作者：张晓峰/上海交通大学机械与动力工程学院；王士琴/蒂升电梯(上海)有限公司
近年来，随着电梯的广泛应用，由于驱动主机工作制动器(以下简称制动器)失效造成的电梯伤人事故偶有发生。虽然人们对制动器的工作性能、结构冗余、自监测功能等方面进行了持续改进，但是制动器的工作特性及失效原因的离散性特点决定了不可能完全杜绝制动器的失效[1]。人们逐渐意识到仅仅依靠改进制动器是远远不够的，还需要有一个安全装置或者安全保护措施保护制动器失效后的电梯，以降低甚至消除乘客面临的安全风险[1]。类似的例子是，无论曳引钢丝绳如何改进完善，限速器-安全钳系统作为曳引钢丝绳失效后避免轿厢自由坠落的安全装置仍然被认为是不可或缺的。在国家市场监督管理总局于2022年1月25日发布的TSG T7007-2022《电梯型式试验规则》(以下简称型规)中，新增了曳引驱动电梯的其他制动装置(功能)的相关要求。该装置(功能)可以理解为制动器失效后对电梯保护的安全装置或者安全保护措施。型规中没有限制其他制动装置(功能)具体的实现方法，因此诸如驱动主机主动控制等方法均可以采用，但是驱动主机的封星技术因其经济可靠、通用性强等诸多优点而将得到广泛的应用。在本文中，笔者从与制动器失效相关的电梯运动特点出发，探讨用于电梯保护的驱动主机封星技术的基本原理以及相关应用中应注意的技术要点。任何原因造成的制动器失效，均可归结为制动器制动能力的衰减乃至完全丧失，最终导致轿厢发生了不受控的移动。与制动器失效相关的电梯运动具有如下特点。(1)制动器的失效多开始于电梯处于极低速度甚至零速状态时。当电梯在运行时，轿厢运行状态由驱动控制系统及电动机控制，而与制动器是否失效没有关系；当电梯已经减速运行在极低速度甚至到达零速时，要求制动器动作而制动器不能有效制动时，会导致轿厢发生不受控的移动；在轿厢停止运行期间，若制动器制动力矩不能平衡由轿厢侧和对重侧的重量差产生的力矩时，也会导致轿厢发生从零速开始的不受控的移动。(2)制动器的失效多开始于电梯处于层站位置时。电梯在正常运行模式下，只有轿厢停靠在层站位置时制动器才需要动作，才会存在制动器是否失效的问题；当轿厢处于其他位置时电梯是处于运行状态的，此时制动器是否失效一般不会影响乘客安全。(3)制动器失效造成的轿厢不受控的移动可以分为轿厢上行超速、轿厢下行超速和轿厢意外移动3种情况。轿厢的下行超速由限速器-安全钳系统和缓冲器组合来保护，现有产品已经考虑了这类风险。设计中应该重点考虑制动器失效造成的轿厢上行超速和轿厢意外移动这两类风险。(4)当轿厢发生不受控的移动时，乘客是否受伤以及伤害的程度与轿厢移动的速度息息相关。当轿厢上行移动到井道末端时，对重将撞击缓冲器。此时如果轿厢移动的速度在对重缓冲器可承受的范围内，则轿厢内乘客受到的伤害很小，可以被接受；当轿厢离开层站意外移动时，如果轿厢移动的速度足够低，如不超过0.30m/s，则乘客有足够的应急反应时间，大概率也能避免身体在门区受到建筑物和轿厢之间的剪切伤害[2]。根据上述分析，无论任何原因造成的制动器失效，如果有一个安全装置或者安全保护措施能够控制位于层站区域正以零速或者极低速度运行的轿厢的移动速度，避免其转为高速，就可以避免绝大多数因制动器失效造成的乘客伤害事故。封星技术就是这样一个安全装置或者安全保护措施。所谓封星技术是指按照星形接法短接永磁同步电动机绕组的输入端，使其产生与轿厢、对重重量不平衡相关的机械转矩相反的电磁转矩，从而实现在制动器即使完全失效时也能将电梯保持在恒定的低速运行状态的技术。根据短接电动机绕组方式的不同，封星技术主要有以下两种实现形式。(1)接触器封星。图1为典型的接触器封星电路，K1为封星接触器，其触点在电梯运行时断开，在电梯变频器不输出电流且主接触器K2触点断开后闭合，从而达到短路电动机三相线圈的目的[3]。封星接触器多采用主触点为常闭触点的接触器，以确保在电梯失电的情况下，依然可以短路电动机三相线圈。对于高速电梯，因主触点为常闭触点的大规格接触器较少，也可采用主触点为常开触点的接触器作为封星接触器。专业厂家生产的电梯一体式封星接触器，充分考虑了封星时电流变化以及电路时序等因素，故障率低、使用寿命长，也是比较好的选择。接触器封星的控制也会有软件参与，如用于接触器动作、延时控制和电路监测等。
