作者：張曉峰/上海交通大學(xué)機械與動(dòng)力工程學(xué)院；王士琴/蒂升電梯(上海)有限公司
近年來(lái)，隨著(zhù)電梯的廣泛應用，由于驅動(dòng)主機工作制動(dòng)器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)制動(dòng)器)失效造成的電梯傷人事故偶有發(fā)生。雖然人們對制動(dòng)器的工作性能、結構冗余、自監測功能等方面進(jìn)行了持續改進(jìn)，但是制動(dòng)器的工作特性及失效原因的離散性特點(diǎn)決定了不可能完全杜絕制動(dòng)器的失效[1]。人們逐漸意識到僅僅依靠改進(jìn)制動(dòng)器是遠遠不夠的，還需要有一個(gè)安全裝置或者安全保護措施保護制動(dòng)器失效后的電梯，以降低甚至消除乘客面臨的安全風(fēng)險[1]。類(lèi)似的例子是，無(wú)論曳引鋼絲繩如何改進(jìn)完善，限速器-安全鉗系統作為曳引鋼絲繩失效后避免轎廂自由墜落的安全裝置仍然被認為是不可或缺的。在國家市場(chǎng)監督管理總局于2022年1月25日發(fā)布的TSG?T7007-2022《電梯型式試驗規則》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)型規)中，新增了曳引驅動(dòng)電梯的其他制動(dòng)裝置(功能)的相關(guān)要求。該裝置(功能)可以理解為制動(dòng)器失效后對電梯保護的安全裝置或者安全保護措施。型規中沒(méi)有限制其他制動(dòng)裝置(功能)具體的實(shí)現方法，因此諸如驅動(dòng)主機主動(dòng)控制等方法均可以采用，但是驅動(dòng)主機的封星技術(shù)因其經(jīng)濟可靠、通用性強等諸多優(yōu)點(diǎn)而將得到廣泛的應用。在本文中，筆者從與制動(dòng)器失效相關(guān)的電梯運動(dòng)特點(diǎn)出發(fā)，探討用于電梯保護的驅動(dòng)主機封星技術(shù)的基本原理以及相關(guān)應用中應注意的技術(shù)要點(diǎn)。1 與制動(dòng)器失效相關(guān)的電梯運動(dòng)的特點(diǎn)任何原因造成的制動(dòng)器失效，均可歸結為制動(dòng)器制動(dòng)能力的衰減乃至完全喪失，最終導致轎廂發(fā)生了不受控的移動(dòng)。與制動(dòng)器失效相關(guān)的電梯運動(dòng)具有如下特點(diǎn)。(1)制動(dòng)器的失效多開(kāi)始于電梯處于極低速度甚至零速狀態(tài)時(shí)。當電梯在運行時(shí)，轎廂運行狀態(tài)由驅動(dòng)控制系統及電動(dòng)機控制，而與制動(dòng)器是否失效沒(méi)有關(guān)系；當電梯已經(jīng)減速運行在極低速度甚至到達零速時(shí)，要求制動(dòng)器動(dòng)作而制動(dòng)器不能有效制動(dòng)時(shí)，會(huì )導致轎廂發(fā)生不受控的移動(dòng)；在轎廂停止運行期間，若制動(dòng)器制動(dòng)力矩不能平衡由轎廂側和對重側的重量差產(chǎn)生的力矩時(shí)，也會(huì )導致轎廂發(fā)生從零速開(kāi)始的不受控的移動(dòng)。(2)制動(dòng)器的失效多開(kāi)始于電梯處于層站位置時(shí)。電梯在正常運行模式下，只有轎廂?？