Asansörler için “Tek Yönlü” Enerji Geri Kazanım Sistemi

Daha yüksek bir kaldırma enerjisi sınıflandırması elde etmek için enerji depolama teknolojileri, dönüştürücüler ve daha fazlasının incelenmesi

Bu bildiri şu adreste sunuldu:  Madrid 2016, Uluslararası Dikey Taşıma Teknolojileri Kongresi ve ilk olarak IAEE kitabında yayınlandı Asansör Teknolojisi 21, A. Lustig tarafından düzenlendi. Uluslararası Asansör Mühendisleri Birliği'nin izniyle yeniden basılmıştır.  (web sitesi: www.elevcon.com).

Son zamanlarda, asansörler için çeşitli kurtarma sistemleri sunulmuştur. Topolojilerin çoğu, motor tarafından talep edilen gücü sağlamak için çift yönlü güç dönüştürücüler aracılığıyla frenleme enerjisini geri kazanmak üzere tasarlanmıştır. Ancak, özellikle standart enerji sınıflandırmasıyla ilgili olarak, tüm senaryolar için her zaman en uygun çözüm değildirler.

Bu makale, daha iyi bir asansör enerjisi sınıflandırması elde etmek için süper kapasitörler, tek yönlü güç dönüştürücüler ve akıllı elektroniklerin kullanımını birleştiren modüler bir topoloji sunar (VDI 4707 ve ISO 25745 standartlarına göre). Özellikleri ve gerçek test sonuçları sunulmaktadır. Bu teknoloji, yeni veya mevcut asansörlerde uygulanabilir.

1. Giriş

Son zamanlardaki asansör tasarımlarında enerji verimliliğinin önemi artmıştır. Sonuç olarak, asansör tasarımcıları ve üreticileri, bir asansörün kullanım ömrü boyunca daha düşük tüketim elde etme hedefiyle enerji tasarrufu sağlayan çözümlere daha fazla çaba sarf ediyor. Bu tüketimler, aydınlatma, elektronik veya bekleme çalışması gibi yardımcı sistemlerle birlikte arabanın yer değiştirmesi için kullanılan çekiş makinesinden gelir. Bu, kaldırma verimliliğini, çekiş ve durma performansının bir kombinasyonu haline getirir.

Elektrikli güç aktarma organlarının rejeneratif özelliklerinden yararlanarak asansörün performansını artırmak için enerji geri kazanım sistemleri (ERS'ler) geliştirilmiştir (Tominaga, et al., 2002). Bu sistemlerden bazıları, fren sırasında toplanan enerjinin bir sonraki çekiş aşaması için kullanılabilmesi için bir depolama sistemine yönlendirildiği çift yönlü güç dönüştürücülerine (Oyarbide ve diğerleri, 2015) dayanmaktadır. Depolama sistemi, yüksek özgül güçlerinden dolayı genellikle süper kapasitörlere dayanmaktadır (Li ve Ruan, 2008). Bu sistemler DC baraya bağlı olduğundan, geri kazanılan enerji, gerektiğinde cer makinesi tarafından kullanılabilecek şekilde tekrar baraya dağıtılır veya topoloji izin verirse güç şebekesine geri dökülür. (Asansör üreticileri halihazırda, geri kazanılan gücün bitişik asansörler veya binadaki diğer sistemler tarafından kullanılabileceği rejeneratif sürücüler kullanıyor.) Bu, bu sistemleri özellikle çekiş çalışması sırasında enerjinin azaltılmasına yönelik hale getiriyor.

Ancak bekleme ve durağan enerji talebi bu ERS topolojileri kapsamında değildir. Bekleme talebi, mevcut standartlar (VDI 4707 ve ISO 25745-2) tarafından tanımlanan şekilde genel asansör verimliliğinde ilgili bir ağırlığa sahiptir. Bu standartlar, asansör kullanımını birkaç kategoriye ayırır; burada daha düşük kategoriler, asansörün ulaşım için daha düşük kullanımıyla ilişkilendirilir. Bu durumlarda, bekleme talepleri, genel sınıflandırmadaki artış üzerinde önemli bir etki yaratır.

