Armazenamento de baixa tensão para elevadores com eficiência energética

Uma análise das tecnologias atuais e futuras de ultracapacitores e baterias mostra como qualquer fabricante de elevadores de pequeno ou médio porte pode oferecer soluções de alta qualidade com investimentos reduzidos.

por Dr. Estanis Oyarbide, Luis Jiménez, Dra. Pilar Molina Gaudó, Logan López, Rubén Gálvez e Dr.

A indústria de elevadores está caminhando em direção a novas soluções para a gestão de energia. Exemplos disso são sistemas de recuperação de energia baseados em armazenamento local em ultracapacitores, elevadores movidos a bateria para mitigação de picos de consumo e operação aprimorada de sistemas de alimentação ininterrupta (UPS), elevadores movidos a energia solar e/ou eólica, entre outros. A maioria desses novos conceitos inclui sistemas de armazenamento de energia, portanto, requerem baterias e/ou ultracapacitores, dependendo da energia a ser armazenada e do perfil de ciclos de energia. De fato, tanto as baterias quanto os ultracapacitores são tecnologias de baixa tensão, enquanto os sistemas de tração de elevadores são baseados em conhecidos inversores CA trifásicos industriais, operando em altos níveis de tensão, em torno de 600 V (ou 400 V em alguns países) em seu barramento CC. Uma das possíveis soluções consiste na serialização de muitas células básicas até que os níveis de tensão industriais sejam atingidos. Essa solução, embora aparentemente simples, não é prática, pois é cara e multiplica os problemas de segurança e confiabilidade. Assim, um sistema prático de armazenamento de energia para aplicações em elevadores deve operar em torno de 48 V, que é um nível de tensão seguro, comercialmente padrão e economicamente viável.

Algumas modificações são necessárias para integrar uma fonte de energia de 48 V em um sistema de tração de elevador. Existem duas opções possíveis. Primeiro, conversores CC/CC (bidirecionais) podem ser usados ​​para interconectar a baixa tensão de 48 V aos sistemas de tração de elevador convencionais de 600 V. Segundo, todo o sistema de tração pode ser redesenhado para operar em 48 V. Este artigo apresenta os desafios técnicos da integração de sistemas de armazenamento de energia de baixa tensão em sistemas de tração de elevador. Questões relacionadas à eficiência, custo, disponibilidade de componentes necessários para a produção, flexibilidade de uso e outros são analisadas. Dessa forma, é possível identificar os principais desafios e as soluções mais adequadas em cada caso.

Aplicações de Armazenamento de Energia

Pequenos sistemas UPS são muito comuns na maioria das instalações. O UPS normalmente mantém o controle ativo enquanto o elevador se move para a próxima parada na direção mais favorável. Eles são amplamente utilizados e ainda apresentam o desafio do estado de saúde (SoH) da bateria. No entanto, isso não é suficiente para adicionar recursos de inteligência energética a elevadores novos ou existentes. Recentemente, os clientes têm exigido produtos que melhorem a capacidade de armazenamento de energia local, e os fabricantes de elevadores estão fornecendo soluções.[1-4] Os dispositivos de armazenamento de energia padrão são baseados principalmente em baterias químicas e, portanto, os elevadores com sistemas de tração elétrica são os mais adequados para esse tipo de adaptação. A tecnologia de ultracapacitores é relativamente nova, mas suas vantagens em termos de número de ciclos e densidade de potência a tornam ideal para aplicações que exigem muitos ciclos de carga e descarga de alta potência.[6-10] Alguns exemplos de aplicação com baterias e ultracapacitores seguem abaixo.

Operação prolongada da UPS

Alguns clientes exigem que o elevador continue funcionando mesmo durante longos períodos de apagões. Entre outras soluções, uma alternativa simples é conectar um módulo de baterias ao barramento CC do inversor (Figura 1-a). As tensões de operação típicas giram em torno de 600 V, o que exige a conexão em série de várias baterias e resulta em uma capacidade de armazenamento de energia excessiva. Além disso, circuitos especiais de segurança e gerenciamento de baterias precisam ser incluídos, tornando essa solução prática, porém dispendiosa. Da mesma forma, devido ao rápido envelhecimento das baterias, os custos operacionais aumentam. Outra solução é interconectar um conjunto de baterias de baixa tensão ao barramento CC de alta tensão por meio de um conversor CC/CC (Figura 1-b).

