Động cơ thang máy làm gì và tại sao sự lựa chọn lại quan trọng

Động cơ thang máy là trái tim của bất kỳ hệ thống thang máy nào - nó là cỗ máy chuyển đổi năng lượng điện thành mô-men xoắn cơ học cần thiết để di chuyển cabin thang máy, hành khách và đối trọng của nó lên xuống vận thăng. Mọi thông số về chất lượng chuyến đi mà hành khách nhận thấy — độ êm ái khi tăng tốc, độ chính xác thăng bằng, sự thoải mái khi dừng và độ ồn — đều được xác định trực tiếp bởi hiệu suất của động cơ dẫn động thang máy và hệ thống điều khiển liên quan của nó. Động cơ được chỉ định kém hoặc bị mòn sẽ tạo ra hiện tượng khởi động giật, san bằng sàn không chính xác và tiếng ồn cơ học làm xói mòn sự tin cậy của người dùng khi lắp đặt và làm tăng tốc độ mòn của dây thừng, thanh dẫn hướng và các bộ phận phanh.

Đối với chủ sở hữu tòa nhà, người quản lý cơ sở và kỹ sư thang máy, quyết định lựa chọn động cơ mang lại những hậu quả vượt xa chi phí lắp đặt ban đầu. Động cơ tời thang máy là thiết bị tiêu thụ năng lượng điện lớn nhất trong hệ thống thang máy của tòa nhà trung tầng điển hình và sự khác biệt về hiệu quả năng lượng giữa các công nghệ động cơ có thể dẫn đến chi phí vận hành hàng nghìn đô la mỗi năm khi lắp đặt nhiều thang máy. Loại động cơ cũng xác định các yêu cầu về phòng máy — hoặc liệu có cần phòng máy hay không — khoảng thời gian bảo trì, mức độ tiếng ồn và độ rung truyền đến cấu trúc tòa nhà cũng như khả năng dễ dàng hiện đại hóa trong tương lai khi công nghệ truyền động phát triển.

Ngành công nghiệp thang máy đã trải qua quá trình chuyển đổi công nghệ đáng kể trong ba thập kỷ qua, chuyển từ truyền động động cơ cảm ứng chủ yếu sang hệ thống động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu không hộp số (PMSM) với bộ truyền động tần số thay đổi (VFD). Hiểu đầy đủ các công nghệ động cơ thang máy hiện có - nguyên tắc vận hành, đặc tính hiệu suất, điểm mạnh và hạn chế - là điều cần thiết để đưa ra quyết định sáng suốt về lắp đặt mới, dự án hiện đại hóa và chiến lược bảo trì.

Động cơ thang máy có hộp số và không hộp số: Sự phân chia cơ bản

Cách phân loại cơ bản nhất trong động cơ thang máy Công nghệ chia hệ thống truyền động thành cấu hình có hộp số và không hộp số. Sự khác biệt này ảnh hưởng đến hầu hết mọi khía cạnh của việc lắp đặt: kích thước phòng máy, độ ồn, mức tiêu thụ năng lượng, tốc độ kéo dây và các yêu cầu bảo trì.

Hệ thống truyền động thang máy có hộp số

Trong thang máy có hộp số, trục động cơ truyền động bánh răng trục vít hoặc bộ giảm tốc bánh răng xoắn ốc, làm giảm tốc độ quay cao của động cơ (thường là 900–1.500 vòng/phút đối với động cơ cảm ứng tiêu chuẩn) xuống tốc độ ròng rọc thấp (thường là 30–100 vòng/phút) cần thiết để dẫn động dây cẩu ở tốc độ dây chính xác. Tỷ số giảm tốc thường là 15:1 đến 40:1 đối với máy bánh răng trục vít và 5:1 đến 12:1 đối với bộ bánh răng xoắn ốc. Cấu hình này cho phép một động cơ cảm ứng tương đối nhỏ, tốc độ tiêu chuẩn phát triển đủ mô-men xoắn tại puly cáp thông qua lợi thế cơ học từ tỷ số truyền. Động cơ thang máy có hộp số chủ yếu là động cơ cảm ứng AC hoặc DC, có công suất từ ​​5 kW cho thang máy dân dụng nhỏ đến 75 kW cho thang máy thương mại tầm trung với tốc độ dây lên tới 2,5 m/s. Ưu điểm chính của bộ truyền động hộp số là chi phí ban đầu thấp hơn, sử dụng các bộ phận động cơ tiêu chuẩn có sẵn rộng rãi và khả năng tương thích với nguồn điện ba pha tiêu chuẩn của tòa nhà mà không cần bộ biến tần chuyên dụng trong hệ thống lắp đặt AC hai tốc độ cũ.

Những nhược điểm của máy giảm tốc là rất lớn và giải thích tại sao công nghệ này ngày càng giảm sút khi lắp đặt mới. Bộ bánh răng trục vít gây ra tổn thất cơ học từ 30–50% (bánh răng trục vít vốn không hiệu quả), nghĩa là động cơ thang máy có hộp số phải lớn hơn đáng kể so với động cơ không hộp số tương đương để cung cấp cùng một công suất chuyển động cho ô tô. Dầu bánh răng cần được giám sát và thay thế định kỳ (thường là 3–5 năm một lần) và bề mặt mòn của bánh răng trục vít tạo ra nhiệt và tiếng ồn tăng theo thời gian khi lưới bánh răng xuống cấp. Máy giảm tốc cũng có tốc độ dây hạn chế - hầu hết đều không kinh tế trên 2,5 m/s - và chúng thường yêu cầu một phòng máy chuyên dụng phía trên trục thang máy cho hộp số, động cơ và tủ điều khiển.

