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Forschung zur Aufzugssteuerungsmethode

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Abbildung 1: Schematische Darstellung eines Superkondensator-Energiespeichers

Die Verwendung eines bidirektionalen DC/DC-Wandlers zur Steuerung eines Superkondensator-Energiespeichers für einen Aufzug wird untersucht.

von Shi Liguang, Yao Lianghong, Luo Zhiqun und Wan Jianru

Aufzüge wurden in großem Umfang bei der schnellen Entwicklung kommerzieller Hochhäuser eingesetzt. Da der Energieverbrauch von Aufzügen im Hinblick auf den Energieverbrauch eines ganzen Gebäudes mit dem von Klimaanlagen vergleichbar ist (5-15%), sollten regenerative Energien genutzt werden. Dieser Artikel konzentriert sich auf die Verwendung eines bidirektionalen DC/DC-Wandlers zur Steuerung einer Superkondensator-Energiespeichervorrichtung gemäß den Eigenschaften des Aufzugsantriebs und der regenerativen Bremse und der Energierückkopplung.

In den letzten Jahren hat die Zahl der Aufzüge in China zugenommen, und die Produktion von Aufzügen des Landes gehört zu den höchsten der Welt. Aufzüge können durch den Einsatz unterschiedlicher Antriebe potenziell viel Energie einsparen, zumal sich die Superkondensator-Energiespeichertechnologie aufgrund der gemeinsamen Vorteile erneuerbarer Energien stark weiterentwickelt hat. Der Wechselrichter des Aufzugs wandelt die Spannung von Wechselstrom in Gleichstrom um, wenn der Aufzug mit geringer Last nach oben fährt, mit Überlast nach unten fährt oder während des regenerativen Bremsvorgangs, der in Gleichstromkapazität gespeicherte erneuerbare Energie erzeugt. Jedoch ist eine hohe Pumpspannung, die aufgrund des Fehlens eines Akkumulators erzeugt wird, um hohe Energiekapazitäten zu absorbieren, für die DC-Buskapazität schädlich. Dies wird durch die konventionelle Installation eines Zwischenkreis-Bremswiderstands gelöst, bei dem die akkumulierte Leistung in Form von Wärmeenergie verbraucht wird.[1]

Die traditionelle Kontrollmethode der zunehmenden Energieverschwendung steht nicht im Einklang mit der Energiesparpolitik. Um dieses Problem zu lösen, stellt dieser Artikel eine modifizierte Methode vor, um die akkumulierte Leistung in der DC-Kapazität in AC-Strom (der die gleiche Frequenz und Phase wie die Netzspannung hat) umzuwandeln und direkt in das Stromnetz einzuspeisen. Allerdings ist das Regelungsverfahren sehr aufwendig und gleichzeitig variiert die Leistungsamplitude stark, was den sicheren Betrieb des Stromnetzes während der regenerativen Energierückspeisung beeinträchtigt.

Dabei wird zwischen Gleichrichter und Wechselrichter ein bidirektionaler DC/DC-Wandler mit Superkondensator-Energiespeicher geschaltet, der nicht nur eine effiziente Aufnahme der Aufzugsrückkopplungsenergie ermöglicht, sondern auch den Aufzug und Nebenaggregate direkt versorgen kann . Das vorgeschlagene Regelverfahren kann die Leistung ausgleichen und die negativen Auswirkungen der Energierückspeisung in das Netz vermeiden. Darüber hinaus kann ein Superkondensator-Energiespeicher auch als unterbrechungsfreie Stromversorgung verwendet werden, damit der Aufzug bei einem plötzlichen Stromausfall sicher in der Nähe des nächstgelegenen Stockwerks stoppt. Das Regelverfahren wird durch Ladungs-Entladungs-Simulation verifiziert und in Musteraufzügen mit Geschwindigkeiten von 2 und 4 mps angewendet. Die Ergebnisse zeigen, dass Aufzüge mit Superkondensator-Energiespeichern erhebliche Energiemengen einsparen und reibungslos funktionieren können.

