Desarrollo tecnológico del elevador de velocidad ultrarrápida con una velocidad de 1,200 mpm

Cómo se desarrolló el ascensor más rápido del mundo

por Tetsuya Nakayama, Hideka Matsuoka, Yoshiki Higashida, Jun Ohtsuki, Keizo Nakamura y Kazuhisa Mori

Este trabajo fue presentado en  Madrid 2016, el Congreso Internacional de Tecnologías de Transporte Vertical, y publicado por primera vez en el libro de la IAEE Tecnología de ascensores 21, editado por A. Lustig. Es una reimpresión con permiso de la Asociación Internacional de Ingenieros de Ascensores.  (sitio web: www.elevcon.com).

En los últimos años, ha surgido un número creciente de rascacielos y edificios a gran escala en todo el mundo, incluso en Asia y Oriente Medio. Esto ha creado la necesidad de ascensores de alta capacidad y velocidad ultrarrápida. Hitachi, Ltd. ha desarrollado un elevador de velocidad ultrarrápida con una velocidad de 1,200 mpm para satisfacer las crecientes demandas del mundo. Este artículo describe las tecnologías detrás del sistema de conducción y control, la seguridad y la comodidad de conducción del ascensor más rápido del mundo.

Introducción

El aumento global en los planes de construcción para edificios de gran altura de 500 a 600 m de altura ha requerido una mayor demanda de ascensores con mayor velocidad y eficiencia de transporte.^{[ 1 ]} En respuesta a esto, Hitachi desarrolló el elevador de ultra alta velocidad más rápido del mundo (según datos internos de Hitachi al 14 de septiembre de 2015) con una velocidad nominal de 1,200 mpm.

Hemos integrado las siguientes tecnologías en este elevador de ultra alta velocidad:

1. Un sistema de conducción y control para alcanzar la velocidad más rápida del mundo.
2. Un gobernador y un dispositivo de frenado que garantizan una parada de emergencia segura.
3. Equipo de guía de coche que evita la vibración lateral para reducir la sensación de taponamiento del oído.

Además, este ascensor estará en funcionamiento en el complejo de edificios ultra altos en China en 2016.

Antecedentes del desarrollo

La historia del desarrollo de los ascensores de gran capacidad y velocidad ultrarrápida comenzó a finales de la década de 1960 para la construcción de rascacielos domésticos, en particular el “edificio Kasumigaseki”. En ese momento, la velocidad nominal más alta para los ascensores de uso de pasajeros en el mercado nacional era de 150 mpm, mientras que la velocidad nominal requerida para el edificio Kasumigaseki era el doble que a 300 mpm. Por lo tanto, construimos una torre de investigación de ascensores con una altura de 90 m en Mito Works (prefectura de Ibaraki, Japón), que era la más alta de su tipo en el mundo en ese momento.

En esa torre se desarrollaron y probaron tecnología de control de velocidad precisa y dispositivos de supresión de vibraciones y ruido, así como dispositivos de seguridad de alta velocidad. Esto facilitó la finalización del elevador de alta velocidad capaz de viajar a una velocidad de 300 mpm, como lo requiere el edificio Kasumigaseki.^{[ 2 ]}

Tras este éxito, se desarrollaron ascensores con velocidades más altas uno tras otro, hasta que en 1993 se desarrolló el ascensor más rápido del mundo con una velocidad nominal de 810 mpm.^{[ 3 ]}

Sin embargo, el mercado asiático (el mercado chino, en particular) ha crecido rápidamente desde principios de la década de 2000. Al mismo tiempo, empresas de ascensores de todo el mundo ingresaron al mercado, lo que nos hizo enfrentar una dura competencia.

Además, especialmente en el Medio Oriente, los edificios nuevos tienden a ser ultra altos y de gran escala. Esto generó el requisito de ascensores de gran capacidad y velocidad ultrarrápida para esos edificios.^{[ 4 ]} Por eso, continuamos desarrollando tecnologías para mejorar aún más la seguridad, la eficiencia y la comodidad basándonos en el conocimiento de los ascensores de súper alta velocidad que se había logrado hasta ahora. Para fortalecer sus capacidades de desarrollo de productos en el mercado global, comenzamos a utilizar la torre de investigación de 213 m de altura "G1TOWER" que era la instalación de investigación más alta del mundo (según datos internos de Hitachi al 14 de septiembre de 2015) para ascensores en 2010.^{[ 5 ]} Como respuesta a las demandas de ascensores de alta velocidad y gran capacidad, realizamos numerosos experimentos para mejorar sus productos teniendo en cuenta la seguridad, la comodidad y el medio ambiente.