Mitigação de Potência de Pico

O consumo de energia elétrica dos elevadores é caracterizado por ciclos de picos de alta potência durante a aceleração ou desaceleração e (tipicamente) metade da potência de pico durante o deslocamento em velocidade constante. A potência de pico determina os custos de instalação e operação da conexão à rede elétrica. O valor de pico pode ser uma ordem de grandeza maior que a potência média. Esse fato é particularmente relevante para elevadores residenciais, nos quais, devido ao baixo número de viagens, a quantidade total de energia necessária é muito baixa. Os custos de instalação e operação podem ser reduzidos se o elevador for alimentado por um conjunto de baterias permanentemente carregadas pela rede elétrica com uma taxa de potência de pico muito baixa (Figura 2-a). Outros benefícios desse sistema são funcionalidades UPS ampliadas e menores perturbações na rede. Esse sistema pode ser complementado por um sistema de armazenamento baseado em ultracapacitores, minimizando assim as altas demandas de energia da bateria e, consequentemente, aumentando sua vida útil.

Elevador movido a energia solar e/ou eólica

As novas tendências relacionadas à eficiência e ao aproveitamento de energia têm impulsionado diversos fabricantes a oferecer sistemas alimentados por fontes de energia solar e/ou eólica. Normalmente, as baterias são utilizadas para armazenar a energia gerada e fornecer a potência necessária ao elevador. Tanto as fontes de energia solar quanto as eólicas são interligadas por meio de dispositivos eletrônicos de potência, permitindo o uso de módulos de bateria padrão de baixa tensão (48 V) (Figura 2-b). Caso seja necessário utilizar um inversor de elevador padrão, um conversor CC/CC é necessário para conectar o sistema de armazenamento de bateria de baixa tensão ao barramento CC de alta tensão (600 V) do inversor. Uma conexão de reserva à rede elétrica de baixa potência pode ser adicionada caso os recursos de energia solar e/ou eólica não sejam suficientes para manter o elevador em funcionamento.

Recuperação de energia sistemas (ERSes)

Elevadores com sistemas de tração sem engrenagens, alto fluxo de passageiros e bons níveis de eficiência mecânica (em torno de 80%) regeneram uma quantidade considerável de energia que atualmente é perdida no resistor de frenagem ou devolvida à rede elétrica. Graças aos sistemas de armazenamento de energia baseados em ultracapacitores (Figura 3), é possível armazenar essa energia durante as fases de frenagem e reutilizá-la durante as fases de tração mais exigentes.

A Figura 4-a mostra uma solução comercialmente disponível[1] para um sistema ERS desse tipo. A Figura 4-b apresenta medições reais do consumo instantâneo de energia com e sem o sistema. A área entre os valores representa a energia economizada em uma viagem. O módulo de ultracapacitor é integrado ao sistema com apenas dois fios conectados a qualquer inversor de tensão e frequência variáveis ​​(VVVF) novo ou existente. Economias totais de até 62% foram relatadas em instalações reais.

As aplicações listadas anteriormente requerem diferentes classificações de energia e potência, mas seus níveis de tensão de armazenamento e alguns componentes são comuns.

Tecnologias de armazenamento de energia elétrica

Dentre os possíveis sistemas de armazenamento de energia elétrica, existem apenas duas tecnologias que oferecem produtos maduros e comerciais: baterias e ultracapacitores. Ambas são fabricadas em larga escala há alguns anos e, portanto, seu desempenho, custo e confiabilidade são otimizados e padronizados. As baterias são dispositivos eletroquímicos que operam por meio de reações químicas. Assim, torna-se difícil obter um conhecimento preciso de seu estado interno de operação. Uma bateria é um dispositivo complexo, cujo comportamento é caracterizado principalmente por modelos empíricos. Seu processo de carga é diferente do processo de descarga, e é difícil identificar seu estado de carga (SoC) e estado de saúde (SoH). Além disso, seu processo de envelhecimento depende da profundidade dos ciclos de carga/descarga, da corrente, da temperatura e de outros parâmetros.

Existem atualmente duas principais tecnologias de baterias no mercado: baterias de chumbo-ácido e baterias de íon-lítio. Nos últimos anos, um tipo especial de bateria de lítio, a bateria de fosfato de ferro-lítio (LiFePO₄), tem ganhado destaque.₄A bateria de íon-lítio, uma tecnologia inovadora, foi introduzida. Ela apresenta características interessantes das baterias de íon-lítio e um futuro promissor para substituir completamente as baterias de chumbo-ácido. A Figura 5 mostra as principais características de potência/energia dessas tecnologias, e a Tabela 1 resume as principais características. Os dados da Tabela 1 são aproximados e foram incluídos apenas para fins comparativos. É fácil identificar o íon-lítio como a melhor escolha em termos de características funcionais: oferece os melhores valores de energia e potência específicas e a maior vida útil. No entanto, requer a inclusão de sistemas de gerenciamento de bateria (BMSes) e seu custo é de três a cinco vezes maior do que o custo da tecnologia de chumbo-ácido.

