一起电梯能量回馈装置故障分析

邹学敏

（湖南省特种设备检验检测研究院永州分院 永州 425001）

能量回馈是电梯节能技术常采用的一种形式。不过使用这种技术对电梯安全运行带来的风险，目前没有很好的评估和检验手段。TSG T7001—2009《电梯监督检验和定期检验规则——曳引与强制驱动电梯》的第2号修改单中虽然增加了加装能量回馈装置检验项目，但是也仅是从核对产品铭牌与产品质量证明文件的一致性来检验；TSG T7001—2023《电梯监督检验和定期检验规则——曳引与强制驱动电梯》（简称检规）更是没有相应的检验项目；甚至对于集成式能量回馈装置，就连TSG T7007—2022《电梯型式试验规则》里也没有相应检验项目。这代表此类装置对电梯的安全运行没有任何风险吗？下面将通过一个电梯故障案例来探讨此类装置给电梯运行带来的风险和检验时的注意事项。

1 案例简述

一台制造日期为2013年5月10日有机房曳引驱动乘客电梯平时运行正常，但在定期检验进行空载工况曳引能力试验时，切断主电源开关后电梯仍然能主板带电加速上行一段距离，直至控制柜一块控制板冒火花后，电梯的主板才能断电且停梯。停梯时电梯曳引钢丝绳有轻微滑移。以上现场与检规中A1.3.11.1（2）项“……切断电机与制动器供电，观察轿厢（运载装置）是否完全停止”[1]的要求不符。该故障电梯的基本工作参数见表1。

表1 电梯基本工作参数和配置情况

2 案例分析

经检查该电梯主开关正常的开合闸，且将主开关断开后，用试电笔检测其输出端不带电；另外此台电梯平衡系数为0.46，制动器手动松闸试验时，制动器能灵活、无卡阻的打开和闭合；给制动器单独供电时，制动器也能灵活、无迟滞的打开和闭合；并且该电梯并没有配置自动救援操作装置。

根据以上查验情况可以排除电梯主开关故障、制动器卡阻、制动器剩磁过大和制动力矩不足导致该电梯上行制动工况曳引检查试验不符合要求；此外根据电梯最终停梯时电梯曳引钢丝绳仅有轻微滑移的情况，还可以排除曳引力不足导致以上现象发生。那究竟是什么原因导致该电梯切断主电源后仍然能带电加速运行一段距离？现场维保人员的解释是控制柜内392板上的压敏电阻损坏导致。他们以前遇到这种状况，换了压敏电阻后，电梯上行切断主开关，电梯就能迅速制动。根据维保人员的描述，该电梯故障应是电梯的控制电路板故障所致。从表1还可以发现该电梯配置有能量回馈节能装置。那么该电梯在切断外部电源后主板依然有带电运行的状况，是电梯空载上行，系统的势能转化为曳引主机旋转的机械能，永磁同步电机处于发电状态，发出的电能通过能量回馈节能装置又反馈给电梯所致？但根据该电梯制造标准GB 7588—2003《电梯制造和安装安全规范》中12.4.2.3.2条“当电梯的电机有可能起发电作用时，应能防止该电机向操纵制动器的电气装置馈电”[2]，电梯应有防止回馈的能量向电梯制动器控制回路供电的功能；以及根据GB/T 32271—2015《电梯能量回馈装置》中4.4.1条“当电网电压超过回馈装置的过/欠压保护电压时，回馈装置应能停止运行，并向电梯提供相应的故障信号”，能量回馈节能装置应有电网故障保护功能[3]。如维保人员的描述，更换压敏电阻就能解决该电梯的故障，那么压敏电阻在电梯的以上2项保护功能中起了什么作用？经过再次现场查验，发现冒火花的控制板为392板，见图1。

