Sistema de recuperación de energía "unidireccional" para ascensores

Un examen de las tecnologías de almacenamiento de energía, convertidores y más para lograr una clasificación de energía de elevación más alta

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

Recientemente, se ha presentado una variedad de sistemas de recuperación para ascensores. La mayoría de topologías han sido diseñadas para recuperar la energía de frenado mediante convertidores de potencia bidireccionales para suministrar la potencia demandada por el motor. Sin embargo, no siempre son la solución óptima para todos los escenarios, especialmente en lo que respecta a la clasificación energética estándar.

Este artículo presenta una topología modular que combina el uso de supercondensadores, convertidores de potencia unidireccionales y electrónica inteligente para lograr una mejor clasificación de energía de elevación (según las normas VDI 4707 e ISO 25745). Se presentan sus características, así como los resultados reales de las pruebas. Esta tecnología se puede implementar en ascensores nuevos o existentes.

1. Introducción

La eficiencia energética ha aumentado en importancia en los últimos diseños de ascensores. Como resultado, los diseñadores y fabricantes de ascensores dedican más esfuerzos a soluciones de ahorro de energía con el objetivo de lograr menores consumos en un ascensor durante su vida útil. Estos consumos provienen de la máquina de tracción utilizada para el desplazamiento del automóvil, junto con los sistemas auxiliares, como iluminación, electrónica o funcionamiento en standby. Esto hace que la eficiencia de elevación sea una combinación de tracción y rendimiento en reposo.

Se han desarrollado sistemas de recuperación de energía (ERS) para mejorar el rendimiento del ascensor, aprovechando las propiedades regenerativas de los trenes de potencia eléctricos (Tominaga, et al., 2002). Algunos de estos sistemas se basan en convertidores de potencia bidireccionales (Oyarbide, et al., 2015) donde la energía recolectada durante el frenado se dirige a un sistema de almacenamiento para que pueda utilizarse en la siguiente etapa de tracción. El sistema de almacenamiento suele estar basado en supercondensadores (Li y Ruan, 2008) debido a su alta potencia específica. A medida que estos sistemas se conectan al bus de CC, la energía recuperada se distribuye de nuevo al bus para que la máquina de tracción pueda utilizarla cuando la necesite o devolverla a la red eléctrica si la topología lo permite. (Los fabricantes de ascensores ya utilizan accionamientos regenerativos en los que la energía recuperada puede ser utilizada por ascensores adyacentes u otros sistemas en el edificio). Esto hace que estos sistemas estén específicamente orientados a la reducción de energía durante la operación de tracción.

Sin embargo, estas topologías ERS no cubren la demanda de energía en reposo y en reposo. La demanda en espera tiene un peso relevante en la eficiencia general de elevación según lo definido por las normas vigentes (VDI 4707 e ISO 25745-2). Estos estándares clasifican el uso del elevador en varias categorías, donde las categorías inferiores están asociadas a un menor uso del elevador para el transporte. En estos casos, las demandas de standby producen un impacto significativo en el ascensor en la clasificación general.

El trabajo que se presenta en este artículo consiste en un nuevo ERS en el que la energía recolectada se utiliza para alimentar los sistemas auxiliares y, por tanto, reducir el consumo en reposo del ascensor, provocando un aumento de la eficiencia global y la correspondiente clasificación del ascensor.

2. ERS "unidireccional"

La topología presentada en este artículo es un enfoque diferente con respecto a los sistemas de recuperación existentes y el uso de energía recuperada.

El ERS está conectado al bus de CC del accionamiento del motor de elevación. Cuando se detecta una sobretensión en este bus (superior a 620 V aproximadamente) como resultado de que el motor comienza a funcionar como generador, el convertidor de potencia CC / CC extrae esa energía y la utiliza para cargar los supercondensadores. En los casos en que los supercondensadores estén completamente cargados o el convertidor tenga una potencia limitada para extraer toda la energía, la tensión del bus de CC seguirá aumentando hasta que la resistencia de frenado comience a funcionar. La energía almacenada se utiliza para alimentar los sistemas auxiliares a través de una fuente de alimentación CC / CC convencional.