Considerando o custo, a facilidade de uso e o hábito adquirido ao longo de muitos anos de instalações bem-sucedidas, a tecnologia de chumbo-ácido é a escolha preferida para dispositivos de armazenamento de energia não portáteis.

Ao contrário das baterias, a tecnologia de ultracapacitores baseia-se em fenômenos puramente capacitivos. Assim, uma unidade de armazenamento baseada em ultracapacitores admite altas capacidades de carga e descarga. Seu estado de carga é determinado diretamente pela conhecida Equação 1, e suporta até um milhão de ciclos de carga/descarga (Figura 5 e Tabela 1). As principais desvantagens são sua baixa densidade de energia e sua tensão nominal muito baixa (em torno de 2.7 V), o que leva à serialização de muitas células e à inclusão de um sistema de gerenciamento de tensão (VMS).

Conclui-se que, para o funcionamento de um sistema UPS, é necessária uma grande quantidade de energia, o que significa que baterias de chumbo-ácido devem ser instaladas. No entanto, no futuro, com a queda dos custos do lítio, o cenário provavelmente mudará. Os ultracapacitores serão a escolha para aplicações de armazenamento de energia (ERS) devido aos seus múltiplos ciclos de carga e descarga e, consequentemente, à total ausência de manutenção e substituição. Tecnologias híbridas são possíveis, com a necessidade de componentes eletrônicos adicionais para torná-las verdadeiramente compatíveis.

Integração de uma fonte de 48 V em sistemas de tração de elevadores

O bloco de “acionamento de motor padrão” ilustrado nas Figuras 1 a 3 representa a topologia comum usada em acionamentos de elevadores. Quando uma determinada potência elétrica precisa ser trocada, um par corrente/tensão deve ser selecionado:

Considerando que a corrente é responsável pela maior parte das perdas de energia, um conjunto de parâmetros de alta tensão e baixa corrente é preferível. Assim, a indústria tem adotado níveis de tensão padrão relacionados à potência a ser transmitida. Quando se trata de potências de alguns quilowatts até várias dezenas de quilowatts, a tensão trifásica de 400 V RMS é o padrão para distribuição de energia elétrica.

Os sistemas de tração elétrica para elevadores são versões modificadas de acionadores industriais consagrados, alimentados por uma rede trifásica de 400 V RMS. Após a retificação, obtém-se um barramento de 500-600 VCC. Essa tecnologia de acionamento padrão é utilizada na indústria há mais de 30 anos, sendo, portanto, extremamente robusta, confiável e, devido à sua ampla produção, economicamente viável.

O problema surge quando uma fonte de energia de 48 V, ou mesmo de tensão inferior, alimenta parte ou a totalidade das necessidades energéticas de um elevador. Existem dois cenários possíveis. A primeira abordagem consiste em simplesmente redesenhar todo o sistema de tração e construir um inversor compatível com 48 VCC. A segunda opção consiste em tentar manter os inversores de elevador já desenvolvidos e conhecidos, interligando a fonte de energia de 48 V e o barramento de 600 V por meio de um conversor CC/CC. Uma explicação desses dois cenários segue abaixo.

Redesenho completo do sistema de tração em 48V

Em aplicações onde a linha trifásica de 400 V RMS não está conectada (Figura 2), não há necessidade de manter altos níveis de tensão no barramento CC, sendo possível construir todo o sistema de tração considerando um barramento de 48 VCC (Figura 6). Essa tensão do barramento CC limita a tensão de linha disponível na saída do inversor a 34 V RMS, e a corrente é multiplicada por um fator de 10 ou mais. Portanto, um novo motor e inversor devem ser cuidadosamente projetados e instalados.

O novo nível de tensão leva a altas correntes e, portanto, para evitar grandes perdas de energia e fios volumosos, o dispositivo de armazenamento, o driver e o motor devem ser localizados próximos uns dos outros, o que às vezes se torna difícil. A principal desvantagem dessa abordagem é que o vendedor e/ou instalador deve oferecer e dominar dois sistemas de tração diferentes para a mesma gama de elevadores. Essa é a abordagem seguida pela Otis em seu Gen2® Switch.[2]

Integração de uma fonte de 48 V em um sistema de tração de elevador padrão

A integração de uma fonte de 48 V em um sistema de tração de elevador padrão é ilustrada nas Figuras 1-b, 2-a, 2-b e 3, onde um conversor CC/CC é responsável pela transferência de energia do sistema de armazenamento de baixa tensão para o barramento CC de alta tensão. Primeiramente, é importante ressaltar que nenhum dos lados (baixa e alta tensão) opera com tensão constante. Baterias ou ultracapacitores podem ser instalados no lado de baixa tensão. Considerando um módulo de bateria de 48 V, sua tensão pode variar de 42 a 53 V, dependendo do estado de carga (SoC). Se forem utilizados ultracapacitores, a situação é ainda mais variável: sua tensão pode variar de 24 a 48 V, também dependendo do SoC.

