封星技术在电梯永磁同步曳引机中的应用
作者：石荣亮1，2，黄 冀1，邓臣权1，李重远1 /1. 广西壮族自治区特种设备检验研究院；2. 桂林理工大学机械与控制工程学院永磁同步曳引机具有动态响应性能优越、功率密度大与能耗低等特性，已在电梯驱动主机领域获得了广泛应用，特别是在小机房和无机房电梯中。曳引机制动器作为电梯制停保护装置，是电梯安全运行的关键部件。制动器的机械制动力不足或失效均有可能造成电梯溜梯或飞车，易发生冲顶、蹾底或剪切安全事故。GB 7588-2003《电梯制造与安装安全规范》明确规定，当轿厢载有125%额定载荷并以额定速度向下运行时，操作制动器应能使曳引机停止运转。同时，TSG T7001-2009《电梯监督检验和定期检验规则——曳引与强制驱动电梯》(以下简称“检规”)要求，利用检规第8.10项上行与第8.11项下行的制动测试定期检验电梯的制动能力，以确保电梯的安全制动。在电梯制动器不出现失效的前提下，电梯在实际使用与检验的过程中均能满足GB 7588-2003和TSG T7001-2009的要求。然而，若电梯的制动器发生失效或出现机械故障，则电梯的安全制动能力将大打折扣，加上国内电梯维保水平良莠不齐，存在制动器未能有效保养的情形，导致电梯安全事故时发。为了最大程度地减小制动器失效所带来的安全隐患，有效地防范与处理电梯制动器的机械制动故障是非常有必要的。鉴于此，在本文中将详细地分析与探讨永磁同步曳引机封星技术的基本原理、实现方式及其在应用中所存在的问题等。
1 封星技术的基本原理与实现方式
1.1 封星技术的基本原理封星技术是指将永磁同步曳引机的三相绕组利用外接线路或自身电路进行星形短接，使其三相绕组构成一个闭合的电气回路，电路图见图1。封星的目的是为了在电动机失去外部电源或制动器出现失效时，将其三相绕组进行星形短路，即电动机转变成发电机，利用曳引轮旋转过程中所产生的电磁转矩来弥补对重重量与轿厢重量不相等所产生的机械转矩，将机械能转化为电能并在闭合回路的电阻中以热量形式消耗掉，以实现电梯降速并保持恒定低速运行。1.2 封星的实现方式及特点
这里将对机械封星和电子封星的实现方式及其特点分别进行分析。
1.2.1 机械封星的实现方式及特点机械封星是行业目前应用比较广泛的，其主要通过控制接触器的触点将图1中电动机的U、V、W三相绕组进行短接，实现原理比较简单且接触器的选择方式灵活多样。文献提出了利用接触器自带的辅助触点实现机械封星，即利用主触点控制变频器的输出，而带有延时的辅助触点实现封星，有效避免了变频器因封星时序错误而引起的短路。该方案的缺点是，接触器的辅助触点所允许流过的电流远小于主触点所允许流过的电流，根本无法承受封星瞬间在三相绕组中所产生的电流，故无法提供可靠的封星功能与制动保护功能，反而增加了电梯运行的故障点与维护成本。为此，文献提出了额外增加一个接触器并用其主触点实现机械封星，提升了封星回路的通流能力，亦能灵活设计成无延时封星，但增加了电梯的安装成本。由此可见，基于接触器的机械封星实现简单，易于对在用电梯进行封星功能改造，只需通过简单的外部回路引出接线即可。然而，机械封星需考虑接触器的购置成本，且电梯驱动主机容量越大所需接触器规格也会越大，对应的成本进一步提升。此外，封星接触器在紧急制动的情形下还需承受数值为变频器额定电流数倍的冲击电流，这也会严重影响其使用寿命，导致电梯的维保成本进一步提升，进而影响机械封星功能的推广与应用。
