Sviluppo di una soluzione olistica per gli azionamenti VVVF

Vengono esaminate diverse preoccupazioni su questa norma industriale.

Questo documento è stato presentato a Madrid 2016, il Congresso Internazionale sulle Tecnologie di Trasporto Verticale, e pubblicato per la prima volta nel libro IAEE Elevator Technology 21, a cura di A. Lustig. È una ristampa con il permesso dell'Associazione Internazionale degli Ingegneri degli Ascensori (sito web: www.elevcon.com).

Dal Dr. KM Tsang, dal Dr. WL Chan e dal Dr. Albert So

L'uso di azionamenti a tensione variabile e frequenza variabile (VVVF) è la norma industriale della moderna industria degli ascensori, indipendentemente dal fatto che venga impiegato un motore a induzione trifase convenzionale o un motore sincrono a magneti permanenti (PMS). Stando così le cose, devono essere esaminate diverse preoccupazioni sulle unità VVVF. Innanzitutto, la maggior parte degli azionamenti continua a utilizzare resistori di frenatura inefficienti durante il processo di frenatura, anche se i dispositivi di frenatura rigenerativa a risparmio energetico stanno guadagnando popolarità. In secondo luogo, la qualità dell'alimentazione della maggior parte degli azionamenti è insoddisfacente a causa del raddrizzatore non controllato nella prima fase del sistema, che richiede l'installazione di un filtro attivo o passivo. In terzo luogo, queste unità di solito non possono tollerare cali di tensione durante condizioni meteorologiche avverse o transitori del sistema di trasmissione di potenza. In quarto luogo, è necessario installare un contatore separato per monitorare tutti i parametri relativi alla qualità dell'alimentazione. Un progetto finanziato dall'Innovation Technology Fund (ITF) è stato condotto presso la Hong Kong Polytechnic University per sviluppare un dispositivo olistico per affrontare tutti questi problemi. Questo articolo ne descrive il design e lo sviluppo del prototipo.

 Introduzione 

Dalla fine degli anni '1980, gli azionamenti VVVF sono stati comunemente utilizzati per quasi tutti gli ascensori del mondo grazie alla loro efficienza energetica e al controllo preciso della velocità. Algoritmi di controllo scalari e vettoriali (Chan e So 1995, 1996; Ng et al 1997; Kulkarni et al 2000; Kulkarni 2000) sono stati adottati per buone prestazioni dinamiche e transitorie. Indipendentemente dall'algoritmo di controllo, l'hardware di base sembra quasi lo stesso per tutti i tipi di azionamenti per ascensori (Figura 1).  

Il convertitore di ingresso, un raddrizzatore trifase, è collegato all'alimentazione dalla rete, che converte la CA trifase in un bus CC attraverso un filtro LC per rimuovere le increspature. La corrente continua viene alimentata ai tre inverter a mezzo ponte, dove viene utilizzata una corrente alternata trifase di VVVF per alimentare il motore dell'ascensore. Durante il normale funzionamento, il flusso di potenza è da sinistra a destra nella Figura 1. In una situazione di carico pesante o di carico leggero, l'alimentazione viene rigenerata dal motore CA e restituita al bus CC attraverso l'inverter trifase. Poiché il convertitore di ingresso della maggior parte delle installazioni non consente il ritorno dell'energia elettrica alla rete, ovvero da destra a sinistra, viene utilizzato un interruttore di alimentazione (Td in Figura 1) per prelevare una corrente attraverso il resistore di frenatura Rd per dissipare il rigenerato potenza. Questa si chiama "frenata dinamica". L'energia viene sprecata e la temperatura ambiente vicino all'azionamento aumenta, richiedendo un sistema di ventilazione o condizionamento dell'aria più potente per mantenere la temperatura a 40°C o meno, come richiesto dal codice.

