Desarrollo de una solución holística para variadores VVVF

Se investigan varias preocupaciones sobre esta norma industrial.

Este trabajo fue presentado en Madrid 2016, Congreso Internacional de Tecnologías de Transporte Vertical, y publicado por primera vez en el libro Elevator Technology 21 de la IAEE, editado por A. Lustig. Es una reimpresión con permiso de la Asociación Internacional de Ingenieros de Ascensores. (sitio web: www.elevcon.com).

Por el Dr. KM Tsang, el Dr. WL Chan y el Dr. Albert So

El uso de variadores de voltaje variable y frecuencia variable (VVVF) es la norma industrial de la industria moderna de ascensores, independientemente de si se emplea un motor de inducción trifásico convencional o un motor síncrono de imán permanente (PMS). Siendo este el caso, se deben investigar varias inquietudes acerca de las unidades VVVF. Primero, la mayoría de los variadores continúan usando resistencias de frenado ineficientes durante el proceso de frenado, a pesar de que los dispositivos de frenado regenerativo que ahorran energía están ganando popularidad. En segundo lugar, la calidad de la energía de la mayoría de los variadores es insatisfactoria debido al rectificador no controlado en la primera etapa del sistema, lo que requiere la instalación de un filtro activo o pasivo. En tercer lugar, estos variadores generalmente no pueden tolerar caídas de voltaje durante condiciones climáticas adversas o transitorios del sistema de transmisión de energía. Cuarto, se debe instalar un medidor separado para monitorear todos los parámetros relacionados con la calidad de la energía. En la Universidad Politécnica de Hong Kong se llevó a cabo un proyecto financiado por el Fondo de Tecnología de Innovación (ITF) para desarrollar un dispositivo holístico para abordar todos estos problemas. Este artículo describe su diseño y desarrollo de prototipos.

 Introducción 

Desde finales de la década de 1980, los variadores VVVF se han utilizado popularmente para casi todos los ascensores del mundo debido a su eficiencia energética y control preciso de la velocidad. Se han adoptado algoritmos de control escalares y vectoriales (Chan y So 1995, 1996; Ng et al 1997; Kulkarni et al 2000; Kulkarni 2000) para un buen desempeño dinámico y transitorio. No importa cuál sea el algoritmo de control, el hardware básico se ve casi igual para todos los tipos de accionamientos de ascensor (Figura 1).  

El convertidor de entrada, un rectificador trifásico, está conectado a la fuente de alimentación de la red, que convierte la CA trifásica en un bus de CC a través de un filtro LC para eliminar las ondulaciones. La CC se alimenta a los tres inversores de medio puente, donde se utiliza una CA trifásica de VVVF para alimentar el motor del ascensor. Durante el funcionamiento normal, el flujo de energía es de izquierda a derecha en la Figura 1. En una situación de carga alta o baja, la energía se regenera desde el motor de CA y se realimenta al bus de CC a través del inversor trifásico. Dado que el convertidor de entrada de la mayoría de las instalaciones no permite que la energía eléctrica fluya de regreso a la red, es decir, de derecha a izquierda, se usa un interruptor de encendido (Td en la Figura 1) para extraer una corriente a través de la resistencia de frenado Rd para disipar la energía regenerada. poder. A esto se le llama "frenado dinámico". Se desperdicia energía y la temperatura ambiente cerca de la unidad aumenta, lo que exige un sistema de ventilación o aire acondicionado más potente para mantener la temperatura a 40 ° C o menos, como lo requiere el código.

Además del manejo de la energía regenerada, hay dos problemas más con los circuitos. El funcionamiento normal del inversor depende en gran medida del bus de CC en buen estado con un voltaje designado. Suponga que hay una caída repentina de voltaje con el bus de CC: en este caso, el funcionamiento del variador se verá seriamente perturbado, lo que posiblemente resulte en un disparo del variador. Un problema más es que el convertidor trifásico extrae corriente de la red de forma intermitente, porque la corriente solo puede pasar a través de los diodos cuando el voltaje instantáneo de la línea trifásica es mayor que el voltaje en el bus de CC. Esta característica produce una muy mala calidad de energía en la red, que debe ser atendida.

Este proyecto tenía como objetivo desarrollar una solución integral para ocuparse de los tres problemas y, por lo tanto, hacer que un sistema de ascensores cumpliera con las cláusulas relevantes dentro del código energético. Los antecedentes se discuten con más detalle en la siguiente sección antes de discutir la solución.

