электромеханике, электрическим Международной научно-технической конференции «Бенадро-совские чтения» (г. Иваново, 2009 г.), Международной научно-технической конференции по Электромеханике (Тольятти, 2009г.), V Международной научно-технической конференции «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы» (Екатеринбург, 2011). Доклады, посвященные теме диссертации неоднократно заслушивались и обсуждались на научно-технических советах ОАО «НИПТИЭМ», ООО «РУСЭЛ-ПРОМ».

Публикации. По материалам, изложенным в диссертации, опубликовано 20 научных работ, в том числе 2 патента РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем диссертации 170 страниц. Работа содержит 130 страниц машинописного текста, 52 рисунков, 29 таблиц, библиографический список из 121 наименований, и приложений на 29 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность научных исследований, формулируется научная проблема и задачи диссертационной работы.

Первая глава посвящена обзору современного состояния вопроса модернизации пассажирских лифтов. Для определения и уточнения задач научного исследования проведено разбиение классической схемы оборудования пассажирского лифта на основные элементы по функциональному назначению: шахта, кабина, лебедка. Выделены основные характеристики лифта, обеспечивающие его конкурентоспособность: безопасность, надежность, комфортность, энергоэффекгивность. Показано, что наибольшее влияние на указанные свойства лифта оказывают характеристики лебедки, В связи с чем, сделан важный вывод: совершенствование основных характеристик лифта лежит в плоскости совершенствования системы лифтовой лебедки, и, прежде, всего приводного электродвигателя.

Исследование состояния существующих схем построения лифтовых лебедок показало, что наибольшее распространение в сфере ЖКХ имеют редукторные лиф-

товые лебедки на основе двухскоростных асинхронных электродвигателей, недостатками которых являются: необходимость применения редуктора с коэффициентом редукции 10-70, снижающего КПД системы, увеличивающего шум, а также требующего проведения дорогостоящих регламентных работ. Второй по степени распространения схемой является схема, построенная на основе редукгорной лебедки с частотно-регулируемым асинхронным двигателем. Комфортность движения при использовании такой схемы значительно увеличивается из-за исключения резкого изменения величины момента вызывающего колебания.

В настоящее время распространение получает безредукторная схема построения лифтовой лебедки. В такой схеме отсутствует редуктор, питание осуществляется низкочастотным переменным током от электронного инвертора. Основным недостатком этой схемы является необходимость применения специальных низкочастотных электродвигателей. В основном для этих целей применяют синхронные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов (СДПМ). Однако широкому внедрению СДПМ мешают проблемы, связанные с использованием высокоэнергетических магнитов на основе редкоземельных металлов, такие как не освоенность производства СДПМ отечественным производством, низкий гарантированный срок службы магнитов (10-20 лет), высокая цена магнитов. Таким образом, актуальной научно-технической задачей является разработка и освоение производством высо-комоментных низкочастотных электродвигателей с ротором, не содержащим материалы из редкоземельных элементов: асинхронных (АЭД), вентильно-индукторных (ВИД).

Для предварительной оценки и сравнения характеристик низкочастотных вы-сокомоментных электродвигателей различных типов, предназначенных для безре-дукторного привода лифтовой лебедки, проведен расчет, результаты которого приведены в таблице 1.

Таблица 1

Основные характеристики тихоходных лифтовых электродвигателей

Тип Q.KT КП п, МН, Мм, Is.A Л D.s. Ls, С, С,

об/мин Нм Нм мм мм o.e. o.e.

2008 2012

1 АЭД 400 2 1 123 201 309 8,6 63,8 295 195 37,5 39,4

2 СДПМ 400 2 1 120 220 330 11,4 61,8 368 75 32,0 53,8

3 ВИД 400 2 1 120 202 320 11,5 55,1 295 195 28,1 30,3

4 АЭД 630 2 1 125 319 500 20,7 49,8 295 195 36,2 38,2

5 СДПМ 630 2 1 120 330 495 15,2 67,5 368 115 45,4 78,8

6 вид 630 2 1 120 320 509 23,2 47,1 295 195 28,1 30,3

7 АЭД 1000 2 1 120 505 818 20,7 65,6 327 260 55,0 58,4

8 СДПМ 1000 2 1 120 520 780 21,8 72,4 368 185 68,9 122,9

9 вид 1000 2 1 120 502 760 31,1 58,7 327 260 46,1 49,6

10 АЭД 400 1 1 60 404 500 10,0 47,1 327 225 49,3 52,2

11 СДПМ 400 1 1 60 430 645 12,0 55,6 368 150 57,8 101,5

12 вид 400 1 1 60 402 535 14,2 40,0 327 225 40,3 13,3

В таблице Q - грузоподъемность лифта, КП - кратность полиспаста, Мн - номинальный момент электродвигателя, Мм - максимальный момент двигателя, 1s - номинальный ток статора, т| - к.п.д. электродвигателя, D,s - внешний диаметр статора, Ls - длина активной части, С - себестоимость активных материалов, рассчитанная из условия: 1 o.e. -стоимость 1кг обмоточной меди.

