Desenvolvimento tecnológico do elevador ultrarrápido com velocidade de 1,200 m/min

Como foi desenvolvido o elevador mais rápido do mundo

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

Este artigo foi apresentado em  Madrid 2016, Congresso Internacional sobre Tecnologias de Transporte Vertical, e publicado pela primeira vez no livro da IAEE. Tecnologia de elevadores 21, editado por A. Lustig. É uma reimpressão com permissão da Associação Internacional de Engenheiros de Elevadores.  (site: www.elevcon.com).

Nos últimos anos, um número crescente de arranha-céus e edifícios de grande escala surgiu em todo o mundo, inclusive na Ásia e no Oriente Médio. Isso criou a necessidade de elevadores ultrarrápidos e de alta capacidade. A Hitachi, Ltd. desenvolveu um elevador ultrarrápido com velocidade de 1,200 m/min para atender às crescentes demandas mundiais. Este artigo descreve as tecnologias por trás do sistema de acionamento e controle, segurança e conforto de viagem do elevador mais rápido do mundo.

Introdução

O aumento global nos planos de construção de edifícios altos, com 500 a 600 metros de altura, gerou uma maior demanda por elevadores com maior velocidade e eficiência no transporte. Em resposta a isso, a Hitachi desenvolveu o elevador ultrarrápido mais rápido do mundo (de acordo com dados internos da Hitachi de 14 de setembro de 2015), com uma velocidade nominal de 1,200 mpm.

Integramos as seguintes tecnologias neste elevador de altíssima velocidade:

1. Um sistema de direção e controle para atingir a maior velocidade do mundo.
2. Um dispositivo de controle e frenagem que garante uma parada de emergência segura.
3. Equipamento de guia para carro que previne vibrações laterais para reduzir a sensação de ouvido entupido.

Além disso, este elevador entrará em operação no complexo de edifícios ultra-altos na China em 2016.

Contexto do Desenvolvimento

A história do desenvolvimento de elevadores ultrarrápidos e de grande capacidade começou no final da década de 1960 para a construção de arranha-céus no Japão — em particular, o edifício Kasumigaseki. Naquela época, a velocidade nominal máxima para elevadores de passageiros no mercado interno era de 150 m/min, enquanto a velocidade nominal exigida para o edifício Kasumigaseki era o dobro, de 300 m/min. Portanto, construímos uma torre de pesquisa de elevadores com 90 m de altura na fábrica de Mito (prefeitura de Ibaraki, Japão), que era a mais alta do mundo em sua categoria na época.

Tecnologias precisas de controle de velocidade, dispositivos de supressão de vibração e ruído, bem como dispositivos de segurança para alta velocidade, foram desenvolvidos e testados nessa torre. Isso possibilitou a conclusão do elevador de alta velocidade capaz de atingir 300 m/min, conforme exigido pelo edifício Kasumigaseki.

Após esse sucesso, elevadores com velocidades cada vez maiores foram desenvolvidos um após o outro, até que, em 1993, foi desenvolvido o elevador mais rápido do mundo, com uma velocidade nominal de 810 m/min.

No entanto, o mercado asiático (em particular o mercado chinês) cresceu rapidamente desde o início dos anos 2000. Ao mesmo tempo, empresas de elevadores de todo o mundo entraram no mercado, o que nos colocou em forte concorrência.

Além disso, especialmente no Oriente Médio, os novos edifícios tendem a ser extremamente altos e em grande escala. Isso gerou a necessidade de elevadores ultrarrápidos e de grande capacidade para esses edifícios. Por isso, continuamos a desenvolver tecnologias para aprimorar ainda mais a segurança, a eficiência e o conforto, com base no conhecimento adquirido até então sobre elevadores de altíssima velocidade. Para fortalecer nossa capacidade de desenvolvimento de produtos no mercado global, começamos a utilizar a torre de pesquisa “G1TOWER”, com 213 metros de altura, que em 2010 era a instalação de pesquisa para elevadores mais alta do mundo (segundo dados internos da Hitachi em 14 de setembro de 2015). Em resposta à demanda por elevadores de alta velocidade e grande capacidade, realizamos inúmeros experimentos para aprimorar nossos produtos, levando em consideração a segurança, o conforto e o meio ambiente.

Detalhes e funcionalidades de desenvolvimento

Tecnologia de sistemas de condução e controle

Foi desenvolvido um motor síncrono de ímã permanente de 330 kW que adota um perfil fino, mas atinge a alta potência necessária para operar o elevador a uma velocidade de 1,200 m/min (Figura 3).^[6-10]

A perda de energia elétrica durante a aceleração do elevador foi reduzida com a aplicação de rotores de chapa de aço laminada no motor. Isso resultou na redução da largura da máquina de tração em 13%, ao mesmo tempo que aumentou a potência nominal do motor em aproximadamente 1.3 vezes (em comparação com a máquina de tração de potência máxima utilizada em produtos convencionais da Hitachi, segundo dados internos da Hitachi de setembro de 2015).