Động cơ thang máy không hộp số

Trong truyền động thang máy không hộp số, trục động cơ được ghép trực tiếp với puly dây - không có hộp số trung gian. Do đó, động cơ phải hoạt động ở tốc độ thấp chính xác mà puly yêu cầu (thường là 30–100 vòng/phút) trong khi phát triển mô-men xoắn rất cao trực tiếp tại trục. Cấu hình truyền động trực tiếp này giúp loại bỏ tất cả các tổn thất cơ học, tiếng ồn và bảo trì liên quan đến bánh răng, đồng thời đó là lý do tại sao động cơ thang máy không hộp số hiện đại đạt được hiệu suất hệ thống tổng thể là 75–90% so với 45–60% của các động cơ có hộp số tương đương. Máy không hộp số được sử dụng cho tốc độ dây trên 1,0 m/s trong các ứng dụng ở tầng trung và tầng cao và hiện nay cũng được triển khai rộng rãi trong thang máy tầng thấp và tầng trung không có phòng máy (MRL), trong đó gói động cơ nhỏ gọn được lắp đặt trực tiếp trong vận thăng hoặc trên thành trục, loại bỏ hoàn toàn phòng máy. Thiết kế không hộp số yêu cầu động cơ mô-men xoắn cao, tốc độ thấp được chế tạo có mục đích (thường là máy đồng bộ nam châm vĩnh cửu) hoặc động cơ cảm ứng tốc độ thấp được thiết kế đặc biệt - không thể sử dụng động cơ danh mục tiêu chuẩn mà không có hộp số vì chúng quay sai tốc độ.

Các loại động cơ thang máy: Phân tích chi tiết

Trong các loại có hộp số và không hộp số, một số công nghệ động cơ riêng biệt được sử dụng trong các ứng dụng thang máy, mỗi loại có đặc tính hiệu suất cụ thể, cấu hình hiệu quả và tính phù hợp của ứng dụng.

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) - Tiêu chuẩn hiện đại

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu đã trở thành công nghệ vượt trội cho việc lắp đặt thang máy mới trên toàn thế giới, được sử dụng trong phần lớn các bộ truyền động thang máy không hộp số MRL và phòng máy. Trong PMSM, rôto mang nam châm vĩnh cửu (thường là neodymium-iron-boron, NdFeB) tạo ra từ trường không đổi mà không cần dòng điện cuộn dây rôto, loại bỏ tổn thất đồng rôto và cải thiện đáng kể hiệu suất. Stator được cung cấp nguồn điện xoay chiều có tần số, điện áp thay đổi từ bộ biến tần dẫn động thang máy chuyên dụng (VFD), điều khiển chính xác tốc độ và vị trí rôto bằng phản hồi bộ mã hóa. Động cơ thang máy PMSM đạt hiệu suất năng lượng 92–96% ở mức tải định mức - cao hơn đáng kể so với bất kỳ động cơ cảm ứng nào thay thế. Chúng nhỏ gọn và nhẹ nhờ mô-men xoắn đầu ra (mật độ công suất cao hơn 2–4× so với động cơ cảm ứng tương đương), vận hành êm ái và cho phép điều khiển tốc độ và vị trí cực kỳ chính xác để khởi động, dừng trơn tru và cân bằng sàn chính xác trong khoảng ±1–2 mm. Hạn chế chính của động cơ thang máy PMSM là sự phụ thuộc của chúng vào nam châm đất hiếm, điều này làm tăng thêm chi phí và tạo ra những cân nhắc về chuỗi cung ứng cũng như yêu cầu của chúng về bộ truyền động biến tần tương thích - chúng không thể chạy trực tiếp từ nguồn cung cấp mà không có VFD.

Động cơ cảm ứng xoay chiều có bộ truyền động biến tần (VFD)

Động cơ cảm ứng xoay chiều ba pha được điều khiển bằng bộ truyền động tần số thay đổi đại diện cho giải pháp thay thế nâng cấp hiện đại cho bộ truyền động động cơ cảm ứng tốc độ cố định cũ hơn trong các ứng dụng thang máy có hộp số và cũng được sử dụng trong một số cấu hình không hộp số. VFD điều chỉnh tần số và điện áp cung cấp cho động cơ để kiểm soát tốc độ của nó liên tục, cho phép cấu hình tăng tốc mượt mà và điều khiển tốc độ chính xác mà không lãng phí năng lượng do hệ thống điều khiển tốc độ máy phát điện hoặc máy phát động cơ sử dụng trong các hệ thống lắp đặt cũ. Động cơ thang máy cảm ứng AC với VFD đạt được tổng hiệu suất hệ thống từ 65–80% khi lắp đặt hộp số và lên đến 85% trong cấu hình không hộp số được tối ưu hóa — tốt hơn đáng kể so với hệ thống AC hoặc Ward-Leonard DC hai tốc độ mà chúng đã thay thế. Ưu điểm chính của chúng so với PMSM là chi phí động cơ thấp hơn, không phụ thuộc vào nam châm đất hiếm và khả năng trang bị thêm các hệ thống lắp đặt hiện có dễ dàng hơn vì khung động cơ tiêu chuẩn và cấu hình cuộn dây có sẵn từ nhiều nhà sản xuất mà không yêu cầu chuỗi cung ứng nam châm chuyên dụng của PMSM.