A situação não é melhor no lado de alta tensão. Se o inversor estiver em modo motor, a energia é retirada do barramento CC, o que diminui sua tensão. Da mesma forma, se o inversor estiver em modo regenerativo, a energia é fornecida ao barramento CC e sua tensão aumenta. O limite inferior de tensão é determinado pela dinâmica do conversor CC/CC (ou seja, o tempo necessário para atingir uma regulação de tensão satisfatória), enquanto o limite superior de tensão depende da mesma dinâmica de regulação (se um conversor CC/CC bidirecional for usado), mas também do valor da tensão na qual o resistor de frenagem é acionado. A maioria dos fabricantes de inversores disponíveis comercialmente estabelece uma faixa de tensão sem erros de 400 V a 700 ou 800 V.

Uma solução economicamente viável é possível através de uma produção em larga escala, sendo desejável obter um conversor CC/CC que possa operar com uma ampla gama ou com quase todos os inversores comerciais existentes. Para tal, deve incluir funcionalidade plug-and-play, permitindo que o sistema opere sem causar qualquer perturbação no seu funcionamento normal e sem necessidade de modificações no equipamento existente. Assim, se for necessário integrar uma fonte de energia de baixa tensão num sistema de tração de elevador padrão, é necessário um conversor CC/CC com estas características:[12]

• Potência nominal: 4-15 kW (dependendo do elevador): Conversores CC são muito fáceis de paralelizar para potências mais elevadas.
• Tensão de entrada: 42-53 V ou 24-48 V
• Tensão de saída: 400-800 V, o que implica uma grande relação entre a tensão de entrada e a tensão de saída: essa relação é superior a 10 e pode, em alguns casos, ultrapassar 20. Essa relação dificulta a obtenção de alta eficiência.
• Tensão de entrada e saída variável: Quando as tensões de entrada e saída são mantidas constantes, torna-se bastante simples projetar um conversor otimizado de alta eficiência. No entanto, é difícil obter altos valores de eficiência em todas as condições de operação se as tensões de entrada e/ou saída variarem significativamente. Além disso, as condições de projeto altamente variáveis ​​dificultam o alcance dos objetivos do projeto.
• Alta resposta dinâmica: Nos casos em que o elevador é alimentado exclusivamente pelo conversor CC/CC (topologias das Figuras 1-b e 2), esse mesmo conversor é o único responsável por manter o nível de tensão do barramento CC dentro de valores aceitáveis. Esse barramento CC é perturbado aleatoriamente pelas potências de entrada/saída trocadas permanentemente com o inversor do motor. Portanto, é crucial alcançar uma dinâmica de controle muito rápida, capaz de rejeitar essas perturbações.
• Capacidade de transferência bidirecional de energia para recuperar a energia de frenagem no sistema de armazenamento.
• Capacidade plug-and-play: O controlador deve atingir a dinâmica mencionada acima sem qualquer ligação complexa com os drivers existentes. Apenas os fios de alimentação precisam ser conectados, e o dispositivo deve operar de forma (quase) autônoma com qualquer inversor VVVF comercial.
• Alta eficiência (> 90%) em todas as faixas de tensão.
• Instalação de painéis solares (possivelmente durante a modernização ou posteriormente)

Até agora, existe apenas um conjunto de conversores CC/CC comercialmente disponíveis compatíveis com esses recursos.[1] Um exemplo pode ser visto na Figura 7.

É possível concluir que a inclusão de um conversor de potência CC/CC permite obter qualquer funcionalidade necessária utilizando acionamentos padrão conhecidos, simplificando o portfólio de fornecedores/instaladores e proporcionando alta flexibilidade. Deve-se ressaltar que um conversor de potência CC/CC limita a capacidade de troca de energia, mas não a quantidade de energia utilizável, que depende apenas das baterias ou ultracapacitores instalados.

