ES2382430A1 - Metodo y sistema de gestion de energia de un motor electrico. - Google Patents
Metodo y sistema de gestion de energia de un motor electrico.Info
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Abstract
Método y sistema de gestión de energía de un motor (1) eléctrico, preferentemente un motor de tracción de un sistema de ascensor, donde un gestor de energía (4) controla el flujo de energía entre una red eléctrica (3, 3'), unos medios de almacenamiento (2) de energía y el motor (1) eléctrico, de modo que proporciona energía al motor (1) cuando lo requiere; almacena en los medios de almacenamiento (2) energía procedente del motor (1) cuando opera según un modo de operación en el que genera energía, y cuando dicho motor está parado, o su consumo de energía está por debajo de un límite, almacena en los medios de almacenamiento (2) energía de la red eléctrica (3, 3') hasta llegar a un determinado umbral (Eth_1).
Description
Método y sistema de gestión de energía de un
motor eléctrico.
La presente invención se aplica al campo de los
sistemas de alimentación de motores eléctricos, y más concretamente,
a un sistema de gestión de energía de los mismos, especialmente
aplicable a un sistema de ascensor.
En general, los sistemas de ascensor, en su
parte de energía se basan en un accionamiento que controla la
velocidad de un motor de tracción, el cual acciona una polea de
tracción que en su movimiento de giro desplaza por adherencia los
cables de los que sustentan por una parte la cabina del ascensor y
por la otra un contrapeso. Dependiendo de su modo de operación, el
motor puede consumir (funcionamiento en tracción) o generar energía
eléctrica. El funcionamiento en tracción no se limita a las
aceleraciones. Esto es debido a que existe un contrapesado,
generalmente al 50% de la carga máxima que puede llevar la cabina.
Por tanto, si la cabina está vacía, un viaje de bajada supone una
operación de tracción que consume energía, y un viaje de subida, es
una operación de frenado o de generación de energía. Por el
contrario, si la cabina está cargada con mas del 50% de la carga
máxima, un viaje de bajada supone una operación de frenado, y un
viaje de subida, es una operación de tracción.
Tradicionalmente, la energía utilizada por dicho
motor viene dada por una red eléctrica trifásica convencional, y en
los casos en los que el motor funciona como generador (segundo modo
de operación), la energía que se genera se disipa en una resistencia
de frenado.
El sistema tradicional descrito supone un uso
poco eficiente de la energía, habiendo sido mejorado en el estado de
la técnica mediante la incorporación de medios de almacenamiento
locales que permiten almacenar la energía generada durante las fases
de frenado, pudiendo ser posteriormente reaprovechada cuando el
motor pase a consumir energía. Se consigue así, por lo tanto, una
reducción de la energía de red consumida, así como de la potencia de
pico máxima a extraer de dicha red.
WO 2001/74699 presenta un sistema con estas
características, en el que los medios de almacenamiento de energía
son ultracapacidades, las cuales almacenan los picos de energía
generada por el motor, y la reutilizan para alimentar al motor
durante los picos de consumo del mismo. Este sistema, si bien reduce
los picos de energía a extraer de la red eléctrica, sigue teniendo
un consumo total de dicha red susceptible de ser optimizado. Se
conocen también sistemas similares en los que las ultracapacidades
son sustituidas por baterías, pudiendo estar los medios de
almacenamiento tanto en paralelo con la red eléctrica respecto al
motor, como en serie entre la red eléctrica y el motor.
Otros sistemas, como por ejemplo el presentado
en WO 2001/74703 incluyen también medios de almacenamiento de
energía, aunque en este caso, en vista a suministrar energía al
motor en situaciones de emergencia en las que falla el suministro de
la red eléctrica, permitiendo al motor llevar a la cabina hasta una
planta y evacuar por tanto a los pasajeros (es decir, realizar un
rescate automático).
No obstante, sigue existiendo la necesidad de un
sistema de gestión de energía que mantenga estas prestaciones de
seguridad (rescate automático), y que al mismo tiempo reduzca la
potencia de pico que se necesita extraer de la red eléctrica, así
como la energía total consumida de dicha red, permitiendo reducir la
potencia contratada, e incluso, utilizar como red de alimentación
una red monofásica de baja potencia en lugar de una red
trifásica.
La presente invención soluciona los problemas
anteriormente descritos mediante una gestión de energía entre un
motor eléctrico (preferentemente un motor de tracción de un sistema
de ascensor o similar), una red eléctrica, y unos medios de
almacenamiento de energía (por ejemplo baterías o ultracapacidades),
que varia en función de unos modos de operación de dicho motor para
optimizar el consumo de la red eléctrica, permitiendo incluso
utilizar una red monofásica de baja potencia.
