آسانسورهای چندگانه بدون سیم بکسل در برج تست ROTTWEIL

واحد R&D سما آسانبر دانش بنیان

مقدمه

MULTI یک سیستم حمل و نقل کاملاً جدید و ابتکاری از شرکت آسانسور thyssenkrupp را نشان می­دهد. آسانسور بدون سیم بکسل می­تواند در یک ساختمان نه تنها به صورت عمودی، بلکه به صورت افقی حرکت کند و یک سیستم انقلابی برای ساختمان­های بلند می­باشد. MULTI در مقایسه با دستگاه‌های آسانسور مرسوم و مدرن، دارای مزایای اصلی می­باشد (شکل 1 را ببینید).

شکل 1: مقایسه تکنولوژی­های آسانسور

MULTI ظرفیت حمل و نقل را به طور قابل توجهی با زمان انتظار کمتری، افزایش می­دهد. در یک سال، کارکنان اداره شهر نیویورک در مجموع 16.6 سال منتظر ماندند تا آسانسور برسد در حالی که تنها 5.9 سال در آسانسور سفر کردند. بهترین راه برای صرفه­جویی در زمان با ارزش مردم یافتن راه حل­هایی است که زمان انتظار را کاهش می­دهند و نه فقط افزایش آسانسور. با چند کابین آسانسور در سیستمMULTI  در تنها یک شفت، مسافران هیچ وقت بیشتر از 15 تا 30 ثانیه برای آسانسور صبر نمی­کنند.

 

جرم به شدت کاهش یافته است

پیشرفت در طراحی سبک وزن، ازجمله کامپوزیت­های جدید سبک وزن کربن، برای کاهش وزن کابین و درب تا 50٪ کمتر می­شوند. با حذف طناب­ها و وزنه­های تعادل آسانسور­های معمولی، جرمی که در طول سفر آسانسور حرکت می­کند، کاهش می­یابد.

فضای بسیار کوچک‌تر

با یک کابین آسانسور در هر شافت، آسانسورهای سنتی فضای بیشتری در ساختمان­ها را اشغال می­کنند. MULTI چندین کابین را به شفت کمتری یکی می­کند. این باعث می­شود که اشغال فضا 50٪ کاهش یابد و در عین حال نیروی مسافربری نیز افزایش یابد. MULTI همچنین می­تواند به کاهش کلی ابعاد ساختمان، سطح خارجی و مصرف انرژی کل، کمک کند.

هیچ محدودیتی در ساختن ارتفاع و طراحی شکل وجود ندارد

با استفاده از سیستم بدون سیم بکسل MULTI، معماران و توسعه دهندگان در طرح­های خود با توجه به نگرانی­ها در مورد ارتفاع شفت آسانسور و هماهنگی عمودی، محدود نمی­شوند. MULTI درب را برای امکانات طراحی در تمام جهات باز می­کند.

نمایش سیستم در برج تست ROTTWEIL

برج جدید تست آسانسور با ارتفاع 246 متر در ROTTWEIL در جنوب آلمان به ویژه برای تکنولوژی آسانسور فردا پیکربندی شده است: با دوازده شفت درون برج که قطر هر کدام 21 متر است، مهندسان می­توانند آسانسور را در سرعت­های بالا تا 18 متر بر ثانیه آزمایش کنند. سه شفت با ارتفاع 80 متر برای آزمایش سیستم نوآورانهMULTI  استفاده می­شود.

دو عدد از این شفت­ها یک حلقه برای حرکت به سمت بالا و پایین کابین­های آسانسور را تشکیل می­دهند. سومین گاراژ شفت برای پارکینگ و تعمیر و نگهداری کابین­ها در نظر گرفته شده است. شکل 2 یک مرور کلی از وسعت تست را ارائه می­دهد.

شکل 2: تعریف وسعت MULTI و عکس از برج تست Rottweil

سیستم هدایت

یک مفهوم پایه به عنوان مفهوم راهنمای ریل انتخاب شده است. این مفهوم در شکل 3 نشان داده شده است، جایی که درایو خطی به طور مرکزی در پشت کابین نصب شده است. شاسی شامل یک غلتک (بخش چرخشی) و یک قاب کابین (بخش استاتیک) است. قاب کابین حاوی بار (مسافر) از طریق یک سیستم تعلیق برای جدا کردن بار مصرف از لرزش ناشی از درایو و هدایت غلتک است. غلتک حاوی یوک مغناطیسی (بخش متحرک موتور خطی) است که می­تواند در یک پلتفرم چرخشی 90 درجه چرخانده شود.

