封星技术及其在电气制动中的应用

沈书林 盛一骞 戴 扬 蔡大伟

（江苏省特种设备安全监督检验研究院宿迁分院 宿迁 223800）

1 概述

随着城镇化进程加快、老旧小区改造及轨道交通等城镇基础建设力度的加强，电梯产量也随之快速增长。根据国家市场监督管理总局发布的《2022 年全国特种设备安全状况的通告》，截至2022 年底，全国在用电梯数量达964.46 万台。其中永磁同步曳引驱动主机以其节能环保、占有面积小等优点越来越成为电梯行业的新宠。封星技术作为永磁同步电梯制动器失效的预防措施，可以降低电梯冲顶或蹲底造成的损害，对于降低事故发生概率有重要意义。

1.1 制动器自监测的残余风险分析

自监测是对每组制动臂的提起（释放）或制动力的验证，在一定程度上能够预防制动器故障带来的事故，但仅依靠自监测无法解决制动器所有的故障且受目前的技术限制，自监测还存在下述残余风险：

1）对于制动力的验证，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》规定了最大值为7 d 或者24 h 的间隔验证，这种验证的前提是假定了制动力的衰减是缓慢的，弹簧和制动闸瓦属于自然磨损，没有考虑到制动力突然衰减或消失的风险，实际上目前制动器失效的主要形式是制动器卡阻导致制动力突然消失，这也是目前市场监管总局开展鼓式制动器安全隐患排查的一个重要原因。

2）对于制动器提起（释放）的验证，目前在用的自监测手段主要是对于制动器提起的验证，提起验证是考虑了制动闸瓦的磨损、温升、电网电压波动等不利因素作用下制动器打开后制动闸瓦与制动盘之间仍有制造单位规定的间隙范围，忽略了更重要的释放验证。GB／T 24478—2009《电梯曳引机》规定了制动器制动力矩为额定力矩的2.5 倍，当制动力降至额定力矩的2 倍以下时如果单组制动臂失效就有可能导致事故发生，因此对制动器释放的监测应在压缩行程降至80%之前起作用。

实际上制动器的提起或释放间隙一般在0.15 ～0.3 mm 之间，一方面实际的安装过程中很难将自监测开关的位置安装在上述范围之内，如果间隙小于现场固定螺丝的配合公差还需在制造现场进行逐个调整，在运输过程中如果因振动等因素有可能使其失效；另一方面在使用过程中如果因磨损、制动器拆解保养等原因需要调整监测开关的位置，受现场安装环境和维保人员技术等因素的影响，可能无法将其调整到有效范围之内，那么自监测开关的设置就有可能成为一种摆设，无法保障制动器的安全。

1.2 电气制动的要求及重要性

GB／T 7588.1—2020 中5.9.2.2.1.2 要求：“制动系统应具有机电式制动器（摩擦型）。另外，还可增设其他制动装置（如电气制动）。”[1]

TSG T7007—2022《电梯型式试验规则》（以下简称型规）规定：“驱动主机机电式工作制动器作为AOCP 和UCMP 执行部件时，还应当设置其他制动装置（如电气制动)。在驱动主机机电式工作制动器失效时，该装置应当能限制停靠在任何层站的轿厢的移动速度，以符合以下要求：

（1）空载轿厢上行时，至少使对重撞击缓冲器的速度限制在其缓冲器的设计速度范围内；

（2）装载有不超过额定载重量的任何载荷的轿厢意外移动时，在1.2 m 的移动距离范围内使轿厢的速度不大于0.3 m／s。

其他电气制动装置的元器件应当能承受电梯在额定速度运行时意外停梯的冲击。如果使用了封星接触器，其触点粘连时应当防止电梯的正常启动。

该装置的制动功能被取消时，电梯不能投入正常运行。该装置在电梯供电电源失效的情况下，可以不起作用。”[2]

上述分析可以看出，永磁同步电梯的制动器作为执行元件，无法保护自己失效导致的AOCP 和UCMP。电气制动实际上是保护制动器失效后的电梯，本身不属于AOCP 或UCMP 的一部分，电气制动无法降低制动器失效的概率，但是可以减少甚至避免制动器失效造成的伤害。就目前阶段的市场产品而言，GB／T 7588.1—2020 中要求的电气制动实际上只有封星，下文具体分析。

2 封星技术的原理和速度分析

2.1 封星技术的原理

封星的基本原理如图1 所示。SW2 为封星接触器，与运行接触器SW 的通断时序为SW 闭合、SW2 断开，SW 断开、SW2 闭合。当电梯正常运行时，运行接触器得电吸合，封星接触器SW2 得电断开不影响曳引机的正常运行；当电梯停止运行时，运行接触器SW 失电断开，封星接触器SW2 闭合，曳引机的三相定子绕组被短接形成电气回路，即封星。

图1 封星技术原理图

封星技术应用在永磁同步驱动电梯上其工作原理为：当轿厢和对重重量不一致时，如果制动器失效，电梯就会加速溜车，此时短接电动机的三相输入绕组就会形成闭合回路，旋转的线圈切割磁场会产生磁感应电流，进而产生制动力矩，制动力矩的方向与电梯系统机械力矩方向相反，当二者达到平衡状态时电梯就会在一个稳定的速度下运行[3]。