Antecedentes relacionados con el código energético

Es bien sabido que el sistema de ascensores puede representar del 5 al 15% de todo el consumo de energía de un edificio de oficinas moderno de gran altura y hasta el 50% del componente público de una contraparte residencial. Hong Kong es el pionero en la eficiencia energética de los sistemas de ascensores que se gobiernan. En 1997, el Departamento de Servicios Mecánicos y Eléctricos (EMSD) del gobierno de la Región Administrativa Especial de Hong Kong (RAEHK) formó un grupo de trabajo para publicar una serie de cuatro códigos de prácticas para las instalaciones de servicios de construcción, que incluyen aire acondicionado, iluminación, eléctricos, y ascensor y escalera mecánica.

En 1999, se publicó el primer código energético para instalaciones de ascensores y escaleras mecánicas, con actualizaciones periódicas hasta 2007. Durante ese período, la implementación había sido puramente voluntaria. Para 2009, el gobierno de la RAEHK tenía la intención de hacer que los códigos fueran obligatorios de acuerdo con la ley. En 2012, se promulgó la Ordenanza de Eficiencia Energética de Edificios Cap 610. Desde entonces, todos los edificios de nueva construcción deben asegurarse de que los cuatro tipos clave de instalaciones de servicios de edificios cumplan con las normas de diseño del Código de energía de edificios (BEC, con el nombre completo, “Código de prácticas para la eficiencia energética de la instalación de servicios de edificios”). Hasta ahora, BEC se ha publicado dos veces, la versión 2012 y la versión 2015. En principio, ambos son similares, excepto que los requisitos establecidos en BEC 2015 son más estrictos. Según BEC 2015, la última edición, los sistemas de ascensores nuevos y renovados deben cumplir con los requisitos de eficiencia energética y calidad de la energía eléctrica, y algunos temas relevantes se enumeran a continuación:

• Las cláusulas 8.4.1 y 8.4.2 establecen el consumo máximo de energía eléctrica (en kW) de un elevador, tracción e hidráulico, respectivamente, a carga nominal y / oa velocidad nominal. Este problema debe ser tratado por la propia unidad VVVF, que está más allá del alcance de nuestro diseño.
• La cláusula 8.5.1.1 establece que el factor de potencia total (TPF) de un ascensor en el aislador que conecta el ascensor al circuito de suministro eléctrico del edificio no debe ser inferior a 0.85 cuando el ascensor lleva una carga nominal a su velocidad nominal y se desplaza en una dirección ascendente. Este requisito está dentro de nuestro alcance.
• La cláusula 8.6.1 establece que cuando un ascensor se mueve hacia arriba con carga nominal a su velocidad nominal, la distorsión armónica total (THD) producida por el accionamiento del motor en el aislador que conecta el ascensor al circuito de suministro eléctrico del edificio debe limitarse de acuerdo con un mesa. Por ejemplo, el límite es 35% si la corriente fundamental del circuito está entre 40 y 80 A. Esto también está dentro de nuestro alcance.
• La cláusula 8.7.1 establece que se deben proporcionar dispositivos de medición para el circuito de suministro eléctrico para el accionamiento del motor de cada ascensor para medir los voltajes (todos de línea a línea y de línea a neutro), corrientes (trifásicas y neutras), TPF, THD, consumo de energía (en kWh), potencia activa (en kW) y demanda máxima (en kVA). Esto también está dentro de nuestro alcance. En la actualidad, en Hong Kong, la mayoría de las instalaciones nuevas están equipadas con un filtro de potencia pasivo (combinación LRC) entre el suministro de red y el convertidor de entrada para hacer frente a los requisitos de THD y TPF. Aunque los medidores de potencia digitales y en red se instalan popularmente en cada interruptor principal de caja moldeada o interruptor de fusible con, digamos, una capacidad de 200 A o más, dentro de la sala de interruptores principal del edificio, esta práctica sigue siendo impopular entre los accionamientos de ascensores. Con la aplicación de BEC 2015, todos los convertidores de frecuencia de nuevas instalaciones deben estar equipados con un medidor digital. Como se muestra en la Figura 1, durante el frenado o el movimiento descendente de carga alta, se desperdicia energía en la resistencia Rd as Td está prendido. Según BEC 2015, tal "frenado dinámico" puede que ya no sea aceptable en todas las condiciones.
• La cláusula 8.5.5 establece que se debe proporcionar frenado regenerativo para cada levantamiento con (a) una velocidad nominal de 3 mps o más, y (b) una carga nominal de 1000 kg o más, y se debe alimentar la potencia del frenado regenerativo hacia la fuente de alimentación entrante. Este requisito es abordado por el proyecto.  

