Разработка частотно-регулируемого электропривода лифта

СНУЯЭ и П

Введение

Темой данного проекта является разработка частотно-регулируемого электропривода специального скоростного лифта с анализом экономической эффективности его использования.

Современное оборудование создается совместными усилиями технологов-машиностроителей, специалистов по электрическим машинам, электроприводу и автоматизации. Конструктивные и кинематические особенности исполнительного органа механизма во многом предопределяются типом привода. Имеет место и обратное - в зависимости от вида механической части значительные изменение претерпевает электропривод. Конструктивные решения отражаются на параметрах механической и электрической цепей единой электромеханической системы. Соотношения последних сказываются не только на статических и динамических качествах, но и на потреблении электроэнергии, экономичности работы электрифицированного механизма. Лифты классифицируются на тихоходные со скоростью меньше 0,5 м/сек, быстроходные со скоростью равной или меньше 1,0 м/сек, скоростные со скоростью более 1,0 м/сек. При проектировании используется лифт, скорость перемещения которого 4м/с.

Станция управления электроприводом подъема должна иметь достаточно сложную электрическую схему, что обеспечит заданную точность остановки кабины. По техническим нормам электропривод пассажирского слабо загруженного лифта должен обеспечить остановку кабины с точностью не более ± 35 - 50 мм. Точность остановки зависит от тормозного пути, проходимого кабиной при торможении. Повысить точность остановки можно либо, снизив момент инерции и угловую скорость перед началом торможения, либо увеличить тормозной и статический момент ЭД. Наиболее эффективно и доступно уменьшение угловой скорости перед началом торможения ЭД. Заданная по условию точность ± 10 мм достаточна во всех видах лифтов и достигается при скорости ? 0,15 м/сек. Наиболее предпочтительны электроприводы и широким диапазоном регулирования, управляемые по системе «G - ЭД», «тиристорный преобразователь - ЭД» и др. Величины предельного ускорения, замедления ограничены: для тихо, быстроходных лифтов ускорение ? 1,5 м/сек²; для скоростных - ускорения ?2,5 м/сек². Грузоподъемность пассажирских лифтов от 250 до 1500 кг (от 3 до 21 чел.).

Исходными данными для расчёта являются: грузоподъемность, скорость перемещения кабины, ее вес; кинематическая схема механизма подъема; высота подъема. В процессе работы над проектом следует уточнить кинематическую схему, использовать оптимальный электропривод и преобразователь частоты, ввести систему управления преобразователя частоты.

1. Расчётно-техническая часть

Лифт является разновидностью подъемника и представляет собой транспортное средство прерывного действия, предназначенное для подъема и спуска людей (грузов) с одного уровня на другой. Цикл работы лифта включает в себя времена подъёма и опускания клети, а также времена загрузки и выгрузки. Подъём клети происходит с установившейся скоростью Vр, а опускание - со скоростью Vв > Vр. Кабина (платформа) лифта перемещается вдоль неподвижных вертикальных жестких направляющих, установленных в шахте, снабженной на посадочных (загрузочных) площадках запираемыми дверями. Конструктивно лифт состоит их шахты оборудованной дверями, установленными в порталах, приямком и машинным помещением с подъемной приводной лебедкой. Под шахтой понимается пространство, в котором перемещается кабина и противовес, а также установлено другое оборудование лифта. Машинное отделение, расположенное, по условию, внизу шахты, предназначено для установки приводного механизма, аппаратуры управления и другого оборудования лифта.

Основное назначение подъемно-транспортных машин, в том числе лифтов, - подъем и перемещение грузов. Подъемниками отличаются от кранов тем, что грузовой сосуд движется по направляющим. Грузоподъемность подъемников - 0,25…50 т, скорость подъема - 0,1… 16 м/с (шахтные подъемники). Различают: строительные подъемники, шахтные подъемные машины, доменные подъемники, лифты для подъема людей и грузов и др.

В настоящее время в связи с развитием техники, совершенствованием производственных процессов на предприятиях народного хозяйства подъемно-транспортные машины имеют большое значение. Развитие многих отраслей промышленности, транспорта и строительства связано с развитием и совершенствованием подъемно-транспортных машин. Современное строительство гражданских и промышленных зданий не возможно без технически совершенных подъемно-транспортных машин. Работа промышленных предприятий, портов, железнодорожных узлов невозможна без механизации процесса подъема и перемещения грузов. Значение подъемно-транспортных машин в том, что они являются эффективными средствами механизации на предприятиях, в строительстве и на транспорте, выполняя наиболее трудоемкие процессы по перемещениям различного рода грузов. Функционирование многоэтажных зданий невозможно без пассажирских лифтов.