Oltre alla gestione della potenza rigenerata, ci sono altri due problemi con i circuiti. Il normale funzionamento dell'inverter dipende molto dal bus DC sano con una tensione designata. Supponiamo che ci sia un improvviso calo di tensione con il bus DC: in questo caso, il funzionamento del drive sarebbe gravemente disturbato, con conseguente possibile intervento del drive. Un altro problema è che il convertitore trifase assorbe corrente dalla rete in modo intermittente, perché la corrente può passare attraverso i diodi solo quando la tensione di linea trifase istantanea è superiore alla tensione sul bus CC. Questa caratteristica produce una qualità dell'energia molto scarsa alla rete, che deve essere affrontata.

Questo progetto mirava a sviluppare una soluzione olistica per prendersi cura di tutti e tre i problemi e, quindi, rendere un sistema di ascensori conforme alle clausole pertinenti all'interno del codice energetico. Lo sfondo viene ulteriormente discusso nella sezione successiva prima che venga discussa la soluzione.

Contesto relativo al codice energetico

È noto che il sistema ascensore può rappresentare il 5-15% di tutto il consumo energetico di un moderno grattacielo per uffici e fino al 50% della componente pubblica di una controparte residenziale. Hong Kong è il pioniere dell'efficienza energetica dei sistemi di ascensori governati. Nel 1997, è stata costituita una task force dal Dipartimento dei servizi elettrici e meccanici (EMSD) del governo della Regione amministrativa speciale di Hong Kong (HKSAR) per pubblicare una serie di quattro codici di condotta per gli impianti di servizi edili, tra cui aria condizionata, illuminazione, elettrico, ascensore e scale mobili.

Nel 1999 è stato pubblicato il primo codice energetico per gli impianti di ascensori e scale mobili, con aggiornamento regolare fino al 2007. Durante quel periodo, l'attuazione era stata puramente su base volontaria. Entro il 2009, il governo dell'HKSAR intendeva rendere i codici obbligatori per legge. Nel 2012 è stata emanata l'ordinanza sull'efficienza energetica degli edifici Cap 610. Da allora, tutti gli edifici di nuova costruzione devono garantire che i quattro tipi chiave di impianti di servizi edilizi siano conformi agli standard di progettazione del Building Energy Code (BEC, con il nome completo, "Code of Practice for Energy Efficiency of Building Services Installation"). Finora BEC è stato pubblicato due volte, la versione 2012 e la versione 2015. In linea di principio, entrambi sono simili, tranne per il fatto che i requisiti indicati in BEC 2015 sono più rigorosi. Secondo BEC 2015, l'ultima edizione, i sistemi di ascensori nuovi e rinnovati devono soddisfare i requisiti di efficienza energetica e qualità dell'energia elettrica, e alcune questioni rilevanti sono elencate di seguito:

