Innovación interempresarial en digitalización e inteligencia energética de Ascensores

 Paneles solares para un ascensor.

Hasta ahora, lo habitual era que los ascensores estuvieran conectados a la red y no se prestaba demasiada atención a cuál era exactamente el consumo de energía o hasta qué punto se producían picos de potencia elevados durante las rampas de aceleración.

Prevalece la idea de que la potencia nominal del motor en un sistema gearless es la potencia real consumida, pero los motores gearless manejan en realidad picos de potencia muy superiores a la nominal. Deben realizarse intensos esfuerzos de diseño para que los ascensores sean más eficientes, incluyendo factores como el tipo de motor, la relación de suspensión, el tipo de zapatas, las rampas de aceleración, la modificación del contrapeso, el tipo de eje y la eficiencia/stand-by de todos los elementos eléctricos.

La instalación y el mantenimiento también son de vital importancia. Con algunas excepciones, desde la publicación de la norma ISO 75745 - partes 1 y 2, no ha aparecido mucha bibliografía sobre las cuestiones energéticas de los ascensores.

Una instalación P2S complementada con paneles solares (Figura 9)

El sistema P2S desarrollado por epic power –que puede verse en la figura 1– consiste en un sistema inteligente de alimentación y ahorro de energía para ascensores. Con dicho sistema, los ascensores con tracción eléctrica y accionamientos multimarca trifásicos pueden alimentarse totalmente mediante una conexión monofásica a la red de 500 W como máximo. Opcionalmente, el sistema P2S, que requiere la inclusión de baterías, puede conectarse a un par de paneles solares de 300 W para lograr un consumo de energía casi nulo.

Nayar pretende ofrecer a las empresas de ascensores la posibilidad de supervisar y controlar a distancia los dispositivos de un ascensor. Para ello, desarrolla hardware IoT ‘ad-hoc’, plataformas IoT en la nube y aplicaciones. Uno de sus productos es el GSR, una pasarela inteligente que realiza comunicaciones locales con el controlador del ascensor y los dispositivos, así como ‘edge computing’ para capturar información de estos y enviarles comandos. Otro es Advertisim, una pantalla multimedia conectada que puede mostrar cualquier información de audio y vídeo del ecosistema del ascensor. Por último, Net4machines es una plataforma IoT para que la empresa de mantenimiento de ascensores monitorice y controle los dispositivos del ascensor a través de la conexión GSR 4G. En este proyecto, Nayar ha desarrollado el software embebido, los protocolos, el software de plataforma y las interfaces para obtener información del controlador P2S y TBS4 con dos objetivos diferentes. En primer lugar, mostrarla en la pantalla de Advertisim para el usuario final y, en segundo lugar, mostrarla en Net4machines para la empresa de mantenimiento de ascensores.

Por último, Beltrán Ascensores ofrece esta tecnología como elemento integrador en el mercado de la rehabilitación y mejora energética del parque edificatorio existente, interactuando con el edificio y sus vecinos y propietarios. Fue una de las primeras empresas en adoptar la tecnología de epic power y contaba con más de 50 instalaciones en funcionamiento antes del inicio del proyecto.

Este proyecto demuestra una nueva forma de entender el servicio de mantenimiento de ascensores, pasando de un servicio de mantenimiento tradicional a un sistema de monitorización remota basado en tecnologías IoT.

Puesto que las baterías son un elemento clave en este tipo de ascensores, la correcta predicción de un rendimiento realista es de suma importancia para la empresa mantenedora. Esta característica incorporada como elemento predictivo beneficia enormemente a un proceso de mantenimiento eficiente y evita molestias al usuario final cuando los ascensores necesitan ser actualizados con nuevas baterías. Por otra parte, una estimación precisa también beneficia al usuario final al evitar cambios innecesarios y precipitados de baterías.

