Sistema di Recupero Energetico “One Way” per Ascensori

Un esame delle tecnologie di accumulo dell'energia, dei convertitori e altro per ottenere una classificazione energetica di sollevamento più elevata

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 Tecnologia degli ascensori 21, a cura di A. Lustig. È una ristampa con il permesso dell'Associazione Internazionale degli Ingegneri degli Ascensori  (sito web: www.elevcon.com).

Recentemente è stata presentata una serie di sistemi di recupero per ascensori. La maggior parte delle topologie sono state progettate per recuperare l'energia di frenatura tramite convertitori di potenza bidirezionali per fornire la potenza richiesta dal motore. Tuttavia, non sono sempre la soluzione ottimale per tutti gli scenari, soprattutto per quanto riguarda la classificazione energetica standard.

Questo articolo presenta una topologia modulare che combina l'uso di supercondensatori, convertitori di potenza unidirezionali ed elettronica intelligente per ottenere una migliore classificazione dell'energia di sollevamento (secondo gli standard VDI 4707 e ISO 25745). Vengono presentate le sue caratteristiche e i risultati dei test reali. Questa tecnologia può essere implementata sia in ascensori nuovi che esistenti.

1. introduzione

L'efficienza energetica è diventata sempre più importante nei recenti progetti di ascensori. Di conseguenza, i progettisti e i produttori di ascensori dedicano maggiori sforzi a soluzioni di risparmio energetico con l'obiettivo di ridurre i consumi in un ascensore nel corso della sua vita. Questi consumi provengono dalla macchina di trazione utilizzata per lo spostamento dell'auto, insieme ai sistemi ausiliari, come l'illuminazione, l'elettronica o il funzionamento in standby. Ciò rende l'efficienza di sollevamento una combinazione di trazione e prestazioni da fermo.

I sistemi di recupero energetico (ERS) sono stati sviluppati per migliorare le prestazioni dell'ascensore, sfruttando le proprietà rigenerative dei propulsori elettrici (Tominaga, et al., 2002). Alcuni di questi sistemi si basano su convertitori di potenza bidirezionali (Oyarbide, et al., 2015) in cui l'energia raccolta durante il freno viene diretta a un sistema di accumulo in modo che possa essere utilizzata per la fase di trazione successiva. Il sistema di accumulo è solitamente basato su supercondensatori (Li e Ruan, 2008) a causa della loro elevata potenza specifica. Poiché questi sistemi sono collegati al bus CC, l'energia recuperata viene reimpiegata sul bus in modo che possa essere utilizzata quando necessario dalla macchina di trazione o riversata sulla rete elettrica se la topologia lo consente. (I produttori di ascensori utilizzano già azionamenti rigenerativi in ​​cui l'energia recuperata può essere utilizzata da ascensori adiacenti o altri sistemi nell'edificio.) Ciò rende questi sistemi specificamente orientati alla riduzione dell'energia durante il funzionamento della trazione.

Tuttavia, queste topologie ERS non coprono la domanda di energia in standby e in sosta. La domanda in standby ha un peso rilevante nell'efficienza complessiva dell'ascensore come definito dagli standard attuali (VDI 4707 e ISO 25745-2). Questi standard classificano l'utilizzo dell'ascensore in diverse categorie, dove le categorie inferiori sono associate a un utilizzo inferiore dell'ascensore per il trasporto. In questi casi, le richieste di standby producono un impatto significativo sull'ascensore nella classificazione generale.

Il lavoro presentato in questo articolo consiste in un nuovo ERS in cui l'energia raccolta viene utilizzata per alimentare i sistemi ausiliari e, quindi, ridurre il consumo in standby dell'ascensore, determinando un aumento dell'efficienza complessiva e la corrispondente classificazione dell'ascensore.

2. ERS “a senso unico”

La topologia presentata in questo articolo è un approccio diverso rispetto ai sistemi di recupero esistenti e all'utilizzo dell'energia recuperata.

L'ERS è collegato al bus CC dell'azionamento del motore di sollevamento. Quando viene rilevata una sovratensione in questo bus (superiore a circa 620 V) a seguito dell'inizio del funzionamento del motore come generatore, il convertitore di potenza CC/CC estrae quell'energia e la utilizza per caricare i supercondensatori. Nei casi in cui i supercondensatori sono completamente carichi o il convertitore ha una potenza limitata per estrarre tutta l'energia, la tensione del bus CC continuerà ad aumentare finché la resistenza di frenatura non inizia a funzionare. L'energia accumulata viene utilizzata per alimentare i sistemi ausiliari tramite un'alimentazione CC/CC convenzionale.