Antecedentes relacionados con la caída de voltaje

Las caídas de tensión provocadas por condiciones meteorológicas adversas pueden ser inevitables. El término “caída de tensión” se utiliza ampliamente en Europa, mientras que el término “caída de tensión” se utiliza en el sector en los EE. UU. (ELEVATOR WORLD, febrero de 2015). Los autores se inspiraron por primera vez para estudiar este problema en 2004, después de que una grave caída de tensión provocada por una fuerte tormenta eléctrica en Hong Kong provocara que más de 50 ascensores se activaran de repente, atrapando a un gran número de pasajeros (So y Chan, 2015). Normalmente, cuando un ascensor deja de funcionar y los pasajeros quedan atrapados, la administración del edificio llama primero al contratista de mantenimiento. Y, si existe la posibilidad de que haya pasajeros heridos, se busca la ayuda de la policía y luego del departamento de bomberos. Esta práctica es quizás habitual en cualquier parte del mundo. Pero, si pensamos en la situación en la que cientos de ascensores se ponen en funcionamiento al mismo tiempo debido a un problema de suministro eléctrico (las caídas de tensión y los apagones son algunas de las posibles causas que se deben tener en cuenta), ¿es probable que tanto los contratistas de mantenimiento como el departamento de bomberos cuenten con el apoyo adecuado para rescatar a miles de pasajeros atrapados? Además, después de una serie de caídas de tensión, seguidas de paradas inmediatas de ascensores en algún punto del hueco del ascensor, en Hong Kong, entre 2004 y 2006, la sociedad empezó a debatir quién debería asumir la responsabilidad: ¿la compañía eléctrica, el fabricante del ascensor o el contratista de mantenimiento?

Una de las mejores referencias al tema de la calidad de la energía eléctrica es el estándar IEEE 1159-2009 sobre la práctica recomendada para monitorear la calidad de la energía eléctrica. El problema de la caída de voltaje, por supuesto, cae dentro de la categoría de calidad de la energía eléctrica. Una caída de voltaje no se considera una falla o interrupción de energía y, la mayoría de las veces, no dura más de 0.2 s. antes de que se restablezca el suministro eléctrico normal, aunque la definición formal permite una existencia prolongada de hasta 0.5 s. por uno instantáneo. Puede haber muchas causas de eventos de caída de voltaje, que se asocian principalmente con las malas condiciones climáticas. Durante una tormenta, los rayos a menudo golpean las líneas de transmisión aéreas, que son responsables de la transmisión de energía eléctrica desde la planta generadora a las subestaciones. Tales líneas aéreas se encuentran generalmente en los suburbios, a través de las crestas de las montañas o en las llanuras, donde son los objetos más altos adyacentes a su vecindario. Aunque la punta de las torres de transmisión está conectada por un blindaje con conexión a tierra o un cable protegido para protección, mientras que el voltaje de transmisión, digamos, a 400-800 kV, está un poco más cerca del voltaje de los rayos, todavía hay posibilidades de que se produzca una sobrecarga. líneas que se golpean. Después de que el rayo golpea la línea aérea, a menudo continuará penetrando a través del aire debajo y terminará golpeando el suelo. Durante su paso, la línea aérea se cortocircuita instantáneamente a tierra, provocando un evento de caída de voltaje.

En Hong Kong, en relación con ascensores y escaleras mecánicas, una caída de tensión se define como una reducción de la tensión de alimentación al 60% del valor nominal, con una duración de hasta 0.2 s. En 2005, el EMSD del gobierno de la RAEHK emitió una cláusula reemplazada (8.4.1.2) en el Código de prácticas sobre el diseño y la construcción de ascensores y escaleras mecánicas (edición de 2000). Según la cláusula, el sistema de frenado de una escalera mecánica funcionará automáticamente (a) en caso de pérdida del suministro de voltaje, (b) en caso de pérdida del suministro de voltaje a los circuitos de control o (c) para la instalación de una escalera mecánica. equipado con dispositivos de protección que le permitan mantener el funcionamiento ("ride-through") durante las caídas de tensión de la fuente de alimentación, (i) en un lapso de 0.2 s. de una caída de tensión de alimentación continua de más del 10% de la tensión de alimentación o (ii) una caída de tensión superior al 60% de la tensión de alimentación o (iii) en caso de fallo del dispositivo de protección. Aunque se permite el uso de estos dispositivos de transporte en escaleras mecánicas, el gobierno de la RAEHK sigue siendo muy conservador en la aplicación del concepto de transporte en ascensores. Esto también está dentro del alcance del proyecto.