Как видно из таблицы 1, асинхронные электродвигатели несколько уступают синхронным двигателям с возбуждением от постоянных магнитов по характеристикам, однако имеют меньшую себестоимость. Кроме того, технологические затраты на производство вентильных и вентильно-индукторных двигателей на настоящий момент времени значительно выше, чем на производство асинхронных электродвигателей.

Важным вопросом, влияющим на перспективы внедрения безредукторного привода лифтовой лебедки, является возможность применения серийно выпускаемых преобразователей частоты для обеспечения питанием электродвигателей. Данные, приведенные в таблице 1, указывают, что номинальная частота питания должна быть около 5 Гц для электродвигателей с 2р=8, предназначенных для лебедок с прямым подвесом, и 9 Гц для лебедок с кратностью полиспаста К=2:1.

Аналитическое исследование научных работ авторских коллективов, занимающихся вопросами проектирования электрооборудования для приводов лифтовых лебедок, показало:

- имеются противоречия в технических требованиях, предъявляемых к электродвигателям;

-присутствуют значительные упрощения принципов проектирования и методик расчета электродвигателей для безредукгорных лебедок;

- недостаточен объем и последующий анализ данных, полученных при экспериментальных исследованиях энергетических характеристик электродвигателей и лифтовых лебедок;

- отсутствует концепция проектирования оболочек лифтовых электродвигателей, ориентированная на максимальное использование серийных деталей и узлов.

Вторая глава посвящена решению задачи разработки технических требований, предъявляемых к низкочастотным высокомоментным асинхронным двигателям, на основе анализа численного решения уравнений механики лифта. Для решения указанной задачи проанализирована кинематическая схема современных грузо-пассажирских лифтов. Записаны уравнения трехмассовой математической модели упрощенной кинематической схемы, с учетом упругих кинематических связей, обусловленных конечной жесткостью канатов и трения.

+ СКПР(Р<Р - *к)+ Сгар(рф -хт)-кттпП = М;

ш

• {тК+тг+тКК)^-+Схпр{р(9-хК)-ктсуК =-(тх+тг+т^;

К + "»кл + СгпрСРФ ~ *г) ~ *ттг"г = К + «кп

где 3 - момент инерции ротора двигателя и соединенного с ним КВШ, шк, тр, тп, тис • ткп - масса кабины лифта, груза, противовеса, канатов кабины, канатов противовеса соответственно, О - частота вращения вала КВШ (с учетом кратности полиспаста), ук, Уг - скорость перемещения кабины лифта и груза противовеса соответственно, р = Вюш/2 - эквивалентный радиус приведения, ср - угловая координата КВШ, *к> хт - координаты кабины и груза противовеса соответственно, Скп, Сгп - жесткость канатов между кабиной и КВШ, между грузом противовеса и КВШ соответственно, &грп. &п>к> *трг - коэффициенты трения привода КВШ, кабины, груза противовеса соответственно.

Величина жесткости и массы соответствующего участка каната является переменной величиной, зависящая от его длины, т.е.:

г - к ^КАНИКАН ■ т _ „ Уан "-/у - КЛН , > '"к* - КАН , >

ЧКАН

где £кан - модуль упругости материала каната, 5кдн - сечение каната, «кан - число канатов, /¿,-кан, /кан - длина соответствующего участка каната и полная длина каната; тклн - масса каната

Исследование уравнений, проведенное методами структурного анализа и на основе имитационного моделирования показало, что решение, а следовательно, и процесс перемещения имеет две составляющие: вынужденную - обусловленную действием разности сил противовеса и груза и момента электродвигателя лебедки; колебательную - обусловленную упругими связями. Учитывая незначительный вклад колебательного процесса в суммарную траекторию, считаем возможным исключить указанную составляющую из рассмотрения. Упростим модель лифтовой лебедки до одномассовой модели с жесткими механическими связями:

J¡. — = M-pg(mк+mг-mп+mla(-т^У^П,

где = (тек + ти + шдоп )р2 + 7Д0П; тдоп - масса дополнительных грузов; ./доп - дополнительные моменты инерции приведенные к валу электродвигателя.

На рис. 1 приведены траектории момента, действующего на КВШ, получаемого при использовании уточненной - трехмассовой и упрощенной - одномассовой моделей.

