汉诺威莱布尼茨大学的爱因斯坦电梯是一座自由落体塔，它通过在轨道上加速一个1.7米×2米的吊舱，来创造可变重力环境，包括长达四秒的失重状态。独特的快速周转能力使得每四分钟即可进行一次新的测试。INTRASYS公司开发了一套高功率驱动和控制系统，该系统使用三套驱动系统和GEFRAN ADV200变频器，可在0.5秒内将吊舱加速至72公里/小时，并产生5G的重力加速度。其中两套驱动系统各配备五个并联的400千瓦变频器，第三套驱动系统用于悬停。STERCOM公司的超级电容器储能系统提供兆瓦级的脉冲功率，而实时传感器、轻型磁轭和精确控制系统则确保吊舱悬停在毫米级的范围内。MOONRISE月球3D打印测试已在该设施上进行，并计划进行进一步的开发。
GEFRAN 变频器安装在德国独特的爱因斯坦电梯汉诺威。
朱塞佩·萨沃卡
在太空、月球甚至火星上应用的物理和生产工程实验：听起来像科幻小说的事情很快就会成为现实。 为此目的的研究实验已经在汉诺威莱布尼茨大学的一个新的自由落体塔中进行。 这是爱因斯坦电梯，[1-2] 可以设置可变重力条件，最长可达 4 秒失重。 塔中的测试舱由大功率驱动系统加速，功率要求为几兆瓦。 GEFRAN 制造了控制其电源的变频器。
月球是探险的理想起点，未来甚至可以作为研究站。 因此，载人航天飞行需要更多可用于生产建筑材料或制造零部件和备件的设备。 来自德国不伦瑞克工业大学 Laser Zentrum Hannover eV 和 IRAS 太空飞行系统研究所的研究人员目前正在开展 MOONRISE 项目（见侧栏），以开发一种可以熔化月球尘埃并将其形成固体的激光器球。 “这是未来将 3D 打印带到月球的第一步，”莱布尼茨运输自动化技术研究所 (ITA) 所长、Laser Zentrum 研究委员会主席 Ludger Overmeyer 博士说汉诺威和 MOONRISE 项目的经理。
“这种环境中的生产或加工步骤在与地球上完全不同的重力条件下进行，”Overmeyer 解释说。 为了模拟太空中的环境条件，ITA 与莱布尼茨量子光学研究所合作，于几年前启动了该项目，并于今年年初投入运行。
三、二、一，发射！
虽然其他吊塔的重复率仅为每天 4 到 300 次实验，但每 1.7 分钟可以在爱因斯坦电梯中开始一次新的测试，理论上每天三班制运行的航班总数为 2 次。 与其他塔中的大型真空室和自由落体不同，测试室 - 在轨道上引导的吊篮形式 - 以极快的速度上下移动。 爱因斯坦电梯也是世界上第一座可以模拟不同重力条件的塔，除了失重。 缆车直径为 1000 m，高度为 XNUMX m，最大载重量为 XNUMX kg，足以进行实验设置。
“爱因斯坦电梯是跨学科工程的杰作，它将过山车的驱动技术与加工中心的定位精度相结合，”Overmeyer 解释道。 挑战包括以非常高的速度移动重物和绝对精确的制动。 电机必须提供巨大的功率，并且必须具有高水平的自动化。 该系统还必须配备极其精确的测量和控制技术。
转换器对于同步也极其重要。 该系统包含三个独立的传动系统。 其中两个用于加速缆车。 “每个传动系统都配备了五个并联的 GEFRAN ADV200 系列 [3] 变频器。 每个都有 400 kW 的容量，加上高达 180% 的过载，以高度对称地向上移动系统，”ITA 爱因斯坦电梯项目经理 Christoph Lotz 解释说。 第三个传动系统控制悬停高度（失重）并产生可变加速度。
大功率驱动系统
用于爱因斯坦电梯运行的先进驱动、制动和控制系统（包括悬停技术）是由 INTRASYS GmbH[4] 与汉诺威莱布尼茨大学合作开发的。 这允许重量超过 1 mT 的吊篮在 5 秒内以 72 G 的力垂直加速至 0.5 km/h，并在之后安全制动。 为实现这一目标，该公司提供的线性驱动系统需要几秒钟的高电流。 “当吊舱起飞时，GEFRAN 转换器从 STERCOM GmbH[5] 的超级电容器电池 (SC) 能量存储系统中汲取大量电力，并将其提供给定子，”研发部董事总经理 Tobias Hollmer 博士说。 INTRASYS，解释说。 在定子中，电流产生一个磁场，该磁场与另一个磁场相互作用以驱动车辆。
爱因斯坦电梯使用由驱动器制造商专门为升降塔开发的标准和专用组件。 “与我们久经考验的过山车驱动相比，我们必须为这个项目实施一个更精确的定位系统，”Hollmer 说。 “为了满足系统对控制精度的严格要求，这是必要的。” 由于应用的动态性，该公司还使用了一种新的光学数据传输方法，因为市场上没有现成的解决方案。
