高速电梯曳引机性能测试系统的设计与研究

王继宏， 王学斌， 林 正， 王琪冰， 张 豪

（1.北京机械工业自动化研究所有限公司， 北京 100120； 2.浙江省特种设备科学研究院， 浙江 杭州 310020；3.森赫电梯股份限公司， 浙江 湖州 313013； 4.无锡新标信息技术有限公司， 江苏 无锡 214028）

0 引言

电梯曳引机是电梯的动力设备， 它由电动机、 制动器、联轴器、减速箱、曳引轮、导向轮、机架及附属盘车手轮等组成[1]。 在电梯井道中，曳引钢丝绳通过曳引轮一端与轿厢连接，另一端与对重装置连接。轿厢和对重装置的重力使曳引钢丝绳压紧在曳引轮绳槽内并产生摩擦力，导向轮将轿厢与对重装置分开不相擦碰而使其各自沿井道中的导轨运行。电动机驱动曳引轮转动，并通过钢丝绳拖动轿厢和对重装置作相对运动[5]。如果曳引机的制动器动作可靠性差、 用作上行超速保护装置的制动器制动力不稳定等超出许用范围， 那么曳引机的工作性能将受到很大影响，甚至导致安全事故。 因此，为保证电梯的安全可靠运行，有必要对曳引机关键部件（如制动器、曳引机上行超速保护装置等）的性能及可靠性进行检测诊断。 本文以电梯曳引机的性能测试系统为研究对象， 通过构建测试系统以及对系统进行试验与数据采集分析， 检验了电梯曳引机的运行状态， 证明本测试试验系统运行状态稳定，测试精度高，符合国家电梯型式试验的要求，为电梯的安全运行提供可行的评估诊断结果。

1 曳引机测试系统的设计

1.1 测试系统构建

本文电梯曳引机测试性能指标主要围绕定子绕组的绝缘电阻、耐压试验、电机一般参数的测量、制动力矩、制动器功能、性能测试、温升测试、驱动主机噪声试验、驱动主机空（负）载振动速度、速度测试等内容进行，根据这些性能指标内容构建相应的性能测试系统结构， 如图1 所示。 整个测试系统装置由直流发电机、惯量加载装置（飞轮组）、增速器等主要部件组成。 被测曳引机安装于建好的消音室内， 通过传动连接轴和同步带与测试系统装置连接。 直流发电机用作模拟负载，可调节负载力矩大小。 惯量加载装置由一组不同惯量大小的飞轮组成，通过不同飞轮的组合方式来模拟电梯曳引机空载、加载等实际工况载荷惯量的变化。

本次电梯曳引机性能测试系统采用模仿现实工况对电梯曳引机停止下行超速维护装配型式实验。 能测试交换异步（变频、双速、单速）电梯曳引机、交流同步电梯曳引机、 自动扶梯或自动人行道驱动主机： 额定功率：3～60kw，额定转矩：0～2000N·m。 该系统采用工控主板作为主控制器，完成测试结果的显示与输出、人机交互以及与PLC 系统、扭振测试仪的数据交互等功能。

图1 电梯曳引机性能测试系统结构

1.2 测试系统软件开发

系统数据库使用SQL Server2000，开发了电梯曳引机性能测试系统的管理操作与控制软件， 其主界面如图2所示。该软件具有以下功能：①集成了西门子S7-300 PLC的功能，可以通过PLC 自动实时采集诸如电压、电流、功率、功率因数、扭矩、转速等数据，并可以对噪声等采集仪器进行实时控制；②软件除具有常规对数据库进行保存、打印、查询历史测试记录等管理操作功能外，还可以对各类试验参数进行配置、用户可自定义试验报告内容格式以及动态显示测试过程各项参数值和曲线等功能； ③软件与PLC 之间通过RS232/485 进行通信联络； ④软件支持手动输入耐压试验、温升试验、扭振试验等参数数据。

图2 软件主界面

1.3 控制与信号采集子系统

电梯曳引机性能测试系统的控制与信号采集子系统采用工业计算机作为主控制器，可编程控制器（PLC）作为辅助控制器，具体电气布局图如图3 所示。被试曳引机通过变频器驱动（或通过三相调压器直接供电），负载直流电机工作于发电机状态， 并可通过四象限直流变流器控制转速、转矩大小，以及将发电的能量反馈回变频器输入端。 通过扭矩传感器采集扭矩、转速数据，功率分析仪采集电压、电流、功率数据，数据通过PLC 发送至工业计算机集中处理。 扭振测试仪测量曳引机振动加速度、速度、位移等参数， 绝缘耐压测试测试曳引机的绝缘性能和耐压性能，并输入至软件管理系统。