Un estudio sobre frenado regenerativo

Para incluir el frenado regenerativo en la solución holística, la forma de onda de voltaje en el bus de CC se monitoreó y registró en una condición de elevación sin carga o con carga completa. El resultado se muestra en la Figura 2 (a) con dos ventanas ampliadas que se muestran en la Figura 2 (b) y la Figura 2 (c). Se puede ver que el voltaje de CC se mantiene en un valor nominal cuando el automóvil no está en funcionamiento, mientras que comienza a caer bajo un viaje cargado. Un viaje cargado hace que el voltaje de CC aumente más allá del valor normal. Una vez que el voltaje alcanza un límite superior, Td se enciende y la energía se disipa en la resistencia Rd, lo que provoca una caída de voltaje. Cuando el voltaje cae a un cierto límite inferior, Td se apaga y el voltaje aumenta nuevamente. El frenado regenerativo debería funcionar de manera similar. Sin embargo, los límites exactos superior e inferior de activación y desactivación varían según la unidad y, por lo tanto, es difícil determinar un ajuste óptimo de frenado regenerativo. Además, la tensión de alimentación de la red también varía de día a noche. No es confiable y, a veces, inestable establecer límites superiores e inferiores fijos para todas las situaciones, lo que da como resultado un control no óptimo. En la solución holística, se adopta un nuevo enfoque para que el control no se base únicamente en la fluctuación de voltaje.  

Justificación del desarrollo de la solución holística

En la actualidad, existen productos en el mercado que abordan cada uno de los requisitos anteriores, es decir, dispositivos de frenado regenerativo, filtros de potencia activa, medidores de potencia integrales, etc. Son, en primer lugar, independientes entre sí; en segundo lugar, sus detalles técnicos se tratan como secretos comerciales; y, en tercer lugar, no son interoperables, lo que encarece el cumplimiento total de la BEC por parte de los ascensores existentes. En nuestro diseño, todos ellos se han integrado en un solo dispositivo que llega a una solución rentable. Técnicamente, se han abordado cuatro cuestiones. Primero, como se mencionó anteriormente, un dispositivo será suficiente en el futuro, lo que reducirá en gran medida los costos de hardware, software, instalación y mantenimiento. En segundo lugar, el nuevo dispositivo será compatible con todas las unidades de elevación estándar instaladas después de la década de 1990 que están equipadas con convertidores, buses de CC e inversores. Los fabricantes de la solución pueden entonces ser independientes de los fabricantes de ascensores. Esa es también una forma de reducir el costo en beneficio de los propietarios de ascensores. En tercer lugar, en la actualidad, todas las funciones mencionadas anteriormente necesitan un ajuste preciso y exacto de los parámetros dentro de los dispositivos. Si los dispositivos son incompatibles entre sí, es difícil llegar al conjunto óptimo de parámetros de control a ajustar.

A menudo, la habilidad limitada de los técnicos puede dificultar aún más el funcionamiento óptimo de estos dispositivos. Con una solución integral, la configuración de los parámetros puede ser completamente automática o fácil de usar. En particular, los relacionados con el bus de CC necesitan un ajuste preciso cuando el frenado regenerativo es efectivo y cuando se necesita estabilización. Nuestros nuevos algoritmos de control integrados en el interior reducen en gran medida la mano de obra para ajustar la configuración. Finalmente, la forma de beneficiar prácticamente a los propietarios de ascensores es reducir el costo. El objetivo del equipo de investigación es asegurarse de que el costo total de producción de hardware de cada dispositivo final se mantenga por debajo de los 2,000 dólares estadounidenses.

El hardware

La Figura 3 muestra la estructura de diseño general del hardware. El bus de CC conectado al inversor está conectado a un convertidor CC / CC bidireccional de nuevo diseño, que es el elemento clave de todo el diseño. Este convertidor tiene dos propósitos. Primero, el voltaje en el bus de CC no es fijo. Para algunos ascensores, se utiliza un transformador para reducir el voltaje de la red y, por lo tanto, el voltaje del bus de CC se reduce en consecuencia. En segundo lugar, al utilizar el convertidor CC / CC, es posible elevar el voltaje a través del capacitor a un nivel mucho más alto; digamos, cerca de 1,000 V. Entonces, la eficiencia del flujo de energía será mucho mayor. El otro lado del convertidor CC / CC está a un voltaje relativamente alto (600-1,200 V), que se estabiliza mediante un condensador de alrededor de 2,000 uF. Dicho bus de CC conectado a un condensador está conectado a un filtro de potencia activa trifásico bidireccional de nuevo diseño, cuya estructura se muestra en la Figura 4. Cuando el voltaje en el condensador alcanza un valor alto, 110% o más por encima del valor nominal - la energía se alimenta desde el condensador a la red trifásica a través del filtro de potencia activa bidireccional. Al mismo tiempo, el convertidor CC / CC extrae energía del bus de CC conectado al inversor a la red a través del bus de CC conectado al condensador y luego el filtro activo de potencia bidireccional. En otras palabras, la responsabilidad de extraer energía del bus de CC conectado al inversor al condensador recae en el convertidor CC / CC, lo que ahorra algunas actividades de control del filtro de potencia activa bidireccional.

