Desenvolvimento de um sistema de controle de freio para elevadores

Uma análise do efeito da redução do peso do elevador no comportamento do freio e o desenvolvimento de um sistema de controle de freio para solucionar o problema.

Rikio Kondo¹, Hiroshi Kigawa¹, Takaharu Ueda², Masunori Shibata¹, Jun Hashimoto¹, Akihiro Chida¹ e Hideaki Marumo<sup>1

1</sup>Mitsubishi Electric Corporation, Japão
²Elevadores Mitsubishi Europa, Holanda

Este artigo foi apresentado no ELEVCON Lucerne 2010, o Congresso Internacional de Tecnologias de Transporte Vertical, e publicado originalmente no livro Elevator Technology 18 da IAEE, editado por A. Lustig. Trata-se de uma reimpressão com permissão da Associação Internacional de Engenheiros de Elevadores (IAEE) (site: www.elevcon.com). Este artigo é uma reprodução fiel e não foi editado pela ELEVATOR WORLD. 

Palavras-chaveElevador, freio, controle de desaceleração, segurança eletrônica, emergência

RESUMO 

A redução de peso nas cabinas de elevadores pode contribuir para a economia de energia e o menor consumo de recursos. No entanto, a redução do peso da cabina induz uma maior desaceleração durante uma parada de emergência. Essa maior desaceleração também exige uma grande força de tração. Para solucionar esses problemas, desenvolvemos um sistema de controle de frenagem que atende aos requisitos gerais de segurança funcional com base na norma IEC 61508. O sistema proposto foi validado experimentalmente. 

1. INTRODUÇÃO 

A redução de peso é uma questão crucial para os setores de transporte, como o automotivo, ferroviário e aéreo, pois afeta diretamente o consumo total de energia e recursos. Para isso, estruturas leves e materiais alternativos, como plásticos reforçados com fibra, são amplamente utilizados para reduzir o peso do sistema. No caso de elevadores, que são sistemas de transporte vertical em edifícios, essa questão da redução de peso também é relevante. 

No entanto, os sistemas de elevadores apresentam um problema específico durante a frenagem, intimamente relacionado à redução do peso da cabine. Em situações de emergência, o freio de um elevador não deve apenas parar a cabine imediatamente dentro de um padrão de desaceleração limitado, mas também manter a posição da cabine após a parada (parada de emergência). A redução do peso da cabine aumenta a desaceleração em paradas de emergência e também aumenta a tração necessária. Como a força de frenagem deve ser projetada para atender aos requisitos do sistema e às normas nacionais de cada país, desenvolvemos um sistema de controle de freio para solucionar esses problemas. 

2. EFEITO DO COMPORTAMENTO DO FRENAGEM DEVIDO À REDUÇÃO DE PESO 

Como o freio de um elevador para a cabina dentro de um padrão de desaceleração limitado, ele desacelera a cabina por um determinado período. A Figura 1 mostra um sistema de elevador típico com acionamento por cabo simples e fator de amarração 1. Nesse sistema, considera-se a relação entre a redução de peso e a desaceleração da cabina. Geralmente, a desaceleração mínima ocorre durante uma parada de emergência quando a porção do contrapeso da carga nominal é inferior a 50% e 

Figura 1. Modelo de elevador

O carro desce em condição de carga máxima. Quando a desaceleração mínima é definida como Greq, o torque de frenagem necessário T é derivado por onde Mmax é a carga máxima, Mcar é o peso do carro, J é a inércia da máquina de tração, h é a fração da carga nominal, R é o raio da polia motriz e g é a aceleração da gravidade. Esses parâmetros são ignorados na Eq. (1) uma vez que o peso total do cabo de suspensão e do cabo de compensação é pequeno. Geralmente, o carro desacelera ao máximo durante uma parada de emergência enquanto desce em condição de sem carga. Nesse caso, a desaceleração máxima Gmax é derivada na Eq. (2). 

(2)

(3)

A Figura 2 mostra a relação entre o peso do carro e a desaceleração na Eq. (3). Greq (linha tracejada) é independente do peso do carro. É óbvio que um peso menor do carro causa uma desaceleração maior para Gmax (linha contínua). 

Figura 2. Dependência da desaceleração no peso do carro 

Em seguida, a força de tração máxima é calculada da mesma maneira. Quando um carro sobe sem carga, a força de tração máxima Gtrac é necessária durante uma parada de emergência. Gtrac é definida como a desaceleração neste caso. Gtrac é derivada na Eq. (4) 

(4)

(5)

Como h é inferior a 0.5, Gtrac é sempre maior com um peso de carro menor, Mcar. A tração é definida pela fórmula de Euler da seguinte forma. 

