Как лифт вырабатывает электричество при спуске и подъёме

Лифт не всегда потребляет электричество. В определённых режимах его электродвигатель начинает работать как генератор: движение кабины и противовеса вращает приводной механизм, а возникающая энергия возвращается во внутреннюю сеть здания.

Так происходит при спуске тяжело загруженной кабины и при подъёме пустой. В обоих случаях одну сторону системы вниз тянет сила тяжести, поэтому двигателю приходится не разгонять лифт, а сдерживать его движение.

Как противовес помогает двигателю

В канатном лифте кабина и противовес соединены тросами или армированными ремнями, перекинутыми через приводной шкив. Когда кабина движется вверх, противовес опускается, и наоборот.

Масса противовеса обычно равна массе пустой кабины плюс 40-50 % её номинальной грузоподъёмности. Благодаря этому двигатель перемещает не всю массу кабины, а в основном компенсирует разницу между двумя сторонами системы.

Если кабина заполнена примерно наполовину, её масса близка к массе противовеса. При полной загрузке кабина становится тяжелее. Пустая кабина, напротив, значительно легче противовеса.

Именно эта разница определяет направление потока энергии. Полностью загруженную кабину при подъёме тянет двигатель. Но если она движется вниз, сила тяжести сама вращает приводной шкив. При подъёме пустой кабины похожую работу выполняет опускающийся противовес.

Когда двигатель становится генератором

Электродвигатель способен работать в двух направлениях преобразования энергии. В обычном режиме электрический ток создаёт магнитное поле, которое вращает ротор и приводит лифт в движение. В генераторном режиме всё происходит наоборот: внешняя сила вращает ротор, а двигатель вырабатывает электричество.

Когда тяжёлая кабина опускается, она тянет тросы и вращает приводной шкив. Без сопротивления такая система начала бы ускоряться. Поэтому двигатель создаёт момент, направленный против движения, и удерживает заданную скорость.

Торможение при этом происходит не только механически. Вращающийся двигатель преобразует потенциальную энергию опускающейся массы в электрическую. Отдельный генератор лифту не требуется.

При подъёме пустой кабины источником энергии становится противовес. Он тяжелее кабины и движется вниз под действием силы тяжести, вращая тот же приводной механизм. Направление движения кабины меняется, но двигатель снова работает генератором.

Кратковременная генерация возможна и перед остановкой. Во время замедления двигатель забирает кинетическую энергию у кабины, противовеса, шкива и собственного ротора.

Как электричество возвращается в сеть

Между двигателем и электросетью находится частотный преобразователь. Он регулирует скорость, направление вращения и тяговое усилие двигателя.

При обычном движении энергия поступает из сети в преобразователь, а затем передаётся двигателю. В генераторном режиме поток разворачивается: двигатель отдаёт электричество преобразователю.

Сначала энергия попадает в промежуточную цепь постоянного тока. Затем двунаправленный сетевой преобразователь формирует из неё переменный ток, согласованный с сетью здания по напряжению, частоте и фазе. После фильтрации электричество поступает на общую распределительную линию.

Эту энергию сразу могут использовать освещение, вентиляция, насосы, серверы или другие лифты. Если один лифт опускает тяжёлую кабину, а соседний в тот же момент поднимает пассажиров, часть энергии фактически переходит от одного привода к другому.

Обычно речь идёт не о продаже электричества внешней энергосистеме. Рекуперация прежде всего уменьшает количество энергии, которое здание получает из городской сети.

Что происходит без рекуперации

Обычный частотный преобразователь часто способен передавать энергию только от сети к двигателю. Когда двигатель переходит в генераторный режим, вернуть электричество обратно через такой преобразователь нельзя.

Чтобы напряжение внутри оборудования не превысило допустимый уровень, энергия направляется в тормозной резистор. Он превращает электричество в тепло и рассеивает его в машинном помещении или шкафу управления.

Рекуперативный привод использует эту же энергию иначе. Вместо нагрева резистора она возвращается в электрическую систему здания. Это не только уменьшает потребление, но и снижает выделение тепла рядом с лифтовым оборудованием.

Сколько энергии можно вернуть

Количество доступной энергии зависит от разницы масс и высоты движения. В упрощённом виде её можно определить по формуле:

E = Δm x g x h, где Δm — разница между массой кабины и противовеса, g — ускорение свободного падения, а h — пройденная высота.

Допустим, лифт рассчитан на 1000 килограммов, а противовес уравновешивает пустую кабину и 45 % номинальной нагрузки. При спуске полностью загруженной кабины разница масс составит около 550 килограммов.

За 30 метров движения высвободится примерно 0,045 киловатт-часа потенциальной энергии. Вернуть удастся меньше: часть потеряется из-за трения, нагрева двигателя и работы силовой электроники.

За одну поездку экономия невелика. Однако в высоком здании лифт может ежедневно выполнять сотни рейсов. Чем больше высота, грузоподъёмность и интенсивность движения, тем заметнее становится суммарный результат.

Энергия не возникает из ничего

Лифт возвращает энергию, которая ранее была затрачена на подъём кабины, пассажиров или противовеса. При последующем движении вниз накопленная потенциальная энергия высвобождается под действием силы тяжести.

Тяжёлая кабина генерирует электричество при спуске, а пустая — при подъёме, когда вниз движется противовес. Двигатель в этих режимах удерживает заданную скорость и одновременно работает генератором.

Без рекуперативного привода полученная энергия превратилась бы в тепло на тормозном резисторе. Двунаправленный преобразователь позволяет вернуть её в сеть здания и сразу использовать повторно.