مبدل

چهار مبدل در تقاطع شفت­های عمودی و افقی قرار دارند. مبدل یک وسیله چرخشی مستقر است که چرخش غلتک را شامل موتور خطی می­کند، در حالی که کابین با اتصال به صورت عمودی باقی می­ماند. در حالت افقی، موتور خطی در حال حاضر کابین را به صورت افقی به مبدل بعدی هدایت می­کند، جایی که غلتک در جهت عمودی چرخانده می­شود. در این صورت انتقال از یک عمودی به یک شفت افقی و برعکس به دست می­آید. این قاعده در شکل 4 نشان داده شده است.

شکل 3: آسانسور MULTI

شکل 4: انتقال افقی بین شفت­ها

سیستم نیروی محرکه

سیستم آسانسورMULTI  چندین کابین را در امتداد چند شفت در یک ساختمان توزیع می­کند. فن­آوری درایو خطی  برای حرکت کابین­ها اعمال می­شود. سیستم نیروی محرکه با زیرمجموعه­های آن در این بخش شرح داده شده است.

موتور خطی

یک مفهوم موتور هماهنگ خطی استاتور طولانی بدون آهن اعمال می­شود. قسمت اولیه شامل چندین واحد سیم‌پیچ در پیکربندی آرایه دوگانه قرار داده شده در کنار شفت است. بخش ثانویه یک اتصال مغناطیس دائمی در کابین است. شکل 5 پیکربندی را نشان می­دهد. واحد­های اینورتر فشردهIGBT  (کنترل کننده­های موتور) در طول شفت­ها توزیع می­شوند. هر کنترل کننده موتور یک جریان 3 فاز را به یک واحد سیم‌پیچ اختصاصی هدایت می­کند. در پیکربندی آرایه دوگانه، هشت کنترل کننده موتور و واحدهای سیم‌پیچ در یک کابین عمل می­کنند.

شکل 5: توپولوژی موتور خطی

سنسور موقعیت

برای سیستم MULTI، سنسورهای موقعیت مورد نیاز برای اندازه­گیری موقعیت نسبی اتصال آهنربا در کابین با توجه به واحد سیم‌پیچ مورد نیاز است. اطلاعات موقعیت مورد نیاز برای انجام کنترل موقعیت (کنترل حرکت) کابین­ها و برای تبدیل جریان­های موتور است. سنسور سفارشی بر اساس تأثیر القایی مقیاس (نصب شده بر روی ماشین) بر روی سرهای سنسور (توزیع شده در امتداد شفت) مورد استفاده قرار می­گیرد. دقت موقعیت نسبی در محدوده چند میکرومتر است که مطابق با الزامات کنترل موقعیت است.

سیستم ترمز

این کابین­ها با دو سیستم مکانیکی ترمز، عملگر ترمز و چرخ دنده ایمنی مجهز شده­اند. عملگر ترمز فقط در موقعیت­های توقف در طبقه­های مختلف فعال است. چرخ­دنده ایمنی برای شرایط اضطراری است.

توزیع قدرت

برج تست ROTTWEIL دارای چهار منبع قدرت مستقل است. منبع تغذیه شامل یکسو کننده­های دو طرفه (انتهای جلویی فعال) است که از طریق نیروی DC به شارژرها، در امتداد هر شفت آسانسور توزیع می­شود. سیستم مبتنی بر DC بهره­وری بالاتر و نیاز به فضای کمتر در داخل شفت در مقایسه با یک سیستم AC را ارائه می­دهد. کنترل کننده­های موتور کنترل واحد سیم‌پیچ از این شارژرها تأمین می­شوند. واحدهای سیم‌پیچ نیروی مکانیکی را از طریق یک اتصال که با آهنرباهای دائمی مجهز است تولید می­کند. یوک مکانیکی به یک کابین آسانسور متصل است.

