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Recherche sur la méthode de contrôle des ascenseurs

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Figure 1 : Schéma de principe d'un dispositif de stockage d'énergie supercondensateur

L'utilisation d'un convertisseur CC/CC bidirectionnel pour contrôler un dispositif de stockage d'énergie à supercondensateur pour un ascenseur est examinée.

par Shi Liguang, Yao Lianghong, Luo Zhiqun et Wan Jianru

Les ascenseurs ont été largement utilisés dans le développement rapide de gratte-ciel commerciaux. Comme la consommation énergétique des ascenseurs est similaire à celle des systèmes de climatisation dans la perspective de la consommation énergétique d'un bâtiment entier (5 à 15 %), il devrait tirer parti de l'énergie régénérative. Cet article se concentrera sur l'utilisation d'un convertisseur CC/CC bidirectionnel pour contrôler un dispositif de stockage d'énergie à supercondensateur en fonction des caractéristiques de motorisation de l'ascenseur et de freinage régénératif et de retour d'énergie.

Ces dernières années, le nombre d'ascenseurs en Chine a augmenté et la production d'ascenseurs du pays est parmi les plus élevées au monde. Les ascenseurs peuvent potentiellement économiser beaucoup d'énergie en utilisant différents variateurs, d'autant plus que la technologie de stockage d'énergie par supercondensateur a connu un grand développement en raison des avantages communs des énergies renouvelables. L'onduleur de l'ascenseur convertit la tension AC en DC lorsque l'ascenseur monte avec une charge légère, descend avec une surcharge ou en cours de freinage par récupération, ce qui génère de l'énergie renouvelable stockée dans la capacité DC. Cependant, la tension de pompage élevée produite en raison de l'absence d'un accumulateur pour absorber des capacités élevées d'énergie est préjudiciable à la capacité du bus continu. Ceci est résolu en installant une résistance de freinage du bus CC de manière conventionnelle, dans laquelle la puissance accumulée sera consommée sous forme d'énergie thermique.(1)

La méthode traditionnelle de contrôle de l'augmentation du gaspillage d'énergie n'est pas conforme aux politiques d'économie d'énergie. Pour résoudre ce problème, cet article présente une méthode modifiée pour transformer la puissance accumulée en capacité CC en courant CA (qui est la même fréquence et la même phase que la tension du réseau) et la réinjecter directement dans le réseau électrique. Cependant, la méthode de contrôle est très complexe et, dans le même temps, l'amplitude de la puissance varie considérablement, ce qui a un effet négatif sur le fonctionnement sûr du réseau électrique pendant le processus de rétroaction d'énergie régénérative.

Dans ce processus, un convertisseur CC/CC bidirectionnel avec un dispositif de stockage d'énergie à supercondensateur est connecté entre le redresseur et l'onduleur, ce qui permet non seulement d'absorber efficacement l'énergie de rétroaction de l'ascenseur, mais peut également alimenter directement l'ascenseur et les dispositifs auxiliaires. . La méthode de contrôle proposée permet d'égaliser la puissance et d'éviter les effets négatifs générés par le retour d'énergie sur le réseau. De plus, un dispositif de stockage d'énergie à supercondensateur peut également être utilisé comme alimentation électrique ininterrompue pour que l'ascenseur s'arrête en toute sécurité près de l'étage le plus proche en cas de coupure de courant soudaine. La méthode de contrôle est vérifiée par simulation de charge-décharge et appliquée dans des échantillons d'ascenseurs à des vitesses de 2 et 4 mps. Les résultats montrent que les ascenseurs dotés de dispositifs de stockage d'énergie à supercondensateur peuvent économiser des quantités importantes d'énergie et fonctionner sans problème.