吭趯诱疚恢脮r(shí)制動(dòng)器才需要動(dòng)作，才會(huì )存在制動(dòng)器是否失效的問(wèn)題；當轎廂處于其他位置時(shí)電梯是處于運行狀態(tài)的，此時(shí)制動(dòng)器是否失效一般不會(huì )影響乘客安全。(3)制動(dòng)器失效造成的轎廂不受控的移動(dòng)可以分為轎廂上行超速、轎廂下行超速和轎廂意外移動(dòng)3種情況。轎廂的下行超速由限速器-安全鉗系統和緩沖器組合來(lái)保護，現有產(chǎn)品已經(jīng)考慮了這類(lèi)風(fēng)險。設計中應該重點(diǎn)考慮制動(dòng)器失效造成的轎廂上行超速和轎廂意外移動(dòng)這兩類(lèi)風(fēng)險。(4)當轎廂發(fā)生不受控的移動(dòng)時(shí)，乘客是否受傷以及傷害的程度與轎廂移動(dòng)的速度息息相關(guān)。當轎廂上行移動(dòng)到井道末端時(shí)，對重將撞擊緩沖器。此時(shí)如果轎廂移動(dòng)的速度在對重緩沖器可承受的范圍內，則轎廂內乘客受到的傷害很小，可以被接受；當轎廂離開(kāi)層站意外移動(dòng)時(shí)，如果轎廂移動(dòng)的速度足夠低，如不超過(guò)0.30m/s，則乘客有足夠的應急反應時(shí)間，大概率也能避免身體在門(mén)區受到建筑物和轎廂之間的剪切傷害[2]。根據上述分析，無(wú)論任何原因造成的制動(dòng)器失效，如果有一個(gè)安全裝置或者安全保護措施能夠控制位于層站區域正以零速或者極低速度運行的轎廂的移動(dòng)速度，避免其轉為高速，就可以避免絕大多數因制動(dòng)器失效造成的乘客傷害事故。封星技術(shù)就是這樣一個(gè)安全裝置或者安全保護措施。所謂封星技術(shù)是指按照星形接法短接永磁同步電動(dòng)機繞組的輸入端，使其產(chǎn)生與轎廂、對重重量不平衡相關(guān)的機械轉矩相反的電磁轉矩，從而實(shí)現在制動(dòng)器即使完全失效時(shí)也能將電梯保持在恒定的低速運行狀態(tài)的技術(shù)。根據短接電動(dòng)機繞組方式的不同，封星技術(shù)主要有以下兩種實(shí)現形式。(1)接觸器封星。圖1為典型的接觸器封星電路，K1為封星接觸器，其觸點(diǎn)在電梯運行時(shí)斷開(kāi)，在電梯變頻器不輸出電流且主接觸器K2觸點(diǎn)斷開(kāi)后閉合，從而達到短路電動(dòng)機三相線(xiàn)圈的目的[3]。封星接觸器多采用主觸點(diǎn)為常閉觸點(diǎn)的接觸器，以確保在電梯失電的情況下，依然可以短路電動(dòng)機三相線(xiàn)圈。對于高速電梯，因主觸點(diǎn)為常閉觸點(diǎn)的大規格接觸器較少，也可采用主觸點(diǎn)為常開(kāi)觸點(diǎn)的接觸器作為封星接觸器。專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)家生產(chǎn)的電梯一體式封星接觸器，充分考慮了封星時(shí)電流變化以及電路時(shí)序等因素，故障率低、使用壽命長(cháng)，也是比較好的選擇。接觸器封星的控制也會(huì )有軟件參與，如用于接觸器動(dòng)作、延時(shí)控制和電路監測等。
(2)電子封星。如圖2所示，利用既有的變頻器逆變模塊，在電梯停止運行后，一旦監測到轎廂發(fā)生異常移動(dòng)，將下橋臂T4、T5和T6同時(shí)導通，從而達到短路電動(dòng)機三相線(xiàn)圈的目的，實(shí)現驅動(dòng)主機的封星[3]。
