电梯用电动机

第一台电机在直流上运行。 事实上，实用的直流电机的发明早于尼古拉特斯拉的洞察力，即交流将提供巨大的好处。 托马斯爱迪生和他的同事坚持认为 DC 更实用，但历史有利于特斯拉和乔治威斯汀豪斯，至少在众所周知的电流战争方面。 在该问题得到解决之前，用于电梯的直流电机已成为行业标准，并将持续一段时间。

学习目标

看完这篇文章，你应该已经学会了：
♦ 直流电机的工作原理。
♦ 同步电机的工作原理。
♦ 感应电机的工作原理。
♦ 如何控制交流电机的速度。
♦ 如何对变频驱动器 (VFD) 进行故障排除。

首先，我们将了解电动机工作的基本要求。 大多数电动机将电能转换为旋转运动。 （有线性执行器这样的东西，但这不是我们现在的重点）。 旋转电机包括一个转子，该转子连接到一个由两个轴承支撑的轴上，因此它可以自由转动，而一个定子，顾名思义，是静止的。 它安装在电机外壳的内侧。

滑轮、齿轮、锯片、砂轮或其他工具可以连接到转子轴上，以便进行有用的工作。 为了转动，转子与定子一起利用了电和磁的关系，这是由 Hans Christian Ørsted 在 1820 年首次注意到的，当时他观察到罗盘的指针在靠近载流导体时会偏转。 1831 年英国的迈克尔·法拉第和美国的约瑟夫·亨利独立更详细地描述了这一现象，本世纪后期，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提供了广泛的数学分析。 在这些 19 世纪的发展之前，电和磁被视为不相关的现象。 既然这种关系已经很明确，研究人员和发明家就开始寻找利用这一新知识的方法。 以前，已经制造了由化学电池供电的简单直流电机。 但是，它们并不强大，无法执行有用的工作。

直流电机的转子可以转动，但前提是有换向。 如果向转子和定子中的绕组施加稳定的直流电压，轴最多只能旋转一部分，直到相对的磁极最接近，因此不会发生进一步的旋转。 为了使轴连续转动，必须切换定子或转子中的电流极性，以便磁场周期性地反转，从而吸引更远的磁极。 这样，转子总是在追着定子。 当两极靠近时，极性反转，因此旋转运动正在进行中。 这种切换发生在内部或外部，称为换向。 熟练的操作员可以操作配置为按钮的开关，并脉冲电流以使转子转动。 然而，对于实用的电机，换向必须是自动的。

另一个问题是电线不能直接连接到安装在转子上的绕组的端子，因为它们会很快扭曲和断裂。 这两个要求通过将换向器固定在转子上来满足。 固定的铜刷（现在被仍称为电刷的碳棒取代）接触转动的换向器片，彼此绝缘，提供连续旋转所需的开关机制，使电流进入转子。 与任何电机一样，能量必须进入转子，并且必须进行切换才能发生旋转。

而不是在转子和定子中都有绕组，其中之一可以用永磁体 (PM) 代替。 这些通常是强力的稀土磁铁，用环氧树脂包裹在电机外壳的内部。 静态 PM 场与与转子相关的换向电磁场相互作用，并使轴旋转。 已经提出了各种方案，其中转子和定子中的 PM 将包括一个功能性旋转永动机。 这种安排的问题在于，为了使其工作，必须进行换向。 一组 PM 必须以正确的间隔切换极性。 这样做的方法是机械翻转磁铁，但这会比电机的输出消耗更多的能量。 电机工作的另一种方式是持续不断地需要新能源，必须将其输送到转子和/或定子中。

直流电机有两个重要的特性，这说明了它们即使在交流供电的世界中也一直存在于电梯应用中的事实。 这些特性中的第一个是直流电机的速度可以通过改变电压来控制。 当电梯轿厢接近目的地时，它会减速，而不是继续全速行驶，直到轿厢地板与建筑物地板齐平，然后突然停下来。 这对乘客来说会很不舒服，而且会对机器造成很大的负担。

通过改变电压来改变交流电机的速度是不切实际的。 同步或异步（感应）交流电机的速度取决于频率。 可以通过降低电压来减慢交流电机的速度，使电机开始失速，但这不是改变速度的好方法。 一些交流电机有两种速度。 它们有两种速度的单独绕组，每种速度都有一根导线，还有一根公共回线。

类似地，直流电机可以通过切换电源的极性来反转，但单相交流电机无法做到这一点，因为极性一直在切换。 三相电机可以通过切换三相中的任意两相来反转。

尽管直流电机具有诸如平稳的速度控制和简单的可逆性等优点，但它们需要更多的维护，因为机电有刷换向器整体会持续磨损。 如果电刷未及时更换，则在发生故障之前，会产生火花并损坏换向器。 这涉及比仅仅更换刷子更昂贵的维修。 此外，电刷会在电机内产生灰尘和热量，存在潜在的火灾隐患。 还有可能影响电子设备运行的射频干扰。 无刷直流电机没有这些缺点。 它们能够通过电子控制器进行变速操作。 它们出现在计算机磁盘驱动器和机床的运动控制应用中。

