沈書林 盛一騫 戴 揚(yáng) 蔡大偉

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院宿遷分院 宿遷 223800）

1 概述

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快、老舊小區(qū)改造及軌道交通等城鎮(zhèn)基礎(chǔ)建設(shè)力度的加強(qiáng)，電梯產(chǎn)量也隨之快速增長(zhǎng)。根據(jù)國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局發(fā)布的《2022 年全國(guó)特種設(shè)備安全狀況的通告》，截至2022 年底，全國(guó)在用電梯數(shù)量達(dá)964.46 萬(wàn)臺(tái)。其中永磁同步曳引驅(qū)動(dòng)主機(jī)以其節(jié)能環(huán)保、占有面積小等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越成為電梯行業(yè)的新寵。封星技術(shù)作為永磁同步電梯制動(dòng)器失效的預(yù)防措施，可以降低電梯沖頂或蹲底造成的損害，對(duì)于降低事故發(fā)生概率有重要意義。

1.1 制動(dòng)器自監(jiān)測(cè)的殘余風(fēng)險(xiǎn)分析

自監(jiān)測(cè)是對(duì)每組制動(dòng)臂的提起（釋放）或制動(dòng)力的驗(yàn)證，在一定程度上能夠預(yù)防制動(dòng)器故障帶來(lái)的事故，但僅依靠自監(jiān)測(cè)無(wú)法解決制動(dòng)器所有的故障且受目前的技術(shù)限制，自監(jiān)測(cè)還存在下述殘余風(fēng)險(xiǎn)：

1）對(duì)于制動(dòng)力的驗(yàn)證，GB／T 7588.1—2020《電梯制造與安裝安全規(guī)范 第1 部分：乘客電梯和載貨電梯》規(guī)定了最大值為7 d 或者24 h 的間隔驗(yàn)證，這種驗(yàn)證的前提是假定了制動(dòng)力的衰減是緩慢的，彈簧和制動(dòng)閘瓦屬于自然磨損，沒(méi)有考慮到制動(dòng)力突然衰減或消失的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)際上目前制動(dòng)器失效的主要形式是制動(dòng)器卡阻導(dǎo)致制動(dòng)力突然消失，這也是目前市場(chǎng)監(jiān)管總局開(kāi)展鼓式制動(dòng)器安全隱患排查的一個(gè)重要原因。

2）對(duì)于制動(dòng)器提起（釋放）的驗(yàn)證，目前在用的自監(jiān)測(cè)手段主要是對(duì)于制動(dòng)器提起的驗(yàn)證，提起驗(yàn)證是考慮了制動(dòng)閘瓦的磨損、溫升、電網(wǎng)電壓波動(dòng)等不利因素作用下制動(dòng)器打開(kāi)后制動(dòng)閘瓦與制動(dòng)盤之間仍有制造單位規(guī)定的間隙范圍，忽略了更重要的釋放驗(yàn)證。GB／T 24478—2009《電梯曳引機(jī)》規(guī)定了制動(dòng)器制動(dòng)力矩為額定力矩的2.5 倍，當(dāng)制動(dòng)力降至額定力矩的2 倍以下時(shí)如果單組制動(dòng)臂失效就有可能導(dǎo)致事故發(fā)生，因此對(duì)制動(dòng)器釋放的監(jiān)測(cè)應(yīng)在壓縮行程降至80%之前起作用。

實(shí)際上制動(dòng)器的提起或釋放間隙一般在0.15 ～0.3 mm 之間，一方面實(shí)際的安裝過(guò)程中很難將自監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)的位置安裝在上述范圍之內(nèi)，如果間隙小于現(xiàn)場(chǎng)固定螺絲的配合公差還需在制造現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行逐個(gè)調(diào)整，在運(yùn)輸過(guò)程中如果因振動(dòng)等因素有可能使其失效；另一方面在使用過(guò)程中如果因磨損、制動(dòng)器拆解保養(yǎng)等原因需要調(diào)整監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)的位置，受現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)境和維保人員技術(shù)等因素的影響，可能無(wú)法將其調(diào)整到有效范圍之內(nèi)，那么自監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)的設(shè)置就有可能成為一種擺設(shè)，無(wú)法保障制動(dòng)器的安全。

