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Investigación sobre el método de control de ascensores

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Figura 1: Diagrama esquemático de un dispositivo de almacenamiento de energía con supercondensador

Se examina el uso de un convertidor CC / CC bidireccional para controlar un dispositivo de almacenamiento de energía con supercondensador para un ascensor.

por Shi Liguang, Yao Lianghong, Luo Zhiqun y Wan Jianru

Los ascensores se han aplicado ampliamente en el rápido desarrollo de rascacielos comerciales. Dado que el consumo de energía de los ascensores es similar al de los sistemas de aire acondicionado en la perspectiva del consumo de energía de todo el edificio (5-15%), debería aprovechar la energía regenerativa. Este artículo se centrará en el uso de un convertidor CC / CC bidireccional para controlar un dispositivo de almacenamiento de energía con supercondensador de acuerdo con las características de motorización del ascensor y freno regenerativo y retroalimentación de energía.

En los últimos años, el número de ascensores en China ha aumentado y la producción de ascensores del país se encuentra entre las más altas del mundo. Los ascensores pueden potencialmente ahorrar mucha energía al usar diferentes unidades, especialmente porque la tecnología de almacenamiento de energía con supercondensadores ha experimentado un gran desarrollo debido a los beneficios comunes de la energía renovable. El inversor del elevador convierte el voltaje de CA a CC cuando el elevador está subiendo con una carga ligera, bajando con una sobrecarga o en el proceso de frenado regenerativo, lo que genera energía renovable almacenada en capacitancia CC. Sin embargo, el alto voltaje de bombeo producido debido a la falta de un acumulador para absorber altas capacidades de energía es perjudicial para la capacitancia del bus de CC. Esto se resuelve instalando la resistencia de frenado del bus de CC de forma convencional, en la que la potencia acumulada se consumirá en forma de energía térmica.[1]

El método de control tradicional para aumentar el desperdicio de energía no está en consonancia con las políticas de ahorro de energía. Para resolver este problema, este artículo presenta un método modificado para transformar la potencia acumulada en capacitancia CC en corriente CA (que es la misma frecuencia y fase que el voltaje de la red) y retroalimentarla directamente a la red eléctrica. Sin embargo, el método de control es muy complejo y, al mismo tiempo, la amplitud de potencia varía ampliamente, lo que tiene un efecto adverso en el funcionamiento seguro de la red eléctrica durante el proceso de retroalimentación de energía regenerativa.

En este proceso, se conecta un convertidor CC / CC bidireccional con un dispositivo de almacenamiento de energía supercondensador entre el rectificador y el inversor, que no solo permite que la energía de retroalimentación del elevador se absorba de manera eficiente, sino que también puede alimentar directamente el elevador y los dispositivos auxiliares. . El método de control propuesto puede igualar la potencia y evitar los efectos negativos generados por la retroalimentación energética en la red. Además, un dispositivo de almacenamiento de energía con supercondensador también se puede utilizar como fuente de alimentación ininterrumpida para hacer que el ascensor se detenga de forma segura cerca del piso más cercano en caso de una pérdida repentina de energía. El método de control se verifica mediante simulación de carga-descarga y se aplica en elevadores de muestra con velocidades de 2 y 4 mps. Los resultados muestran que los ascensores con dispositivos de almacenamiento de energía con supercondensadores pueden ahorrar cantidades significativas de energía y funcionar sin problemas.

Análisis de estructura y simulación del dispositivo de almacenamiento de energía con supercondensador

La resistencia máxima a la presión de un solo condensador es muy baja (1-3 V) y no se puede conectar directamente al bus de CC, donde el voltaje es de cientos de kV. Para mejorar la capacidad de almacenamiento de energía y la capacidad de soportar voltaje, se pueden utilizar supercondensadores en serie y en paralelo. En el proceso de carga y descarga, el rango de voltaje de los supercondensadores es muy grande; por lo tanto, se conecta al bus de CC un convertidor con flujo de energía bidireccional. El convertidor de potencia funciona en modo "Buck" en el proceso de carga y funciona en modo "Boost" en el proceso de descarga. El convertidor no solo puede mantener constante el voltaje del bus de CC, sino que también reduce en gran medida los niveles de voltaje del supercondensador en el dispositivo de almacenamiento de energía, por lo que se adapta al almacenamiento de energía en otras condiciones de trabajo. A la luz de estas características, en este documento se adopta un convertidor CC / CC bidireccional no separado que puede realizar un flujo de corriente en dos cuadrantes.[2 y 3]

