一起電梯能量回饋裝置故障分析

鄒學敏

（湖南省特種設備檢驗檢測研究院永州分院 永州 425001）

能量回饋是電梯節能技術常采用的一種形式。不過使用這種技術對電梯安全運行帶來的風險，目前沒有很好的評估和檢驗手段。TSG T7001—2009《電梯監督檢驗和定期檢驗規則——曳引與強制驅動電梯》的第2號修改單中雖然增加了加裝能量回饋裝置檢驗項目，但是也僅是從核對產品銘牌與產品質量證明文件的一致性來檢驗；TSG T7001—2023《電梯監督檢驗和定期檢驗規則——曳引與強制驅動電梯》（簡稱檢規）更是沒有相應的檢驗項目；甚至對于集成式能量回饋裝置，就連TSG T7007—2022《電梯型式試驗規則》里也沒有相應檢驗項目。這代表此類裝置對電梯的安全運行沒有任何風險嗎？下面將通過一個電梯故障案例來探討此類裝置給電梯運行帶來的風險和檢驗時的注意事項。

1 案例簡述

一臺制造日期為2013年5月10日有機房曳引驅動乘客電梯平時運行正常，但在定期檢驗進行空載工況曳引能力試驗時，切斷主電源開關后電梯仍然能主板帶電加速上行一段距離，直至控制柜一塊控制板冒火花后，電梯的主板才能斷電且停梯。停梯時電梯曳引鋼絲繩有輕微滑移。以上現場與檢規中A1.3.11.1（2）項“……切斷電機與制動器供電，觀察轎廂（運載裝置）是否完全停止”[1]的要求不符。該故障電梯的基本工作參數見表1。

表1 電梯基本工作參數和配置情況

2 案例分析

經檢查該電梯主開關正常的開合閘，且將主開關斷開后，用試電筆檢測其輸出端不帶電；另外此臺電梯平衡系數為0.46，制動器手動松閘試驗時，制動器能靈活、無卡阻的打開和閉合；給制動器單獨供電時，制動器也能靈活、無遲滯的打開和閉合；并且該電梯并沒有配置自動救援操作裝置。

根據以上查驗情況可以排除電梯主開關故障、制動器卡阻、制動器剩磁過大和制動力矩不足導致該電梯上行制動工況曳引檢查試驗不符合要求；此外根據電梯最終停梯時電梯曳引鋼絲繩僅有輕微滑移的情況，還可以排除曳引力不足導致以上現象發生。那究竟是什么原因導致該電梯切斷主電源后仍然能帶電加速運行一段距離？現場維保人員的解釋是控制柜內392板上的壓敏電阻損壞導致。他們以前遇到這種狀況，換了壓敏電阻后，電梯上行切斷主開關，電梯就能迅速制動。根據維保人員的描述，該電梯故障應是電梯的控制電路板故障所致。從表1還可以發現該電梯配置有能量回饋節能裝置。那么該電梯在切斷外部電源后主板依然有帶電運行的狀況，是電梯空載上行，系統的勢能轉化為曳引主機旋轉的機械能，永磁同步電機處于發電狀態，發出的電能通過能量回饋節能裝置又反饋給電梯所致？但根據該電梯制造標準GB 7588—2003《電梯制造和安裝安全規范》中12.4.2.3.2條“當電梯的電機有可能起發電作用時，應能防止該電機向操縱制動器的電氣裝置饋電”[2]，電梯應有防止回饋的能量向電梯制動器控制回路供電的功能；以及根據GB/T 32271—2015《電梯能量回饋裝置》中4.4.1條“當電網電壓超過回饋裝置的過/欠壓保護電壓時，回饋裝置應能停止運行，并向電梯提供相應的故障信號”，能量回饋節能裝置應有電網故障保護功能[3]。如維保人員的描述，更換壓敏電阻就能解決該電梯的故障，那么壓敏電阻在電梯的以上2項保護功能中起了什么作用？經過再次現場查驗，發現冒火花的控制板為392板，見圖1。