• I punti 8.4.1 e 8.4.2 stabiliscono il consumo massimo di potenza elettrica (in kW) di un ascensore, di trazione e idraulico, rispettivamente, al carico nominale e/o alla velocità nominale. Questo problema deve essere affrontato dall'unità VVVF stessa, che va oltre lo scopo del nostro progetto.
• La clausola 8.5.1.1 afferma che il fattore di potenza totale (TPF) di un ascensore in corrispondenza dell'isolatore che collega l'ascensore al circuito di alimentazione elettrica dell'edificio non deve essere inferiore a 0.85 quando l'ascensore trasporta un carico nominale alla sua velocità nominale e viaggia in una direzione verso l'alto. Questo requisito rientra nel nostro ambito.
• La clausola 8.6.1 afferma che quando un ascensore sale con il carico nominale alla sua velocità nominale, la distorsione armonica totale (THD) prodotta dall'azionamento del motore sull'isolatore che collega l'ascensore al circuito di alimentazione elettrica dell'edificio dovrebbe essere limitata secondo un tavolo. Ad esempio, il limite è del 35% se la corrente fondamentale del circuito è compresa tra 40 e 80 A. Anche questo rientra nel nostro ambito.
• La clausola 8.7.1 stabilisce che devono essere previsti dispositivi di misurazione per il circuito di alimentazione elettrica per l'azionamento del motore di ciascun ascensore per la misurazione di tensioni (tutte le linee e le linee-neutro), le correnti (trifase e neutro), TPF, THD, consumo energetico (in kWh), potenza attiva (in kW) e massima richiesta (in kVA). Anche questo rientra nel nostro ambito. Attualmente, a Hong Kong, la maggior parte delle nuove installazioni è dotata di un filtro di potenza passivo (combinazione LRC) tra l'alimentazione di rete e il convertitore di ingresso per far fronte ai requisiti THD e TPF. Sebbene i misuratori di potenza digitali e di rete siano comunemente installati in ogni principale interruttore automatico scatolato o interruttore fusibile con, ad esempio, una capacità di 200 A o superiore, all'interno della sala interruttori principale dell'edificio, tale pratica è ancora impopolare con gli azionamenti per ascensori. Con l'entrata in vigore del BEC 2015, tutti gli azionamenti delle nuove installazioni devono essere dotati di un contatore digitale. Come mostrato nella Figura 1, durante la frenata o il movimento verso il basso con carico elevato, l'energia viene sprecata nel resistore Rd as Td è acceso. Secondo BEC 2015, tale "frenata dinamica" potrebbe non essere più accettabile in tutte le condizioni.
• La clausola 8.5.5 afferma che la frenata rigenerativa dovrebbe essere fornita per ogni ascensore con (a) una velocità nominale di 3 mps o superiore e (b) un carico nominale di 1000 kg o superiore e la potenza della frenata rigenerativa dovrebbe essere alimentata verso la sorgente di alimentazione in ingresso. Questa esigenza è soddisfatta dal progetto.  

Sfondo relativo al calo di tensione

I cali di tensione causati da condizioni meteorologiche avverse possono essere inevitabili. Il termine "cali di tensione" è ampiamente utilizzato in Europa, mentre "abbassamento di tensione" è utilizzato dal settore negli Stati Uniti (ELEVATOR WORLD, febbraio 2015). Gli autori sono stati ispirati per la prima volta a esaminare questo problema nel 2004 dopo che un grave calo di tensione (abbassamento) causato da un forte temporale a Hong Kong ha portato allo scatto improvviso di oltre 50 ascensori, intrappolando un bel po' di passeggeri (So e Chan, 2015). Normalmente, quando un ascensore non funziona e i passeggeri rimangono intrappolati, la direzione dell'edificio chiama prima l'appaltatore addetto alla manutenzione. E, se c'è un potenziale infortunio per i passeggeri, si chiede aiuto alla polizia e poi ai vigili del fuoco. Questa pratica è forse comune in tutto il mondo. Ma se pensiamo alla situazione in cui centinaia di ascensori vengono bloccati contemporaneamente a causa di un problema di alimentazione elettrica (cali di tensione e blackout sono alcune possibili cause da considerare), è probabile che sia disponibile un supporto adeguato sia da parte degli appaltatori di manutenzione che dei vigili del fuoco per salvare migliaia di passeggeri intrappolati? Inoltre, dopo una serie di eventi di cali di tensione, seguiti da immediati arresti degli ascensori da qualche parte lungo il vano corsa, a Hong Kong, dal 2004 al 2006, la società ha iniziato a discutere su chi avrebbe dovuto assumersi la responsabilità: la società elettrica, il produttore dell'ascensore e/o l'appaltatore di manutenzione?