概括地说，直流电机虽然在概念上简单且能够高质量运行，但在机械上更复杂，需要更多的维护，因此它们的运行成本更高。 然而，这种观点并不是故事的全部。 如果我们谈论的是电梯改造，根据项目的资本化程度，更换运行中的直流电机可能合适也可能不合适。 应谨慎做出决定，同时考虑使用 AC 的初始成本和长期收益。

谈到交流电机技术，我们将从电气和机械的角度来看待它。 如前所述，多年来，电力完全是直流电。 许多人参与了交流电网的构想和发展。 特斯拉成为 AC 崛起的核心人物。 通过他的努力，与西屋电气合作，交流电使直流电黯然失色，但真正的进步还得等待交流电机的发展。 毫无疑问，早期曾尝试用交流电为直流电机供电。 很明显，需要一台不同的机器。

直流电机能够旋转，因为馈入转子绕组的电力被换向或切换。 对于交流电机，开关已经存在于电源中，因此可以说是外部换向。 交流电机可以是同步的或异步的（感应）。 在这两种情况下，来自电源的交流电直接馈入定子绕组。 由于这种功率的循环特性，建立了旋转磁场。 如果电机功率超过 5 马力（如电梯的一般情况），则定子接收三相电源。 三个单独的电路共用电线，异相 120°，通过三角形或 Y 形连接绕组从公用电源或现场发电机中获得。 三根电线将这种功率传送到电机外壳中，并连接到均匀分布的线圈，以便三个磁场协同旋转。 所有三相交流电机都有这个共同点，单相交流电机只有一个旋转磁场。 除此之外，并非所有交流电机的工作方式都相同。 它们的不同之处在于转子的供电方式。

绕线转子同步电机配备有滑环和电刷系统。 滑环连接到转子轴上，固定电刷与它们接触并连接到外部电源。 这种安排比直流有刷换向器组合更无故障。 由于与换向器不同，滑环没有分段，因此电刷磨损较少。 此外，携带的电流更少，刚好足以为转子供电。

此外，还有一些非励磁同步电机使用其他方式使转子与定子相互作用。 在这些电机中，转子由实心钢制成。 定子的旋转磁场使转子磁化，两个磁场以同步速度一起旋转，从而使轴转动并进行有用功。 无励磁同步电机分为三种类型，每一种都有不同的方法使转子跟随定子的旋转磁场：

磁阻电机：钢转子具有凸出部分，或向外突出的齿极，因此它们靠近定子，具有足够的间隙，因此即使轴承开始磨损，它们也不会摩擦。 这些突起的数量与定子中的极数相同。 在同步速度下，转子的运动被锁定在旋转的定子磁场中。 但是，这种电机不会自行启动，因此鼠笼式转子在钢体中嵌入了辅助绕组。 磁阻电机作为感应电机启动，直到它接近同步速度，然后转换到其主要模式。 在同步速度下，定子和转子之间的互感停止。

磁滞电机：磁阻电机不像磁阻电机那样具有凸出齿或突出齿，而是具有均匀的圆柱形钢转子。 定子的所有部分都被磁化并跟随定子的旋转磁场。 当转子速度赶上定子旋转磁场的速度时，发生锁死，电机进入同步模式。 这种类型的电机是自启动的，不需要感应绕组，尽管它可以在需要的应用中提供额外的启动扭矩。

PM：PM 嵌入转子中以在同步速度下提供锁定。 然而，这些电机不能自启动，定子必须由变频驱动器 (VFD) 供电，以帮助克服转子的静止惯性。

小型同步电机会自行启动，因为转子部分没有太多的静止惯性。 对于超过 1 hp 的尺寸，许多同步电机是直流励磁的。 该电能由外部电源通过滑环提供。

小尺寸同步电机用于需要精确计时的地方，如挂钟和定时器。 该实用程序密切关注其频率，如果在一段时间内丢失了几个周期，它们将暂时加速发电机以进行补偿，因此在一段时间内时钟和计时器将保持准确。 在大尺寸中，同步电机除了精确的速度控制外，还具有提高效率的优势。 此外，它们具有良好的功率因数校正能力，可补偿工业设施中的重感性负载。

另一类交流电机包括异步电机。 由于电能输入转子的方式，它们被称为感应电机。 旋转速度没有锁定到电源频率，但它高度依赖于频率，总是慢的指定百分比，但当然，永远不会更快。

尽管同步电机具有优势，但感应电机的应用更为广泛，因为它简单、经济且相对免维护。 在他离开 100 多年之后，特斯拉的存在是在交流电机领域，其中可能 90% 是感应电机。

我们已经看到同步电机可以因为定子和转子磁场之间的相互作用而转动。 感应电机的工作原理相同。 唯一的区别在于电能如何进入转子。 在感应电机中，定子实际上是变压器的初级，转子是次级，因此不需要电刷或滑环，更不用说换向器了。

