高速電梯曳引機性能測試系統的設計與研究

王繼宏， 王學斌， 林 正， 王琪冰， 張 豪

（1.北京機械工業自動化研究所有限公司， 北京 100120； 2.浙江省特種設備科學研究院， 浙江 杭州 310020；3.森赫電梯股份限公司， 浙江 湖州 313013； 4.無錫新標信息技術有限公司， 江蘇 無錫 214028）

0 引言

電梯曳引機是電梯的動力設備， 它由電動機、 制動器、聯軸器、減速箱、曳引輪、導向輪、機架及附屬盤車手輪等組成[1]。 在電梯井道中，曳引鋼絲繩通過曳引輪一端與轎廂連接，另一端與對重裝置連接。轎廂和對重裝置的重力使曳引鋼絲繩壓緊在曳引輪繩槽內并產生摩擦力，導向輪將轎廂與對重裝置分開不相擦碰而使其各自沿井道中的導軌運行。電動機驅動曳引輪轉動，并通過鋼絲繩拖動轎廂和對重裝置作相對運動[5]。如果曳引機的制動器動作可靠性差、 用作上行超速保護裝置的制動器制動力不穩定等超出許用范圍， 那么曳引機的工作性能將受到很大影響，甚至導致安全事故。 因此，為保證電梯的安全可靠運行，有必要對曳引機關鍵部件（如制動器、曳引機上行超速保護裝置等）的性能及可靠性進行檢測診斷。 本文以電梯曳引機的性能測試系統為研究對象， 通過構建測試系統以及對系統進行試驗與數據采集分析， 檢驗了電梯曳引機的運行狀態， 證明本測試試驗系統運行狀態穩定，測試精度高，符合國家電梯型式試驗的要求，為電梯的安全運行提供可行的評估診斷結果。

1 曳引機測試系統的設計

1.1 測試系統構建

本文電梯曳引機測試性能指標主要圍繞定子繞組的絕緣電阻、耐壓試驗、電機一般參數的測量、制動力矩、制動器功能、性能測試、溫升測試、驅動主機噪聲試驗、驅動主機空（負）載振動速度、速度測試等內容進行，根據這些性能指標內容構建相應的性能測試系統結構， 如圖1 所示。 整個測試系統裝置由直流發電機、慣量加載裝置（飛輪組）、增速器等主要部件組成。 被測曳引機安裝于建好的消音室內， 通過傳動連接軸和同步帶與測試系統裝置連接。 直流發電機用作模擬負載，可調節負載力矩大小。 慣量加載裝置由一組不同慣量大小的飛輪組成，通過不同飛輪的組合方式來模擬電梯曳引機空載、加載等實際工況載荷慣量的變化。

本次電梯曳引機性能測試系統采用模仿現實工況對電梯曳引機停止下行超速維護裝配型式實驗。 能測試交換異步（變頻、雙速、單速）電梯曳引機、交流同步電梯曳引機、 自動扶梯或自動人行道驅動主機： 額定功率：3～60kw，額定轉矩：0～2000N·m。 該系統采用工控主板作為主控制器，完成測試結果的顯示與輸出、人機交互以及與PLC 系統、扭振測試儀的數據交互等功能。

圖1 電梯曳引機性能測試系統結構

1.2 測試系統軟件開發

系統數據庫使用SQL Server2000，開發了電梯曳引機性能測試系統的管理操作與控制軟件， 其主界面如圖2所示。該軟件具有以下功能：①集成了西門子S7-300 PLC的功能，可以通過PLC 自動實時采集諸如電壓、電流、功率、功率因數、扭矩、轉速等數據，并可以對噪聲等采集儀器進行實時控制；②軟件除具有常規對數據庫進行保存、打印、查詢歷史測試記錄等管理操作功能外，還可以對各類試驗參數進行配置、用戶可自定義試驗報告內容格式以及動態顯示測試過程各項參數值和曲線等功能； ③軟件與PLC 之間通過RS232/485 進行通信聯絡； ④軟件支持手動輸入耐壓試驗、溫升試驗、扭振試驗等參數數據。

圖2 軟件主界面

1.3 控制與信號采集子系統

電梯曳引機性能測試系統的控制與信號采集子系統采用工業計算機作為主控制器，可編程控制器（PLC）作為輔助控制器，具體電氣布局圖如圖3 所示。被試曳引機通過變頻器驅動（或通過三相調壓器直接供電），負載直流電機工作于發電機狀態， 并可通過四象限直流變流器控制轉速、轉矩大小，以及將發電的能量反饋回變頻器輸入端。 通過扭矩傳感器采集扭矩、轉速數據，功率分析儀采集電壓、電流、功率數據，數據通過PLC 發送至工業計算機集中處理。 扭振測試儀測量曳引機振動加速度、速度、位移等參數， 絕緣耐壓測試測試曳引機的絕緣性能和耐壓性能，并輸入至軟件管理系統。