Uno dei migliori riferimenti al problema della qualità dell'energia elettrica è lo standard IEEE 1159-2009 sulla pratica raccomandata per il monitoraggio della qualità dell'energia elettrica. Il problema della caduta di tensione, ovviamente, rientra nella categoria della qualità dell'energia elettrica. Un calo di tensione non è considerato un'interruzione o un'interruzione dell'alimentazione e, nella maggior parte dei casi, non dura più di 0.2 s. prima che venga ripristinata la normale alimentazione, sebbene la definizione formale consenta un'esistenza prolungata fino a 0.5 s. per uno istantaneo. Potrebbero essere molte le cause degli eventi di caduta di tensione, che sono principalmente associati a condizioni meteorologiche avverse. Durante un temporale, i fulmini spesso colpiscono le linee di trasmissione aeree, responsabili della trasmissione di energia elettrica dall'impianto di generazione alle sottostazioni. Tali linee aeree si trovano solitamente nei sobborghi, attraverso le creste montuose o in pianura, dove sono gli oggetti più alti adiacenti al loro quartiere. Sebbene la punta delle torri di trasmissione sia collegata da uno schermo messo a terra o da un cavo protetto per protezione, mentre la tensione di trasmissione, diciamo, a 400-800 kV, è un po' più vicina alla tensione dei fulmini, ci sono ancora possibilità che il sovraccarico linee che vengono colpite. Dopo che il fulmine colpisce la linea aerea, spesso continuerà a penetrare nell'aria sottostante e finirà per colpire il suolo. Durante il suo passaggio, la linea aerea viene istantaneamente cortocircuitata a terra, provocando un evento di caduta di tensione.

Ad Hong Kong, in relazione ad ascensori e scale mobili, si definisce caduta di tensione una riduzione della tensione di alimentazione al 60% del valore nominale, con una durata fino a 0.2 s. Nel 2005, l'EMSD del governo HKSAR ha emesso una clausola sostituita (8.4.1.2) nel Codice di condotta sulla progettazione e costruzione di ascensori e scale mobili (edizione 2000). In base alla clausola, il sistema di frenatura di una scala mobile deve funzionare automaticamente (a) in caso di interruzione dell'alimentazione di tensione, (b) in caso di interruzione dell'alimentazione di tensione ai circuiti di controllo o (c) per un impianto di scale mobili dotato di dispositivi di protezione per consentirne il mantenimento del funzionamento (“ride-through”) durante i buchi di tensione di alimentazione, (i) nell'intervallo di 0.2 s. di una caduta di tensione continuativa superiore al 10% della tensione di alimentazione o (ii) ad una caduta di tensione superiore al 60% della tensione di alimentazione o (iii) al guasto del dispositivo di protezione. Sebbene tali dispositivi di attraversamento possano essere utilizzati sulle scale mobili, il governo della HKSAR è ancora molto prudente sull'applicazione del concetto di passaggio sugli ascensori. Anche questo rientra nell'ambito del progetto.

Uno studio sulla frenata rigenerativa

Per includere la frenatura rigenerativa nella soluzione olistica, la forma d'onda di tensione sul bus CC è stata monitorata e registrata in condizioni di ascensore a vuoto oa pieno carico. Il risultato è mostrato nella Figura 2 (a) con due finestre ingrandite mostrate nella Figura 2 (b) e nella Figura 2 (c). Si può notare che la tensione continua rimane ad un valore nominale quando l'auto non è in funzione, mentre inizia a scendere sotto un viaggio carico. Un viaggio sotto carico fa sì che la tensione CC aumenti oltre il valore normale. Quando la tensione raggiunge un limite superiore, Td viene acceso e l'energia viene dissipata nel resistore Rd, provocando così una caduta di tensione. Quando la tensione scende a un certo limite inferiore, Td viene disattivato e la tensione aumenta di nuovo. La frenata rigenerativa dovrebbe funzionare in modo simile. Tuttavia, gli esatti limiti superiore e inferiore di attivazione e disattivazione variano in base all'azionamento e, pertanto, è difficile determinare un'impostazione ottimale della frenata rigenerativa. Inoltre, la tensione di alimentazione della rete varia anche dal giorno alla notte. È inaffidabile e talvolta instabile impostare limiti superiori e inferiori fissi per tutte le situazioni, risultando in un controllo non ottimale. Nella soluzione olistica, viene adottato un nuovo approccio in modo che il controllo non si basi esclusivamente sulla fluttuazione della tensione.  