Detalles y características de desarrollo

Tecnología del sistema de conducción y control

Se desarrolló un motor síncrono de imán permanente de 330 kW que adopta un perfil delgado pero logra el alto rendimiento requerido para operar el elevador a una velocidad de 1,200 mpm (Figura 3).^{[6 10-]}

La pérdida de energía eléctrica durante la aceleración del ascensor se redujo aplicando rotores de placa de acero laminado al motor. Esto dio como resultado la reducción del ancho de la máquina de tracción en un 13%, al tiempo que aumentó la potencia nominal del motor en aproximadamente 1.3 veces (en comparación con la máquina de tracción de potencia máxima utilizada en los productos Hitachi convencionales a través de datos internos de Hitachi a septiembre de 2015). .^{[ 11 ]}

Además, la capacitancia de salida del inversor que opera el motor es de 2,200 kVA, que es una de las más grandes del mundo para uso en ascensores. La capacidad y el ahorro de espacio del panel de control (Figura 4) se incrementó al colocar dos inversores que constan de cuatro transistores bipolares de puerta aislada conectados en paralelo. Los alambres que forman la cuerda principal del coche fueron reforzados para mejorar la resistencia específica, reduciendo así el peso a un 30% menos que el de la cuerda convencional.

Tecnología de dispositivos de seguridad

Se ha desarrollado un dispositivo de frenado que utiliza forros resistentes al calor. En el improbable caso de que el sistema de ascensores detecte una anomalía, este dispositivo puede resistir el calor generado por la acción de frenado necesaria para detener de forma segura un automóvil desde una velocidad nominal de 1,200 mpm. Además, para ascensores en edificios ultra altos con recorridos largos, el límite de la velocidad de descenso se establece en 600 mpm, mientras que la velocidad de ascenso se establece en 1,200 mpm.^{[ 12 ]} Esto se debe a que la sensación de taponamiento del oído causada por las diferencias de presión del aire es prominente en los pasajeros durante el descenso del ascensor.

El gobernador, que tiene un diseño compacto, puede medir la velocidad del ascensor durante su ascenso y descenso mediante el uso de funciones independientes, lo que garantiza la seguridad de los pasajeros. Además, la profundidad del foso en el hueco del ascensor se reduce significativamente mediante la aplicación del tope telescópico extensible de cuatro pasos (Figura 6), en lugar de topes agrandados.

Tecnología estructural de automóviles

Para la comodidad de los pasajeros, se instalaron guías de rodillos activos (Figura 7) en las cuatro esquinas del automóvil (superior, inferior, izquierda y derecha) para reducir la vibración causada por la pluralidad de modos de vibración del automóvil. Además, la perturbación del automóvil causada por la ligera deformación de los rieles de guía y la presión del viento se está frenando, reduciendo así aproximadamente el 70% de la vibración. Esto proporciona a los pasajeros viajes cómodos durante el funcionamiento a alta velocidad (Figura 8).^{[13 16-]} 

Además, se desarrolló una estructura de cápsula de enderezamiento de aire mediante la realización de análisis de fluidos (Figura 9) y pruebas de túnel de viento para reducir el ruido aerodinámico y las fuerzas de fluidos inducidas cuando el automóvil y su contrapeso se cruzan. Además, la comodidad de conducción se produce mediante la instalación de un equipo de control de la presión atmosférica, que ajusta la presión del aire para reducir la sensación de taponamiento del oído de los pasajeros debido a los cambios en la presión atmosférica durante el viaje del ascensor.

Equipo de prueba de evaluación

La evaluación combinada de la gran máquina de tracción y su aparato de control de conducción de alta capacidad se llevó a cabo en la G1TOWER (Figura 10). Allí también se probaron y verificaron dispositivos de seguridad, como equipo de seguridad, regulador y amortiguador. Además, se llevaron a cabo evaluaciones de la vibración y el ruido del automóvil durante el funcionamiento a velocidad súper alta mientras se aplicaban guías activas, que redujeron significativamente la vibración del automóvil causada por la curvatura del carril, y una cubierta de enderezamiento de aire, que redujo el ruido del viento.

Se utilizó un dispositivo de prueba de equivalencia terrestre (Figura 11) para replicar las fuerzas de inercia de las condiciones reales durante el viaje del ascensor. Este dispositivo simuló las condiciones de una operación de 1,200 mpm, lo que permitió probar el elevador que de otro modo hubiera sido imposible debido a la escasez de recorrido en la G1TOWER. El rendimiento de la máquina de tracción, el freno y el panel de control también se inspeccionaron durante la prueba.

En la prueba de ruido de la cabina (Figura 12), el túnel de viento simuló las condiciones de funcionamiento del ascensor a 1,200 mpm, por lo que se pudo inspeccionar el efecto de la cápsula de enderezamiento de aire. Luego se compararon los resultados de la evaluación de ruido en G1TOWER y el análisis de fluidos, y se refinaron las condiciones simuladas hasta que las técnicas de evaluación tuvieron alta precisión.