Struktur- und Simulationsanalyse des Superkondensator-Energiespeichers

Die maximale Druckfestigkeit eines einzelnen Kondensators ist sehr gering (1-3 V), und er kann nicht direkt an den DC-Bus angeschlossen werden, wo die Spannung Hunderte von kV beträgt. Um die Energiespeicherkapazität und die Spannungsfestigkeit zu verbessern, können Superkondensatoren in Reihe und parallel verwendet werden. Beim Laden und Entladen ist der Spannungsbereich von Superkondensatoren sehr groß; somit wird am DC-Bus ein Wandler mit bidirektionalem Energiefluss angeschlossen. Der Stromwandler arbeitet beim Laden im „Buck“-Modus und beim Entladen im „Boost“-Modus. Der Wandler kann nicht nur eine konstante DC-Busspannung aufrechterhalten, sondern auch die Superkondensatorspannungspegel in der Energiespeichervorrichtung stark reduzieren, sodass er an die Energiespeicherung unter anderen Arbeitsbedingungen angepasst ist. Angesichts dieser Eigenschaften wird in dieser Veröffentlichung ein ungetrennter bidirektionaler DC/DC-Wandler verwendet, der einen Doppelquadrantenfluss des Stroms realisieren kann.[2 & 3]

Superkondensator-Energiespeichergerät

In Abbildung 1 besteht der Superkondensator-Energiespeicher (innerhalb der gestrichelten Linie) aus Superkondensator-Stacks, Notstromversorgung (EPS), einem bidirektionalen DC/DC-Wandler und einem Controller. Das Gerät wird zusammen mit dem Frequenzumrichter verwendet, wo die Rückkopplungsenergie durch den bidirektionalen DC/DC-Wandler zu Superkondensatorstapeln transportiert wird. Die gespeicherte Energie kann ein Hilfsaufzugssystem mit EPS versorgen und eine Traktionsmaschine antreiben, die über einen bidirektionalen DC/DC-Wandler arbeitet.

Superkondensator-Lade- und Entladekontrollstrategie

Der Prozess des Ladens/Entladens von Superkondensatoren wird durch einen bidirektionalen DC/DC-Wandler gesteuert (Abbildung 2), während das Lade-/Entladeproblem auf das Steuerungsproblem übergeht. Je nach Betriebsart des Wandlers verwendet er den Induktorstrom als innere Schleife und die DC-Busspannung als äußere Schleife, um die Schaltung im Boost-Schaltungsmodus zu steuern, während er im Buck-Schaltungsmodus den Strom der Induktivität als innere Schleife und Super verwendet -Kondensatorspannung als äußere Schleife zur Steuerung der Schaltung.

Obwohl der bidirektionale DC/DC-Wandler ein typisches nichtlineares System ist, besteht eine lineare Beziehung zwischen Variablen und kleinen Schaltungsstörungen, wenn er in der Nähe eines stabilen Zustands arbeitet. Die Kleinsignal- und Dynamikmodelle von Boost- und Buck-Schaltungen wurden im Detail untersucht.[4] Diese werden hier jedoch aus Platzgründen nicht weiter untersucht. 

Simulation und Analyse

Die Kapazität des Superkondensators beträgt 75 F und der Arbeitsspannungsbereich beträgt 175-240 V. Der äquivalente Serienwiderstand beträgt 48 Ohm (ein einzelner Kondensator hat 0.3 Ohm) und der äquivalente Parallelwiderstand beträgt 10,000 Ohm. In der bidirektionalen DC/DC-Wandlerschaltung beträgt die Induktivität 0.5 mH. Die Kapazität des Zwischenkreisfilters im Frequenzumrichter beträgt 0.75 µF.

Basierend auf der logischen Analyse von Superkondensator und DC-Busspannung schaltet der bidirektionale DC/DC-Wandler automatisch in verschiedene Arbeitsmodi um. Zuerst wird die anfängliche Superkondensatorspannung in der Simulation auf 200 V eingestellt; der Superkondensator versorgt die Last und die Zwischenkreisspannung bleibt bei 600 V. Nach 1 s wird die Zwischenkreisspannung auf 700 V geschaltet, der Superkondensator geladen und der Ladestrom auf 45 A begrenzt.

Die Abbildungen 3-5 zeigen, dass der Superkondensator die Last zum Betrieb in 0-1 s antreibt, wenn die DC-Busspannung 600 V beträgt. Nach 2 s beträgt die DC-Busspannung 700 V, die Superkondensatorspannung ist größer als 175 V , und der bidirektionale DC/DC-Wandler arbeitet im Buck-Modus.

Analyse experimenteller Ergebnisse

Im Experiment beträgt die DC-Busspannung Vdc 540 V, die Schaltfrequenz Ts 10 kHz und die Leistung der Aufzugsmaschine 16.3 kW. Die Ergebnisse in den Abbildungen 6-8 zeigen die DC-Busspannung (rot), die Superkondensatorspannung (schwarz) und die Superkondensator-Lade-/Entladestromwellenform (blau) bei Leerlauf, Halblast und 75 % Last.