Razionale dello sviluppo della soluzione olistica

Attualmente esistono sul mercato prodotti che rispondono a ciascuna delle suddette esigenze, cioè dispositivi di frenatura rigenerativa, filtri di potenza attiva, misuratori di potenza globali, ecc. Sono, in primo luogo, indipendenti l'uno dall'altro; secondo, i loro dettagli tecnici sono trattati come segreti commerciali; e, terzo, non sono interoperabili, rendendo così molto costoso il pieno rispetto del BEC da parte degli ascensori esistenti. Nel nostro design, tutti sono stati integrati in un unico dispositivo che arriva a una soluzione conveniente. Tecnicamente, sono stati affrontati quattro problemi. Innanzitutto, come accennato in precedenza, in futuro sarà sufficiente un dispositivo, il che ridurrà notevolmente i costi di hardware, software, installazione e manutenzione. In secondo luogo, il nuovo dispositivo sarà compatibile con tutti gli azionamenti per ascensori standard installati dopo gli anni '1990 dotati di convertitori, bus CC e inverter. I produttori della soluzione possono quindi essere indipendenti dai produttori di ascensori. Questo è anche un modo per ridurre i costi a vantaggio dei proprietari di ascensori. Terzo, attualmente, tutte le funzioni sopra menzionate richiedono un'impostazione precisa e accurata dei parametri all'interno dei dispositivi. Se i dispositivi sono incompatibili tra loro, è difficile arrivare al set ottimale di parametri di controllo da regolare.

Spesso, la limitata competenza dei tecnici può ulteriormente ostacolare il funzionamento ottimale di questi dispositivi. Con un'unica soluzione olistica, le impostazioni dei parametri possono essere completamente automatiche o facili da usare. In particolare, quelli relativi al bus DC necessitano di una sintonizzazione accurata quando la frenata rigenerativa è efficace e quando è necessaria la stabilizzazione. I nostri nuovi algoritmi di controllo integrati riducono notevolmente la manodopera per regolare le impostazioni. Infine, il modo per avvantaggiare praticamente i proprietari di ascensori è ridurre i costi. L'obiettivo del team di ricerca è assicurarsi che il costo totale di produzione dell'hardware di ciascun dispositivo finale sia mantenuto al di sotto di $ 2,000.

L'hardware

La Figura 3 mostra la struttura di progettazione complessiva dell'hardware. Il bus CC collegato all'inverter è collegato a un convertitore CC/CC bidirezionale di nuova concezione, che è l'elemento chiave dell'intero progetto. Questo convertitore ha due scopi. Innanzitutto, la tensione sul bus CC non è fissa. Per alcuni ascensori, viene utilizzato un trasformatore per abbassare la tensione della rete e, quindi, la tensione del bus CC viene ridotta di conseguenza. In secondo luogo, utilizzando il convertitore DC/DC, è possibile aumentare la tensione ai capi del condensatore a un livello molto più alto; diciamo, vicino a 1,000 V. Quindi, l'efficienza del flusso di potenza sarà molto più alta. L'altro lato del convertitore DC/DC è a una tensione relativamente alta (600-1,200 V), stabilizzata da un condensatore di circa 2,000 uF. Tale bus CC collegato al condensatore è collegato a un filtro di potenza attiva trifase bidirezionale di nuova concezione, la cui struttura è mostrata nella Figura 4. Quando la tensione ai capi del condensatore raggiunge un valore elevato - 110% o più al di sopra del valore nominale — l'alimentazione è fornita dal condensatore alla rete trifase tramite il filtro di potenza attiva bidirezionale. Allo stesso tempo, l'energia viene prelevata dal convertitore DC/DC dal bus DC collegato all'inverter alla rete tramite il bus DC collegato al condensatore e quindi il filtro attivo di potenza bidirezionale. In altre parole, la responsabilità di prelevare potenza dal bus DC collegato all'inverter al condensatore è del convertitore DC/DC, risparmiando così alcune attività di controllo del filtro di potenza attiva bidirezionale.

Durante il normale funzionamento, il filtro di potenza attiva bidirezionale preleva energia dalla rete trifase per mantenere il condensatore correttamente carico. Durante questo processo di carica, il filtro di potenza attiva si comporta come un filtro attivo, correggendo TPF e THD all'alimentazione trifase secondo gli standard richiesti. Il convertitore DC/DC riceve i segnali dall'analizzatore di potenza AC online di nuova concezione, che è anche un componente all'interno della soluzione olistica, sviluppata sul CI di misurazione dell'energia multifunzione polifase ADE7880 con monitoraggio delle armoniche.

