电梯制动电阻热变形的案例分析

刘 军 喻 彪

（广州特种机电设备检测研究院 广州 510000）

电梯制动电阻热变形的案例分析

刘 军 喻 彪

（广州特种机电设备检测研究院 广州 510000）

在电梯安全评估的过程中发现一起制动电阻过热变形的案例，通过阐述变频器能耗制动电路的构成方式和工作原理，给出制动电阻参数的工程算法，进而分析出导致制动电阻热异常的原因，最后结合检验现场情况，提出制动电阻安装的注意事项，为制动电阻的选型和安装提供依据。

制动电阻 能耗制动 电梯

交流变频调速传动具有运行平稳、性能稳定、节约能源等优点而广泛应用于电梯调速系统。但是电梯在减速停止时，曳引系统由于惯性，此时电动机的实际转子速度大于变频器系统的指令速度，此时电动机处于再生发电状态，并通过变频器回路的续流二极管转换成直流电回馈到直流母线；同时，电梯还是一个位能性负载[1]，只有当轿厢载重量约为40%～50%（平衡系数）的额定载重量时，轿厢和对重才相互平衡，否则，轿厢和对重就会有质量差，使电梯运行时产生机械位能，例如电梯轻载上行时，轿厢重量小于对重重量，对重会带动轿厢向上运行，此时电机也处于发电状态，由于电梯运行而产生的机械位能（含位能和动能）通过电动机和变频器转换成直流电能回馈到直流母线。对于直流母线的这部分多余能量，如果不及时消耗掉，可能超过滤波电容的耐压值或变频器功率器件的容许电压，造成变频器损坏进而导致电梯故障。目前，绝大多数电梯在变频器直流母线处外接制动电阻，通过外部的能耗制动以热能的形式释放这部分多余电能。

本文针对在电梯安全评估过程发现的一起制动电阻过热隐患，阐述制动电阻的工作原理及工程计算方法，找出制动电阻发热的原因，进而避免由制动电阻选型与安装错误导致的事故发生。

1 案例情况

某栋楼电梯为曳引驱动乘客电梯，额定速度1.75m/s，额定载重量1000kg，电机额定功率13.4kW，采用交流变频调速，电梯制造日期为1999年，使用比较频繁且之前经历过多家不同维保公司。在现场安全评估过程中，发现控制柜上方的墙壁有熏黑痕迹，且制动电阻箱发出的热量明显高于其他电梯设备，随即使用红外热成像仪探测制动电阻表面，显示最高温度超过200℃。待电梯停止电阻温度降下来后，观察制动电阻表面阻燃涂层有裂纹，但用万用表测量制动电阻阻值正常，并没有发生断路。

虽然制动电阻的作用就是用发热的形式消耗电能，但是如此高的温度是不正常的，长时间的高温运行，会导致机房温度偏高和制动电阻的损坏，影响电梯的安全运行。在查验维保记录后发现之前有更换制动电阻的记录，且安全管理员介绍发生故障时，该梯正处于忙时，为尽快恢复电梯运行，维修人员在没有经过验算的情况下，直接将另一台暂停使用的高层梯的制动电阻装在这台矮层梯上，所幸更换时间不久，并及时发现。

2 能耗制动工作原理

现有电梯变频系统的制动方式有两种，一种是能耗制动，一种是能量回馈制动，能量回馈制动[2-4]是在直流母线处外接逆变器，将滤波电容处多余的直流电转变成交流电回馈到电网，能实现既制动又节能的功效，但是该制动方式一般用于大功率，大转动惯量，频繁启动和制动时间较短的场所，而且回馈的电能会对电网产生污染，所以，虽然能量回馈制动有诸多优点，但目前电梯的使用环境，大部分并不适合选择能量回馈制动方式。

而能耗制动由于成本低廉，且适合电梯的使用环境而被广泛采用。能耗制动采用的方法是在变频器直流母线侧加制动单元和制动电阻，将再生电能以热能的形式消耗在功率电阻上来实现制动，如图1中虚线框内所示，这是一种处理多余电能的最直接的办法。其中制动单元由功率管VB及其驱动电路组成，当电压超过制动单元设定的限值时，制动单元的功率管VB导通，电流流过制动电阻RB，制动电阻RB将电能转换为热能，使电动机的转速降低，直流母线电压也降低，当直流电压降至制动单元设定的阈值时，功率管VB截止，制动过程结束。电梯所用变频器的制动单元大部分都是内置式，只需要设置变频器参数，在外围连接制动电阻即可使用。

图1 交流变频调速系统组成图

制动电阻是将多余电能以热能方式消耗的载体，必须选用散热性好的电阻，电梯中选用较多的是波纹电阻和铝合金电阻，本案例中的制动电阻就是采用波纹电阻，其内部采用陶瓷管作为骨架，用波纹状合金电阻丝均匀绕制，表面覆盖高阻燃无机涂层，有效保护电阻丝不被老化，立式波纹又有利于散热，减低寄生电感量[5]。

制动电阻的选择需要考虑电阻阻值和功率容量两个参数，由于制动电阻的作用仅仅是用来消耗多余电能的，因此在实际应用中，能耗制动电阻并不需要精准的参数，但这不等于不需要计算电阻参数，而是要根据实际情况具体分析。通常旧电梯加装变频器，可以直接选用变频器厂家提供的制动电阻参数，绝大多数情况是完全可行的，只是变频器厂家所提供的电阻参数裕量比较大，实际使用成本可能稍高一点，而对于案例中这种进行维修的，最简单的方法就是更换相同型号的电阻。而如果更换电阻型号不同，就需要对电阻的阻值和功率进行验算。

