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Ricerca sul metodo di controllo dell'ascensore

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Figura 1: diagramma schematico di un dispositivo di accumulo di energia a supercondensatore

Viene esaminato l'uso di un convertitore DC/DC bidirezionale per controllare un dispositivo di accumulo di energia a supercondensatore per un ascensore.

di Shi Liguang, Yao Lianghong, Luo Zhiqun e Wan Jianru

Gli ascensori sono stati ampiamente applicati nel rapido sviluppo di grattacieli commerciali. Poiché il consumo energetico dell'ascensore è simile a quello dei sistemi di condizionamento dell'aria nell'ottica del consumo energetico di un intero edificio (5-15%), dovrebbe sfruttare l'energia rigenerativa. Questo articolo si concentrerà sull'uso di un convertitore DC/DC bidirezionale per controllare un dispositivo di accumulo di energia a super-condensatore in base alle caratteristiche del motore dell'ascensore e del freno rigenerativo e del feedback energetico.

Negli ultimi anni, il numero di ascensori in Cina è aumentato e la produzione di ascensori del paese è tra le più alte al mondo. Gli ascensori possono potenzialmente risparmiare molta energia utilizzando azionamenti diversi, soprattutto perché la tecnologia di accumulo di energia con supercondensatori ha visto un grande sviluppo grazie ai vantaggi comuni dell'energia rinnovabile. L'inverter dell'ascensore converte la tensione da CA a CC quando l'ascensore sta salendo con un carico leggero, scendendo con un sovraccarico o nel processo di frenata rigenerativa, che genera energia rinnovabile immagazzinata nella capacità CC. Tuttavia, l'elevata tensione di pompaggio prodotta a causa della mancanza di un accumulatore per assorbire elevate capacità di energia è dannosa per la capacità del bus CC. Ciò viene risolto installando la resistenza di frenatura del bus CC nel modo convenzionale, in cui la potenza accumulata verrà consumata sotto forma di energia termica.[1]

Il metodo tradizionale di controllo dell'aumento degli sprechi energetici non è in linea con le politiche di risparmio energetico. Per risolvere questo problema, questo articolo presenta un metodo modificato per trasformare la potenza accumulata in capacità CC in corrente CA (che è la stessa frequenza e fase della tensione di rete) e reimmetterla direttamente nella rete elettrica. Tuttavia, il metodo di controllo è molto complesso e, allo stesso tempo, l'ampiezza di potenza varia ampiamente, il che ha un effetto negativo sul funzionamento sicuro della rete elettrica durante il processo di feedback dell'energia rigenerativa.

In questo processo, un convertitore DC/DC bidirezionale con un dispositivo di accumulo di energia a supercondensatore è collegato tra il raddrizzatore e l'inverter, che non solo consente di assorbire in modo efficiente l'energia di feedback dell'ascensore, ma può anche alimentare direttamente l'ascensore e i dispositivi ausiliari . Il metodo di controllo proposto può equalizzare la potenza ed evitare gli effetti negativi generati dal feedback energetico sulla rete. Inoltre, un dispositivo di accumulo di energia a supercondensatore può essere utilizzato anche come fonte di alimentazione ininterrotta per arrestare l'ascensore in sicurezza vicino al piano più vicino in caso di improvvisa perdita di potenza. Il metodo di controllo viene verificato tramite simulazione di carica-scarica e applicato in ascensori campione con velocità di 2 e 4 mps. I risultati mostrano che gli ascensori con dispositivi di accumulo di energia a supercondensatore possono risparmiare quantità significative di energia e funzionare senza problemi.