Dispositivo de almacenamiento de energía con supercondensador

En la Figura 1, el dispositivo de almacenamiento de energía con supercondensador (dentro de la línea de puntos) consta de pilas de supercondensadores, energía de emergencia (EPS), un convertidor CC / CC bidireccional y un controlador. El dispositivo se utiliza junto con el convertidor de frecuencia, donde la energía de retroalimentación se transporta a las pilas de supercondensadores mediante el convertidor CC / CC bidireccional. La energía almacenada puede alimentar un sistema de ascensor auxiliar con EPS y accionar una máquina de tracción que funciona a través de un convertidor CC / CC bidireccional.

Estrategia de control de carga y descarga del supercondensador

El proceso de carga / descarga del supercondensador se controla mediante un convertidor CC / CC bidireccional (Figura 2), mientras que el problema de carga / descarga se transfiere al problema de control. De acuerdo con los modos de operación del convertidor, usa la corriente del inductor como bucle interno y el voltaje del bus de CC como bucle externo para controlar el circuito en el modo de circuito Boost, mientras que en el modo de circuito Buck, usa la corriente del inductor como bucle interno y super -voltaje del condensador como bucle exterior para controlar el circuito.

Aunque el convertidor bidireccional CC / CC es un sistema no lineal típico, existe una relación lineal entre las variables y las pequeñas perturbaciones del circuito cuando funciona cerca de un estado estable. Los modelos dinámicos y de pequeña señal de los circuitos Boost y Buck se han estudiado en detalle.[4] Sin embargo, estos no se exploran más aquí debido a limitaciones de espacio. 

Simulación y análisis

La capacidad del supercondensador es de 75 F y el rango de voltaje de trabajo es de 175-240 V. La resistencia en serie equivalente es de 48 ohmios (un solo condensador es de 0.3 ohmios) y la resistencia en paralelo equivalente es de 10,000 ohmios. En el circuito convertidor bidireccional CC / CC, la inductancia es de 0.5 mH. La capacitancia del filtro de bus de CC es de 0.75 µF en el convertidor de frecuencia.

Basado en el análisis lógico del supercondensador y la tensión del bus de CC, el convertidor bidireccional CC / CC conmuta automáticamente en diferentes modos de funcionamiento. Primero, el voltaje inicial del supercondensador se establece en 200 V en la simulación; el supercondensador suministra la carga y el voltaje del bus de CC permanece en 600 V.En 1 s, el voltaje del bus de CC se cambia a 700 V, el supercondensador se carga y la corriente de carga se limita a 45 A.

Las figuras 3-5 muestran que el supercondensador impulsa la carga para que funcione en 0-1 s., Cuando el voltaje del bus de CC es de 600 V. A 2 s., El voltaje del bus de CC es de 700 V, el voltaje del supercondensador es superior a 175 V , y el convertidor bidireccional CC / CC funciona en modo Buck.

Análisis de resultados experimentales

En el experimento, el voltaje del bus de CC Vdc es de 540 V, la frecuencia de conmutación Ts es de 10 kHz y la potencia de la máquina elevadora es de 16.3 kW. Los resultados de las Figuras 6-8 demuestran el voltaje del bus de CC (rojo), el voltaje del supercondensador (negro) y la forma de onda de la corriente de carga / descarga del supercondensador (azul) sin carga, media carga y 75% de carga.