En un primer aspecto de la invención, se
presenta un método de gestión de energía de, al menos, un motor
eléctrico que controla los flujos de energía entre dicho motor, la
red eléctrica, y unos medios de almacenamiento de energía, en
función de unos modos de operación del motor, y de un nivel de
energía de dichos medios de almacenamiento, según se describe a
continuación:
- Si el motor genera energía, se almacena la
energía generada en los medios de almacenamiento. Si se supera la
capacidad máxima de dichos medios de almacenamiento, la energía
sobrante se disipa en forma de calor mediante un circuito de
frenado.
- Si el motor está parado, o consume energía por
debajo de un umbral de suministro de la red, se almacena energía de
la red eléctrica en los medios de almacenamiento.
\global\parskip0.900000\baselineskip
- Si el motor consume energía, se le proporciona
dicha energía, preferentemente desde la red eléctrica hasta un
límite de suministro (P_{max}), completando el resto de la energía
requerida desde los medios de almacenamiento. Preferentemente, para
el caso particular de los sistemas de ascensor, la energía
almacenada en los medios de almacenamiento no baja de un segundo
umbral de seguridad, que permite realizar maniobras de emergencia (ó
modo de operación de seguridad) cuando se produce un fallo en la red
eléctrica, permitiendo a la cabina desplazarse hasta la altura de
una planta y proceder con la evacuación de sus ocupantes.
\vskip1.000000\baselineskip
En un segundo aspecto de la invención, se
presenta un sistema que implementa el método descrito mediante unos
medios de gestión que dirigen el flujo de energía tal y como se ha
descrito para el método de la invención, actuando sobre unos
convertidores de potencia conectados a los distintos elementos del
sistema.
Se consigue así optimizar el comportamiento
energético del sistema, reduciendo el consumo y potencia de pico
proporcionados por la red eléctrica, y permitiendo incluso la
utilización de redes monofásicas para la alimentación del
sistema.
Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de
las características del invento de acuerdo con un ejemplo preferente
de realización práctica del mismo y para complementar esta
descripción, se acompaña como parte integrante de la misma las
siguientes figuras, cuyo carácter es ilustrativo y no
limitativo:
La figura 1 muestra un esquema del sistema de la
invención según una primera realización del mismo para redes
trifásicas.
La figura 2 muestra un esquema del sistema de la
invención según una segunda realización del mismo para redes
monofásicas.
La figura 3 muestra un esquema del sistema de la
invención según una tercera realización del mismo, también para
redes monofásicas.
La figura 4 presenta un esquema de los niveles
de energía de los medios de almacenamiento de energía y de sus
correspondientes umbrales.
La figura 5 muestra unas gráficas que
ejemplifican el intercambio de energía entre el sistema, la red
eléctrica y el motor.
En este texto, el término "comprende" y sus
derivaciones (como "comprendiendo", etc.) no deben entenderse
en un sentido excluyente, es decir, estos términos no deben
interpretarse como excluyentes de la posibilidad de que lo que se
describe y define pueda incluir más elementos, etapas, etc.
A pesar de que esta descripción se detalla para
un sistema ascensor, debe entenderse como un ejemplo no limitativo,
siendo el método y sistema de la invención válido para cualquier
motor eléctrico capaz tanto de consumir como de generar energía.
La figura 1 presenta un esquema del sistema de
la invención de acuerdo con una realización particular del mismo que
utiliza como alimentación eléctrica una red eléctrica trifásica 3.
En dicha realización, un motor 1 se conecta a la red eléctrica 3 a
través de un variador 11, que comprende un rectificador 8, un
inversor 10 y un circuito de frenado 12 conectados a un bus de
corriente continua (DC) 9. El sistema de la invención se conecta al
variador 11 a través de dicho bus DC 9. En concreto al bus DC 9 se
conectan un convertidor de potencia (DC/DC) 5 y un convertidor de
corriente continua a corriente alterna (DC/AC) 6, que a su vez están
conectados entre ellos. Adicionalmente, el convertidor de potencia 5
se conecta a unos medios de almacenamiento 2 (también llamados
indistintamente en el presente documento "unidad de
almacenamiento" y "sistema de almacenamiento"), por ejemplo
un banco de ultracapacidades (es decir, condensadores de gran
capacidad, también denominados supercondensadores), de baterías, un
híbrido de ultracapacidades y baterías, o cualquier otro medio de
almacenamiento de energía adecuado para el dimensionamiento del
sistema. El convertidor DC/AC se conecta a un conmutador 7, que a su
vez está conectado a la red eléctrica 3. La salida de dicha
conmutador se conecta con la maniobra 13 del sistema de ascensor, es
decir, con los medios de control generales del sistema de ascensor,
encargados de controlar todos los elementos del mismo (lectura de
botones, visualización, comandos de accionamiento de puertas, motor,
etc). Finalmente, el sistema comprende unos medios de gestión (o
gestor de energía) 4, conectados al resto de elementos del sistema,
estando dicho gestor de energía 4 configurado para ejecutar el
método de la invención a través del control de dichos elementos,
según se detalla más adelante.
