ES2383630T3 - Sistema y procedimiento para minimizar el balanceo de cables en ascensores - Google Patents
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Abstract
Un sistema de ascensor (10) que comprende: a) una cabina (18), de ascensor teniendo la cabina (18) de ascensor un primer carro movil (30) asociado a una superficie inferior de la cabina de ascensor (10), en el cual el carro movil (30) esta asociado a un primer servoactuador (34) configurado para ajustar la posicion del primer carro movil (30), b) un contrapeso (20),c) un cable de compensacion (16), caracterizado porque el cable de compensacion (16) esta fijado en un primer extremo al primer carro movil (30) y en un segundo extremo al contrapeso (20), d) una polea de compensacion (14), estando el cable de compensacion (16) enrollado alrededor de la polea de compensacion (14), e) un controlador (38) asociado al primer servoactuador (34), en el cual el controlador (38) esta configurado para poner en marcha el servoactuador (34) para ajustar la posicion del primer carro movil (30) para ajustar de forma correspondiente la posicion del cable de compensacion (16) .
Description
Sistema y procedimiento para minimizar el balanceo de cables en ascensores
Campo de la invención
La presente invencion se refiere, en general, a sistemas de ascensores y, en particular, al control activo de la 5 frecuencia de los miembros de tension.
Antecedentes de la invención
Los miembros de tension tales como cuerdas o cables estan sometidos a oscilaciones. Estos miembros pueden ser excitados por fuerzas externas tales como el viento. Si la frecuencia de las fuerzas de excitacion coincide con la frecuencia natural del miembro de tension, entonces el miembro de tension resonara.
10 Los vientos de alta velocidad hacen que los edificios se balaceen hacia delante y hacia atras. La frecuencia del balanceo de edificios puede coincidir con la frecuencia natural del ascensor causando una resonancia. En la resonancia, la amplitud de las oscilaciones aumenta a menos limitada por alguna forma de amortiguacion. Esta resonancia puede causar un dano significativo tanto al sistema de ascensores como a la estructura.
El documento JP 2003 104656 A divulga un dispositivo de carga de peso que se acopla a la polea de compensacion
15 dispuesta del lado de una seccion de suelo de la caja de ascensor. Un sensor de vibraciones para detectar la cantidad de vibraciones del edificio y un panel de control de ascensor se instalan en una sala de maquinas en la parte superior de la caja del ascensor. Cuando el sensor detecta que la cantidad de vibraciones del edificio sobrepasa la cantidad de vibraciones predeterminada debido a un fuerte viento o terremoto, por ejemplo, el panel de control de ascensor hace que la resistencia a la traccion del cable aumente hasta una resistencia a la traccion
20 predeterminada con un cierto nivel cambiante, y basandose en los datos de posicion de una cabina de ascensor, se transmite una directiva de aumento o reduccion de la resistencia a la traccion al dispositivo de carga de peso para devolver la resistencia a la traccion aumentada o reducida a la resistencia a la traccion normal. En consecuencia, un gato hidraulico que constituye el dispositivo de carga de peso se desplaza hacia arriba y hacia abajo una para variar la resistencia a la traccion de resistencia de la polea de compensacion.
25 El documento JP 2001 247263 A divulga un sistema de ascensor segun el preambulo de la reivindicacion 1.
Breve descripción de los dibujos
Los dibujos incorporados y que forman parte de la memoria ilustran varios aspectos de la presente invencion, y junto con la descripcion sirven para explicar los principios de la invencion; entendiEndose, sin embargo, que la presente invencion no se limita a las disposiciones precisas mostradas. En los dibujos, los numeros de referencia similares se
30 refieren a elementos similares en varias vistas. En los dibujos:
La figura 1 ilustra un sistema de ascensor que tiene una polea de cable de compensacion ajustable.
La figura 2 ilustra una version de un controlador PID que se puede usar en asociacion con el sistema de ascensor de la figura 1.
La figura 3 ilustra una version de un procedimiento para formar parte de esta invencion para volver a nivelar un 35 sistema de ascensor para minimizar los efectos de estiramiento de cable.
Descripción detallada de la invención
Dos problemas importantes afectan a los ascensores de gran altura con cables de ascensor largos. Estos son el balanceo de los cables y la renivelacion debida a la elongacion de los cables. El balanceo de los cables, particularmente el balanceo del cable de compensacion, es un problema importante en los edificios de gran altura.