Analisi della struttura e della simulazione del dispositivo di accumulo di energia a supercondensatore

La resistenza alla pressione massima di un singolo condensatore è molto bassa (1-3 V) e non può essere collegata direttamente al bus DC, dove la tensione è di centinaia di kV. Per migliorare la capacità di immagazzinare energia e la capacità di resistere alla tensione, i supercondensatori possono essere utilizzati in serie e in parallelo. Nel processo di carica e scarica, l'intervallo di tensione dei super condensatori è molto ampio; quindi, un convertitore con flusso di energia bidirezionale è collegato al bus CC. Il convertitore di potenza funziona in modalità "Buck" durante la carica e funziona in modalità "Boost" durante la scarica. Il convertitore non solo mantiene la tensione del bus CC costante, ma riduce anche notevolmente i livelli di tensione del supercondensatore nel dispositivo di accumulo di energia, quindi è adatto all'accumulo di energia in altre condizioni di lavoro. Alla luce di queste caratteristiche, in questo documento viene adottato un convertitore DC/DC bidirezionale non separato in grado di realizzare un flusso di corrente a doppio quadrante.[2 e 3]

Dispositivo di accumulo di energia a supercondensatore

Nella Figura 1, il dispositivo di accumulo di energia a supercondensatore (all'interno della linea tratteggiata) è costituito da stack di supercondensatori, alimentazione di emergenza (EPS), un convertitore DC/DC bidirezionale e un controller. Il dispositivo viene utilizzato insieme al convertitore di frequenza, dove l'energia di feedback viene trasportata agli stack di supercondensatori dal convertitore DC/DC bidirezionale. L'energia immagazzinata può alimentare un sistema di ascensore ausiliario con EPS e azionare una macchina di trazione che opera attraverso un convertitore DC/DC bidirezionale.

Strategia di controllo della carica e della scarica dei supercondensatori

Il processo di carica/scarica del super condensatore è controllato da un convertitore DC/DC bidirezionale (Figura 2), mentre il problema di carica/scarica si trasferisce al problema di controllo. In base alle modalità di funzionamento del convertitore, utilizza la corrente dell'induttore come anello interno e la tensione del bus CC come anello esterno per controllare il circuito in modalità circuito Boost, mentre in modalità circuito Buck, utilizza la corrente dell'induttore come anello interno e super -tensione del condensatore come anello esterno per controllare il circuito.

Sebbene il convertitore DC/DC bidirezionale sia un tipico sistema non lineare, esiste una relazione lineare tra le variabili e i disturbi del piccolo circuito quando funziona vicino a uno stato stabile. I modelli a piccolo segnale e dinamici dei circuiti Boost e Buck sono stati studiati in dettaglio.[4] Tuttavia, questi non vengono esplorati ulteriormente qui a causa di vincoli di spazio. 

Simulazione e analisi

La capacità del super condensatore è di 75 F e l'intervallo di tensione di lavoro è compreso tra 175 e 240 V. La resistenza in serie equivalente è di 48 ohm (un singolo condensatore è di 0.3 ohm) e la resistenza in parallelo equivalente è di 10,000 ohm. Nel circuito del convertitore DC/DC bidirezionale, l'induttanza è 0.5 mH. La capacità del filtro del bus CC è 0.75 µF nel convertitore di frequenza.

Sulla base dell'analisi logica del supercondensatore e della tensione del bus CC, il convertitore CC/CC bidirezionale commuta automaticamente in diverse modalità di lavoro. Innanzitutto, la tensione iniziale del supercondensatore è impostata su 200 V in simulazione; il supercondensatore alimenta il carico e la tensione del bus CC rimane a 600 V. A 1 s., la tensione del bus CC viene commutata a 700 V, il supercondensatore viene caricato e la corrente di carica è limitata a 45 A.

Le figure 3-5 mostrano che il super condensatore fa funzionare il carico in 0-1 s., quando la tensione del bus CC è 600 V. A 2 s., la tensione del bus CC è 700 V, la tensione del supercondensatore è maggiore di 175 V , e il convertitore DC/DC bidirezionale funziona in modalità Buck.

Analisi dei risultati sperimentali

Nell'esperimento, la tensione del bus CC Vdc è 540 V, la frequenza di commutazione Ts è 10 kHz e la potenza della macchina dell'ascensore è 16.3 kW. I risultati nelle Figure 6-8 dimostrano la tensione del bus CC (rosso), la tensione del supercondensatore (nero) e la forma d'onda della corrente di carica/scarica del supercondensatore (blu) in assenza di carico, metà carico e carico del 75%.