图3 电气布局图

控制系统实现以下功能： ①用功率分析仪采集测试过程中电流、电压、功率；②用扭矩传感器测试其扭矩、转速等信号；③控制被测曳引机及制动器的开启、停止；④控制加载电机转速、 加载扭矩大小； ⑤根据型式试验要求，对每个试验内容按照要求进行自动化测试；⑥根据试验要求生成测试报告。

2 试验与检测分析

2.1 曳引机效率测试

在额定运行状态下，待曳引机达到热稳定时，采用曳引机输出功率与电机的输入功率之比来测定曳引机的效率。 如图4 所示。

图4 曳引机效率测试示意图（24478－2009 标准方法）

曳引机效率的计算公式为：

式中：T—转矩，其值由扭矩传感器来采集；Ω—电机的转速，其值由扭矩传感器采集；P1—输入功率，由功率计测量。所有这些采集数据输入到PLC 中进行分析计算。

2.2 曳引机制动器可靠性试验

标准要求制动器安装在电梯驱动主机上， 电机处于静止状态， 进行周期不小于5s 的连续不间断的动作试验，试验时通电持续率不小于40%。制动器的试验动作次数按照要求应不少于200 万次。 具体试验方法是： 通过PLC 控制接触器， 在制动器线圈上施加电压，直到制动器开启， 其制动监控开关闭合输出信号，PLC 读入制动器开启状态，再由PLC 关断制动器线圈电压，制动器制动。程序自动重复上述步骤直到设定次数。 系统记录制动器无效动作次数。

图5 曳引机扭矩测试传感数据示意图

2.3 曳引机制动器启动、释放电压测试

2.3.1 试验要求

曳引机常见的有两种，一种是直流供电，另一种是交流供电。在满足制动能力的情况下，制动器的最低启动电压和最高释放电压， 应分别低于电磁铁额定电压的80%和55%，制动响应时间应不大于0.5s。

2.3.2 试验方法

测试系统框图如图6 所示。 制动器的电压通过调压变压器或者可调直流电源来调节。

图6 制动器启动释放电压测试

制动器开启时，将电压调节到低于额定电压的80%，计算机系统根据制动器电压的波形获得制动器启动的时间点，根据力矩波形获得制动器实际松开的时间点，由这两个时间点可以计算出制动器开启滞后时间。 测试所得参数值实例如图7 所示。

2.4 电机扭矩、电压、电流、功率因数的测试

图7 数据采集

如图7 所示，电机的扭矩、电压、电流、功率因数等测试数据， 根据扭矩传感器以及功率计的反馈都能在曳引机测试系统中直接读取。上位机根据得到的数据显示出电机工作的电流、电压曲线以及转矩曲线等。

2.5 同步电机上行超速保护装置试验

2.5.1 试验要求

曳引驱动的电梯应装设轿厢上行超速保护装置。 轿厢上行超速保护装置包括速度监控和减速元件， 应能检测出上行轿厢的速度失控， 其下限是电梯额定速度的115%，上限GB7588—2003 中9.9.3 规定的速度。

2.5.2 试验方法

通过安装飞轮组的方式模拟实际惯量，在测试时，直流电机作为驱动电机，输出力矩至曳引机，此时曳引机转速逐渐升高，直到采集到的速度超过规定的速度，控制制动器释放，曳引机抱闸后迅速制停。 在制停过程中，控制系统通过扭矩转速传感器获得电机速度、扭矩曲线，并可计算出加速度曲线，通过速度曲线，计算出制动距离。 如图8～10 为某厂家曳引机上超保护装置在电梯额定速度1.0m/s， 系 统 质 量1280kg 时的试验曲线图。

结合测试系统界面参数及曲线图，我们可以得到该上超保护装置在该工况时动作速度为1.20m/s，最大减速度为7.38m/s2，制动距离为0.19m，满足标准要求。

图8 速度曲线

图9 力矩曲线

图10 加速度曲线

2.6 制动力矩测试

测试系统通过PLC 输出， 控制制动器制动，点击释放，使制动器处于释放状态，开启直流电机，控制模式设定为恒转速， 并设定转速值为额定转速； 当转速达到额定转速时， 记录当前力矩值， 即为制动力矩。

3 结论

为测试试验高速电梯曳引机的各项性能指标要求，本文针对其进行了工作性能试验测试指标开发了性能测试系统、 完成了测试系统的硬件装置与信号采集软件的开发，结果表明本测试试验系统运行情况稳定，测试精度高，符合国家电梯型式试验的要求，完全能够对电梯曳引机各项性能测试通过图形与数据文本的形式将数据输出。 验证了所开发的测试系统的正确性与可行性。