1.2 電氣制動(dòng)的要求及重要性

GB／T 7588.1—2020 中5.9.2.2.1.2 要求：“制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)具有機(jī)電式制動(dòng)器（摩擦型）。另外，還可增設(shè)其他制動(dòng)裝置（如電氣制動(dòng)）?！盵1]

TSG T7007—2022《電梯型式試驗(yàn)規(guī)則》（以下簡(jiǎn)稱型規(guī)）規(guī)定：“驅(qū)動(dòng)主機(jī)機(jī)電式工作制動(dòng)器作為AOCP 和UCMP 執(zhí)行部件時(shí)，還應(yīng)當(dāng)設(shè)置其他制動(dòng)裝置（如電氣制動(dòng))。在驅(qū)動(dòng)主機(jī)機(jī)電式工作制動(dòng)器失效時(shí)，該裝置應(yīng)當(dāng)能限制?？吭谌魏螌诱镜霓I廂的移動(dòng)速度，以符合以下要求：

（1）空載轎廂上行時(shí)，至少使對(duì)重撞擊緩沖器的速度限制在其緩沖器的設(shè)計(jì)速度范圍內(nèi)；

（2）裝載有不超過(guò)額定載重量的任何載荷的轎廂意外移動(dòng)時(shí)，在1.2 m 的移動(dòng)距離范圍內(nèi)使轎廂的速度不大于0.3 m／s。

其他電氣制動(dòng)裝置的元器件應(yīng)當(dāng)能承受電梯在額定速度運(yùn)行時(shí)意外停梯的沖擊。如果使用了封星接觸器，其觸點(diǎn)粘連時(shí)應(yīng)當(dāng)防止電梯的正常啟動(dòng)。

該裝置的制動(dòng)功能被取消時(shí)，電梯不能投入正常運(yùn)行。該裝置在電梯供電電源失效的情況下，可以不起作用?！盵2]

上述分析可以看出，永磁同步電梯的制動(dòng)器作為執(zhí)行元件，無(wú)法保護(hù)自己失效導(dǎo)致的AOCP 和UCMP。電氣制動(dòng)實(shí)際上是保護(hù)制動(dòng)器失效后的電梯，本身不屬于AOCP 或UCMP 的一部分，電氣制動(dòng)無(wú)法降低制動(dòng)器失效的概率，但是可以減少甚至避免制動(dòng)器失效造成的傷害。就目前階段的市場(chǎng)產(chǎn)品而言，GB／T 7588.1—2020 中要求的電氣制動(dòng)實(shí)際上只有封星，下文具體分析。

2 封星技術(shù)的原理和速度分析

2.1 封星技術(shù)的原理

封星的基本原理如圖1 所示。SW2 為封星接觸器，與運(yùn)行接觸器SW 的通斷時(shí)序?yàn)镾W 閉合、SW2 斷開(kāi)，SW 斷開(kāi)、SW2 閉合。當(dāng)電梯正常運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行接觸器得電吸合，封星接觸器SW2 得電斷開(kāi)不影響曳引機(jī)的正常運(yùn)行；當(dāng)電梯停止運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行接觸器SW 失電斷開(kāi)，封星接觸器SW2 閉合，曳引機(jī)的三相定子繞組被短接形成電氣回路，即封星。

圖1 封星技術(shù)原理圖

封星技術(shù)應(yīng)用在永磁同步驅(qū)動(dòng)電梯上其工作原理為：當(dāng)轎廂和對(duì)重重量不一致時(shí)，如果制動(dòng)器失效，電梯就會(huì)加速溜車，此時(shí)短接電動(dòng)機(jī)的三相輸入繞組就會(huì)形成閉合回路，旋轉(zhuǎn)的線圈切割磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生磁感應(yīng)電流，進(jìn)而產(chǎn)生制動(dòng)力矩，制動(dòng)力矩的方向與電梯系統(tǒng)機(jī)械力矩方向相反，當(dāng)二者達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)電梯就會(huì)在一個(gè)穩(wěn)定的速度下運(yùn)行[3]。