/,с -»

Рис. 1 Результаты моделирования подъема лифта при минимальной длине каната в системе с регулятором частоты вращения (показаны отличия одномассовой и трехмассовой моделей)

На основе разработанных математических моделей были проведено моделирование основных режимов работы лифтовой лебедки. Анализ результатов моделирования позволил разработать методику, по которой были рассчитаны исходные данные для проектируемой серии лифтовых электродвигателей.

Третья глава посвящена проектированию активных частей низкочастотных высокомоментных электродвигателей для серии безредукгорных лифтовых лебедок, удовлетворяющих требованиям, разработанных в предыдущей главе.

Были сформулированы основные положения, используемые при проектировании активных частей электрических машин для безредукторного привода лифтовой лебедки.

Отмечена целесообразность разработки специального электродвигателя, обладающего существенными отличиями от двигателей серийного производства. Его отличие от серийных электродвигателей, прежде всего, состоит в том, что для повышения перегрузочной способности двигателя должны быть приняты меры по снижению активных и индуктивных сопротивлений ротора и статора. В роторе уменьшение индуктивного сопротивления Х'д достигается за счет уменьшения высоты паза и за счет его раскрытия. Кроме того, уменьшение Я'к и Х'я достигается за счет выбора числа пазов ротора большим, чем принимаемое о общепромышленных двигателях соотношением: Количество полюсов статора выбираются из

условия, чтобы частота питания было не ниже 4 Гц. Конструкция паза статора должна обеспечивать оптимальное сочетание проводимости рассеяния и проводимости основного потока с целью максимизации рабочего момента. Паз должен быть максимально широким и иметь максимально допустимое раскрытие. Количество пазов статора должно обеспечивать значения q >2. Конструкция обмотки должна обеспечивать наименьшую длину лобовых частей. Это достигается оптимальным укорочением двухслойной обмотки или применением «развалки» при однослойной обмотке.

Применение овального паза ротора (см. рис.2) позволяет значительно уменьшить величину индуктивного сопротивления рассеяния за счет раскрытия паза ротора до 2,2 мм с переходом на высоте 1 мм к широкой части верхушки паза, что при соответствующем сочетании чисел пазов ротора и статора повышает величину максимального момента, увеличивая перегрузочную способность двигателя.

Конструкция паза статора изображена на рис. 2а. в ней раскрытие паза до 4 мм преследует цель уменьшения индуктивного сопротивления рассеяния паза. Закругление верхней части паза обеспечивает большую жесткость магнитной системы.

На основании принятых предварительных положений о конструкции сердечников ротора и статора была проведена серия поисковых расчетов, позволившая повести выбор рациональной активной части. В таблицах 2-3 приведены основные расчетные результаты поверочного электромагнитного расчета разработанных лифтовых электродвигателей.

Электродвигатели 5АР200..8, 7А200..8М - специальные частотно-регулируемые электродвигатели с конструкцией активной части, обеспечивающей повышенное использование «меди» в пазу. Электродвигатели 7А200..8К - специальные частотно-регулируемые электродвигатели с конструкцией активной части,

(1.5-22) щ

а)

б)

Рис. 2 Пазовая геометрия а - статор; б - ротор

обеспечивающей повышенное использование «стали» магнитопровода. В таблице 4 приведены основные соотношения радиальной геометрии, характеризующие вариант конструкции магнитопровода.

Таблица 2

Расчетные параметры вариантов электродвигателей привода безредукгорного лифта грузоподъемностью <3=400, 630,1000 кг и кратностью полиспаста 2:1

Тип Q, L. Рг. Uu /и КПД С05ф /ь м». S Кт Меи.

кг мм кВт В Гц А Нм кг

5AF200M8 400 195 2,6 202 8,9 70,3 0,83 ЛЗ 204 8,8 1,81 15,3

7А200М8М 400 195 2,5 205 8,8 73,6 0,79 7,1 202 8,9 2,20 18,7

7А200М8К 400 195 2,5 204 8,8 71,4 0,78 V 201 8,1 2,18 1ЭД

5AF200LB8 630 225 4,1 202 9,0 68,9 0,83 11,9 322 9,9 1,73 17,0

7A200LB8M 630 225 4,1 204 9,0 71,1 0,80 11,8 325 10,9 1,97 21,2

7A200LB8K 630 225 4,1 209 9,0 70,0 0,85 11,1 324 10,6 1,90 15,1

5AF200LD8 1000 260 6,4 202 9,2 65,6 0,81 20,0 505 11,6 1,62 19,3

7A200LD8K 1000 260 6,4 204 9,2 67,9 0,81 19,0 502 11,7 1,84 17J

Таблица 3

Расчетные параметры вариантов электродвигателей привода безредукгорного лифта грузоподъемностью 400, 630 кг и кратностью полиспаста 1:1 (прямой подвес)

