Elevator energy-saving equipment suppliers remind you that with the continuous enhancement of environmental awareness, energy conservation and environmental protection have become a fundamental national policy with practical significance advocated by China. In today's increasingly competitive elevator industry, the adoption of new technologies, faster speeds, and heavier loads are the most prominent aspects that highlight product advantages. However, it cannot be denied that the economic and environmental benefits of elevators after they are put into use are also factors that must be considered when purchasing elevators.
1、 Basic Structure and Operating Status of Elevators
1. Basic structure of elevator
Nowadays, elevators are mainly composed of traction machine systems, guidance systems, car systems, and door systems. Composed of weight balance system, electric drive system, electrical control system, safety protection system, etc. These parts are installed in the shaft and machine room of the building respectively. Usually, steel wire rope transmission is used, with the steel wire rope winding around the traction wheel and connecting the car and counterweight at both ends. The traction machine drives the traction wheel to lift and lower the car.
2. Analysis of elevator operation status:
When the elevator runs upwards, it consumes energy, and when the elevator descends from a high place, it releases energy. The load dragged by the traction machine in the elevator is composed of the passenger car and the counterweight. In order to balance the drag load, the two are only balanced when the car load is added to 50% of the rated load of the car (for example, a passenger elevator with a load of 1050kg has about 7 passengers). Although this move changes the peak point of energy consumption, it cannot change the average energy consumption. In actual use, the frequency of occurrence of the weight of the counterweight is relatively low, as the weight of the car plus the weight of the passengers is exactly equal to the weight of the counterweight. So the operating state of elevators is basically in an unbalanced state, and it is also very likely that the car will descend when there are many passengers, and rise again when there are few or no passengers. If the first situation occurs when the gravitational potential energy of passengers is released, and the second situation occurs when the gravitational potential energy of the counterweight is released, due to the effect of the potential load, the speed is higher than the synchronous speed, that is, when n>no, the slip rate s=(no - n)/no<0, the rotor induced electromotive force is reversed, the stator winding feeds back electrical energy to the grid, and the T direction is opposite to the speed direction. The motor not only feeds back electrical energy, but also generates mechanical braking torque on the shaft. The sentence is:. However, due to the irreversibility of the AC/DC rectification circuit of the elevator's frequency converter, the generated electricity cannot be fed back to the grid, resulting in an increase in the voltage at both ends of the main circuit capacitor and the generation of "pump up voltage". Generally, variable frequency elevators use resistors to consume stored electrical energy in capacitors to prevent capacitor overvoltage. During elevator operation, these resistors emit a large amount of heat (with a surface temperature of over 100 ℃), and this wasted energy accounts for 25% to 45% of the total electricity consumption of the elevator. The energy consumption of resistors not only reduces the efficiency of the system, but also generates a large amount of heat that accelerates the flow of dust in the air of the machine room, adsorbs static electricity, and greatly affects the environment around the elevator control cabinet. At the same time, the increase in temperature will significantly shorten the service life of the original components of the elevator, and the aging and failure of the components will continue. In order to lower the temperature of the computer room to room temperature and prevent elevator malfunctions caused by high temperatures, users need to install air conditioners or fans with large exhaust volumes; In machine rooms with high elevator power, multiple air conditioners and fans often need to be started simultaneously. Make elevators and air conditioning the most energy consuming "electric tigers".
2、 Operating principle of elevator energy feedback device
To save energy in elevators, the key is to utilize the electrical energy generated by the traction machine during power generation. The energy generated by the braking resistor is then converted back into AC power through inversion, supplied to other electrical equipment, or fed back to the power grid. The general energy inversion efficiency is around 85%, and the energy consumption of the braking resistor mentioned above accounts for 25% to 45% of the total electricity consumption of the elevator. If the floor is higher or the elevator speed is faster, the feedback effect of electrical energy will be more obvious. The main circuit structure of the energy feedback system is mainly composed of filtering capacitors, three IGBT full bridges, series inductors, and peripheral circuits. The input end of the elevator energy feedback system is connected to the DC bus side of the elevator frequency converter, and the output end is connected to the grid side. When the elevator traction machine is operating in electric mode, all switches of the energy feedback system are in the off state. When the traction machine is operating in power generation mode, the pump voltage on the DC bus side of the frequency converter increases and meets other inversion conditions. After that, the energy feedback system starts to operate. As the current energy on the DC is fed back to the grid, the DC bus voltage decreases until it falls back to the set value, and the system stops working.
The active inverter that converts DC electrical energy into AC electrical energy is the essence of elevator energy feedback. The purpose is to feedback the electrical energy generated by the traction machine during power generation through the inverter, achieving energy conservation and avoiding pollution to the power grid caused by the inverter output. So in the process of energy feedback generated by traction machine power generation, four control conditions must be met in terms of phase, voltage, and current:
a) The system cannot be started casually. The inverter device will only start and provide energy feedback when the DC bus voltage exceeds the set value;
b) The inverter current must meet the demand for feedback power and cannot exceed the maximum current allowed by the inverter circuit;
c) The inverter process needs to be synchronized with the phase of the power grid, and the energy feedback to the power grid should be at the high voltage end of the power grid;
d) Minimize the pollution of the power grid caused by the inverter process as much as possible.
