Der Lieferant des Wechselrichter-Energierückführungsgeräts weist darauf hin, dass der Energieverbrauch des den Verbraucher antreibenden Elektromotors über 70 % des Gesamtstromverbrauchs ausmacht. Daher ist die Energieeinsparung des Elektromotors und des von ihm angetriebenen Verbrauchers von besonderer gesellschaftlicher Bedeutung und bietet erhebliche wirtschaftliche Vorteile.
Es gibt zwei Hauptmöglichkeiten, um bei Elektromotoren und ihren Verbrauchern Energie zu sparen: Zum einen kann die Betriebseffizienz des Motors oder des Verbrauchers verbessert werden, beispielsweise durch den Einbau eines Aufzugs mit einem „Speicher“. In einem Gebäude fahren oft mehrere Aufzüge in dieselbe Richtung, was viel Strom verbraucht. Wie lassen sich Aufzüge intelligent und energieeffizient gestalten? Moderne Steuerungstechnik bietet hierfür eine Lösung. „Künstliche Neuronen“ fungieren als Informationsverarbeitungs- und Speichersysteme und erfassen den Aufzugsbetrieb wöchentlich. Anhand dieser Daten generiert das „künstliche Neuron“ den energieeffizientesten Betriebsmodus, steuert mehrere Aufzüge im Gebäude, sorgt für eine klare Arbeitsteilung, sodass die Aufzüge zur richtigen Zeit am richtigen Ort ankommen, erleichtert den Fahrgästen das Ein- und Aussteigen und reduziert die Anzahl der Starts und Fahrten. Bei Aufzugsgruppen können so über 30 % Energie eingespart werden. Weitere Energiesparmaßnahmen zur Verbesserung der Effizienz des Elektromotorbetriebs umfassen das automatische Abschalten der Aufzugsbeleuchtung bei Nichtgebrauch, das automatische Anhalten oder den Langsambetrieb von Rolltreppen usw. Die zweite Möglichkeit besteht darin, die vom Motor auf die Last übertragene mechanische Energie wieder in elektrische Energie umzuwandeln und ins Stromnetz zurückzuspeisen. Dadurch wird der Stromverbrauch von Motor und Last pro Zeiteinheit reduziert und somit Energie eingespart. Energierückkopplung ist ein typisches Gerät zur Stromeinsparung in dieser zweiten Kategorie.
Bekanntermaßen besitzen Elektromotoren mechanische kinetische Energie, wenn sie Lasten in Rotation versetzen. Bewegen Elektromotoren Lasten auf und ab (wie Aufzüge, Kräne, Schleusentore usw.), besitzen diese potenzielle Energie. Verzögert der Elektromotor die Last, wird deren mechanische kinetische Energie freigesetzt; verringert sich die potenzielle Energie der Last, wird auch deren mechanische Energie freigesetzt. Können diese beiden Anteile mechanischer Energie effizient in elektrische Energie umgewandelt und in das Wechselstromnetz eingespeist werden, lässt sich das Ziel der Energieeinsparung erreichen.
Energiesparanalyse von Aufzügen
Der Aufzug mit Frequenzumrichter-Drehzahlregelung besitzt seine maximale mechanische kinetische Energie nach Erreichen der maximalen Betriebsgeschwindigkeit. Vor Erreichen des Zielgeschosses muss der Aufzug allmählich abbremsen, bis er zum Stillstand kommt. In diesem Zeitraum gibt die Aufzugslast mechanische kinetische Energie ab. Der Frequenzumrichter wandelt diese mechanische Energie währenddessen über den Elektromotor in elektrische Energie um und speichert sie im großen Kondensator des Zwischenkreises. Dieser Kondensator fungiert dabei wie ein kleiner Speicher mit begrenzter Kapazität. Wird das eingefüllte Wasser nicht rechtzeitig abgelassen, kann es zu einem Überlaufen kommen. Ebenso kann eine nicht rechtzeitige Entladung der Kondensatorspannung zu Überspannungen führen. Derzeit werden Kondensatoren in Frequenzumrichtern mittels Bremseinheiten oder externen Hochleistungswiderständen verstärkt, wodurch jedoch Energie aus den Kondensatoren an die externen Widerstände abgegeben wird. Wechselrichter können die in großen Kondensatoren gespeicherte elektrische Energie ohne Eigenverbrauch in das Stromnetz zurückspeisen und so das Ziel der Energieeinsparung erreichen. Gleichzeitig entfällt die Notwendigkeit von Hochleistungswiderständen, die Strom verbrauchen und Wärme erzeugen, wodurch die Betriebsbedingungen des Systems erheblich verbessert werden.
Der Aufzug stellt eine potenzielle Last dar. Um diese gleichmäßig zu verteilen, besteht die Aufzugslast aus Fahrgastkabinen und Gegengewichten. Nur wenn die Fahrgastkabine zu etwa 50 % ausgelastet ist (z. B. bei einem 1000 kg schweren Personenaufzug mit etwa 7 Fahrgästen), befindet sich das Gegengewicht im Gleichgewicht. Andernfalls entsteht eine Massendifferenz zwischen Fahrgastkabine und Gegengewicht, die während des Betriebs mechanische potenzielle Energie erzeugt. Beim Aufwärtsfahren der schweren Komponenten nimmt die vom Elektromotor aufgenommene und aus dem Stromnetz eingespeiste mechanische potenzielle Energie zu. Beim Abwärtsfahren sinkt die mechanische potenzielle Energie. Die überschüssige Energie wird über den Elektromotor in elektrische Energie umgewandelt und im Kondensator des Zwischenkreises des Frequenzumrichters gespeichert. Die Energierückführungseinrichtung speist diese elektrische Energie anschließend wieder ins Stromnetz ein.