Bu makalede sunulan çalışma, yardımcı sistemleri beslemek için hasat edilen enerjinin kullanıldığı ve bu nedenle asansörün bekleme tüketimini azaltan, genel verimlilikte ve asansörün ilgili sınıflandırmasında bir artış sağlayan yeni bir ERS'den oluşmaktadır.

2. “Tek Yön” ERS

Bu makalede sunulan topoloji, mevcut geri kazanım sistemlerine ve geri kazanılan enerji kullanımına ilişkin farklı bir yaklaşımdır.

ERS, asansör motoru sürücüsünün DC barasına bağlıdır. Motorun jeneratör olarak çalışmaya başlamasının bir sonucu olarak bu barada bir aşırı gerilim (yaklaşık 620 V'yi aşan) tespit edildiğinde, DC/DC güç dönüştürücü bu enerjiyi çeker ve süper kapasitörleri şarj etmek için kullanır. Süper kapasitörlerin tamamen şarj olduğu veya dönüştürücünün tüm enerjiyi çekecek gücü sınırlı olduğu durumlarda, DC bara voltajı, fren direnci çalışmaya başlayana kadar artmaya devam edecektir. Depolanan enerji, yardımcı sistemleri geleneksel bir DC/DC güç kaynağı aracılığıyla beslemek için kullanılır.

 Sistem dört temel unsurdan oluşmaktadır (Şekil 1):

1. Motor sürücüsü DC bağlantısına bağlı tek yönlü modüler DC/DC dönüştürücü, süper kapasitörleri şarj etmek için asansörün frenleme enerjisini kullanır.
2. Süper kapasitörler, yüksek güç pikleriyle şarj edilir ve yardımcı elemanları beslemek için yavaşça boşaltılır
3. DC/DC güç kaynağı: Düşük güçlü bir dönüştürücü, yardımcı sistemlerin ihtiyaç duyduğu voltajı üretmek için süper kapasitörlerin enerjisini kullanır.
4. Herhangi bir durumda güvenlik arızası olmadığından emin olmak için tüm sistemi kontrol etmek, izlemek ve kontrol etmek için sağlam bir kontrol ünitesi gereklidir.

2.1. Tek Yönlü DC/DC Dönüştürücü

Bu sistem için dönüştürücünün bazı temel gereksinimleri karşılaması gerekir:

• Tek yönlü olun: enerji yalnızca DC barasından süper kapasitörlere akar.
• İzole çıkış: DC bara ve süper kapasitörler arasındaki voltaj oranı normalde transformatörsüz verimli bir dönüştürücü yapmak için çok yüksektir. Güvenlik nedenleriyle de tavsiye edilebilir.
• Çok düşük görev döngüsü ile yüksek tepe gücü, yani dönüştürücünün düşük zaman periyotlarında (düşük ortalama güç ve düşük ortalama ısı dağılımı) yüksek tepe güçlerini yönetebilmesi gerekir.
• Asansör motoru tahriki uyumluluğu: Konvertör, beklenmeyen stabilite, elektrik veya güvenlik arızalarını önlemek için motor tahrikinde oluşturduğu olası bozulmaları en aza indirecek şekilde özel olarak tasarlanmalıdır.

2.1.1. DC/DC Topolojisi

Nispeten düşük güç birimlerine (2 kW tepeye kadar) sahip modüler bir dönüştürücü, belirli bir asansöre mümkün olduğunca ayarlamak için seçilmiştir. Bu yaklaşımla, oldukça basit, kompakt ve ucuz bir dönüştürücü tasarlanabilir ve ardından onu zorlu güce uyacak şekilde paralel hale getirilebilir.

Bu özellikleri yerine getirebilen ve doğrudan standart kontrolörler tarafından çalıştırılabilen birkaç topoloji (Şekil 2) vardır. Bu tip kontrolör kullanma imkanı, hem bileşenlerin maliyetini hem de geliştirme süresini azaltabilir.

Normalde daha düşük güç uygulamaları için kullanılan topolojiler, bu yüksek güç tepe noktası ancak düşük ortalama güç durumu için dikkatli bir şekilde tasarlanırlarsa uyarlanabilirler. Örneğin, iki anahtarlı ileri veya yarım köprü (rezonanslı veya değil), normalde 1 kW'ın altındaki tasarımlar için kullanılan ve daha yüksek geçici güç için kullanılabilen basit ve ucuz topolojilerdir.