電子封星沒(méi)有額外的硬件投入，成本較低。不使用封星接觸器，避免了封星接觸器相關(guān)的設備故障[4]。電子封星的智能化程度較高，可根據轎廂移動(dòng)的速度采取不同的封星策略。當電梯處于高速運行狀態(tài)時(shí)，可以選擇不封星或者封星時(shí)實(shí)時(shí)調節和控制逆變模塊的占空比，以避免封星電流對設備的沖擊；當電梯處于零速或極低速度時(shí)，短路電動(dòng)機三相線(xiàn)圈，實(shí)現對驅動(dòng)主機的封星。電子封星對驅動(dòng)控制系統有一定的要求，如對于主接觸器布置在變頻器和驅動(dòng)主機之間的電梯，就無(wú)法實(shí)現電子封星。3 封星技術(shù)與制動(dòng)器、轎廂上行超速保護裝置等安全保護裝置之間的關(guān)系轎廂上行超速保護裝置和轎廂意外移動(dòng)保護裝置用于保護由于驅動(dòng)主機及驅動(dòng)控制系統的單一失效而引起的轎廂上行超速和轎廂意外移動(dòng)。而符合GB/T 7588.1-2020《電梯制造與安裝安全規范 第1部分：乘客電梯和載貨電梯》等標準要求的制動(dòng)器，如大多數的永磁同步驅動(dòng)主機工作制動(dòng)器，被認為不存在失效的風(fēng)險，并且可以作為轎廂上行超速保護裝置和轎廂意外移動(dòng)保護裝置的減速部件或制停元件。但是國內外多起制動(dòng)器事故表明，永磁同步驅動(dòng)主機工作制動(dòng)器不僅可能會(huì )失效，并且是引起轎廂上行超速和轎廂意外移動(dòng)的主要風(fēng)險源[1]。型規要求的其他制動(dòng)裝置(功能)，如封星技術(shù)等，是在沒(méi)有配置獨立的轎廂上行超速保護裝置和轎廂意外移動(dòng)保護裝置的情況下，對制動(dòng)器失效的保護，適用于大多數配置了永磁同步驅動(dòng)主機的電梯。它是對現有的轎廂上行超速保護裝置和轎廂意外移動(dòng)保護裝置保護的有力補充。對于其他類(lèi)型的制動(dòng)器，如蝸輪蝸桿驅動(dòng)主機工作制動(dòng)器，現有獨立的轎廂上行超速保護裝置和轎廂意外移動(dòng)保護裝置，如夾繩器、雙向安全鉗等，已經(jīng)保護了工作制動(dòng)器失效引起的轎廂上行超速和轎廂意外移動(dòng)的風(fēng)險，因此不需要配置其他制動(dòng)裝置(功能)。制動(dòng)器或轎廂上行超速保護裝置等電梯安全保護裝置動(dòng)作時(shí)，都會(huì )制動(dòng)并最終止停轎廂。封星技術(shù)產(chǎn)生的制動(dòng)力矩依賴(lài)于驅動(dòng)主機的運行狀況。當驅動(dòng)主機旋轉時(shí)，將產(chǎn)生一定的制動(dòng)力矩；當驅動(dòng)主機停止旋轉時(shí)，該制動(dòng)力矩將會(huì )完全消失。而在封星技術(shù)參與制動(dòng)器或電梯安全保護裝置制停過(guò)程時(shí)，會(huì )使轎廂更快地減速，但不會(huì )改變是否能最終使轎廂停止的結果。因此在現場(chǎng)整梯上進(jìn)行制動(dòng)器或電梯安全保護裝置試驗時(shí)，若要測試制停過(guò)程中的某些數據，如轎廂減速度、移動(dòng)距離等，并作為試驗結果的判定，則應在試驗前拆除電梯封星裝置(功能)，以消除封星對制停過(guò)程的影響；若以是否能最終使轎廂停止作為結果進(jìn)行判定的，則不必拆除電梯封星裝置(功能)。4? 