Động cơ thang máy DC (Điều khiển Ward-Leonard và Thyristor)

Động cơ DC được điều khiển bởi bộ máy phát điện động cơ Ward-Leonard hoặc sau này là bằng bộ điều khiển chỉnh lưu thyristor (SCR) đã thống trị hệ thống lắp đặt thang máy hiệu suất cao từ những năm 1930 đến những năm 1990. Động cơ thang máy dòng DC hoặc động cơ cuộn dây kép cung cấp mô-men xoắn tốc độ thấp tuyệt vời, khả năng kiểm soát tốc độ mượt mà và các đặc tính phanh động cần thiết cho thang máy tốc độ cao, cao tầng trước khi công nghệ AC VFD đủ trưởng thành để phù hợp với hiệu suất của chúng. Nhiều hệ thống thang máy thương mại cao cấp và cao tầng cũ vẫn sử dụng hệ thống truyền động DC được lắp đặt từ những năm 1970-1990 và tiếp tục hoạt động đáng tin cậy. Động cơ thang máy DC không còn được chỉ định để lắp đặt mới vì hệ thống AC VFD và PMSM đã phù hợp hoặc vượt quá hiệu suất của chúng với chi phí thấp hơn, hiệu suất cao hơn và yêu cầu bảo trì thấp hơn đáng kể (Động cơ DC yêu cầu bảo dưỡng chổi than và cổ góp định kỳ mà động cơ AC loại bỏ hoàn toàn). Nền tảng được lắp đặt của động cơ thang máy DC mang đến cơ hội hiện đại hóa lớn cho các chủ sở hữu tòa nhà đang tìm cách tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu việc bảo trì.

Bộ truyền động thang máy động cơ cảm ứng tuyến tính (LIM)

Hệ thống thang máy sử dụng động cơ cảm ứng tuyến tính loại bỏ hoàn toàn dây thừng và ròng rọc, sử dụng một stato phẳng gắn trong vận thăng và một ray phản lực gắn vào cabin thang máy để tạo ra lực đẩy tuyến tính trực tiếp mà không cần bất kỳ bộ phận quay nào. Thang máy LIM được sử dụng trong các ứng dụng cụ thể — đáng chú ý nhất là một số tháp quan sát, khu vui chơi giải trí và hệ thống vận chuyển thẳng đứng thử nghiệm — nơi việc không có dây thừng và đối trọng giúp đơn giản hóa cấu trúc vận thăng. Tuy nhiên, thang máy LIM chưa đạt được sự áp dụng thương mại rộng rãi trong các ứng dụng thang máy của tòa nhà tiêu chuẩn do hiệu suất thấp hơn so với hệ thống kéo dây và sự phức tạp của việc lắp đặt thanh dẫn điện trong vận thăng. Chúng vẫn là một công nghệ thích hợp với những lợi thế cụ thể trong những bối cảnh kiến ​​trúc nhất định.

Đơn vị điện thang máy thủy lực

Thang máy thủy lực sử dụng động cơ điện để dẫn động một máy bơm thủy lực tạo áp suất cho chất lỏng để kéo dài hoặc rút piston, di chuyển cabin thang máy. Động cơ trong bộ nguồn thang máy thủy lực thường là động cơ cảm ứng xoay chiều ba pha chạy ở tốc độ không đổi (1.450 hoặc 1.500 vòng/phút ở 50 Hz), dẫn động bơm thủy lực chuyển vị cố định hoặc thay đổi. Kích thước động cơ dao động từ 5 kW cho thang máy gia đình nhỏ đến 45 kW cho thang máy thủy lực thương mại hạng nặng. Bộ truyền động thang máy thủy lực bị giới hạn ở độ cao thấp (thường là 2–6 tầng), tốc độ thấp (lên tới 0,63 m/s) và rất kém hiệu quả về năng lượng so với hệ thống thang máy kéo - động cơ chạy ở tốc độ tối đa ngay cả khi đi xuống, với năng lượng tiêu tán dưới dạng nhiệt trong chất lỏng thủy lực thay vì được thu hồi. Các bộ nguồn thủy lực có tốc độ thay đổi hiện đại với dung tích bơm được điều khiển bằng điện tử đã cải thiện hiệu suất và chất lượng vận hành so với các hệ thống tốc độ cố định cũ, nhưng thang máy thủy lực về cơ bản vẫn kém hiệu quả hơn so với các giải pháp thay thế lực kéo và đang giảm dần trong các lắp đặt mới ngoại trừ các ứng dụng thấp tầng cụ thể trong đó việc bố trí phòng máy bên dưới thang máy có lợi thế về mặt kiến ​​trúc.

Thông số kỹ thuật chính của động cơ tời thang máy

Khi chỉ định hoặc đánh giá động cơ thang máy, một bộ thông số kỹ thuật chính sẽ xác định tính phù hợp của nó đối với một ứng dụng nhất định. Hiểu các thông số kỹ thuật này là điều cần thiết để so sánh chính xác giữa các sản phẩm và đảm bảo động cơ được chọn đáp ứng cả nhu cầu ứng dụng và yêu cầu quy định.