1.2.2 电子封星的实现方式及特点为了解决机械封星需要购置接触器所带来的硬件与维保成本增加的问题，电子封星技术应运而生。电子封星是指通过永磁同步曳引机已有的变频器逆变控制模块，利用电子驱动电路来控制逆变模块上桥臂、下桥臂的开闭，实现电动机三相绕组短路的封星方式。具体以图1所示电路为例，在制动器出现故障或失效时，逆变模块全部失电，各绝缘栅双极型晶体管(IGBT)均关断而二极管被钳位，此时需要额外接入不间断供电电源(UPS)给逆变模块重新供电，并通过零电压矢量控制实现逆变模块的三相下桥臂(或上桥臂)同时导通，即能达到与利用接触器相同的封星效果。值得指出的是，虽然电子封星需要额外增加UPS与零电压矢量控制逻辑，提高了安装成本与控制复杂度，但是UPS的加入可保证电梯无论是在紧急制动停梯或市电失电的情况下，均能实现封星功能，在一定程度上提升了电梯电磁制动的可靠性。同时，UPS的购置成本相比于封星接触器较为低廉，安装方式也简单易行，且电子封星的触发逻辑是以变频器失电停止工作为前提条件，能够避免封星时序不当所带来的不利影响，故有助于电子封星功能的推广应用。但是，电子封星与机械封星一样需要承受冲击电流，而电子封星是利用上桥臂、下桥臂的IGBT及其反并联二极管代替接触器的触点，且IGBT和二极管的通流能力相对较差，故利用电子封星时一定要考虑这一关键制约因素，以免逆变模块因过流而烧坏。
2 封星技术的应用及其分析
2.1 封星技术的特性分析
为了实现封星技术的可靠应用，有必要分析与计算封星短路电流、封星电磁制动转矩、封星稳态速度等关键物理量的数值及其关系。通常对永磁同步曳引机作出如下假设：在封星短路瞬间其转速保持不变，其磁路在封星短路期间不饱和，其定子电阻值不因绕组发热而改变，以此来简化分析。经过复杂的公式推导过程，可得电机的运行速度v与封星短路电流Ⅰ之间的关系为：式中：为额定速度；为额定空载反电动势；R为定子电阻；为额定转速时的同步电抗。根据式(1)可知，随着v的增加，Ⅰ不断增大，且当v为无穷大时，短路电流的最大值此外，封星电磁制动转矩T与v之间的关系为：式中：D为曳引轮直径；为曳引比。对式(2)进行求导，当时，封星电磁制动转矩的最大值。由此可知，产生的与R无关，即R增大后，产生的没有变化， 但是所对应的电机运行速度v发生了变化。进一步地，当v≠0时，可推导得到利用封星技术实现可靠制动的必要条件为：式中：g为重力加速度；G为电梯轿厢的质量；Q为电梯载重量；W为对重质量。式(3)表明：封星技术能够在重力势能减小的变化率小于电阻消耗电功率的条件下将轿厢制动至匀速；否则，封星制动将失效，即电梯会加速向上或向下运行。
2.2 在电梯制动检验中的应注意的封星功能问题
根据检规第8.10项上行制动测试的要求(当电梯空载以正常运行速度上行时，将电动机和制动器的供电切断，轿厢应当完全停止且无明显形变、损坏)，需要定期对电梯进行上行检验。然而，在对电梯进行第8.10项上行检验的过程中，需要切断电动机和制动器的供电，此时恰好触发了封星技术投入的条件，故封星制动所产生的电磁转矩将影响制动器机械制动转矩的有效检验。下面介绍某一乘客电梯的制动器检验案例。电梯的额定载重量为1000kg，曳引比为2:1，额定速度为1.25m/s，采用交流变频调速的永磁同步无齿轮曳引机作为主机驱动。根据检规第8.10项的要求，切断380V供电电源后，曳引轮迅速减速并在轿厢滑行约1m后就能安全停梯，该结果表明制动器满足检规要求。然而，检验操作人员在上行制动试验中发现，轿厢侧的钢丝绳在轿厢被安全钳制停后变得松弛，即轿厢侧钢丝绳上的受力变小，而钢丝绳在对重侧的受力无变化，这说明钢丝绳在曳引轮两侧的重力差在安全钳制动后增大。同时发现，制动轮与失电闭合的制动闸瓦之间产生了相对滑动，其间曳引轮还向对重侧偏转了一定的角度。以上现象充分表明了电梯的制动力是不足的，也正是封星制动产生的电磁转矩掩盖了这一缺陷。故笔者建议，在对永磁同步曳引机进行上行或下行的制动检验时应先封锁封星功能，并应在今后检规修订时加以说明。
2.3 封星技术应用的风险分析