Лифты подразделяют по следующим основным признакам:

а) по виду транспортируемых грузов на: пассажирские, предназначенные для подъема и спуска людей, в том числе с предметами домашнего обихода, если общая масса людей и груза не превышает грузоподъемности лифта; больничные - для подъема и спуска больных на больничных транспортных средствах в присутствии сопровождающего персонала; грузовые - для транспортировки грузов в сопровождении проводника или специально выделенных людей без проводника, в том числе грузовые малые для транспортировки грузов без проводника, причем в последнем случае ограничены грузоподъемность, высота и площадь кабины с целью исключения входа человека в кабину при ее разгрузке и загрузке;

б) по виду грузонесущего устройства: на лифты, оборудованные кабиной или платформой;

в) по виду тягового органа, предназначенного для перемещения кабины или платформы: на канатные, цепные, реечные, винтовые и плунжерные;

г) по виду привода на электрические и гидравлические (грузовые);

д) по виду привода дверей на лифты с дверями, открываемыми вручную, полуавтоматически и автоматически;

е) по виду шахты: на лифты, устанавливаемые в глухой шахте, огражденной на всю высоту и со всех сторон сплошными стенами; устанавливаемые в металлосетчатой шахте, огражденной со всех сторон и на всю высоту металлической сеткой; устанавливаемые в комбинированной шахте, часть которой глухая, а часть - металлосетчатая;

ж) по конструкции дверей шахты и кабины на лифты: с распашными дверями (грузовые, больничные и пассажирские для производственных зданий); с горизонтально-раздвижными дверями; с горизонтально-раздвижными дверями, перемещающимся по криволинейным направляющим, с вертикально-раздвижными дверями;

з) по расположению машинного помещения на лифты: с машинным помещением, расположенным над шахтой, под шахтой и сбоку от шахты;

и) по виду системы управления на лифты:

с кнопочным внутренним управлением, при котором пуск кабины осуществляется посредством воздействия на кнопки аппарата, находящегося в кабине, а ее остановка на посадочной (загрузочной) площадке происходит автоматически;

с кнопочным наружным управлением (грузовые лифты), при котором пуск кабины осуществляется посредством воздействия на кнопки аппарата, установленного вне кабины, а ее остановка на посадочной (загрузочной) площадке происходит автоматически;

с простым управлением, обеспечивающим регистрацию только одного приказа или вызова;

с собирательным управлением только при движении вниз; с групповым управлением, при котором обеспечивается управление группой лифтов с общей регистрацией вызовов и автоматическим выбором кабин для их выполнения, в том числе только с групповым управлением при движении вниз;

с программным управлением одним или группой лифтов, позволяющим установить программу работы лифтов автоматически или вручную.

2. Выбор основных параметров и исполнение лифта

Внутри шахты вдоль вертикальных направляющих движутся кабина и противовес. Кабина и противовес подвешены на стальных проволочных канатах, которые крепятся к кабине посредством подвески. Тяговое усилие на канатах создается при вращении канатоведущего шкива при включенном приводном электродвигателе. Для остановки и удержания кабины и противовеса в неподвижном состоянии при отключенном электродвигателе служит тормоз. В приямке расположены натяжное устройство ограничителя скорости и буфера. Ограничитель скорости кинематически связан канатом с натяжным устройством и с ловителями, башмаки которых предназначены для остановки кабины, свободно движущейся вдоль направляющих, в случае обрыва или ослабления канатов, а также при превышении кабиной (противовесом) заданных величин скорости движения. Ограничитель скорости установлен в машинном помещении и связан с кабиной канатом.

Для управления движением кабины служит кнопочный аппарат, расположенный внутри на стенке кабины. Электрический сигнал от кнопочного аппарата передается по подвесному кабелю и проводам в шахте в машинное помещение на шкаф управления лифтом. Привод лифта обычно обеспечивает возможность перемещения кабины в двух режимах - на большой и малой скорости. Переключение с большой скорости на малую осуществляется этажным переключателем (датчиком), на который при подходе кабины воздействует отводка (шунт). Движение кабины с малой скоростью продолжается до подхода кабины к датчику точной остановки, закрепленному на стенке шахты. По сигналу датчика точной остановки электродвигатель лебедки и катушка приводного электромагнита тормоза отключаются от сети, и кабина затормаживается и удерживается тормозом в неподвижном состоянии. Одновременно подается питание на электродвигатель привода дверей кабины. Двери автоматически открываются совместно с дверями шахты и остаются открытыми после выхода пассажиров из кабины в течение сравнительно малого промежутка времени, задаваемого реле времени в цепи управления лифтом. Затем реле времени замыкает свои контакты и подает питание на электродвигатель привода дверей кабины - двери закрываются. Лифт свободен и готов к работе по вызову, о чем свидетельствуют погасшие сигнальные лампы вызывных аппаратов, установленные на каждом посадочном этаже.