Động cơ thang máy ít phòng máy (MRL): Thiết kế nhỏ gọn đã thay đổi ngành công nghiệp như thế nào

Sự ra đời của công nghệ thang máy không phòng máy vào giữa những năm 1990 - nhờ sự phát triển của động cơ thang máy PMSM không hộp số nhỏ gọn, mô-men xoắn cao - đã thay đổi căn bản phương pháp lắp đặt thang máy và thiết kế tòa nhà. Trước hệ thống MRL, mỗi lần lắp đặt thang máy kéo đều cần có một phòng máy chuyên dụng, thường nằm ngay phía trên trục thang máy, chứa máy kéo, bảng điều khiển và bộ điều tốc. Phòng máy này chiếm diện tích bất động sản có giá trị (thường là 10–20 m2 mỗi thang máy), cần có kết cấu hỗ trợ có khả năng chịu trọng lượng của động cơ và máy móc, đồng thời áp đặt các hạn chế về chiều cao trần đối với tầng trên cùng của tòa nhà.

Động cơ thang máy MRL được thiết kế đặc biệt để lắp đặt trong vận thăng - trên thành bên của trục ở đầu cầu thang trên cùng, ở mặt dưới của trần trục hoặc trong cấu trúc nông phía trên - không có phòng máy riêng. Điều này có thể thực hiện được vì động cơ không hộp số PMSM hiện đại có hình dạng bánh hoặc đĩa rất phẳng (chiều dài trục thường nhỏ hơn 300–400 mm ngay cả đối với máy 15–20 kW) và tốc độ vận hành thấp (30–80 vòng/phút) giúp loại bỏ nhu cầu về hộp số lớn, nặng vốn mang lại kích thước lớn cho các máy truyền thống. Động cơ và hệ thống điều khiển được tích hợp thành các bộ phận nhỏ gọn có thể được lắp đặt bởi thợ cơ khí thang máy tiêu chuẩn mà không cần thiết bị cầu trục chuyên dụng trong hầu hết các trường hợp.

Lợi ích của việc lắp đặt thang máy MRL là rất đáng kể: loại bỏ phòng máy giúp tiết kiệm 10–20 m2 diện tích sàn sử dụng thực trên mỗi thang máy (có giá trị cao trong các tòa nhà thương mại và dân cư đô thị), giảm chi phí kết cấu bằng cách loại bỏ nhu cầu sàn phòng máy có khả năng chịu tải của dầm cầu trục và gói động cơ nhỏ gọn với bộ truyền động VFD và thu hồi năng lượng có thể giảm mức tiêu thụ năng lượng từ 40–70% so với các hệ thống AC hoặc Ward-Leonard DC hộp số cũ mà chúng thay thế trong các dự án hiện đại hóa. Ngày nay, thang máy MRL chạy bằng động cơ PMSM không hộp số nhỏ gọn chiếm phần lớn việc lắp đặt thang máy mới trong các tòa nhà có chiều cao lên tới khoảng 10–15 tầng và công nghệ của chúng đã được mở rộng dần lên để phục vụ các tòa nhà cao hơn khi mật độ công suất động cơ tiếp tục được cải thiện.

Hiệu quả năng lượng và truyền động tái sinh trong hệ thống động cơ thang máy

Động cơ thang máy là một trong những thiết bị tải điện lớn nhất trong các tòa nhà nhiều tầng và mức tiêu thụ năng lượng trong hệ thống thang máy ngày càng nhận được sự chú ý khi các quy định về năng lượng của tòa nhà được thắt chặt và chi phí điện thương mại tăng lên. Hiểu được hiệu suất năng lượng của các cấu hình động cơ và truyền động thang máy khác nhau giúp chủ sở hữu tòa nhà đưa ra quyết định sáng suốt về việc lắp đặt mới và đầu tư hiện đại hóa.

Động cơ thang máy tiêu thụ và phục hồi năng lượng như thế nào

Động cơ thang máy hoạt động như một động cơ trong một số giai đoạn vận hành và như một máy phát điện trong các giai đoạn khác, tùy thuộc vào hướng di chuyển của ô tô và trọng lượng tương đối của ô tô cộng với hành khách so với đối trọng. Khi thang máy di chuyển theo hướng phía nặng hơn (ví dụ: ô tô có tải đi lên hoặc ô tô trống đi xuống), động cơ truyền động sẽ tiêu thụ điện năng từ lưới điện. Khi thang máy di chuyển ngược lại phía nặng hơn (một ô tô trống đi lên đối diện với một đối trọng nặng hoặc một ô tô có tải đang đi xuống), về cơ bản, động cơ được dẫn động bởi tải - nó hoạt động như một máy phát điện, tạo ra năng lượng điện. Trong bộ truyền động không tái tạo thông thường, năng lượng được tạo ra này sẽ bị tiêu tán dưới dạng nhiệt trong các điện trở hãm. Trong bộ truyền động tái tạo (còn gọi là bộ truyền động đầu cuối chủ động hoặc bộ truyền động phục hồi năng lượng), năng lượng được tạo ra này sẽ được đưa trở lại hệ thống phân phối điện của tòa nhà để các tải khác sử dụng - một quá trình được gọi là hãm tái sinh hoặc thu hồi năng lượng.

