Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор современного состояния пассажирских лифтов 13
1.1 Основные элементы современных грузо-пассажирских лифтов и их функциональное назначение 13
1.2 Построение лифтовых электродвигателей на основе различных типов электродвигателей: асинхронных, синхронных с возбуждением от постоянных магнитов, вентильно-индукторных .15
1.3 Анализ современного состояния вопросов исследования и проектирования электродвигателей для безредукторного лифтового привода .21
1.4 Основные выводы по главе, постановка задачи исследования .25
ГЛАВА 2. Разработка математических моделей и технических требований, предъявляемых к электродвигателям, используемым в электроприводе безредукторной лифтовой лебедки 27
2.1 Разработка математических моделей динамики лифтовой лебедки .27
2.2 Анализ возможности математических моделей различной степени сложности для исследования динамики лифта и разработки лифтовых электродвигателей 36
2.3 Синтез технических требований, предъявляемых к электродвигателям электропривода безредукторных лифтовых лебедок .41
2.4 Анализ возможности реализации, полученных технических требований .44 Выводы по гаве 2 .49
ГЛАВА 3. Разработка активных частей тихоходных высокомоментных асинхронных электродвигателей электропривода безредукторных лифтовых лебедок .50
3.1. Основные положения, принятые для проектирования активных частей тихоходных высокомоментных асинхронных электродвигателей электропривода безредукторных лифтовых лебедок 52
3.2. Проектирование активных частей серии тихоходных высокомоментных асинхронных электродвигателей электропривода безредукторных лифтовых лебедок 56
3.3. Анализ энергетических показателей и оценка теплового состояния тихоходных высокомоментных асинхронных электродвигателей электропривода безредукторных лифтовых лебедок 60
3.4. Проведение экспериментов на основе имитационного моделирования тихоходных высокомоментных асинхронных электродвигателей электропривода безредукторных лифтовых лебедок .64
3.5. Анализ результатов имитационного моделирования и сравнение энергетических характеристик разработанных лифтовых электродвигателей 66
Выводы по гл.3 .69
ГЛАВА 4. Экпериментальное исследование привода безредукторной лифтовой лебедки с низкочастотным регулируемым высокомоментным асинхронным электродвигателем .71
4.1 Методика испытаний низкочастотных высокомоментных асинхронных электродвигателей 71
4.2 Разработка физической модели лифта и стенда испытаний низкочастотных электро .74
4.3 Исследовадвигателей безредукторной лифтовой лебедкиние электромагнитной совместимости безредукторных приводов с сетью 80
4.4 Эксплуатационные испытания электродвигателей безредукторной лифтовой лебедки 84
Выводы по гл. 4 93
ГЛАВА 5. Разработка конструкции и некоторые вопросы технологии мелкосерийного производства приводов лебедок с низкочастотными высокомоментными асинхронными электродвигателями 94
5.1 Разработка конструкции привода лифтовой лебедки с низкочастотными высокомоментными асинхронными электродвигателями 95
5.2 Разработка методики конструирования лифтовой лебедки с низкочастотными высокомоментными асинхронными электродвигателями .110
5.3 Эффективность применения безредукторных лебедок с малыми диаметрами тяговых канатов 118
Выводы по гл. 5 126
Заключение 127
Список литературы 131
- Построение лифтовых электродвигателей на основе различных типов электродвигателей: асинхронных, синхронных с возбуждением от постоянных магнитов, вентильно-индукторных
- Синтез технических требований, предъявляемых к электродвигателям электропривода безредукторных лифтовых лебедок
- Проектирование активных частей серии тихоходных высокомоментных асинхронных электродвигателей электропривода безредукторных лифтовых лебедок
- Разработка физической модели лифта и стенда
Построение лифтовых электродвигателей на основе различных типов электродвигателей: асинхронных, синхронных с возбуждением от постоянных магнитов, вентильно-индукторных
Современные тенденции развития транспортной техники, в том числе в жилищно-коммунальном хозяйстве, преследуют цели обеспечения максимально возможных показателей: безопасности, энергосбережения, надежности, комфорта [1, 49, 50, 64, 68, 69, 76, 99, 103, 109, 111].
Очевидно, каждый элемент лифта должен не только вносить вклад в безопасность, энергоэффективность, надежность, комфорт, в зависимости от своего назначения, но и поддерживать (в худшем случае - минимально снижать) вклад других элементов в эти показатели. Следовательно, параметры и структура лифта, в соответствии с современными тенденциями, должны выбираться на основе системного подхода к обеспечению отмеченных показателей.