圖3 電氣布局圖

控制系統實現以下功能： ①用功率分析儀采集測試過程中電流、電壓、功率；②用扭矩傳感器測試其扭矩、轉速等信號；③控制被測曳引機及制動器的開啟、停止；④控制加載電機轉速、 加載扭矩大小； ⑤根據型式試驗要求，對每個試驗內容按照要求進行自動化測試；⑥根據試驗要求生成測試報告。

2 試驗與檢測分析

2.1 曳引機效率測試

在額定運行狀態下，待曳引機達到熱穩定時，采用曳引機輸出功率與電機的輸入功率之比來測定曳引機的效率。 如圖4 所示。

圖4 曳引機效率測試示意圖（24478－2009 標準方法）

曳引機效率的計算公式為：

式中：T—轉矩，其值由扭矩傳感器來采集；Ω—電機的轉速，其值由扭矩傳感器采集；P1—輸入功率，由功率計測量。所有這些采集數據輸入到PLC 中進行分析計算。

2.2 曳引機制動器可靠性試驗

標準要求制動器安裝在電梯驅動主機上， 電機處于靜止狀態， 進行周期不小于5s 的連續不間斷的動作試驗，試驗時通電持續率不小于40%。制動器的試驗動作次數按照要求應不少于200 萬次。 具體試驗方法是： 通過PLC 控制接觸器， 在制動器線圈上施加電壓，直到制動器開啟， 其制動監控開關閉合輸出信號，PLC 讀入制動器開啟狀態，再由PLC 關斷制動器線圈電壓，制動器制動。程序自動重復上述步驟直到設定次數。 系統記錄制動器無效動作次數。

圖5 曳引機扭矩測試傳感數據示意圖

2.3 曳引機制動器啟動、釋放電壓測試

2.3.1 試驗要求

曳引機常見的有兩種，一種是直流供電，另一種是交流供電。在滿足制動能力的情況下，制動器的最低啟動電壓和最高釋放電壓， 應分別低于電磁鐵額定電壓的80%和55%，制動響應時間應不大于0.5s。

2.3.2 試驗方法

測試系統框圖如圖6 所示。 制動器的電壓通過調壓變壓器或者可調直流電源來調節。

圖6 制動器啟動釋放電壓測試

制動器開啟時，將電壓調節到低于額定電壓的80%，計算機系統根據制動器電壓的波形獲得制動器啟動的時間點，根據力矩波形獲得制動器實際松開的時間點，由這兩個時間點可以計算出制動器開啟滯后時間。 測試所得參數值實例如圖7 所示。

2.4 電機扭矩、電壓、電流、功率因數的測試

圖7 數據采集

如圖7 所示，電機的扭矩、電壓、電流、功率因數等測試數據， 根據扭矩傳感器以及功率計的反饋都能在曳引機測試系統中直接讀取。上位機根據得到的數據顯示出電機工作的電流、電壓曲線以及轉矩曲線等。

2.5 同步電機上行超速保護裝置試驗

2.5.1 試驗要求

曳引驅動的電梯應裝設轎廂上行超速保護裝置。 轎廂上行超速保護裝置包括速度監控和減速元件， 應能檢測出上行轎廂的速度失控， 其下限是電梯額定速度的115%，上限GB7588—2003 中9.9.3 規定的速度。

2.5.2 試驗方法

通過安裝飛輪組的方式模擬實際慣量，在測試時，直流電機作為驅動電機，輸出力矩至曳引機，此時曳引機轉速逐漸升高，直到采集到的速度超過規定的速度，控制制動器釋放，曳引機抱閘后迅速制停。 在制停過程中，控制系統通過扭矩轉速傳感器獲得電機速度、扭矩曲線，并可計算出加速度曲線，通過速度曲線，計算出制動距離。 如圖8～10 為某廠家曳引機上超保護裝置在電梯額定速度1.0m/s， 系 統 質 量1280kg 時的試驗曲線圖。

結合測試系統界面參數及曲線圖，我們可以得到該上超保護裝置在該工況時動作速度為1.20m/s，最大減速度為7.38m/s2，制動距離為0.19m，滿足標準要求。

圖8 速度曲線

圖9 力矩曲線

圖10 加速度曲線

2.6 制動力矩測試

測試系統通過PLC 輸出， 控制制動器制動，點擊釋放，使制動器處于釋放狀態，開啟直流電機，控制模式設定為恒轉速， 并設定轉速值為額定轉速； 當轉速達到額定轉速時， 記錄當前力矩值， 即為制動力矩。

3 結論

為測試試驗高速電梯曳引機的各項性能指標要求，本文針對其進行了工作性能試驗測試指標開發了性能測試系統、 完成了測試系統的硬件裝置與信號采集軟件的開發，結果表明本測試試驗系統運行情況穩定，測試精度高，符合國家電梯型式試驗的要求，完全能夠對電梯曳引機各項性能測試通過圖形與數據文本的形式將數據輸出。 驗證了所開發的測試系統的正確性與可行性。