(2)电子封星。如图2所示，利用既有的变频器逆变模块，在电梯停止运行后，一旦监测到轿厢发生异常移动，将下桥臂T4、T5和T6同时导通，从而达到短路电动机三相线圈的目的，实现驱动主机的封星[3]。
电子封星没有额外的硬件投入，成本较低。不使用封星接触器，避免了封星接触器相关的设备故障[4]。电子封星的智能化程度较高，可根据轿厢移动的速度采取不同的封星策略。当电梯处于高速运行状态时，可以选择不封星或者封星时实时调节和控制逆变模块的占空比，以避免封星电流对设备的冲击；当电梯处于零速或极低速度时，短路电动机三相线圈，实现对驱动主机的封星。电子封星对驱动控制系统有一定的要求，如对于主接触器布置在变频器和驱动主机之间的电梯，就无法实现电子封星。3 封星技术与制动器、轿厢上行超速保护装置等安全保护装置之间的关系轿厢上行超速保护装置和轿厢意外移动保护装置用于保护由于驱动主机及驱动控制系统的单一失效而引起的轿厢上行超速和轿厢意外移动。而符合GB/T 7588.1-2020《电梯制造与安装安全规范 第1部分：乘客电梯和载货电梯》等标准要求的制动器，如大多数的永磁同步驱动主机工作制动器，被认为不存在失效的风险，并且可以作为轿厢上行超速保护装置和轿厢意外移动保护装置的减速部件或制停元件。但是国内外多起制动器事故表明，永磁同步驱动主机工作制动器不仅可能会失效，并且是引起轿厢上行超速和轿厢意外移动的主要风险源[1]。型规要求的其他制动装置(功能)，如封星技术等，是在没有配置独立的轿厢上行超速保护装置和轿厢意外移动保护装置的情况下，对制动器失效的保护，适用于大多数配置了永磁同步驱动主机的电梯。它是对现有的轿厢上行超速保护装置和轿厢意外移动保护装置保护的有力补充。对于其他类型的制动器，如蜗轮蜗杆驱动主机工作制动器，现有独立的轿厢上行超速保护装置和轿厢意外移动保护装置，如夹绳器、双向安全钳等，已经保护了工作制动器失效引起的轿厢上行超速和轿厢意外移动的风险，因此不需要配置其他制动装置(功能)。制动器或轿厢上行超速保护装置等电梯安全保护装置动作时，都会制动并最终止停轿厢。封星技术产生的制动力矩依赖于驱动主机的运行状况。当驱动主机旋转时，将产生一定的制动力矩；当驱动主机停止旋转时，该制动力矩将会完全消失。而在封星技术参与制动器或电梯安全保护装置制停过程时，会使轿厢更快地减速，但不会改变是否能最终使轿厢停止的结果。因此在现场整梯上进行制动器或电梯安全保护装置试验时，若要测试制停过程中的某些数据，如轿厢减速度、移动距离等，并作为试验结果的判定，则应在试验前拆除电梯封星装置(功能)，以消除封星对制停过程的影响；若以是否能最终使轿厢停止作为结果进行判定的，则不必拆除电梯封星装置(功能)。电梯在零速或者极低速运行时，若进入封星状态，电动机的封星电流远小于电动机的额定电流，对设备的冲击可忽略不计，在此不进行详述。在电梯正常运行时，因急停等偶发原因可能会发生高速运行情况下的封星。此时瞬间的电动机封星电流往往比较大，会对设备造成一定的冲击。图3是一台额定速度为2.00m/s、额定载重量为1000kg的乘客电梯在满载上行、急停情况下电动机封星时实测的电动机电流曲线。笔者以此为例，分析电动机封星特性。
