Поставщик устройства обратной связи инвертора напоминает, что энергопотребление электродвигателя, приводящего в движение нагрузку, составляет более 70% от общего энергопотребления. Поэтому энергосбережение электродвигателя и приводимой им нагрузки имеет особое социальное значение и экономическую выгоду.
Существует два основных способа экономии энергии электродвигателями и их нагрузками: один из них — повышение эффективности работы двигателя или нагрузки, например, установка лифта с «мозгом памяти» (memory). В здании несколько лифтов часто движутся в одном направлении, что потребляет много электроэнергии. Как сделать лифты умными и энергоэффективными? Современные технологии управления, можно сказать, решили эту проблему. «Искусственные нейроны» — это системы обработки информации и банки памяти, которые регистрируют работу лифтов за каждую неделю как временной интервал. На основе записанной информации «искусственный нейрон» будет генерировать наиболее энергоэффективный режим работы, управлять несколькими лифтами в здании, обеспечивать их четкое разделение труда, прибывать в нужное место в нужное время, облегчать пассажирам посадку и высадку, а также сокращать количество запусков и поездок лифта. Для групповых лифтов экономия энергии может достигать более 30%. Кроме того, энергосберегающие меры, направленные на повышение эффективности работы электродвигателей, включают автоматическое отключение освещения лифта при отсутствии людей в лифте, автоматическую остановку или работу эскалаторов на низкой скорости и т. д.; Второй способ заключается в преобразовании механической энергии, передаваемой двигателем в нагрузку, обратно в электрическую энергию и её возврате в энергосистему, что позволяет снизить энергопотребление двигателя и нагрузки в единицу времени, тем самым достигая цели энергосбережения. Энергетическая обратная связь является типичным устройством для экономии электроэнергии во второй категории.
Как известно, электродвигатели обладают механической кинетической энергией, когда приводят во вращение груз. Если электродвигатели тянут грузы, движущиеся вверх и вниз (например, лифты, краны, затворы резервуаров и т.д.), они обладают потенциальной энергией. Когда электродвигатель замедляет груз, его механическая кинетическая энергия высвобождается; когда потенциальная энергия груза уменьшается в процессе движения (потенциальная энергия уменьшается), его механическая энергия также высвобождается. Если эти две составляющие механической энергии могут быть эффективно преобразованы в электрическую и возвращены в сеть переменного тока, цель энергосбережения может быть достигнута.
Анализ энергосбережения лифтов
Лифт, использующий регулирование скорости с помощью преобразования частоты, имеет максимальную механическую кинетическую энергию после достижения максимальной рабочей скорости. Перед достижением целевого этажа лифт должен постепенно замедляться до полной остановки движения. В этот период нагрузка лифта высвобождает механическую кинетическую энергию. Преобразователь частоты может преобразовывать механическую энергию в электрическую в течение этого периода через электродвигатель и накапливать ее в большом конденсаторе звена постоянного тока преобразователя частоты. В это время большой конденсатор подобен небольшому резервуару с ограниченной емкостью. Если вода, закачанная в малый резервуар, не будет своевременно слита, в резервуаре могут произойти аварии, связанные с переполнением. Аналогично, если мощность в конденсаторе не будет своевременно разряжена, также может возникнуть перенапряжение. В настоящее время метод усиления конденсаторов в преобразователях частоты заключается в использовании тормозных устройств или внешних мощных резисторов, которые бесполезно расходуют электроэнергию больших конденсаторов на внешние мощные резисторы. Инверторы могут возвращать накопленную в больших конденсаторах электроэнергию в энергосеть без ее потребления, тем самым достигая цели энергосбережения и устраняя необходимость в мощных резисторах, потребляющих электроэнергию и генерирующих тепло, что значительно улучшает условия эксплуатации системы.
Лифт по-прежнему является потенциальной нагрузкой, и для равномерного перемещения груза, нагрузка лифта состоит из пассажирских кабин и противовесных блоков. Только когда грузоподъёмность кабины лифта составляет около 50% (например, пассажирский лифт весом 1000 кг с примерно 7 пассажирами), противовесный блок кабины лифта находится в состоянии базового равновесия масс между двумя сторонами. В противном случае возникнет разность масс кабины лифта и противовесного блока, что будет генерировать механическую потенциальную энергию во время работы лифта. При движении тяжёлых компонентов лифта вверх механическая потенциальная энергия, поглощаемая электродвигателем и преобразуемая из электросети, увеличивается. При движении тяжёлых компонентов лифта вниз механическая потенциальная энергия уменьшается, а сократившаяся механическая потенциальная энергия высвобождается и преобразуется в электрическую энергию, запасённую в большом конденсаторе звена постоянного тока преобразователя частоты через электродвигатель. Устройство обратной связи по энергии затем возвращает эту часть электроэнергии в электросеть.