可以看出，封星制動(dòng)作為工作制動(dòng)器的冗余設(shè)計(jì)，正確動(dòng)作后可以給被困人員留出較為充足的避險(xiǎn)時(shí)間，也有利于救援人員開(kāi)展救援工作，從而減少因制動(dòng)器失效而引發(fā)的事故風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 封星速度計(jì)算

封星電路開(kāi)始工作時(shí)，電梯由零速開(kāi)始加速溜車，主機(jī)繞組中就會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)電流切割繞組產(chǎn)生電磁力，在這個(gè)反向電磁力的作用下電梯加速度將越來(lái)越小，當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)加速度為零，電梯系統(tǒng)將維持在一個(gè)穩(wěn)定的速度下運(yùn)行，忽略主機(jī)鐵耗、機(jī)械損耗、電梯井道內(nèi)風(fēng)阻和導(dǎo)軌摩擦情況下經(jīng)過(guò)復(fù)雜的計(jì)算推導(dǎo)可得到式（1）：

式中：

V——封星穩(wěn)定時(shí)電梯速度；

I——驅(qū)動(dòng)主機(jī)繞組電流值；

G——轎廂自重；

Q——轎廂實(shí)際載重量；

W——對(duì)重重量；

g——重力加速度；

R——定子電阻值。

上述公式是在理想狀況下進(jìn)行的推導(dǎo)，如果考慮井道內(nèi)風(fēng)阻和導(dǎo)軌摩擦，實(shí)際的封星速度會(huì)比計(jì)算值更小。

3 封星技術(shù)的應(yīng)用分析

3.1 無(wú)機(jī)房救援對(duì)轎廂的速度控制

對(duì)于僅配備了手動(dòng)松閘或電動(dòng)松閘的無(wú)機(jī)房電梯來(lái)說(shuō)，當(dāng)電梯故障困人時(shí)需要松閘救援工況下，若沒(méi)有封星，永磁同步曳引機(jī)在轎廂或?qū)χ氐耐蟿?dòng)下其轉(zhuǎn)速將越來(lái)越高，不利于轎廂平層的準(zhǔn)確停靠，如果制動(dòng)器閉合不及時(shí)就有可能導(dǎo)致轎廂快速移動(dòng)、轎廂沖頂?shù)任ｋU(xiǎn)狀況發(fā)生。通過(guò)封星短接驅(qū)動(dòng)主機(jī)的輸入繞組實(shí)現(xiàn)了轎廂速度的穩(wěn)定低速運(yùn)行，防止轎廂從低速轉(zhuǎn)為高速運(yùn)行，且對(duì)于采用手動(dòng)松閘的無(wú)機(jī)房電梯救援時(shí)也降低了遠(yuǎn)程松閘線不能復(fù)位導(dǎo)致電梯沖頂或蹲底的風(fēng)險(xiǎn)[4]。

3.2 防止制動(dòng)器失效后轎廂的快速移動(dòng)

型規(guī)規(guī)定了對(duì)于電氣制動(dòng)的要求主要有3 點(diǎn)：限制?？吭谌魏螌诱倦娞莸倪\(yùn)行速度即在1.2 m 的移動(dòng)距離范圍內(nèi)使轎廂的速度不大于0.3 m／s；能承受電梯在額定速度運(yùn)行意外停梯造成的沖擊；如果采用封星接觸器應(yīng)具有防粘連功能。