可以看出，封星制动作为工作制动器的冗余设计，正确动作后可以给被困人员留出较为充足的避险时间，也有利于救援人员开展救援工作，从而减少因制动器失效而引发的事故风险。

2.2 封星速度计算

封星电路开始工作时，电梯由零速开始加速溜车，主机绕组中就会产生制动电流切割绕组产生电磁力，在这个反向电磁力的作用下电梯加速度将越来越小，当达到平衡时加速度为零，电梯系统将维持在一个稳定的速度下运行，忽略主机铁耗、机械损耗、电梯井道内风阻和导轨摩擦情况下经过复杂的计算推导可得到式（1）：

式中：

V——封星稳定时电梯速度；

I——驱动主机绕组电流值；

G——轿厢自重；

Q——轿厢实际载重量；

W——对重重量；

g——重力加速度；

R——定子电阻值。

上述公式是在理想状况下进行的推导，如果考虑井道内风阻和导轨摩擦，实际的封星速度会比计算值更小。

3 封星技术的应用分析

3.1 无机房救援对轿厢的速度控制

对于仅配备了手动松闸或电动松闸的无机房电梯来说，当电梯故障困人时需要松闸救援工况下，若没有封星，永磁同步曳引机在轿厢或对重的拖动下其转速将越来越高，不利于轿厢平层的准确停靠，如果制动器闭合不及时就有可能导致轿厢快速移动、轿厢冲顶等危险状况发生。通过封星短接驱动主机的输入绕组实现了轿厢速度的稳定低速运行，防止轿厢从低速转为高速运行，且对于采用手动松闸的无机房电梯救援时也降低了远程松闸线不能复位导致电梯冲顶或蹲底的风险[4]。

3.2 防止制动器失效后轿厢的快速移动

型规规定了对于电气制动的要求主要有3 点：限制停靠在任何层站电梯的运行速度即在1.2 m 的移动距离范围内使轿厢的速度不大于0.3 m／s；能承受电梯在额定速度运行意外停梯造成的冲击；如果采用封星接触器应具有防粘连功能。

可以看出型规对于电气制动的动作要求限定了在零速度或低速、层站位置开始工作。这一点也是考虑到了目前永磁同步曳引机几乎都是采用变频驱动技术，除了紧急制停工况，工作制动器都是在电梯零速释放，GB／T 7588.1—2020 也规定了主机通电之前，制动器不能通电。因此工作制动器在电梯高速运行时需要紧急制停时突然失效的概率几乎为零。据此结合型规要求，封星设计是在电梯静止或低速运行下的保护，当电梯在较高速度需要紧急制停的工况，应先由主机制动器对主机进行制动，速度降到一定程度后封星电路开始工作，由于高速封星电流在数百毫秒内可达到数倍电梯额定电流，目前已有的厂家对封星电路进行了改进即高速封星加入延时电路，避免高速对于封星电路配置的接触器容量过小造成其损坏或击穿。

因此合理的封星设计触发后可在UCMP 最大移动距离范围内将轿厢速度降至0.3 m／s 以内，在此期间层门由于自闭功能闭合、轿门也会在主板指令下闭合，给予乘客封闭、低速的安全空间，防止被困人员误操作造成剪切风险和人身伤害。

3.3 STO 驱动主机封星

安全转矩取消（STO）是指能够引起转动的电源不应被应用到电动机，电气调速传动系统将不对产生转矩的电动机提供能量，安全转矩取消是驱动器（变频器或伺服驱动器）整合的安全机能中最基本且最常见的机能。STO 一般会用在有马达的设备中，此机能动作时，不提供能量给马达，因此马达不会输出转矩，避免马达未预期的启动[5]。STO 的安全可靠性主要包含2 个方面：在紧急情况下能够迅速制动；当不满足安全条件时不能启动。GB／T 7588.1—2020 规定了具有符合STO 功能的调速电气传动系统，其安全完整性等级应达到SIL3 且硬件故障裕度至少为1。静态元件控制实际上就是针对变频调压调速电梯中变频器逆变单元采用的功率管元器件IGBT，这种元件通过脉宽调制技术（PWM）既可以控制其开通又可以控制其断开，基于STO 的封星原理如图2 所示。

图2 STO 封星原理图

图2 中S1 ～S6 为IGBT 模块，上下2 个开关元器件分别交替交通，当制动器失效轿厢和对重的不平衡使电梯加速运行时，通过PWM 程序设计将S1、S3、S5 或者S2、S4、S6 同时导通，这样就将逆变器的输出端短接实现封星，型规将此纳入含有电子元件的安全电路一类，且SIL 等级为3 并留有故障裕度至少为1，SIL3 是型规中最高等级同时也是STO 主要设计标准IEC 61800-5-2《调速电气传动系统 第5-2部分：安全要求 功能》中要求的最高等级（标准中不考虑SIL4，因为其与电气传动调速系统的风险降低要求不相关），硬件故障裕度至少为1 则要求了电路至少能承受2 个或者2 个以上的故障（故障累积不能导致危险发生），型规表R-10 中有具体阐述即应具备比较功能的双通道或多通道结构，实际上就是一种设计冗余技术。可以看出型规对于STO 的要求极为严格，符合要求的STO 将极大程度保障电梯的本质安全。