Cuando sube sin carga, el elevador se encuentra en un estado de retroalimentación de energía, durante el cual el voltaje del capacitor de CC podría aumentar a 680 V (Figura 6). Los supercondensadores con voltaje que aumenta gradualmente se cargan a través de convertidores CC / CC bidireccionales: el voltaje más alto será de 190 V y la corriente de carga es de aproximadamente 40 A. Cuando viaja hacia abajo sin carga, el elevador es impulsado por supercondensadores con voltaje en constante disminución , con una tensión de bus de CC de alrededor de 550 V. El proceso de trabajo con una carga del 75% es el mismo que sin carga. A media carga, el automóvil está en equilibrio con la suspensión de contrapeso y no hay un proceso de retroalimentación de energía. Como se muestra en la Figura 7, el voltaje del bus de CC se mantiene en 550 V y el voltaje del supercondensador es de 175 V, aunque el convertidor CC / CC bidireccional no funciona.

Conclusión

Este artículo contribuye a resolver el problema cambiante del voltaje del supercondensador de carga / descarga al agregar un convertidor CC / CC bidireccional. Los análisis de simulación muestran que el convertidor puede controlar eficazmente la energía de retroalimentación tanto en la carga como en la descarga. Con el dispositivo de almacenamiento de energía con supercondensador, los modos de accionamiento del ascensor tienen un efecto significativo en el ahorro de energía; con mayor velocidad, hay ahorros de energía adicionales. De acuerdo con el estudio del almacenamiento de energía con supercondensador, solicitamos dos patentes de invención: el dispositivo de retroalimentación de energía del ascensor independiente y de carga automática, y el accionamiento del ascensor con almacenamiento de energía con supercondensador (Figuras 9 y 10).

Agradecimientos

Este documento cuenta con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias de China y la Administración de Supervisión de Calidad, Inspección y Cuarentena de Proyectos de Financiamiento de Investigación Especializada de la Industria Sin Fines de Lucro.

a la de los sistemas de aire acondicionado en la perspectiva del consumo de energía de todo el edificio (5-15%), debería aprovechar la energía regenerativa. Este artículo se centrará en el uso de un convertidor CC / CC bidireccional para controlar un dispositivo de almacenamiento de energía con supercondensador de acuerdo con el motor del ascensor, el freno regenerativo y las características de retroalimentación de energía.

En los últimos años, el número de ascensores en China ha aumentado y la producción de ascensores del país se encuentra entre las más altas del mundo. Los ascensores pueden potencialmente ahorrar mucha energía al usar diferentes unidades, especialmente porque la tecnología de almacenamiento de energía con supercondensadores ha experimentado un gran desarrollo debido a los beneficios comunes de la energía renovable. El inversor del elevador convierte el voltaje de CA a CC cuando el elevador está subiendo con una carga ligera, bajando con una sobrecarga o en el proceso de frenado regenerativo, lo que genera energía renovable almacenada en capacitancia CC. Sin embargo, el alto voltaje de bombeo producido debido a la falta de un acumulador para absorber altas capacidades de energía es perjudicial para la capacitancia del bus de CC. Esto se resuelve instalando la resistencia de frenado del bus de CC de forma convencional, en la que la potencia acumulada se consumirá en forma de energía térmica.[1]

El método de control tradicional para aumentar el desperdicio de energía no está en consonancia con las políticas de ahorro de energía. Para resolver este problema, este artículo presenta un método modificado para transformar la potencia acumulada en capacitancia CC en corriente CA (que es la misma frecuencia y fase que el voltaje de la red) y retroalimentarla directamente a la red eléctrica. Sin embargo, el método de control es muy complejo y, al mismo tiempo, la amplitud de potencia varía ampliamente, lo que tiene un efecto adverso en el funcionamiento seguro de la red eléctrica durante el proceso de retroalimentación de energía regenerativa.