可以看出型規(guī)對(duì)于電氣制動(dòng)的動(dòng)作要求限定了在零速度或低速、層站位置開(kāi)始工作。這一點(diǎn)也是考慮到了目前永磁同步曳引機(jī)幾乎都是采用變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)，除了緊急制停工況，工作制動(dòng)器都是在電梯零速釋放，GB／T 7588.1—2020 也規(guī)定了主機(jī)通電之前，制動(dòng)器不能通電。因此工作制動(dòng)器在電梯高速運(yùn)行時(shí)需要緊急制停時(shí)突然失效的概率幾乎為零。據(jù)此結(jié)合型規(guī)要求，封星設(shè)計(jì)是在電梯靜止或低速運(yùn)行下的保護(hù)，當(dāng)電梯在較高速度需要緊急制停的工況，應(yīng)先由主機(jī)制動(dòng)器對(duì)主機(jī)進(jìn)行制動(dòng)，速度降到一定程度后封星電路開(kāi)始工作，由于高速封星電流在數(shù)百毫秒內(nèi)可達(dá)到數(shù)倍電梯額定電流，目前已有的廠家對(duì)封星電路進(jìn)行了改進(jìn)即高速封星加入延時(shí)電路，避免高速對(duì)于封星電路配置的接觸器容量過(guò)小造成其損壞或擊穿。

因此合理的封星設(shè)計(jì)觸發(fā)后可在UCMP 最大移動(dòng)距離范圍內(nèi)將轎廂速度降至0.3 m／s 以內(nèi)，在此期間層門由于自閉功能閉合、轎門也會(huì)在主板指令下閉合，給予乘客封閉、低速的安全空間，防止被困人員誤操作造成剪切風(fēng)險(xiǎn)和人身傷害。

3.3 STO 驅(qū)動(dòng)主機(jī)封星

安全轉(zhuǎn)矩取消（STO）是指能夠引起轉(zhuǎn)動(dòng)的電源不應(yīng)被應(yīng)用到電動(dòng)機(jī)，電氣調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)將不對(duì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電動(dòng)機(jī)提供能量，安全轉(zhuǎn)矩取消是驅(qū)動(dòng)器（變頻器或伺服驅(qū)動(dòng)器）整合的安全機(jī)能中最基本且最常見(jiàn)的機(jī)能。STO 一般會(huì)用在有馬達(dá)的設(shè)備中，此機(jī)能動(dòng)作時(shí)，不提供能量給馬達(dá)，因此馬達(dá)不會(huì)輸出轉(zhuǎn)矩，避免馬達(dá)未預(yù)期的啟動(dòng)[5]。STO 的安全可靠性主要包含2 個(gè)方面：在緊急情況下能夠迅速制動(dòng)；當(dāng)不滿足安全條件時(shí)不能啟動(dòng)。GB／T 7588.1—2020 規(guī)定了具有符合STO 功能的調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，其安全完整性等級(jí)應(yīng)達(dá)到SIL3 且硬件故障裕度至少為1。靜態(tài)元件控制實(shí)際上就是針對(duì)變頻調(diào)壓調(diào)速電梯中變頻器逆變單元采用的功率管元器件IGBT，這種元件通過(guò)脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）既可以控制其開(kāi)通又可以控制其斷開(kāi)，基于STO 的封星原理如圖2 所示。

圖2 STO 封星原理圖

圖2 中S1 ～S6 為IGBT 模塊，上下2 個(gè)開(kāi)關(guān)元器件分別交替交通，當(dāng)制動(dòng)器失效轎廂和對(duì)重的不平衡使電梯加速運(yùn)行時(shí)，通過(guò)PWM 程序設(shè)計(jì)將S1、S3、S5 或者S2、S4、S6 同時(shí)導(dǎo)通，這樣就將逆變器的輸出端短接實(shí)現(xiàn)封星，型規(guī)將此納入含有電子元件的安全電路一類，且SIL 等級(jí)為3 并留有故障裕度至少為1，SIL3 是型規(guī)中最高等級(jí)同時(shí)也是STO 主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61800-5-2《調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng) 第5-2部分：安全要求 功能》中要求的最高等級(jí)（標(biāo)準(zhǔn)中不考慮SIL4，因?yàn)槠渑c電氣傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)降低要求不相關(guān)），硬件故障裕度至少為1 則要求了電路至少能承受2 個(gè)或者2 個(gè)以上的故障（故障累積不能導(dǎo)致危險(xiǎn)發(fā)生），型規(guī)表R-10 中有具體闡述即應(yīng)具備比較功能的雙通道或多通道結(jié)構(gòu)，實(shí)際上就是一種設(shè)計(jì)冗余技術(shù)?？梢钥闯鲂鸵?guī)對(duì)于STO 的要求極為嚴(yán)格，符合要求的STO 將極大程度保障電梯的本質(zhì)安全。