Beim Auffahren ohne Last befindet sich der Aufzug in einem Energierückkopplungszustand, in dem die DC-Kondensatorspannung auf 680 V ansteigen könnte (Abbildung 6). Superkondensatoren mit allmählich ansteigender Spannung werden über bidirektionale DC/DC-Wandler geladen: Die höchste Spannung beträgt 190 V und der Ladestrom beträgt ca. 40 A. Bei der Abwärtsfahrt ohne Last wird der Aufzug durch Superkondensatoren mit ständig abnehmender Spannung angetrieben , mit einer Zwischenkreisspannung von ca. 550 V. Der Arbeitsablauf unter 75 % Last ist der gleiche wie im Leerlauf. Bei halber Beladung ist das Auto mit Gegengewichtsaufhängung im Gleichgewicht und es gibt keinen Energierückkopplungsprozess. Wie in Abbildung 7 gezeigt, wird die DC-Busspannung bei 550 V gehalten und die Superkondensatorspannung bei 175 V, obwohl der bidirektionale DC/DC-Wandler nicht funktioniert.

Fazit

Dieser Artikel trägt dazu bei, das sich ändernde Problem der Lade-/Entladespannung von Superkondensatoren zu lösen, indem ein bidirektionaler DC/DC-Wandler hinzugefügt wird. Simulationsanalysen zeigen, dass die Rückspeiseenergie sowohl beim Laden als auch beim Entladen durch den Umrichter effektiv gesteuert werden kann. Mit dem Superkondensator-Energiespeicher haben die Fahrmodi des Aufzugs einen erheblichen Einfluss auf die Energieeinsparung; bei höherer Geschwindigkeit gibt es zusätzliche Energieeinsparungen. Gemäß der Studie zum Superkondensator-Energiespeicher haben wir zwei Erfindungspatente angemeldet: die separate und selbstaufladende Aufzugsenergie-Rückkopplungsvorrichtung und den Aufzugsantrieb mit Superkondensator-Energiespeicher (Abbildungen 9 und 10).

Danksagung

Dieses Papier wird von der National Science Foundation of China und der Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine Nonprofit Industry Specialized Research Funding Projects unterstützt.

der von Klimaanlagen im Hinblick auf den Energieverbrauch eines ganzen Gebäudes (5-15%) soll es regenerative Energien nutzen. Dieser Artikel konzentriert sich auf die Verwendung eines bidirektionalen DC/DC-Wandlers zur Steuerung einer Superkondensator-Energiespeichervorrichtung gemäß den Eigenschaften des Aufzugsantriebs und der regenerativen Bremse und der Energierückkopplung.

In den letzten Jahren hat die Zahl der Aufzüge in China zugenommen, und die Produktion von Aufzügen des Landes gehört zu den höchsten der Welt. Aufzüge können durch den Einsatz unterschiedlicher Antriebe potenziell viel Energie einsparen, zumal sich die Superkondensator-Energiespeichertechnologie aufgrund der gemeinsamen Vorteile erneuerbarer Energien stark weiterentwickelt hat. Der Wechselrichter des Aufzugs wandelt die Spannung von Wechselstrom in Gleichstrom um, wenn der Aufzug mit geringer Last nach oben fährt, mit Überlast nach unten fährt oder während des regenerativen Bremsvorgangs, der in Gleichstromkapazität gespeicherte erneuerbare Energie erzeugt. Jedoch ist eine hohe Pumpspannung, die aufgrund des Fehlens eines Akkumulators erzeugt wird, um hohe Energiekapazitäten zu absorbieren, für die DC-Buskapazität schädlich. Dies wird durch die konventionelle Installation eines Zwischenkreis-Bremswiderstands gelöst, bei dem die akkumulierte Leistung in Form von Wärmeenergie verbraucht wird.[1]

Die traditionelle Kontrollmethode der zunehmenden Energieverschwendung steht nicht im Einklang mit der Energiesparpolitik. Um dieses Problem zu lösen, stellt dieser Artikel eine modifizierte Methode vor, um die akkumulierte Leistung in der DC-Kapazität in AC-Strom (der die gleiche Frequenz und Phase wie die Netzspannung hat) umzuwandeln und direkt in das Stromnetz einzuspeisen. Allerdings ist das Regelungsverfahren sehr aufwendig und gleichzeitig variiert die Leistungsamplitude stark, was den sicheren Betrieb des Stromnetzes während der regenerativen Energierückspeisung beeinträchtigt.

