Os fornecedores de equipamentos para elevadores com foco em economia de energia lembram que, com a crescente conscientização ambiental, a conservação de energia e a proteção do meio ambiente se tornaram uma política nacional fundamental e de grande relevância prática, defendida pela China. No setor de elevadores cada vez mais competitivo de hoje, a adoção de novas tecnologias, velocidades mais altas e maior capacidade de carga são os aspectos mais importantes que destacam as vantagens dos produtos. No entanto, não se pode negar que os benefícios econômicos e ambientais dos elevadores após sua entrada em operação também são fatores que devem ser considerados na hora da compra.
1. Estrutura básica e estado de funcionamento dos elevadores
1. Estrutura básica de um elevador
Atualmente, os elevadores são compostos principalmente por sistemas de máquinas de tração, sistemas de guia, sistemas de cabina e sistemas de portas. Esses sistemas incluem sistema de balanceamento de peso, sistema de acionamento elétrico, sistema de controle elétrico, sistema de proteção de segurança, etc. Todas essas partes são instaladas no poço e na casa de máquinas do edifício, respectivamente. Geralmente, utiliza-se transmissão por cabo de aço, com o cabo enrolado na roda de tração e conectando a cabina e o contrapeso em ambas as extremidades. A máquina de tração aciona a roda de tração para subir e descer a cabina.
2. Análise do estado de funcionamento do elevador:
Quando o elevador sobe, consome energia, e quando desce de um ponto alto, libera energia. A carga arrastada pela máquina de tração no elevador é composta pela cabine de passageiros e pelo contrapeso. Para equilibrar essa carga, o equilíbrio só ocorre quando a carga da cabine atinge 50% da sua capacidade nominal (por exemplo, um elevador de passageiros com capacidade para 1050 kg transporta cerca de 7 passageiros). Embora essa alteração modifique o pico de consumo de energia, ela não altera o consumo médio. Na prática, a frequência com que o peso do contrapeso é utilizado é relativamente baixa, pois a soma do peso da cabine com o peso dos passageiros é exatamente igual ao peso do contrapeso. Portanto, o funcionamento dos elevadores é basicamente desequilibrado, sendo muito provável que a cabine desça quando houver muitos passageiros e suba novamente quando houver poucos ou nenhum passageiro. Se a primeira situação ocorrer quando a energia potencial gravitacional dos passageiros for liberada, e a segunda situação ocorrer quando a energia potencial gravitacional do contrapeso for liberada, devido ao efeito da carga potencial, a velocidade será maior que a velocidade síncrona, ou seja, quando n > n₀, a taxa de escorregamento s = (n₀ - n)/n₀ < 0, a força eletromotriz induzida no rotor se inverterá, o enrolamento do estator realimentará energia elétrica para a rede e a direção T será oposta à direção da velocidade. O motor não apenas realimentará energia elétrica, mas também gerará torque de frenagem mecânica no eixo. Entretanto, devido à irreversibilidade do circuito retificador CA/CC do conversor de frequência do elevador, a eletricidade gerada não pode ser realimentada para a rede, resultando em um aumento da tensão em ambas as extremidades do capacitor do circuito principal e na geração de uma "sobretensão". Geralmente, elevadores de frequência variável utilizam resistores para consumir a energia elétrica armazenada nos capacitores e evitar a sobretensão. Durante o funcionamento do elevador, esses resistores emitem uma grande quantidade de calor (com uma temperatura superficial superior a 100 °C), e essa energia desperdiçada representa de 25% a 45% do consumo total de eletricidade do elevador. O consumo de energia dos resistores não só reduz a eficiência do sistema, como também gera uma grande quantidade de calor que acelera a circulação de poeira no ar da sala de máquinas, absorve eletricidade estática e afeta significativamente o ambiente ao redor do painel de controle do elevador. Ao mesmo tempo, o aumento da temperatura reduzirá consideravelmente a vida útil dos componentes originais do elevador, e o envelhecimento e a falha dos componentes continuarão. Para reduzir a temperatura da sala de máquinas à temperatura ambiente e evitar o mau funcionamento do elevador causado por altas temperaturas,Os usuários precisam instalar condicionadores de ar ou ventiladores com grande capacidade de exaustão; em casas de máquinas com elevadores de alta potência, muitas vezes é necessário ligar vários condicionadores de ar e ventiladores simultaneamente. Isso faz dos elevadores e dos sistemas de ar condicionado os "tigres elétricos" que mais consomem energia.
2. Princípio de funcionamento do dispositivo de realimentação de energia do elevador
Para economizar energia em elevadores, a chave é utilizar a energia elétrica gerada pela máquina de tração durante a geração de energia. A energia gerada pelo resistor de frenagem é então convertida novamente em energia CA por meio de inversão, fornecida a outros equipamentos elétricos ou injetada na rede elétrica. A eficiência geral de inversão de energia é de cerca de 85%, e o consumo de energia do resistor de frenagem mencionado acima representa de 25% a 45% do consumo total de eletricidade do elevador. Quanto mais alto o andar ou maior a velocidade do elevador, mais evidente será o efeito de realimentação de energia elétrica. A estrutura principal do circuito do sistema de realimentação de energia é composta principalmente por capacitores de filtragem, três pontes completas de IGBT, indutores em série e circuitos periféricos. A entrada do sistema de realimentação de energia do elevador é conectada ao barramento CC do conversor de frequência do elevador, e a saída é conectada à rede elétrica. Quando a máquina de tração do elevador está operando em modo elétrico, todas as chaves do sistema de realimentação de energia estão desligadas. Quando a máquina de tração está operando no modo de geração de energia, a tensão da bomba no lado do barramento CC do conversor de frequência aumenta e atende a outras condições de inversão. Após isso, o sistema de realimentação de energia entra em operação. À medida que a energia da corrente no CC é realimentada para a rede, a tensão do barramento CC diminui até retornar ao valor definido, e o sistema para de funcionar.
O inversor ativo, que converte energia elétrica CC em energia elétrica CA, é a essência do sistema de realimentação de energia de elevadores. Seu objetivo é realimentar a energia elétrica gerada pela máquina de tração durante a geração de energia através do inversor, alcançando a conservação de energia e evitando a poluição da rede elétrica causada pela saída do inversor. Portanto, no processo de realimentação de energia gerada pela máquina de tração, quatro condições de controle devem ser atendidas em termos de fase, tensão e corrente:
a) O sistema não pode ser iniciado casualmente. O inversor só iniciará e fornecerá energia de retorno quando a tensão do barramento CC exceder o valor definido;
b) A corrente do inversor deve atender à demanda de potência de realimentação e não pode exceder a corrente máxima permitida pelo circuito do inversor;
c) O processo de inversão precisa ser sincronizado com a fase da rede elétrica, e o retorno de energia para a rede elétrica deve ocorrer na extremidade de alta tensão da rede;
d) Minimizar ao máximo a poluição da rede elétrica causada pelo processo de inversão.
3. Projeto de hardware do sistema de feedback de energia do elevador
1. Circuito inversor de potência
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.