1. Principis fonamentals del control VVVF
1.1 La relació V/Hz
El principi bàsic del control VVVF és mantenir una relació constant entre la tensió del motor (V) i la freqüència (Hz). En un motor d'inducció de CA, el flux magnètic a l'estator és proporcional a V/f. Si es redueix la freqüència sense reduir proporcionalment la tensió, el nucli magnètic es satura, provocant un corrent excessiu i un sobreescalfament. Per contra, si la tensió és massa baixa per a la freqüència, la producció de parell cau.
En mantenir constant V/f en tot el rang de velocitat, el variador VVVF garanteix que el motor produeixi un parell nominal des de la velocitat zero fins a la velocitat base. Per sobre de la velocitat base, la tensió no pot augmentar més enllà de l'alimentació de la xarxa, de manera que el variador entra en el mode "debilitament del camp", on la freqüència augmenta mentre la tensió es manté constant. En aquesta regió, el parell màxim disminueix amb la velocitat, però el motor pot continuar accelerant fins a la seva velocitat nominal màxima.
1.2 Arquitectura de l'etapa de potència
Un accionament VVVF d'ascensor típic consta de tres etapes de conversió de potència:
Rectificador:Converteix l'alimentació de la xarxa de CA trifàsica (normalment 380-480V, 50/60 Hz) en CC. Les unitats modernes utilitzen rectificadors frontals actius (AFE) amb ponts IGBT que treuen corrent sinusoïdal de la xarxa elèctrica amb un factor de potència que s'aproxima a la unitat, en lloc dels dissenys de ponts de díodes més antics que van introduir distorsió harmònica.
Bus DC:Un banc de condensadors d'enllaç DC suavitza el DC rectificat i emmagatzema energia per a l'etapa del inversor. La tensió típica del bus de CC és de 600-700V per a unitats de classe 400V. Els condensadors també absorbeixen l'energia regenerada durant la frenada.
Inversor:Utilitza la modulació d'amplada d'impuls-(PWM) per tornar a convertir la CC en CA de-freqüència variable. Sis IGBT (transistors bipolars de porta aïllada) disposats en un commutador de pont trifàsic a freqüències de 2 a 16 kHz, produint una sortida d'ona sinusoïdal sintetitzada la tensió i la freqüència de la qual estan controlades amb precisió pel processador de la unitat.
2. Algoritmes de control i rendiment
2.1 Control escalar (V/f).
La implementació VVVF més senzilla utilitza un control V/f de bucle obert-, on el variador comanda una tensió i una freqüència específiques en funció d'un senyal de referència de velocitat, sense mesurar la velocitat ni el corrent reals del motor. Aquest enfocament és rendible-i adequat per a aplicacions senzilles com ara muntacàrregues i ascensors de passatgers de baixa-velocitat. Tanmateix, no pot mantenir una velocitat precisa en condicions de càrrega variables i ofereix un parell limitat a velocitats baixes.
2.2 Control vectorial (control orientat al camp-)
Els ascensors de passatgers moderns utilitzen de manera universal el control vectorial, també conegut com a control orientat{0}}camp (FOC). Aquest algorisme transforma els-corrents del motor trifàsic en un marc de referència giratori alineat amb el flux del rotor, permetent un control independent del parell-que produeix el corrent i del flux-que produeix el corrent - anàloga al control de camp i induït separat d'un motor de corrent continu.
Vector control requires feedback of rotor position or flux angle, obtained either from an encoder mounted on the motor shaft (sensored vector control) or estimated from motor voltage and current measurements (sensorless vector control). High-speed elevators (>3 m/s) utilitzen invariablement codificadors amb resolucions de 1.000-4.096 polsos per revolució per a un control precís de la velocitat i la posició.
Comparació de rendiment:Els ascensors controlats vector{0}}aconsegueixen una precisió de regulació de velocitat de ±0,1% i una precisió de posició de ±3 mm a l'aterratge -, una millora de 10- vegades respecte a les unitats V/f més antigues i una millora de 50 vegades respecte als sistemes de motor de dues velocitats.