Tiết kiệm năng lượng từ bộ truyền động thang máy tái tạo

Bộ truyền động thang máy tái tạo kết hợp với động cơ PMSM hiệu suất cao thể hiện công nghệ tiên tiến về hiệu suất năng lượng của thang máy. Năng lượng được phục hồi trong các giai đoạn phanh tái tạo - có thể chiếm 20–35% tổng năng lượng đầu vào của động cơ trong một chu kỳ làm việc thông thường - sẽ được đưa trở lại lưới điện của tòa nhà thay vì lãng phí dưới dạng nhiệt. Kết hợp với hiệu suất cơ bản cao hơn của động cơ PMSM (92–96%) so với động cơ cảm ứng hộp số cũ (tổng hệ thống 45–60%), việc trang bị thêm bộ truyền động tái tạo PMSM đầy đủ có thể giảm mức tiêu thụ năng lượng của thang máy xuống 60–75% trong các tòa nhà có hệ thống hai tốc độ thủy lực hoặc AC hướng dẫn cũ hơn. Đối với một tòa nhà trung tầng điển hình có 2–4 thang máy, điều này có thể giúp tiết kiệm điện hàng năm khoảng 10.000–30.000 kWh cho mỗi thang máy, giúp giảm đáng kể chi phí vận hành theo biểu giá điện thương mại hiện hành. Các tiêu chuẩn kiểm tra mức tiêu thụ năng lượng cho thang máy — bao gồm ISO 25745 (Toàn cầu) và VDI 4707 (tiêu chuẩn của Đức ảnh hưởng đến ISO 25745) — cung cấp một khuôn khổ tiêu chuẩn hóa để đo lường và so sánh mức tiêu thụ năng lượng của thang máy giữa các sản phẩm và kiểu lắp đặt.

Tiêu thụ điện năng ở chế độ chờ và không tải

Một khía cạnh thường bị bỏ qua trong việc tiêu thụ năng lượng của động cơ thang máy là nguồn điện dự phòng - lượng điện tiêu thụ bởi hệ thống điều khiển thang máy, hệ thống chiếu sáng, thông gió và thiết bị điện tử truyền động khi thang máy không hoạt động (không hoạt động). Trong nhiều tòa nhà thương mại, thang máy thực sự không hoạt động trong 60–80% thời gian 24 giờ trong ngày, nghĩa là nguồn điện dự phòng có thể chiếm một phần đáng kể trong tổng mức tiêu thụ năng lượng của thang máy. Hệ thống điều khiển thang máy hiện đại với các chế độ ngủ, đèn LED chiếu sáng trong xe, hệ thống thông gió được kiểm soát theo nhu cầu và chế độ VFD dự phòng công suất thấp có thể giảm mức tiêu thụ điện năng ở chế độ chờ xuống mức thấp nhất là 50–100 W trên mỗi thang máy so với 200–600 W đối với các hệ thống cũ — một sự khác biệt tích lũy đáng kể trong suốt thời gian vận hành của thang máy.

Lựa chọn động cơ thang máy: Kết hợp bộ truyền động với ứng dụng

Việc lựa chọn động cơ thang máy phù hợp cho một ứng dụng tòa nhà cụ thể đòi hỏi một cách tiếp cận có hệ thống để đánh giá một số thông số phụ thuộc lẫn nhau. Thực hiện đúng điều này ở giai đoạn thiết kế sẽ ngăn ngừa cả tình trạng xác định chưa đầy đủ (hiệu suất không phù hợp, quá nhiệt, hao mòn sớm) và xác định quá mức (lãng phí chi phí vốn, hiệu suất tải từng phần kém).

Tính công suất động cơ cần thiết

Công suất động cơ thang máy yêu cầu tối thiểu có thể được tính từ phương trình cơ bản: P = (Q × g × v) / (η_system × 1000), trong đó Q là tải trọng ròng (tải trọng định mức của ô tô trừ đi sự mất cân bằng đối trọng, tính bằng kg), g là gia tốc trọng trường (9,81 m/s²), v là tốc độ ô tô định mức (m/s) và η_system là tổng hiệu suất của hệ thống truyền động bao gồm động cơ, bộ biến tần truyền động và tổn thất do ma sát puly/dây. Đối trọng thường được đặt ở trọng lượng ô tô trống cộng với 40–50% tải trọng định mức, nghĩa là động cơ chỉ cần điều khiển sự mất cân bằng giữa ô tô cộng với tải trọng và đối trọng thay vì nâng toàn bộ trọng lượng. Đối với thang máy tải trọng định mức 1.000 kg ở tốc độ 1,6 m/s với độ mất cân bằng đối trọng 40% và tổng hiệu suất hệ thống là 85%, công suất động cơ cần thiết là khoảng (400 × 9,81 × 1,6) / (0,85 × 1000) ≈ 7,4 kW. Sau đó, một động cơ có công suất 10–11 kW sẽ được chọn để cung cấp kích thước danh mục tiêu chuẩn với mức công suất dự trữ 30–35% để tăng tốc, vận hành khẩn cấp và dự trữ nhiệt.

Danh mục tốc độ và loại ứng dụng

Thông số tốc độ ô tô là thông số quan trọng nhất để xác định công nghệ động cơ nào phù hợp. Theo hướng dẫn chung: đối với tốc độ lên tới 0,63 m/s (thang máy thương mại và dân dụng thấp tầng), truyền động thủy lực hoặc động cơ cảm ứng hộp số nhỏ có VFD là phổ biến; với tốc độ 0,63–2,5 m/s (khu dân cư và thương mại tầm trung), hệ thống PMSM MRL không hộp số chiếm ưu thế trên thị trường; với tốc độ 2,5–10 m/s (các tòa nhà thương mại và khu phức hợp cao tầng), các máy PMSM không hộp số lớn hơn trong các phòng máy thông thường hoặc phòng máy áp mái là tiêu chuẩn; trên 10 m/s (tòa nhà siêu cao), cần phải có máy không hộp số tốc độ cao được thiết kế chuyên dụng từ các nhà sản xuất chuyên dụng (Otis, KONE, Schindler, Mitsubishi), thường có cấu hình dây tùy chỉnh, tính năng chống địa chấn và hệ thống giảm tiếng ồn chủ động.