Наибольшее влияние на свойства лифта оказывают характеристики лебедки, поэтому одно из основных направлений совершенствования лифта лежит в плоскости улучшения привода лифтовой лебедки, и, прежде всего, приводного электродвигателя.
Исследование состояния существующих схем построения лифтовых лебедок [1, 4, 10, 11, 12, 20, 21, 32, 45, 74] показало, что наибольшее распространение в сфере ЖКХ имеют редукторные лифтовые лебедки на основе двухскоростных асинхронных электродвигателей. Основным недостатком этих лебедок является необходимость применения редуктора с коэффициентом редукции 10-70 [1, 6, 7, 13, 15, 20, 21, 24, 44, 45, 74], снижающего КПД системы, увеличивающего шум, а также требующего проведения дорогостоящих регламентных работ. Кроме того, комфортность перемещения в лифтах такого рода оставляет желать лучшего из-за нерегулируемого ускорения перемещения кабины и колебательных процессов в системе «асинхронный электродвигатель – трос – кабина» [1, 70, 102], обусловленных колебательными переходными процессами, присущими как асинхронному электродвигателю в режиме прямого пуска, так и канату.
Второй по степени распространения является схема, построенная на основе редукторной лебедки с частотно-регулируемым асинхронным двигателем [1, 10, 11, 17, 19, 24, 45, 73, 97, 98]. Комфортность движения при использовании такой схемы значительно увеличивается из-за исключения нерегулируемых моментов и связанных с ними колебательных процессов [1, 45, 102]. Тем не менее, в такой схеме остается редуктор, со всеми его проблемами.
Выпускаемые уже более полувека в России и странах СНГ редукторные приводы имеют ряд недостатков, присущих этому устройству. К их числу относятся: увеличенная масса комплектного привода, значительные механические потери в редукторе, использование машинного масла при эксплуатации, снижение надежности за счет дополнительного механического звена. Отметим, что постепенный отказ от «механических модулей» в различных технических устройствах является современной мировой тенденцией.
В настоящее время распространение получает безредукторная схема построения лифтовой лебедки [1, 4, 25, 27, 28, 31, 32, 43, 44, 45, 55, 103, 118, 119, 120]. В такой схеме отсутствует редуктор, питание осуществляется низкочастотным переменным током от электронного инвертора. Основным недостатком такой схемы является необходимость применения специальных низкочастотных электродвигателей [4, 12, 120]. В основном, для этих целей, применяют синхронные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов (СДПМ) [26, 27, 35, 45, 51, 52]. Однако широкому внедрению СДПМ в России мешают проблемы, связанные с использованием высокоэнергетических магнитов на основе редкоземельных металлов. К таковым проблемам следует отнести: отсутствие (за исключением единичных случаев) производства СДПМ отечественными предприятиями; низкий гарантированный срок службы магнитов (10-20 лет); высокая и постоянно растущая цена магнитов, диктуемая основным производителем – КНР, проблема утилизации редкоземельных материалов [76]. Таким образом, актуальной научно-технической задачей является разработка и освоение производством высокомоментных низкочастотных электродвигателей асинхронных либо вентильно-индукторных с ротором, не содержащим материалы из редкоземельных элементов. Учитывая тот факт, что российские электромашиностроительные заводы и конструкторские бюро исторически совершенствуют конструкцию и технологию производства лифтовых двигателей применительно к асинхронной машине, основным направлением настоящей работы автора является исследование и разработка специального асинхронного двигателя (АЭД). Исследование вентильно-индукторной машины (ВИД) здесь носит обзорный характер.
Построение лифтовых электродвигателей на основе различных типов электродвигателей: асинхронных, синхронных с возбуждением от постоянных магнитов, вентильно-индукторных
К сожалению, информация в открытых литературных источниках, на основе которой было бы возможно провести оценку характеристик и стоимости изготовления безредукторных лифтовых лебедок различной структуры, крайне недостаточна. В первую очередь, отсутствуют полноценные технические данные, как непосредственно по лебедкам, так и по электродвигателям, на основании которых возможно провести качественную оценку.
Синтез технических требований, предъявляемых к электродвигателям электропривода безредукторных лифтовых лебедок
Полученные в предыдущем параграфе технические требования к безредукторным лифтовым лебедкам следует рассмотреть таким образом, чтобы сформулировать требования лифтовому электродвигателю. Для формулирования этих требований введем следующие дополнительные уточнения и замечания:
1. Предварительные данные технических требований, полученные в предыдущем параграфе, следует увеличить для обеспечения безопасности на 8-10%. Это будет дополнительным запасом по моменту.
