Napędy w windach i podnośnikach

Systemy wind i podnośników, choć mogą wydawać się identyczne, działają na różnych zasadach. W klasycznych windach stosowane są dwa podstawowe rodzaje napędu kabiny: hydrauliczne i elektryczne. W przypadku wind hydraulicznych, silnik elektryczny używany jest do napędzania pompy, która pompuje olej do podnośników, unosząc w ten sposób kabinę. Opadanie kabiny realizowane jest wyłącznie przez regulację otworu odpływu oleju z siłowników i nie wymaga pracy napędu. Rola napędu elektrycznego jest w takiej instalacji ograniczona, a wpływ jego parametrów pracy nie jest tak duży, jak w przypadku wind napędzanych w pełni elektrycznie.

Podstawowe parametry

Ze względu na sposób działania i budowę wind możliwe jest określenie parametrów i funkcji napędów, które predestynują je do zastosowań w podnośnikach tego typu. Oprócz tak oczywistych cech, jak wysoka sprawność oraz odpowiednie moc i moment siły, istotne są też m.in. wymiary napędu, jego oprogramowanie, wbudowane funkcje bezpieczeństwa, głośność pracy i dostępne algorytmy sterowania.
Wymiary napędu są o tyle istotne, że musi on zmieścić się w maszynowni, a coraz częściej nawet w znacznie mniejszej przestrzeni, ponieważ stosowanie pełnowymiarowych maszynowni jest problematyczne ze względu na cenną przestrzeń budynku oraz uwarunkowania architektoniczne. Dlatego całe systemy napędowe wind w pełni elektrycznych montuje się najczęściej w wąskiej przestrzeni u samej góry szybu windowego, tak aby możliwe było dokonanie prac serwisowych z dachu kabiny, po zatrzymaniu windy na przedostatnim piętrze. Alternatywnie napęd można umieścić także na dnie szybu, przy czym to rozwiązanie również nie jest wygodne i nadal ważne jest, by zastosowane urządzenia miały niewielkie gabaryty. Oczywiście w przypadku wind z napędem hydraulicznym pompy i zbiornik oleju do siłowników umieszczane są na dnie szybu.
Ulokowanie napędów bezpośrednio w szybie windy ma dalsze konsekwencje, bo generowany przez nie hałas roznosi się na całej wysokości budynku. Z tego względu windy bez maszynowni są głośniejsze. Aby nie stanowiło to zbyt dużego problemu, ważne jest, by wybrany napęd był jak najcichszy. Jedną z funkcji pomocnych w uzyskaniu cichej pracy jest zastosowanie automatycznej regulacji obrotów wentylatora chłodzącego, który pracuje z większymi obrotami tylko wtedy, gdy wzrośnie temperatura przetwornicy, a jednocześnie dobrze chroni ją przed przegrzaniem.

Algorytmy pracy

Wielu producentów na potrzeby podnośników opracowało bogate oprogramowanie dla swoich napędów, które umożliwia szybkie wdrożenie urządzeń. Przykładowo, oprócz możliwości łatwego określenia szybkości ruchu, pojawia się też wybór dopuszczalnych przyspieszeń oraz profili ruchu. W omawianych aplikacjach praktycznie nigdy nie stosuje się natychmiastowych przyspieszeń do docelowej prędkości. Zamiast tego napęd stopniowo przyspiesza, a następnie zwalnia unoszenie lub opuszczanie kabiny czy podnośnika. Co więcej, oprócz symetrycznego rozkładu czasu na przyspieszanie i zwalnianie, popularne jest użycie profilu prędkości określanego mianem „creep-to-floor”, który polega na tym, że winda względnie szybko przyspiesza, ale gdy ma się zatrzymać, najpierw zwalnia do niedużej prędkości pośredniej, z którą jeszcze przez chwilę się porusza i dopiero później zwalnia aż do całkowitego zatrzymania. Pozwala to uniknąć zaskoczenia pasażerów zbyt nagłym zatrzymaniem windy oraz ułatwia jej poprawne wypozycjonowanie względem piętra. W bardziej zaawansowanych napędach możliwe jest określenie, który profil ruchu ma być stosowany, w zależności od planowanej długości przejazdu oraz swobodne określenie obu prędkości ruchu (zarówno podstawowej, jak i pośredniej). Przydatne jest też, jeśli przy wprowadzaniu ustawień napędu można posługiwać się od razu jednostkami stosowanymi w odniesieniu do wind i podnośników.