2.3 Control directe de parell (DTC)
Una estratègia de control avançada que s'utilitza en els accionaments d'ascensors premium, DTC controla directament el parell i el flux del motor sense bucles de control de corrent intermedi. En comparar els estats reals del motor amb un model matemàtic, el controlador DTC selecciona l'estat de commutació òptim de l'inversor cada 25-40 microsegons. Això proporciona una resposta de parell excepcionalment ràpida (< 2 ms) and superior low-speed performance, making DTC ideal for high-rise elevators with heavy loads and critical leveling requirements.
3. Perfil de moviment de l'ascensor
La unitat VVVF executa un perfil de moviment predefinit per a cada viatge, calculat pel controlador de l'ascensor en funció de la distància de viatge, la velocitat nominal i els paràmetres de confort. Un perfil típic consisteix en:
Fase d'acceleració:Tir-rampa limitada de 0 a velocitat nominal. El tir màxim és normalment de 0,5-2,0 m/s³, amb valors més alts acceptables per a mercaderies i valors més baixos per als ascensors de passatgers de luxe.
Fase de velocitat constant:Viatge constant a la velocitat nominal durant la major part de la distància del viatge.
Fase de desacceleració:Simètric a l'acceleració, fent que el cotxe s'acceleri suaument a la velocitat de desplaçament (normalment 0,1-0,3 m/s) abans d'entrar a la zona d'aterratge.
Nivell:Aproximació precisa a baixa-velocitat per alinear el sòl del cotxe amb l'ampit del replà en ±5 mm.
El variador VVVF rep un senyal de referència de velocitat del controlador de l'ascensor (normalment mitjançant una comunicació analògica 0-10V, ±10V o digital CANopen/Ethernet) i utilitza el seu algorisme de control vectorial per fer que el motor segueixi aquesta referència el més a prop possible. Les unitats modernes aconsegueixen errors de seguiment de velocitat inferiors al 0,5% durant la velocitat constant i inferiors al 2% durant l'acceleració.
4. Tecnologia d'accionament regeneratiu
4.1 Principi de recuperació d'energia
En una unitat VVVF convencional (no-regenerativa), quan l'ascensor baixa amb un cotxe lleuger o puja amb un cotxe pesat, el motor actua com a generador i produeix energia elèctrica. Sense regeneració, aquesta energia es dissipa com a calor a les resistències de frenada connectades al bus de corrent continu. Una unitat no-regenerativa típica pot malbaratar el 20-40% del seu consum total d'energia com a calor de la resistència.
Les unitats regeneratives substitueixen el rectificador de díode per un front IGBT actiu que pot transferir energia bidireccionalment. Quan el motor genera energia, el convertidor regeneratiu es sincronitza amb la xarxa elèctrica i retorna energia a la xarxa elèctrica de l'edifici. La millora de l'eficiència és substancial:
| Tipus d'edifici / Trànsit | Estalvi d'energia amb regeneració |
|---|---|
| Residencial de baixa-alçada (trànsit lleuger) | 15 – 25% |
| Oficina-mitjana (trànsit moderat) | 25 – 35% |
| Comercial-de gran alçada (trànsit intens) | 30 – 45% |
| Hospital o hotel (càrrega variable) | 20 – 30% |
4.2 Avantatges de l'Active Front End (AFE).
Més enllà de la recuperació d'energia, els accionaments regeneratius AFE ofereixen avantatges addicionals:
Reducció harmònica:Les unitats AFE consumeixen un corrent gairebé sinusoïdal amb una distorsió harmònica total (THD) per sota del 5%, en comparació amb el 80-120% THD dels rectificadors de díodes. Això elimina la necessitat de filtres d'harmònics externs i evita interferències amb els sistemes elèctrics de l'edifici.
Factor de potència d'unitat:AFE controla l'angle de fase entre la tensió i el corrent, mantenint el factor de potència prop d'1,0 en totes les condicions de funcionament. Això redueix els càrrecs de demanda de serveis públics i elimina les penalitzacions de potència reactiva.
Reducció de la refrigeració de la sala de màquines:L'eliminació de les resistències de frenada elimina una font de calor important, reduint els requisits d'HVAC per a la sala de màquines en un 30-50%.