2. Целесообразно изготавливать электродвигатель для двух скоростей перемещения 1.0 м/с и 1.6 м/с на одной электрической машине за счет переключения схемы соединения обмотки с соединения типа «Y» на соединение типа «», при котором подводимое фазное напряжение изменяется в 1.73 раза, при одновременном увеличении питающей частоты в 1.6-1.73 раза.
3. На основании данных, полученных из обобщения основных значений номинальных и максимальных моментов асинхронных электродвигателей серии АИР, 5А, электродвигатели для привода безредукторных лифтовых лебедок выбранного отрезка целесообразно разрабатывать на основе машин с высотой оси вращения 180мм, 200 мм, 225 мм 250мм, числом пар полюсов не менее 2p=8. Окончательный выбор следует сделать после проведения поверочных расчетов.
4. Следует отметить, что разработка электродвигателей с номинальной частотой 5-14 Гц, является сложной задачей из-за значительного влияния нагрузки на поток электрической машины. Отсюда, в частности, следует, что в дальнейшем нами будет подразумеваться и рассматриваться питание электродвигателей только от преобразователей частоты с векторным управлением, или другими алгоритмами, обеспечивающими эффективную стабилизацию потока на низких частотах вращения.
На основании сформулированных предпосылок и данных предварительных технических требований таблицы 2.2 сформулированы окончательные технические требования для привода безредукторной лифтовой лебедки, включающие и требования к асинхронному двигателю (см. таблицу 2.3).
Необходимо отметить, что за пределами рассмотрения в технических требованиях на лифтовые электродвигатели осталась номинальная мощность электродвигателя. Это связано с тем, что лифт работает в циклическом режиме с перемежающейся знакопеременной нагрузкой и для определения мощности необходимо провести исследования теплового режима работы. К сожалению теоретических основ для этого в настоящее время нет. Это обусловлено как детерминированным характером нагрузок, зависящий от типа здания и времени суток, так и вероятностным характером загрузки лифта. Рассмотрим предельные режимы загрузки кабины лифта и разные направления движения: - полностью загруженный лифт вверх; - пустой лифт вверх; - полностью загруженный лифт вниз; - пустой лифт вниз. На рис. 2.8 - 2.11 приведены диаграммы соответствующих режимов, полученные с помощью имитационного моделирования для лифта c Q=400кг, v=1.0 м/с.
Моделирование подъема загруженной номинальной массой Q=400кг лифтовой лебедки Рис. 2.9 Моделирование спуска загруженной номинальной массой Q=400кг лифтовой лебедки
Моделирование подъема порожней лифтовой лебедки Рис. 2.11 Моделирование спуска порожней лифтовой лебедки Анализ результатов моделирования, показал: - режим движения: подъем полностью загруженной кабины, опускание порожней кабины - наиболее энергоемкий режим работы для лифтового электродвигателя и может быть эквивалентирован режимом подъема загруженной кабины с грузом Q; - режимы движения: подъем загруженной кабины, опускание загруженный кабины могут быть эквивалентированы режимом подъема с грузом 0,83 Q; - режимы движения: подъем порожней кабины, опускание загруженной кабины может быть эквивалентированы режимом подъема с грузом 0,67 Q.
Проектирование активных частей серии тихоходных высокомоментных асинхронных электродвигателей электропривода безредукторных лифтовых лебедок
Представленная глава посвящена решению задачи проектирования конструкции привода лифтовой лебедки. Исходя из практической направленности работы необходимо было разработать такую конструкцию лебедки, которая была бы максимально ориентирована на мелкосерийное производство ОАО «НИПТИЭМ» и ООО «ВЭМЗ». Это означает, что необходимо максимально использовать технологию производства и детали общепромышленных электродвигателей серий 5А, АИР, 7AVE [68, 72]. Так как только такой подход позволит максимально снизить стоимость изделия, а, следовательно, повысить его конкурентоспособность относительно традиционных лифтовых и новых типов приводов, выпускаемых другими компаниями.
Анализ функциональных особенностей безредукторных и редукторных лебедок, а также конструкций и основных узлов лифтов, проведенный в первой главе работы позволяет сделать вывод о необходимости разработки специальной конструкции привода лебедки, двигатель которой снабжен дополнительными электрическими устройствами, такими как: электромагнитный тормоз, датчик частоты вращения, датчик температуры обмотки. Кроме того, для монтажа нового типа лебедки в имеющиеся машинные помещения необходимо разработать специальную раму. Особое внимание необходимо уделить обеспечению радиальных нагрузок на вал электродвигателя. Разработка конструкции привода лифтовой лебедки с низкочастотными высокомоментными асинхронными электродвигателями
Начальная стадия проектирования конструкции лифтовой лебедки было построена в основном на эвристическом подходе [83, 84, 120]. В процессе проектирования и изготовления лифтовых лебедок, согласования конструкторской документации с Заказчиком, технологической проработки, конструкция лебедок видоизменялась. В настоящем параграфе представлены основные этапы этого проектирования.
