電梯制動(dòng)電阻熱變形的案例分析

劉 軍 喻 彪

（廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院 廣州 510000）

電梯制動(dòng)電阻熱變形的案例分析

劉 軍 喻 彪

（廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院 廣州 510000）

在電梯安全評(píng)估的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)一起制動(dòng)電阻過(guò)熱變形的案例，通過(guò)闡述變頻器能耗制動(dòng)電路的構(gòu)成方式和工作原理，給出制動(dòng)電阻參數(shù)的工程算法，進(jìn)而分析出導(dǎo)致制動(dòng)電阻熱異常的原因，最后結(jié)合檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)情況，提出制動(dòng)電阻安裝的注意事項(xiàng)，為制動(dòng)電阻的選型和安裝提供依據(jù)。

制動(dòng)電阻 能耗制動(dòng) 電梯

交流變頻調(diào)速傳動(dòng)具有運(yùn)行平穩(wěn)、性能穩(wěn)定、節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于電梯調(diào)速系統(tǒng)。但是電梯在減速停止時(shí)，曳引系統(tǒng)由于慣性，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)子速度大于變頻器系統(tǒng)的指令速度，此時(shí)電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)，并通過(guò)變頻器回路的續(xù)流二極管轉(zhuǎn)換成直流電回饋到直流母線；同時(shí)，電梯還是一個(gè)位能性負(fù)載[1]，只有當(dāng)轎廂載重量約為40%～50%（平衡系數(shù)）的額定載重量時(shí)，轎廂和對(duì)重才相互平衡，否則，轎廂和對(duì)重就會(huì)有質(zhì)量差，使電梯運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生機(jī)械位能，例如電梯輕載上行時(shí)，轎廂重量小于對(duì)重重量，對(duì)重會(huì)帶動(dòng)轎廂向上運(yùn)行，此時(shí)電機(jī)也處于發(fā)電狀態(tài)，由于電梯運(yùn)行而產(chǎn)生的機(jī)械位能（含位能和動(dòng)能）通過(guò)電動(dòng)機(jī)和變頻器轉(zhuǎn)換成直流電能回饋到直流母線。對(duì)于直流母線的這部分多余能量，如果不及時(shí)消耗掉，可能超過(guò)濾波電容的耐壓值或變頻器功率器件的容許電壓，造成變頻器損壞進(jìn)而導(dǎo)致電梯故障。目前，絕大多數(shù)電梯在變頻器直流母線處外接制動(dòng)電阻，通過(guò)外部的能耗制動(dòng)以熱能的形式釋放這部分多余電能。

本文針對(duì)在電梯安全評(píng)估過(guò)程發(fā)現(xiàn)的一起制動(dòng)電阻過(guò)熱隱患，闡述制動(dòng)電阻的工作原理及工程計(jì)算方法，找出制動(dòng)電阻發(fā)熱的原因，進(jìn)而避免由制動(dòng)電阻選型與安裝錯(cuò)誤導(dǎo)致的事故發(fā)生。

1 案例情況

某棟樓電梯為曳引驅(qū)動(dòng)乘客電梯，額定速度1.75m/s，額定載重量1000kg，電機(jī)額定功率13.4kW，采用交流變頻調(diào)速，電梯制造日期為1999年，使用比較頻繁且之前經(jīng)歷過(guò)多家不同維保公司。在現(xiàn)場(chǎng)安全評(píng)估過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)控制柜上方的墻壁有熏黑痕跡，且制動(dòng)電阻箱發(fā)出的熱量明顯高于其他電梯設(shè)備，隨即使用紅外熱成像儀探測(cè)制動(dòng)電阻表面，顯示最高溫度超過(guò)200℃。待電梯停止電阻溫度降下來(lái)后，觀察制動(dòng)電阻表面阻燃涂層有裂紋，但用萬(wàn)用表測(cè)量制動(dòng)電阻阻值正常，并沒(méi)有發(fā)生斷路。

雖然制動(dòng)電阻的作用就是用發(fā)熱的形式消耗電能，但是如此高的溫度是不正常的，長(zhǎng)時(shí)間的高溫運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致機(jī)房溫度偏高和制動(dòng)電阻的損壞，影響電梯的安全運(yùn)行。在查驗(yàn)維保記錄后發(fā)現(xiàn)之前有更換制動(dòng)電阻的記錄，且安全管理員介紹發(fā)生故障時(shí)，該梯正處于忙時(shí)，為盡快恢復(fù)電梯運(yùn)行，維修人員在沒(méi)有經(jīng)過(guò)驗(yàn)算的情況下，直接將另一臺(tái)暫停使用的高層梯的制動(dòng)電阻裝在這臺(tái)矮層梯上，所幸更換時(shí)間不久，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

