应更换无齿轮直流电机

出于多种原因，旧技术电机在现代化电梯中没有立足之地。

该论文发表于   柏林 2018 年国际垂直运输技术大会，并首次在 IAEE 书中发表 电梯技术22，由 A. Lustig 编辑。 经国际电梯工程师协会许可转载  ( 电讯网).

直流电机技术现在被认为已经过时。 在对旧的无齿轮电梯进行现代化改造时，建议使用基于最新永磁 (PM) 技术的机器替换直流曳引机。 由于直流电机在过去 20 至 25 年中未用于新的电梯安装，因此制造商和小型维修供应商提供的支持有限。 基于脉宽调制 (PWM) 的直流驱动器对现有机器的绕组绝缘施加高应力并增加轴承故障的风险。 通常，电梯曳引轮也会磨损，需要机加工或完全更换。 此外，现代安全规范要求制动系统具有两个独立且单独监控的制动器，这可能意味着对现有起重机械或提升系统的其他元件进行昂贵的更改。

介绍

在对电梯进行现代化改造时更换直流无齿轮机器的主要原因：

• 在过去的 20 到 25 年中，直流电机未用于新安装，这意味着制造商和维修提供商提供的支持有限。
• 新的基于 PWM 的直流驱动器提供 1 的功率因数，对现有电机绕组绝缘施加高应力，这增加了绝缘损坏的风险，因此需要昂贵的维修和延长的停机时间。
• 由于产生的轴承电流，基于 PWM 的驱动器还会增加轴承故障的风险。
• 可控硅（SCR）技术功率因数差，也日趋落伍。
• 除了提升机更换外，牵引绳轮通常需要机加工或完全更换。
• 现代安全规范要求制动系统具有两个独立且单独监控的制动器。
• 直流机器和备件的成本正在上升，因为剩下的少数制造商的产量越来越低。
• 为了消除与不同部件（绕组、轴承、牵引轮和制动器）相关的所有故障风险并满足现代安全规范的要求，在许多情况下，机器需要拆卸并送到专门的维修车间。 基于最先进的 PM 技术，维修成本很容易超过新机器的成本。
• 大多数大学不再将直流电机技术作为其工程课程的一部分，这意味着缺乏具备维护和更新使用该技术的设备所需技能的年轻专业人士。

用基于 PM 技术的现代机器替换直流无齿轮机器的好处：

• 满足最新法规要求的安全、现代的解决方案
• 更高的整体系统效率降低了能源消耗。
• 机器和驱动装置经过精心设计和全面测试，可协同工作以提供卓越的乘坐舒适性。
• 在许多情况下，由于可以使用最佳的绳索布置，绳索的寿命会增加。
• 不乏熟练的维护技术人员，因为在新建筑中使用了相同的技术。
• 备件随处可见。

技术 趋势

无齿轮机器

图 1 显示了自直流电机发明以来高速电梯机器中最重要的技术趋势。 几十年来，直流电机已用于中高速电梯，但到 1990 年代后期，它们已被异步交流电机取代。 这一趋势不仅限于电梯行业——其他行业也开始采用交流技术，因为它更可靠、更易于维护。 由于直流电机很久没有用于新的高速电梯装置，因此该技术被认为已经过时。

仍有数以万计的旧式高速电梯在运行，其中直流无齿轮机器作为其提升系统的关键部件。 起重系统包括带有所需滑轮的绳索和绳索装置、机器及其控制部件、补偿系统以及轿厢吊索和配重装置。

由于直流电机技术已不再用于任何主要行业，相关组件（例如控制它所需的直流驱动器）的可用数量已显着减少，支持该技术的公司数量正在迅速减少。 这已经推高了组件的成本，并增加了未来备件供应不足的风险。

一旦电梯大量使用大约 20 年，由于磨损和撕裂，部件故障和其他问题变得更加普遍。 可能很难找到备件，特别是如果原始组件的制造商是不再运营的小公司。

直流电机的控制技术：驱动器

图 2 显示了用于控制直流电机的三种主要控制技术。 Ward-Leonard 发电机组，或简称“MG 组”，为直流电机提供平稳电压。 该系列在 1980 年代中期被基于晶闸管的驱动器（也称为基于 SCR 的驱动器）所取代。 使用 PWM 原理的基于晶体管的驱动器在 2000 年代初期变得更加普遍。