Лебедка лифта может иметь нарезной грузовой барабан или канатоведущий шкив. Барабанные лебедки применяются в настоящее время сравнительно редко, преимущественно в лифтах без противовеса, когда установка противовеса затруднена или невозможна. От канатоведущего шкива тяговое усилие передается канатом за счет действия сил трения между канатом и шкивом. Для увеличения сил трения шкив имеет ручьи (т.е. углубления на образующей цилиндрической поверхности), форма которых при данном угле обхвата шкива каната, выбранном материале и конструкции шкива позволяет обеспечивать сцепление каната со шкивом, достаточное для удержания кабины при статических испытаниях, и исключает возможность подъема кабины при неподвижном противовесе или противовеса при неподвижной кабине.

Основные кинематические схемы лифтов приведены на рис. 2.1.

Габаритные размеры и конструкция лифтов определяется их назначением, расположением кабины и противовеса в плане и размещением дверных проемов в шахте. Преимущественное распространение в лифтах жилых, административных и промышленных зданий получили шахты и кабины с входом с одной стороны на всех этажах. Иногда предусматривают две двери на противоположных стенах или в двух смежных стенах, расположенных под углом.

Согласно правилам Госгортехнадзора лифты в целях безопасности оборудованы ловителями, которые при ослаблении или обрыве канатов, а также при превышении предельной скорости опускания автоматически останавливают клеть. По принципу действия они делятся на самозаклинивающиеся, которые обеспечивают мгновенную остановку и применяются для грузовых лифтов, и скользящие - для плавной остановки кабины всех типов лифтов при скорости движения более 0,75 м/с. По конструкции ловители бывают клиновые, эксцентриковые, роликовые.

Кинематические схемы дают наиболее общее представление о движении кабины при вращении канатоведущих органов и способах уравновешивания кабин с грузом при помощи противовеса. Вместе с тем кинематические схемы поясняют принципы устройства лифтов разного назначения.

На схемах условно кабины изображены прямоугольниками, противовесы -заштрихованными прямоугольниками. Тяговые органы (канатоведущие шкивы или барабаны) показаны наиболее крупными окружностями, блоки - окружностями меньшего диаметра. Прямые линии, соединяющие перечисленные элементы, условно представляют необходимый комплект канатов. Один канат допускается только для грузового лифта без проводника и грузового малого лифта при наличии у этих лифтов барабанной лебедки. Блоки предназначаются для удерживания и изменения направления канатов, огибающих блоки. Перемещение же канатов осуществляется вращением канатоведущих органов (канатоведущего шкива трения или барабана).

У канатоведущих шкивов канаты вложены в лунки шкива и при вращении последнего канаты перемещаются силой трения. У барабанов концы канатов закрепляются на барабане и огибают его с разных сторон по диаметру: канаты кабины с одной стороны, а канаты противовеса - с другой. При вращении барабана одни канаты наматываются на барабан, а другие разматываются. Если канаты кабины наматываются, то кабина поднимается, а противовес опускается, так как его канаты разматываются, освобождая на барабане место для наматывания канатов, кабины.

Вращение канатоведущих органов то в одну, то в другую сторону осуществляется реверсивным электродвигателем через редуктор.

При канатоведущем шкиве канаты укладываются в лунки шкива, а их концы с одной стороны диаметра прикрепляются к кабине, а с другой - к противовесу. Натяжение канатов от веса кабины с грузом и веса противовеса создает в лунках канатоведущего шкива нормальное давление и трение при вращении шкива, что в конечном счете приводит к необходимому тяговому усилию.

Противовес в кинематических схемах лифта предназначается для уменьшения окружного усилия на канатоведущем органе. Это усилие равно разности натяжений. Уменьшение окружного усилия ведет к соответствующему уменьшению крутящего момента, а следовательно, и к уменьшению необходимой мощности электродвигателя.