Dabei wird zwischen Gleichrichter und Wechselrichter ein bidirektionaler DC/DC-Wandler mit Superkondensator-Energiespeicher geschaltet, der nicht nur eine effiziente Aufnahme der Aufzugsrückkopplungsenergie ermöglicht, sondern auch den Aufzug und Nebenaggregate direkt versorgen kann . Das vorgeschlagene Regelverfahren kann die Leistung ausgleichen und die negativen Auswirkungen der Energierückspeisung in das Netz vermeiden. Darüber hinaus kann ein Superkondensator-Energiespeicher auch als unterbrechungsfreie Stromversorgung verwendet werden, damit der Aufzug bei einem plötzlichen Stromausfall sicher in der Nähe des nächstgelegenen Stockwerks stoppt. Das Regelverfahren wird durch Ladungs-Entladungs-Simulation verifiziert und in Musteraufzügen mit Geschwindigkeiten von 2 und 4 mps angewendet. Die Ergebnisse zeigen, dass Aufzüge mit Superkondensator-Energiespeichern erhebliche Energiemengen einsparen und reibungslos funktionieren können.

Struktur- und Simulationsanalyse des Superkondensator-Energiespeichers

Die maximale Druckfestigkeit eines einzelnen Kondensators ist sehr gering (1-3 V), und er kann nicht direkt an den DC-Bus angeschlossen werden, wo die Spannung Hunderte von kV beträgt. Um die Energiespeicherkapazität und die Spannungsfestigkeit zu verbessern, können Superkondensatoren in Reihe und parallel verwendet werden. Beim Laden und Entladen ist der Spannungsbereich von Superkondensatoren sehr groß; somit wird am DC-Bus ein Wandler mit bidirektionalem Energiefluss angeschlossen. Der Stromwandler arbeitet beim Laden im „Buck“-Modus und beim Entladen im „Boost“-Modus. Der Wandler kann nicht nur eine konstante DC-Busspannung aufrechterhalten, sondern auch die Superkondensatorspannungspegel in der Energiespeichervorrichtung stark reduzieren, sodass er an die Energiespeicherung unter anderen Arbeitsbedingungen angepasst ist. Angesichts dieser Eigenschaften wird in dieser Veröffentlichung ein ungetrennter bidirektionaler DC/DC-Wandler verwendet, der einen Doppelquadrantenfluss des Stroms realisieren kann.[2 & 3]

Superkondensator-Energiespeichergerät

In Abbildung 1 besteht der Superkondensator-Energiespeicher (innerhalb der gestrichelten Linie) aus Superkondensator-Stacks, Notstromversorgung (EPS), einem bidirektionalen DC/DC-Wandler und einem Controller. Das Gerät wird zusammen mit dem Frequenzumrichter verwendet, wo die Rückkopplungsenergie durch den bidirektionalen DC/DC-Wandler zu Superkondensatorstapeln transportiert wird. Die gespeicherte Energie kann ein Hilfsaufzugssystem mit EPS versorgen und eine Traktionsmaschine antreiben, die über einen bidirektionalen DC/DC-Wandler arbeitet.

Superkondensator-Lade- und Entladekontrollstrategie

Der Prozess des Ladens/Entladens von Superkondensatoren wird durch einen bidirektionalen DC/DC-Wandler gesteuert (Abbildung 2), während das Lade-/Entladeproblem auf das Steuerungsproblem übergeht. Je nach Betriebsart des Wandlers verwendet er den Induktorstrom als innere Schleife und die DC-Busspannung als äußere Schleife, um die Schaltung im Boost-Schaltungsmodus zu steuern, während er im Buck-Schaltungsmodus den Strom der Induktivität als innere Schleife und Super verwendet -Kondensatorspannung als äußere Schleife zur Steuerung der Schaltung.

Obwohl der bidirektionale DC/DC-Wandler ein typisches nichtlineares System ist, besteht eine lineare Beziehung zwischen Variablen und kleinen Schaltungsstörungen, wenn er in der Nähe eines stabilen Zustands arbeitet. Die Kleinsignal- und Dynamikmodelle von Boost- und Buck-Schaltungen wurden im Detail untersucht.[4] Diese werden hier jedoch aus Platzgründen nicht weiter untersucht. 

Simulation und Analyse

Die Kapazität des Superkondensators beträgt 75 F und der Arbeitsspannungsbereich beträgt 175-240 V. Der äquivalente Serienwiderstand beträgt 48 Ohm (ein einzelner Kondensator hat 0.3 Ohm) und der äquivalente Parallelwiderstand beträgt 10,000 Ohm. In der bidirektionalen DC/DC-Wandlerschaltung beträgt die Induktivität 0.5 mH. Die Kapazität des Zwischenkreisfilters im Frequenzumrichter beträgt 0.75 µF.