Além disso, a capacitância de saída do inversor que aciona o motor é de 2,200 kVA, uma das maiores do mundo para uso em elevadores. A capacidade e a economia de espaço do painel de controle (Figura 4) foram aumentadas com a instalação de dois inversores compostos por quatro transistores bipolares de porta isolada (IGBTs) conectados em paralelo. Os cabos que formam a corda principal da cabine foram reforçados para melhorar a resistência específica, reduzindo o peso em 30% em comparação com as cordas convencionais.

Tecnologia de Dispositivos de Segurança

Foi desenvolvido um dispositivo de frenagem que utiliza revestimentos resistentes a altas temperaturas. No caso improvável de uma anomalia ser detectada pelo sistema do elevador, este dispositivo é capaz de suportar o calor gerado pela frenagem necessária para parar com segurança uma cabine a partir de uma velocidade nominal de 1,200 m/min. Além disso, para elevadores em edifícios muito altos com longos percursos, o limite de velocidade de descida é de 600 m/min, enquanto a velocidade de subida é de 1,200 m/min. Isso ocorre porque a sensação de ouvido entupido causada pelas diferenças de pressão do ar é bastante perceptível nos passageiros durante a descida do elevador.

O regulador, com seu design compacto, consegue medir a velocidade do elevador durante a subida e a descida por meio de funções independentes, garantindo assim a segurança dos passageiros. Além disso, a profundidade do poço no poço do elevador é reduzida significativamente com a aplicação do amortecedor telescópico extensível de quatro estágios (Figura 6), em vez de amortecedores maiores.

Tecnologia Estrutural Automotiva

Para maior conforto dos passageiros, foram instaladas guias de roletes ativas (Figura 7) nos quatro cantos da cabine (superior, inferior, esquerdo e direito) para reduzir a vibração causada pelos múltiplos modos de vibração do veículo. Além disso, a perturbação na cabine causada pela leve deformação dos trilhos-guia e pela pressão do vento é atenuada, reduzindo assim a vibração em aproximadamente 70%. Isso proporciona aos passageiros viagens confortáveis ​​durante a operação em alta velocidade (Figura 8).^[13-16] 

Além disso, uma estrutura de cápsula de alinhamento a ar foi desenvolvida por meio de análises de fluidos (Figura 9) e testes em túnel de vento para reduzir o ruído aerodinâmico e as forças fluidas induzidas quando a cabine e seu contrapeso passam um pelo outro. Ademais, o conforto da viagem é proporcionado pela instalação de um equipamento de controle de pressão atmosférica, que ajusta a pressão do ar para reduzir a sensação de ouvido entupido dos passageiros devido às mudanças na pressão atmosférica durante o percurso do elevador.

Equipamentos de teste de avaliação

A avaliação conjunta da grande máquina de tração e do seu aparato de controle de condução de alta capacidade foi realizada na G1TOWER (Figura 10). Dispositivos de segurança, como engrenagens de segurança, regulador e amortecedor, também foram testados e verificados no local. Além disso, foram realizadas avaliações da vibração e do ruído do veículo durante a operação em altíssima velocidade, com a aplicação de guias ativos, que reduziram significativamente a vibração do veículo causada pela curvatura dos trilhos, e uma cobertura aerodinâmica, que reduziu o ruído do vento.

Um dispositivo de teste de equivalência de solo (Figura 11) foi utilizado para replicar as forças inerciais das condições reais durante o percurso do elevador. Este dispositivo simulou as condições de uma operação a 1,200 m/min, o que permitiu testar o elevador, algo que seria impossível devido à limitação de percurso na Torre G1. O desempenho do motor de tração, do freio e do painel de controle também foi inspecionado durante o teste.

No teste de ruído do elevador (Figura 12), o túnel de vento simulou as condições de operação do elevador a 1,200 m/min, permitindo a inspeção do efeito da cápsula de estabilização aerodinâmica. Os resultados da avaliação de ruído na Torre G1 e da análise do fluido foram então comparados, e as condições simuladas foram refinadas até que as técnicas de avaliação apresentassem alta precisão.

Um aparelho de simulação de pressão atmosférica (Figura 13) foi utilizado para detectar os padrões de variação da pressão atmosférica durante a subida e descida do elevador. Através deste processo, o padrão de pressão atmosférica apropriado foi determinado para cada especificação do elevador (velocidade nominal e percurso), e sua eficácia foi confirmada.

 Conclusão

O elevador de 1,200 m/min para o Centro Financeiro CTF de Guangzhou (Figura 14) está programado para entrar em operação em 2016. Nosso objetivo é concluir o elevador buscando alto desempenho e técnicas de construção de alta precisão, fazendo pleno uso de análises de simulação e avaliações realistas do desempenho do elevador na G1TOWER.

Olhando para o futuro, continuaremos trabalhando no desenvolvimento de elevadores que ofereçam valor agregado para atender à crescente demanda por edifícios cada vez mais altos e maiores em mercados internacionais. Além disso, continuaremos utilizando as novas tecnologias e conhecimentos adquiridos por meio dessas atividades de desenvolvimento para elevadores de alta velocidade e ultra-alta velocidade, bem como outros produtos, a fim de proporcionar ambientes prediais seguros, confortáveis ​​e convenientes em escala global.

Referências
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