Тип в, L, Рз, и,, Л КПД, cosq> /l,A Ми, S Кт Меи,

кг мм кВт В Гц % Нм кг

5A200L8 400 225 2,4 194 5,1 47,1 0,87 10,0 383 21,2 1,23 17,0

7A200L8M 400 225 2,4 204 5,0 48,4 0,80 9,6 380 21,5 1,32 22,1

7A200L8K 400 225 2,4 196 5,0 50Д1 0,85 9,6 381 20,1 1,38 153

5AF200LC8 630 260 3,5 201 5,4 44,0 0,89 14,8 557 25,9 1,16 19.3

7A200LC8M 630 260 3,7 208 5,4 47,2 0,86 14,5 603 27,7 1,28 23,9

7A200LC8K 630 260 3,8 208 5,3 46,7 0,87 14,9 600 24,5 1,29 17,1

где Ь - длина сердечника статора; Рг - выходная механическая мощность; - номинальное фазное напряжение питания; /■ - номинальная частота питания; сояр - коэффициент мощности; 1\ - номинальное значение фазного тока Мц - номинальный момент; 5 - номинальное скольжение; Кт - кратность максимального момента при номинальных параметрах; Меи - масса обмоточного провода.

Таблица 4

Соотношения параметров, радиальной геометрии электродвигателя

Тип двигателя Вариант магнитопровода Das, m Zs/ZR Bt/Bzs Ss'/Sr

5AF200..8 «медный» 327 72/68 0,41 136/152

7А200..8М «медный» 327 72/86 0,40 167/121

7А200..8К «стальной» 327 72/86 0,47 124/102

где Das, 2s - внешний диаметр и число пазов статора; 2ц число пазов ротора; BtlBzs -отношение величины индукции в воздушном зазоре к индукции в зубце статора; Ss'/Sr -отношение эффективной площади паза статора к площади паза ротора

Анализ результатов расчета, приведенных в таблицах 3-5, показал, что наименьшие вес обмоточной меди и длину активной части при удовлетворительных значениях КПД, и высоких значениях кратности максимального момента имеют

электродвигатели с конструкцией активной части, обеспечивающей повышенное использование «стали» магнитопровода (выделенные в таблицах 2-4). Поэтому этот вариант был выбран в качестве перспективного.

Процессы, происходящие в частотно-регулируемом электроприводе с векторным управлением при низких частотах питания, т.е. рабочие процессы привода безредукторной лебедки, отличаются от режимов, моделируемых «классическим» электромагнитным расчетом. Это объясняется тем, что преобразователи с векторным управлением имеют в своей структуре регулятор магнитного потока, который позволяет при любой величине нагрузки и частоты стабилизировать поток ротора за счет мгновенного изменения напряжения. Расчет такого режима с помощью классических методик требует введения дополнительных процедур подбора напряжения для вычисления параметров в различных режимах (пуска, торможения, номинального режима, холостого хода). Корректное изменение методики поверочного расчета, с учетом модели регулятора магнитного потока, является весьма сложной задачей, а упрощенный подбор напряжения неизбежно приводит к неточности моделирования режимов. Поэтому, на этапе проектирования целесообразно проверять полученные характеристики с помощью имитационного моделирования режимов работы электропривода. При этом следует учитывать нелинейность параметров схемы замещения асинхронного электродвигателя.

10

5 0

-10

«о

{

2С0 О

в ?<

b

о

i

3000

5 2000

а.*

1000 о

Рис. 3 временные диаграммы основных режимов электродвигателя 5AF200L8

На рисунке: II - графики фазных токов статора (А); Т, Тн - момент электродвигателя и момент нагрузки соответственно (Нм); Omega - угловая частота вращения (рад/с); Id, Iq -намагничивающая и рабочая составляющие тока статора соответственно; API, АР2, APsum - потери в обмотках статора, ротора и суммарные потери соответственно

1 -2 3 4 б В 7 В

I I 1...... т .....

'...............Г I

........ ................. ................. ................i................. ........т»...... -- -

—............. '............... .................Ki-............. N. _____________|.................|......

I . ---------1 _ |

У {I

' ! --!- 1 1

L_ i -------1-.............— .................il................ —.............i................. Ч........1-

На рис. 3. приведены временные диаграммы, отражающие основные режимы работы тихоходного электродвигателя 5АР200Ь8 безредукторного привода лифтовой лебедки. В целях экономии времени моделирования типовой цикл изменен путем сокращения времени работы в номинале с девяти до двух секунд.