2 能耗制動(dòng)工作原理

現(xiàn)有電梯變頻系統(tǒng)的制動(dòng)方式有兩種，一種是能耗制動(dòng)，一種是能量回饋制動(dòng)，能量回饋制動(dòng)[2-4]是在直流母線處外接逆變器，將濾波電容處多余的直流電轉(zhuǎn)變成交流電回饋到電網(wǎng)，能實(shí)現(xiàn)既制動(dòng)又節(jié)能的功效，但是該制動(dòng)方式一般用于大功率，大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，頻繁啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)間較短的場(chǎng)所，而且回饋的電能會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染，所以，雖然能量回饋制動(dòng)有諸多優(yōu)點(diǎn)，但目前電梯的使用環(huán)境，大部分并不適合選擇能量回饋制動(dòng)方式。

而能耗制動(dòng)由于成本低廉，且適合電梯的使用環(huán)境而被廣泛采用。能耗制動(dòng)采用的方法是在變頻器直流母線側(cè)加制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，將再生電能以熱能的形式消耗在功率電阻上來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，如圖1中虛線框內(nèi)所示，這是一種處理多余電能的最直接的辦法。其中制動(dòng)單元由功率管VB及其驅(qū)動(dòng)電路組成，當(dāng)電壓超過(guò)制動(dòng)單元設(shè)定的限值時(shí)，制動(dòng)單元的功率管VB導(dǎo)通，電流流過(guò)制動(dòng)電阻RB，制動(dòng)電阻RB將電能轉(zhuǎn)換為熱能，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，直流母線電壓也降低，當(dāng)直流電壓降至制動(dòng)單元設(shè)定的閾值時(shí)，功率管VB截止，制動(dòng)過(guò)程結(jié)束。電梯所用變頻器的制動(dòng)單元大部分都是內(nèi)置式，只需要設(shè)置變頻器參數(shù)，在外圍連接制動(dòng)電阻即可使用。

圖1 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)組成圖

制動(dòng)電阻是將多余電能以熱能方式消耗的載體，必須選用散熱性好的電阻，電梯中選用較多的是波紋電阻和鋁合金電阻，本案例中的制動(dòng)電阻就是采用波紋電阻，其內(nèi)部采用陶瓷管作為骨架，用波紋狀合金電阻絲均勻繞制，表面覆蓋高阻燃無(wú)機(jī)涂層，有效保護(hù)電阻絲不被老化，立式波紋又有利于散熱，減低寄生電感量[5]。

制動(dòng)電阻的選擇需要考慮電阻阻值和功率容量?jī)蓚€(gè)參數(shù)，由于制動(dòng)電阻的作用僅僅是用來(lái)消耗多余電能的，因此在實(shí)際應(yīng)用中，能耗制動(dòng)電阻并不需要精準(zhǔn)的參數(shù)，但這不等于不需要計(jì)算電阻參數(shù)，而是要根據(jù)實(shí)際情況具體分析。通常舊電梯加裝變頻器，可以直接選用變頻器廠家提供的制動(dòng)電阻參數(shù)，絕大多數(shù)情況是完全可行的，只是變頻器廠家所提供的電阻參數(shù)裕量比較大，實(shí)際使用成本可能稍高一點(diǎn)，而對(duì)于案例中這種進(jìn)行維修的，最簡(jiǎn)單的方法就是更換相同型號(hào)的電阻。而如果更換電阻型號(hào)不同，就需要對(duì)電阻的阻值和功率進(jìn)行驗(yàn)算。

3 制動(dòng)電阻的確定

3.1 電阻值選擇

在電機(jī)拖動(dòng)中，制動(dòng)電阻可以由制動(dòng)轉(zhuǎn)矩準(zhǔn)確求得，但是決定制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的飛輪力矩[6]難以確定，而且制動(dòng)電阻一般不需要特別精確的數(shù)據(jù)，在工程計(jì)算中，當(dāng)放電電流等于電動(dòng)機(jī)額定電流的一半時(shí)，就可以得到與電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩相當(dāng)?shù)闹苿?dòng)轉(zhuǎn)矩，制動(dòng)電阻的選擇范圍為：

式中：

UD——整流后的直流母線電壓；

IE——電動(dòng)機(jī)的額定電流。

其中UD的數(shù)值由式（2）確定，

本案例中，電梯輸入U(xiǎn)A為三相交流電壓380V，由式（2）計(jì)算出經(jīng)過(guò)整流后的直流母線電壓約為700V，電動(dòng)機(jī)功率為13.4kW，電動(dòng)機(jī)額定電流為30A，根據(jù)上面公式，即可求出電阻的阻值范圍為11.7Ω＜RB≤23.3Ω。

