Eficiencia energética en Ascensores

Introducción

Existen muchos artículos sobre el consumo de energía en el transporte vertical y su impacto económico dentro de la energía total consumida en el mundo. Empleando los datos proporcionados por la Agencia Internacional de la Energía [1], en 2014, el consumo eléctrico, incluyendo la producción bruta más las importaciones, menos las exportaciones y las perdidas fue de 21.962,54 TWh por año.

Varios autores sitúan la energía utilizada en los sistemas de ascensores entre un 2% y un 5% del total. Tomando la media, la energía consumida en los sistemas de ascensores se traduce en aproximadamente 768,69 TWh al año. Además de la energía consumida por el sistema de tracción, las cabinas tienen otros elementos, como la iluminación, la ventilación, las pantallas de las cabinas (flechas direccionales, indicadores de piso, etc.), pantallas de configuración en las rellanos o puertas motorizadas, que también consumen parte de esta energía.

El Grupo Fermator, como uno de los mayores fabricantes mono producto de puertas automáticas para ascensores del mundo, se esfuerza por reducir el consumo de energía del sistema de control de puertas, mejorando el rendimiento y cumpliendo con las normas y regulaciones de seguridad. Este artículo describe la metodología para cuantificar la energía consumida en el sistema de control de puertas y explica algunas innovaciones desarrolladas por el Grupo Fermator para alcanzar un consumo de energía óptimo en el funcionamiento de las puertas.

Consumo energético en los sistemas de control de las puertas de cabina y rellano

En condiciones normales, de acuerdo con las categorías de uso para elevadores presentadas en VDI 4707 [4], el tiempo promedio en standby por día es de entre 18 horas y 23,7 horas. Es importante saber cuánta energía se consume en las puertas cuando se está en funcionamiento y cuanta cuando se encuentra en standby. A manera de ejemplo, la figura 1 muestra cómo se consume la energía en funcionamiento y en standby, en los sectores residencial y no residencial (comercial), tomando como referencia los datos publicados por la Asociación Europea del Ascensor en el proyecto E4 [5], tomando como muestra los países miembros de la Organización para la Cooperación Económica y el Desarrollo OCDE, por sus siglas en inglés

Figura 1 

En el sector residencial, la energía consumida en standby representa alrededor del 67,16% de la energía total consumida por el sector de tracción vertical. Sin embargo, para el sector no residencial, este porcentaje disminuye a un 40%. Observando la figura 1, está claro que cualquier acción emprendida para optimizar el consumo de energía en el sistema de control de la puerta deberá incluir medidas para el estado de puerta abierta y cerrada y, por separado, cuando se realiza un ciclo de apertura-cierre de la misma.

Puerta sin movimiento: el control de posición como solución inteligente propuesta por el Grupo Fermator

Para comprender los pasos tomados para ahorrar energía en posiciones de puerta abierta o cerrada, es necesario cuantificar la energía que se consume actualmente en dichos estados. En el documento [6] titulado Análisis de rendimiento energético de ascensores y escaleras mecánicas se propone un escenario llamado Mejores Tecnologías Disponibles para reducir el consumo de energía en modo standby. Las áreas consideradas incluyen el sistema de iluminación, los controles electrónicos, los inversores electrónicos y los operadores de las puertas. El análisis asignó cuotas de consumo para cada uno de estos elementos y para el operador de puertas. La participación del sistema de control de la puerta alcanza aproximadamente el 7,7% del consumo total. Para los miembros de OCDE, la energía consumida en el control de la puerta mientras está en estado de standby en 2016 se muestra en la Figura 2.

figura 2

El estado de standby se asocia con la puerta cuando está en las posiciones abierta o cerrada. Tradicionalmente, para mantener estas posiciones, el operador aplica una tensión de motor que da como resultado un par del eje y, en consecuencia, una fuerza en la correa. Este voltaje está asociado a la corriente de bloqueo o al par aplicado en puerta abierta o cerrada. En la mayoría de los casos, es un valor parametrizable. Una de los principales motivos para la pérdida de energía en los sistemas de control de las puertas es la corriente consumida para mantener estos estados de puerta abierta y cerrada.

La Figura 3 muestra un sistema acoplado de puerta de cabina y de rellano con su diagrama de fuerzas. Este diagrama permite ilustrar que se alcanza la situación ideal cuando FBELT y FSPRING son iguales. Un desequilibrio entre estas fuerzas provoca una pérdida en la posición de puerta abierta o cerrada (FSPRING> FBELT) o pérdidas de energía por el efecto Joule en el variador y el motor (FSPRING <FBELT).

El Grupo Fermator ha desarrollado el software denominado Fermator SMART Door Control Position® que utiliza algoritmos para garantizar que la posición de la puerta en los extremos del recorrido se mantenga automáticamente, lo que garantiza el equilibrio correcto entre la fuerza de cierre de la puerta de rellano y la fuerza aplicada por el motor. Esta característica, presente en los SMART Drives del Grupo Fermator, se basa en el uso de la modulación por ancho de pulso (PWM) del vector espacial para la sintetización de la tensión aplicada al motor, combinado con controles proporcional-integrativo-derivativo (PID) anti-windup para evitar posibles oscilaciones de posición.

figura 3 

Gracias a mediciones realizadas en campo, el nuevo software del Grupo Fermator permite una reducción de entre el 22% y el 42% en el consumo de energía en puerta abierta. Para traducir estos porcentajes de ahorro en valores de energía medibles, si todos los sistemas de puertas incorporasen control SMART, suponiendo que un Drive permanece en la posición de puerta abierta el 5% de su tiempo de operación, la energía ahorrada podría alcanzar los 87,705 GWh por año. Obviamente, si una puerta permanece en la posición abierta durante períodos prolongados, la energía ahorrada será mayor. Por otra parte, mayores diferencias entre el voltaje ideal para mantener el equilibrio entre las fuerzas del muelle de la puerta de rellano y la fuerza de la correa y el voltaje fijado arbitrariamente de no existir un control SMART, se traducirán en un aumento de la energía ahorrada.