根据式(1)与式(2)可知，在封星短路过程中，将在永磁同步曳引机的定子绕组中产生短路电流与电磁制动转矩，且与电梯的运行速度、曳引比、绕组电阻与电抗等相关。如果封星功能在永磁同步曳引机具有较高转速时投入，将会在定子绕组回路中产生很大的短路电流与电磁制动转矩。例如，一台额定载重量为1000kg、额定速度为1.60m/s的电梯，在额定速度时投入封星功能，瞬时短路电流是额定电流的8.6倍，而瞬时电磁制动转矩增大约50倍。因此，封星功能在电梯高速运行时投入所产生的短路大电流和大转矩，将会导致永磁同步曳引机的定子结构出现变形，以及转子上的永磁体绝缘损坏、去磁、脱落等风险。为了缓解封星功能投入所带来大电流与大转矩对永磁同步曳引机所造成的冲击，可将具有延时功能的封星技术引入到电梯电磁制动控制中，即当检测到电梯处于高速运行且需要紧急制停时，保证电梯的制动器先进行机械制动降速后再启用封星功能。需要指出的是，在电梯制动器出现机械制动能力下降的情形下，会增加投入封星功能所对应的能耗制动，亦会提高永磁同步曳引机损坏的风险。
3 应用封星技术的改进建议
3.1 封星技术的降本之策
采用额外增加接触器的机械封星技术的实施与改造均简单易行，但是考虑到机械封星的可靠性，必须采用专用、高规格的交流接触器实现三相定子绕组安全有效地分断，这样就会进一步增加封星成本。而采用电子封星技术只需增加UPS模块即能实现可靠封星，操作简单且成本较低，是一个值得进一步深入研究的技术方向。现有机械封星与电子封星技术都是将永磁同步曳引机的机械能通过定子绕组的电阻以热能形式消耗掉，这种能量转化形式是被动的、耗能的——只能依赖定子绕组的电阻发热耗散；若能充分利用已有电力电子变频器控制的灵活性，探索出一种直流制动或能量回馈制动的电子封星技术，将能够实现能量的主动转化与回馈，即可大大降低封星过程中产生的短路电流和实现成本，这也是笔者目前在努力探索的方向之一。
3.2 封星技术的风险规避之道
电梯的制动器失效可能会造成严重的生命财产损失，也给封星技术的应用提供了契机。若能够通过增加电梯硬件成本来进一步降低电梯事故发生率，规避可预见的制动失效风险，那么是可取的。因此，机械封星可选择高规格的交流接触器或采用两组装设结构，提升封星短路回路的通流能力，便可有效降低大短路电流带来的运行风险。此外，也可采用机械封星与电子封星相互结合、共同作用的封星方式，即利用接触器主触点与逆变模块共同分担短路电流，也可降低封星技术使用的风险。机械封星与电子封星的投入时序、作用时间、切出逻辑等还有待进一步分析与验证。
3.3 封星技术的标准规范
GB 7588-2003中并未涉及与封星技术有关的要求，现行电梯检规中也未给出有关封星技术的测试与检验规范。因此，目前许多电梯制造厂商所使用封星技术的形式多样、制动效果各异，因此增加了检验机构对电梯制动可靠性与安全性的检验难度。同时，由于缺少检验操作规范，许多检验机构无法准确检验电梯制造厂商的封星制动能力，导致所出具的检验报告可信度降低。鉴于此，为了早日实现封星技术在电梯制造与检验中的应用与推广，建议相关电梯标准与检规在修订时先行将其纳入范围进行规范认定。
4 结语
从电梯运行安全的角度出发，封星技术作为一种安全辅助制动方式在避免电梯速度出现失控方面具有重要的应用价值，是值得电梯行业推广的。在本文中，笔者介绍了封星技术基本原理，分析了机械封星与电子封星的实现方式与特点，指出电子封星技术相较于机械封星技术更具成本与可靠性优势；并进一步探究了封星技术在电梯中的应用特性与风险，以及在电梯制动检验中存在的问题，最后给出了应用封星技术的改进建议。作为电梯运行安全设计的重要组成部分，建议将封星技术纳入到电梯标准与检规的范围进行规范认定，以引导封星技术的应用与推广。在下一阶段，笔者将重点研究一种基于直流制动或能量回馈制动的电子封星技术，同时厘清机械封星与电子封星共同作用下两者之间的投入时序与切出逻辑，并量化两者的作用时间，以规避封星技术的应用风险和最大化发挥其功能。
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来源：《中国电梯》杂志
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