Les fournisseurs d'équipements d'ascenseurs à économie d'énergie rappellent qu'avec la prise de conscience environnementale croissante, la conservation de l'énergie et la protection de l'environnement sont devenues une politique nationale fondamentale et concrètement mise en œuvre en Chine. Dans un secteur des ascenseurs de plus en plus concurrentiel, l'adoption de nouvelles technologies, l'augmentation de la vitesse et la capacité de charge sont les principaux atouts des produits. Toutefois, il est indéniable que les avantages économiques et environnementaux des ascenseurs après leur mise en service constituent également un facteur déterminant lors de leur acquisition.
1. Structure de base et état de fonctionnement des ascenseurs
1. Structure de base d'un ascenseur
De nos jours, les ascenseurs se composent principalement d'un système de traction, d'un système de guidage, d'une cabine et de portes. Ils comprennent un système d'équilibrage du poids, un système d'entraînement électrique, un système de commande électrique, un système de sécurité, etc. Ces éléments sont installés respectivement dans la gaine et la salle des machines du bâtiment. La transmission se fait généralement par câble d'acier, ce dernier s'enroulant autour de la poulie de traction et reliant la cabine au contrepoids à ses deux extrémités. Le système de traction actionne la poulie de traction pour monter et descendre la cabine.
2. Analyse de l'état de fonctionnement de l'ascenseur :
Lorsqu'un ascenseur monte, il consomme de l'énergie, et lorsqu'il descend, il en libère. La charge tirée par le mécanisme de traction est composée de la cabine et du contrepoids. Pour équilibrer cette charge, l'équilibre n'est atteint que lorsque la charge de la cabine atteint 50 % de sa charge nominale (par exemple, un ascenseur d'une capacité de 1050 kg transporte environ 7 passagers). Bien que cela modifie le pic de consommation d'énergie, la consommation moyenne reste inchangée. En pratique, le poids du contrepoids est rarement atteint, car la somme du poids de la cabine et de celui des passagers est égale à celui du contrepoids. Ainsi, l'ascenseur fonctionne généralement en déséquilibre, et il est fréquent que la cabine descende lorsqu'il y a beaucoup de passagers, puis remonte lorsqu'il y a peu ou pas de passagers. Si la première situation se produit lors de la libération de l'énergie potentielle gravitationnelle des passagers, et la seconde lors de la libération de l'énergie potentielle gravitationnelle du contrepoids, la vitesse, sous l'effet de la charge potentielle, dépasse la vitesse de synchronisme (c'est-à-dire lorsque n > n₀, le taux de glissement s = (n₀ - n)/n₀ < 0). La force électromotrice induite par le rotor s'inverse, l'enroulement du stator réinjecte de l'énergie électrique dans le réseau, et le sens du couple est opposé à celui de la vitesse. Le moteur réinjecte ainsi de l'énergie électrique et génère un couple de freinage mécanique sur l'arbre. Cependant, en raison de l'irréversibilité du circuit de redressement AC/DC du convertisseur de fréquence de l'ascenseur, l'électricité produite ne peut être réinjectée dans le réseau, ce qui entraîne une augmentation de la tension aux bornes du condensateur du circuit principal et la génération d'une surtension. Généralement, les ascenseurs à fréquence variable utilisent des résistances pour dissiper l'énergie électrique stockée dans les condensateurs et éviter les surtensions. Pendant le fonctionnement de l'ascenseur, ces résistances dégagent une chaleur importante (avec une température de surface supérieure à 100 °C), et cette énergie gaspillée représente 25 % à 45 % de la consommation électrique totale de l'ascenseur. La consommation d'énergie des résistances réduit non seulement l'efficacité du système, mais génère également une chaleur importante qui accélère la circulation de la poussière dans l'air de la salle des machines, favorise l'accumulation d'électricité statique et affecte considérablement l'environnement autour de l'armoire de commande de l'ascenseur. Parallèlement, l'élévation de température raccourcit significativement la durée de vie des composants d'origine de l'ascenseur, et leur vieillissement et leur défaillance s'accentuent. Afin d'abaisser la température de la salle des machines à une température ambiante et de prévenir les dysfonctionnements de l'ascenseur dus aux températures élevées,Les utilisateurs doivent installer des climatiseurs ou des ventilateurs à fort débit d'extraction ; dans les salles des machines des ascenseurs à forte puissance, plusieurs climatiseurs et ventilateurs doivent souvent fonctionner simultanément. Les ascenseurs et la climatisation deviennent ainsi les appareils les plus énergivores.