Conclusões

Elevadores energeticamente eficientes requerem armazenamento de energia. A partir disso, os requisitos de armazenamento são classificados em dois grupos: funcionalidades de longo prazo e alta energia, do tipo UPS, e funcionalidades de curto prazo e baixa energia, do tipo ERS. Entre as tecnologias de armazenamento disponíveis, as baterias de chumbo-ácido são a escolha preferencial quando se requer uma grande quantidade de energia, enquanto os ultracapacitores oferecem o melhor desempenho para aplicações de alta potência e baixo consumo de energia com operação cíclica intensiva. Devido à disponibilidade comercial, custo e requisitos de projeto, todas essas são tecnologias de baixa tensão, que podem ser dimensionadas de acordo com os requisitos totais de energia.

Este sistema escalável precisa ser complementado por um conversor CC/CC de alto ganho com características específicas, o que se tornou o principal desafio das arquiteturas propostas. Alguns fabricantes de eletrônica de potência já compreenderam a necessidade e o potencial de mercado para um conversor tão especial e, portanto, o incluíram como produto padrão em seu portfólio. Assim, utilizando a arquitetura flexível proposta, qualquer fabricante de elevadores de pequeno ou médio porte pode oferecer soluções de alta qualidade com investimentos reduzidos, atendendo rapidamente às exigências do mercado por maior eficiência e fontes de energia renováveis.

Referências

Conversores de energia épicos SL (Epic Power). “Sistemas de recuperação de energia e fontes de alimentação inteligentes para acionamentos e elevadores”, epicpower.es (nov. 2018).
[2] Otis. “Otis Gen2 Switch,” www.otisworldwide.com/site/lb/pages/Gen2-Switch.aspx (nov. 2018).
[3] Schindler. “Schindler 3300 Solar,” www.schindler.com/content/dk/ internet/da/mobile-loesninger/produkter/elevatorer/ schindler-33001/_jcr_content/iTopPar/downloadlist_5530/
downloadList/54_1433939153593.download.asset.54_1433939153593/ CPH.3300_solar.ENG.pdf (2018).
[4] Power Systems International. “Power Systems for Emergency Evacuation Elevators,” www.powersystemsinternational.com/lift-power-systems/ evacuation-lift-power-systems (Nov. 2018).
[5] Ziehl-Abegg. “Unidade de evacuação EVAC”, www.ziehl-abegg.com/gb/en/product-range/drive-technology/control-technology/evac-evacuation-unit (nov. 2018).
[6] S. Luri, I. Etxeberria-Otadui, A. Rujas, E. Bilbao, A. González. “Design of a Supercapacitor Based Storage System for Improved Elevator Applications,” 2010 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 4534-4539 (2010).
[7] E. Bilbao, P. Barrade, I. Etxeberria-Otadui, A. Rufer, S. Luri, I. Gil. “Estratégia ideal de gerenciamento de energia de um elevador aprimorado com energia
Capacidade de armazenamento baseada em programação dinâmica”, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 50, No. 2, 1233 - 1244 (2014).
[8] E. Oyarbide, I. Elizondo, A. Martínez-Iturbe, A. Bernal, J. Irisarri. “Sistema de recuperação de energia Plug & Play baseado em ultracapacitores para retrofit de elevadores”, 2011 IEEE International Symposium on Industrial Electronics (ISIE), 462-467 (2011).
[9] P. Barrade, A. Rufer. “Um sistema de armazenamento de energia baseado em supercapacitor para elevadores com interface de comutação suave”, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 38, No. 5, 1151-1159 (2002).
[10] N. Jabbour, C. Mademlis e I. Kioskeridis. “Desempenho aprimorado em um sistema de controle de armazenamento de energia baseado em supercapacitor com conversor CC-CC bidirecional para acionamentos de motores de elevador”, 7ª Conferência Internacional IET sobre Eletrônica de Potência, Máquinas e Acionamentos (PEMD 2014), Manchester pp. 1-6 (2014).
[11] E. Oyarbide, LA Jiménez, P. Molina, R. Gálvez, C. Bernal. “Desafios do armazenamento de energia de baixa tensão para elevadores”, 5º Simpósio sobre Tecnologias de Elevadores e Escadas Rolantes 2015, Northampton, Reino Unido, 2015.
[12] V. Pacheco, P. Molina, LA Jimenez, E. Oyarbide. “Melhorando a eficiência energética dos elevadores”, 5º Simpósio sobre Tecnologias de Elevadores e Escadas Rolantes, Northampton, Reino Unido (2015).
[13] Oyarbide, E., Bernal, C. Molina, P. Jiménez, LA, Gálvez, R., Martínez, A. “Equalização de tensão de um módulo de ultracapacitor por agrupamento de células usando algoritmo de particionamento de número”, Journal of Power Sources, Elsevier (2016).