Azionamenti per ascensori a trazione

Ricerca e sviluppo presso APEL, IIT-Bombay

di Sriram Rangarajan e Vivek Agarwal

Traction Elevator Drive, un'introduzione

Il più grande ronzio in tutto il mondo al momento è l'elettrificazione dei trasporti. Nel momento in cui pensiamo a "Transportation Electrification", la prima cosa che ci viene in mente è il veicolo elettrico (EV). Mentre la percezione comune dei veicoli elettrici è l'elettrificazione dei veicoli per il trasporto su strada come biciclette, risciò automatici, automobili e autobus, poco ci rendiamo conto che l'ascensore è anche un veicolo elettrico utilizzato per il trasporto verticale di passeggeri e merci. In effetti, il principio di funzionamento di base dell'ascensore e dei veicoli elettrici convenzionali è lo stesso, poiché entrambi si basano sulla "Trazione^[1] Principio”: trazione tra la strada e la ruota nel caso di veicoli elettrici convenzionali e tra la puleggia (puleggia) e la fune nel caso di ascensori. In entrambi i casi, il comfort di marcia dei passeggeri dipende dalla fluidità con cui viene controllata la velocità del motore di trazione, ed è qui che un convertitore elettronico di potenza gioca un ruolo fondamentale. 

La velocità effettiva del motore può essere variata in modo uniforme se l'ampiezza e la frequenza della componente fondamentale della tensione applicata possono essere variate in modo uniforme. Il convertitore elettronico di potenza fornisce tale flessibilità per condizionare la tensione applicata al motore in un modo desiderato controllando opportunamente gli impulsi di gate dati agli interruttori del convertitore. Gli impulsi del gate sono determinati dall'algoritmo di controllo della velocità ad anello chiuso che controlla la velocità effettiva del motore. 

Grazie all'avvento di processori/controller e sensori ad alte prestazioni, i motori di trazione sono oggi controllati attraverso sofisticati schemi di controllo della velocità ad anello chiuso come Field Oriented Control (FOC) e Direct Torque Control (DTC). Questo sistema, costituito dal motore di trazione, dal convertitore elettronico di potenza e dal controller, insieme ai segnali di feedback necessari, è noto come "Traction Drive". Il diagramma a blocchi di controllo del tipico azionamento per ascensori a tensione variabile e frequenza variabile (VVVF) basato su FOC è mostrato nella Figura 1. Poiché l'azionamento varia l'ampiezza e la frequenza della componente fondamentale della tensione applicata al motore, questi azionamenti sono comunemente noto come "VVVF Drives" sul mercato.

Nel corso degli anni, nel campo degli azionamenti per ascensori a trazione è stata svolta una significativa attività di ricerca e sviluppo, grazie ai team di ricerca e sviluppo delle principali industrie di ascensori e ai gruppi di ricerca accademici.

Attività di ricerca passate e in corso presso APEL, IIT-BOMBAY 

Attività di ricerca passate

Nel corso degli anni, nel campo degli azionamenti per ascensori a trazione è stata svolta una significativa attività di ricerca e sviluppo, grazie ai team di ricerca e sviluppo delle principali industrie di ascensori e ai gruppi di ricerca accademici. Sono state sviluppate varie nuove topologie di convertitori, nuove tecnologie di motori, nuove tecniche di generazione di traiettorie di riferimento ottimizzate e nuovi schemi di controllo di posizione/velocità. All'Applied Power Electronic Laboratory (APEL) presso l'Indian Institute of Technology Bombay (IIT-Bombay), lavoriamo sulla stessa linea nel campo degli azionamenti per ascensori a trazione da oltre un decennio e sono stati apportati contributi significativi in ​​termini di brevetti , pubblicazioni su riviste/conferenze di alto livello, progetti di consulenza e partecipazione attiva a esposizioni globali. 