一旦电能进入转子，就会建立磁场，转子开始追逐定子难以捉摸的磁场。 事实上，它永远不会赶上，因为如果两个速度锁定并同步，互感就会停止。 为了产生交流变压器特有的互感，两个磁场必须相对移动，并且在它们同步之前，电感耦合将消失。 因此，转子的转动速度总是比定子的旋转磁场慢一定百分比。 需要强调的是，转子不同步不仅是无功波形中的相位滞后，而且还包括转速的实际降低，因此循环损失是累积的，并且随着时间的推移变得更大。 因此，感应电机不适用于时钟和定时器应用。 速度下降的量称为“滑移”，以百分比表示。 打滑不应被视为某种浪费或损失的能量，而是感应电机正常运行的重要组成部分。 自然地，滑移量随着电机负载的增加而增加。 由于速度差异较大，存在较大的电感耦合并且转子绕组中的电流增加。 最重要的是，随着负载的增加，电机的扭矩也会增加。

在变速驱动出现之前，感应电机的速度很难控制。 对于驱动电梯，平稳运行的直流电机满足了多年的需求。

20 世纪下半叶见证了电力电子领域的巨大创新和发展。 早些时候，固态半导体已经在大多数音频和视频应用中取代了真空管。 几十年来，固态技术进入了更强大的应用程序，同时一切都数字化了。

以前，还没有用于精确可靠地控制交流电机速度的实用方法。 随着VFD的发展，电梯电机技术发生了翻天覆地的变化。 （变速驱动器、变频器、变速驱动器和变频驱动器都是大致等效的术语。唯一的区别是如果包含“速度”一词，则可以指液压或其他非电气系统。VFD最准确。）

VFD 可以精确控制交流电机速度，允许电机在铭牌速度之上或之下运行，但受到限制。 通常，降低交流电机的电源电压只会降低其速度，因为它的负载更重。 结果将是效率损失、温度升高和电机寿命缩短。

VFD 通过改变电源频率来控制交流电机的速度。 正如我们所见，同步和异步电机的速度都与频率有关。 与定子相关的磁场的转动速度取决于馈入它的功率频率，并且电机转速也与其相符。 改变电机电源的频率是控制电机转速的一种简单有效的方法。 可以在不导致电机过热的情况下降低速度，除非在轴上装有风扇，它会在电机速度降低时转得更慢，从而导致空气冷却减少。 由于这个和其他原因，即使任何交流电机，同步或感应，都可以由 VFD 控制，但有些电机并不适用。 在配对 VFD 和电机之前，需要进行一些研究。

对于 VFD 使用，同步电机可以进行优质安装。 但是，由于精确同步对于电梯电机来说不是必需的，因此大多数新建和直流电机替代品都涉及感应电机。

用于交流电梯电机的典型 VFD 相当简单、用户友好且无故障。 有一个三相输入，如果它没有标记，可以通过它位于来自电机断开连接的大滚道中的事实来识别。 此外，还有一条来自速度控制电位器的小控制线，通常承载高达 10 V DC 的信号。 它连接到电梯运动控制器，并允许降低速度以在每次着陆和在检查模式下运行时进行平层。 还有另一个用于反转电机旋转的控制回路，这也是响应来自电梯控制面板的方向。

在 VFD 的前面板上，将有一个带字母数字显示的用户界面。此外，还将有标有运行、停止、反向和故障的指示灯来指示系统状态。在 VFD 输出端，将有三相电源馈送到电机。它将铭牌电压传送到电机，但频率不是由公用设施提供的 50 或 60 Hz 频率，而是根据需要变化以控制电机的速度。机柜外部的常开启动按钮和常闭停止按钮提供手动控制功能。从电机回到 VFD 的是相当轻的导体，它们提供来自连接到电机的转速表的反馈信号。

系统的故障排除和维修非常简单。 检查 VFD 的输入和输出功率，尤其要注意相位下降。 检查控制电压。 如果这些都正常但电机不转，则电机有问题或负载被锁定，通常会导致立即过流装置跳闸。

如果 VFD 有良好的输入电压但没有输出，则故障是内部的。 在打开机柜之前，请记住，在设备与电源断开后很长一段时间内，大型电源电容器仍能承受致命的电荷。 要释放这些电荷，请勿使电容器短路。 相反，在每组端子之间连接一个低阻抗负载。

检查 VFD 电子设备，看看是否有烧毁的电线或组件。 如果没有，很有可能其中一个全波桥式整流二极管坏了，没有可见的迹象。 可以在欧姆模式下用万用表检查它们，看它们在仪表连接切换时是否会正向和反向偏置。 通常，出现故障的二极管会双向打开。

学习强化问题

使用以下学习强化问题来学习继续教育评估考试，该考试可在 www.elevatorbooks.com 或本期第 103 页在线获得。
♦ 任何旋转电机的运行要求是什么？
♦ 所有旋转电机的共同点是哪两个部分？
♦ 为什么直流电机需要换向器？
♦ 什么决定了同步电机的速度？
♦ 为什么感应电机没有电刷？

VFD 随附的文档应包括原理图。 示波器读数应该确定故障组件，这种方法比反复试验更换电路板要好得多，这是一个昂贵的过程，可能无法找到问题的根源。