O fornecedor do dispositivo de feedback de energia do inversor lembra que o consumo de energia do motor elétrico que aciona a carga representa mais de 70% do consumo total de energia. Portanto, a conservação de energia do motor elétrico e da carga que ele aciona tem uma importância social e benefícios econômicos particularmente relevantes.
Existem duas maneiras principais de economizar energia em motores elétricos e suas cargas: uma delas é melhorar a eficiência operacional do motor ou da carga, como instalar um elevador com um "cérebro de memória" - em um prédio, vários elevadores frequentemente circulam na mesma direção, o que consome muita eletricidade. Como tornar os elevadores inteligentes e energeticamente eficientes? Pode-se dizer que a tecnologia de controle moderna resolveu esse problema. "Neurônios artificiais" funcionam como processadores de informação e bancos de memória, registrando a operação dos elevadores semanalmente. De acordo com as informações registradas, o "neurônio artificial" gera o modo de operação mais eficiente em termos de energia, controla vários elevadores no prédio, estabelecendo uma clara divisão de tarefas, garantindo que cheguem à posição adequada no momento certo, facilitando o embarque e desembarque dos passageiros e reduzindo o número de partidas e viagens do elevador. Para grupos de elevadores, a economia de energia pode chegar a mais de 30%. Além disso, medidas de economia de energia voltadas para a melhoria da eficiência da operação do motor elétrico incluem o desligamento automático da iluminação do elevador quando não há ninguém usando, parada automática ou operação em baixa velocidade das escadas rolantes, etc. A segunda estratégia consiste em converter a energia mecânica transmitida pelo motor à carga de volta em energia elétrica e enviá-la de volta à rede elétrica, reduzindo assim o consumo de energia do motor e da carga por unidade de tempo e, consequentemente, alcançando o objetivo de economia de energia. O sistema de realimentação de energia é um dispositivo típico para economia de energia elétrica nessa segunda categoria.
Como é sabido, os motores elétricos possuem energia cinética mecânica quando acionam cargas em rotação. Se os motores elétricos acionam cargas que se movem para cima e para baixo (como elevadores, guindastes, comportas de reservatórios, etc.), essas cargas possuem energia potencial. Quando o motor elétrico aciona a carga para desacelerar, sua energia cinética mecânica é liberada; quando a carga com energia potencial diminui de tamanho (sua energia potencial diminui), sua energia mecânica também é liberada. Se essas duas formas de energia mecânica puderem ser convertidas de forma eficiente em energia elétrica e enviadas de volta à rede elétrica CA, o objetivo da conservação de energia poderá ser alcançado.
Análise de economia de energia em elevadores
O elevador com regulação de velocidade por conversão de frequência atinge sua energia cinética mecânica máxima após alcançar a velocidade operacional máxima. Antes de chegar ao andar desejado, o elevador precisa desacelerar gradualmente até parar. Esse processo é o período em que a carga do elevador libera energia cinética mecânica. O conversor de frequência converte essa energia mecânica em energia elétrica, alimentada por um motor elétrico, e a armazena no capacitor de grande capacidade do barramento CC do conversor. Nesse momento, o capacitor de grande capacidade funciona como um pequeno reservatório com capacidade limitada. Se a energia armazenada nesse reservatório não for drenada a tempo, podem ocorrer acidentes por transbordamento. Da mesma forma, se a energia armazenada no capacitor não for descarregada a tempo, também pode ocorrer sobretensão. Atualmente, o método de amplificação de capacitores em conversores de frequência consiste em utilizar unidades de frenagem ou resistores externos de alta potência, o que desperdiça a energia armazenada nos capacitores de grande capacidade. Os inversores podem devolver a eletricidade armazenada em grandes capacitores à rede elétrica sem consumo, atingindo assim o objetivo de economia de energia e eliminando a necessidade de resistores de alta potência que consomem eletricidade e geram calor, melhorando significativamente o ambiente operacional do sistema.
O elevador ainda representa uma carga potencial e, para distribuir essa carga uniformemente, sua estrutura é composta pela cabine de passageiros e pelos blocos de contrapeso. Somente quando a capacidade de carga da cabine do elevador atinge cerca de 50% (como em um elevador de passageiros de 1000 kg com aproximadamente 7 passageiros), o bloco de contrapeso da cabine encontra-se em um estado básico de equilíbrio de massa entre os dois lados. Caso contrário, haverá uma diferença de massa entre a cabine e o bloco de contrapeso, o que gerará energia potencial mecânica durante a operação do elevador. Quando os componentes pesados do elevador se movem para cima, a energia potencial mecânica absorvida pelo motor elétrico e convertida da rede elétrica aumenta. Quando os componentes pesados do elevador se movem para baixo, a energia potencial mecânica diminui e é liberada e convertida em energia elétrica armazenada no capacitor de grande capacidade do barramento CC do conversor de frequência, através do motor elétrico. O dispositivo de realimentação de energia, então, envia essa parte da energia elétrica de volta para a rede elétrica.