40 La frecuencia fundamental (tambiEn denominada frecuencia natural) de una senal periodica es la inversa de la longitud del periodo de paso. El periodo de paso es, a su vez, la menor unidad de repeticion de una senal. La significacion de la definicion del periodo de paso como la menor unidad de repeticion se puede apreciar resaltando que dos o mas periodos de paso concatenados forman un modelo de repeticion en la senal. En las aplicaciones mecanicas un miembro de tension, tal como un cable de suspension, fijado a un extremo y con una masa fijada al
45 otro extremo, es un unico oscilador de grado de libertad. Una vez puesto en movimiento, oscilara a su frecuencia natural. Para un unico oscilador de grado de libertad, un sistema en el cual se pueden describir el movimiento mediante una unica coordenada, la frecuencia natural depende de dos propiedades del sistema; la masa y la rigidez. La amortiguacion es cualquier efecto, bien generador deliberadamente o inherente a un sistema, que tiende a reducir la amplitud de las oscilaciones de un sistema oscilante.
50 Debido a la baja masa de la polea de compensacion, la frecuencia natural de los cables de compensacion es muy baja y normalmente es de entre 0,05Hz y 1 Hz. La siguiente ecuacion (Ecuacion 1) se usa para calcular la frecuencia natural de los cables de compensacion en Hz: 2�
en la que g = 9,81m/s2, n = numero de modo de vibracion, nc = numero de cables, L = longitud del cable (en metros m), M = masa del conjunto de polea de compensacion (en kilogramos; kg), y m = masa del cable por unidad de longitud (en kilogramo por metros; kg/m)
Se conoce que los edificios de gran altura oscilan durante condiciones ventosas. La frecuencia del oscilacion del los edificios tambiEn es generalmente de entro 0,05 y 1 Hz. Debido a que la frecuencia natural de los cables de compensacion es muy proxima a la frecuencia natural del edificio, se produce a menudo resonancia. La resonancia de los cables de compensacion puede hacer que los sables golpeen contra las paredes y las puertas del ascensor causando dano y miedo a los pasajeros.
Para evitar esta resonancia la frecuencia de los cables se puede ajustar de manera que sea diferente de la de la propia estructura. Con referencia a la figura 1, un sistema de ascensor (10) comprende uno o mas servoactuadores
(12) fijados a una polea de compensacion (14). El servoactuador (12) se configura para desplazar la polea verticalmente dentro de un intervalo predeterminado (u). Un cable de compensacion (16) se enrolla alrededor de la polea de compensacion (14) y se fija en un primer extremo a una cabina (18) de ascensor y en un segundo extremo a un contrapeso (20). El cable de compensacion (16) tendra una frecuencia natural que es una funcion de la longitud del cable y la tension del cable de compensacion (16). En los edificios de gran altura, la frecuencia natural del cable de compensacion (16) puede coincidir con la frecuencia natural de los edificios, conduciendo de este modo a una resonancia potencialmente danina.
El cable de compensacion (16) se puede fijar al ascensor (18) y/o el contrapeso (20) con un igualador de tension de cable tal como el descrito, por ejemplo, en la Solicitud de patente provisional de los Estados Unidos con numero de serie 61/073.911, presentada el 19 de junio de 2008, que se incorpora a la presente memoria por referencia. Cualquier cable apropiado, tal como cable de aramida o alambres, puede ser usado segun las versiones descritas en la presente memoria. En una version, se puede usar un cable que tiene una frecuencia natural relativamente alta.
En la version del sistema de ascensor (10) mostrado en la figura 1, uno o mas servoactuadores (12) se modulan en respuesta a un algoritmo de control que amortigua activamente la oscilacion de los cables variando la tension en los cables de compensacion. El tErmino "control de tendon" se refiere al ajuste activo de la tension o la supresion activa de un miembro de tension o cable de compensacion para modificar la frecuencia natural del miembro de tension.
El servo actuador (12) puede ser un servomotor, servomecanismo o cualquier otro dispositivo automatico apropiado que usa un bucle de realimentacion para ajustar el rendimiento de un mecanismo para modular el control de tendon. Los actuadores podrian cilindros y pistones hidraulicos, actuadores de husillo de bola, o cualquier actuador habitualmente usado en la industria de maquinas herramientas. En particular el servoactuador (12) se puede configurar para controlar la posicion mecanica de la polea de compensacion (14) a lo largo de un eje vertical creando una fuerza mecanica que empuja la polea de compensacion (14) en una direccion generalmente hacia arriba o hacia abajo. Las fuerzas mecanicas se pueden conseguir con un motor elEctrico, la hidraulica o la neumatica, y/o usando principios magnEticos.