Se utilizó un aparato de simulación de presión atmosférica (Figura 13) para detectar los patrones de cambio de presión atmosférica durante el ascenso y descenso del ascensor. A través de este proceso, se determinó el patrón de presión atmosférica apropiado para cada especificación de ascensor (velocidad nominal y recorrido) y se confirmó su efectividad.

 Conclusión

El elevador de 1,200 mpm para el Centro Financiero CTF de Guangzhou (Figura 14) está programado para comenzar a operar en 2016. Nuestro objetivo es completar el elevador mediante la búsqueda de un rendimiento de alta calidad y técnicas de construcción de alta precisión, mientras hacemos un uso completo del análisis de simulación y evaluación realista del rendimiento del ascensor en la G1TOWER.

De cara al futuro, continuaremos trabajando hacia el desarrollo de ascensores que ofrezcan valor agregado para respaldar la construcción cada vez mayor de edificios más altos y grandes en los mercados extranjeros. Además, continuaremos utilizando las nuevas tecnologías y conocimientos que se han obtenido a través de estas actividades de desarrollo para ascensores de ultra alta y alta velocidad y otros productos para proporcionar entornos de construcción seguros, cómodos y convenientes a escala global.

Referencias
[1] Nathaniel Hollister y Dr. Antony Wood, “Los 20 edificios más altos en 2020: entrando en la era de los megaaltos”, ELEVATOR WORLD (2013).
[2] Hideo Miyao, “El control de la máquina de tracción sin engranajes con una velocidad de 300 m / min”, Hitachi Review, (1968).
[3] Masayuki Shigeta, “Desarrollo tecnológico del elevador de velocidad ultrarrápida con una velocidad de 810 m / min”, Hitachi Review, (1993).
[4] Toshiaki Nakagawa, Hideya Kohara, Youichi Sekimoto y Shigeo Nakagaki, “El elevador más rápido del mundo”, Toshiba Review, vol. 57 No. 6 (2002).
[5] Akihiro Omiya, "La torre de pruebas más alta del mundo (G1TOWER) cambia el movimiento vertical de la ciudad de próxima generación", Hitachi Review, (2010).
[6] Toshiaki Nakagawa, “Nueva tecnología de ascensores”, Shindenki 2012.10, p. 6-19, (2012).
[7] Kazuhiro Tanaka, Yasuaki Takeda y Shinichi Noda, “Tecnologías avanzadas de ascensores para TOKYO SKYTREE”, Toshiba Review, vol. 67 No. 11 (2012).
[8] Satoru Kato, Takanori Kamatsu, Kosei Miyamoto y Kazufumi Hirabayashi, "Sistema de control de conducción de ascensores de alta velocidad", Mitsubishi Denki Giho, vol. 86 No. 8 (2012).
[9] Zbigniew Jerry Piech, “Tecnología de propulsión de gran altura”, Tecnología de ascensores 20: Actas de Elevcon 2014, p. 283-289 (2014).
[10] Zbigniew Jerry Piech, “Máquinas de imanes permanentes para ascensores en edificios de gran altura”, Conferencia CTBUH 2014 de Shanghai, p. 824-829 (2014).
[11] K.Mori, N.Ohnuma, T.Sakoda, Y.Matsumoto y T.Yabuuchi, “Convertidor de potencia con IGBT conectados en paralelo para ascensores de velocidad ultrarrápida”, IEE Jpn. Proc. de Aplicación Ind. Soc. (JIASC2015), pág. 295-300, (2015).
[12] Mitsuyoshi Imura, Takeshi Niikawa, Naohiro Shiraishi, Takuo Kugiya y Takashi Kobayashi, "Dispositivo de seguridad para elevadores de alta velocidad", Mitsubishi Denki Giho, vol. 86 No. 8 (2012).
[13] Masaji Iida y Yoichi Sakuma, "La comodidad de los pasajeros en un elevador de súper alta velocidad", Mitsubishi Denki Giho, vol. 86 No. 8 (2012).
[14] Shigenori Matsuo, Masaaki Hirai y Sueyoshi Mizuno, “El ascensor más rápido del mundo (1010 m / min)”, Toshiba Review, vol. 60 No. 4 (2005).
[15] Kenichi Kikuyama, "Acerca del elevador más rápido de Taipei 101", Kenchikusetsubi & Shoukouki, No. 55 (2005.5).
[16] Hiroaki Mizuguchi, Toshiaki Nakagawa y Yoshiaki Fujita, “Elevador de alta velocidad en Taipei 101”, EW (2005.9).