 Il sistema è composto da quattro elementi fondamentali (Figura 1):

1. Il convertitore DC/DC modulare unidirezionale, collegato al DC link dell'azionamento del motore, utilizza l'energia di frenatura dell'ascensore per caricare i supercondensatori.
2. Supercondensatori, caricati con alti picchi di potenza e scaricati lentamente per alimentare gli elementi ausiliari
3. Alimentazione DC/DC: un convertitore a bassa potenza utilizza l'energia dei supercondensatori per generare la tensione necessaria ai sistemi ausiliari.
4. Una solida unità di controllo è necessaria per controllare, monitorare e controllare l'intero sistema per garantire che non vi siano problemi di sicurezza in qualsiasi situazione.

2.1. Convertitore DC/DC unidirezionale

Per questo sistema il convertitore deve soddisfare alcuni requisiti essenziali:

• Sii unidirezionale: l'energia fluisce solo dal bus DC ai supercondensatori.
• Uscita isolata: il rapporto di tensione tra bus DC e supercondensatori è normalmente troppo alto per realizzare un convertitore efficiente senza trasformatore. Potrebbe anche essere raccomandato per motivi di sicurezza.
• Potenza di picco elevata con duty cycle molto basso, il che significa che il convertitore deve essere in grado di gestire picchi di potenza elevati in periodi di tempo ridotti (potenza media bassa e dissipazione termica media bassa).
• Compatibilità con la motorizzazione dell'ascensore: il convertitore deve essere appositamente progettato in modo che i possibili disturbi che genera alla motorizzazione siano ridotti al minimo per evitare stabilità impreviste, guasti elettrici o di sicurezza.

2.1.1. Topologia CC/CC

È stato selezionato un convertitore modulare con unità di potenza relativamente bassa (fino a 2 kW di picco) per adattarlo il più possibile a un particolare ascensore. Con questo approccio, è possibile progettare un convertitore abbastanza semplice, compatto ed economico, quindi metterlo in parallelo per adattarlo alla potenza richiesta.

Esistono diverse topologie (Figura 2) che possono soddisfare queste caratteristiche e possono essere pilotate direttamente da controller standard. La possibilità di utilizzare questo tipo di controller può ridurre sia il costo dei componenti che i tempi di sviluppo.

Le topologie normalmente utilizzate per applicazioni a bassa potenza possono essere adattate se progettate con cura per questo caso di alta potenza di picco ma bassa potenza media. Ad esempio, due switch forward o half bridge (risonanti o meno) sono topologie semplici ed economiche normalmente utilizzate per progetti inferiori a 1 kW che possono essere utilizzate per potenze transitorie più elevate.

2.2. Stoccaggio di energia

Ci sono essenzialmente due possibilità per lo stoccaggio di energia. Il primo sono i supercondensatori, noti anche come condensatori elettrici a doppio strato. Questi sono condensatori elettrochimici che hanno una densità di energia molto elevata rispetto ai condensatori comuni, in genere diversi ordini di grandezza maggiori di un condensatore elettrolitico ad alta capacità.

Il secondo è batterie di due tipi:

1. Al piombo: hanno una densità di energia molto più alta dei supercondensatori e il loro principale vantaggio è che utilizzano una tecnologia vecchia, economica, sicura e molto testata. Hanno un ampio uso esteso nelle energie rinnovabili. Tuttavia, allo stesso livello di potenza dei supercondensatori, sono ingombranti e inefficienti.
2. Litio: esistono diverse varianti con caratteristiche poco diverse, a seconda della composizione del catodo. Con una maggiore energia e densità di potenza rispetto al piombo-acido, questo tipo di batteria sta iniziando ad essere utilizzato nei sistemi ad alta potenza. Sono costosi e pericolosi se utilizzati al di fuori delle loro aree operative sicure a temperatura o tensione (SOA). Pertanto, hanno bisogno di un costoso sistema di gestione della batteria per farli funzionare in una SOA.

Nella tabella 1 sono riportate le principali caratteristiche dei possibili sistemi di stoccaggio.