En una version, el servoactuador (12) funciona con el principio de realimentacion negativa, donde la frecuencia natural del cable de compensacion (16) se compara con la frecuencia natural del edificio medida por cualquier transductor o sensor apropiado. Un controlador (no mostrado) asociado al servoactuador (12) se puede suministrar con un algoritmo para calcular la diferencia entre la frecuencia natural del cable de compensacion (16) y la frecuencia natural del edificio. Si la diferencia entre estas frecuencias esta dentro de un intervalo predeterminado, el controlador puede dar instrucciones al servoactuador (12) para ajustar la posicion de la polea de compensacion (14) hasta que las respectivas frecuencias sean suficientemente diferentes. Cabe resaltar que se puede aplicar cualesquiera aplicaciones apropiadas de teoria de control a las versiones descritas en la presente memoria.
En una version, para medir la frecuencia natural de un edificio, se posiciona un acelerometro en la sala de maquinas del ascensor y el resultado del acelerometro se integra dos veces para producir el desplazamiento. Durante periodos de vientos de gran velocidad los edificios se pueden balancear. El resultado integrado dos veces del acelerometro se puede usar para determinar el desplazamiento de la sala de maquinas desde su localizacion normal.
Se pueden aplicar varias estrategias de control para efectuar el control de tendon tales como, por ejemplo, la estabilizacion exponencial, la realimentacion proporcional, integral y derivada (PID), y el control de logica difusa.
Cualquier medio de control apropiado se puede asociar al controlador para modular la frecuencia natural del cable de compensacion (16). Se puede utilizar cualesquiera tEcnicas apropiadas de control de vibracion activa (AVC) que implica que los actuadores generen fuerzas y que las apliquen a la estructura para reducirsu respuesta dinamica.
Con referencia a la figura 2, el balanceo de los cables se puede modular, por ejemplo, por un controlador PID que vigila las frecuencias naturales del cable de compensacion (16) en los edificios para prevenir la resonancia. Modular la frecuencia natural del cable de compensacion (16) de la manera divulgada permite que el miembro de tension sea amortiguado activamente. La figura 2 ilustra un esquema de una version de un controlador proporcional-integralderivado o "controlador PID" que se puede usar para amortiguar activamente un miembro de tension. El controlador PID se puede aplicar mediante software en controladores logicos programables PLC) o en forma de controlador digital montado en panel. Alternativamente, el controlador PID puede ser un controlador analogico electronico de un amplificador de estado solido o de tubo, un condensador y una resistencia. Cabe resaltar que se puede incorporar cualquier controlador apropiado, cuando las versiones solo pueden usar uno o dos modos para proporcionar el control de sistema apropiado. Esto se puede conseguir, por ejemplo, poniendo a cero la ganancia de salidas de control no deseadas para crear un controlador PI, PD, P o I.
Cabe senalar que se puede realizar cualesquiera modificaciones al controlador PID incluyendo, por ejemplo, proporcionar un bucle PID con una banda muerta de salida para reducir la frecuencia activacion de la salida. De esta manera el controlador PID mantendra su salida estable si el cambio fuese pequeno de manera que se encontrase dentro del intervalo definido de banda muerta. Tal intervalo de banda muerta puede ser particularmente efectivo para amortiguar activamente los miembros de tension donde no es necesario un valor de consigna preciso. Le controlador PID se puede, ademas, modificar o mejorado mediante procedimientos tales como programacion de ganancia PID o logica difusa.
Ademas, del balanceo de cables, el estiramiento de cables durante la carga y descarga puede causar problemas en los ascensores de gran altura. El estiramiento de cables se define con la siguiente ecuacion:
Donde S = estiramiento, P = carga, L = longitud del cable, A = area de seccion transversal del cable, E = modulo de Young, y n = numero de cables.
Los ascensores de gran altura tienen tipicamente una o dos entradas en o proxima a la planta baja y entonces tienen una zona directa sin paradas hasta que se alcanza una zona local en la parte superior del edificio. En un edificio de 100 pisos, la zona local podria tener 10 paradas y la zona directa podria saltarse 80 0 90 plantas.