Según los datos publicados por el Gobierno español en [8], el factor de emisiones (en kgCO2 / kWh) para el sector de “edificios” en España en 2012 fue de 0,33. Este es el último valor publicado por la Comisión Nacional de Energía en España y será el factor que se utilizará en los cálculos. Solo para el estado de puerta abierta, el software SMART contribuiría con una reducción de 28,942.65-T de CO2 emitido a la atmósfera por año.

La situación descrita para puerta abierta es extrapolable para el estado de puerta cerrada. En este caso, la fuerza del muelle a vencer desde el motor se encuentra en el mecanismo utilizado para acoplar la puerta de cabina a la puerta de rellano. Al igual que en el caso de puerta avienta, para puerta cerrada se alcanzaron reducciones en la energía consumida de entre un 22% y un 42%.

Movimiento de la puerta: Vector espacial con modulación por ancho de pulso (SVPWM) y control de par con ángulo constante

Con el funcionamiento del motor, los esfuerzos realizados por el Grupo Fermator para reducir el consumo de energía se han centrado en la evolución de su software de control. Tradicionalmente, los controles de bucle abierto con interruptores de final de carrera, o los controles de bucle cerrado con con sensor de posición y perfiles de velocidad, han utilizado modulación por ancho de pulso sinusoidal (SPWM) para sintetizar la tensión del motor. El Grupo Fermator ha ido un paso más allá, incorporando el SVPWM como su estrategia para sintetizar el voltaje. Algunas de las mejoras logradas gracias a ello son:

• SVPWM puede sintetizar un 15% más de voltaje para la misma tensión de bus. Esto permite perfiles de velocidad variados con respuestas dinámicas más rápidas en el caso de obstrucciones o reaperturas.
• SVPWM tiene una distorsión armónica total más baja para todo el espectro de índices de modulación. Esto crea menores pérdidas por Efecto Joule en el motor y, a su vez, resulta en temperaturas de trabajo del motor más bajas.

El Grupo Fermator emplea el control de par a ángulo constante (CTA) en su software de control. Este software garantiza que, como describe Dariusz Świerczyński en [7], para rangos de carga inferiores al 200% del valor de carga nominal, el control CTA garantiza prácticamente el par máximo por amperio. Las principales mejoras logradas con el uso del CTA son:

• Control de la fuerza lineal que el motor aplica a los paneles de las puertas, cumpliendo de esta manera con los requisitos exigidos por las regulaciones actuales del sector, específicamente la normativa EN81-20 / -50.
• Contribución a una disminución en la temperatura de trabajo del motor: a partir de las mediciones tomadas en el campo, bajo las mismas condiciones de trabajo, la temperatura del motor con el nuevo software de control es entre 5ºC y 10ºC más baja.

Mirando al futuro

Continuando con sus políticas para crear dispositivos responsables con el medio ambiente, el Grupo Fermator está desarrollando la línea de "Dispositivos Inteligentes". Esta estrategia llevará la evolución de los conceptos de reducción en el consumo de energía a los elementos mecánicos que componen la puerta. Sistemas de acoplamiento, fricción en las pisaderas, masa de las puertas y todo elemento capaz de contribuir en el ahorro de energía será examinado, garantizando en todo momento la robustez y fiabilidad de nuestros productos.

Autor: Hector Rivas-Guerrero.  PhD.

Departamento de Innovación Tecnológica del Grupo FERMATOR.

Profesor del Máster en Energías Renovables y Sostenibilidad Energética UB-UNIBA

Referencias Bibliográficas

[1] International Energy Agency, Yearly report energy consumption, January 2015.

[2] Harvey Sachs, Harry Misuriello, and Sameer Kwatra. “Advancing Elevator Energy Efficiency”, American Council for an Energy-Efficient Economy, Report A1501, January 2015.

 [3] Al-Sharif, L.  “Lift Energy Consumption: General Overview, 1974-2001”, Elevator Engineering, October 2004, 61-66.

[4] Association of German Engineers. “VDI 4707 GUIDELINES: Lifts Energy Efficiency”, May 2008.

[5] European Lift Association-E4 Project. “Energy Efficient Elevators and Escalators”, March 2010.

[6] Carlos Patrão, Aníbal De Almeida, João Fong, and Fernando Ferreira. ISR-University of Coimbra.  “Elevators and Escalators Energy Performance Analysis”, ACEE Summer Study on Energy Efficiency in Buildings, 2010, 53-63.

[7] M. Sc. Dariusz Świerczyński, “Direct Torque Control with Space Vector Modulation (DTC-SVM) of Inverter-Fed Permanent Magnet Synchronous Motor Drive”, PhD.D. Thesis, Faculty of Electrical Engineering Institute of Control and Industrial Electronics, WARSAW UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, Poland, 2015.

[8] Ministerio de Industria, Energía y Turismo, Gobierno de España, “FACTORES DE EMISIÓN DE CO2 y COEFICIENTES DE PASO A ENERGÍA PRIMARIA DE DIFERENTES FUENTES DE ENERGÍA FINAL CONSUMIDAS EN EL SECTOR DE EDIFICIOS EN ESPAÑA”, enero 2.016.