Durante el funcionamiento normal, el filtro de potencia activo bidireccional extrae energía de la red trifásica para mantener el condensador correctamente cargado. A lo largo de este proceso de carga, el filtro de potencia activa se comporta como un filtro activo, corrigiendo el TPF y THD en el suministro trifásico a los estándares requeridos. El convertidor CC / CC recibe señales del analizador de potencia CA en línea recientemente desarrollado, que también es un componente dentro de la solución holística, desarrollada en el IC de medición de energía multifunción polifásico ADE7880 con monitoreo de armónicos.

Para el frenado regenerativo, el convertidor CC / CC puede confirmar esto por dos medios simultáneos: primero, verificando si el voltaje del bus de CC conectado al inversor supera, digamos, el 110% del valor nominal y, segundo, verificando con mayor precisión la energía extraída de la red trifásica por el rectificador no controlado con la ayuda del analizador de redes, que también monitorea continuamente otros parámetros, como voltaje, corriente, TPF, potencia aparente y armónicos, etc. para cumplir con los requisitos del BEC . Una vez que se confirma el frenado regenerativo, el convertidor CC / CC extraerá energía del bus de CC conectado al inversor para aumentar el voltaje del capacitor a más del 110% del valor nominal, luego el filtro de potencia activa bidireccional, para extraer aún más la energía. a la red trifásica.

Dado que el frenado regenerativo ahora se confirma por dos medios diferentes, el proceso de toma de decisiones es más confiable y seguro, en comparación con la forma convencional de verificar solo el voltaje del bus de CC. Cuando el ascensor no está en funcionamiento, pero la tensión de alimentación de la red aumenta, el convertidor CC / CC no funciona, aunque la tensión en el bus de CC conectado al inversor aumenta, porque el analizador de redes reconoce que la tensión de red anormalmente alta es no es un proceso de frenado regenerativo.

 Para el funcionamiento por caída de voltaje, el analizador de potencia reconoce un evento de caída de voltaje e indica al convertidor CC / CC que recupere energía temporalmente del capacitor para alimentar el bus de CC conectado al inversor durante un período corto de tiempo (no más de 0.2 s.), evitando así el disparo del accionamiento del motor. Cabe señalar que la energía almacenada dentro del condensador de 2,000 uF no es suficiente para soportar el bus de CC conectado al inversor para soportar una duración de 0.2 s. en condiciones de carga completa. Se espera que la caída de voltaje con el suministro trifásico se reduzca solo al 40% del valor nominal, y el filtro de potencia activa bidireccional aún puede cargar el condensador de forma continua a medida que el convertidor CC / CC extrae energía del mismo.    

IGBT frente a MOSFET

En el filtro de potencia activa bidireccional, se utilizan MOSFET de carburo de silicio (SiC) en lugar de transistores bipolares de puerta aislada (IGBT), aunque en los inversores convencionales, los IGBT se utilizan ampliamente. Hay dos razones. Primero, las pérdidas de conducción de los MOSFET son menores que las de los IGBT (Figura 5). A la misma corriente, el VDS a través del MOSFET es mucho más bajo que el VCE del IGBT; por lo tanto, menores pérdidas. En segundo lugar, la frecuencia de conmutación permitida de los MOSFET es mucho más alta que la de los IGBT. Una frecuencia de operación de conmutación más alta del filtro significa que los componentes pasivos, incluidos los inductores y condensadores, pueden reducirse, lo que es beneficioso para la fabricación y la instalación.

Conclusión

Se ha discutido el fundamento del proyecto de desarrollar una solución holística para los accionamientos de ascensores, y se ha discutido el diseño de hardware de la solución que consta de componentes recientemente desarrollados, incluido un convertidor CC / CC y un filtro de potencia activa bidireccional (que tiene dos propósitos, como filtro y un dispositivo regenerativo). Se espera que, en un futuro próximo, un dispositivo de este tipo esté disponible a un precio razonable para todos los propietarios de ascensores.  

Agradecimiento

El proyecto fue financiado por el Fondo de Innovación y Tecnología (ITS / 026 / 14FP) del gobierno de la RAEHK y se llevó a cabo en la Universidad Politécnica de Hong Kong.