4 封星技術(shù)目前存在的問(wèn)題

根據(jù)筆者的檢驗(yàn)經(jīng)歷結(jié)合GB／T 7588.1—2020 和型規(guī)，封星技術(shù)目前仍有下述幾個(gè)爭(zhēng)議問(wèn)題。

1）封星接觸器和主接觸器導(dǎo)通時(shí)序問(wèn)題。上述分析可知封星接觸器和主接觸器是交替導(dǎo)通狀態(tài)，且封星接觸器切斷的是變頻器的輸出端即驅(qū)動(dòng)主機(jī)的輸入電源，一旦電梯控制系統(tǒng)或線路發(fā)生故障，如果封星接觸器閉合變頻器仍有電壓就相當(dāng)于短路，可能導(dǎo)致變頻器零部件損壞等問(wèn)題發(fā)生，除此之外封星接觸器還需滿足型規(guī)要求的觸點(diǎn)防粘連功能，也就是說(shuō)還需對(duì)封星接觸器動(dòng)作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，另外GB／T 7588.1—2020 對(duì)于封星接觸器的選型并未明確規(guī)定，如其應(yīng)能承受的電流值、應(yīng)滿足的IP 級(jí)別等。

2）高速封星的危險(xiǎn)。封星的本質(zhì)就是將轎廂高速運(yùn)行中產(chǎn)生的勢(shì)能在驅(qū)動(dòng)主機(jī)內(nèi)部進(jìn)行消耗，通過(guò)封星接觸器強(qiáng)行吸合，在此期間會(huì)產(chǎn)生較大的短路電流。如果電梯在高速運(yùn)行時(shí)封星接觸器突然動(dòng)作就會(huì)產(chǎn)生較大的短路電流，有可能將封星接觸器等元器件擊穿損壞。另外由于磁通密度的原因，最初電流隨著同步永磁電機(jī)轉(zhuǎn)速增加而增加，當(dāng)電流增加到一定值磁路就會(huì)出現(xiàn)飽和，電機(jī)力矩反而會(huì)變小直至出現(xiàn)一種力矩平穩(wěn)狀態(tài)，如果其力矩值小于轎廂和對(duì)重之間的不平衡力矩，就有可能導(dǎo)致封星失敗。

3）基于STO 的軟件封星技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。STO 在達(dá)到更高安全等級(jí)情況下其不需要增加額外的元器件就能觸發(fā)瞬間實(shí)現(xiàn)封星使變頻器失去扭矩輸出[6]。就目前來(lái)講STO 功能多數(shù)集成在變頻器內(nèi)部，使用起來(lái)較為方便，但在國(guó)內(nèi)鮮有使用。一方面是STO 屬于集成驅(qū)動(dòng)安全的一種，需進(jìn)行嚴(yán)格的安全驗(yàn)證，按照型規(guī)的要求需按照可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)（PESSRAL）進(jìn)行試驗(yàn)且需達(dá)到SIL3 級(jí)別，增加了設(shè)計(jì)成本和軟硬件開(kāi)發(fā)成本；另一方面來(lái)看傳統(tǒng)的設(shè)備停機(jī)方式仍然是國(guó)內(nèi)主流。實(shí)際上在歐洲、中東和美洲在用的大多數(shù)變頻器都自帶STO 功能，GB／T 7588.1—2020 新增了STO 的功能要求也為其在國(guó)內(nèi)投入使用創(chuàng)造了可能。