5. Selecció i mida de la unitat
La selecció de l'accionament VVVF correcte per a una aplicació d'ascensor requereix adaptar la capacitat de la unitat als requisits del motor, tenint en compte la capacitat de sobrecàrrega, les condicions ambientals i les característiques de control.
5.1 Potència nominal
La potència contínua de la unitat ha de ser igual o superior a la potència nominal del motor. Tanmateix, les aplicacions d'ascensors requereixen una gran capacitat de sobrecàrrega per a l'acceleració. La unitat ha de proporcionar el 150-200% del corrent nominal durant 10-60 segons durant l'acceleració des d'un inici parat. La majoria de les unitats específiques d'ascensor tenen una sobrecàrrega del 150% durant 60 segons com a estàndard.
5.2 Tensió d'entrada i fases
Les unitats VVVF industrials estàndard accepten una entrada trifàsica de 380-480 V CA. Per a ubicacions amb només subministrament-monofàsic, hi ha disponibles unitats d'entrada monofàsiques especialitzades de fins a 3,7 kW aproximadament. Per a ascensors molt grans (càrrega pesada, alta-velocitat), es poden especificar accionaments de mitjana tensió (690 V o superior) per reduir la mida del cable i el corrent.
5.3 Tancament i qualificació ambiental
La temperatura ambient de la sala de màquines oscil·la normalment entre 5 i 40 graus. Les unitats s'han de reduir a més de 40 graus o disposar de ventilació forçada. Per a instal·lacions exteriors o no condicionades, especifiqueu unitats amb intervals de temperatura de funcionament de -10 graus a +50 graus . Els entorns polsosos requereixen un grau de protecció IP54 o superior.
6. Manteniment i Diagnòstic
6.1 Manteniment preventiu
Els accionaments VVVF requereixen un manteniment mínim en comparació amb els sistemes de control electromecànics, però s'han de revisar diversos elements anualment:
Condensadors de bus de CC:Mesureu la capacitat i compareu amb el valor de la placa d'identificació. La pèrdua de capacitat > 20% indica que cal substituir (vida típica: 8-12 anys).
Sistema de refrigeració:Netegeu les aletes del dissipador de calor i els ventiladors de refrigeració. La vida del coixinet del ventilador és normalment de 5-7 anys; substituir de manera proactiva.
Connexions:Parell-comproveu els cargols del terminal d'alimentació i inspeccioneu si hi ha decoloració per sobreescalfament.
Còpia de seguretat de paràmetres:Descarregar i arxivar els paràmetres de la unitat. Emmagatzema la còpia de seguretat al núvol o en una ubicació segura per a la recuperació en cas de desastre.
6.2-Diagnòstic integrat
Les unitats VVVF d'ascensors moderns inclouen capacitats de diagnòstic completes:
Monitorització-en temps real del corrent, la tensió, el parell i la temperatura del motor
Registre de l'historial de viatges amb segells de temps i condicions de funcionament en error
Monitorització de la salut IGBT (tendències de la tensió de saturació Vce)
Verificació de comentaris del codificador
Monitorització del circuit de fre
Moltes unitats ara ofereixen connectivitat IoT, penjant dades operatives a plataformes en núvol on els algorismes d'IA analitzen tendències i prediuen els errors abans que es produeixin. Els primers usuaris informen de reducció del 30-50% del temps d'inactivitat no planificat mitjançant el manteniment predictiu basat en l'anàlisi de dades de la unitat.
7. Tendències futures
L'evolució dels accionaments dels ascensors VVVF continua per diversos camins. Els IGBT i els MOSFET de carbur de silici (SiC) permeten commutar freqüències per sobre de 50 kHz, reduint el soroll del motor i permetent dissenys de filtres més compactes. Els algorismes de control basats en IA-que aprenen a crear patrons de trànsit i optimitzen l'enviament en temps real-s'estan implementant comercialment. I la integració de la microxarxa de corrent continu - on els ascensors es connecten directament a l'emmagatzematge de la bateria-a gran escala sense pèrdues de conversió de CA - promet un altre pas-canvi en l'eficiència per als edificis-zero nets.