Quando si sale senza carico, l'ascensore si trova in uno stato di feedback energetico, durante il quale la tensione del condensatore CC potrebbe aumentare fino a 680 V (Figura 6). I super condensatori con tensione in graduale aumento vengono caricati tramite convertitori DC/DC bidirezionali: la tensione massima sarà di 190 V e la corrente di carica è di circa 40 A. Quando si scende senza carico, l'ascensore è azionato da super condensatori con tensione in costante diminuzione , avente una tensione del bus DC di circa 550 V. Il processo di lavoro sotto carico del 75% è lo stesso di quello a vuoto. A metà carico, l'auto è in equilibrio con la sospensione del contrappeso e non c'è alcun processo di feedback energetico. Come mostrato nella Figura 7, la tensione del bus CC è mantenuta a 550 V e la tensione del supercondensatore è a 175 V, sebbene il convertitore CC/CC bidirezionale non funzioni.

Conclusione

Questo articolo contribuisce a risolvere il problema mutevole della tensione del supercondensatore di carica/scarica aggiungendo un convertitore DC/DC bidirezionale. Le analisi di simulazione mostrano che l'energia di retroazione può essere controllata efficacemente dal convertitore sia in carica che in scarica. Con il dispositivo di accumulo di energia a supercondensatore, le modalità di azionamento dell'ascensore hanno un effetto significativo sul risparmio energetico; con una maggiore velocità, si ottengono ulteriori risparmi energetici. Secondo lo studio sull'accumulo di energia a supercondensatore, abbiamo richiesto due brevetti di invenzione: il dispositivo di feedback energetico dell'ascensore separato e autocaricante e l'azionamento dell'ascensore con accumulo di energia a supercondensatore (Figure 9 e 10).

Ringraziamenti

Questo documento è supportato dalla National Science Foundation of China e dall'amministrazione dei progetti di finanziamento della ricerca specializzati nell'industria non profit per la supervisione della qualità, l'ispezione e la quarantena.

a quello degli impianti di condizionamento nell'ottica del consumo energetico di un intero edificio (5-15%), dovrebbe sfruttare l'energia rigenerativa. Questo articolo si concentrerà sull'uso di un convertitore DC/DC bidirezionale per controllare un dispositivo di accumulo di energia a supercondensatore in base alle caratteristiche del motore dell'ascensore e del freno rigenerativo e del feedback energetico.

Negli ultimi anni, il numero di ascensori in Cina è aumentato e la produzione di ascensori del paese è tra le più alte al mondo. Gli ascensori possono potenzialmente risparmiare molta energia utilizzando azionamenti diversi, soprattutto perché la tecnologia di accumulo di energia con supercondensatori ha visto un grande sviluppo grazie ai vantaggi comuni dell'energia rinnovabile. L'inverter dell'ascensore converte la tensione da CA a CC quando l'ascensore sta salendo con un carico leggero, scendendo con un sovraccarico o nel processo di frenata rigenerativa, che genera energia rinnovabile immagazzinata nella capacità CC. Tuttavia, l'elevata tensione di pompaggio prodotta a causa della mancanza di un accumulatore per assorbire elevate capacità di energia è dannosa per la capacità del bus CC. Ciò viene risolto installando la resistenza di frenatura del bus CC nel modo convenzionale, in cui la potenza accumulata verrà consumata sotto forma di energia termica.[1]

Il metodo tradizionale di controllo dell'aumento degli sprechi energetici non è in linea con le politiche di risparmio energetico. Per risolvere questo problema, questo articolo presenta un metodo modificato per trasformare la potenza accumulata in capacità CC in corrente CA (che è la stessa frequenza e fase della tensione di rete) e reimmetterla direttamente nella rete elettrica. Tuttavia, il metodo di controllo è molto complesso e, allo stesso tempo, l'ampiezza di potenza varia ampiamente, il che ha un effetto negativo sul funzionamento sicuro della rete elettrica durante il processo di feedback dell'energia rigenerativa.