2. Principe de fonctionnement du dispositif de récupération d'énergie de l'ascenseur
Pour économiser l'énergie dans les ascenseurs, il est essentiel d'utiliser l'énergie électrique produite par la machine de traction lors de la production d'électricité. L'énergie générée par la résistance de freinage est ensuite reconvertie en courant alternatif par onduleur, alimentant d'autres équipements électriques ou réinjectée dans le réseau électrique. Le rendement général de l'onduleur est d'environ 85 %, et la consommation d'énergie de la résistance de freinage représente entre 25 % et 45 % de la consommation électrique totale de l'ascenseur. Plus l'étage est élevé ou plus la vitesse de l'ascenseur est importante, plus l'effet de récupération d'énergie est significatif. Le circuit principal du système de récupération d'énergie est composé de condensateurs de filtrage, de trois ponts complets IGBT, d'inductances en série et de circuits périphériques. L'entrée du système est connectée au bus CC du convertisseur de fréquence de l'ascenseur, et la sortie au réseau. Lorsque la machine de traction fonctionne en mode électrique, tous les interrupteurs du système de récupération d'énergie sont à l'état ouvert. Lorsque la machine de traction fonctionne en mode de production d'énergie, la tension de la pompe côté bus CC du convertisseur de fréquence augmente et satisfait aux autres conditions d'inversion. Le système de récupération d'énergie se met alors en marche. L'énergie du courant continu étant réinjectée dans le réseau, la tension du bus CC diminue jusqu'à revenir à sa valeur de consigne, et le système s'arrête.
L'onduleur actif, qui convertit l'énergie électrique continue en énergie électrique alternative, est au cœur du système de récupération d'énergie des ascenseurs. Son rôle est de réinjecter dans le réseau l'énergie électrique produite par la machine de traction lors de la production d'électricité, permettant ainsi des économies d'énergie et évitant la pollution du réseau électrique due à la tension de sortie de l'onduleur. Pour ce faire, quatre conditions de contrôle relatives à la phase, la tension et le courant doivent être respectées :
a) Le système ne peut pas être démarré de manière informelle. L'onduleur ne démarrera et ne fournira un retour d'énergie que lorsque la tension du bus CC dépassera la valeur définie ;
b) Le courant de l'onduleur doit répondre à la demande de puissance de rétroaction et ne peut pas dépasser le courant maximal autorisé par le circuit de l'onduleur ;
c) Le processus de l'onduleur doit être synchronisé avec la phase du réseau électrique, et le retour d'énergie vers le réseau électrique doit se faire à l'extrémité haute tension du réseau électrique ;
d) Minimiser autant que possible la pollution du réseau électrique causée par le processus d'onduleur.
3. Conception matérielle du système de récupération d'énergie de l'ascenseur
1. Circuit d'onduleur de puissance
Dans le circuit de l'onduleur, le courant continu stocké sur le bus CC du convertisseur de fréquence de l'ascenseur, pendant le fonctionnement de la machine de traction en mode production d'énergie, est converti en courant alternatif par la commande d'un interrupteur. Ce circuit, principal élément du système de récupération d'énergie de l'ascenseur, présente différentes structures selon la classification des onduleurs. La commande de l'interrupteur permet de convertir la puissance CC stockée sur le bus CC du convertisseur de fréquence en puissance CA. Dans un même circuit, les interrupteurs supérieur et inférieur d'un même bras de pont ne peuvent pas conduire simultanément ; la durée et le temps de conduction de chaque élément sont contrôlés par l'algorithme de commande de l'onduleur.
2. Circuit de synchronisation du réseau
La commande de synchronisation de phase est essentielle pour que l'ascenseur puisse efficacement réinjecter l'énergie du bus CC dans le réseau électrique. Le circuit de synchronisation au réseau utilise la synchronisation de la tension de la ligne et, afin d'éviter les zones mortes lors de la commutation, les interrupteurs sont positionnés à 120 degrés sur le même bras du pont. La relation logique entre le signal de synchronisation au réseau et le signal de passage par zéro du réseau est obtenue par un comparateur, tandis que la relation entre le signal de synchronisation de chaque interrupteur et la tension du réseau est obtenue par simulation Multisim. Chaque interrupteur a un angle de fonctionnement de 120 degrés et est espacé de 60 degrés. À tout moment, seuls deux tubes de commutation du pont de l'onduleur sont conducteurs, garantissant un fonctionnement sûr et fiable. De plus, chaque paire d'interrupteurs fonctionne dans la plage de tension la plus élevée de la ligne du réseau, ce qui assure un rendement élevé de l'onduleur.