, (6)

onde f é o fator de atrito e a é o ângulo de envolvimento da polia motriz pela corda. O lado esquerdo da Eq. (6) é a tração e o lado direito é a relação de tração entre o carro e o contrapeso. A Eq. (6) implica que a redução no peso do carro requer uma força de tração maior devido a uma relação de tração maior, causada pelo menor peso do carro Mcar e pela maior desaceleração Gtrac na Eq. (5). 

Conforme mencionado anteriormente, a redução do peso do veículo aumenta não apenas a desaceleração máxima durante uma frenagem de emergência, mas também a força de tração necessária. Continua

3. DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA DE CONTROLE DE FREIO 

Os problemas descritos na seção anterior são causados ​​principalmente por uma força de frenagem maior do que a realmente necessária. Portanto, desenvolvemos um sistema de controle de frenagem (BCS) capaz de manter a desaceleração adequada e a força de tração necessária durante uma frenagem de emergência. 

3.1 Padrão de Projeto 

Durante uma parada de emergência, um sistema convencional desliga a alimentação do freio e aciona os freios para parar o veículo. Por outro lado, nosso BCS detecta a condição de emergência e controla a desaceleração adequadamente durante a parada de emergência, sem infringir os requisitos de segurança. Para garantir um projeto seguro, o BCS proposto foi desenvolvido com base na norma IEC 61508, que prescreve a segurança funcional geral de sistemas elétricos/eletrônicos/eletrônicos programáveis ​​relacionados à segurança. A norma japonesa JISC 0508 já foi publicada no Japão, como tradução da IEC 61508. 

3.2 Configuração do Sistema 

A Figura 3 mostra a configuração completa do BCS. 

O BCS é composto principalmente por duas unidades principais. Uma é a placa de circuito impresso de controle de freio (PCB de Controle de Freio), que é isolada da placa de circuito impresso de controle da cabina (PCB de Controle da Cabina), e a outra é o freio eletromagnético, que é ativado ao se interromper a alimentação da bobina de freio. O sistema do elevador possui um regulador de velocidade com detecção de sobrevelocidade e um amortecedor no poço. 

Em condições normais de funcionamento, a placa de controle do freio opera seguindo as instruções da placa de controle do veículo. Ela detecta situações de emergência através do sinal do circuito de segurança e para o veículo imediatamente. Durante uma frenagem de emergência, a placa de controle do freio utiliza o sinal do encoder do motor de tração para controlar o freio com precisão. O sistema duplo da placa de controle do freio realiza comparações entre si para garantir seu funcionamento. 

A Figura 4 mostra a configuração principal da placa de circuito impresso de controle do freio. 

Figura 4. Placa de circuito impresso (PCB) de controle do freio 

Os principais dispositivos em cada bloco são descritos a seguir; 

Entrada: o sinal de instrução da placa de controle do carro, sinais do circuito de segurança e sinais do codificador duplo. 

Controle: CPU, memória, temporizador watchdog (WDT), monitor de frequência do clock e monitor de tensão da fonte de alimentação. 

Saída: relé de segurança e chopper de transistor. 

A placa de circuito impresso (PCB) de controle de freio, projetada segundo a norma IEC61508, possui as seguintes funções principais de autodiagnóstico e monitoramento: 

• Monitoramento mútuo por meio da comparação dos resultados de duas operações aritméticas da CPU. 
• software descontrolado com um temporizador watchdog em cada CPU 
• frequência de clock em cada CPU 
• tensão de alimentação 
• Falha do sensor por meio de uma verificação mútua dos dois sinais do codificador. 
• falha de relés de segurança e choppers de transistor 

3.3 Método de Controle 

A Figura 5 mostra o método de controle de desaceleração. O BCS controla a velocidade do veículo de tração para seguir o padrão de velocidade alvo durante uma parada de emergência. Como o padrão de velocidade alvo apresenta uma desaceleração moderada, o BCS consegue reduzir a desaceleração do veículo de forma mais eficaz do que o sistema convencional. 

Figura 5. Método de controle com BCS 

Quando uma emergência é detectada, a placa de controle de freio primeiro gera um padrão de velocidade alvo. Em seguida, a placa de controle de freio detecta a velocidade do veículo de tração a cada ciclo de controle. Ela ajusta a tensão da bobina de freio com o chopper para controlar a velocidade usando o BCS (Sistema de Controle de Frenagem). Quando a velocidade detectada se torna maior que a velocidade alvo, a força de frenagem é aumentada; caso contrário, a força de frenagem diminui. Além disso, a placa de controle de freio interrompe a alimentação do freio eletromagnético desligando os relés de segurança para evitar que o veículo ultrapasse o limite de velocidade. 