Анализ, расчёты и испытания прототипа показывают, что чем выше скорость лифта, чем выше этаж и чем ниже потребление энергии при механическом вращении, тем больше энергии можно вернуть в энергосистему. Объём возвращаемой электроэнергии может достигать примерно 50% от общего потребления лифта, что означает эффективность энергосбережения, достигающую примерно 50%.
Приведённый выше анализ показывает, что использование устройств обратной связи по энергии обеспечивает значительный энергосберегающий эффект в оборудовании, быстро движущемся вверх и вниз, таком как лифты и краны. Кроме того, значительный энергосберегающий эффект наблюдается и в таком оборудовании, как электровозы и портальные строгальные станки, которые часто запускают и тормозят.
Устройство и основные принципы управления энергосберегающими устройствами
Основная структура схемы устройства обратной связи по энергии показана на рисунке 1. Она в основном состоит из трехфазного IGBT (биполярного транзистора с изолированным затвором) полного моста, последовательной индуктивности, фильтрующего конденсатора и некоторых периферийных цепей.
Применение устройств обратной связи для энергосбережения в лифтах
Рисунок 1: Структура основной цепи устройства обратной связи по энергии PFE и схема метода подключения
Его выходной зажим подключен к входным зажимам R, S и T преобразователя частоты лифта. На входе установлены два последовательно соединенных разделительных диода VD1 и VD2, которые затем подключены к линии PN преобразователя частоты. При выработке электроэнергии лифтом путем рекуперации напряжение на шинах преобразователя частоты лифта увеличивается, а после прохождения через VD1 и VD2 увеличивается и напряжение на шинах устройства обратной связи. Когда напряжение на шинах превышает заданное значение открытия, устройство обратной связи включается и возвращает электроэнергию в сеть.
Функцию устройства обратной связи по энергии можно описать с помощью рисунка 2. Схема управления (внутри пунктирной рамки) состоит из однокристальной программируемой логической микросхемы микрокомпьютера и периферийного дискретизатора сигналов, соединенных с программным обеспечением с высокой степенью избыточности, что позволяет схеме управления автоматически определять последовательность фаз, фазу, напряжение и мгновенные значения тока трехфазной сети переменного тока и упорядоченно управлять IPM (интеллектуальным модулем питания) для работы в режиме ШИМ, гарантируя, что мощность постоянного тока может быть быстро возвращена в сеть переменного тока.
Применение устройств обратной связи для энергосбережения в лифтах
Рисунок 2. Функциональная схема устройства энергетической обратной связи
В настоящее время на рынке представлены устройства с обратной связью по энергии, обладающие следующими характеристиками:
① Замена нагревательных элементов, таких как тормозные резисторы, устранение источников тепла, улучшение условий в машинном отделении, снижение неблагоприятного воздействия высоких температур на такие компоненты, как двигатели и системы управления, а также продление срока службы лифтов;
② Он может мгновенно устранить напряжение насоса, эффективно улучшить эффективность торможения лифта и повысить комфортность поездки в лифте;
③ Используя стратегию фазового управления, можно эффективно подавлять гармонические помехи преобразователя частоты, приводящего лифт в действие в электросети, очищая электросеть;
④ Выходное напряжение имеет хорошую форму волны, высокий коэффициент мощности, пульсации отсутствуют, а напряжение соответствует напряжению сети;
⑤ Наличие эффективных мер электроизоляции, которые не будут мешать работе другого электрооборудования и не будут подвергаться влиянию внешних факторов;
⑥ Изделие отличается высокой степенью интеллекта, стабильной работой, безопасностью и надежностью, а также имеет полный набор функций защиты от неисправностей и сигнализации;
⑦ Если выбор правильный, проводка правильная и нет необходимости в отладке, устройство можно вводить в эксплуатацию;
⑧ Изделие имеет простую конструкцию, компактные размеры, легко устанавливается и обслуживается.