封星技術及其在電氣制動中的應用

沈書林 盛一騫 戴 揚 蔡大偉

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院宿遷分院 宿遷 223800）

1 概述

隨著城鎮化進程加快、老舊小區改造及軌道交通等城鎮基礎建設力度的加強，電梯產量也隨之快速增長。根據國家市場監督管理總局發布的《2022 年全國特種設備安全狀況的通告》，截至2022 年底，全國在用電梯數量達964.46 萬臺。其中永磁同步曳引驅動主機以其節能環保、占有面積小等優點越來越成為電梯行業的新寵。封星技術作為永磁同步電梯制動器失效的預防措施，可以降低電梯沖頂或蹲底造成的損害，對于降低事故發生概率有重要意義。

1.1 制動器自監測的殘余風險分析

自監測是對每組制動臂的提起（釋放）或制動力的驗證，在一定程度上能夠預防制動器故障帶來的事故，但僅依靠自監測無法解決制動器所有的故障且受目前的技術限制，自監測還存在下述殘余風險：

1）對于制動力的驗證，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》規定了最大值為7 d 或者24 h 的間隔驗證，這種驗證的前提是假定了制動力的衰減是緩慢的，彈簧和制動閘瓦屬于自然磨損，沒有考慮到制動力突然衰減或消失的風險，實際上目前制動器失效的主要形式是制動器卡阻導致制動力突然消失，這也是目前市場監管總局開展鼓式制動器安全隱患排查的一個重要原因。

2）對于制動器提起（釋放）的驗證，目前在用的自監測手段主要是對于制動器提起的驗證，提起驗證是考慮了制動閘瓦的磨損、溫升、電網電壓波動等不利因素作用下制動器打開后制動閘瓦與制動盤之間仍有制造單位規定的間隙范圍，忽略了更重要的釋放驗證。GB／T 24478—2009《電梯曳引機》規定了制動器制動力矩為額定力矩的2.5 倍，當制動力降至額定力矩的2 倍以下時如果單組制動臂失效就有可能導致事故發生，因此對制動器釋放的監測應在壓縮行程降至80%之前起作用。

實際上制動器的提起或釋放間隙一般在0.15 ～0.3 mm 之間，一方面實際的安裝過程中很難將自監測開關的位置安裝在上述范圍之內，如果間隙小于現場固定螺絲的配合公差還需在制造現場進行逐個調整，在運輸過程中如果因振動等因素有可能使其失效；另一方面在使用過程中如果因磨損、制動器拆解保養等原因需要調整監測開關的位置，受現場安裝環境和維保人員技術等因素的影響，可能無法將其調整到有效范圍之內，那么自監測開關的設置就有可能成為一種擺設，無法保障制動器的安全。

1.2 電氣制動的要求及重要性

GB／T 7588.1—2020 中5.9.2.2.1.2 要求：“制動系統應具有機電式制動器（摩擦型）。另外，還可增設其他制動裝置（如電氣制動）。”[1]

TSG T7007—2022《電梯型式試驗規則》（以下簡稱型規）規定：“驅動主機機電式工作制動器作為AOCP 和UCMP 執行部件時，還應當設置其他制動裝置（如電氣制動)。在驅動主機機電式工作制動器失效時，該裝置應當能限制停靠在任何層站的轎廂的移動速度，以符合以下要求：

（1）空載轎廂上行時，至少使對重撞擊緩沖器的速度限制在其緩沖器的設計速度范圍內；

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

其他電氣制動裝置的元器件應當能承受電梯在額定速度運行時意外停梯的沖擊。如果使用了封星接觸器，其觸點粘連時應當防止電梯的正常啟動。

該裝置的制動功能被取消時，電梯不能投入正常運行。該裝置在電梯供電電源失效的情況下，可以不起作用。”[2]

上述分析可以看出，永磁同步電梯的制動器作為執行元件，無法保護自己失效導致的AOCP 和UCMP。電氣制動實際上是保護制動器失效后的電梯，本身不屬于AOCP 或UCMP 的一部分，電氣制動無法降低制動器失效的概率，但是可以減少甚至避免制動器失效造成的傷害。就目前階段的市場產品而言，GB／T 7588.1—2020 中要求的電氣制動實際上只有封星，下文具體分析。

2 封星技術的原理和速度分析

2.1 封星技術的原理

封星的基本原理如圖1 所示。SW2 為封星接觸器，與運行接觸器SW 的通斷時序為SW 閉合、SW2 斷開，SW 斷開、SW2 閉合。當電梯正常運行時，運行接觸器得電吸合，封星接觸器SW2 得電斷開不影響曳引機的正常運行；當電梯停止運行時，運行接觸器SW 失電斷開，封星接觸器SW2 閉合，曳引機的三相定子繞組被短接形成電氣回路，即封星。