(1)从主接触器触点断开至封星接触器触点闭合阶段。主接触器的断开切断了变频器和电动机的连接，此时电动机处于开路状态，电动机的电流为零；经过98.78ms以后，封星接触器的封星触点闭合。该时间为封星接触器触点闭合时间和驱动主机主接触器触点断开时间的差值。该电梯未配置任何故意的延时电路；如果采用延时设计，则相当于制动器“提前”动作，可以减少封星时电动机的瞬间电流，以降低对设备的冲击。(2)从封星触点闭合至制动器开始制动阶段。封星触点闭合后，形成封星电路，电动机产生封星制动力矩。制动初期有较大的电流，瞬间可达到电动机额定电流的3倍左右，但维持的时间较短，仅为62.73ms。由于瞬间电流值相当于电动机堵转电流，且持续时间很短，因此在制动器有效的情况下不会造成电动机损坏[5]。若此时制动器恰好失效，电动机的封星制动力矩又不足以制停轿厢，那么其大电流将持续较长时间，可能会损坏电动机。但因为偶发急停而制动器同时失效的概率极低，因此不必考虑此风险。(3)从制动器开始制动至轿厢完全停止阶段。制动器产生的制动力矩与封星制动力矩共同作用使轿厢减速运行直至停止；其间电动机的封星电流快速下降直至为零。根据本文第3.2章的分析，在选择封星接触器时，应分别考虑电梯在零速或者极低速运行时封星以及高速运行偶发急停时封星两种工况。(1)电梯在零速或者极低速运行时封星。电梯将持续平稳运行，直至轿厢或对重缓慢撞击至缓冲器。其间轿厢移动的速度较低(型规要求不大于0.30m/s，实测多数在0.15m/s以下)，运行时间较长(随电梯提升高度而变化，可达到数千秒)。因电动机发电效率及机械传动效率等因素，实测封星时电动机的电流往往在驱动主机额定电流的50%以下。笔者认为可根据制造厂商提供的使用类别为AC-1时的额定电流值选择接触器容量，即封星接触器使用类别为AC-1时的额定电流值应大于驱动主机额定电流的50%。(2)电梯高速运行偶发急停时封星。电动机瞬间封星电流可达到其额定电流的3倍左右，持续数百毫秒以内。可根据制造厂商提供的1s允许耐受电流值选择接触器容量，即封星接触器1s允许耐受电流值应大于驱动主机额定电流的3倍。封星时电动机的电流与封星电路的时延、制动器响应时间、电动机的结构及驱动主机在整机上的配置余量等诸多因素相关，电动机封星电流和封星接触器的容量选择应根据上述两种工况试验测量的结果。按照笔者近年来数百台电梯试验的经验，封星接触器的容量选择主接触器容量的50%以上就可以满足日常使用的要求。制动器事故调查中已发现有封星接触器装反、接线错误等问题导致封星保护功能失效的案例。由于封星电路在电梯正常运行时是没有电流的，仅仅采用常规的触点防粘连监测和缺相保护监测并不能保证封星电路的完整性，不能防止类似事故的再发生。对于接触器封星，笔者认为还应该采取下述电气方法或者机械方法进行定期自动监测。(1)电气方法。定期(例如，间隔不超过24h)对封星电路的电流或电阻进行检测，确认封星电路的状态是否正常。(2)机械方法。定期(例如，间隔不超过24h)对封星有效性进行检测。在确认退出电梯服务状态后，打开制动器，检测轿厢移动的速度及变化趋势，判断封星是否起作用。另外，对于一体式封星接触器，也可采用提高本体安全性以及与特定驱动控制系统结合的状态监测等综合措施。对于电子封星，由于其电路共用于电梯正常运行时的驱动控制电路，且已经自带监测，因此不必按照上述方法进行监测。型规规定的其他制动装置(功能)承担了制动器失效后电梯保护的重要功能，其重要性不亚于GB/T 7588.1-2020规定的轿厢上行超速保护装置和轿厢意外移动保护装置。封星技术作为其他制动装置(功能)的主要实现形式，可有效降低因制动器失效而引起的轿厢上行超速和轿厢意外移动对乘客的伤害风险，从而避免事故。作为型规新增的要求，如何进一步完善电梯的封星技术，亟待行业的共同努力。[1]梁广炽.欧洲电梯标准在我国遇到的几个技术问题的探讨[J].中国电梯,2020,31(6):21-25.[2]陈瑾.浅析封星技术在永磁同步无齿轮电梯上的应用:以电梯轿厢意外移动为例[J].信息系统工程,2019(9):95.[3]刘文.基于变频器STO功能的电子封星功能[J].今日制造与升级,2021(5):28-34.[4]范大颖,吕增及.电子封星技术在电梯运行安全中的应用[J]. 工程技术研究,2020,2(2):161-162.[5]梁丙雪,王大志,徐广人,等.无齿轮永磁同步曳引机封星速度研究[J].中国电梯,2018,29(17):7-10.
来源：《中国电梯》杂志