 El sistema está compuesto por cuatro elementos básicos (Figura 1):

1. El convertidor CC / CC modular unidireccional, conectado al enlace CC del accionamiento del motor, utiliza la energía de frenado del elevador para cargar los supercondensadores.
2. Supercondensadores, cargados con picos de alta potencia y descargados lentamente para alimentar los elementos auxiliares
3. Fuente de alimentación CC / CC: un convertidor de baja potencia utiliza la energía de los supercondensadores para generar el voltaje que necesitan los sistemas auxiliares.
4. Una unidad de control sólida es necesaria para controlar, monitorear y verificar todo el sistema para garantizar que no haya fallas de seguridad bajo ninguna situación.

2.1. Convertidor DC / DC unidireccional

Para este sistema, el convertidor debe satisfacer algunos requisitos esenciales:

• Sea unidireccional: la energía solo fluye desde el bus de CC a los supercondensadores.
• Salida aislada: la relación de voltaje entre el bus de CC y los supercondensadores es normalmente demasiado alta para hacer un convertidor eficiente sin un transformador. También podría recomendarse por motivos de seguridad.
• Potencia de pico alta con ciclo de trabajo muy bajo, lo que significa que el convertidor debe ser capaz de gestionar picos de potencia altos durante períodos de tiempo bajos (potencia media baja y disipación de calor media baja).
• Compatibilidad con el accionamiento del motor de elevación: el convertidor debe estar especialmente diseñado de manera que se minimicen las posibles perturbaciones que genera en el accionamiento del motor para evitar fallos inesperados de estabilidad, eléctricos o de seguridad.

2.1.1. Topología DC / DC

Se ha seleccionado un convertidor modular con unidades de potencia relativamente baja (hasta 2 kW de pico) para ajustarlo tanto como sea posible a un ascensor en particular. Con este enfoque, se puede diseñar un convertidor bastante simple, compacto y económico, y luego conectarlo en paralelo para adaptarlo a la potencia exigente.

Hay varias topologías (Figura 2) que pueden cumplir con estas características y pueden ser controladas directamente por controladores estándar. La posibilidad de utilizar este tipo de controlador puede reducir tanto el costo de los componentes como el tiempo de desarrollo.

Las topologías que se utilizan normalmente para aplicaciones de menor potencia se pueden adaptar si se diseñan cuidadosamente para este caso de pico de potencia alta pero potencia media baja. Por ejemplo, dos conmutadores directos o medio puente (resonantes o no) son topologías simples y económicas que se utilizan normalmente para diseños por debajo de 1 kW que se pueden utilizar para una mayor potencia transitoria.

2.2. Almacen de energia

Básicamente, existen dos posibilidades para el almacenamiento de energía. El primero son los supercondensadores, también conocidos como condensadores eléctricos de doble capa. Estos son condensadores electroquímicos que tienen una densidad de energía muy alta en comparación con los condensadores comunes, típicamente varios órdenes de magnitud mayor que un condensador electrolítico de alta capacidad.

El segundo son baterías de dos tipos:

1. Plomo-ácido: estos tienen una densidad energética mucho mayor que los supercondensadores, y su principal ventaja es que utilizan tecnología antigua, barata, segura y muy probada. Tienen un gran uso extendido en energías renovables. Sin embargo, al mismo nivel de potencia que los supercondensadores, son voluminosos e ineficientes.
2. Litio: existen varias variantes con características poco diferentes, dependiendo de la composición del cátodo. Con mayor energía y densidad de potencia que el plomo-ácido, este tipo de batería está comenzando a usarse en sistemas de alta potencia. Son costosos y peligrosos si se usan fuera de sus áreas de operación seguras de temperatura o voltaje (SOA). Por lo tanto, necesitan un costoso sistema de administración de baterías para que funcionen en una SOA.

La tabla 1 muestra las principales características de los posibles sistemas de almacenamiento.

Dado su funcionamiento pulsado, el sistema de almacenamiento de energía debe satisfacer los siguientes requisitos principales:

• Demandas de potencia pico elevadas y en poco tiempo
• Alta eficiencia
• Un número muy elevado de ciclos de carga y descarga (más de 100 por día)
• Alta densidad de energía

En base a estas características, los supercondensadores son el sistema de almacenamiento que mejor se adapta al presente caso. Aunque esta tecnología es relativamente nueva, ya ha sido probada y utilizada en muchos otros sectores del transporte, como el automotor (Schneuwly, et al., 2002) y ferrocarriles (Steiner, et al., 2007) con buenos resultados. En cuanto a costos, los supercondensadores no pueden competir con las baterías. Sin embargo, es interesante notar que los supercondensadores pueden costar alrededor de una cuarta parte del precio de las baterías de litio (Burke y Zhao, 2015).