圖1 封星技術原理圖

封星技術應用在永磁同步驅動電梯上其工作原理為：當轎廂和對重重量不一致時，如果制動器失效，電梯就會加速溜車，此時短接電動機的三相輸入繞組就會形成閉合回路，旋轉的線圈切割磁場會產生磁感應電流，進而產生制動力矩，制動力矩的方向與電梯系統機械力矩方向相反，當二者達到平衡狀態時電梯就會在一個穩定的速度下運行[3]。

可以看出，封星制動作為工作制動器的冗余設計，正確動作后可以給被困人員留出較為充足的避險時間，也有利于救援人員開展救援工作，從而減少因制動器失效而引發的事故風險。

2.2 封星速度計算

封星電路開始工作時，電梯由零速開始加速溜車，主機繞組中就會產生制動電流切割繞組產生電磁力，在這個反向電磁力的作用下電梯加速度將越來越小，當達到平衡時加速度為零，電梯系統將維持在一個穩定的速度下運行，忽略主機鐵耗、機械損耗、電梯井道內風阻和導軌摩擦情況下經過復雜的計算推導可得到式（1）：

式中：

V——封星穩定時電梯速度；

I——驅動主機繞組電流值；

G——轎廂自重；

Q——轎廂實際載重量；

W——對重重量；

g——重力加速度；

R——定子電阻值。

上述公式是在理想狀況下進行的推導，如果考慮井道內風阻和導軌摩擦，實際的封星速度會比計算值更小。

3 封星技術的應用分析

3.1 無機房救援對轎廂的速度控制

對于僅配備了手動松閘或電動松閘的無機房電梯來說，當電梯故障困人時需要松閘救援工況下，若沒有封星，永磁同步曳引機在轎廂或對重的拖動下其轉速將越來越高，不利于轎廂平層的準確停靠，如果制動器閉合不及時就有可能導致轎廂快速移動、轎廂沖頂等危險狀況發生。通過封星短接驅動主機的輸入繞組實現了轎廂速度的穩定低速運行，防止轎廂從低速轉為高速運行，且對于采用手動松閘的無機房電梯救援時也降低了遠程松閘線不能復位導致電梯沖頂或蹲底的風險[4]。

3.2 防止制動器失效后轎廂的快速移動

型規規定了對于電氣制動的要求主要有3 點：限制停靠在任何層站電梯的運行速度即在1.2 m 的移動距離范圍內使轎廂的速度不大于0.3 m／s；能承受電梯在額定速度運行意外停梯造成的沖擊；如果采用封星接觸器應具有防粘連功能。

可以看出型規對于電氣制動的動作要求限定了在零速度或低速、層站位置開始工作。這一點也是考慮到了目前永磁同步曳引機幾乎都是采用變頻驅動技術，除了緊急制停工況，工作制動器都是在電梯零速釋放，GB／T 7588.1—2020 也規定了主機通電之前，制動器不能通電。因此工作制動器在電梯高速運行時需要緊急制停時突然失效的概率幾乎為零。據此結合型規要求，封星設計是在電梯靜止或低速運行下的保護，當電梯在較高速度需要緊急制停的工況，應先由主機制動器對主機進行制動，速度降到一定程度后封星電路開始工作，由于高速封星電流在數百毫秒內可達到數倍電梯額定電流，目前已有的廠家對封星電路進行了改進即高速封星加入延時電路，避免高速對于封星電路配置的接觸器容量過小造成其損壞或擊穿。

因此合理的封星設計觸發后可在UCMP 最大移動距離范圍內將轎廂速度降至0.3 m／s 以內，在此期間層門由于自閉功能閉合、轎門也會在主板指令下閉合，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險和人身傷害。

3.3 STO 驅動主機封星

安全轉矩取消（STO）是指能夠引起轉動的電源不應被應用到電動機，電氣調速傳動系統將不對產生轉矩的電動機提供能量，安全轉矩取消是驅動器（變頻器或伺服驅動器）整合的安全機能中最基本且最常見的機能。STO 一般會用在有馬達的設備中，此機能動作時，不提供能量給馬達，因此馬達不會輸出轉矩，避免馬達未預期的啟動[5]。STO 的安全可靠性主要包含2 個方面：在緊急情況下能夠迅速制動；當不滿足安全條件時不能啟動。GB／T 7588.1—2020 規定了具有符合STO 功能的調速電氣傳動系統，其安全完整性等級應達到SIL3 且硬件故障裕度至少為1。靜態元件控制實際上就是針對變頻調壓調速電梯中變頻器逆變單元采用的功率管元器件IGBT，這種元件通過脈寬調制技術（PWM）既可以控制其開通又可以控制其斷開，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 個開關元器件分別交替交通，當制動器失效轎廂和對重的不平衡使電梯加速運行時，通過PWM 程序設計將S1、S3、S5 或者S2、S4、S6 同時導通，這樣就將逆變器的輸出端短接實現封星，型規將此納入含有電子元件的安全電路一類，且SIL 等級為3 并留有故障裕度至少為1，SIL3 是型規中最高等級同時也是STO 主要設計標準IEC 61800-5-2《調速電氣傳動系統 第5-2部分：安全要求 功能》中要求的最高等級（標準中不考慮SIL4，因為其與電氣傳動調速系統的風險降低要求不相關），硬件故障裕度至少為1 則要求了電路至少能承受2 個或者2 個以上的故障（故障累積不能導致危險發生），型規表R-10 中有具體闡述即應具備比較功能的雙通道或多通道結構，實際上就是一種設計冗余技術。可以看出型規對于STO 的要求極為嚴格，符合要求的STO 將極大程度保障電梯的本質安全。