La figura 3 muestra 24 h de mediciones instantáneas de potencia de un ascensor de un edificio residencial concreto mantenido por Beltrán. La potencia media del periodo es inferior a 200 W, con valores pico de hasta 5.000 W para un motor de 3.400 W nominales. Esto significa que, si se utilizara algún tipo de amortiguador de energía –como baterías–, bastaría una conexión de baja potencia a la red –o a una fuente renovable– para alimentar este ascensor, siempre y cuando se añadiera algún elemento intermedio para proporcionar los picos de alta potencia. La instalación eléctrica no requeriría una red trifásica –que no es frecuente en algunas partes de Europa– ni un dimensionamiento de alta potencia. A veces, la red no es estable y, en algunos países, se incrementan los costes para disponer de alta potencia. En otros países, se producen con frecuencia apagones de corta duración. Hay razones más elaboradas para exigir un consumo medio relacionado con la inclusión de paneles solares para ascensores ‘real-Zero’ (consumo real cero), en lugar de ‘net-Zero’ (consumo neto cero).

epic power fabrica y vende desde 2015 una fuente de alimentación para ascensores de tracción basada completamente en baterías. El diagrama de bloques de la solución puede verse en la figura 1. Consta de baterías AGM (un tipo de plomo respetuoso con los ciclos) de 48 V, un cargador de baterías de baja potencia y un inversor para suministrar 230 VCA a otras cargas dentro del ascensor. El elemento central es un convertidor bidireccional CC/CC que proporciona hasta 800 V a partir de 48 V y viceversa, a niveles de potencia que pueden ser múltiplos de 5,5 kW (nominal, 7,2 kW pico) y 3,5 kW (nominal, 4,3 kW pico) o combinaciones de los mismos. El sistema P2S es compatible con cualquier accionamiento trifásico del mercado. El resto de elementos del ascensor son los mismos; solo se prescinde de la conexión trifásica a la red.

En el proceso de dimensionamiento previo a la inclusión de un sistema P2S en un ascensor, el tamaño de las baterías en términos de capacidad (Ah) se decide en función del número de plantas, la potencia pico máxima demandada al accionamiento y algunos otros factores, principalmente, evitar que las baterías se descarguen más de un determinado porcentaje en un viaje de máximo consumo. Por lo tanto, las baterías están, en general, sobredimensionadas en términos de energía. Esto permite un número muy elevado de viajes en caso de apagón, lo que supone una ventaja adicional del sistema. En este sentido, es importante señalar que la potencia máxima extraída de las baterías es el parámetro más crítico en el dimensionamiento. Otras características adicionales de la alimentación de un ascensor totalmente a partir de baterías son las siguientes:

• Se puede añadir la energía renovable procedente de fuentes inconstantes, como la eólica y la solar. Para el caso solar, un par de paneles solares de 300 W y 72 células serían suficientes en latitudes como España para un ascensor casi autosuficiente.
• Los paneles solares pueden añadirse en una fase posterior de la instalación.
• El coste de las baterías supone alrededor del 20% del coste total de la inversión, al ser la única pieza que requiere sustitución.
• El sistema es bidireccional, por lo que la energía generada se almacena en las baterías y no se desperdicia en una resistencia de frenado.
• El consumo en espera del variador puede reducirse a cero porque el convertidor CC/CC actúa como una fuente de corriente controlada que puede encender un accionamiento en 0,2 s sin envejecer los condensadores internos del accionamiento. Se trata de un refuerzo de eficiencia relevante para los ascensores de categoría ISO 1-3.
• La tensión y la corriente en el accionamiento, así como en las baterías y los paneles solares (si se añaden), se supervisan en todo momento y pueden compartirse mediante comunicación CAN o, alternativamente, con comunicación CANopen. Esto proporciona información detallada sobre el intercambio de energía en el cubo configurable entre 50 ms y 1 s de frecuencia de muestreo. Esta es la información que se analizará y procesará en el sistema IoT.

Se ha considerado que el circuito eléctrico equivalente de la batería es el de la figura 4. El sistema mide la tensión en la batería, vbat, y la corriente, ibat. La tensión en circuito abierto (OCV) depende de la capacidad nominal de la batería, Cnom, y del estado de carga. El estado de carga se refiere a la capacidad real de la batería y también se estima en nuestro sistema con métodos que van más allá del clásico recuento de culombios.

