El proveedor del dispositivo de retroalimentación de energía del inversor le recuerda que el consumo energético del motor eléctrico que impulsa la carga representa más del 70 % del consumo total de energía. Por lo tanto, la conservación de energía del motor eléctrico y de la carga que impulsa tiene una gran importancia social y beneficios económicos.
Hay dos maneras principales de que los motores eléctricos y sus cargas ahorren energía: una es mejorar la eficiencia operativa del motor o la carga, como instalar un ascensor con un "cerebro de memoria". En un edificio, varios ascensores suelen circular en la misma dirección, lo que consume mucha electricidad. ¿Cómo lograr que los ascensores sean inteligentes y energéticamente eficientes? Se puede decir que la tecnología de control moderna ha resuelto este problema. Las "neuronas artificiales" son como bancos de procesamiento de información y memoria que registran el funcionamiento de los ascensores cada semana como un período de tiempo. Según la información registrada, la "neurona artificial" generará el modo de funcionamiento más eficiente, controlará varios ascensores del edificio, les permitirá una clara división del trabajo, llegarán a la posición correcta en el momento oportuno, facilitará la subida y bajada de pasajeros y reducirá el número de arranques y arranques. En ascensores colectivos, el ahorro energético puede superar el 30 %. Además, las medidas de ahorro energético destinadas a mejorar la eficiencia del funcionamiento de los motores eléctricos incluyen el apagado automático de la iluminación del ascensor cuando no hay nadie, la parada automática o el funcionamiento a baja velocidad de las escaleras mecánicas, etc. El segundo consiste en convertir la energía mecánica que el motor transfiere a la carga en energía eléctrica y devolverla a la red eléctrica, reduciendo así el consumo de energía del motor y la carga en una unidad de tiempo, logrando así el objetivo de ahorro energético. La retroalimentación energética es un dispositivo típico para el ahorro de electricidad en la segunda categoría.
Como es bien sabido, los motores eléctricos poseen energía cinética mecánica cuando impulsan cargas para que giren. Si los motores eléctricos impulsan cargas que se mueven hacia arriba y hacia abajo (como ascensores, grúas, compuertas de embalses, etc.), poseen energía potencial. Cuando el motor eléctrico impulsa la carga para que desacelere, su energía cinética mecánica se libera; cuando la energía potencial de la carga disminuye durante el movimiento (disminuye la energía potencial), también se libera su energía mecánica. Si estas dos partes de la energía mecánica se pueden convertir eficazmente en energía eléctrica y devolver a la red eléctrica de CA, se puede lograr el objetivo de conservación de energía.
Análisis de ahorro energético de ascensores
El ascensor que utiliza la regulación de velocidad de conversión de frecuencia tiene la máxima energía cinética mecánica después de alcanzar la velocidad máxima de operación. Antes de llegar al piso objetivo, el ascensor necesita reducir gradualmente la velocidad hasta que se detenga. Este proceso es el período en que la carga del ascensor libera energía cinética mecánica. El convertidor de frecuencia puede convertir la energía mecánica durante este período en energía eléctrica a través del motor eléctrico y almacenarla en el condensador grande del enlace de CC del convertidor de frecuencia. En este momento, el condensador grande es como un pequeño depósito con capacidad de almacenamiento limitada. Si el agua inyectada en el depósito pequeño no se descarga de manera oportuna, accidentes de desbordamiento en el depósito. De manera similar, si la energía en el condensador no se descarga de manera oportuna, también puede ocurrir una sobretensión. Actualmente, el método de amplificación de condensadores en convertidores de frecuencia es usar unidades de frenado o resistencias externas de alta potencia, que desperdician la electricidad en los condensadores grandes a las resistencias externas de alta potencia. Los inversores pueden devolver la electricidad almacenada en grandes condensadores a la red eléctrica sin consumo, logrando así el objetivo de ahorro energético y eliminando la necesidad de resistencias de alta potencia que consumen electricidad y generan calor, mejorando enormemente el entorno operativo del sistema.
El ascensor sigue siendo una carga potencial, y para arrastrar uniformemente la carga, la carga del ascensor se compone de cabinas de pasajeros y bloques de equilibrio de contrapeso. Solo cuando la capacidad de carga de la cabina del ascensor es de aproximadamente el 50% (por ejemplo, un ascensor de pasajeros de 1000 kg con aproximadamente 7 pasajeros), el bloque de equilibrio de contrapeso de la cabina del ascensor está en un estado básico de equilibrio de masa entre los dos lados. De lo contrario, habrá una diferencia de masa entre la cabina del ascensor y el bloque de equilibrio de contrapeso, que generará energía potencial mecánica durante el funcionamiento del ascensor. Cuando los componentes pesados del ascensor suben, la energía potencial mecánica absorbida por el motor eléctrico y convertida desde la red eléctrica aumenta. Cuando los componentes pesados del ascensor bajan, la energía potencial mecánica disminuye y la energía potencial mecánica reducida se libera y se convierte en energía eléctrica almacenada en el condensador grande del enlace de CC del convertidor de frecuencia a través del motor eléctrico. El dispositivo de retroalimentación de energía luego envía esta parte de la energía eléctrica de vuelta a la red eléctrica.