Анализ результатов потерь в типовых режимах так же показал, что электродвигатели с конструкцией активной части, обеспечивающей повышенное использование «стали» магнитопровода, мало уступают электродвигателям с повышенным использованием «меди» в пазу, при обеспечении минимума электрических потерь в основных режимах цикла.

Следует отметить, что при разработке лифтовых электродвигателей существует проблема обеспечения допустимых тепловых режимов работы низкочастотных высокомоментных регулируемых электродвигателей в циклических режимах работы. Она была решена с помощью применения специальной методики, построенной на основе метода эквивалентных греющих потерь.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований электродвигателей безредукторного привода лифтовой лебедки. Решались следующие задачи:

1. Сравнение результатов проектирования и моделирования с результатами экспериментальных исследований проведенных на реальных объектах;

2. Разработка методики испытаний электродвигателей на специальном стенде имитирующем проведение испытаний в шахте лифта.

3. Разработка критериев оценки энергетической эффективности привода лифтовой лебедки в режимах, характерных для реального лифта.

Для проведения первичный испытаний электродвигателей в циклических режимах работы в испытательном центре ОАО «НИПТИЭМ» был изготовлен лабораторный стенд, приведенный на рис. 4. Стенд реализует циклическую нагрузку, параметры которой рассчитываются исходя из одномассовй модели.

Рис. 4 Принципиальная схема испытательного стенда:

Л/1 - лифтовый электродвигатель; М2 - электродвигатель нагрузки; У - измерительная тезномуфта; ДС1, ДС2 - датчики скорости лифтового двигателя и двигателя нагрузки, соответственно; ПЧ1 - преобразовать лифтового двигателя; ПЧ2 - преобразователь нагрузки Д1 - балластное сопротивление; Р1 - реле

Сравнение результатов расчета с экспериментальными характеристиками, полученными на стенде, приведено в таблице 5.

Таблица 5

Тип двигателя сук Расчетные Экспериментальные

1л /1 М I, £ «му л и, /1 М 11 5 соуУ 1

180ма8 400/2 190 9,4 202 8,7 12,8 0,82 63 190 9,1 200 8,7 9,4 0,76 69

2001.8 400/1 199 5,0 зв2 9,7 18,2 0,83 51 200 5,0 380 9,9 16,0 0,80 51

200ьв8 630/2 209 9,0 324 11,3 10,6 0,84 70 210 9 320 11,9 9,7 0,81 68

200ьс8 630/1 208 5,3 598 14,в 24,6 0,88 46 205 5,3 600 14,8 20.4 0,85 51

Для оценки адекватности испытаний физической модели на стенде, относительно реальной лифтовой лебедки, был проведен ряд испытаний непосредственно в шахте лифта. На указанных испытаниях была подтверждена адекватность стендовых испытаний, а также определено фактическое энергосбережение, соответствующее замене редукгорных лебедок на безредукторный лифтовый привод с разработанными электродвигателями. Результаты приведены в таблице 6.

Таблица 6

Электродвигатель АЧ200Ь8ЛБЧ А02-72-6/18

Движение Спуск Подъем Спуск Подъем

Скорость перемещения, м/с 0,88 0,88 0,72 0,72

Число включений в час 150 150 150 150

ПВ,% 62,5 62,5 62,5 62,5

Напряжение, В 403 403 403 403

Ток, А 8,64 3,15 9,22 7,79

Ток максимальный, А 9,32 4,76 68,04 25,08

Подводимая мощность, кВТ 3,775 1,391 1,288 1,369

Реактивная мощность, кВАр -0,115 -0,130 6,344 5,337

Полная мощность, кВА 7,002 2,560 7,432 6,363

Коэффициент мощности 0,54 0,54 0,17 0,21

Энергопотребление в часовом режиме

Активная энергия, кВт*ч 1,310 2,209

Реактивная энергия, кВАр*ч 0,025 4,949

Таким образом, экспериментальные исследования, приведенные в четвертой главе, показали:

1. Адекватность применяемых моделей.

2. Существенную экономию электрической энергии, до 40%, получаемую при замене редукгорных лифтовых лебедок на безредукгорные.

Пятая глава посвящена решению задачи разработки конструктивных узлов и оболочки высокомоментных электродвигателей привода безредукторной лифтовой лебедки, обеспечивающей максимальную надежность и безопасность лифта.

Решение такого рода задач традиционно основано на последовательном переборе вариантов конструкторских решений с одновременной оценкой себестоимости их производства без использования каких либо методов оптимизации. На наш взгляд для решения подобных задач возможно применение методов математического программирования, в частности методов дискретного программирования. Задачу конструирования привода лифтовой лебедки можно сформулировать так: разработать конструкцию и элементы конструкции безредукторной лифтовой лебедки, предназначенной для преобразования вращательного движения в поступательное

перемещение с помощью канатоведущего шкива, при обеспечении: необходимых радиальных нагрузок на канатоведущий шкив, самоторможения электродвигателя при стоянке, расположения лебедки на раме. Для поиска решения был разработан граф (приведенный на рис. 6), показывающий ветвление задачи при использовании различных элементов конструкции лебедки.