電梯運行過(guò)程中偶發(fā)急停時(shí)的電動(dòng)機封星特性電梯在零速或者極低速運行時(shí)，若進(jìn)入封星狀態(tài)，電動(dòng)機的封星電流遠小于電動(dòng)機的額定電流，對設備的沖擊可忽略不計，在此不進(jìn)行詳述。在電梯正常運行時(shí)，因急停等偶發(fā)原因可能會(huì )發(fā)生高速運行情況下的封星。此時(shí)瞬間的電動(dòng)機封星電流往往比較大，會(huì )對設備造成一定的沖擊。圖3是一臺額定速度為2.00m/s、額定載重量為1000kg的乘客電梯在滿(mǎn)載上行、急停情況下電動(dòng)機封星時(shí)實(shí)測的電動(dòng)機電流曲線(xiàn)。筆者以此為例，分析電動(dòng)機封星特性。
(1)從主接觸器觸點(diǎn)斷開(kāi)至封星接觸器觸點(diǎn)閉合階段。主接觸器的斷開(kāi)切斷了變頻器和電動(dòng)機的連接，此時(shí)電動(dòng)機處于開(kāi)路狀態(tài)，電動(dòng)機的電流為零；經(jīng)過(guò)98.78ms以后，封星接觸器的封星觸點(diǎn)閉合。該時(shí)間為封星接觸器觸點(diǎn)閉合時(shí)間和驅動(dòng)主機主接觸器觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)間的差值。該電梯未配置任何故意的延時(shí)電路；如果采用延時(shí)設計，則相當于制動(dòng)器“提前”動(dòng)作，可以減少封星時(shí)電動(dòng)機的瞬間電流，以降低對設備的沖擊。(2)從封星觸點(diǎn)閉合至制動(dòng)器開(kāi)始制動(dòng)階段。封星觸點(diǎn)閉合后，形成封星電路，電動(dòng)機產(chǎn)生封星制動(dòng)力矩。制動(dòng)初期有較大的電流，瞬間可達到電動(dòng)機額定電流的3倍左右，但維持的時(shí)間較短，僅為62.73ms。由于瞬間電流值相當于電動(dòng)機堵轉電流，且持續時(shí)間很短，因此在制動(dòng)器有效的情況下不會(huì )造成電動(dòng)機損壞[5]。若此時(shí)制動(dòng)器恰好失效，電動(dòng)機的封星制動(dòng)力矩又不足以制停轎廂，那么其大電流將持續較長(cháng)時(shí)間，可能會(huì )損壞電動(dòng)機。但因為偶發(fā)急停而制動(dòng)器同時(shí)失效的概率極低，因此不必考慮此風(fēng)險。(3)從制動(dòng)器開(kāi)始制動(dòng)至轎廂完全停止階段。制動(dòng)器產(chǎn)生的制動(dòng)力矩與封星制動(dòng)力矩共同作用使轎廂減速運行直至停止；其間電動(dòng)機的封星電流快速下降直至為零。根據本文第3.2章的分析，在選擇封星接觸器時(shí)，應分別考慮電梯在零速或者極低速運行時(shí)封星以及高速運行偶發(fā)急停時(shí)封星兩種工況。(1)電梯在零速或者極低速運行時(shí)封星。電梯將持續平穩運行，直至轎廂或對重緩慢撞擊至緩沖器。其間轎廂移動(dòng)的速度較低(型規要求不大于0.30m/s，實(shí)測多數在0.15m/s以下)，運行時(shí)間較長(cháng)(隨電梯提升高度而變化，可達到數千秒)。因電動(dòng)機發(fā)電效率及機械傳動(dòng)效率等因素，實(shí)測封星時(shí)電動(dòng)機的電流往往在驅動(dòng)主機額定電流的50%以下。