Dodatkowe funkcje

Najbardziej zaawansowane napędy windowe będą jednak działać w powiązaniu ze złożonymi sterownikami, które ustalają parametry ruchu dynamicznie, m.in. w oparciu o aktualne obciążenie, natężenie ruchu (liczbę pasażerów windy w jednostce czasu), a nawet o numery pięter, na których winda ma się zatrzymać, a które to pasażerowie wskazują jeszcze przed wejściem do kabiny.
Niektóre z napędów pozwalają na bezpośrednie podłączenie do nich styczników i hamulców, co ułatwia instalację i zmniejsza jej całkowite koszty, jeśli nie korzysta się z najbardziej zaawansowanych sterowników.
Dla zwiększenia komfortu pracy windy ważne jest, by przetwornica miała wysoką częstotliwość kluczowania na wyjściu (np. 16 kHz) i obsługiwała enkodery o wysokiej rozdzielczości podczas monitorowania pozycji dźwigu. Pomaga to zredukować drgania, oscylacje i szarpnięcia. Nierzadko jednak podnośniki pracują bezczujnikowo, tj. bez sprzężenia zwrotnego.

Bezpieczeństwo

Windy, szczególnie te osobowe, wyposażane są też w szereg mechanizmów bezpieczeństwa, które mogą być realizowane częściowo przez ich napęd.
Przede wszystkim konieczna jest możliwość zatrzymania dźwigu w dowolnej chwili i utrzymywania go nieruchomo w zadanej pozycji. Ważne jest też, by winda reagowała na wszelkiego rodzaju zagrożenia, takie jak przeciążenie, przegrzanie, zbyt duży wzrost szybkości ruchu, czy nawet trzęsienia ziemi, które mogą spowodować uderzenie przeciwwagi o kabinę. Dlatego korzystne jest wybieranie takich napędów, które pozwalają na podłączenie stosownych czujników, wykrywających wszystkie wymienione zdarzenia.
W windach zamontowanych w budynkach korzysta się też z trybu pracy awaryjnej, uruchamianego w momencie wystąpienia zagrożenia lub konieczności ewakuacji ludzi. Przykładem może być pożar budynku, który często wiąże się z odcięciem zasilania. Aby uniknąć uwięzienia pasażerów w windzie, nawet gdy brakuje prądu sieciowego, napędy windowe podłączane są do akumulatorów, które pozwalają przynajmniej na samodzielne dojechanie windy do najbliższego piętra i otwarcie drzwi, tak by pasażerowie mogli z niej swobodnie wysiąść i udać się do wyjść ewakuacyjnych.

Oszczędzanie energii

Bardzo ważnym parametrem we współczesnym świecie jest sprawność urządzeń elektrycznych i możliwość oszczędzania zużycia energii. Najczęściej instalacje energooszczędne są droższe we wdrożeniu niż te, które charakteryzują się większym zużyciem prądu.
W przypadku podnośników stosuje się kilka zabiegów, które pozwalają zminimalizować koszty instalacji lub zaoszczędzić energię. Przykładowo niektóre silniki łączy się z przekładniami, które pozwalają za pomocą tańszego, mniejszego napędu odpowiednio szybko poruszać podnoszonym obiektem. Niestety, takie podejście związane jest najczęściej z większymi stratami energii, które wydzielają się m.in. właśnie na przekładniach. Ponadto przekładnie wymagają dodatkowego serwisowania, co w konsekwencji również zwiększa koszty operacyjne. Problemem jest też generowany hałas. Przekładnie śrubowe, które cechują się lepszą sprawnością niż ślimakowe, są dosyć głośne w działaniu i mniej tłumią drgania. Trzeba też pamiętać, że reduktory ograniczają w praktyce maksymalną szybkość ruchu windy, dlatego w długich szybach najlepiej sprawdzają się odpowiednio duże instalacje bezprzekładniowe.