3. Основные требования, предъявляемые к лифту и его электрооборудованию

Основными показателями лифтов являются грузоподъемность и номинальная скорость движения кабины. Ряд грузоподъемностей лифтов, согласно ГОСТ, следующий: 40, 100 (160), 250 (320), 400 (500), 630, 800, 1000 (по условию), 1200, 1600, 2000, 2500 (3200), 4000 (5000), 6300 кг. Номинальная скорость движения кабины лифта должна составлять: 0,14; 0,2; 0,25; 0,4 (0,5); 0,63 (0,71); 1,0 (1,4); 1,6 (2,0); 2,5 (2,8); 4,0 (по условию) (5,6); 6,3 м/с. Значения в скобках не являются предпочтительными. Значение фактической скорости движения кабины не должно отличаться от приведенных выше величин более чем на ±15%. Средняя величина ускорения (замедления) движения кабины лифта при нормальных режимах эксплуатации должна быть не более 1,5 м/с² - у больничного и 2 м/с² - у прочих лифтов. Точность остановки кабины на уровне посадочной (загрузочной) площадки должна быть в пределах ±20 мм у грузовых лифтов с загрузкой средствами напольного транспорта, а также у больничных лифтов и ±50 мм - у прочих лифтов. По условию точность остановки ±10мм.

Полезная площадь пола кабины зависит от ее вместимости. Исходя из полезной площади пола кабины и принципа свободного ее заполнения, определяют грузоподъемность лифта, принимая массу 1 человека равной 80 кг.

В лифтах со скоростью равной или больше 0,5 используют двухскоростные ЭД с отношением щ1 / щ2 = 1 : 4, 1 : 5.

4. Преимущества применения частотно-регулируемого электропривода

Преимущества метода частотного регулирования очевидны, так как основаны на простейшей зависимости частоты вращения ротора АД от частоты напряжения питания. В асинхронном электрическом двигателе частота вращения ротора в установившемся режиме отличается от частоты вращения на величину скольжения .Частота вращения магнитного поля зависит от частоты напряжения питания. При питании обмотки статора электрического двигателя трехфазным напряжением с частотой создается вращающееся магнитное поле. Скорость вращения этого поля определяется по известной формуле

= ,

где - число пар полюсов статора. Переход от скорости вращения поля , измеряемой в радианах, к частоте вращения , выраженной в оборотах в минуту, осуществляется по следующей формуле

= ,

Подставив в это уравнение скорость вращения поля, получим, что

= .

Изменяя с помощью преобразователя частоту на входе двигателя, мы регулируем частоту вращения ротора. При подключении через частотный преобразователь пуск двигателя происходит плавно, без пусковых токов и ударов, что снижает нагрузку на двигатель и механизмы, увеличивает срок их службы. Лифтовое хозяйство города - это отрасль с повышенной энергоёмкостью, поскольку ежегодный расход электроэнергии при эксплуатации лифтового оборудования составляет около 1 млрд киловатт-часов. В связи с этим, внедрение новейших энергосберегающих технологий при модернизации лифтового оборудования - актуальная задача. Систематический анализ информации строительных, монтажных и проектных организаций позволяет сделать вывод, что в качестве базисной программы по энергосбережению на лифтах необходимо рассматривать внедрение частотно-регулируемых электроприводов, главный элемент которых - частотный преобразователь.

Применение частотно-регулируемого электропривода подъемного устройства (лебедки) лифта значительно повышает комфортность при движении кабины, обеспечивает бесшумность и высокую точность остановки, увеличивает долговечность механического оборудования, а также позволяет снизить расход электроэнергии на 40-60%. Повышает комфортные показатели при движении кабины лифта и долговечность механического оборудования за счёт получения плавных переходных процессов. Снижает эксплуатационные расходы на капитальный ремонт оборудования за счёт значительного снижения динамических нагрузок в элементах кинематической цепи. Снижение потребления электроэнергии достигается благодаря значительному (в 5-6 раз) уменьшению вращающихся маховых масс лебёдки, что исключает непроизводительные потери в переходных пуско-тормозных режимах: плавные переходные процессы позволяют снизить динамические нагрузки в элементах кинематической цепи привода лифта, что приводит к увеличению срока службы редуктора главного привода, канатоведущего шкива, тормозных колодок, электродвигателя, тяговых канатов, элементов подвески противовеса. При опытном расчёте экономической эффективности использования преобразователей частоты в лифтовом хозяйстве получили, что среднее машинное время работы лифта-6,8ч в сутки или 2482ч в год. Если среднее число пусков в час - 108, то потребляемая электроэнергия при нерегулируемом приводе 28,5 кВт/ч в сутки или 10402 кВт/ч в год, а при частотно-регулируемом приводе - 12 кВт/ч в сутки или 4380 кВт/ч в год. Экономия электроэнергии - 16,3 кВт/ч в сутки или 5930 кВт/ч в год. Среднегодовая экономия электроэнергии на каждом лифте с частотно-регулируемым электроприводом составляет более 6000 кВт/ч. В мировой практике регулируемый электропривод признан одной из наиболее эффективных энерго-ресурсо-сберегающих, экологически чистых технологий. Преобразователи частоты находят всё более широкое применение в лифтовой отрасли Украины. Местные производители лифтов активно внедряют частотные преобразователи в производимые ими лифты. На протяжении последних 10 -15 лет в мире наблюдается широкое и успешное внедрение частотно регулируемого электропривода для решения различных технологических задач во многие отрасли экономики. Это объясняется в первую очередь разработкой и созданием преобразователей частоты на принципиально новой элементной базе, главным образом на биполярных транзисторах с изолированным затвором IGBT.