La figura 2 presenta una segunda realización
preferente del sistema de la invención, en este caso utilizando como
alimentación una red monofásica 3'. Para el uso de la red monofásica
3' se incluye en el sistema de un convertidor de corriente alterna a
corriente continua (AC/DC) 14 que permite conectar la red monofásica
3' al bus DC 9, al convertidor de potencia 5 y al convertidor DC/AC
6.
\global\parskip1.000000\baselineskip
La figura 3 presenta una tercera realización
preferente del sistema, también para una red monofásica 3', en el
que la red monofásica 3 se conecta al motor a través del variador
trifásico 11 (convenientemente adaptados a la potencia de dicha red
monofásica 3'). El resto del sistema no presenta variaciones
respecto al descrito para la red trifásica 3 en la figura 1.
Nótese que lo que permite al sistema utilizar
dicha red monofásica 3 es precisamente la reducción de consumo y de
potencia de pico requerida que se deriva de su optimización
energética.
Para la aplicación del método y sistema de la
invención, se definen en los medios de almacenamiento 2, distintos
niveles de energía, según se aprecia en la figura 4:
- - E_{B}:
-
\vtcortauna
E_{B} =
1/2*C*
(1-K)^{2}*V_{max}^{2}
- \quad
- Donde:
- C:
- capacidad equivalente de la unidad de almacenamiento
- V_{max}:
- tensión máxima de la unidad de almacenamiento
- K:
- factor de descarga de la unidad de almacenamiento
- - E_{R}:
-
\vtcortauna
- - E_{T}:
-
\vtcortauna
E_{T} =
(E_{t\_0} - P_{red\_max} * t_{max\_viaje}) /
\eta
- \quad
- Donde:
- E_{t\_0}:
- energía que consume el motor para una tracción de mayor consumo
- P_{red\_max}:
- potencia máxima de red que se desea consumir
- t_{max\_viaje}:
- tiempo del viaje de cabina para una tracción de mayor consumo
- \eta:
- eficiencia del sistema de almacenamiento
- - E_{F}:
-
\vtcortauna
E_{F} =
E_{max} - E_{B} - E_{R} -
E_{T}
A partir de estos niveles de energía se definen
dos umbrales E_{th\_1} y E_{th\_2}:
E_{th\_1} =
E_{B} + E_{R} +
E_{T};
E_{th\_2} =
E_{B} +
E_{R};
La determinación del nivel de energía almacenada
en los medios de almacenamiento en cada instante depende de los
elementos que constituyen dichos medios. Por ejemplo, en el caso de
un sistema de almacenamiento con ultracapacidades se mide la tensión
de las mismas, lo cual determina directamente el nivel de energía.
En un sistema de almacenamiento con baterías se incluye un medidor
de carga, que es un circuito o sistema que estima el estado de carga
de la batería a partir de las medidas de tensión, corriente y
temperatura, y unas curvas experimentales que previamente se han
obtenido en unos tests de caracterización de la batería. A un
experto en la materia le resultará obvio la aplicación de cualquier
otro medio de determinación del nivel de energía almacenada
equivalente conocido en el estado de la técnica.
La figura 5 muestra tres gráficas que
ejemplifican los flujos de energía en el sistema:
- -
- Potencia del motor. Si es positivo indica que el motor consume energía, y si es negativo, que la genera.
- -
- Potencia proporcionada por la red.
- -
- Potencia proporcionada desde (por) los medios de almacenamiento. Si es positivo indica que se proporciona energía desde los medios de almacenamiento de energía al motor, y si es negativo, que almacena energía (bien del motor o bien de la red, según el caso).
\vskip1.000000\baselineskip
Se presentan cuatro situaciones consecutivas,
que corresponden a:
- -
- Motor en tracción 15 (es decir, consumiendo energía).
- -
- Motor parado 16.
- -
- Motor en frenado 17 (es decir, generando energía).