Per la frenatura rigenerativa, il convertitore DC/DC può quindi confermarlo in due modi simultanei: in primo luogo, verificando se la tensione del bus DC collegato all'inverter è superiore, ad esempio, al 110% del valore nominale e, in secondo luogo, controllando in modo più accurato la potenza prelevata dalla rete trifase dal raddrizzatore incontrollato con l'ausilio dell'analizzatore di potenza, che monitora continuamente anche altri parametri, come tensione, corrente, TPF, potenza apparente e armoniche, ecc. per soddisfare i requisiti del BEC . Una volta confermata la frenatura rigenerativa, il convertitore CC/CC estrarrà potenza dal bus CC collegato all'inverter per aumentare la tensione del condensatore a più del 110% del valore nominale, quindi il filtro di potenza attiva bidirezionale, per estrarre ulteriormente potenza alla rete trifase.

Poiché la frenatura rigenerativa è ora confermata con due mezzi diversi, il processo decisionale è più affidabile e sicuro, rispetto al modo convenzionale di controllare la sola tensione del bus CC. Quando l'ascensore non è in funzione, ma la tensione di alimentazione dalla rete aumenta, il convertitore CC/CC non funziona, anche se la tensione sul bus CC collegato all'inverter aumenta, perché l'analizzatore di rete riconosce che la tensione di rete anormalmente alta è non un processo di frenata rigenerativa.

 Per il ride-through di un calo di tensione, l'analizzatore di potenza riconosce un evento di calo di tensione e ordina al convertitore CC/CC di recuperare temporaneamente l'alimentazione dal condensatore per alimentare il bus CC collegato all'inverter per un breve periodo di tempo (non più lungo di 0.2 s.), evitando così l'intervento della motorizzazione. Va notato che l'energia immagazzinata all'interno del condensatore da 2,000 uF non è sufficiente per supportare il bus CC collegato all'inverter per resistere a una durata di 0.2 s. in condizioni di pieno carico. Si prevede che la caduta di tensione con l'alimentazione trifase scenda solo al 40% del valore nominale e il filtro di potenza attiva bidirezionale può ancora caricare il condensatore continuamente mentre il convertitore CC/CC assorbe energia da esso.    

IGBT contro MOSFET

Nel filtro di potenza attiva bidirezionale, i MOSFET al carburo di silicio (SiC) vengono utilizzati al posto dei transistor bipolari a gate isolato (IGBT), sebbene negli inverter convenzionali gli IGBT siano ampiamente utilizzati. Ci sono due ragioni. Innanzitutto, le perdite di conduzione dei MOSFET sono inferiori a quelle degli IGBT (Figura 5). Alla stessa corrente, VDS attraverso il MOSFET è molto inferiore al VCE dell'IGBT; quindi, minori perdite. In secondo luogo, la frequenza di commutazione consentita dei MOSFET è molto più elevata di quella degli IGBT. Una maggiore frequenza di commutazione di funzionamento del filtro significa che i componenti passivi, inclusi induttori e condensatori, possono essere ridimensionati, il che è vantaggioso per la produzione e l'installazione.

Conclusione

È stata discussa la logica del progetto di sviluppo di una soluzione olistica per gli azionamenti degli ascensori e la progettazione hardware della soluzione costituita da componenti di nuova concezione, tra cui convertitore DC/DC e filtro di potenza attiva bidirezionale (che ha due scopi, come filtro e un dispositivo rigenerativo), è stato discusso. Si spera che, nel prossimo futuro, un dispositivo del genere possa essere disponibile a un prezzo ragionevole per tutti i proprietari di ascensori.  

Riconoscimento

Il progetto è stato finanziato dal Fondo per l'innovazione e la tecnologia (ITS/026/14FP) del governo dell'HKSAR ed è stato condotto presso la Hong Kong Polytechnic University.