В представленный граф включены только те элементы конструкции, которые могут иметь вариативность. Началу соответствует активная часть электродвигателя, концу - соответствующая предъявляемым требованиям лифтовая лебедка, расположенная на раме, которую необходимо дооснастить датчиком частоты вращения, преобразователем частоты, защитным кожухом. Каждый вариант имеет свою стоимость, включающую себестоимость труда, материалов и электроэнергии, потраченных на изготовление элементов и оцененной в эквивалентных единицах -рублях.

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОРМОЖЕНИЯ '

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ФОРМЫ ДВИЖЕНИЯ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ. РАДИАЛ, НАГРУЗОК

РАЗМЕЩЕНИЕ НА РАМЕ

РАЗМЕЩЕНИЕ В ОБОЛОЧКЕ

7Г7Г

м >« м

А А А

Рис 6. Граф ветвления задачи конструирования лебедки

Решение может быть найдено на основе принципа и уравнения Беллмана: /к(х) = ттРк(х,и),

где х- текущий уровень изделия, соответствующий сумме его свойств, и - управление конструированием, *' - следующий уровень изделия соответствующий применению управления и, Рк(х,и) - функционал на к-м этапе, (2(х,и)- затраты к-го этапа соответствующие уровню х и управлению и, /¡¡.\(х') - затраты по изменению уровня на к-1 этапе.

Затраты присутствующие в выражениях вычисляются по формуле:

2 = С, +С2 +С3 +С4,

где С] -затраты труда по изготовлению элемента конструкции, С2 - стоимость материалов и комплектующих из которых комплектуется элемент конструкции, Сз -стоимость электроэнергии потраченной на изготовление элемента конструкции, С4 - трудозатраты по доработке других элементов конструкции.

Для того чтобы определить себестоимость, а также для проверки предлагаемого варианта конструкции лебедки па соответствие техническим требованиям необходимо проводить геометрическое моделирование и расчеты, а в ряде случаев, разработку конструкторской документации и технологическую проработку. Основные варианты приводов лифтовой лебедки, разработанные в ходе данной работы, показаны на рис. 6.

Д)

а) с дисковым тормозом и тремя опорами вала; б) с осевым тормозом и тремя опорами вала; в) с двумя канатоведущими шкивами и увеличенным углом охвата; г) с осевым тормозом и консольной конструкцией канатоведущего шкива; д) для коттеджного лифта; е) для лифта без машинного помещения, с увеличенным углом охвата.

-16-

е)

Рис.6 Конструкции безредукторных лифтовых лебедок

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработаны, поставлены в серийное производство, а также внедрены на объекты ЖКХ системы безредукторных лифтовых лебедок с грузоподъемностью 0=400, 630, 1000 кг, скоростью перемещения кабины v=1.0, 1.6 м/с, кратностью полиспаста 2:1, 1:1, построенные на основе низкочастотных высокомоментных асинхронных электродвигателей с частотным регулированием, позволяющие снизить до 40% потребляемой электроэнергии в сравнении с ранее применяемыми лебедками на основе многоскоростных электродвигателей и редукторов.

2. На основе анализа разработанной численной модели механики лифтовой лебедки определены технические требования к параметрам приводных электродвигателей.

3. Разработаны новые пазовые геометрии и определены главные размеры активной части серии электродвигателей, предназначенных для безредукторных лифтовых лебедок с грузоподъемностью Q=400, 630, 1000 кг, скоростью перемещения кабины v=1.0,1.6 м/с, кратностью полиспаста 2:1,1:1.

4. Разработаны перспективные двух- и трех-опорные конструкции электродвигателей привода безредукторных лифтовых лебедок с грузоподъемностями 0=400, 630, 1000 кг.

5. Проведен аналитический и экспериментальный анализ: теплового состояния электродвигателя; динамических характеристик электропривода; энергетических показателей системы; экономических показателей, подтвердивший перспективы применения безредукторных лифтовых лебедок на основе низкочастотных высокомоментных асинхронных электродвигателей с частотным управлением вместо используемых в настоящее время лифтовых лебедок на основе редукторов.

6. Разработана и апробирована методика проектирования электродвигателей и выбора преобразователей частоты для синтеза систем безредукторных лифтовых лебедок с различной грузоподъемностью, скоростью перемещения, и кратностью полиспаста.