Se consideran dos parámetros para definir la operatividad de las baterías de plomo en esta aplicación (Tabla 1). El primero es común en la literatura y el segundo es novedoso, fruto de la colaboración entre epic power y la Universidad de Zaragoza. En este caso, el SoP o Estado de Potencia es el crítico en el funcionamiento de las baterías. Se refiere a la capacidad de suministrar corrientes elevadas sin que se produzca una caída de tensión demasiado grande que comprometa el correcto funcionamiento del convertidor (Vmin).

Esta es, principalmente, la causa de sustitución de la batería, cuando la tensión cae repetidamente por debajo del límite de subtensión del convertidor debido al agotamiento de la corriente elevada. El parámetro SoP depende principalmente del circuito equivalente Rp que se convierte en el parámetro más relevante.

Para estimar los parámetros en tiempo real, se ha desarrollado un filtro de Kalman extendido conjunto (Joint EKF). Los algoritmos se han programado utilizando Matlab y en Simulink. Esto ha permitido su integración en el firmware embebido que se incluye en el sistema P2S.

En este proyecto se han utilizado varias baterías usadas de Beltrán, con diferentes niveles de degradación, llevadas a un laboratorio de pruebas para comprender mejor el SoP durante la vida útil y comprobar los resultados anteriormente mencionados. En efecto, las baterías ensayadas con mayor vida útil que se encontraban en fallo constante reflejaron las siguientes estimaciones en términos de SoP (Figura 5). El SoP fluctúa del 100% a niveles inferiores debido a la naturaleza cíclica del funcionamiento de un ascensor. Se considera que las baterías con un SoP que desciende repetidamente por debajo del 74% necesitan un mantenimiento predictivo y deben ser sustituidas. El parámetro SoP es uno de los elementos comunicados en el sistema de telemetría.

La información recogida de los dispositivos P2S y TBS4 se almacena en la plataforma N4M y puede utilizarse para diagnosticar a distancia el estado del sistema y los dispositivos del ascensor, o para interactuar con ellos.

Para obtener el máximo rendimiento del sistema P2S en un ascensor, será necesario tener en cuenta algunos factores en el diseño del ascensor y el dimensionamiento del sistema P2S. Los principales factores son la carga y la distancia total de recorrido, si bien hay otros también son importantes para lograr la eficacia:

• Estudio de tráfico en función del edificio y los usuarios.
• Diseño mecánico del ascensor.
• Cálculo del sistema de accionamiento derivado del punto anterior y especificaciones requeridas.
• Estudio e influencia del entorno donde se instalan las baterías.
• Programación y parametrización del variador de frecuencia para la potencia adecuada.

Actualmente, los ascensores están conectados a la red eléctrica y, al no existir ningún elemento limitador, pueden absorber potencia de la red con picos muy elevados, tal y como se muestra en la Figura 3. Estos picos de potencia que afectan directamente al dimensionamiento de los cálculos del P2S pueden, y deben, reducirse desde el principio en el diseño del ascensor.

Como factores que influyen en el sistema P2S, un cableado 2:1 tiene algunas ventajas eléctricas que un cableado 1:1 no puede ofrecer. Entre ellas se incluyen las siguientes:

• Una mayor velocidad de giro conlleva una mayor eficiencia en el motor eléctrico.
• Una suspensión diferencial requiere la mitad de par para el movimiento del ascensor, lo que reduce los requisitos de corriente.

Las desventajas de una cuerda 1:1 pueden abordarse y solucionarse parcialmente con cálculos y un diseño correcto del motor eléctrico. El diseño de un motor más largo puede crear la fuerza electromotriz necesaria para obtener el par calculado con menores requisitos de tensión y corriente, acercándose a los valores 2:1.

El mismo ascensor de la figura 3 se ha mejorado para incluir un sistema P2S con paneles solares. Como se ve en la Figura 8, esto reduce drásticamente todos los picos de potencia, con un valor máximo de 450 W (desde los 5.000 W originales) y sin consumo de red durante el día.

El resultado obtenido se deriva de una desconexión total del ascensor durante las horas diurnas. En este caso, se instalaron tres paneles solares de 455 W por panel. Pueden generar la potencia media necesaria que requiere el sistema P2S todos los días del año. La figura 11 muestra nueve días de consumo de red y generación solar para cargar las baterías, con un solo día nublado.