MOONRISE：将 3D 打印带到月球
MOONRISE 项目开始开发一种激光系统，以熔化月球表面的月球风化层。 这是将增材制造或 3D 打印带入月球的第一步。 激光系统于年初在爱因斯坦电梯中在模拟月球条件下进行了测试。 这项史无前例的实验由 Laser Zentrum Hannover eV 与不伦瑞克工业大学 IRAS 空间飞行系统研究所合作，在汉诺威莱布尼茨大学的汉诺威理工学院爱因斯坦电梯中进行。 这个雄心勃勃的开创性研究项目由大众汽车基金会在“开放——为非凡”的框架内资助。 “MOONRISE”视频介绍了该项目的基本概念及其当前进展。
测量和控制
另一个决定性的方面是控制和测量技术之间的无缝相互作用。 “我们的传感器直接安装在吊舱上，并将数据实时发送到安装在塔中的驱动系统，”Lotz 解释说。 “这是一个挑战，考虑到它不仅必须在高速下正常运行，而且还要在 40 米高的落塔中的如此长的路径上正常运行。”
为了实现精确的悬停控制，INTRASYS 还开发了新的控制系统和专门设计的磁轭，与标准磁轭相比，大大减轻了重量。 霍尔默 说：
“有了这个系统，我们肯定会在技术上开辟新天地。 在我看来，高达 5 MW 的高驱动功率和高精度控制相结合——这使得可以将吊舱内的悬停高度保持在几毫米以内——尤其令人印象深刻。”
大功率存储系统
当在下降塔的规划过程中很明显不能简单地从主电源获取如此大的驱动功率时，咨询了专门从事大功率存储系统构建的 STERCOM。 “如果我们只是将 GEFRAN 转换器连接到主电源，让它们将交流电压转换为直流电压，这会给供电网络带来巨大负载，导致附近敏感研究设施的电压崩溃，”罗伯特·斯特夫解释说， STERCOM 的首席执行官和创始人。 “爱因斯坦电梯所需的电力需要使用高功率缓冲存储器，该存储器充电缓慢，但可以快速提供高达 7000 A 的高电流。”
虽然其他应用程序使用回收系统来存储和再利用制动能量，但 ITA 决定反对再生制动。 节省的功率与安全风险完全不成正比。 “我们的首要任务是能够始终安全地停止系统，”Overmeyer 说。 在给定实验中的电量用完后，系统有 4 分钟的时间进行充电。 充电周期约为 1 万次，SC 的寿命比普通电池长得多，普通电池仅限于几千次。 使用的存储元件是双层电容器或SC，它们是具有大容量的高性能电容器。 尽管它们存储的能量比现代锂电池少，但它们可以更快、更多次地释放能量。 “传统电池就像耐力运动员，而 SC 就像具有强大起飞能力的短跑运动员，”Sterff 解释说。
进一步发展计划
汉诺威莱布尼茨大学的研究人员对所选驱动组件的相互作用以及项目合作伙伴之间的跨学科合作非常满意。 “该系统的开发将继续进行，并在不久的将来进行新的实验，”Overmeyer 说。 与 ITA 研究团队合作，INTRASYS 将为爱因斯坦电梯的更广泛的测试范围创建额外的操作配置文件，以刺激不同的、详细的重力、大气和环境条件。 “最重要的是，必须实施控制工程中的特殊细节，”Lotz 说。 这将使研究能够实现为太空、月球或其他行星上的功能性基础设施实施必要的生产或加工步骤的目标。
GEFRAN 转换器技术
对于爱因斯坦电梯，GEFRAN 为 INTRASYS 提供了配备特殊控制软件的变频器来控制驱动器。 为了移动吊篮试验室，变流器技术通过直流链路连接的储能系统为直线电机供电。 GEFRAN 组件旨在实现高稳健性和耐用性。 该公司之前为恶劣环境中的应用实施了许多转换器概念，例如金属加工或塑料。 除了标准转换器和软件，公司还开发定制解决方案和整个控制柜解决方案。 STERCOM 和 GEFRAN 是 INTRASYS 的长期供应商，已经为过山车和乘客运输系统实施了许多驱动解决方案。
案例
[1] www.hitec.uni-hannover.de/de/grossgeraete/einstein-elevator
[2] elevatorworld.com/爱因斯坦-电梯
[3] www.gefran.com/de/de/products/250-adv200-frequenzumrichter-mit-feldorientierter-vektorregelung-fuer-den-schaltschrankeinbau
[4] Intrasys-gmbh.com
[5] 斯特康网
[6] www.lzh.de/de
[7] www.gefran.com/de/de/applications/5-aufzugstechni