Yêu cầu về cường độ giao thông và chu kỳ nhiệm vụ

Kích thước nhiệt của động cơ dẫn động thang máy phải tính đến cường độ giao thông dự kiến - tần suất thang máy khởi động mỗi giờ và mô hình chu kỳ bật/tắt sẽ như thế nào. Một thang máy dân dụng có tốc độ 15–30 lần khởi động mỗi giờ cần một động cơ có khối lượng nhiệt ít hơn đáng kể so với thang máy thương mại có lưu lượng truy cập cao trong một tòa nhà văn phòng trong giờ cao điểm buổi sáng có thể đạt tới 120–180 lần khởi động mỗi giờ. Phân loại chu trình làm việc theo tiêu chuẩn IEC 60034-1 — S3 (làm việc định kỳ không liên tục), S4 (làm việc định kỳ không liên tục khi khởi động) và S5 (làm việc định kỳ không liên tục khi khởi động và phanh điện) — là khung tiêu chuẩn để xác định các yêu cầu về nhiệt của động cơ thang máy. Giảm kích thước lớp nhiệt là một trong những nguyên nhân phổ biến nhất gây ra hỏng cuộn dây động cơ thang máy sớm trong các hệ thống lắp đặt có mật độ giao thông lớn.

Hệ thống an toàn tích hợp với động cơ thang máy

Động cơ thang máy không hoạt động độc lập - nó được tích hợp với một bộ hệ thống an toàn bắt buộc nhằm giám sát, kiểm soát và giới hạn hoạt động của nó để đảm bảo an toàn cho hành khách mọi lúc. Hiểu các giao diện an toàn này là điều cần thiết đối với cả nhân viên bảo trì và kỹ sư hiện đại hóa.

• Phanh cơ điện: Tất cả các động cơ thang máy kéo đều được trang bị phanh điện từ dùng lò xo, nhả điện, tự động kích hoạt khi mất điện - dù là cố ý khi hạ cánh hay do mất điện, gián đoạn mạch an toàn hoặc do tình trạng lỗi. Phanh phải giữ cho ô tô chở đầy tải đứng yên trên bất kỳ đoạn đường nghiêng nào mà không bị trượt và phải có khả năng dừng ô tô chạy quá tốc độ kết hợp với bộ điều tốc và hệ thống bánh răng an toàn. EN 81-20 (tiêu chuẩn Châu Âu) và ASME A17.1 (tiêu chuẩn Bắc Mỹ) chỉ định mô men xoắn giữ phanh tối thiểu và yêu cầu mạch phanh dự phòng khi lắp đặt mới. Giám sát tình trạng phanh - đo dòng nhả phanh, thời gian nhả và độ mòn của đĩa - ngày càng được tích hợp vào bộ điều khiển truyền động hiện đại như một công cụ bảo trì dự đoán.
• Giám sát tốc độ và bộ mã hóa: Bộ mã hóa động cơ thang máy cung cấp phản hồi tốc độ liên tục cho bộ điều khiển truyền động, so sánh tốc độ thực tế với tốc độ cho phép trong suốt hành trình. Nếu vượt quá ngưỡng vượt tốc độ của ô tô - thường là 115–125% tốc độ định mức - bộ điều khiển truyền động sẽ bắt đầu trình tự dừng khẩn cấp. Bộ điều tốc ly tâm cơ học được kết nối với cabin thông qua dây điều tốc cung cấp hệ thống phát hiện vượt tốc độc lập thứ cấp, kích hoạt bộ phận an toàn của ô tô (loại lũy tiến hoặc tức thời) để kẹp các ray dẫn hướng và đưa ô tô đến điểm dừng có kiểm soát độc lập với động cơ hoặc hệ thống truyền động.
• Chức năng tắt mô-men xoắn an toàn (STO) và truyền động an toàn: Bộ truyền động VFD của thang máy hiện đại kết hợp các chức năng truyền động an toàn IEC 61800-5-2, quan trọng nhất là Tắt mô-men xoắn an toàn (STO), giúp loại bỏ điện áp tạo mô-men xoắn khỏi cuộn dây động cơ mà không tắt toàn bộ bộ truyền động - loại bỏ nguy cơ khởi động lại động cơ bất ngờ sau khi dừng khẩn cấp trong khi bộ truyền động vẫn ở trạng thái an toàn được giám sát. Các chức năng an toàn cấp cao hơn bao gồm Dừng an toàn 1 (SS1) và giám sát Tốc độ an toàn (SMS) ngày càng được EN 81-20 yêu cầu cho các cài đặt mới và được triển khai trong bộ xử lý an toàn của biến tần mà không cần rơle an toàn bên ngoài.
• Bảo vệ nhiệt: Động cơ thang máy được trang bị nhiệt điện trở (cảm biến PTC) hoặc cảm biến nhiệt độ điện trở PT100 được gắn trong cuộn dây stato, liên tục theo dõi nhiệt độ cuộn dây và báo hiệu cho bộ điều khiển truyền động để giảm tải hoặc tắt nếu đạt đến giới hạn nhiệt. Việc bảo vệ này ngăn ngừa hư hỏng lớp cách điện do tình trạng quá tải kéo dài - ví dụ, một động cơ chạy vào ngày có lưu lượng giao thông cao trong đợt nắng nóng mùa hè trong phòng máy không có máy điều hòa. Một số động cơ thang máy PMSM hiện đại còn theo dõi nhiệt độ nam châm để bảo vệ khỏi hiện tượng khử từ ở nhiệt độ cao.
• Bảo vệ di chuyển xe ngoài ý muốn (UCM): EN 81-20 đưa ra yêu cầu về bảo vệ ô tô di chuyển ngoài ý muốn - một hệ thống phát hiện bất kỳ chuyển động nào của ô tô thang máy khỏi bến đỗ khi cửa mở và kích hoạt thiết bị dừng trong giới hạn thời gian và khoảng cách quy định. Bảo vệ UCM được triển khai bằng cách sử dụng bộ mã hóa động cơ để giám sát vị trí kết hợp với khóa liên động phần cứng trong hệ thống truyền động giúp ngăn lực kéo phát triển khi có tín hiệu cửa mở, với thiết bị hãm cơ học độc lập làm dự phòng.