- -
- Motor en tracción 15 durante un fallo de la red 18.
\vskip1.000000\baselineskip
Estas situaciones son detectadas por el gestor
de energía, por ejemplo mediante la medida de la tensión del bus DC,
que aumenta cuando el motor está generando energía. En función de la
situación detectada (es decir, del modo de operación del motor), y
de la energía almacenada en los medios de almacenamiento, el gestor
de energía controla los medios de almacenamiento, el conmutador y
los convertidores (activando, desactivando, determinando modos de
operación...), determinando así el flujo de energía en el sistema de
acuerdo con las reglas siguientes:
- Si el motor consume energía, el gestor de
energía se la suministra, primero desde la red hasta alcanzar un
límite de potencia previamente definido, y completando los
requisitos de energía con energía de los medios de almacenamiento.
El dimensionamiento descrito permite mantener el nivel de energía de
dichos medios de almacenamiento por encima del umbral E_{th\_2},
garantizando que se almacena la energía necesaria para los casos de
emergencia (fallo en la red).
- Si el motor está parado (o bien si su consumo
es menor que el límite de potencia previamente mencionado), se
recargan los medios de almacenamiento con energía de la red
eléctrica hasta que se alcanza el nivel E_{th\_1}.
- Si el motor está generando energía, dicha
energía se almacena en los medios de almacenamiento. Si se llega a
su capacidad límite E_{max}, la energía sobrante se disipa a
través del circuito de frenado del variador.
- En caso de que se produzca un fallo en la red,
el conmutador pasa a alimentar la maniobra del sistema de ascensor
con energía procedente de los medios de almacenamiento,
proporcionando también dichos medios de almacenamiento al motor la
energía suficiente para mover la cabina hasta al menos el piso más
cercano y permitir la evacuación de los ocupantes.
\vskip1.000000\baselineskip
A la vista de esta descripción y figuras, el
experto en la materia podrá entender que la invención ha sido
descrita según algunas realizaciones preferentes de la misma, pero
que múltiples variaciones pueden ser introducidas en dichas
realizaciones preferentes, sin salir del objeto de la invención tal
y como ha sido reivindicada.
Claims (13)
1. Método de gestión de energía de, al menos, un
motor (1) eléctrico, que comprende:
- si el motor (1) opera según un primer modo de
operación en el que consume energía eléctrica, suministrar energía
eléctrica al motor (1);
- si el motor (1) opera según un segundo modo de
operación en el que genera energía eléctrica, almacenar la energía
generada por el motor (1) en unos medios de almacenamiento (2) de
energía eléctrica mientras la energía almacenada en dichos medios de
almacenamiento (2) es menor que una capacidad máxima (E_{max}) de
los medios de almacenamiento (2);
caracterizado porque comprende:
- si el motor (1) está parado o si el motor (1)
opera según el primer modo de operación y consume menos energía que
un umbral de suministro de una red de suministro eléctrico (3, 3'),
y la energía almacenada en los medios de almacenamiento (2) es menor
que un primer umbral de almacenamiento (E_{th\_1}), almacenar
energía de la red de suministro eléctrico (3, 3') en los medios de
almacenamiento (2), siendo dicho primer umbral de almacenamiento
(E_{th\_1}) menor que la capacidad máxima (E_{max}) de los
medios de almacenamiento (2).
\vskip1.000000\baselineskip
2. Método según la reivindicación 1 donde, si el
motor (1) opera según el primer modo de operación en el que consume
energía eléctrica, al menos una parte de la energía suministrada al
motor (1) se extrae de la red de suministro eléctrico (3, 3'), donde
dicha energía extraída de la red de suministro eléctrico (3, 3') es
menor o igual que una potencia de red máxima (P_{max}).
3. Método según cualquiera de las
reivindicaciones 1 y 2 donde, si el motor (1) opera según el primer
modo de operación en el que consume energía eléctrica, y si la
energía almacenada en los medios de almacenamiento (2) es mayor que
un segundo umbral de almacenamiento (E_{th\_2}), al menos una
parte de la energía suministrada al motor (1) se extrae de los
medios de almacenamiento (2), donde dicho segundo umbral de
almacenamiento (E_{th\_2}) es menor que el primer umbral de
almacenamiento (E_{th\_1}).
4. Método según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores donde el motor (1) es un motor de
tracción de un sistema de ascensor, comprendiendo además dicho
sistema de ascensor una cabina.
5. Método según la reivindicación 4 que
comprende, si se produce un fallo en la red de suministro eléctrico
(3, 3'), suministrar al motor (1) energía almacenada en los medios
de almacenamiento (2) mientras el motor (1) opera según un modo de
operación de seguridad.