برای کاهش قدرت نصب شده مورد نیاز برای عملیات و افزایش بهره­وری کلی، یک سیستم بافر انرژی استفاده می­شود. با توجه به مفهوم فراوانی MULTI، هر شارژ باید با یک بافر انرژی تکمیل شود (شکل 6 را ببینید). این به این معنی است که هر بافر انرژی به صورت موازی به هر منبع تغذیه متصل می­شود. استراتژی بافر انرژی برای کنترل جریان نیرو از سیستم استفاده می­شود.

شکل 6: سیستم توزیع نیرو

بافر انرژی

در آسانسور، برای بالا رفتن کابین­ها نیرو ورودی بالا مورد نیاز است، اگر کابین­های دیگر در همان زمان پایین نروند. برای کاهش قله این نیرو­ها، یک بافر انرژی اعمال می­شود. بافر انرژی شامل مبدل­های DC / DC و ابر خازن­­ها است. مبدل­های DC / DC ولتاژ DC-Link را به محدوده عملیاتی ابر خازن­ها متصل می­کند.

بافر انرژی به موازات DC-link متصل شده است که به صورت فیزیکی از طریق کابل­های انتقال نیرو به دست می­آید. ارتباطات اترنت[1] در زمان واقعی استفاده می­شود. کنترل جریان اعمال می­شود، از آنجا که ولتاژ DC-link از قبل توسط جبهه فعال کنترل می­شود. شکل 7 یک نمای کلی از اتصال بافر انرژی را ارائه می­دهد.

شکل 7: اتصال بافر انرژی

 

 

استراتژی بافر انرژی

استراتژی عملیات بافر انرژی به شرح زیر تعریف شده است. بسته به تقاضای جریان اندازه­گیری شدهMULTI  و سطح انرژی واقعی بافر، سیستم یا قدرت را به DC-link ارسال می­کند یا از طریق DC-link بارگیری می­شود. هدف از استراتژی این است که قله نیرو ورودی سیستم را کاهش دهد و در درازمدت 50٪  از سطح هدف بافر انرژی را حفظ کند. چندین آستانه را می­توان برای تعیین رفتار سیستم بافر تعریف کرد. پس از مسیرهای مختلف تصمیم­گیری، مقادیر برای کنترل جریان تولید می­شوند. استراتژی عملیات در مدیریت انرژیMULTI  اجرا شده است.

نتایج اندازه­گیری

در حال حاضر آزمایش­های مختلفی برای تجزیه و تحلیل ویژگی­های قدرتMULTI  و تأثیر سیستم بافر انرژی انجام می­شود. سرعت، شتاب، وزن و تعداد کابین­هایی که به صورت عمودی یا افقی حرکت می­کنند، متنوع بوده و موقعیت­های مربوط به حرکت را تغییر داده­اند. دو نمونه آزمایشی در بخش­های زیر ارائه شده است.

مثال سناریو 1: عملیات حرکت به سمت بالا و پایین، بدون مبادله

اجرای آزمایشی با دو کابین  در دو شفت با سرعت   و شتاب   انجام می­شود. کابین­ها به صورت شاتل به سمت بالا و پایین حرکت می­کنند.

قدرت ورودی اندازه­گیری شده یک سیستم منبع تغذیه نشان داده شده است. قدرت ورودی با و بدون انرژی بافر در نمودار چپ در شکل 8 نشان داده شده است. قله توان بدون بافر به صورت 100٪ تعریف شده است. 40 درصد از این نیروی قله در طول حرکت­های به سمت پایین تغذیه می­شود. ظرفیت بارگیری 8 درصد اندازه­گیری می­شود. قدرت ورودی با بافر انرژی به طور قابل توجهی از مورد بدون بافر انرژی متفاوت است. قله توان ورودی 50٪ کاهش می­یابد.

از جریان ورودی اندازه­گیری شده در خروجی جبهه فعال و جریان بافر انرژی، تقاضای جریانMULTI  محاسبه می­شود. در اینجا یک جریان آفست برای از دست دادن مقدار آماده به کار، کم می­شود. بر اساس این تقاضای جریان، کنترل جریان بافر انرژی انجام می­شود. تقاضای جریان توسط شبکه و همچنین توسط بافر انرژی تأمین می­شود.