Bảo trì động cơ thang máy: Cần kiểm tra những gì và tần suất như thế nào

Việc bảo trì phòng ngừa đúng cách cho động cơ kéo thang máy là điều cần thiết để vận hành an toàn, tuân thủ pháp luật và đạt được tuổi thọ thiết kế của động cơ là 25–40 năm đối với các máy PMSM hiện đại. Lịch bảo trì và nội dung kiểm tra thay đổi tùy theo loại động cơ, cường độ giao thông và các yêu cầu của quy định thang máy tại địa phương (thường yêu cầu kỹ sư thang máy được chứng nhận kiểm tra định kỳ bất kể chương trình bảo trì nội bộ của chủ sở hữu).

Kiểm tra định kỳ hàng tháng và hàng quý

Kiểm tra hàng tháng đối với động cơ thang máy PMSM không hộp số phải bao gồm việc lắng nghe tiếng ồn bất thường trong quá trình vận hành động cơ (tiếng ầm ầm, tiếng phanh hoặc rung cộng hưởng), xác minh rằng cụm động cơ và phanh không có dấu hiệu dầu hoặc hơi ẩm xâm nhập và kiểm tra màn hình hiển thị nhiệt độ động cơ hoặc nhật ký bộ điều khiển xem có bất kỳ hiện tượng nhiệt nào kể từ lần kiểm tra cuối cùng hay không. Kiểm tra hàng quý nên bao gồm kiểm tra trực quan tất cả các đầu cáp điện tại hộp nối động cơ xem có bị kín và có dấu hiệu quá nhiệt (đổi màu, nứt lớp cách điện), xác minh cài đặt khe hở phanh so với thông số kỹ thuật của nhà sản xuất bằng cách sử dụng đồng hồ đo cảm biến và kiểm tra dây thủ công tại puly để giảm đường kính dây, đứt dây hoặc nhiễm bẩn chất bôi trơn có thể làm tăng độ mài mòn của puly.

Nhiệm vụ bảo trì hàng năm

Việc bảo trì hàng năm động cơ thang máy không hộp số phải bao gồm kiểm tra điện trở cách điện của cuộn dây động cơ sử dụng megohm kế 500 V hoặc 1.000 V - điện trở cách điện tối thiểu có thể chấp nhận được là 1 MΩ trên 1 kV điện áp định mức, với các giá trị dưới 10 MΩ đảm bảo cần nghiên cứu thêm và có xu hướng. Tình trạng vòng bi phải được đánh giá bằng cách đo độ rung (sử dụng máy phân tích độ rung di động ở tấm chắn đầu động cơ) và so sánh với số đọc cơ bản được lấy khi vận hành thử hoặc thay thế vòng bi lần cuối. Nên thực hiện bôi trơn vòng bi - bôi trơn vòng bi động cơ theo thông số kỹ thuật của nhà sản xuất (thường là 15–25 g mỡ phức hợp lithium sau mỗi 2.000–4.000 giờ hoạt động) hoặc xác minh tình trạng vòng bi kín suốt đời. Đối với máy có hộp số, kiểm tra hàng năm bao gồm lấy mẫu dầu bánh răng để phân tích hạt kim loại (thử nghiệm bằng sắt để phát hiện độ mòn của bánh răng trước khi hỏng hóc), đo phản ứng ngược của bánh răng trục vít so với thông số kỹ thuật và kiểm tra tình trạng phốt vỏ hộp số.

Dấu hiệu cho thấy động cơ thang máy cần thay thế

Các dấu hiệu chính cho thấy động cơ kéo thang máy đã hết tuổi thọ sử dụng và cần được thay thế thay vì sửa chữa bao gồm: điện trở cách điện luôn dưới 1 MΩ mặc dù đã quấn lại hoặc xử lý (cho thấy hư hỏng do độ ẩm không thể khắc phục hoặc hư hỏng lớp cách điện), độ mòn lỗ khoan của vỏ ổ trục không thể khắc phục được nếu không thay vỏ, hiện tượng khử từ của nam châm rôto PMSM được biểu thị bằng việc mất hằng số mô-men xoắn động cơ và được xác nhận bằng thử nghiệm EMF ngược không tải, độ mòn rãnh puly vượt quá giới hạn mài mòn của nhà sản xuất (yêu cầu thay thế ròng rọc thường giúp việc thay thế toàn bộ máy trở nên tiết kiệm), hoặc một hệ thống điều khiển không còn được nhà sản xuất hỗ trợ và không có sẵn phụ tùng thay thế. Trong nhiều trường hợp, hiện đại hóa toàn bộ máy móc - thay thế trọn gói động cơ, bộ truyền động và hệ thống điều khiển - sẽ tiết kiệm hơn trong khoảng thời gian 15–20 năm so với việc sửa chữa một máy cũ và cập nhật riêng hệ thống điều khiển, đặc biệt là với khả năng tiết kiệm năng lượng có sẵn từ các bộ truyền động PMSM hiện đại.