2.2. Enerji Depolama

Enerji depolama için temelde iki olasılık vardır. Birincisi, elektrikli çift katmanlı kapasitörler olarak da bilinen süper kapasitörlerdir. Bunlar, yaygın kapasitörlerle karşılaştırıldığında çok yüksek bir enerji yoğunluğuna sahip olan elektrokimyasal kapasitörlerdir, tipik olarak yüksek kapasiteli bir elektrolitik kapasitörden birkaç büyüklük sırası daha büyüktür.

İkincisi, iki tip pildir:

1. Kurşun asit: Bunlar süper kapasitörlerden çok daha yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir ve ana avantajları eski, ucuz, güvenli ve çok test edilmiş teknolojiyi kullanmalarıdır. Yenilenebilir enerjilerde geniş bir kullanım alanına sahiptirler. Bununla birlikte, süper kapasitörlerle aynı güç seviyesinde, hantal ve verimsizdirler.
2. Lityum: Katot bileşimine bağlı olarak çok az farklı özelliklere sahip çeşitli varyantlar vardır. Kurşun asitten daha yüksek enerji ve güç yoğunluğu ile bu tip piller, yüksek güçlü sistemlerde kullanılmaya başlandı. Sıcaklık veya voltaj güvenli çalışma alanlarının (SOA'lar) dışında kullanıldıklarında pahalı ve tehlikelidirler. Bu nedenle, bir SOA'da çalışmalarını sağlamak için pahalı bir pil yönetim sistemine ihtiyaçları vardır.

Tablo 1, olası depolama sistemlerinin ana özelliklerini göstermektedir.

Darbeli çalışması göz önüne alındığında, enerji depolama sistemi aşağıdaki ana gereksinimleri karşılamalıdır:

• Kısa süre, yüksek tepe güç talepleri
• Yüksek verim
• Çok yüksek sayıda şarj ve deşarj döngüsü (günde 100'den fazla)
• Yüksek enerji yoğunluğu

Bu özelliklere dayanarak, süper kapasitörler mevcut duruma daha iyi uyan depolama sistemidir. Bu teknoloji nispeten yeni olmasına rağmen, otomotiv (Schneuwly ve diğerleri, 2002) ve demiryolları (Steiner ve diğerleri, 2007) gibi diğer birçok taşımacılık sektöründe iyi sonuçlarla test edilmiş ve kullanılmıştır. Maliyetlerle ilgili olarak, süper kapasitörler pillerle rekabet edemez. Bununla birlikte, süper kapasitörlerin, güç lityum pillerin fiyatının yaklaşık dörtte birine mal olabileceğini belirtmek ilginçtir (Burke ve Zhao, 2015).

Pillere kıyasla en büyük dezavantajı düşük enerji yoğunluklarıdır. Bu parametre, geri kazanılan enerjiyi ve yardımcı sistemlerin bu enerji ile beslendiği maksimum süreyi sınırlayabilir. Bu depolamanın bir başka sorunu (aynı şekilde lityum piller için de geçerlidir), süper kapasitörlerin yalnızca düşük voltajlara (tipik olarak hücre başına 2.7 V) dayanabilmesidir, bu nedenle çoğu uygulamada daha yüksek çalışma voltajları elde etmek için seri olarak bağlanmaları gerekir. Bu kapasitörler aşırı gerilime karşı çok hassastır. Bu nedenle, seri bağlandıktan sonra, hiçbir hücrenin maksimum çalışma voltajını aşmamasını sağlamak için dengeleme elektroniği kullanılmalıdır.

2.3. DC/DC Güç Kaynağı

Bu dönüştürücünün gücü tipik olarak 50-150 W'dir ve genellikle asansör yardımcı sistemlerinin gereksinimlerine bağlı olarak birkaç çıkış voltajı (12 V, 24 V, 48 V, vb.) üretmesi gerekir.