Su mayor inconveniente en comparación con las baterías es su baja densidad energética. Este parámetro puede limitar la energía recuperada y el tiempo máximo que los sistemas auxiliares pueden alimentarse con esa energía. Otro problema de este almacenamiento (que también se aplica de manera similar a las baterías de litio) es el hecho de que los supercondensadores solo pueden soportar voltajes bajos (típicamente 2.7 V por celda), por lo que para la mayoría de las aplicaciones, deben conectarse en serie para obtener voltajes de trabajo más altos. Estos condensadores son muy sensibles a las sobretensiones. Por lo tanto, una vez conectados en serie, se debe utilizar la electrónica de equilibrio para garantizar que ninguna celda supere su voltaje máximo de trabajo.

2.3. Fuente de alimentación DC / DC

La potencia de este convertidor suele ser de 50 a 150 W y normalmente tiene que generar varios voltajes de salida (12 V, 24 V, 48 V, etc.) según los requisitos de los sistemas auxiliares del ascensor.

Si se selecciona cuidadosamente la tensión de trabajo del supercondensador, se pueden utilizar fuentes de alimentación estándar, evitando el diseño de un nuevo convertidor de potencia, lo que reduce en gran medida los costes de desarrollo.

3. Pruebas en un ascensor real

El sistema ERS ha sido evaluado en una instalación de ascensor real en las torres de prueba de ascensores ITAINNOVA (Figura 3). Las mediciones de energía se han realizado de acuerdo con ISO 25745-1: 2015 y 25745-2: 2015.

La Tabla 2 muestra las principales características de la torre de prueba y elevación probada.

El consumo de energía se compone de una operación en funcionamiento y una no operativa. Las mediciones de energía de la operación de funcionamiento se han logrado mediante:

• Hacer funcionar la cabina del ascensor vacía en un ciclo cerrado desde el piso 0 al 6 y de regreso al piso 0, incluida la energía utilizada durante las operaciones de dos puertas, de acuerdo con el ciclo de referencia especificado en ISO 25745-1
• Hacer funcionar la cabina del ascensor vacía en un ciclo cerrado desde el piso 4 al 6 y luego de regreso al piso 4, incluida la energía utilizada durante las operaciones de dos puertas, de acuerdo con el ciclo corto especificado en ISO 25745-1.

Las mediciones de energía en reposo se componen de condiciones inactivas y de espera. La energía en estado inactivo es la energía medida durante un período de 1 min., Comenzando inmediatamente después de finalizar el ciclo de referencia. La energía de la condición de espera es la energía medida que mantiene el automóvil vacío en el rellano inferior durante 5 min. después de que las puertas se hayan cerrado. Con estos valores de energía medidos, se puede obtener la clasificación energética para esta elevación estándar.

Las mediciones de clasificación se realizaron primero en el levantamiento "stock" sin ninguna modificación.

Posteriormente, se implementó el ERS en el ascensor para la validación experimental (Figura 3). El objetivo de la medición fue cuantificar la cantidad de energía que se puede recolectar con ERS en el ascensor. Esto permitió evaluar el impacto sobre el consumo energético de la operación en reposo y la compatibilidad del sistema con un ascensor real. Las Figuras 3 y 4 muestran los tres elementos principales del ERS: módulo supercondensador (1), convertidor DC / DC conectado al Bus DC (2) y la fuente de alimentación DC / DC con 24 V a los elementos auxiliares (3).

El proceso de prueba se ha realizado siguiendo las indicaciones estándar de manera que el nivel de carga de los dispositivos de almacenamiento de energía sea el mismo al principio y al final de cada período de medición. De esta forma se puede determinar el impacto de ERS en el consumo de energía. Por esta razón, el nivel de voltaje del módulo supercondensador ha sido monitoreado durante todo el proceso de prueba.

La salida del sistema ERS se ha conectado a una carga de resistencia variable (marcada como “4” en las Figuras 3 y 4). Se han medido tanto la corriente como el tiempo de descarga para cuantificar la energía disponible que se puede utilizar para alimentar la operación en reposo.