En este proceso, se conecta un convertidor CC / CC bidireccional con un dispositivo de almacenamiento de energía supercondensador entre el rectificador y el inversor, que no solo permite que la energía de retroalimentación del elevador se absorba de manera eficiente, sino que también puede alimentar directamente el elevador y los dispositivos auxiliares. . El método de control propuesto puede igualar la potencia y evitar los efectos negativos generados por la retroalimentación energética en la red. Además, un dispositivo de almacenamiento de energía con supercondensador también se puede utilizar como fuente de alimentación ininterrumpida para hacer que el ascensor se detenga de forma segura cerca del piso más cercano en caso de una pérdida repentina de energía. El método de control se verifica mediante simulación de carga-descarga y se aplica en elevadores de muestra con velocidades de 2 y 4 mps. Los resultados muestran que los ascensores con dispositivos de almacenamiento de energía con supercondensadores pueden ahorrar cantidades significativas de energía y funcionar sin problemas.

Análisis de estructura y simulación del dispositivo de almacenamiento de energía con supercondensador

La resistencia máxima a la presión de un solo condensador es muy baja (1-3 V) y no se puede conectar directamente al bus de CC, donde el voltaje es de cientos de kV. Para mejorar la capacidad de almacenamiento de energía y la capacidad de soportar voltaje, se pueden utilizar supercondensadores en serie y en paralelo. En el proceso de carga y descarga, el rango de voltaje de los supercondensadores es muy grande; por lo tanto, se conecta al bus de CC un convertidor con flujo de energía bidireccional. El convertidor de potencia funciona en modo "Buck" en el proceso de carga y funciona en modo "Boost" en el proceso de descarga. El convertidor no solo puede mantener constante el voltaje del bus de CC, sino que también reduce en gran medida los niveles de voltaje del supercondensador en el dispositivo de almacenamiento de energía, por lo que se adapta al almacenamiento de energía en otras condiciones de trabajo. A la luz de estas características, en este documento se adopta un convertidor CC / CC bidireccional no separado que puede realizar un flujo de corriente en dos cuadrantes.[2 y 3]

Dispositivo de almacenamiento de energía con supercondensador

En la Figura 1, el dispositivo de almacenamiento de energía con supercondensador (dentro de la línea de puntos) consta de pilas de supercondensadores, energía de emergencia (EPS), un convertidor CC / CC bidireccional y un controlador. El dispositivo se utiliza junto con el convertidor de frecuencia, donde la energía de retroalimentación se transporta a las pilas de supercondensadores mediante el convertidor CC / CC bidireccional. La energía almacenada puede alimentar un sistema de ascensor auxiliar con EPS y accionar una máquina de tracción que funciona a través de un convertidor CC / CC bidireccional.

Estrategia de control de carga y descarga del supercondensador

El proceso de carga / descarga del supercondensador se controla mediante un convertidor CC / CC bidireccional (Figura 2), mientras que el problema de carga / descarga se transfiere al problema de control. De acuerdo con los modos de operación del convertidor, usa la corriente del inductor como bucle interno y el voltaje del bus de CC como bucle externo para controlar el circuito en el modo de circuito Boost, mientras que en el modo de circuito Buck, usa la corriente del inductor como bucle interno y super -voltaje del condensador como bucle exterior para controlar el circuito.

Aunque el convertidor bidireccional CC / CC es un sistema no lineal típico, existe una relación lineal entre las variables y las pequeñas perturbaciones del circuito cuando funciona cerca de un estado estable. Los modelos dinámicos y de pequeña señal de los circuitos Boost y Buck se han estudiado en detalle.[4] Sin embargo, estos no se exploran más aquí debido a limitaciones de espacio. 

Simulación y análisis

La capacidad del supercondensador es de 75 F y el rango de voltaje de trabajo es de 175-240 V. La resistencia en serie equivalente es de 48 ohmios (un solo condensador es de 0.3 ohmios) y la resistencia en paralelo equivalente es de 10,000 ohmios. En el circuito convertidor bidireccional CC / CC, la inductancia es de 0.5 mH. La capacitancia del filtro de bus de CC es de 0.75 µF en el convertidor de frecuencia.