Süper kapasitör çalışma voltajı dikkatli bir şekilde seçilirse, geliştirme maliyetlerini büyük ölçüde azaltan yeni bir güç dönüştürücü tasarımından kaçınarak standart güç kaynakları kullanılabilir.

3. Gerçek Bir Kaldırma Üzerindeki Testler

ERS sistemi, ITAINNOVA asansör test kulelerinde gerçek bir asansör kurulumunda değerlendirilmiştir (Şekil 3). Enerji ölçümleri ISO 25745-1:2015 ve 25745-2:2015'e göre yapılmıştır.

Tablo 2, test edilen asansör ve test kulesinin ana özelliklerini göstermektedir.

Enerji tüketimi, çalışan ve çalışmayan bir çalışmadan oluşur. Çalışan işletim enerji ölçümleri şu şekilde elde edilmiştir:

• Boş asansör kabinini, ISO 0-6'de belirtilen referans döngüsüne uygun olarak, iki kapı işlemi sırasında kullanılan enerji dahil olmak üzere, 0. kattan 25745. kata ve 1. kata kapalı bir döngüde çalıştırmak
• Boş asansör kabinini, ISO 4-6'de belirtilen kısa çevrime uygun olarak, iki kapı işlemi sırasında kullanılan enerji dahil olmak üzere, 4. kattan 25745. kata ve ardından 1. kata kapalı bir çevrimde çalıştırmak.

Çalışmayan enerji ölçümleri, boşta ve bekleme koşullarından oluşur. Boş durumdaki enerji, referans çevrimi bitirdikten hemen sonra başlayan 1 dakikalık bir süre için ölçülen enerjidir. Bekleme koşulu enerjisi, boş kabini 5 dakika boyunca alt inişte tutan ölçülen enerjidir. kapılar kapandıktan sonra. Ölçülen bu enerji değerleri ile bu standart asansörün enerji sınıflandırması elde edilebilir.

Sınıflandırma ölçümleri herhangi bir değişiklik yapılmadan ilk olarak “stok” asansörde yapılmıştır.

Daha sonra, deneysel doğrulama için asansörde ERS uygulandı (Şekil 3). Ölçümün amacı, asansörde ERS ile toplanabilecek enerji miktarını ölçmekti. Bu, çalışmayan operasyonun enerji tüketimi üzerindeki etkisinin ve sistemin gerçek bir asansör ile uyumluluğunun değerlendirilmesine izin verdi. Şekil 3 ve 4, ERS'nin üç ana öğesini göstermektedir: süper kapasitör modülü (1), DC Bara'ya bağlı DC/DC dönüştürücü (2) ve yardımcı elemanlara (24) bağlanan 3 V DC/DC güç kaynağı.

Test işlemi, enerji depolama cihazlarının şarj seviyesi her ölçüm periyodunun başında ve sonunda aynı olacak şekilde standart göstergeler takip edilerek yapılmıştır. Bu şekilde, ERS'nin enerji tüketimi üzerindeki etkisi belirlenebilir. Bu nedenle tüm test süreci boyunca süperkapasitör modülünün voltaj seviyesi izlenmiştir.

ERS sisteminin çıkışı değişken bir direnç yüküne bağlanmıştır (Şekil 4 ve 3'te “4” ile işaretlenmiştir). Çalışmayan operasyonu beslemek için kullanılabilecek mevcut enerjiyi ölçmek için hem akım hem de deşarj süresi ölçülmüştür.

Bu özel prototipte yardımcı ekipmana tek bir noktadan güç sağlanmadığından (yani ışıklar doğrudan AC ana şebekeden bağlandığından), ERS katkısının enerji sınıflandırması üzerindeki etkisini elde etmek için bir simülasyon gerçekleştirmek gerekliydi. kaldırmak. Asansör özellikleri, asansörlerde enerji tüketimi analizi için yarı dinamik bir modelde tanıtılmıştır (Echeverria I, et al., 2014) ve yedek tüketimi sağlamak için ERS tarafından geri kazanılan kayıtlı enerji eklenir. Son olarak, ISO yörüngesi (referans çevrimi ve kısa çevrim) ve çalışmayan çalışma (boşta ve bekleme durumu) simüle edilir ve Tablo 3'te gösterilen sonuçlar üretilerek asansörün toplam tüketimi elde edilir.