Dato il suo funzionamento pulsato, il sistema di accumulo di energia deve soddisfare i seguenti principali requisiti:

• Tempi brevi, elevate esigenze di potenza di picco
• Alta efficienza
• Un numero molto elevato di cicli di carica e scarica (più di 100 al giorno)
• Alta densità di energia

Sulla base di queste caratteristiche, i supercondensatori sono il sistema di accumulo che meglio si adatta al caso in esame. Sebbene questa tecnologia sia relativamente nuova, è già stata testata e utilizzata in molti altri settori dei trasporti, come quello automobilistico (Schneuwly, et al., 2002) e ferroviario (Steiner, et al., 2007) con buoni risultati. Per quanto riguarda i costi, i supercondensatori non possono competere con le batterie. Tuttavia, è interessante notare che i supercondensatori possono costare circa un quarto del prezzo delle batterie al litio (Burke e Zhao, 2015).

Il loro principale svantaggio rispetto alle batterie è la loro bassa densità di energia. Questo parametro può limitare l'energia recuperata e il tempo massimo in cui i sistemi ausiliari possono essere alimentati con tale energia. Un altro problema di questo accumulo (che vale anche per le batterie al litio) è il fatto che i supercondensatori possono sopportare solo basse tensioni (tipicamente 2.7 V per cella), quindi per la maggior parte delle applicazioni devono essere collegati in serie per ottenere tensioni di lavoro più elevate. Questi condensatori sono molto sensibili alla sovratensione. Quindi, una volta collegata in serie, l'elettronica di bilanciamento deve essere utilizzata per garantire che nessuna cella superi la sua massima tensione di lavoro.

2.3. Alimentazione CC/CC

La potenza di questo convertitore è tipicamente di 50-150 W e solitamente deve generare diverse tensioni di uscita (12 V, 24 V, 48 V, ecc.) a seconda dei requisiti dei sistemi ausiliari dell'ascensore.

Se la tensione di lavoro del supercondensatore è accuratamente selezionata, è possibile utilizzare alimentatori standard, evitando la progettazione di un nuovo convertitore di potenza, che riduce notevolmente i costi di sviluppo.

3. Test su un vero sollevamento

Il sistema ERS è stato valutato in un impianto di ascensore reale presso le torri di prova per ascensori ITAINNOVA (Figura 3). Le misurazioni energetiche sono state eseguite secondo le norme ISO 25745-1:2015 e 25745-2:2015.

La tabella 2 mostra le principali caratteristiche dell'ascensore testato e della torre di prova.

Il consumo di energia è composto da un'operazione di marcia e una di riposo. Le misurazioni dell'energia durante il funzionamento sono state ottenute mediante:

• Far funzionare la cabina vuota dell'ascensore in un ciclo chiuso dal piano 0 al 6 e ritorno al piano 0, compresa l'energia utilizzata durante le due manovre delle porte, secondo il ciclo di riferimento come specificato nella norma ISO 25745-1
• Far funzionare la cabina dell'ascensore vuota in un ciclo chiuso dal piano 4 al 6 e poi di nuovo al piano 4, inclusa l'energia utilizzata durante le operazioni delle due porte, secondo il ciclo breve come specificato nella norma ISO 25745-1.

Le misurazioni dell'energia non in funzione sono composte da condizioni di inattività e standby. L'energia a riposo è l'energia misurata per un periodo di 1 min., che inizia immediatamente dopo aver terminato il ciclo di riferimento. L'energia della condizione di standby è l'energia misurata che mantiene la cabina vuota al piano inferiore per 5 min. dopo che le porte si sono chiuse. Con questi valori energetici misurati, è possibile ottenere la classificazione energetica per questo ascensore standard.

Le misurazioni di classificazione sono state effettuate prima nell'ascensore "stock" senza alcuna modifica.

Successivamente, l'ERS è stato implementato nell'ascensore per la convalida sperimentale (Figura 3). L'obiettivo della misurazione era quantificare la quantità di energia che può essere raccolta con l'ERS sull'ascensore. Ciò ha consentito di valutare l'impatto sul consumo energetico del fermo e la compatibilità dell'impianto con un ascensore reale. Le figure 3 e 4 mostrano i tre elementi principali dell'ERS: modulo supercondensatore (1), convertitore DC/DC collegato al Bus DC (2) e l'alimentazione DC/DC con 24 V agli elementi ausiliari (3).

Il processo di test è stato eseguito seguendo le indicazioni standard in modo che il livello di carica dei dispositivi di accumulo di energia sia lo stesso all'inizio e alla fine di ogni periodo di misurazione. In questo modo è possibile determinare l'impatto dell'ERS sul consumo di energia. Per questo motivo, il livello di tensione del modulo supercondensatore è stato monitorato durante l'intero processo di test.

L'uscita del sistema ERS è stata collegata a un carico di resistenza variabile (contrassegnato come "4" nelle Figure 3 e 4). Sia la corrente che il tempo di scarica sono stati misurati per quantificare l'energia disponibile che può essere utilizzata per alimentare il fermo.