4 封星技術目前存在的問題

根據筆者的檢驗經歷結合GB／T 7588.1—2020 和型規，封星技術目前仍有下述幾個爭議問題。

1）封星接觸器和主接觸器導通時序問題。上述分析可知封星接觸器和主接觸器是交替導通狀態，且封星接觸器切斷的是變頻器的輸出端即驅動主機的輸入電源，一旦電梯控制系統或線路發生故障，如果封星接觸器閉合變頻器仍有電壓就相當于短路，可能導致變頻器零部件損壞等問題發生，除此之外封星接觸器還需滿足型規要求的觸點防粘連功能，也就是說還需對封星接觸器動作狀態進行監控，另外GB／T 7588.1—2020 對于封星接觸器的選型并未明確規定，如其應能承受的電流值、應滿足的IP 級別等。

2）高速封星的危險。封星的本質就是將轎廂高速運行中產生的勢能在驅動主機內部進行消耗，通過封星接觸器強行吸合，在此期間會產生較大的短路電流。如果電梯在高速運行時封星接觸器突然動作就會產生較大的短路電流，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轉速增加而增加，當電流增加到一定值磁路就會出現飽和，電機力矩反而會變小直至出現一種力矩平穩狀態，如果其力矩值小于轎廂和對重之間的不平衡力矩，就有可能導致封星失敗。

3）基于STO 的軟件封星技術的實現。STO 在達到更高安全等級情況下其不需要增加額外的元器件就能觸發瞬間實現封星使變頻器失去扭矩輸出[6]。就目前來講STO 功能多數集成在變頻器內部，使用起來較為方便，但在國內鮮有使用。一方面是STO 屬于集成驅動安全的一種，需進行嚴格的安全驗證，按照型規的要求需按照可編程電子安全相關系統（PESSRAL）進行試驗且需達到SIL3 級別，增加了設計成本和軟硬件開發成本；另一方面來看傳統的設備停機方式仍然是國內主流。實際上在歐洲、中東和美洲在用的大多數變頻器都自帶STO 功能，GB／T 7588.1—2020 新增了STO 的功能要求也為其在國內投入使用創造了可能。

5 建議

根據上述分析結合型規中要求，提出如下建議：

1）在零速或低速狀態下封星接觸器的選型。根據型規H5.2 的要求，驅動主機應當能確保電梯在110%額定載重量和額定速度下運行的能力，也就是說電梯曳引機所需輸出力矩T應該符合式（2）：

式中：

k——平衡系數，取0.5；

Q——額定載重量；

D——曳引輪節徑；

i——曳引比；

η1——驅動主機效率，取0.85 ～0.90；

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

當空載或額定載荷封星，封星力矩T1應滿足式（3）：

綜合式（2）和式（3）可以得到：T1≤0.609×T

可見在零速或低速狀態下，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。

上述公式的推導未考慮轎廂運行時產生的附加阻力如導軌摩擦、風阻等，是理想模型下的計算情況。如果考慮附加阻力的影響且對于額定速度較高、曳引比較大的電梯，其誤差值會較大，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%制動試驗等），如果強行封星則會導致逆變器輸出瞬間短路，會產生較大的瞬時電流，可能會造成驅動主機過熱、接觸器損壞等。因此建議每個繞組中串入限流電阻并加入延時電路，先由工作制動器將電梯速度降至一定范圍或者制停后封星電路再工作，延時電路應調整至變頻器沒有輸出電流時起作用以保護接觸器觸點，避免“簡單粗暴”的封星方式。

3）制造單位和檢驗機構應加大對于電氣制動的研發。GB／T 7588.1—2020 和型規的修訂實際上是承認了現行的永磁同步主機制動器加上制動器自監測功能仍無法防止制動力的突然失效，同時創新性地引入了STO 技術，制造單位和檢驗機構應與時俱進地從理論分析、工程設計和試驗檢驗3 方面進行深入研究，充分利用封星技術保護電梯的本質安全。

6 結束語

封星技術通過短接永磁同步曳引機的三相繞組，使電梯能夠在一個較低的速度下穩定運行，從而大幅降低人員傷害及設備損壞的風險。文章首先分析了封星技術的原理，其次歸納了封星技術在電氣制動中的應用場景并總結了其目前存在的問題，最后從封星接觸器的選型、緊急制停工況下封星電路的設計和加大對于電氣制動的研究3 方面提出改進建議。