Dado que en este prototipo específico el equipo auxiliar no se alimenta desde un solo punto (es decir, las luces se conectan directamente desde la red de CA), fue necesario realizar una simulación para obtener el impacto de la contribución ERS en la clasificación energética del elevar. Las características del ascensor se introducen en un modelo cuasi-dinámico para el análisis del consumo energético en ascensores (Echeverría I, et al., 2014), y se suma la energía registrada recuperada por ERS para suplir el consumo en reposo. Finalmente, se simula la trayectoria ISO (ciclo de referencia y ciclo corto) y la operación en reposo (condición inactiva y en espera), y se obtiene el consumo total del ascensor, produciendo los resultados que se muestran en la Tabla 3.

Como se observa en el resumen de resultados de la Tabla 3, se disminuye el consumo diario y se obtiene una mejor clasificación, mostrando que se puede obtener un cambio de clase de B a A en categorías de bajo consumo.

4. Conclusiones

El trabajo presentado en este trabajo ha producido una nueva topología de ERS, que es compatible con la mayoría de los ascensores que permiten la regeneración energética. Este ERS es una solución patentada, que ha sido probada con éxito en una instalación real con buenos resultados en términos de mejora de la eficiencia.

El diseño modular permite una conexión plug-and-play que facilita la conexión de los componentes y facilita el ajuste de la solución al ascensor, donde se va a implementar. De esta manera, la solución se vuelve óptima, ya que el tamaño del conjunto de supercondensadores se puede ajustar a la capacidad del ascensor para la recuperación de energía.

Como resultado, la energía desperdiciada durante el frenado es mínima y el costo del sistema de almacenamiento del supercondensador se limita al requerido. Como el dispositivo se basa en un convertidor unidireccional, el costo total se define principalmente por el conjunto de supercondensadores, lo que hace que el ERS sea una solución económica.

Finalmente, los resultados obtenidos en un ascensor real han demostrado que el consumo de ascensor de la red eléctrica se puede prácticamente eliminar durante el funcionamiento en espera, lo que permite llegar a una clase de ascensores donde se aplican categorías bajas, con los correspondientes beneficios que proporciona.

Agradecimiento

Queremos agradecer al personal técnico de MP ASCENSORES por su dedicado apoyo durante la campaña de prueba de este proyecto.

Referencias
[1] Tominaga S., Suga, I., Araki, H., Ikejima, H., Kusuma, M., Kobayashi, K., (2002). “Desarrollo de un elevador de ahorro de energía mediante un sistema de almacenamiento de energía regenerada”. Actas de la Power Conversion Conference, 2002. PCC-Osaka. Vol. 2, páginas 890-895, 2002.
[2] Oyarbide E., Jiménez LA, Molina P., Gálvez R., Bernal C., “Challenges of Low-Voltage Energy Storage for Lifts”, V Simposio sobre Tecnologías de Ascensores y Escaleras Mecánicas, págs. 5-147, 170.
[3] Li Z., Ruan Y., "Un novedoso sistema de control de ahorro de energía para ascensores basado en un banco de supercondensadores que utiliza lógica difusa", Conferencia Internacional de 2008 sobre Máquinas y Sistemas Eléctricos, vol., No., Pp.2717-2722, 17-20 de octubre de 2008.
[4] Schneuwly A., Bärtschi M., Hermann V., Sartorelli G., Gallay R., Koetz R., "BOOSTCAP Double-Layer Capacitors for Peak Power Automotive applications", Segunda Conferencia Internacional de Baterías Automotrices Avanzadas (AABC), Las Vegas, Nevada, 2002.
[5] Steiner M., Klohr M., Pagiela S., “Sistema de almacenamiento de energía con UltraCaps a bordo de vehículos ferroviarios”, Conferencia europea sobre aplicaciones y electrónica de potencia, Aalborg, Dinamarca, págs. 1-10, 2007.
[6] Burke A., Zhao H., “Aplicaciones de supercondensadores en vehículos eléctricos e híbridos”, 5º Simposio europeo sobre soluciones híbridas y de supercondensadores (ESSCAP), Brasov, Rumania, 23-25 ​​de abril de 2015.
[7] Echeverría I., Arteche F., Iglesias M., Gómez A., Roig JA, González P., “Un modelo cuasi-dinámico para el análisis del consumo de energía en ascensores”, XXI Congreso Internacional de Transporte Vertical (ELEVCON 21) , 14.