Le nostre passate attività di ricerca includono quanto segue:

• Generazione di traiettoria a perdita ottimizzata per sistemi di ascensori con motoriduttore a induzione, che porta a un basso consumo energetico rispetto alle tecniche di generazione di traiettoria convenzionali, 
• Nuove topologie di convertitori elettronici di potenza per interfacciare il supercondensatore con il collegamento CC dei sistemi di ascensori in modo che l'energia rigenerativa possa essere intrappolata in modo efficiente,
• Nuove topologie di correzione del fattore di potenza (PFC) per ridurre al minimo la distorsione armonica totale (THD) nel sistema di ascensori a trazione.

Attività di ricerca in corso

Smorzamento attivo per ascensori motorizzati PMSM 

Negli ultimi tempi, il motore sincrono a magneti permanenti (PMSM) è diventato più popolare del motore a induzione per i sistemi di ascensori. Gli ascensori PMSM sono più compatti, efficienti dal punto di vista energetico e richiedono meno manutenzione. PMSM ha reso gli ascensori senza locale macchina (MRL) una realtà e più di un semplice pensiero. Tuttavia, il rovescio della medaglia è che presentano alcuni problemi di prestazioni, come una maggiore probabilità che si verifichino vibrazioni longitudinali a bassa frequenza e instabilità sotto v/f controllo, solo per citarne alcuni. Le nostre attività di ricerca in corso si stanno concentrando sul miglioramento delle prestazioni di tali sistemi. A causa del fatto che gli ascensori PMSM sono senza riduttore, il loro rapporto di inerzia carico/motore è piuttosto elevato rispetto a quello degli ascensori con motore a induzione con riduttore. Inoltre, per ridurre la coppia nominale del motore, gli ascensori PMSM incorporano rapporti di fune più elevati, che aumentano il numero di pulegge nel sistema. L'elevato rapporto di inerzia carico-motore richiede un controller di velocità della larghezza di banda relativamente più elevato e il numero maggiore di pulegge può aumentare la probabilità di anomalie della puleggia come eccentricità, degrado, ecc. Poiché esiste una conformità finita (conformità della fune/cinghia , che funge da molla) che collega il motore di trazione alla cabina dell'ascensore e al contrappeso, un ascensore ha frequenze vibrazionali longitudinali multiple, cioè frequenze risonanti e antirisonanti dovute all'azione molla-massa. I regolatori di velocità con larghezza di banda maggiore per sistemi con elevato rapporto di inerzia carico-motore e pulegge/pulegge eccentriche sono sempre un problema, in quanto potrebbero provocare tali vibrazioni longitudinali nel sistema. A volte, anche una piccola ondulazione di coppia del motore può eccitare le risonanze nel sistema. Inoltre, i moderni ascensori utilizzano pulegge con scanalatura a V e scanalatura a U sottosquadro che potrebbero portare a un degrado più rapido delle funi e delle pulegge, che possono anche generare vibrazioni. 

Attualmente, stiamo lavorando per affrontare tali problemi di vibrazione nei sistemi di ascensori PMSM gearless. Stiamo sviluppando nuove tecniche di smorzamento attivo per mitigare le vibrazioni verticali/longitudinali a bassa frequenza in tali sistemi. Il termine "smorzamento attivo" implica che lo smorzamento viene ottenuto senza la presenza di elementi di smorzamento passivo nel sistema dell'ascensore. Ciò è possibile perché il convertitore può essere controllato per iniettare la componente di corrente responsabile della generazione della coppia di smorzamento nel motore. Per fare ciò, abbiamo lavorato a lungo sulla modellazione e sul controllo dell'intero sistema di ascensori. Collaboriamo attivamente con NIDEC Motor Corp. (USA) e BRUGG Lifting (Svizzera) per convalidare l'efficacia della nostra modellazione e degli schemi di controllo proposti nel loro sistema.