3. Circuit de commande de détection de tension
En raison de la haute tension présente sur le bus CC du convertisseur de fréquence d'ascenseur, il est nécessaire d'utiliser des résistances pour diviser la tension, puis d'isoler et de réduire cette tension à l'aide de capteurs à effet Hall, afin de la convertir en un signal basse tension. Le circuit de commande de détection de tension utilise une méthode de contrôle par comparaison avec suivi d'hystérésis. Cette méthode ajoute une rétroaction positive au comparateur et lui fournit deux valeurs de comparaison : les seuils haut et bas. La mise en œuvre par des circuits matériels garantit une commande à la fois rapide et précise. Le circuit de commande de détection de tension permet non seulement d'éviter la superposition instantanée de signaux parasites sur le signal de tension, qui provoquent des fluctuations de l'état de sortie du comparateur, mais aussi de limiter les cycles d'activation et de désactivation trop fréquents du système de récupération d'énergie.
4. Circuit de commande de détection de courant
Lors du processus de récupération d'énergie, le courant doit satisfaire les besoins en puissance, et la puissance réinjectée sur le réseau doit être supérieure ou égale à la puissance maximale lorsque la machine de traction fonctionne en mode générateur. Dans le cas contraire, la chute de tension sur le bus CC continuera d'augmenter. Lorsque la tension du réseau est constante, la puissance de récupération d'énergie du système est déterminée par le courant de récupération. De plus, ce courant doit être limité à la plage nominale du dispositif de commutation de puissance de l'onduleur. Par ailleurs, la bobine d'arrêt réactante entre le réseau et l'onduleur permet le passage de courants importants tout en minimisant le volume de la réactance. Par conséquent, l'inductance de la réactance doit être faible pour garantir une récupération d'énergie efficace. La vitesse de variation du courant est très rapide. L'utilisation simultanée d'une commande à hystérésis de courant permet de contrôler efficacement le courant de récupération et de prévenir les surintensités.
5. Circuit de commande principal
L'unité centrale de traitement du système de récupération d'énergie de l'ascenseur est le circuit de commande principal, qui gère le fonctionnement de l'ensemble du système. Ce circuit est composé d'un microcontrôleur et de circuits périphériques qui génèrent des signaux PWM de haute précision selon des algorithmes de contrôle. Par ailleurs, grâce au signal de synchronisation avec le réseau, la gestion des défauts IPM garantit le bon déroulement et la sécurité de l'ensemble du processus de récupération d'énergie.
6. Circuit de commande de protection logique
Le signal de synchronisation pour le raccordement au réseau, les signaux de commande de tension et de courant, le signal de défaut IPM et le signal de commande provenant du circuit de commande principal doivent tous transiter par le circuit de protection logique pour un fonctionnement optimal, avant d'être transmis au circuit de l'onduleur afin de contrôler le processus de rétroaction. De cette manière, on garantit la synchronisation de la puissance alternative produite par l'onduleur avec le réseau et on bloque le signal de commande en cas de surintensité, de surtension, de sous-tension ou de défaut IPM dans le circuit, interrompant ainsi le processus de rétroaction d'énergie.
Le système de récupération d'énergie de l'ascenseur ne se déclenche que lorsque la machine de traction est en fonctionnement, ce qui lui confère une durée de vie supérieure à celle de l'ascenseur lui-même. Il apparaît donc que, compte tenu de ses principes, de ses effets bénéfiques sur l'énergie et de ses performances, l'application de tels systèmes mérite d'être activement encouragée dans un contexte de raréfaction croissante des ressources énergétiques. Elle contribue ainsi à un environnement plus sain et plus économe en énergie, répond aux objectifs nationaux et gouvernementaux de conservation et de réduction de la consommation d'énergie, et participe à la construction d'une société plus durable, contribuant ainsi aux efforts du pays en matière d'économie d'énergie et de réduction des émissions.