图1 现场冒火花的392板

经查阅电梯电气原理图中的元件说明表，392控制板是电路的整流模块板，针对其电气原理图（如图2所示），做如下分析：

图2 392板电气原理图

通过图2可知，此电路板的作用是给主运行接触器K201线圈供电。图中压敏电阻的作用是电路正常工作时阻值很大，当电压达到其阈值时电阻急剧降低，泄放大电流，以防止尖峰电压产生的过载电流对主运行接触器线圈的冲击；整流桥输出端是典型的RC滤波电路，通过滤波让主运行接触器线圈得到稳定的工作电源。从电梯上拆下此板，发现电路板上的压敏电阻有明显烧蚀痕迹，用万用表检查此元件电阻值为0 Ω，电路板上其他各元器件均正常。这说明此压敏电阻曾承受过很大电压或电流，已被击穿。此型号的压敏电阻产品参数见表2。

表2 压敏电阻产品参数表

查询表2可知，此压敏电阻最大承受电压是710 V，最大承受电流是50 A。那么切断主电源后为什么还有如此大的电压或电流，为什么此元件被击穿后电梯就能停止运行了？结合此电梯驱动控制电路电气原理图（如图3所示），做如下分析：

图3 电梯驱动控制电路电气原理图

由图3可见，此电梯制动时，电梯电机处于发电状态，此时主运行接触器K201断开，其常闭辅助触点61-62、71-72闭合，产生的多余电能由385板通过常闭的F298空气断路器、K201的常闭辅助触点，回馈给L2和L3供电电源线上，再通过主开关Q1返回电网。通过图3还可以发现，只要K201线圈是通电的，能量回馈功能就不会投入使用。这样可以防止电梯运行时，电源通过能量回馈装置反向给电梯驱动模块充电，以及电机再生发电的电流跟电网电流叠加对电梯驱动模块的冲击；而且切断主开关Q1后L3供电线上失电，电源板上控制电流变压器的初级线圈失电，给392板供电的230 V的次级线圈也将失电，这样主运行接触器K201线圈也将失电，K201开关的常开触点1-2、3-4、5-6打开，电机再生发电的电源也不会回馈给电梯的电机和制动器。为什么有这么多重保护电梯依然可以在切断主开关后带电正常运行一段时间？结合图3，现场进一步排查，发现电源板上控制电流变压器错接到了L1、L2供电电源线上，且能量回馈线路并未经过K201开关常闭辅助触点61-62、71-72，直接连接到了L1、L2供电电源线上。具体接线情况见电梯驱动控制电路实际接线图，如图4所示。

图4 电梯驱动控制电路实际接线图

由图4可知，切断主开关Q1后，空载上行的电梯电机处于再生发电状态，其产生的电流通过回馈电路重新返回电机的驱动电路中，电源板也因为L2和L3电源线上有电，继续给电梯控制柜内各个元件供电，造成了切断主电源后，电梯有主板带电继续运行的现象。而且此时电机的变频器将瞬间缺相运行，变频器的直流母线电压下降。当永磁同步电机采用id=0控制策略时，有以下电梯匀速运行时的机电联系方程式，见式（1）[4]：

式中：

Te——电磁转矩；

np——磁极对数；

ψf——转子磁链；

iq——定子电流在q轴上的分量；

T1——总负载转矩。

同时电机电压见式（2）[5]：

式中：

ωr——转子角速度；

uq——定子电压在q轴上的分量；

Rs——定子相绕组电阻值。

将式（2）代入式（1），可得式（3）：

式中：

C1，C2——常数。

由式（3）可见，当uq下降，电磁转矩Te也随之减少，电梯的平衡状态被打破，电梯在对重的拖拽下加速上升。通过式（2）可知，随着电梯曳引转速的上升，电机产生的电压uq升高，这时电路驱动模块中的直流母线中的直流电压也随之升高。而能量反馈装置相当于一个单相的电压型全桥逆变电路，因此有以下关联，见式（4）[6]：