A differenza dei sistemi di ascensori con motore a induzione, che possono essere azionati con la tecnica di controllo della velocità v/f, nonché con FOC/DTC, gli ascensori PMSM presentano problemi di stabilità intrinseci se azionati con la tecnica v/f a causa della mancanza di smorzamento.

I metodi convenzionali di smorzamento delle vibrazioni longitudinali a bassa frequenza negli ascensori si basano su elementi di smorzamento passivi come molle elicoidali e materiale elastomerico resiliente o sul controllo del sollevatore attivo/semi-attivo che richiede un attuatore, una fonte di alimentazione, un sensore e un controller aggiuntivi. Le nostre tecniche di smorzamento attivo proposte possono eliminare i suddetti elementi di smorzamento passivo e non richiedono alcun attuatore e sensore extra. Poiché la tecnica proposta può fornire uno smorzamento variabile, può fornire un eccellente comfort di marcia smorzando le vibrazioni sotto qualsiasi tipo di disturbo spiegato in precedenza. Va qui sottolineato che, man mano che il sistema di ascensori diventa sempre più compatto, i componenti diventano più leggeri e flessibili; pertanto, le tecniche di smorzamento delle vibrazioni ad alte prestazioni sono indispensabili per mantenere elevati standard di comfort di marcia. 

Tecnica v/f per ascensori motorizzati PMSM 

Un altro aspetto della ricerca su cui ci stiamo concentrando è la riduzione della complessità della messa a punto dei sistemi di ascensori azionati da PMSM. A differenza dei sistemi di ascensori con motore a induzione, che possono essere azionati con il v/f tecnica di controllo della velocità, così come con FOC/DTC, gli ascensori PMSM presentano problemi di stabilità intrinseci se utilizzati v/f tecnica a causa della mancanza di smorzamento. Uno dei maggiori vantaggi con il v/f tecnica è che coinvolge meno parametri di sintonizzazione rispetto a FOC e, quindi, potrebbero essere sufficienti algoritmi di sintonizzazione più semplici v/f tecnica. Anche per gli ascensori bassi, il PMSM richiede un FOC che altrimenti avrebbe potuto essere facilmente azionato con il v/f tecnica nel caso di un motore asincrono. Attualmente, per gli ascensori PMSM sono disponibili sofisticati azionamenti con messa in servizio automatica, in grado di determinare i parametri del controller ad anello chiuso (guadagni proporzionali e integrali del controller di velocità e corrente). Stiamo ricercando un romanzo v/f  tecniche per ascensori azionati da PMSM che potrebbero stabilizzare il sistema e mantenere il comfort di marcia entro gli standard ISO 18738 prescritti. Riteniamo che, con questa tecnica, il numero di parametri di regolazione potrebbe essere ridotto a un terzo rispetto a quello degli ascensori basati su FOC e azionati da PMSM. Ciò aumenta l'affidabilità, offre semplicità nella messa a punto e riduce i tempi di messa in servizio. 

Per convalidare la nostra ricerca, abbiamo sviluppato un prototipo di laboratorio di un sistema di ascensore guidato da PMSM presso APEL, IIT-B, come mostrato nella Figura 2. Il rilevamento della corrente, i circuiti buffer per il driver del gate e la scheda di interfaccia dell'encoder Sin/Cos, il controller a circuito chiuso gli algoritmi in DSP e la predisposizione meccanica per variare la portata (da 0 kg a 150 kg) e il contrappeso (da 0 kg a 75 kg) sono sviluppati internamente. PMSM è acquistato da Bharat Bijlee Ltd., Mumbai. La scheda di interfaccia dell'encoder Sin/Cos viene acquistata da iC-Haus, Germania. Il prototipo sviluppato è azionato dal basso ed è stato progettato per studiare le vibrazioni longitudinali e trasversali della fune. 

Referenze

[1] La trazione si basa sull'attrito tra due superfici.

[2] Qui è mostrato il circuito di controllo del solo componente di corrente responsabile della generazione della coppia.