شکل 8: اندازه‌گیری قدرت / انرژی عملیات شاتل به صورت نرمال شده

مقدار انرژی ذخیره شده در بافر و قدرت بافر در نمودار سمت راست در شکل 8 نشان داده شده است. بافر در ابتدا به میزان 50٪ از حداکثر میزان انرژی شارژ می­شود. پس از حرکت به سمت بالا، بافر به 32٪ کاهش می­یابد و پس از حرکت به سمت پایین به طور کامل شارژ می­شود. در طی هر عملیات شارژ / تخلیه، به ترتیب 95٪ و 100٪ قدرت بافر انتقال می­یابند. این قدرت با پویایی حرکت­های کابین، گردش دارد.

عملیات تست شاتل در شرایط بارگذاری شدید برای MULTI است که در عملیات واقعی زندگی رخ نمی­دهد. علاوه بر توصیف تقاضای نیرو، این مورد آزمون برای تعیین رفتار حرارتی درایو خطی انجام می­شود.

مثال سناریو 2: نمایش عملیات، گردش با مبادله

یک تست گردش با سه کابین  در شفت­های عمودی و افقی (حلقه) با سرعت عمودی  و سرعت افقی  اجرا می­شود. حداکثر شتاب به ترتیب   و  است.

قدرت ورودی اندازه­گیری شده یک سیستم منبع تغذیه نشان داده شده است. قدرت ورودی با و بدون انرژی بافر در طول سناریو نمایش در نمودار چپ در شکل 9 نشان داده شده است. بسته به حرکات مربوط به سه کابین، قدرت ورودی متفاوت می­تواند مشاهده شود. قله قدرت اندازه­گیری شده بدون بافر انرژی 100٪ نشان داده شده است. در حداکثر 21٪ از این قله قدرت، به شبکه پاسخ می­دهد. قدرت ورودی با بافر انرژی به طور قابل توجهی از حالت بدون بافر انرژی متفاوت است. قله توان ورودی 40٪ کاهش می­یابد.

شکل 9: اندازه‌گیری قدرت / انرژی عملیات نمایش به صورت نرمال شده

مقدار انرژی ذخیره شده در بافر و قدرت بافر در نمودار راست در شکل 9 نشان داده شده است. بافر در ابتدا به میزان 50٪ از حداکثر میزان انرژی شارژ می­شود. پس از اولین حرکت پایین، بافر بیش از 54٪ شارژ می­شود. پس از حرکت به سمت بالا، 45٪ تخلیه می­شود. در طی حرکات پایین و رو به بالا، چرخه تکرار می­شود. از آنجا که دوره­های توقف طولانی و حرکات افقی در این سناریو وجود دارد، بافر انرژی به طور کامل هر بار شارژ می­شود. حداکثر قدرت شارژ / تخلیه از قدرت بافر به ترتیب80٪ و 30٪ است. تقاضای انرژیMULTI  در طول سناریو نمایش نسبت به سناریو شاتل بسیار کم است.

نتیجه‌گیری

در مقیاس بزرگ، MULTI در برج تست Rottweil راه­اندازی شده است و آزمایش­های گسترده انجام شده است. سیستم نیروی محرکه شامل منبع تغذیه چند منظوره، توزیع برق و بافر انرژی به طور کامل عملیاتی می­شود. با استفاده از یک سیستم بافر انرژی، قله قدرت ورودیMULTI  می­تواند تا 50٪ از سطح قله توان بدون بافر انرژی کاهش یابد. قدرت از کابین­های در حال حرکت به پایین احیا می­شود و برای کابین­های در حال حرکت به بالا استفاده می­شود، متعادل شده با بافر انرژی بدون تأکید بر شبکه.

تکنولوژی درایو خطی با واحدهای متعدد سیم‌پیچ و کنترل کننده­های موتور، هر دو حرکت عمودی و افقی سه کابین را در یک حلقه به راحتی فراهم می­کند. ارتعاشات مکانیکی و ویژگی­های حرارتی موتور خطی در محدوده مشخص شده­اند. در مرحله پروژه در حال انجام،MULTI  در معرض ارزیابی ایمنی برای حمل و نقل مسافر است.

منبع:

[1] Appunn R, Frantzheld J, Jetter M, Löser F. ” multi®-rope-less elevator demonstrator at test tower rottweil “. MAGLEV 2016, The 23rd International Conference,

گردآورنده: کارشناس ارشد فیزیک هسته­ای مهندس کامران کشیری