4. RESULTADOS EXPERIMENTAIS 

4.1 Efeito do Controle Proposto 

Nesta seção, são apresentados resultados experimentais para validar nosso sistema de controle de velocidade (BCS) para elevadores. Para demonstrar a eficácia do sistema proposto, utilizou-se uma cabine mais leve no experimento. Dessa forma, foi possível confirmar o efeito do controle na redução do peso da cabine. 

Figura 6. Resultados do experimento

A Figura 6 mostra um exemplo dos resultados do teste. A velocidade do carro com o controle é comparada à velocidade do carro sem o controle. Quando a placa de controle de freio detecta uma emergência no instante indicado pela linha tracejada vertical, o BCS (Sistema de Controle de Frenagem) inicia o controle da força de frenagem. O resultado mostra que a placa de controle de freio acompanha a velocidade alvo. Portanto, o carro consegue parar com uma desaceleração moderada. 

4.2 Efeito da redução da desaceleração do carro 

É importante determinar um critério para a desaceleração de um carro. Uma maneira é usar a desaceleração média, mas isso não é apropriado para avaliar a desaceleração instantânea. Outra maneira é usar a desaceleração máxima. No entanto, a duração da desaceleração é ignorada. 

Portanto, utilizamos o critério baseado no impulso, conforme avaliação do método de Eiband [1]. No entanto, não adotamos o diagrama de Eiband, pois a desaceleração durante uma parada de emergência pelo sistema de tração é obviamente inferior a ele. O impulso P é derivado por, 

P = M x (g + Gif) x ∆ t, (7)

onde M é o peso carregado, Gif é a aceleração ascendente quando o impulso atua sobre M, g é a aceleração da gravidade e ∆t é a duração da desaceleração. Tanto Gif quanto ∆t estão relacionados apenas ao movimento de desaceleração do sistema do elevador nos coeficientes da Eq. (7). Portanto, o índice de avaliação para a desaceleração da cabine, que afeta o impulso proporcionalmente, é definido como 'Gif x ∆t'. O efeito do controle foi avaliado comparando-se a relação entre ∆t e Gif na condição de controle com a relação na condição sem controle. 

A Figura 7 mostra um exemplo da desaceleração medida do carro, e o método de avaliação de Gif e ∆t a partir dos perfis de desaceleração é explicado a seguir. A desaceleração e a duração da desaceleração foram avaliadas; a duração da desaceleração correspondente à ação Gif1 foi avaliada como ∆t1 e ∆t2, e a de Gif2 como ∆t3. Embora Gif1 tenha duas durações, a mais longa foi adotada como o valor avaliado, pois seu impulso aumentou. Continua

Figura 7. Método de avaliação da força de impacto

A Figura 8 mostra os resultados da desaceleração e o tempo de duração. 

Figura 8. Avaliação da força de impacto 

Como o contrapeso é mais pesado que o carro, este desacelera rapidamente em movimento descendente sem carga, conforme mostrado pela linha fina contínua na figura. Por outro lado, quando o carro se move para baixo com carga máxima, a desaceleração é tão baixa que o tempo de desaceleração (linha fina tracejada) aumenta. No entanto, como o BCS proposto é independente das condições de carga, as linhas grossa contínua e grossa tracejada são bastante semelhantes. 

As desacelerações (ou acelerações) que ocorrem em serviço normal são irrelevantes (Figura 8). Assim, ao analisar a desaceleração em relação à desaceleração em serviço normal, observa-se que as desacelerações máximas são menores e as durações são mais curtas nos casos com controle do que nos casos sem controle. Portanto, 'Gif x ∆ t' diminui e o impulso em M diminui com o controle. 

4.3 Efeito da prevenção de deslizamento da corda 

Figure 9 shows the results of emergency-stop examinations during the upward motion with no-load condition. The examinations were executed in a car with further ­reduced weight, so that braking would cause a slip between the driving sheave and suspension rope. Without any control, the motor and the rope speeds split because of the motor's rapid deceleration, that is to say, the rope slipped on the sheave. However, the rapid deceleration of the traction machine was prevented with the control, and the rope did not slip on the sheave during braking. 

Figura 9. Avaliação da força de tração 

5. CONCLUSÕES 

O sistema de controle de freio desenvolvido é resumido a seguir: 

1) As cabines de elevador que utilizam o nosso sistema BCS desenvolvido podem alcançar desaceleração e tração moderadas durante paradas de emergência. 

2) O projeto confiável do nosso BCS foi alcançado com base em normas internacionais para sistemas eletrônicos de segurança programáveis. 

3) A eficácia do BCS foi validada com um sistema protótipo, e um critério de impulso foi introduzido para avaliar o controle da desaceleração. 

6. REFERÊNCIAS 

[1] A. M. Eiband, "Human tolerance to rapidly applied accelerations: A summary of the literature," NASA Memorandum No. 5-19-59E, 1959