5. Расчёт мощности и выбор электродвигателя привода лифта.

По условию рассматриваем скоростной лифт, тн = 1000 кг, т0 = 1300 кг,

ш = 0,38 , скорость подъема 4 м/сек, кинематическая схема приведена на рис.5.1. Рассчитаем мощность ЭД, выберем тип и проверим по перегрузочной способности. ш - коэффициент уравновешивания (для пассажирских лифтов ш = 0,35 - 0,4). б - отражает ухудшение охлаждения ЭД при разгоне, торможении (принимается - 0,75). в - учитывает ухудшение охлаждения ЭД в период пауз (принимается - 0,5)

РЕШЕНИЕ:

1. Сила веса при подъеме кабины с пассажирами:

Q_ГР = (тн + т0 + ткр)g = mн(1 - ш)g = 1000(1 - 0,38)9,81=6082,2 н

2. Сила веса при опускании пустой кабины:

Q₀ = ш mн g=0,38 • 1000 • 9,81 =3727,8 н

3. Сопротивление движению от трения в башмаках кабины:

Q₂ = м?т•g = м(mн + т0)g = 0,05(1000 + 1300) •9,81 = 1128,2 н.

м- коэффициент сопротивления движению=0,05

? Т - силы давления башмаков на направляющие.

g- ускорение свободного падения = 9,81

4. Сопротивление перемещению каната в направляющем шкиве:

в - угол обхвата шкива канатом,

F=Qгр - наибольшая сила натяжения на шкиве, н.

5. Сопротивление перемещению каната на отводящем шкиве:

(к= 0,04- для блоков на подшипниках скольжения;к= 0,02 - для блоков на подш. качения.)

6. Наибольшее усилие на направляющем шкиве:

F = QГР + Q2 + Q3 + Q4 = 6082,2 + 1128,2 + 155,6 + 121,6 = 7487,6 н

7. Расчетная мощность ЭД

V - скорость перемещения, 4 м/сек.

к_р =0,9 - коэффициент использования ЭД по мощности;

зр=0,94 - КПД редуктора (лебедки) лифта;

Стандартный ПВ лифта равен 40%. ЭД выбирают из серии МАП. Серия электродвигателей переменного тока динамических режимов серии МАП охватывает диапазон мощностей от 1 до 100 кВт. Корпус, щиты, валы и другие элементы конструкции двигателей имеют повышенную прочность и рассчитаны на восприятие значительных перегрузок при пусках, торможениях и внешних ударных воздействиях с ускорением до 300 м/сІ. Конструкция подшипников узлов и других вращающихся элементов обеспечивают высокую долговечность при большой частоте пусков и нагрузках, меняющихся как по величине, так и по знаку. Выбираем двухскоростной электродвигатель с двумя отдельными обмотками.

8. Пересчитываем расчетную мощность на ПВ 25%

Средний пусковой момент двигателя должен удовлетворять условиям

М_{пуск. ср.} ? к Ммакс.ст.

к = 2 - коэффициент кратковременной перегрузки ЭД лифта

i - передаточное число редуктора выбираем равным 38,

скорость вращения направляющего шкива.

11. Находим номинальный момент двигателя

Мпуск. ср. ? 2 Ммакс.ст. ; 531,8 > 2 • 220,1 н.м. ; 531,8 > 440,2 н.м.