圖1 現場冒火花的392板

經查閱電梯電氣原理圖中的元件說明表，392控制板是電路的整流模塊板，針對其電氣原理圖（如圖2所示），做如下分析：

圖2 392板電氣原理圖

通過圖2可知，此電路板的作用是給主運行接觸器K201線圈供電。圖中壓敏電阻的作用是電路正常工作時阻值很大，當電壓達到其閾值時電阻急劇降低，泄放大電流，以防止尖峰電壓產生的過載電流對主運行接觸器線圈的沖擊；整流橋輸出端是典型的RC濾波電路，通過濾波讓主運行接觸器線圈得到穩定的工作電源。從電梯上拆下此板，發現電路板上的壓敏電阻有明顯燒蝕痕跡，用萬用表檢查此元件電阻值為0 Ω，電路板上其他各元器件均正常。這說明此壓敏電阻曾承受過很大電壓或電流，已被擊穿。此型號的壓敏電阻產品參數見表2。

表2 壓敏電阻產品參數表

查詢表2可知，此壓敏電阻最大承受電壓是710 V，最大承受電流是50 A。那么切斷主電源后為什么還有如此大的電壓或電流，為什么此元件被擊穿后電梯就能停止運行了？結合此電梯驅動控制電路電氣原理圖（如圖3所示），做如下分析：

圖3 電梯驅動控制電路電氣原理圖

由圖3可見，此電梯制動時，電梯電機處于發電狀態，此時主運行接觸器K201斷開，其常閉輔助觸點61-62、71-72閉合，產生的多余電能由385板通過常閉的F298空氣斷路器、K201的常閉輔助觸點，回饋給L2和L3供電電源線上，再通過主開關Q1返回電網。通過圖3還可以發現，只要K201線圈是通電的，能量回饋功能就不會投入使用。這樣可以防止電梯運行時，電源通過能量回饋裝置反向給電梯驅動模塊充電，以及電機再生發電的電流跟電網電流疊加對電梯驅動模塊的沖擊；而且切斷主開關Q1后L3供電線上失電，電源板上控制電流變壓器的初級線圈失電，給392板供電的230 V的次級線圈也將失電，這樣主運行接觸器K201線圈也將失電，K201開關的常開觸點1-2、3-4、5-6打開，電機再生發電的電源也不會回饋給電梯的電機和制動器。為什么有這么多重保護電梯依然可以在切斷主開關后帶電正常運行一段時間？結合圖3，現場進一步排查，發現電源板上控制電流變壓器錯接到了L1、L2供電電源線上，且能量回饋線路并未經過K201開關常閉輔助觸點61-62、71-72，直接連接到了L1、L2供電電源線上。具體接線情況見電梯驅動控制電路實際接線圖，如圖4所示。

圖4 電梯驅動控制電路實際接線圖

由圖4可知，切斷主開關Q1后，空載上行的電梯電機處于再生發電狀態，其產生的電流通過回饋電路重新返回電機的驅動電路中，電源板也因為L2和L3電源線上有電，繼續給電梯控制柜內各個元件供電，造成了切斷主電源后，電梯有主板帶電繼續運行的現象。而且此時電機的變頻器將瞬間缺相運行，變頻器的直流母線電壓下降。當永磁同步電機采用id=0控制策略時，有以下電梯勻速運行時的機電聯系方程式，見式（1）[4]：

式中：

Te——電磁轉矩；

np——磁極對數；

ψf——轉子磁鏈；

iq——定子電流在q軸上的分量；

T1——總負載轉矩。

同時電機電壓見式（2）[5]：

式中：

ωr——轉子角速度；

uq——定子電壓在q軸上的分量；

Rs——定子相繞組電阻值。

將式（2）代入式（1），可得式（3）：

式中：

C1，C2——常數。

由式（3）可見，當uq下降，電磁轉矩Te也隨之減少，電梯的平衡狀態被打破，電梯在對重的拖拽下加速上升。通過式（2）可知，隨著電梯曳引轉速的上升，電機產生的電壓uq升高，這時電路驅動模塊中的直流母線中的直流電壓也隨之升高。而能量反饋裝置相當于一個單相的電壓型全橋逆變電路，因此有以下關聯，見式（4）[6]：