Analyse de la structure et de la simulation du dispositif de stockage d'énergie à super-condensateur

L'endurance de pression maximale d'un seul condensateur est très faible (1 à 3 V) et il ne peut pas être directement connecté au bus CC, où la tension est de plusieurs centaines de kV. Pour améliorer la capacité de stockage d'énergie et la capacité de résister à la tension, les super condensateurs peuvent être utilisés en série et en parallèle. En cours de charge et de décharge, la plage de tension des super condensateurs est très large ; ainsi, un convertisseur à flux d'énergie bidirectionnel est connecté au bus continu. Le convertisseur de puissance fonctionne en mode « Buck » en cours de charge et fonctionne en mode « Boost » en cours de décharge. Le convertisseur non seulement maintient une tension constante du bus CC, mais réduit également considérablement les niveaux de tension des supercondensateurs dans le dispositif de stockage d'énergie, il est donc adapté au stockage d'énergie dans d'autres conditions de travail. À la lumière de ces caractéristiques, un convertisseur CC/CC bidirectionnel non séparé qui peut réaliser un flux de courant à double quadrant est adopté dans cet article.[2 et 3]

Dispositif de stockage d'énergie à super-condensateur

Sur la figure 1, le dispositif de stockage d'énergie à supercondensateurs (à l'intérieur de la ligne pointillée) se compose d'empilements de supercondensateurs, d'une alimentation de secours (EPS), d'un convertisseur CC/CC bidirectionnel et d'un contrôleur. Le dispositif est utilisé avec le convertisseur de fréquence, où l'énergie de rétroaction est transportée vers des piles de supercondensateurs par le convertisseur CC/CC bidirectionnel. L'énergie stockée peut alimenter un système d'ascenseur auxiliaire en EPS et entraîner une machine de traction fonctionnant via un convertisseur CC/CC bidirectionnel.

Stratégie de contrôle de la charge et de la décharge des super-condensateurs

Le processus de charge/décharge du super condensateur est contrôlé par un convertisseur CC/CC bidirectionnel (Figure 2), tandis que le problème de charge/décharge est transféré au problème de contrôle. Selon les modes de fonctionnement du convertisseur, il utilise le courant de l'inducteur comme boucle interne et la tension du bus CC comme boucle externe pour contrôler le circuit en mode circuit Boost, tandis qu'en mode circuit Buck, il utilise le courant de l'inducteur comme boucle interne et super -tension du condensateur comme boucle externe pour contrôler le circuit.

Bien que le convertisseur CC/CC bidirectionnel soit un système non linéaire typique, il existe une relation linéaire entre les variables et les petites perturbations du circuit lorsqu'il fonctionne près d'un état stable. Le petit signal et les modèles dynamiques des circuits Boost et Buck ont ​​été étudiés en détail.(4) Cependant, ceux-ci ne sont pas explorés plus avant ici en raison de contraintes d'espace. 

Simulation et analyse

La capacité du supercondensateur est de 75 F et la plage de tension de fonctionnement est de 175 à 240 V. La résistance série équivalente est de 48 ohms (un seul condensateur est de 0.3 ohms) et la résistance parallèle équivalente est de 10,000 0.5 ohms. Dans le circuit convertisseur CC/CC bidirectionnel, l'inductance est de 0.75 mH. La capacité du filtre du bus CC est de XNUMX µF dans le variateur de fréquence.

Sur la base de l'analyse logique de la tension du super-condensateur et du bus CC, le convertisseur CC/CC bidirectionnel bascule automatiquement dans différents modes de fonctionnement. Tout d'abord, la tension initiale du supercondensateur est fixée à 200 V en simulation ; le super condensateur alimente la charge et la tension du bus CC reste à 600 V. À 1 s, la tension du bus CC est commutée pour 700 V, le super condensateur est chargé et le courant de charge est limité à 45 A.

Les figures 3 à 5 montrent que le supercondensateur entraîne la charge à fonctionner en 0-1 s, lorsque la tension du bus CC est de 600 V. À 2 s, la tension du bus CC est de 700 V, la tension du supercondensateur est supérieure à 175 V , et le convertisseur DC/DC bidirectionnel fonctionne en mode Buck.

Analyse des résultats expérimentaux

Dans l'expérience, la tension du bus CC Vdc est de 540 V, la fréquence de commutation Ts est de 10 kHz et la puissance de la machine d'ascenseur est de 16.3 kW. Les résultats des figures 6 à 8 montrent la tension du bus CC (rouge), la tension du supercondensateur (noir) et la forme d'onde du courant de charge/décharge du supercondensateur (bleu) à vide, à mi-charge et à 75 % de charge.