Basado en el análisis lógico del supercondensador y la tensión del bus de CC, el convertidor bidireccional CC / CC conmuta automáticamente en diferentes modos de funcionamiento. Primero, el voltaje inicial del supercondensador se establece en 200 V en la simulación; el supercondensador suministra la carga y el voltaje del bus de CC permanece en 600 V.En 1 s, el voltaje del bus de CC se cambia a 700 V, el supercondensador se carga y la corriente de carga se limita a 45 A.

Las figuras 3-5 muestran que el supercondensador impulsa la carga para que funcione en 0-1 s., Cuando el voltaje del bus de CC es de 600 V. A 2 s., El voltaje del bus de CC es de 700 V, el voltaje del supercondensador es superior a 175 V , y el convertidor bidireccional CC / CC funciona en modo Buck.

Análisis de resultados experimentales

En el experimento, el voltaje del bus de CC Vdc es de 540 V, la frecuencia de conmutación Ts es de 10 kHz y la potencia de la máquina elevadora es de 16.3 kW. Los resultados de las Figuras 6-8 demuestran el voltaje del bus de CC (rojo), el voltaje del supercondensador (negro) y la forma de onda de la corriente de carga / descarga del supercondensador (azul) sin carga, media carga y 75% de carga.

Cuando sube sin carga, el elevador se encuentra en un estado de retroalimentación de energía, durante el cual el voltaje del capacitor de CC podría aumentar a 680 V (Figura 6). Los supercondensadores con voltaje que aumenta gradualmente se cargan a través de convertidores CC / CC bidireccionales: el voltaje más alto será de 190 V y la corriente de carga es de aproximadamente 40 A. Cuando viaja hacia abajo sin carga, el elevador es impulsado por supercondensadores con voltaje en constante disminución , con una tensión de bus de CC de alrededor de 550 V. El proceso de trabajo con una carga del 75% es el mismo que sin carga. A media carga, el automóvil está en equilibrio con la suspensión de contrapeso y no hay un proceso de retroalimentación de energía. Como se muestra en la Figura 7, el voltaje del bus de CC se mantiene en 550 V y el voltaje del supercondensador es de 175 V, aunque el convertidor CC / CC bidireccional no funciona.

Conclusión

Este artículo contribuye a resolver el problema cambiante del voltaje del supercondensador de carga / descarga al agregar un convertidor CC / CC bidireccional. Los análisis de simulación muestran que el convertidor puede controlar eficazmente la energía de retroalimentación tanto en la carga como en la descarga. Con el dispositivo de almacenamiento de energía con supercondensador, los modos de accionamiento del ascensor tienen un efecto significativo en el ahorro de energía; con mayor velocidad, hay ahorros de energía adicionales. De acuerdo con el estudio del almacenamiento de energía con supercondensador, solicitamos dos patentes de invención: el dispositivo de retroalimentación de energía del ascensor independiente y de carga automática, y el accionamiento del ascensor con almacenamiento de energía con supercondensador (Figuras 9 y 10).

Agradecimientos

Este documento cuenta con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias de China y la Administración de Supervisión de Calidad, Inspección y Cuarentena de Proyectos de Financiamiento de Investigación Especializada de la Industria Sin Fines de Lucro.

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Shi Liguang, Yao Lianghong, Luo Zhiqun y Wan Jianru

Shi Liguang, Yao Lianghong, Luo Zhiqun y Wan Jianru

Shi Liguang es un estudiante graduado de la Universidad de Tianjin. Sus campos de interés incluyen la electrónica de potencia.

Yao Lianghong trabaja en el Instituto de Inspección de Equipos Especiales de Guangdong. Sus campos de interés incluyen la tecnología de control de automatización.

Luo Zhiqun trabaja en el Instituto de Inspección de Equipos Especiales de Guangdong. Sus campos de interés incluyen la tecnología de detección de ascensores.

Wan Jianru es profesor de la Universidad de Tianjin. Sus campos de interés incluyen electrónica de potencia, propulsión eléctrica y tecnología de ascensores.

Mundo del ascensor | Junio ​​de 2012 Portada

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