In questo processo, un convertitore DC/DC bidirezionale con un dispositivo di accumulo di energia a supercondensatore è collegato tra il raddrizzatore e l'inverter, che non solo consente di assorbire in modo efficiente l'energia di feedback dell'ascensore, ma può anche alimentare direttamente l'ascensore e i dispositivi ausiliari . Il metodo di controllo proposto può equalizzare la potenza ed evitare gli effetti negativi generati dal feedback energetico sulla rete. Inoltre, un dispositivo di accumulo di energia a supercondensatore può essere utilizzato anche come fonte di alimentazione ininterrotta per arrestare l'ascensore in sicurezza vicino al piano più vicino in caso di improvvisa perdita di potenza. Il metodo di controllo viene verificato tramite simulazione di carica-scarica e applicato in ascensori campione con velocità di 2 e 4 mps. I risultati mostrano che gli ascensori con dispositivi di accumulo di energia a supercondensatore possono risparmiare quantità significative di energia e funzionare senza problemi.

Analisi della struttura e della simulazione del dispositivo di accumulo di energia a supercondensatore

La resistenza alla pressione massima di un singolo condensatore è molto bassa (1-3 V) e non può essere collegata direttamente al bus DC, dove la tensione è di centinaia di kV. Per migliorare la capacità di immagazzinare energia e la capacità di resistere alla tensione, i supercondensatori possono essere utilizzati in serie e in parallelo. Nel processo di carica e scarica, l'intervallo di tensione dei super condensatori è molto ampio; quindi, un convertitore con flusso di energia bidirezionale è collegato al bus CC. Il convertitore di potenza funziona in modalità "Buck" durante la carica e funziona in modalità "Boost" durante la scarica. Il convertitore non solo mantiene la tensione del bus CC costante, ma riduce anche notevolmente i livelli di tensione del supercondensatore nel dispositivo di accumulo di energia, quindi è adatto all'accumulo di energia in altre condizioni di lavoro. Alla luce di queste caratteristiche, in questo documento viene adottato un convertitore DC/DC bidirezionale non separato in grado di realizzare un flusso di corrente a doppio quadrante.[2 e 3]

Dispositivo di accumulo di energia a supercondensatore

Nella Figura 1, il dispositivo di accumulo di energia a supercondensatore (all'interno della linea tratteggiata) è costituito da stack di supercondensatori, alimentazione di emergenza (EPS), un convertitore DC/DC bidirezionale e un controller. Il dispositivo viene utilizzato insieme al convertitore di frequenza, dove l'energia di feedback viene trasportata agli stack di supercondensatori dal convertitore DC/DC bidirezionale. L'energia immagazzinata può alimentare un sistema di ascensore ausiliario con EPS e azionare una macchina di trazione che opera attraverso un convertitore DC/DC bidirezionale.

Strategia di controllo della carica e della scarica dei supercondensatori

Il processo di carica/scarica del super condensatore è controllato da un convertitore DC/DC bidirezionale (Figura 2), mentre il problema di carica/scarica si trasferisce al problema di controllo. In base alle modalità di funzionamento del convertitore, utilizza la corrente dell'induttore come anello interno e la tensione del bus CC come anello esterno per controllare il circuito in modalità circuito Boost, mentre in modalità circuito Buck, utilizza la corrente dell'induttore come anello interno e super -tensione del condensatore come anello esterno per controllare il circuito.

Sebbene il convertitore DC/DC bidirezionale sia un tipico sistema non lineare, esiste una relazione lineare tra le variabili e i disturbi del piccolo circuito quando funziona vicino a uno stato stabile. I modelli a piccolo segnale e dinamici dei circuiti Boost e Buck sono stati studiati in dettaglio.[4] Tuttavia, questi non vengono esplorati ulteriormente qui a causa di vincoli di spazio. 

Simulazione e analisi

La capacità del super condensatore è di 75 F e l'intervallo di tensione di lavoro è compreso tra 175 e 240 V. La resistenza in serie equivalente è di 48 ohm (un singolo condensatore è di 0.3 ohm) e la resistenza in parallelo equivalente è di 10,000 ohm. Nel circuito del convertitore DC/DC bidirezionale, l'induttanza è 0.5 mH. La capacità del filtro del bus CC è 0.75 µF nel convertitore di frequenza.