Lorsqu'il monte sans charge, l'ascenseur est dans un état de retour d'énergie, au cours duquel la tension du condensateur CC peut augmenter jusqu'à 680 V (Figure 6). Les supercondensateurs dont la tension augmente progressivement sont chargés via des convertisseurs CC/CC bidirectionnels : la tension la plus élevée sera de 190 V et le courant de charge est d'environ 40 A. En descendant sans charge, l'ascenseur est entraîné par des supercondensateurs dont la tension diminue constamment. , ayant une tension de bus continu d'environ 550 V. Le processus de travail sous une charge de 75% est le même que celui à vide. A mi-charge, la voiture est en équilibre avec une suspension à contrepoids, et il n'y a pas de processus de retour d'énergie. Comme le montre la figure 7, la tension du bus CC est maintenue à 550 V et la tension du supercondensateur à 175 V, bien que le convertisseur CC/CC bidirectionnel ne fonctionne pas.

Conclusion

Cet article contribue à résoudre le problème changeant de la tension des super-condensateurs de charge/décharge en ajoutant un convertisseur CC/CC bidirectionnel. Les analyses de simulation montrent que l'énergie de rétroaction peut être contrôlée efficacement par le convertisseur à la fois en charge et en décharge. Avec le dispositif de stockage d'énergie à supercondensateur, les modes de conduite d'ascenseur ont un effet significatif sur les économies d'énergie ; avec une vitesse plus rapide, il y a des économies d'énergie supplémentaires. D'après l'étude du stockage d'énergie par supercondensateur, nous avons déposé deux brevets d'invention : le dispositif de retour d'énergie d'ascenseur séparé et autochargeable, et l'entraînement d'ascenseur avec stockage d'énergie par supercondensateur (figures 9 et 10).

Remerciements

Ce document est soutenu par la Fondation nationale des sciences de Chine et l'Administration des projets de financement de la recherche spécialisée dans l'industrie à but non lucratif de la supervision de la qualité, de l'inspection et de la quarantaine.

à celui des systèmes de climatisation dans la perspective d'une consommation énergétique de l'ensemble d'un bâtiment (5-15 %), il doit tirer parti de l'énergie régénérative. Cet article se concentrera sur l'utilisation d'un convertisseur CC/CC bidirectionnel pour contrôler un dispositif de stockage d'énergie à supercondensateur en fonction des caractéristiques de motorisation de l'ascenseur et de freinage régénératif et de retour d'énergie.

Ces dernières années, le nombre d'ascenseurs en Chine a augmenté et la production d'ascenseurs du pays est parmi les plus élevées au monde. Les ascenseurs peuvent potentiellement économiser beaucoup d'énergie en utilisant différents variateurs, d'autant plus que la technologie de stockage d'énergie par supercondensateur a connu un grand développement en raison des avantages communs des énergies renouvelables. L'onduleur de l'ascenseur convertit la tension AC en DC lorsque l'ascenseur monte avec une charge légère, descend avec une surcharge ou en cours de freinage par récupération, ce qui génère de l'énergie renouvelable stockée dans la capacité DC. Cependant, la tension de pompage élevée produite en raison de l'absence d'un accumulateur pour absorber des capacités élevées d'énergie est préjudiciable à la capacité du bus continu. Ceci est résolu en installant une résistance de freinage du bus CC de manière conventionnelle, dans laquelle la puissance accumulée sera consommée sous forme d'énergie thermique.(1)

La méthode traditionnelle de contrôle de l'augmentation du gaspillage d'énergie n'est pas conforme aux politiques d'économie d'énergie. Pour résoudre ce problème, cet article présente une méthode modifiée pour transformer la puissance accumulée en capacité CC en courant CA (qui est la même fréquence et la même phase que la tension du réseau) et la réinjecter directement dans le réseau électrique. Cependant, la méthode de contrôle est très complexe et, dans le même temps, l'amplitude de la puissance varie considérablement, ce qui a un effet négatif sur le fonctionnement sûr du réseau électrique pendant le processus de rétroaction d'énergie régénérative.