3.2 電阻功率選擇

由于拖動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)時(shí)間通常是短暫的，在短時(shí)間的制動(dòng)過(guò)程中，外接制動(dòng)電阻的溫升通常還達(dá)不到其額定溫升，而且拖動(dòng)系統(tǒng)不會(huì)一直處于制動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)外接制動(dòng)電阻的溫度有充足的時(shí)間降至環(huán)境溫度。因此，選擇的外接制動(dòng)電阻的額定功率完全可以小于通電時(shí)的耗用功率，耗用功率用PBmax表示，其值可以由式（3）確定，

式（3）計(jì)算的是瞬時(shí)最大功率，按該值選取的制動(dòng)電阻可以始終處于發(fā)熱的工作狀態(tài)而不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，但是在實(shí)際中，電梯系統(tǒng)的制動(dòng)的時(shí)間占比是很小的，能用到制動(dòng)電阻的接入時(shí)間也是極其短暫的，其額定功率可以比耗用功率小很多。因此在選擇制動(dòng)電阻功率時(shí)，在溫升不超過(guò)額定溫升前提下，可以適當(dāng)減少其功率值，從而減少成本，實(shí)際選用制動(dòng)電阻功率PB按照式（4）求得，

式（4）中γ為制動(dòng)電阻的修正系數(shù)[7]，電梯的制動(dòng)周期是一個(gè)變量，而且電梯的運(yùn)行不是持續(xù)而是間歇性的，實(shí)際應(yīng)用中可以取30%的修正系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，而對(duì)于一些樓層不高，使用頻率低的電梯可以選用10%的修正系數(shù)。

3.3 原因分析

在該案例中，制動(dòng)電阻溫度過(guò)高，且長(zhǎng)時(shí)間的高溫導(dǎo)致電阻涂層出現(xiàn)裂紋，但是電阻值沒(méi)有異常，說(shuō)明電阻并沒(méi)有斷路，電阻的額定功率較大，而溫度過(guò)高是因?yàn)橹苿?dòng)電阻阻值過(guò)小。由制動(dòng)電阻工作原理知道，高層梯由于提升高度高，運(yùn)行工況會(huì)比矮層梯復(fù)雜，變頻器的再生發(fā)電運(yùn)行時(shí)間也明顯要高于矮層電梯，因此高層梯所要求的制動(dòng)電阻功率也明顯要大于矮層梯，而相應(yīng)的電阻值反而小于矮層梯，因此，在將高層梯的制動(dòng)電阻裝在矮層時(shí)，雖然制動(dòng)電阻有足夠的功率保證不會(huì)被立刻燒壞，但是發(fā)熱量明顯大于原先的設(shè)計(jì)，導(dǎo)致外面涂層出現(xiàn)裂紋。之后，重新更換制動(dòng)電阻，采用三個(gè)阻值為7Ω，功率為2.5kW的電阻串聯(lián)，發(fā)熱量明顯下降。

4 結(jié)論

現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)中，并沒(méi)有關(guān)于電梯制動(dòng)電阻溫度的規(guī)定，而JB/T 6319—2010《電阻器基本技術(shù)條件》中關(guān)于電阻器極限溫升的規(guī)定，也僅僅是從電阻器的運(yùn)行狀況和人身安全角度考慮的，而當(dāng)這種電阻器用于電梯制動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，不能簡(jiǎn)單地只考慮電阻的運(yùn)行狀況，需要從電梯整體系統(tǒng)來(lái)衡量，因?yàn)殡娞輽C(jī)房?jī)?nèi)溫度過(guò)高，會(huì)對(duì)控制柜里面的變頻器、PLC等各種微電子元件以及曳引機(jī)的散熱產(chǎn)生影響而引起故障。制動(dòng)電阻的發(fā)熱量直接影響的是電梯系統(tǒng)的工作環(huán)境溫度，因此有必要在電梯相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中增加制動(dòng)電阻溫升的規(guī)定，避免極限溫升超過(guò)200K。

此外，在選用電梯制動(dòng)電阻時(shí)，要綜合考慮電梯載重量和使用環(huán)境等因素，確定阻值和功率大小。并且在安裝操作中，還應(yīng)注意以下問(wèn)題：

1）制動(dòng)電阻不要和變頻器靠得太近，因?yàn)橹苿?dòng)電阻在工作時(shí)發(fā)熱量大，會(huì)影響變頻器的工作。

2）制動(dòng)電阻要有足夠的散熱空間，必要時(shí)增加降溫裝置。檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)有單位將制動(dòng)電阻裸露裝在墻上，這是非常危險(xiǎn)的行為。

3）制動(dòng)電阻的接頭處一定要牢固可靠，因長(zhǎng)時(shí)間的高溫很容易讓線纜受損。

4）制動(dòng)電阻的連接電纜長(zhǎng)度不能太長(zhǎng)，為減少斬波干擾[8]，盡量不要大于10m。

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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

劉軍（1984～)，男，碩士，工程師，從事電梯安全與節(jié)能工作。

劉軍，E-mail： 86074458@163.com。

2017-05-17）