Sulla base dell'analisi logica del supercondensatore e della tensione del bus CC, il convertitore CC/CC bidirezionale commuta automaticamente in diverse modalità di lavoro. Innanzitutto, la tensione iniziale del supercondensatore è impostata su 200 V in simulazione; il supercondensatore alimenta il carico e la tensione del bus CC rimane a 600 V. A 1 s., la tensione del bus CC viene commutata a 700 V, il supercondensatore viene caricato e la corrente di carica è limitata a 45 A.

Le figure 3-5 mostrano che il super condensatore fa funzionare il carico in 0-1 s., quando la tensione del bus CC è 600 V. A 2 s., la tensione del bus CC è 700 V, la tensione del supercondensatore è maggiore di 175 V , e il convertitore DC/DC bidirezionale funziona in modalità Buck.

Analisi dei risultati sperimentali

Nell'esperimento, la tensione del bus CC Vdc è 540 V, la frequenza di commutazione Ts è 10 kHz e la potenza della macchina dell'ascensore è 16.3 kW. I risultati nelle Figure 6-8 dimostrano la tensione del bus CC (rosso), la tensione del supercondensatore (nero) e la forma d'onda della corrente di carica/scarica del supercondensatore (blu) in assenza di carico, metà carico e carico del 75%.

Quando si sale senza carico, l'ascensore si trova in uno stato di feedback energetico, durante il quale la tensione del condensatore CC potrebbe aumentare fino a 680 V (Figura 6). I super condensatori con tensione in graduale aumento vengono caricati tramite convertitori DC/DC bidirezionali: la tensione massima sarà di 190 V e la corrente di carica è di circa 40 A. Quando si scende senza carico, l'ascensore è azionato da super condensatori con tensione in costante diminuzione , avente una tensione del bus DC di circa 550 V. Il processo di lavoro sotto carico del 75% è lo stesso di quello a vuoto. A metà carico, l'auto è in equilibrio con la sospensione del contrappeso e non c'è alcun processo di feedback energetico. Come mostrato nella Figura 7, la tensione del bus CC è mantenuta a 550 V e la tensione del supercondensatore è a 175 V, sebbene il convertitore CC/CC bidirezionale non funzioni.

Conclusione

Questo articolo contribuisce a risolvere il problema mutevole della tensione del supercondensatore di carica/scarica aggiungendo un convertitore DC/DC bidirezionale. Le analisi di simulazione mostrano che l'energia di retroazione può essere controllata efficacemente dal convertitore sia in carica che in scarica. Con il dispositivo di accumulo di energia a supercondensatore, le modalità di azionamento dell'ascensore hanno un effetto significativo sul risparmio energetico; con una maggiore velocità, si ottengono ulteriori risparmi energetici. Secondo lo studio sull'accumulo di energia a supercondensatore, abbiamo richiesto due brevetti di invenzione: il dispositivo di feedback energetico dell'ascensore separato e autocaricante e l'azionamento dell'ascensore con accumulo di energia a supercondensatore (Figure 9 e 10).

Ringraziamenti

Questo documento è supportato dalla National Science Foundation of China e dall'amministrazione dei progetti di finanziamento della ricerca specializzati nell'industria non profit per la supervisione della qualità, l'ispezione e la quarantena.

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Shi Liguang, Yao Lianghong, Luo Zhiqun e Wan Jianru

Shi Liguang, Yao Lianghong, Luo Zhiqun e Wan Jianru

Shi Liguang è uno studente laureato dell'Università di Tianjin. I suoi campi di interesse includono l'elettronica di potenza.

Yao Lianghong lavora presso l'Istituto di ispezione delle attrezzature speciali del Guangdong. I suoi campi di interesse includono la tecnologia di controllo dell'automazione.

Luo Zhiqun lavora presso il Guangdong Institute of Special Equipment Inspection. I suoi campi di interesse includono la tecnologia di rilevamento degli ascensori.

Wan Jianru è un professore dell'Università di Tianjin. I suoi campi di interesse includono l'elettronica di potenza, gli azionamenti elettrici e la tecnologia degli ascensori.

Mondo Ascensore | Copertina di giugno 2012

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