Dans ce processus, un convertisseur CC/CC bidirectionnel avec un dispositif de stockage d'énergie à supercondensateur est connecté entre le redresseur et l'onduleur, ce qui permet non seulement d'absorber efficacement l'énergie de rétroaction de l'ascenseur, mais peut également alimenter directement l'ascenseur et les dispositifs auxiliaires. . La méthode de contrôle proposée permet d'égaliser la puissance et d'éviter les effets négatifs générés par le retour d'énergie sur le réseau. De plus, un dispositif de stockage d'énergie à supercondensateur peut également être utilisé comme alimentation électrique ininterrompue pour que l'ascenseur s'arrête en toute sécurité près de l'étage le plus proche en cas de coupure de courant soudaine. La méthode de contrôle est vérifiée par simulation de charge-décharge et appliquée dans des échantillons d'ascenseurs à des vitesses de 2 et 4 mps. Les résultats montrent que les ascenseurs dotés de dispositifs de stockage d'énergie à supercondensateur peuvent économiser des quantités importantes d'énergie et fonctionner sans problème.

Analyse de la structure et de la simulation du dispositif de stockage d'énergie à super-condensateur

L'endurance de pression maximale d'un seul condensateur est très faible (1 à 3 V) et il ne peut pas être directement connecté au bus CC, où la tension est de plusieurs centaines de kV. Pour améliorer la capacité de stockage d'énergie et la capacité de résister à la tension, les super condensateurs peuvent être utilisés en série et en parallèle. En cours de charge et de décharge, la plage de tension des super condensateurs est très large ; ainsi, un convertisseur à flux d'énergie bidirectionnel est connecté au bus continu. Le convertisseur de puissance fonctionne en mode « Buck » en cours de charge et fonctionne en mode « Boost » en cours de décharge. Le convertisseur non seulement maintient une tension constante du bus CC, mais réduit également considérablement les niveaux de tension des supercondensateurs dans le dispositif de stockage d'énergie, il est donc adapté au stockage d'énergie dans d'autres conditions de travail. À la lumière de ces caractéristiques, un convertisseur CC/CC bidirectionnel non séparé qui peut réaliser un flux de courant à double quadrant est adopté dans cet article.[2 et 3]

Dispositif de stockage d'énergie à super-condensateur

Sur la figure 1, le dispositif de stockage d'énergie à supercondensateurs (à l'intérieur de la ligne pointillée) se compose d'empilements de supercondensateurs, d'une alimentation de secours (EPS), d'un convertisseur CC/CC bidirectionnel et d'un contrôleur. Le dispositif est utilisé avec le convertisseur de fréquence, où l'énergie de rétroaction est transportée vers des piles de supercondensateurs par le convertisseur CC/CC bidirectionnel. L'énergie stockée peut alimenter un système d'ascenseur auxiliaire en EPS et entraîner une machine de traction fonctionnant via un convertisseur CC/CC bidirectionnel.

Stratégie de contrôle de la charge et de la décharge des super-condensateurs

Le processus de charge/décharge du super condensateur est contrôlé par un convertisseur CC/CC bidirectionnel (Figure 2), tandis que le problème de charge/décharge est transféré au problème de contrôle. Selon les modes de fonctionnement du convertisseur, il utilise le courant de l'inducteur comme boucle interne et la tension du bus CC comme boucle externe pour contrôler le circuit en mode circuit Boost, tandis qu'en mode circuit Buck, il utilise le courant de l'inducteur comme boucle interne et super -tension du condensateur comme boucle externe pour contrôler le circuit.

Bien que le convertisseur CC/CC bidirectionnel soit un système non linéaire typique, il existe une relation linéaire entre les variables et les petites perturbations du circuit lorsqu'il fonctionne près d'un état stable. Le petit signal et les modèles dynamiques des circuits Boost et Buck ont ​​été étudiés en détail.(4) Cependant, ceux-ci ne sont pas explorés plus avant ici en raison de contraintes d'espace. 

Simulation et analyse

La capacité du supercondensateur est de 75 F et la plage de tension de fonctionnement est de 175 à 240 V. La résistance série équivalente est de 48 ohms (un seul condensateur est de 0.3 ohms) et la résistance parallèle équivalente est de 10,000 0.5 ohms. Dans le circuit convertisseur CC/CC bidirectionnel, l'inductance est de 0.75 mH. La capacité du filtre du bus CC est de XNUMX µF dans le variateur de fréquence.