El análisis, los cálculos y las pruebas de prototipos demuestran que cuanto mayor sea la velocidad del ascensor, mayor la altura del piso y menor el consumo de rotación mecánica, mayor será la energía que se puede devolver a la red eléctrica. La cantidad de electricidad devuelta puede alcanzar aproximadamente el 50% del consumo total del ascensor, lo que significa que la eficiencia de ahorro energético es de aproximadamente el 50%.
El análisis anterior indica que el uso de dispositivos de retroalimentación de energía tiene un importante efecto de ahorro energético en equipos con movimientos rápidos de subida y bajada, como ascensores y grúas. Además, también se observa un importante efecto de ahorro energético en equipos como locomotoras eléctricas y cepilladoras de pórtico, que arrancan y frenan con frecuencia.
Estructura y principios básicos de control de los dispositivos de ahorro de energía
La estructura del circuito principal del dispositivo de retroalimentación de energía se muestra en la Figura 1, compuesta principalmente por un puente completo IGBT (transistor bipolar de puerta aislada) trifásico, inductancia en serie, condensador de filtrado y algunos circuitos periféricos.
Aplicación de dispositivos de retroalimentación de energía en la conservación de energía en ascensores
Figura 1: Diagrama de la estructura del circuito principal y el método de conexión del dispositivo de retroalimentación de energía PFE
Su terminal de salida está conectado a los terminales de entrada R, S y T del convertidor de frecuencia del ascensor. Dos diodos de aislamiento, VD1 y VD2, están conectados en serie en la entrada, y a su vez, se conectan a la línea PN del convertidor. Cuando el ascensor genera electricidad mediante regeneración, la tensión del bus del convertidor aumenta y, tras pasar por VD1 y VD2, también aumenta la tensión del bus del dispositivo de retroalimentación. Cuando la tensión del bus supera el valor de apertura establecido, el dispositivo de retroalimentación entra en funcionamiento y realimenta energía eléctrica a la red.
La función del dispositivo de retroalimentación de energía se puede describir utilizando la Figura 2. El circuito de control (dentro del cuadro discontinuo) consta de un chip lógico programable de microcomputadora de un solo chip y un muestreador de señal periférica, junto con un diseño de software altamente redundante, lo que permite que el circuito de control identifique automáticamente la secuencia de fase, fase, voltaje y valores instantáneos de corriente de la red eléctrica de CA trifásica, y controle de manera ordenada el IPM (Módulo de Potencia Inteligente) para que funcione en estado PWM, lo que garantiza que la energía de CC pueda regresar rápidamente a la red eléctrica de CA.
Aplicación de dispositivos de retroalimentación de energía en la conservación de energía en ascensores
Figura 2 Diagrama de bloques funcional del dispositivo de retroalimentación de energía
Actualmente existen productos de dispositivos de retroalimentación de energía, los cuales tienen las siguientes características:
① Reemplazar elementos calefactores como resistencias de frenado, eliminar fuentes de calor, mejorar el ambiente de la sala de máquinas, reducir los efectos adversos de las altas temperaturas en componentes como motores y sistemas de control, y extender la vida útil de los ascensores;
② Puede eliminar instantáneamente el voltaje de la bomba, mejorar eficazmente el rendimiento de frenado del ascensor y mejorar el rendimiento de comodidad del ascensor;
③ Al utilizar la estrategia de control de fase, se puede suprimir eficazmente la interferencia armónica del convertidor de frecuencia que impulsa el ascensor en la red eléctrica, purificando así la red eléctrica;
④ La forma de onda del voltaje de salida es buena, el factor de potencia es alto, no hay circulación pulsante y su voltaje coincide con el voltaje de la red;
⑤ Contar con medidas de aislamiento eléctrico efectivas que no interfieran con otros equipos eléctricos ni sean perturbadas por factores externos;
⑥ El producto tiene un alto grado de inteligencia, funcionamiento estable, seguridad y confiabilidad, y varias funciones de protección contra fallas y alarmas están completas;
⑦ Siempre que la selección sea correcta, el cableado sea correcto y no haya necesidad de depuración, se puede poner en uso;
⑧ El producto tiene una estructura simple, tamaño compacto y fácil instalación y mantenimiento.