3、 Hardware Design of Elevator Energy Feedback System
1. Power inverter circuit
No circuito inversor de potência, a corrente contínua armazenada no lado do barramento CC do conversor de frequência do elevador durante a operação da máquina de tração do elevador em estado de geração de energia é convertida em corrente alternada pelo controle do liga/desliga da chave. Este é o circuito principal do sistema de realimentação de energia do elevador, que possui estruturas diferentes de acordo com as diferentes classificações de circuitos inversores. Controlando o liga/desliga da chave, a energia CC armazenada no lado do barramento CC do conversor de frequência do elevador durante a operação da máquina de tração em estado de geração de energia é convertida em energia CA. Em um circuito, as chaves superior e inferior no mesmo braço da ponte não podem conduzir simultaneamente, e o tempo e a duração da condução de cada chave são controlados de acordo com o algoritmo de controle do inversor.
2. Circuito de sincronização da rede
O controle de sincronização de fase desempenha um papel fundamental na capacidade do elevador de fornecer energia ao barramento CC da rede elétrica de forma eficaz. O circuito de sincronização com a rede adota a sincronização com a tensão da rede e, para evitar efeitos de zona morta durante a comutação, as chaves operam a 120 graus no mesmo braço da ponte. A relação lógica entre o sinal de sincronização com a rede e o sinal de cruzamento por zero da rede elétrica é obtida por meio de um comparador, e a relação entre o sinal de sincronização com a rede de cada dispositivo de chaveamento e a tensão da rede elétrica é obtida por meio de simulação no Multisim. Cada chave opera a 120 graus e está espaçada sequencialmente em 60 graus. A qualquer momento, apenas dois transistores de chaveamento na ponte inversora estão condutores, garantindo uma operação segura e confiável. Além disso, cada par de chaves opera na faixa de tensão mais alta da rede elétrica, resultando em alta eficiência do inversor.
3. Circuito de controle de detecção de tensão
Devido à alta tensão no lado do barramento CC do conversor de frequência do elevador, é necessário primeiro utilizar resistores para divisão de tensão e, em seguida, isolar e reduzir a tensão do barramento por meio de sensores de efeito Hall, convertendo-a em um sinal de baixa tensão. No circuito de controle de detecção de tensão, adota-se o método de controle por comparação com rastreamento de histerese, que adiciona realimentação positiva ao comparador e fornece dois valores de comparação para o mesmo: os valores de limiar superior e inferior. Implementado por circuitos de hardware, o controle é rápido e preciso. O circuito de controle de detecção de tensão não só evita a sobreposição instantânea de sinais de interferência no sinal de tensão, causando oscilações no estado de saída do comparador, como também impede que o sistema de realimentação de energia inicie e desligue com muita frequência.
4. Circuito de controle de detecção de corrente
No processo de realimentação de energia, a corrente deve atender aos requisitos de potência, e a potência injetada na rede deve ser maior ou igual à potência máxima quando a máquina de tração estiver em estado de geração; caso contrário, a queda de tensão no barramento CC continuará a aumentar. Quando a tensão da rede elétrica é constante, a potência de realimentação do sistema é determinada pela corrente de realimentação. Além disso, a corrente de realimentação deve ser limitada dentro da faixa nominal do dispositivo de comutação de potência do inversor. Ademais, o indutor de realimentação entre a rede elétrica e o inversor permite a passagem de grandes correntes, minimizando o volume do reator. Portanto, a indutância do reator deve ter um valor pequeno para garantir a realimentação de energia. A taxa de variação da corrente é muito rápida. O uso simultâneo do controle de histerese de corrente pode controlar efetivamente a corrente de realimentação e prevenir acidentes de sobrecorrente.
5. Circuito de controle principal
A unidade central de processamento do sistema de realimentação de energia do elevador é o circuito de controle principal, responsável por controlar o funcionamento de todo o sistema. O circuito de controle principal consiste em um microcontrolador e circuitos periféricos que geram ondas PWM de alta precisão com base em algoritmos de controle. Por outro lado, com base no sinal de sincronização da rede elétrica, o controle de falhas do IPM garante a implementação segura e eficaz de todo o processo de realimentação de energia.
6. Circuito de controle de proteção lógica
O sinal de sincronização para conexão à rede, os sinais de controle de tensão e corrente, o sinal de falha do IPM e o sinal de acionamento provenientes do circuito de controle principal precisam passar pelo circuito de proteção lógica para operação lógica e, finalmente, serem enviados ao circuito inversor de potência para controlar o processo de realimentação. Dessa forma, garante-se que a potência CA de saída do inversor esteja sincronizada com a rede e, em caso de sobrecorrente, sobretensão, subtensão e falhas do IPM no circuito, o sinal de acionamento é bloqueado, interrompendo o processo de realimentação de energia.
Devido ao fato de o sistema de realimentação de energia do elevador só iniciar quando a máquina de tração está em estado de geração, sua vida útil é maior do que a do próprio elevador. Com isso, fica evidente que a aplicação de sistemas de realimentação de energia em elevadores, em termos de princípios, efeitos de economia de energia e desempenho, merece ser fortemente incentivada no atual cenário de escassez energética. Isso não só cria um ambiente energético sustentável e eficiente, como também atende ao apelo do país e do governo por conservação e redução do consumo de energia, contribuindo para a construção de uma sociedade voltada para a conservação e redução de emissões, além de impulsionar os esforços nacionais nesse sentido.