7. Разработана методика проектирования конструкции оболочки электродвигателей лифтовой лебедки, позволяющая быстро и адекватно реагировать на изменение стоимости компонентов изменением конструкции привода лебедки.

8. Разработан комплект конструкторской и технологической документации лифтовых лебедок с грузоподъемностью Q=400, 630, 1000 кг, скоростью перемещения кабины v=1.0, 1.6 м/с, кратностью полиспаста 2:1, 1:1, построенных на основе, низкочастотных высокомоментных асинхронных электродвигателей с частотным регулированием.

9. Налажен серийный выпуск комплектов лифтовых лебедок серии КИАТ-ЛПП на опытном производстве ОАО «НИПТИЭМ» и ОАО «ВЭМЗ», составивший 400 штук в период с 2009 по 2013 гг.

10. Комплекты лифтовых лебедок поставлены на объекты ЖКХ городов РФ, таких как Москва, Екатеринбург, Владимир, Красноярск, Санкт-Перербург, Уфа и др., что является неоспоримым подтверждением перспективности применения лифтов на основе безредукторных лебедок в рамках программ «Энергосбережение» и «Реформа ЖКХ».

Сравнение основных технико-экономических характеристик существующих редукторных лебедок и разработанных безредукторных лебедок, составленное для ОАО «КМЗ», приведено в таблице:

Сравнительные характеристики редукторкых и безредукторных лебедок (приводов) производства ОАО «КМЗ»

Техник о- экономические показатели Редукторный привод сЧЛ., 1 м/с подвес 1:1 Редукторный привод с ЧГЦ 1,6 м/с подвес 1:1 Беаредукторный привод с Ч.П., 1 м/с подвес 1:1 Беаредукторный привод c4JL, 1,6 м/с подвес 1:1

г/п, кг 400 630 400 630 400 630 400 630

Масса лебедки, кг 370 480 460 495 395 430 395 430

Мощносгтъ двигателя, кВт 4 5,5 5,5 8,8/2,2 2,4 3,7 4,0 6Л

Номинальная частота вращения двигателя, о&мин 1380 1380 1380/315 60 60 96 96

Номинальный ток двигателя, А 10,6 14,2 14,2 19,5/13 9,4 13,3 14,0 18,5

Пусковой ток двигателя, А 19,9 27,5 27,5 48/32 11,5 16,0 18,0 24,0

Потребляемая мощность, кВт 4,67 6,40 6,40 10,1 4,7 8,0 6,2 10,5

Цена, руб »7000 11200 133000 158000 70800 88500 87320 100300

Комфортные характеристики:

- корректированный уровень звук, мощности / уровень звука в свободном пале лебедки, (дБА). 72/64 74/65 62/54 63/55

Ударный шум тормоза + 10 дБА к установившемуся шуму + 10 дБА к установившемуся, шуму В пределах Установившегося шума В пределах Установившегося шума

- уровень виброскорости пола кабины в установившемся движении., м/с фактический 0,05...0,06х10"2 На уровне порога чувствительности 0,05 ...0,06x10"'' На уровне порога чувствительности 0,03...0,04 хЮ'2 Ниже порога чувствительности. 0,03...0,04xl0j Ниже порога чувствительности.

- ускорения в переходных режимах 1,2 м/с2 (регулируется) 1,2 м/с-1 (регулируется) 0,8... 1,2 м/с2 (регулируется) 0,8... 1,2 м/с2 (регулируется)

Наличие изнашивающихся деталей и узлов Черв, пара, КВШ, манжеты, подшипники редуктора и двигателя. Черв, пара, КВШ, манжеты, подшипники редуктора и двигателя. КВШ КВШ

Необходимость амортизации да да нет нет

Экология, периодичность замены масла 12 литров в год 12 литров в год Не требуется Не требуется

Основные положения диссертации опубликованы в работах

Статьи в рецензируемых научных журналах:

1. Афонин В.И., Кругликов О.В., Родионов Р.В. Энергосбережение лифтовых электроприводов с различными системами управления // Электротехника. - 2001.-№3.-С2-5.

2. Кругликов О .В., Зайцев A.M., Драгомиров М.С., Вершинин A.B., Сижа-нов И.С. Опыт практического применения комплекса Pro/ENGINER в автоматизированном проектировании электрических машин // Электротехника.-2005. - №5. -С. 1418.

3. Кравчик А.Э., Кругликов О.В., Лазарев М.В., Русаковский A.M. Перспективы разработки и производства асинхронных электродвигателей на предприятиях группы компаний «ВЭМЗ» // Электротехника,- 2005.№5, -С.3-8.

4. Кругликов О.В. Макаров Л.Н. Состояние и перспективы разработки и производства новых электродвигателей специалистами ОАО «НИПТИЭМ» и ОАО «ВЭМЗ». Электротехника № 11, 2008 г.- С.2-11.