式中：

U01——輸出交流電壓基波的幅值；

Ud——輸入直流母線的電壓值。

由式（4）可知，隨著直流母線的電壓值升高，反饋到回饋回路的電壓也隨之迅速升高，直至392板中的壓敏電阻被擊穿短路，導致392板無輸出，K201線圈失電，切斷電機和抱閘線圈的供電，電梯停止運行。進一步分析，如果392板壓敏電阻一直是正常的，當電壓達到壓敏電阻閾值275 V時，壓敏電阻阻值急劇降低，使流過K201線圈的電流減少，K201開關斷開，電梯停止運行。不過電梯運行時頻繁處于發電狀態，會導致壓敏電阻發熱老化，進而失去保護作用[7]。電梯正常運行過程中，電梯電機啟停由運行接觸器K203、L2共同控制，電梯制動器的開閉由制動器接觸器K1和運行接觸器K203共同控制，其中運行接觸器K203由安全回路和電梯控制系統共同控制，電梯安全回路故障時，電梯也能正常響應故障信號，因此上述電路的誤接和壓敏電阻的損壞無法被電梯本身的電氣系統檢查出來。電梯長期在此狀態下運行，有外網和能量回饋電流疊加燒損控制柜驅動模塊，以及危險情況下切斷主電源不能及時制停電梯的風險。

上述案例的電梯運行接觸器控制電路電氣原理圖如圖5所示。

圖5 電梯運行接觸器控制電路電氣原理圖

由圖5可以發現，如果進行制動工況試驗時，不嚴格按照檢規規定的方法執行，而是采用按控制柜急停開關的方式來進行試驗，日常維保和檢驗工作也不能檢查出電梯能量回饋裝置存在上述缺陷。因為根據圖5，當按下緊急停止開關后，安全回路斷開，這將切斷運行接觸器K203線圈的供電，K203的常開觸點斷開，主接觸器K201和制動器供電電路被切斷，電梯能正常停止運行，所以用此方法是不能檢出能量回饋裝置電網故障保護功能失效的缺陷。

3 檢驗注意事項

通過以上案例分析，可以發現能量回饋裝置接線不慎，會導致電梯在緊急操作和外網停電時失控運行，以及能量回饋裝置的電網故障保護功能失效的風險。由于現行檢規中沒有能量回饋裝置的檢驗項目，因此結合以上案例，筆者認為檢驗此類電梯時應注意以下事項：

1）依據GB/T 32271—2015中4.4條對電梯能量回饋裝置應具有的保護功能有所認識，才能做到有的放矢。檢驗時結合標準條款要求，通過查看電梯相關設計文件和咨詢設備生產廠家技術人員，判斷電梯能量回饋裝置的保護功能是否齊全，功能是否符合標準要求。

2）進行空載工況曳引能力試驗時，必須嚴格依照檢規上規定的方法，采取切斷電動機與制動器供電的方法進行；嚴禁采取按控制柜急停開關等通過切斷安全回路的方式來進行試驗，以防電梯能量回饋裝置電網故障保護功能失效的缺陷被漏檢。

3）如果試驗過程中電梯出現異常運行狀態，檢驗人員需在讀懂電氣原理圖的前提下，有現場實物核對的能力，這樣才能更好地發現設備電路隱藏的安全隱患。

4）要能依據標準條款的要求和電梯的電氣原理圖，針對電梯的安全隱患制定相應的驗證試驗項目，以確定發生缺陷的原因。例如出現案例所述異常情況，可采取在回饋線路至電梯外部供電線路之間的線路間事先設置的鉗形表是否能檢測到電流的存在，來判斷電梯在切斷外部電源時能量回饋裝置是否能停止運行，來確定電梯能量回饋裝置電網故障保護功能失效的缺陷。

4 結束語

電梯能量回饋技術有著大量的應用，然而這項技術的潛在風險卻沒有被大家充分認識和識別，目前也沒有很好的檢驗方法去檢驗在用電梯能量回饋裝置的缺陷。本文通過案例分析，討論了電梯能量回饋裝置故障對電梯的安全運行可能產生的安全隱患，并粗略地提出了檢驗此類裝置過程中的注意事項，可以為檢驗員檢驗電梯類似電氣功能缺陷提供一定參考。期望有關技術機構也能重視電梯能量回饋技術的潛在風險，加大技術研發力度，研究適合在用電梯能量回饋裝置缺陷診斷的檢驗方法和檢驗設備。