Otra aplicacion de gran altura es el ascensor lanzadera. Por ejemplo, un ascensor lanzadera podria tener solo dos paradas, la planta baja y un nivel de observacion en la planta 100. Tal ascensor podria viajar 450 metros entre plantas. En la planta superior tal estiramiento del cable del ascensor no es un problema importante porque la longitud del cable es corta. Sin embargo, el estiramiento del cable en las paradas inferiores es un problema debido a la longitud de cable mucho mayor.
Con referencia de nuevo a la figura 1, en una version, los servoactuadores (12) estan configurados para controlar el estiramiento de cable llevando a cabo una renivelacion de la cabina del ascensor (18) en las paradas inferiores. A medida que las personas entran y salen de la cabina del ascensor (18) se hace necesario renivelar la cabina (18). Aunque es un procedimiento rutinario en todos los ascensores, es un problema especial en los ascensores de gran altura en los pisos inferiores porque hay un retardo entre el momento que la polea de compensacion (14) vuelve y el momento en que se desplaza la cabina (18). Este retardo es debido al estiramiento del cable de compensacion (16) y puede hacer que la cabina (18) oscile en la planta. Los sistemas anteriores han intentado minimizar el estiramiento del cable anadiendo cables de compensacion adicionales, pero estos cables anaden un peso y un coste adicionales y generalmente no mejoran la seguridad del sistema, y funcionan casi exclusivamente para prevenir el estiramiento del cable. La version del sistema de ascensor (10) mostrado en la figura 1 se puede configurar para renivelar la cabina (10) para reducir el estiramiento del cable.
Con referencia a la figura 3, se muestra una version de un procedimiento (100) que no forma parte de esta invencion para renivelar una cabina de ascensor (18) con un servoactuador (12). Las etapas del procedimiento (100) comprenden:
La etapa (102) incluye una cabina (18) de ascensor que viaja de una planta superior a la planta mas baja de un edificio. La etapa (104) comprende aplicar un freno de maquina para mantener la cabina de ascensor (18) al nivel de de la planta mas baja. La etapa (106) comprende abrir la puerta del ascensor y permitir que entren y salgan pasajeros en la parada mas baja. La etapa (108) comprende la cabina de ascensor (18) subiendo a medida que el
peso de la cabina (18) se reduce debido a la salida de pasajeros. La etapa (110) comprende usar un sensor de nivelacion para determinar hasta quE punto la cabina de ascensor se ha alejado de la posicion de nivel. La etapa
(112) comprende usar un servoactuador para ajustar la posicion de la polea de compensacion (14) para que la cabina (18) de ascensor permanezca sustancialmente nivelada durante el proceso de carga y descarga. Cabe resaltar que la renivelacion se puede llevar a cabo en cualquier momento en cualquier planta.
El uso del sistema de ascensor (10) segun el procedimiento (100) permite que la cabina de ascensor (18) se renivele sin anadir cables adicionales. Por ejemplo, en una instalacion con cables de 22 metros, generalmente son necesarios siete cables para la elevacion, pero se pueden proporcionar nueve para controlar el estiramiento de los cables. El procedimiento (100) puede eliminar la necesidad de dos cables adicionales necesarios para ayudar a controlar el estiramiento de los cables. Asimismo, el resto de los cables estara bajo mayor tension y, de este modo, tendran mayores frecuencias, lo cual puede ser ventajoso para evitar la resonancia.
Una ventaja adicional del procedimiento (100) puede ser la reduccion de riesgo debido a un desplazamiento fortuito cuando las puertas se abren. Es posible, como consecuencia de un fallo de control, que la cabina se mueva rapidamente mientras los pasajeros estan entrando o saliendo de la cabina porque se ha soldado el freno de maquina (desenganchado) y la maquina queda accionada. El resultado evidente de esto son graves danos o la muerte de los pasajeros. El procedimiento (100) puede reducir la probabilidad de danos porque la renivelacion se lleva a cabo usando los actuadores cuyo intervalo de movimiento es limitado.
La posicion del cable de compensacion (16) respecto del edificio es tambiEn un factor que determina la produccion de resonancia. Con referencia de nuevo a la figura 1, el cable de compensacion (16) se puede fijar a unas conexiones en la parte inferior de la cabina de ascensor (18) y/o el contrapeso (20) asociado a un primer carro movil
(30) y un segundo carro movil (32), respectivamente. En una version, el primer y el segundo carros moviles son moviles tanto en la direccion hacia delante y hacia atras (�) como en las direccion de lado a lado (Y). �ijado al carro se encuentra una pluralidad de servoactuadores (34), (36) que desplazan el primer y el segundo carros moviles en las direcciones � et Y. El movimiento de la localizacion de la conexion del cable de compensacion (16) puede ayudar a evitar que los sistemas de ascensor (10) entren en resonancia con el edificio desplazando la frecuencia del cable de compensacion (16).