筆者認為可根據制造廠(chǎng)商提供的使用類(lèi)別為AC-1時(shí)的額定電流值選擇接觸器容量，即封星接觸器使用類(lèi)別為AC-1時(shí)的額定電流值應大于驅動(dòng)主機額定電流的50%。(2)電梯高速運行偶發(fā)急停時(shí)封星。電動(dòng)機瞬間封星電流可達到其額定電流的3倍左右，持續數百毫秒以?xún)??？筛鶕圃鞆S(chǎng)商提供的1s允許耐受電流值選擇接觸器容量，即封星接觸器1s允許耐受電流值應大于驅動(dòng)主機額定電流的3倍。封星時(shí)電動(dòng)機的電流與封星電路的時(shí)延、制動(dòng)器響應時(shí)間、電動(dòng)機的結構及驅動(dòng)主機在整機上的配置余量等諸多因素相關(guān)，電動(dòng)機封星電流和封星接觸器的容量選擇應根據上述兩種工況試驗測量的結果。按照筆者近年來(lái)數百臺電梯試驗的經(jīng)驗，封星接觸器的容量選擇主接觸器容量的50%以上就可以滿(mǎn)足日常使用的要求。制動(dòng)器事故調查中已發(fā)現有封星接觸器裝反、接線(xiàn)錯誤等問(wèn)題導致封星保護功能失效的案例。由于封星電路在電梯正常運行時(shí)是沒(méi)有電流的，僅僅采用常規的觸點(diǎn)防粘連監測和缺相保護監測并不能保證封星電路的完整性，不能防止類(lèi)似事故的再發(fā)生。對于接觸器封星，筆者認為還應該采取下述電氣方法或者機械方法進(jìn)行定期自動(dòng)監測。(1)電氣方法。定期(例如，間隔不超過(guò)24h)對封星電路的電流或電阻進(jìn)行檢測，確認封星電路的狀態(tài)是否正常。(2)機械方法。定期(例如，間隔不超過(guò)24h)對封星有效性進(jìn)行檢測。在確認退出電梯服務(wù)狀態(tài)后，打開(kāi)制動(dòng)器，檢測轎廂移動(dòng)的速度及變化趨勢，判斷封星是否起作用。另外，對于一體式封星接觸器，也可采用提高本體安全性以及與特定驅動(dòng)控制系統結合的狀態(tài)監測等綜合措施。對于電子封星，由于其電路共用于電梯正常運行時(shí)的驅動(dòng)控制電路，且已經(jīng)自帶監測，因此不必按照上述方法進(jìn)行監測。型規規定的其他制動(dòng)裝置(功能)承擔了制動(dòng)器失效后電梯保護的重要功能，其重要性不亞于GB/T?7588.1-2020規定的轎廂上行超速保護裝置和轎廂意外移動(dòng)保護裝置。封星技術(shù)作為其他制動(dòng)裝置(功能)的主要實(shí)現形式，可有效降低因制動(dòng)器失效而引起的轎廂上行超速和轎廂意外移動(dòng)對乘客的傷害風(fēng)險，從而避免事故。作為型規新增的要求，如何進(jìn)一步完善電梯的封星技術(shù)，亟待行業(yè)的共同努力。[1]梁廣熾.歐洲電梯標準在我國遇到的幾個(gè)技術(shù)問(wèn)題的探討[J].中國電梯,2020,31(6):21-25.[2]陳瑾.淺析封星技術(shù)在永磁同步無(wú)齒輪電梯上的應用:以電梯轎廂意外移動(dòng)為例[J].信息系統工程,2019(9):95.[3]劉文.基于變頻器STO功能的電子封星功能[J].今日制造與升級,2021(5):28-34.[4]范大穎,呂增及.電子封星技術(shù)在電梯運行安全中的應用[J]. 工程技術(shù)研究,2020,2(2):161-162.[5]梁丙雪,王大志,徐廣人,等.無(wú)齒輪永磁同步曳引機封星速度研究[J].中國電梯,2018,29(17):7-10.
來(lái)源：《中國電梯》雜志