So sánh các công nghệ động cơ thang máy chính cạnh nhau

Để các kỹ sư, chủ sở hữu tòa nhà và nhóm mua sắm đánh giá các lựa chọn động cơ thang máy, bảng so sánh này tóm tắt các yếu tố khác biệt chính giữa các công nghệ động cơ chính đang được sử dụng hiện nay.

Hiện đại hóa động cơ thang máy: Khi nào cần nâng cấp và những gì mong đợi

Quyết định hiện đại hóa hệ thống động cơ truyền động của thang máy - thay vì tiếp tục duy trì hệ thống lắp đặt hiện có - được thúc đẩy bởi sự kết hợp của nhiều yếu tố: chi phí bảo trì tăng, chất lượng vận hành giảm, hiệu suất năng lượng không đáp ứng yêu cầu chứng nhận tòa nhà hiện tại, phụ tùng thay thế lỗi thời và những thay đổi trong tiêu chuẩn an toàn yêu cầu nâng cấp tuân thủ. Hiểu rõ các phương án hiện đại hóa và kết quả có thể đạt được của chúng sẽ giúp chủ sở hữu tòa nhà đưa ra quyết định đầu tư sáng suốt.

• Hiện đại hóa chỉ ổ đĩa (điều khiển và thay thế biến tần): Thay thế bộ điều khiển thang máy và bộ biến tần truyền động trong khi vẫn giữ lại động cơ và máy hiện có là phương án hiện đại hóa ít gây gián đoạn nhất và chi phí thấp nhất, phù hợp khi động cơ và máy hoạt động tốt về mặt cơ học nhưng hệ thống điều khiển đã lỗi thời hoặc không đáng tin cậy. Cách tiếp cận này có thể cải thiện đáng kể chất lượng lái xe (bằng cách thay thế điều khiển công tắc tơ hai tốc độ bằng cấu hình tăng tốc VFD mượt mà) và có thể giảm mức tiêu thụ năng lượng từ 15–25%, nhưng mức tăng hiệu suất bị hạn chế nếu động cơ hiện tại là loại cảm ứng truyền động hiệu suất thấp.
• Hiện đại hóa toàn bộ máy và truyền động: Việc thay thế toàn bộ máy kéo (động cơ, phanh, puly) cùng với hệ thống truyền động và điều khiển mang lại hiệu suất, hiệu quả và cải thiện độ tin cậy tối đa. Đối với việc lắp đặt động cơ cảm ứng hộp số hiện có bằng phòng máy, việc thay thế bằng máy PMSM và bộ truyền động tái tạo thường giúp giảm 50–70% năng lượng, loại bỏ việc bảo trì dầu bánh răng, giảm tiếng ồn và mang lại tuổi thọ sử dụng bổ sung 25 năm. Chi phí của tùy chọn này rất khác nhau tùy theo kích thước máy và độ khó tiếp cận nhưng thường được phục hồi nhờ tiết kiệm năng lượng trong vòng 5–8 năm đối với các tòa nhà thương mại có cường độ giao thông cao.
• Chuyển đổi không có phòng máy: Một số dự án hiện đại hóa chuyển đổi cách lắp đặt phòng máy hiện có sang cấu hình MRL bằng cách di dời máy PMSM nhỏ gọn mới vào vận thăng - cho phép tái sử dụng phòng máy cũ làm không gian sàn có thể cho thuê. Việc chuyển đổi này có ý nghĩa quan trọng về mặt kiến ​​trúc và có thể tạo ra thu nhập cho thuê giúp tăng tốc đáng kể lợi tức tài chính từ khoản đầu tư hiện đại hóa, nhưng yêu cầu đánh giá cấu trúc và vận thăng cẩn thận để xác minh rằng cấu trúc đường ray dẫn hướng có thể chịu tải lắp đặt máy mới.
• Chuyển đổi thủy lực sang lực kéo: Việc chuyển đổi thang máy thủy lực hiện có sang hệ thống kéo (điều khiển bằng dây) với động cơ PMSM không hộp số là một sự hiện đại hóa sâu rộng hơn nhằm giải quyết cả sự kém hiệu quả về năng lượng của bộ truyền động thủy lực (hiệu suất hệ thống thường là 25–40%) và trách nhiệm pháp lý đối với môi trường của dầu thủy lực và xi lanh. Chuyển đổi lực kéo giúp loại bỏ xi lanh thủy lực và chất lỏng, tăng khả năng tốc độ di chuyển và giảm mức tiêu thụ năng lượng từ 50–70%. Dự án bao gồm lắp đặt một máy trên cao mới, ray dẫn hướng được định mức cho tải trọng kéo, khung và đối trọng ô tô mới, đồng thời loại bỏ hoàn toàn hệ thống thủy lực và xử lý chất lỏng - một chi phí dự án đáng kể thường hợp lý cho thang máy có tuổi thọ còn lại đáng kể và cường độ giao thông cao.