SE puede mostrar que el desplazamiento u del tendon activo da como resultado una excitacion paramEtrica que facilita el control activo. Tratando el cable de compensacion como una cuerda y teniendo en cuenta el efecto de estiramiento se puede representar un modelo monomodo mediante la siguiente ecuacion:
en la que y representa el desplazamiento dinamico, � y � son coeficientes conocidos, y la tension media se representa por la ecuacion:
Los servoactuadores (34), (36) pueden ser cualquier servoactuador apropiado tal como, por ejemplo, los descritos en la presente memoria. Los servoactuadores se pueden asociar a un controlador (38) configurado para ajustar la posicion del primer y el segundo carros moviles (30), (32) en respuesta a la posicion y el balanceo del edificio. El controlador se puede configurar con un bucle de realimentacion que tiene un umbral predeterminado para cuando el balanceo del edificio se aproximada muy cerca de la posicion el balanceo de los cables de compensacion (16). Cuando se cruza tal umbral, el controlador (38) se puede configurar para ajustar la posicion del primer y el segundo carros moviles (30), (32). La estabilizacion se puede conseguir a travEs de realimentacion de velocidad lateral negativa como se indica en la siguiente ecuacion.
cables en el extremo x = L.
En una version el carro movil (30) posicionara el extremo fijo del cable de compensacion (16) donde se posicionaria si el edificio no estuviese balanceandose. Por ejemplo, si el resultado del acelerometro integrado dos veces indica que la parte superior del edificio se ha movido a una posicion de �100 mm en el eje � y �200 mm en el eje Y, la
5 determinacion del cable de compensacion (16) se desplazara a una posicion -100 mm en la direccion � y -200 en la direccion Y. Los servoactuadores 34, 36 se pueden asociar con dispositivos de seguimiento que incluyen, por ejemplo, codificadores de posicion. Sistemas digitales pueden incluir codificadores rotativos o codificadores lineales que son opticos o magnEticos.
Las versiones presentadas en la presente divulgacion se describen solo a titulo de ejemplo. De este modo, el
10 alcance de la invencion debera estar determinado por las reivindicaciones adjuntas y sus equivalentes legales, en lugar de por los ejemplos dados.
Claims (3)
- REIVINDICACIONES1.- Un sistema de ascensor (10) que comprende:a) una cabina (18), de ascensor teniendo la cabina(18) de ascensor un primer carro movil (30) asociado a una 5 superficie inferior de la cabina de ascensor (10), en el cual el carro movil (30) esta asociado a un primerservoactuador (34) configurado para ajustar la posicion del primer carro movil (30), b) un contrapeso (20), c) un cable de compensacion (16), caracterizado porque el cable de compensacion (16) esta fijado en unprimer extremo al primer carro movil (30) y en un segundo extremo al contrapeso (20), 10 d) una polea de compensacion (14), estando el cable de compensacion (16) enrollado alrededor de la polea de compensacion (14),e) un controlador (38) asociado al primer servoactuador (34), en el cual el controlador (38) esta configurado para poner en marcha el servoactuador (34) para ajustar la posicion del primer carro movil (30) para ajustar de forma correspondiente la posicion del cable de compensacion (16).15 2.- El sistema de ascensor (10) de la reivindicacion 1, en el cual el carro movil (30) esta configurado para trasladarse en direcciones adelante hacia atras y de lado a lado a lo largo de la superficie inferior de la cabina (18) de ascensor.
- 3.- El sistema de ascensor (10) de la reivindicacion 1, en el cual el controlador (38) esta preprogramado con un algoritmo de control configurado para ajustar la posicion del cable de compensacion (16) de manera que se corresponda sustancialmente con la posicion de una estructura de edificio.20 4.- El sistema de ascensor (10) de la reivindicacion 1, que comprende ademas, un segundo carro movil (32) asociado a un segundo servoactuador (26), en el cual el segundo carro movil (32) esta asociado con una superficie inferior del contrapeso (20) y el segundo extremo de la polea de compensacion (14).
- 5.- El sistema de ascensor (10) de la reivindicacion 4, en el cual el primer carro movil (30) y el segundo carro movil(32) estan configurados para ajustar la posicion del cable de compensacion (16) para que se corresponda con la 25 posicion de una estructura de edificio.
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