Basierend auf der logischen Analyse von Superkondensator und DC-Busspannung schaltet der bidirektionale DC/DC-Wandler automatisch in verschiedene Arbeitsmodi um. Zuerst wird die anfängliche Superkondensatorspannung in der Simulation auf 200 V eingestellt; der Superkondensator versorgt die Last und die Zwischenkreisspannung bleibt bei 600 V. Nach 1 s wird die Zwischenkreisspannung auf 700 V geschaltet, der Superkondensator geladen und der Ladestrom auf 45 A begrenzt.

Die Abbildungen 3-5 zeigen, dass der Superkondensator die Last zum Betrieb in 0-1 s antreibt, wenn die DC-Busspannung 600 V beträgt. Nach 2 s beträgt die DC-Busspannung 700 V, die Superkondensatorspannung ist größer als 175 V , und der bidirektionale DC/DC-Wandler arbeitet im Buck-Modus.

Analyse experimenteller Ergebnisse

Im Experiment beträgt die DC-Busspannung Vdc 540 V, die Schaltfrequenz Ts 10 kHz und die Leistung der Aufzugsmaschine 16.3 kW. Die Ergebnisse in den Abbildungen 6-8 zeigen die DC-Busspannung (rot), die Superkondensatorspannung (schwarz) und die Superkondensator-Lade-/Entladestromwellenform (blau) bei Leerlauf, Halblast und 75 % Last.

Beim Auffahren ohne Last befindet sich der Aufzug in einem Energierückkopplungszustand, in dem die DC-Kondensatorspannung auf 680 V ansteigen könnte (Abbildung 6). Superkondensatoren mit allmählich ansteigender Spannung werden über bidirektionale DC/DC-Wandler geladen: Die höchste Spannung beträgt 190 V und der Ladestrom beträgt ca. 40 A. Bei der Abwärtsfahrt ohne Last wird der Aufzug durch Superkondensatoren mit ständig abnehmender Spannung angetrieben , mit einer Zwischenkreisspannung von ca. 550 V. Der Arbeitsablauf unter 75 % Last ist der gleiche wie im Leerlauf. Bei halber Beladung ist das Auto mit Gegengewichtsaufhängung im Gleichgewicht und es gibt keinen Energierückkopplungsprozess. Wie in Abbildung 7 gezeigt, wird die DC-Busspannung bei 550 V gehalten und die Superkondensatorspannung bei 175 V, obwohl der bidirektionale DC/DC-Wandler nicht funktioniert.

Fazit

Dieser Artikel trägt dazu bei, das sich ändernde Problem der Lade-/Entladespannung von Superkondensatoren zu lösen, indem ein bidirektionaler DC/DC-Wandler hinzugefügt wird. Simulationsanalysen zeigen, dass die Rückspeiseenergie sowohl beim Laden als auch beim Entladen durch den Umrichter effektiv gesteuert werden kann. Mit dem Superkondensator-Energiespeicher haben die Fahrmodi des Aufzugs einen erheblichen Einfluss auf die Energieeinsparung; bei höherer Geschwindigkeit gibt es zusätzliche Energieeinsparungen. Gemäß der Studie zum Superkondensator-Energiespeicher haben wir zwei Erfindungspatente angemeldet: die separate und selbstaufladende Aufzugsenergie-Rückkopplungsvorrichtung und den Aufzugsantrieb mit Superkondensator-Energiespeicher (Abbildungen 9 und 10).

Danksagung

Dieses Papier wird von der National Science Foundation of China und der Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine Nonprofit Industry Specialized Research Funding Projects unterstützt.

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Shi Liguang, Yao Lianghong, Luo Zhiqun und Wan Jianru

Shi Liguang, Yao Lianghong, Luo Zhiqun und Wan Jianru

Shi Liguang ist Doktorand der Tianjin University. Zu seinen Interessengebieten gehört die Leistungselektronik.

Yao Lianghong arbeitet am Guangdong Institute of Special Equipment Inspection. Zu seinen Interessensgebieten gehört die Automatisierungs- und Steuerungstechnik.

Luo Zhiqun arbeitet am Guangdong Institute of Special Equipment Inspection. Zu seinen Interessensgebieten gehört die Aufzugsdetektionstechnologie.

Wan Jianru ist Professor an der Universität Tianjin. Seine Interessengebiete sind Leistungselektronik, elektrische Antriebs- und Aufzugstechnik.

Aufzugswelt | Juni 2012 Titelbild

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