式中：

U01——输出交流电压基波的幅值；

Ud——输入直流母线的电压值。

由式（4）可知，随着直流母线的电压值升高，反馈到回馈回路的电压也随之迅速升高，直至392板中的压敏电阻被击穿短路，导致392板无输出，K201线圈失电，切断电机和抱闸线圈的供电，电梯停止运行。进一步分析，如果392板压敏电阻一直是正常的，当电压达到压敏电阻阈值275 V时，压敏电阻阻值急剧降低，使流过K201线圈的电流减少，K201开关断开，电梯停止运行。不过电梯运行时频繁处于发电状态，会导致压敏电阻发热老化，进而失去保护作用[7]。电梯正常运行过程中，电梯电机启停由运行接触器K203、L2共同控制，电梯制动器的开闭由制动器接触器K1和运行接触器K203共同控制，其中运行接触器K203由安全回路和电梯控制系统共同控制，电梯安全回路故障时，电梯也能正常响应故障信号，因此上述电路的误接和压敏电阻的损坏无法被电梯本身的电气系统检查出来。电梯长期在此状态下运行，有外网和能量回馈电流叠加烧损控制柜驱动模块，以及危险情况下切断主电源不能及时制停电梯的风险。

上述案例的电梯运行接触器控制电路电气原理图如图5所示。

图5 电梯运行接触器控制电路电气原理图

由图5可以发现，如果进行制动工况试验时，不严格按照检规规定的方法执行，而是采用按控制柜急停开关的方式来进行试验，日常维保和检验工作也不能检查出电梯能量回馈装置存在上述缺陷。因为根据图5，当按下紧急停止开关后，安全回路断开，这将切断运行接触器K203线圈的供电，K203的常开触点断开，主接触器K201和制动器供电电路被切断，电梯能正常停止运行，所以用此方法是不能检出能量回馈装置电网故障保护功能失效的缺陷。

3 检验注意事项

通过以上案例分析，可以发现能量回馈装置接线不慎，会导致电梯在紧急操作和外网停电时失控运行，以及能量回馈装置的电网故障保护功能失效的风险。由于现行检规中没有能量回馈装置的检验项目，因此结合以上案例，笔者认为检验此类电梯时应注意以下事项：

1）依据GB/T 32271—2015中4.4条对电梯能量回馈装置应具有的保护功能有所认识，才能做到有的放矢。检验时结合标准条款要求，通过查看电梯相关设计文件和咨询设备生产厂家技术人员，判断电梯能量回馈装置的保护功能是否齐全，功能是否符合标准要求。

2）进行空载工况曳引能力试验时，必须严格依照检规上规定的方法，采取切断电动机与制动器供电的方法进行；严禁采取按控制柜急停开关等通过切断安全回路的方式来进行试验，以防电梯能量回馈装置电网故障保护功能失效的缺陷被漏检。

3）如果试验过程中电梯出现异常运行状态，检验人员需在读懂电气原理图的前提下，有现场实物核对的能力，这样才能更好地发现设备电路隐藏的安全隐患。

4）要能依据标准条款的要求和电梯的电气原理图，针对电梯的安全隐患制定相应的验证试验项目，以确定发生缺陷的原因。例如出现案例所述异常情况，可采取在回馈线路至电梯外部供电线路之间的线路间事先设置的钳形表是否能检测到电流的存在，来判断电梯在切断外部电源时能量回馈装置是否能停止运行，来确定电梯能量回馈装置电网故障保护功能失效的缺陷。

4 结束语

电梯能量回馈技术有着大量的应用，然而这项技术的潜在风险却没有被大家充分认识和识别，目前也没有很好的检验方法去检验在用电梯能量回馈装置的缺陷。本文通过案例分析，讨论了电梯能量回馈装置故障对电梯的安全运行可能产生的安全隐患，并粗略地提出了检验此类装置过程中的注意事项，可以为检验员检验电梯类似电气功能缺陷提供一定参考。期望有关技术机构也能重视电梯能量回馈技术的潜在风险，加大技术研发力度，研究适合在用电梯能量回馈装置缺陷诊断的检验方法和检验设备。