4 封星技术目前存在的问题

根据笔者的检验经历结合GB／T 7588.1—2020 和型规，封星技术目前仍有下述几个争议问题。

1）封星接触器和主接触器导通时序问题。上述分析可知封星接触器和主接触器是交替导通状态，且封星接触器切断的是变频器的输出端即驱动主机的输入电源，一旦电梯控制系统或线路发生故障，如果封星接触器闭合变频器仍有电压就相当于短路，可能导致变频器零部件损坏等问题发生，除此之外封星接触器还需满足型规要求的触点防粘连功能，也就是说还需对封星接触器动作状态进行监控，另外GB／T 7588.1—2020 对于封星接触器的选型并未明确规定，如其应能承受的电流值、应满足的IP 级别等。

2）高速封星的危险。封星的本质就是将轿厢高速运行中产生的势能在驱动主机内部进行消耗，通过封星接触器强行吸合，在此期间会产生较大的短路电流。如果电梯在高速运行时封星接触器突然动作就会产生较大的短路电流，有可能将封星接触器等元器件击穿损坏。另外由于磁通密度的原因，最初电流随着同步永磁电机转速增加而增加，当电流增加到一定值磁路就会出现饱和，电机力矩反而会变小直至出现一种力矩平稳状态，如果其力矩值小于轿厢和对重之间的不平衡力矩，就有可能导致封星失败。

3）基于STO 的软件封星技术的实现。STO 在达到更高安全等级情况下其不需要增加额外的元器件就能触发瞬间实现封星使变频器失去扭矩输出[6]。就目前来讲STO 功能多数集成在变频器内部，使用起来较为方便，但在国内鲜有使用。一方面是STO 属于集成驱动安全的一种，需进行严格的安全验证，按照型规的要求需按照可编程电子安全相关系统（PESSRAL）进行试验且需达到SIL3 级别，增加了设计成本和软硬件开发成本；另一方面来看传统的设备停机方式仍然是国内主流。实际上在欧洲、中东和美洲在用的大多数变频器都自带STO 功能，GB／T 7588.1—2020 新增了STO 的功能要求也为其在国内投入使用创造了可能。

5 建议

根据上述分析结合型规中要求，提出如下建议：

1）在零速或低速状态下封星接触器的选型。根据型规H5.2 的要求，驱动主机应当能确保电梯在110%额定载重量和额定速度下运行的能力，也就是说电梯曳引机所需输出力矩T应该符合式（2）：

式中：

k——平衡系数，取0.5；

Q——额定载重量；

D——曳引轮节径；

i——曳引比；

η1——驱动主机效率，取0.85 ～0.90；

η2——系统传动效率，取0.90 ～0.95（效率取值适用于永磁同步电梯）。

当空载或额定载荷封星，封星力矩T1应满足式（3）：

综合式（2）和式（3）可以得到：T1≤0.609×T

可见在零速或低速状态下，封星力矩一般在额定力矩的60%，如果仅考虑零速或低速封星，选用电流容量一般为主接触器60%以上即可。

上述公式的推导未考虑轿厢运行时产生的附加阻力如导轨摩擦、风阻等，是理想模型下的计算情况。如果考虑附加阻力的影响且对于额定速度较高、曳引比较大的电梯，其误差值会较大，但该公式仍有一定的参考意义。就目前在用的封星接触器而言，其容量达到主接触器的50%以上可以满足要求。

2）在紧急制停工况下（如门刀碰撞门锁、125%制动试验等），如果强行封星则会导致逆变器输出瞬间短路，会产生较大的瞬时电流，可能会造成驱动主机过热、接触器损坏等。因此建议每个绕组中串入限流电阻并加入延时电路，先由工作制动器将电梯速度降至一定范围或者制停后封星电路再工作，延时电路应调整至变频器没有输出电流时起作用以保护接触器触点，避免“简单粗暴”的封星方式。

3）制造单位和检验机构应加大对于电气制动的研发。GB／T 7588.1—2020 和型规的修订实际上是承认了现行的永磁同步主机制动器加上制动器自监测功能仍无法防止制动力的突然失效，同时创新性地引入了STO 技术，制造单位和检验机构应与时俱进地从理论分析、工程设计和试验检验3 方面进行深入研究，充分利用封星技术保护电梯的本质安全。

6 结束语

封星技术通过短接永磁同步曳引机的三相绕组，使电梯能够在一个较低的速度下稳定运行，从而大幅降低人员伤害及设备损坏的风险。文章首先分析了封星技术的原理，其次归纳了封星技术在电气制动中的应用场景并总结了其目前存在的问题，最后从封星接触器的选型、紧急制停工况下封星电路的设计和加大对于电气制动的研究3 方面提出改进建议。