Análises, cálculos e testes com protótipos mostram que quanto maior a velocidade do elevador, mais alto o andar e menor o consumo de energia da rotação mecânica, mais energia pode ser devolvida à rede elétrica. A quantidade de eletricidade devolvida pode chegar a cerca de 50% do consumo total do elevador, o que significa que a eficiência de economia de energia é de aproximadamente 50%.
A análise acima indica que o uso de dispositivos de realimentação de energia tem um efeito significativo na economia de energia em equipamentos com movimentos rápidos de subida e descida, como elevadores e guindastes. Além disso, também há um efeito significativo na economia de energia em equipamentos como locomotivas elétricas e plainas de pórtico que ligam e desligam com frequência.
Estrutura e princípios básicos de controle de dispositivos economizadores de energia
A estrutura principal do circuito do dispositivo de realimentação de energia é mostrada na Figura 1, sendo composta principalmente por uma ponte completa de IGBT (Transistor Bipolar de Porta Isolada) trifásica, indutor em série, capacitor de filtragem e alguns circuitos periféricos.
Aplicação de dispositivos de feedback de energia na conservação de energia em elevadores
Figura 1: Diagrama da estrutura do circuito principal e do método de conexão do dispositivo de realimentação de energia PFE
Seu terminal de saída está conectado aos terminais de entrada R, S e T do conversor de frequência do elevador; existem dois diodos de isolamento VD1 e VD2 conectados em série na extremidade de entrada, que por sua vez estão conectados à linha PN do conversor de frequência. Quando o elevador gera eletricidade por meio da regeneração, a tensão do barramento do conversor de frequência do elevador aumenta e, após passar por VD1 e VD2, a tensão do barramento do dispositivo de realimentação também aumenta. Quando a tensão do barramento é maior que o valor de ativação definido, o dispositivo de realimentação entra em funcionamento e injeta energia elétrica de volta na rede.
A função do dispositivo de realimentação de energia pode ser descrita utilizando a Figura 2. O circuito de controle (dentro da caixa tracejada) consiste em um chip de lógica programável de microcomputador de chip único e um amostrador de sinal periférico, acoplado a um projeto de software altamente redundante, permitindo que o circuito de controle identifique automaticamente a sequência de fases, a fase, a tensão e os valores instantâneos de corrente da rede elétrica CA trifásica e controle ordenadamente o IPM (Módulo de Potência Inteligente) para operar no estado PWM, garantindo que a energia CC possa ser prontamente devolvida à rede elétrica CA.
Aplicação de dispositivos de feedback de energia na conservação de energia em elevadores
Figura 2. Diagrama de blocos funcionais de um dispositivo de realimentação de energia.
Atualmente, existem dispositivos de feedback de energia disponíveis no mercado que possuem as seguintes características:
① Substituição de elementos de aquecimento, como resistores de frenagem, eliminação de fontes de calor, melhoria do ambiente da casa de máquinas, redução dos efeitos adversos das altas temperaturas em componentes como motores e sistemas de controle e prolongamento da vida útil dos elevadores;
② Pode eliminar instantaneamente a tensão da bomba, melhorando efetivamente o desempenho de frenagem do elevador e aumentando o conforto do mesmo;
③ Ao utilizar a estratégia de controle de fase, a interferência harmônica do conversor de frequência que aciona o elevador na rede elétrica pode ser efetivamente suprimida, purificando a rede elétrica;
④ A forma de onda da tensão de saída é boa, o fator de potência é alto, não há oscilação pulsante e sua tensão corresponde à tensão da rede;
⑤ Possuir medidas eficazes de isolamento elétrico que não interfiram com outros equipamentos elétricos nem sejam afetadas por fatores externos;
⑥ O produto possui um alto grau de inteligência, operação estável, segurança e confiabilidade, além de diversas funções completas de proteção contra falhas e alarmes;
⑦ Desde que a seleção esteja correta, a fiação esteja correta e não haja necessidade de depuração, o produto pode ser colocado em uso;
⑧ O produto possui estrutura simples, tamanho compacto e é fácil de instalar e manter.