3 制动电阻的确定

3.1 电阻值选择

在电机拖动中，制动电阻可以由制动转矩准确求得，但是决定制动转矩的飞轮力矩[6]难以确定，而且制动电阻一般不需要特别精确的数据，在工程计算中，当放电电流等于电动机额定电流的一半时，就可以得到与电动机的额定转矩相当的制动转矩，制动电阻的选择范围为：

式中：

UD——整流后的直流母线电压；

IE——电动机的额定电流。

其中UD的数值由式（2）确定，

本案例中，电梯输入UA为三相交流电压380V，由式（2）计算出经过整流后的直流母线电压约为700V，电动机功率为13.4kW，电动机额定电流为30A，根据上面公式，即可求出电阻的阻值范围为11.7Ω＜RB≤23.3Ω。

3.2 电阻功率选择

由于拖动系统的制动时间通常是短暂的，在短时间的制动过程中，外接制动电阻的温升通常还达不到其额定温升，而且拖动系统不会一直处于制动状态，这时外接制动电阻的温度有充足的时间降至环境温度。因此，选择的外接制动电阻的额定功率完全可以小于通电时的耗用功率，耗用功率用PBmax表示，其值可以由式（3）确定，

式（3）计算的是瞬时最大功率，按该值选取的制动电阻可以始终处于发热的工作状态而不会出现问题，但是在实际中，电梯系统的制动的时间占比是很小的，能用到制动电阻的接入时间也是极其短暂的，其额定功率可以比耗用功率小很多。因此在选择制动电阻功率时，在温升不超过额定温升前提下，可以适当减少其功率值，从而减少成本，实际选用制动电阻功率PB按照式（4）求得，

式（4）中γ为制动电阻的修正系数[7]，电梯的制动周期是一个变量，而且电梯的运行不是持续而是间歇性的，实际应用中可以取30%的修正系数进行计算，而对于一些楼层不高，使用频率低的电梯可以选用10%的修正系数。

3.3 原因分析

在该案例中，制动电阻温度过高，且长时间的高温导致电阻涂层出现裂纹，但是电阻值没有异常，说明电阻并没有断路，电阻的额定功率较大，而温度过高是因为制动电阻阻值过小。由制动电阻工作原理知道，高层梯由于提升高度高，运行工况会比矮层梯复杂，变频器的再生发电运行时间也明显要高于矮层电梯，因此高层梯所要求的制动电阻功率也明显要大于矮层梯，而相应的电阻值反而小于矮层梯，因此，在将高层梯的制动电阻装在矮层时，虽然制动电阻有足够的功率保证不会被立刻烧坏，但是发热量明显大于原先的设计，导致外面涂层出现裂纹。之后，重新更换制动电阻，采用三个阻值为7Ω，功率为2.5kW的电阻串联，发热量明显下降。

4 结论

现行的国家标准和法规中，并没有关于电梯制动电阻温度的规定，而JB/T 6319—2010《电阻器基本技术条件》中关于电阻器极限温升的规定，也仅仅是从电阻器的运行状况和人身安全角度考虑的，而当这种电阻器用于电梯制动系统时，不能简单地只考虑电阻的运行状况，需要从电梯整体系统来衡量，因为电梯机房内温度过高，会对控制柜里面的变频器、PLC等各种微电子元件以及曳引机的散热产生影响而引起故障。制动电阻的发热量直接影响的是电梯系统的工作环境温度，因此有必要在电梯相关标准中增加制动电阻温升的规定，避免极限温升超过200K。

此外，在选用电梯制动电阻时，要综合考虑电梯载重量和使用环境等因素，确定阻值和功率大小。并且在安装操作中，还应注意以下问题：

1）制动电阻不要和变频器靠得太近，因为制动电阻在工作时发热量大，会影响变频器的工作。

2）制动电阻要有足够的散热空间，必要时增加降温装置。检验中发现有单位将制动电阻裸露装在墙上，这是非常危险的行为。

3）制动电阻的接头处一定要牢固可靠，因长时间的高温很容易让线缆受损。

4）制动电阻的连接电缆长度不能太长，为减少斩波干扰[8]，尽量不要大于10m。

[1] 于春梅.电梯制动电阻功率和电阻的计算及选用[J].东方企业文化，2012，（18）：248.

[2] 刘美俊.变频器应用与维护技术[M].北京：中国电力出版社，2008.

[3] 王仁祥.通用变频器选型与维修技术[M].北京：中国电力出版社，2004.

[4] 韩安荣.通用变频器及其应用[M].北京：机械工业出版社，2000.

[5] 胡博焱.浅谈对电梯制动电阻回路免费升级的理解[J].特种设备安全技术，2015，（05）：38-40.

[6] 童克波.变频器能耗制动单元的设计及制动电阻算法[J].自动化与仪器仪表，2013，（01）：76-78.

[7] 曲海波.通用变频器外接制动电阻的参数选择[J].电气应用，2008，27（17）：78-79.

[8] 陈和权.变频器能耗制动电阻的选型与安装[J].煤炭工程，2010，（07）：94-95.

A Case Study of Thermal Deformation of Elevator Braking Resistor

Liu Jun Yu Biao
(Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection and Testing Guangzhou 510000)

In the process of elevator safety assessment, a case of braking resistance overheating deformation was found. This paper describes the composition and working principle of the inverter braking energy circuit, gives the engineering algorithm of the braking resistance parameters, and analyzes the causes of brake resistance thermal anomalies. At last, according to inspection situation, the installation attentions for the selection of braking resistance is put forward, which provides the basis for the selection and installation of braking resistance.

Braking resistor Energy braking Elevator

X941

B

1673-257X（2017）10-0064-03

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.10.017

刘军（1984～)，男，硕士，工程师，从事电梯安全与节能工作。

刘军，E-mail： 86074458@163.com。

2017-05-17）