Tablo 3'ün sonuç özetinde görüldüğü gibi, günlük tüketim azaltılarak daha iyi bir sınıflandırma elde edilerek, düşük kullanım kategorilerinde B sınıfından A sınıfına geçişin sağlanabileceğini göstermektedir.

4. sonuçlar

Bu yazıda sunulan çalışma, enerji rejenerasyonuna izin veren asansörlerin çoğuyla uyumlu yeni bir ERS topolojisi üretmiştir. Bu ERS, verimlilik artışı açısından iyi sonuçlarla gerçek bir kurulumda başarıyla test edilmiş patentli bir çözümdür.

Modüler tasarım, bileşen bağlantısını kolaylaştıran ve çözümün uygulanacağı asansöre uymasını kolaylaştıran tak ve çalıştır bağlantısına izin verir. Bu şekilde, süper kapasitör setinin boyutu, enerji geri kazanımı için asansörün kapasitesine göre ayarlanabileceğinden çözüm optimal hale gelir.

Sonuç olarak, frenleme sırasında boşa harcanan enerji minimumdur ve süper kapasitör depolama sisteminin maliyeti, gerekli olanla sınırlıdır. Cihaz tek yönlü bir dönüştürücüye dayandığından, genel maliyet esas olarak süper kapasitör seti tarafından tanımlanır ve bu da ERS'yi ekonomik bir çözüm haline getirir.

Son olarak, gerçek bir asansörde elde edilen sonuçlar, güç şebekesinden gelen asansör tüketiminin, bekleme işletimi sırasında neredeyse ortadan kaldırılabileceğini, sağladığı faydalarla birlikte düşük kategorilerin uygulandığı asansörler için bir sınıfa ulaşmayı mümkün kıldığını göstermiştir.

Teşekkür

Bu projenin test kampanyası sırasında özverili destekleri için MP ASCENSORES'deki teknik personele teşekkür ederiz.

Referanslar
[1] Tominaga S., Suga, I., Araki, H., Ikejima, H., Kusuma, M., Kobayashi, K., (2002). “Yenilenmiş Güç Depolama Sistemi Kullanılarak Enerji Tasarruflu Asansör Geliştirilmesi”. Güç Dönüşümü Konferansı Tutanakları, 2002. PCC-Osaka. Cilt 2, s.890-895, 2002.
[2] Oyarbide E., Jiménez LA, Molina P., Gálvez R., Bernal C., “Challenges of Low- Voltage Energy Storage for Lifts”, 5. Sempozyum on Lift & Yürüyen Merdiven Teknolojileri, s. 147-170, 2015.
[3] Li Z., Ruan Y., “Bulanık mantık kullanan süper kapasitör bankasına dayalı asansör için yeni bir enerji tasarruflu kontrol sistemi,” 2008 Uluslararası Elektrik Makineleri ve Sistemleri Konferansı, cilt, no., s.2717-2722, 17-20 Ekim 2008.
[4] Schneuwly A., Bärtschi M., Hermann V., Sartorelli G., Gallay R., Koetz R., “BOOSTCAP Double-Layer Capacitors for Peak Power Otomotiv uygulamaları”, İkinci Uluslararası Gelişmiş Otomotiv Pil Konferansı (AABC), Las Vegas, Nevada, 2002.
[5] Steiner M., Klohr M., Pagiela S., “Demiryolu Araçlarında UltraCaps ile Enerji Depolama Sistemi”, Avrupa Güç Elektroniği ve Uygulamaları Konferansı, Aalborg, Danimarka, s. 1-10, 2007.
[6] Burke A., Zhao H., “Applications of Supercapacitors in Electric and Hybrid Vehicles”, 5. Avrupa Süperkapasitör ve Hibrit Çözümler Sempozyumu (ESSCAP), Brasov, Romanya, 23-25 ​​Nisan 2015.
[7] Echeverria I., Arteche F., Iglesias M., Gómez A., Roig JA, González P., “Asansörlerde Enerji Tüketimi Analizi için Yarı Dinamik Model”, 21. Uluslararası Dikey Taşımacılık Kongresi (ELEVCON 14) , 2014.