Odzyskiwanie energii

Rozważając możliwość zaoszczędzenia energii podczas pracy podnośników należy wziąć pod uwagę przede wszystkim specyfikę ich pracy. W przypadku wind z siłownikami pneumatycznymi energia z sieci pobierana jest tylko wtedy, gdy winda jest podnoszona. Opadanie windy nie wymaga zasilania napędu, ale też nie daje zbyt dużych możliwości odzyskiwania energii.
Inaczej sytuacja wygląda w przypadku wind z napędami w pełni elektrycznymi. Wtedy do wind podczepia się przeciwwagi, które sprawiają, że winda wypełniona w połowie będzie mogła swobodnie wisieć bez opadania ani unoszenia się. Oznacza to zarazem, że winda pusta lub wypełniona tylko częściowo będzie samoczynnie się unosiła, a winda pełna będzie opadała. Pociąga to za sobą konieczność zasilania windy jedynie wtedy, gdy jest wypełniona w ponad połowie i ma poruszać się w górę, lub gdy załaduje się do niej masę mniejszą niż połowa dopuszczalnej i winda ma się poruszać w dół. W odwrotnych sytuacjach samoczynny ruch windy, którego szybkość trzeba kontrolować, może zostać wykorzystany do odzyskiwania energii. W tym celu stosuje się przemienniki częstotliwości z funkcją zwrotu energii do sieci elektrycznej.
Urządzenia tego typu są znacznie bardziej kosztowne niż modele niewyposażone w tę funkcję, toteż sens ich instalacji trzeba dokładnie rozważyć. O ile energia zużywana na pracę windy może wynosić nawet kilkanaście procent energii potrzebnej do działania budynku, o tyle w praktyce korzyści z wyboru napędów ze zwrotem energii do sieci zaczynają przewyższać koszty wdrożenia po kilku latach tylko w większych budynkach, gdzie pracują szybkie windy.

Rynek wind

Polski rynek wind i podnośników niewątpliwie stale się rozwija, co wynika z faktu, że są one stosowane nie tylko w przemyśle, ale i w budownictwie. Nowo powstające budynki, nawet te kilkupiętrowe, coraz częściej wyposażane są w windy, a jednocześnie rośnie liczba nowoczesnych biurowców, które bez wind nie mogłyby funkcjonować. Trzeba także uwzględnić modernizacje. Typowy „czas życia” windy szacuje się na około 20–30 lat i trudno go znacznie wydłużyć, nawet za pomocą regularnej, zaawansowanej konserwacji. Po 30 latach winda wymaga gruntownego przeglądu, który w praktyce najczęściej kończy się wymianą niemal wszystkich elementów dźwigu, łącznie z kabiną, linami i układem napędowym. Jest to o tyle opłacalne, że nowe instalacje są znacznie bardziej energooszczędne, a do tego bezpieczniejsze niż te starsze.
Liczba modernizacji w ostatnich latach rośnie i właśnie nadszedł okres, gdy wymianie podlegają napędy wind montowanych pod koniec lat 70. i na początku 80., kiedy to budowano wiele osiedli z wysokimi blokami z wielkiej płyty. Wskutek tego zapotrzebowanie na napędy do wind oraz powiązane z nimi komponenty nie spada i można przewidywać, że trend ten utrzyma się jeszcze przez wiele lat.

Andrzej Barciński
PAR