5 建議

根據(jù)上述分析結(jié)合型規(guī)中要求，提出如下建議：

1）在零速或低速狀態(tài)下封星接觸器的選型。根據(jù)型規(guī)H5.2 的要求，驅(qū)動(dòng)主機(jī)應(yīng)當(dāng)能確保電梯在110%額定載重量和額定速度下運(yùn)行的能力，也就是說(shuō)電梯曳引機(jī)所需輸出力矩T應(yīng)該符合式（2）：

式中：

k——平衡系數(shù)，取0.5；

Q——額定載重量；

D——曳引輪節(jié)徑；

i——曳引比；

η1——驅(qū)動(dòng)主機(jī)效率，取0.85 ～0.90；

η2——系統(tǒng)傳動(dòng)效率，取0.90 ～0.95（效率取值適用于永磁同步電梯）。

當(dāng)空載或額定載荷封星，封星力矩T1應(yīng)滿足式（3）：

綜合式（2）和式（3）可以得到：T1≤0.609×T

可見(jiàn)在零速或低速狀態(tài)下，封星力矩一般在額定力矩的60%，如果僅考慮零速或低速封星，選用電流容量一般為主接觸器60%以上即可。

上述公式的推導(dǎo)未考慮轎廂運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的附加阻力如導(dǎo)軌摩擦、風(fēng)阻等，是理想模型下的計(jì)算情況。如果考慮附加阻力的影響且對(duì)于額定速度較高、曳引比較大的電梯，其誤差值會(huì)較大，但該公式仍有一定的參考意義。就目前在用的封星接觸器而言，其容量達(dá)到主接觸器的50%以上可以滿足要求。

2）在緊急制停工況下（如門刀碰撞門鎖、125%制動(dòng)試驗(yàn)等），如果強(qiáng)行封星則會(huì)導(dǎo)致逆變器輸出瞬間短路，會(huì)產(chǎn)生較大的瞬時(shí)電流，可能會(huì)造成驅(qū)動(dòng)主機(jī)過(guò)熱、接觸器損壞等。因此建議每個(gè)繞組中串入限流電阻并加入延時(shí)電路，先由工作制動(dòng)器將電梯速度降至一定范圍或者制停后封星電路再工作，延時(shí)電路應(yīng)調(diào)整至變頻器沒(méi)有輸出電流時(shí)起作用以保護(hù)接觸器觸點(diǎn)，避免“簡(jiǎn)單粗暴”的封星方式。

3）制造單位和檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)應(yīng)加大對(duì)于電氣制動(dòng)的研發(fā)。GB／T 7588.1—2020 和型規(guī)的修訂實(shí)際上是承認(rèn)了現(xiàn)行的永磁同步主機(jī)制動(dòng)器加上制動(dòng)器自監(jiān)測(cè)功能仍無(wú)法防止制動(dòng)力的突然失效，同時(shí)創(chuàng)新性地引入了STO 技術(shù)，制造單位和檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)地從理論分析、工程設(shè)計(jì)和試驗(yàn)檢驗(yàn)3 方面進(jìn)行深入研究，充分利用封星技術(shù)保護(hù)電梯的本質(zhì)安全。

6 結(jié)束語(yǔ)

封星技術(shù)通過(guò)短接永磁同步曳引機(jī)的三相繞組，使電梯能夠在一個(gè)較低的速度下穩(wěn)定運(yùn)行，從而大幅降低人員傷害及設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)。文章首先分析了封星技術(shù)的原理，其次歸納了封星技術(shù)在電氣制動(dòng)中的應(yīng)用場(chǎng)景并總結(jié)了其目前存在的問(wèn)題，最后從封星接觸器的選型、緊急制停工況下封星電路的設(shè)計(jì)和加大對(duì)于電氣制動(dòng)的研究3 方面提出改進(jìn)建議。