В качестве основного варианта лифтовой лебедки была принята конструкция с канатоведущим шкивом 320 мм с полукруглой канавкой под канат 8 мм и отводным блоком. Охват КВШ канатом 270. Для разведения каната привод развернут относительно шкива отводного блока на 4 30 . Первоначально была разработана и изготовлена лебедка двухопорной конструкции с фланцевым электродвигателем и дисковым тормозом (вариант 1), конструктивные особенности которой представлены на рис. 5.1.
Лебедка состоит из рамы простой конструкции, сваренной из швеллера, на ней установлен отводной блок , состоящий из сварного шкива с подшипниками, оси, и 2х щек держателей и прямой привод, состоящий из опоры привода , в которую установлен на двух подшипниках вал электродвигателя - он же вал привода; на валу между двух стоек установлен канатоведущий шкив (КВШ) с тормозным диском ; от проворота статор электродвигателя удерживает стопор; на щите электродвигателя закреплен фланец с двумя тормозными системами (электромагнитными тормозами); на электродвигателе установлен датчик обратной связи (энкодер), закрытый кожухом; вращающиеся части лебедки закрыты сетчатым кожухом , лебедка также комплектуется преобразователем частоты и блоком тормозных резисторов Рис. 5.1 Лебедка с дисковым тормозом (вариант 1)
На лебедке установлен электродвигатель АЧ180МА8 или АЧ200L8, исполнения IM3001 в зависимости от применения, общий вид которых показаны на рис. 5.2.
Электродвигатель состоит из стандартной (чугунная) фланцевой станины от электродвигателя 5А180, в которую запрессован пакет статора Ф от 7АVER 180 МА8 со специальной обмоткой; в обмотки вставлены датчики температуры; ротор состоит из специального вала и пакета ротора от 7АVER 180 М8 с подрезкой лапок крыльчатки; передний щит фланцевый, специальный; задний щит стандартный от двигателя 5А180 (АИР) с доработкой под адаптер датчика обратной связи (11) энкодер); крышка подшипника стандартная от 5А180; коробка выводов от двигателя 5А132; передний подшипник 6215 , задний подшипник штатный от 5А180.
Исполнение IM3001 электродвигателя АЧ200 (М8, L8, LB8):
Электродвигатель состоит из стандартной (чугунная) фланцевой станины от эл. дв. 5А200, в которую запрессован пакет статора от 7АVER 200 со специальной обмоткой; в обмотки вставлены датчики температуры; ротор состоит из специального вала и пакета ротора от 7АVER 200; передний щит фланцевый, специальны; задний щит стандартный от двигателя 5АН200 с доработкой под адаптер датчика обратной связи (11) (энкодера); крышка подшипника специальная; коробка выводов от двигателя 5АМХ132; передний подшипник 6215 ; задний подшипник штатный от 5АН200.
Разработанная конструкция претерпела ряд незначительных изменений в ходе отработки технологии изготовления и сборки, была испытана и изготовлена в количестве 12 шт. Недостатками конструкции стали: сложный в изготовлении КВШ с тормозным фланцем , эстетичный, но надежный и дорогой сетчатый кожух , нетехнологичная сборка (сложно сажать на вал одновременно КВШ и 2 подшипника в опору привода ).
Разработка физической модели лифта и стенда
двигателей безредукторной лифтовой лебедки
Важнейшими критериями при проектировании асинхронных двигателей для прямого привода лифтов является высокая энергоэффективность (КПД) и минимальная масса активных частей электродвигателя при безусловном обеспечении требуемого момента во всем диапазоне регулирования. Исходя именно из этих положений, при активном участии автора, была разработана линейка электродвигателей для лебедок грузоподъемностью 400, 630, 1000 кг прямого подвеса, а также с кратностью полиспаста 2:1 (глава 3).
До принятия ГОСТ Р 53780-2010 [50] для стального тягового проволочного каната, минимально разрешенный диаметр составлял 8 мм и, следовательно, диаметр канатоведущего шкива ДКВШ 8x40=320 мм. Именно эти данные были заложены в кинематические расчеты, см. таблицу 2.2 главы 2.
В принятом ГОСТ Р 53780-2010 минимальный диаметр каната установлен 6 мм, следовательно, АКВШ=240 мм. Очевидно, что новый, разрешенный регламентом размер КВШ, открывает существенные возможности для повышения энергоэффективности и снижения массогабаритных размеров активных частей приводных асинхронных двигателей, поскольку частота вращения двигателя: где v - линейная скорость, м/с.