Poiché in questo specifico prototipo le apparecchiature ausiliarie non sono alimentate da un unico punto (cioè le luci sono collegate direttamente dalla rete AC), è stato necessario eseguire una simulazione per ottenere l'impatto del contributo ERS sulla classificazione energetica del sollevamento. Le caratteristiche dell'ascensore vengono introdotte in un modello quasi dinamico per l'analisi del consumo energetico negli ascensori (Echeverria I, et al., 2014) e l'energia registrata recuperata da ERS viene aggiunta per fornire il consumo in standby. Infine, si simula la traiettoria ISO (ciclo di riferimento e ciclo breve) e il funzionamento a riposo (condizione di riposo e di attesa) e si ottiene il consumo totale dell'ascensore, producendo i risultati riportati nella tabella 3.

Come si vede nella sintesi dei risultati della Tabella 3, il consumo giornaliero viene diminuito e si ottiene una migliore classificazione, mostrando che un passaggio di classe da B ad A può essere ottenuto nelle categorie a basso consumo.

4. conclusioni

Il lavoro presentato in questo documento ha prodotto una nuova topologia di ERS, compatibile con la maggior parte degli ascensori che consentono la rigenerazione dell'energia. Questo ERS è una soluzione brevettata, che è stata testata con successo su un'installazione reale con buoni risultati in termini di miglioramento dell'efficienza.

Il design modulare consente una connessione plug-and-play che facilita il collegamento dei componenti e facilita l'adattamento della soluzione all'ascensore, dove deve essere implementata. In questo modo, la soluzione diventa ottimale, poiché la dimensione del set di supercondensatori può essere adattata alla capacità dell'ascensore per il recupero di energia.

Di conseguenza, l'energia sprecata durante la frenata è minima e il costo del sistema di accumulo del supercondensatore è limitato a quello richiesto. Poiché il dispositivo è basato su un convertitore unidirezionale, il costo complessivo è principalmente definito dal set di supercondensatori, il che rende l'ERS una soluzione economica.

Infine, i risultati ottenuti su un ascensore reale hanno mostrato che il consumo dell'ascensore dalla rete elettrica può essere quasi eliminato durante il funzionamento in standby, il che consente di raggiungere una classe per ascensori in cui si applicano le categorie basse, con i relativi benefici che fornisce.

Riconoscimento

Vorremmo ringraziare lo staff tecnico di MP ASCENSORES per il loro devoto supporto durante la campagna di test di questo progetto.

Referenze
[1] Tominaga S., Suga, I., Araki, H., Ikejima, H., Kusuma, M., Kobayashi, K., (2002). "Sviluppo di un ascensore a risparmio energetico utilizzando un sistema di accumulo di energia rigenerata". Atti della Power Conversion Conference, 2002. PCC-Osaka. vol. 2, pp.890-895, 2002.
[2] Oyarbide E., Jiménez LA, Molina P., Gálvez R., Bernal C., “Challenges of Low-Voltage Energy Storage for Lifts”, 5° Simposio sulle tecnologie per ascensori e scale mobili, pp. 147-170, 2015.
[3] Li Z., Ruan Y., "Un nuovo sistema di controllo del risparmio energetico per ascensori basato su un banco di supercondensatori con logica fuzzy", Conferenza internazionale 2008 su macchine e sistemi elettrici, vol., no., pp.2717-2722, 17-20 ottobre 2008.
[4] Schneuwly A., Bärtschi M., Hermann V., Sartorelli G., Gallay R., Koetz R., “BOOSTCAP Double-Layer Capacitors for Peak Power Automotive Applications”, Seconda conferenza internazionale sulle batterie automobilistiche avanzate (AABC), Las Vegas, Nevada, 2002.
[5] Steiner M., Klohr M., Pagiela S., “Energy Storage System with UltraCaps on Board of Railway Vehicles”, European Conference on Power Electronics and Applications, Aalborg, Danimarca, pp. 1-10, 2007.
[6] Burke A., Zhao H., “Applications of Supercapacitors in Electric and Hybrid Vehicles”, 5th European Symposium on Supercapacitor and Hybrid Solutions (ESSCAP), Brasov, Romania, 23-25 ​​aprile 2015.
[7] Echeverria I., Arteche F., Iglesias M., Gómez A., Roig JA, González P., “A Quasi-Dynamic Model for Energy Consumption Analysis in Ascensori”, 21° Congresso Internazionale sul Trasporto Verticale (ELEVCON 14) , 2014.