6. Método según la reivindicación 5 que
comprende, si se produce un fallo en la red de suministro eléctrico
(3, 3'), suministrar también a unos medios de control del motor (13)
energía almacenada en los medios de almacenamiento (2).
7. Sistema de gestión de energía que
comprende:
- medios de almacenamiento (2) de energía
eléctrica;
- un convertidor de potencia (5) configurado
para conectarse a los medios de almacenamiento (2) de energía y a un
bus (9) de corriente continua de un variador (11), donde dicho bus
(9) está configurado para conectarse a una red de suministro
eléctrico (3, 3'), y a al menos un motor (1) eléctrico a través de
al menos un inversor (10);
- medios de gestión (4) configurados para
- -
- si el motor (1) opera según un primer modo de operación en el que consume energía eléctrica, suministrar energía eléctrica al motor (1) a través del bus (9) al que el sistema está configurado para conectarse;
- -
- si el motor (1) opera según un segundo modo de operación en el que genera energía eléctrica, extraer la energía generada por el motor (1) a través del bus (9) al que el sistema está configurado para conectarse y almacenar dicha energía generada por el motor (1) en los medios de almacenamiento (2) de energía eléctrica, mientras la energía almacenada en dichos medios de almacenamiento (2) es menor que una capacidad máxima (E_{max}) de los medios de almacenamiento (2);
caracterizado porque los medios de
gestión (4) están, además, configurados para:
- si el motor (1) está parado o si el motor (1)
opera según el primer modo de operación y consume menos energía que
un umbral de suministro de una red de suministro eléctrico (3, 3'),
y la energía almacenada en los medios de almacenamiento (2) es menor
que un primer umbral de almacenamiento (E_{th\_1}), almacenar
energía de la red de suministro eléctrico (3, 3') en los medios de
almacenamiento (2), siendo dicho primer umbral de almacenamiento
(E_{th\_1}) menor que la capacidad máxima (E_{max}) de los
medios de almacenamiento (2).
\vskip1.000000\baselineskip
8. Sistema de gestión según la reivindicación 7
donde los medios de gestión (4) están, además, configurados para, si
el motor (1) opera según el primer modo de operación en el que
consume energía eléctrica, al menos una parte de la energía
suministrada al motor (1) se extrae de la red de suministro
eléctrico (3, 3'), donde dicha energía extraída de la red de
suministro eléctrico (3, 3') es menor o igual que una potencia de
red máxima (P_{max}).
9. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones 7 y 8 donde los medios de gestión (4) están,
además, configurados para, si el motor (1) opera según el primer
modo de operación en el que consume energía eléctrica, y si la
energía almacenada en los medios de almacenamiento (2) es mayor que
un segundo umbral de almacenamiento (E_{th\_2}), extraer de los
medios de almacenamiento (2) al menos una parte de la energía
suministrada al motor (1), donde dicho segundo umbral de
almacenamiento (E_{th\_2}) es menor que el primer umbral de
almacenamiento (E_{th\_1}).
10. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones 7 a 12 donde el motor (1) es un motor de tracción
de un sistema de ascensor, comprendiendo además dicho sistema de
ascensor una cabina.
11. Sistema según la reivindicación 10 donde los
medios de gestión (4) están, además, configurados para, si se
produce un fallo en la red de suministro eléctrico (3, 3'),
suministrar al motor (1) energía almacenada en los medios de
almacenamiento (2) mientras el motor (1) opera según un modo de
operación de seguridad.
12. Sistema según la reivindicación 11 que
comprende, además:
- un convertidor de corriente continua a
corriente alterna (6) configurado para conectarse al bus (9) de
corriente continua, al convertidor de potencia (5), y a un
conmutador (7);
- un conmutador (7) configurado para conectarse
al convertidor de corriente continua a corriente alterna (6), a la
red de suministro eléctrico (3, 3') ya unos medios de control del
motor (13);
y donde los medios de gestión (4) están, además,
configurados para, si se produce un fallo en la red de suministro
eléctrico (3, 3'), suministrar a los medios de control del motor
(13) energía almacenada en los medios de almacenamiento (2) a través
del convertidor de corriente continua a corriente alterna (6) y del
conmutador (7).
\vskip1.000000\baselineskip
13. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones 7 a 12, que comprende también un conversor de
corriente alterna a corriente continua (14), configurado para
conectarse al bus (9) de corriente continua, y a la red de
suministro eléctrico (3, 3'), donde dicha red es una red monofásica
(3').
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