5. Вершинин A.B., Драгомиров М.С., Зайцев A.M., Кругликов О.В. Разработка специальных конструктивных исполнений частотно-регулируемых асинхронных двигателей // Электротехника. - 2008,- №11. -С.46-49.

6. Зайцев A.M., Захаров A.B., Кобелев A.C. Кругликов О.В. Новая серия частотно-регулируемых асинхронных двигателей общего применения разработки ОАО «НИПТИЭМ» // Электротехника.- 2008,- №9.-С2-10.

7. Афонин В.И., Кругликов О.В., Макаров Л.Н., Родионов Р.В. Анализ энергоэффективности безредукгорного лифтового привода // Электротехника. - 2010.- №8, 2010. с.35-40.

8. Афонин В.И., Кругликов О.В., Родионов Р.В., Чернышев Ю.В. Безредукгор-ный лифтовый привод - инновационное энерго- и ресурсосберегающее оборудование //Известия ТулГУ. Технические науки. Вып.З: Тула. Изд-во ТулГУ, 2010,4.4 с.9-16.

9. Захаров A.B., Кобелев A.C., Кругликов О.В. Анализ основных технических характеристик тихоходных асинхронных электродвигателей с различными вариантами конструкции магнитопровода и различными способами управления магнитным потоком в приводе безредукторной лифтовой лебедки // Электричество.- 2011. - №3.-С35-40.

10. Кругликов О.В. Определение входных данных для проектирования асинхронных электродвигателей безредуктоных лифтовых лебедок //Электротехника.-2012. - 8.-С9-14.

11. Кругликов О.В. К вопросу повышения технического уровня привода безре-дукгорных лебедок с высокомоментными асинхронными электродвигателями // Электротехника .-2013.-ЖЗ.-С.28-32.

12. Захаров A.B. Кругликов О.В., Чернышев Ю.В. Разработка конструкции безредукторных лифтовых лебедок с использованием метода дискретного программирования // Электротехника.- 2013.№5.-С36-40.

13. Кругликов О.В. Низкочастотные асинхронные двигатели для безредукгорного привода лифтовой лебедки // Электротехника .-2015.-№3.-С.16-17.

14. Афонин В.И., Кругликов О.В., Родионов Р.В. Волновые процессы в обмотках электродвигателей для безредукгорного привода лифта // Элекгротехника,-2015.№6.-С35-38.

Труды международных конференций:

15. Zakharov A.V., Kobelev A.S., Kruglikov O.V., Makarov L.N., Rodionov R.V. Experience of calculation of low-speed high moment induction motors // 13th International Conference on Electromechanics, Electrotechnology, Electromaterials and Components.-Alushta, Crimea, Ukraine, 2010 - Р.62-6Э.

16. Kruglikov O.V., Chernyshev Yu.V. Gearless drive elevators of JSC «NIPTIEM» // 13th International Conference on Electromechanics, Electrotechnology, Electromaterials and Components.- Alushta, Crimea, Ukraine, 2010 - P.75-76.

17. Захаров A.B., Кобелев A.C., Кругликов O.B. Анализ энергетических характеристик тихоходных асинхронных электродвигателей с различными вариантами конструкции магнитопровода в приводе беэредукторной лифтовой лебедки // Сборник научных трудов IV международной научно-технической конференции «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы». Екатеринбург.: УрФУ 2011. - С.26-31.

18. Захаров A.B., Кругликов О.В. О задаче оптимального проектирования оболочки электродвигателей и деталей конструкции беэредукторной лифтовой лебедки методом дискретного программирования // Труды международной конференции «Электромеханика, Электротехнологии, Электротехнические материалы и комонен-ты», Алушта, Крым, Украина, 2012. С.103-106

Патенты:

19. Пат на полезную модель. 100065 РФ, МПК В66В 11/04 Привод лифта / До-ронькин A.B., Дорохин В.В., Карасев Е.И., Кругликов О.В, Макаров Л.Н., Чернышев Ю.В.; заявл. 18.02.2010; опубл 10.12.2010, бюл. №34.

20. Пат. 2435283 РФ, МПК Н02К 06/20 Асинхронный высокомоменгный электродвигатель на пониженную частоту вращения / Голембиовский М.И., Захаров A.B., Кобелев A.C., Кругликов О.В., Макаров JI.H., Родионов Р.В.; заявл. 23.03.2010; опубл. 27.11.2011. бюл. №33.

Подписано в печатьЗак./#Хтир. W П.л. 1Л£ Типография Издательства МЭИ, Красноказарменная ул.,д.13

2015675011

2015675011