Таким образом, частота вращения с уменьшением ДКВШ возрастает, следовательно, снижается номинальный момент при неизменной мощности электродвигателя. Кроме того, сдвигаясь в область больших частот, мы ослабляем влияние падения напряжения UR на потокосцепление главного поля машины, что облегчает настройку преобразователя частоты.
Заглядывая в недалекое будущее, с большой вероятностью можно предположить, что в России скоро будет разрешен и диаметр стального троса 4 мм, по примеру зарубежного опыта [55]. Это открывает возможность использования ДКВШ=160 мм. И, наконец, следует использовать зарубежный опыт применения кратности полиспаста 4:1 при ДКВШ=160 мм.
Безусловно, вариант кинематической схемы «DКВШ=160 мм и кратность полиспаста 2:1», и тем более вариант «DКВШ=160 мм и кратность полиспаста 4:1» открывают еще большие возможности для улучшения электромеханических показателей привода лифта. Основываясь на вышесказанном, автором была поставлена и решена задача количественной оценки преимуществ увеличения частоты вращения приводного двигателя. Для этого, дополнительно к линейке двигателей для лебедок грузоподъемностью 400, 630, 1000 кг при DКВШ=320 мм, были разработаны двигатели: - для лебедок грузоподъемностью 400, 630, 1000 кг, DКВШ=240 мм при кратности полиспаста 2:1; - для лебедок грузоподъемностью 400, 630, 1000 кг, DКВШ=160 мм при кратности полиспаста 2:1; - для лебедок грузоподъемностью 400, 630, 1000 кг, DКВШ=160 мм при кратности полиспаста 4:1.
Введем критерий F(x) [66], адаптированный к рассматриваемой задаче и позволяющий, в том числе, оценить повышение показателей асинхронных двигателей с большей частотой вращения:
Для оценки выбраны следующие электромеханические показатели: КПД двигателя h, кратность максимального момента Km, объем активных частей Va=LD2; стоимость активных частей Ca, скольжение в номинальном режиме s, ток холостого хода Io. Два последних показателя важны при выборе и настройке преобразователя частоты. Показатели базовой машины содержат индекс «b», показатели исследуемой - «i». Максимизируемый показатель исследуемой машины находится в числителе. Значимость показателей a назначается экспертно и приведена в таблице 5.3:
Поскольку концепция и методы проектирования подробно описаны в [66], результаты расчетов, минуя подробные комментарии, трех новых линеек двигателей сведем в таблицы 5.4, 5.5. Отметим лишь, что во всех новых типоразмерах применен удлиненный овальный паз ротора, позволяющий реализовать наибольший полезный момент. Количество пазов ротора выбиралось максимально возможным [89], с учетом ограничений, диктуемых возможностями технологического оборудования для вырубки листов магнитопровода.
При сопоставлении агрегированных показателей F(X), в качестве базовых двигателей, везде принимались машины при DКВШ=320 мм и кратности полиспаста 2:1. В рассчитанных двигателях частота вращения строго соответствовала исходной, получаемой из кинематических расчетов, расчетный номинальный момент равен, либо несколько превосходил величину Мн_кинем, Мmax_расч Мmax_кинем. Здесь Мн_кинем и Мmax_кинем -соответственно, номинальный и максимальный моменты из кинематических расчетов; Мmax_расч - максимальный момент из электромагнитного расчета, выполненного при проектировании описанных в настоящей статье асинхронных двигателей. Полезная мощность двигателя для конкретного типа лифта получалась примерно равной, что опосредованно говорит о корректности выполненных расчетов.
Для оценки корректности выполненных расчетов было изготовлено три типоразмера лифтовых двигателей с DКВШ, отличных от 320мм: - 5АЧ160M8; тип лифта 400x1,0, 400x1,6; DКВШ=240 мм; кратность полиспаста 2:1;
Анализ расчетов, подтвержденных экспериментом, показывает, что при использовании DКВШ=240 мм, и кратности полиспаста 2:1, практически во всех типах лифта, за исключением грузоподъемности 1000 кг, удается применить двигатель на габарит меньше, сэкономить около трети стоимости активных частей и на 10-19 % повысить агрегированный технический уровень. Еще более разительные результаты дает применение DКВШ=160 мм, особенно при кратности полиспаста 4:1. В этом случае, применяется двигатель на два, а для грузоподъемности 630 кг на 3 (!) габарита меньше; экономится боле половины активных материалов, агрегированный технический уровень выше базового в 1,8-2,5 раза.