Sur la base de l'analyse logique de la tension du super-condensateur et du bus CC, le convertisseur CC/CC bidirectionnel bascule automatiquement dans différents modes de fonctionnement. Tout d'abord, la tension initiale du supercondensateur est fixée à 200 V en simulation ; le super condensateur alimente la charge et la tension du bus CC reste à 600 V. À 1 s, la tension du bus CC est commutée pour 700 V, le super condensateur est chargé et le courant de charge est limité à 45 A.

Les figures 3 à 5 montrent que le supercondensateur entraîne la charge à fonctionner en 0-1 s, lorsque la tension du bus CC est de 600 V. À 2 s, la tension du bus CC est de 700 V, la tension du supercondensateur est supérieure à 175 V , et le convertisseur DC/DC bidirectionnel fonctionne en mode Buck.

Analyse des résultats expérimentaux

Dans l'expérience, la tension du bus CC Vdc est de 540 V, la fréquence de commutation Ts est de 10 kHz et la puissance de la machine d'ascenseur est de 16.3 kW. Les résultats des figures 6 à 8 montrent la tension du bus CC (rouge), la tension du supercondensateur (noir) et la forme d'onde du courant de charge/décharge du supercondensateur (bleu) à vide, à mi-charge et à 75 % de charge.

Lorsqu'il monte sans charge, l'ascenseur est dans un état de retour d'énergie, au cours duquel la tension du condensateur CC peut augmenter jusqu'à 680 V (Figure 6). Les supercondensateurs dont la tension augmente progressivement sont chargés via des convertisseurs CC/CC bidirectionnels : la tension la plus élevée sera de 190 V et le courant de charge est d'environ 40 A. En descendant sans charge, l'ascenseur est entraîné par des supercondensateurs dont la tension diminue constamment. , ayant une tension de bus continu d'environ 550 V. Le processus de travail sous une charge de 75% est le même que celui à vide. A mi-charge, la voiture est en équilibre avec une suspension à contrepoids, et il n'y a pas de processus de retour d'énergie. Comme le montre la figure 7, la tension du bus CC est maintenue à 550 V et la tension du supercondensateur à 175 V, bien que le convertisseur CC/CC bidirectionnel ne fonctionne pas.

Conclusion

Cet article contribue à résoudre le problème changeant de la tension des super-condensateurs de charge/décharge en ajoutant un convertisseur CC/CC bidirectionnel. Les analyses de simulation montrent que l'énergie de rétroaction peut être contrôlée efficacement par le convertisseur à la fois en charge et en décharge. Avec le dispositif de stockage d'énergie à supercondensateur, les modes de conduite d'ascenseur ont un effet significatif sur les économies d'énergie ; avec une vitesse plus rapide, il y a des économies d'énergie supplémentaires. D'après l'étude du stockage d'énergie par supercondensateur, nous avons déposé deux brevets d'invention : le dispositif de retour d'énergie d'ascenseur séparé et autochargeable, et l'entraînement d'ascenseur avec stockage d'énergie par supercondensateur (figures 9 et 10).

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Ce document est soutenu par la Fondation nationale des sciences de Chine et l'Administration des projets de financement de la recherche spécialisée dans l'industrie à but non lucratif de la supervision de la qualité, de l'inspection et de la quarantaine.

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Shi Liguang, Yao Lianghong, Luo Zhiqun et Wan Jianru

Shi Liguang, Yao Lianghong, Luo Zhiqun et Wan Jianru

Shi Liguang est un étudiant diplômé de l'Université de Tianjin. Ses domaines d'intérêt incluent l'électronique de puissance.

Yao Lianghong travaille à l'Institut d'inspection des équipements spéciaux du Guangdong. Ses domaines d'intérêt incluent la technologie de contrôle d'automatisation.

Luo Zhiqun travaille à l'Institut d'inspection des équipements spéciaux du Guangdong. Ses domaines d'intérêt incluent la technologie de détection d'ascenseur.

Wan Jianru est professeur à l'université de Tianjin. Ses domaines d'intérêt comprennent l'électronique de puissance, les entraînements électriques et la technologie des ascenseurs.

monde de l'ascenseur | Juin 2012 Couverture

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