Analysen, Berechnungen und Prototypentests zeigen, dass mit steigender Aufzugsgeschwindigkeit, höherer Etage und geringerem mechanischen Rotationsenergieverbrauch mehr Energie ins Stromnetz zurückgespeist werden kann. Die zurückgespeiste Strommenge kann bis zu 50 % des Gesamtverbrauchs des Aufzugs erreichen, was einer Energieeinsparung von rund 50 % entspricht.
Die obige Analyse zeigt, dass der Einsatz von Energierückgewinnungssystemen bei sich schnell auf und ab bewegenden Anlagen wie Aufzügen und Kränen einen signifikanten Energiespareffekt erzielt. Darüber hinaus ergibt sich auch bei Anlagen wie Elektrolokomotiven und Portalfräsmaschinen, die häufig anfahren und bremsen, ein signifikanter Energiespareffekt.
Aufbau und grundlegende Steuerungsprinzipien von Energiespargeräten
Die Hauptschaltungsstruktur des Energierückkopplungsgeräts ist in Abbildung 1 dargestellt und besteht im Wesentlichen aus einer dreiphasigen IGBT-Vollbrücke (Insulated Gate Bipolar Transistor), einer Serieninduktivität, einem Filterkondensator und einigen peripheren Schaltungen.
Anwendung von Energierückkopplungsvorrichtungen zur Energieeinsparung in Aufzügen
Abbildung 1: Hauptschaltungsstruktur und Anschlussdiagramm des PFE-Energierückkopplungsgeräts
Der Ausgang ist mit den Eingangsanschlüssen R, S und T des Aufzugsfrequenzumrichters verbunden. Am Eingang sind zwei Trenndioden VD1 und VD2 in Reihe geschaltet, die wiederum mit der PN-Leitung des Frequenzumrichters verbunden sind. Wenn der Aufzug durch Rückspeisung Strom erzeugt, steigt die Busspannung des Aufzugsfrequenzumrichters. Nach dem Durchlaufen von VD1 und VD2 steigt auch die Busspannung der Rückkopplungseinrichtung. Sobald die Busspannung den eingestellten Öffnungswert überschreitet, wird die Rückkopplungseinrichtung aktiviert und speist elektrische Energie ins Netz zurück.
Die Funktion der Energierückkopplungsvorrichtung kann anhand von Abbildung 2 beschrieben werden. Die Steuerschaltung (im gestrichelten Kasten) besteht aus einem programmierbaren Logikchip auf Mikrocomputerbasis und einem peripheren Signalabtaster, gekoppelt mit einem hochredundanten Softwaredesign. Dadurch ist die Steuerschaltung in der Lage, die Phasenfolge, die Phasen-, Spannungs- und Strommomentwerte des dreiphasigen Wechselstromnetzes automatisch zu identifizieren und das IPM (Intelligent Power Module) ordnungsgemäß im PWM-Zustand zu betreiben, um sicherzustellen, dass Gleichstrom umgehend in das Wechselstromnetz zurückgeführt werden kann.
Anwendung von Energierückkopplungsvorrichtungen zur Energieeinsparung in Aufzügen
Abbildung 2 Funktionsblockdiagramm eines Energierückkopplungsgeräts
Derzeit sind Energierückkopplungsgeräteprodukte erhältlich, die folgende Eigenschaften aufweisen:
① Austausch von Heizelementen wie Bremswiderständen, Beseitigung von Wärmequellen, Verbesserung der Maschinenraumumgebung, Verringerung der negativen Auswirkungen hoher Temperaturen auf Komponenten wie Motoren und Steuerungssysteme und Verlängerung der Lebensdauer von Aufzügen;
② Es kann die Pumpenspannung sofort eliminieren, die Bremsleistung des Aufzugs effektiv verbessern und den Fahrkomfort erhöhen;
③ Durch die Anwendung einer Phasensteuerungsstrategie können die harmonischen Störungen des Frequenzumrichters, der den Aufzug antreibt, im Stromnetz wirksam unterdrückt und das Stromnetz gereinigt werden.
④ Die Ausgangsspannungswellenform ist gut, der Leistungsfaktor ist hoch, es gibt keine pulsierende Zirkulation und die Spannung entspricht der Netzspannung;
⑤ Wirksame elektrische Isolationsmaßnahmen, die weder andere elektrische Geräte beeinträchtigen noch durch äußere Einflüsse gestört werden;
⑥ Das Produkt zeichnet sich durch einen hohen Grad an Intelligenz, einen stabilen Betrieb, Sicherheit und Zuverlässigkeit aus und verfügt über diverse Fehlerschutz- und Alarmfunktionen;
⑦ Solange die Auswahl korrekt ist, die Verdrahtung korrekt ist und keine Fehlersuche erforderlich ist, kann es in Betrieb genommen werden;
⑧ Das Produkt zeichnet sich durch eine einfache Struktur, kompakte Abmessungen sowie einfache Installation und Wartung aus.