许多较旧的直流电机是为 MG-set 技术设计的，绝缘等级较低； A 级，最低级，可以在几个旧的直流电梯机器中找到。 一般而言，A 类用于家用电器，在需要高可靠性的实际工业应用中并不常见。 [1]

由于其工作原理，基于 SCR 的驱动器通常具有较差的功率因数，这会导致高网络电流以及变压器和电缆的高损耗。 公用事业公司尤其对功率因数很感兴趣，甚至在某些市场设有回扣计划，以鼓励业主升级他们的系统以实现最佳功率因数。

图 3 显示了由 SCR 驱动器供电的双层电梯的测量功率因数。 往返的平均功率因数仅为 0.33。

PWM 驱动器的功率因数通常大于 0.95。 PWM 晶体管驱动原理是晶体管在短时间内将最大电压连接到机器。 通过控制该时间段的长度，可以实现机器的受控平均电压。 虽然它们的高开关频率和 PWM 原理可实现良好的机器控制和功率因数，但它们的高电压尖峰和快速 杜/dt 导致机器绕组承受过大的应力，久而久之可能会损坏绕组绝缘。 以下部分从热学、电气和机械的角度更详细地探讨了这个问题。

使用 PWM 驱动器损坏绕组的风险

散热考虑

电机中的热损耗取决于负载条件（工作点）和电源形式。 正弦电源（例如，来自旋转变压器）导致最低的损耗，而具有相对尖锐脉冲的 PWM 导致最高的损耗。 晶闸管控制的直流驱动电源位于两者之间。

然而，通过从旋转变压器转向 PWM，系统的整体效率得到了显着提高，因为电源侧的损耗降低了。 脉冲电源的额外损耗是由于电流谐波和绝缘本身增加的介电损耗造成的。

如果机器的热尺寸设计余量很小或没有余量，则运行温度升高（由于额外的损耗）可能会显着降低机器的热寿命。 如果旧机器要与新的变速驱动器一起使用，则需要仔细考虑这些额外损失的影响。 根据经验，温度每升高 8-10°C，绝缘系统的热寿命就会减少一半。

电气注意事项

正弦电源为电机提供最平稳的电源，并且绝缘体上的电应力最小。 与热损耗类似，PWM 强调绝缘，主要是因为高 杜/dt 脉冲，这将绕组元件中的电压分布从线性（正弦电源）变为非线性（脉冲电源）。

电气尺寸的裕度决定了增加的电气应力是否会导致电气寿命缩短。 即使绝缘绕组的特性和脉冲电压保持在绕组中不出现局部放电的水平，增加的表面电流和介电电流往往会降低绝缘的电气寿命。

机械方面的考虑

正弦电源导致绕组内最接近正弦电流。 另一方面，PWM 电源会产生广泛的电流谐波，使绕组元件受到力谐波的影响。

根据原始设计，尤其是绝缘系统的老化方式，如果电源发生变化（例如，从正弦转换为 PWM 或晶闸管控制的直流），绕组元件的振动模式可能会发生显着变化。

绕组元件的振动往往会降低绕组的机械完整性，并且随着老化的进一步进行，会导致绕组元件相互支撑的槽和点处的绝缘材料发生机械磨损。

从长远来看，如果没有其他因素（例如决定绝缘寿命的热应力或电应力），振动引起的磨损可能会使绝缘老化，直到正常的操作应力导致其损坏。

机房环境

在电梯机房中，直流电机的电刷通常会产生大量的碳尘，也可能会有小金属颗粒从绳索和曳引轮上脱落。 旧的直流电机通常具有非常开放的结构，这意味着灰尘和颗粒很容易进入电机内部并进入换向器和绕组。 由于碳和金属颗粒是高导电材料，它们会增加换向器或绕组故障的风险。

图 4 显示了一个机房，其中来自绳索和牵引轮的金属颗粒以及来自直流电机电刷的碳尘积聚在机器顶部。 由于机器的开放式结构，这些材料已经渗入其中，导致绕组绝缘故障的风险很高。

图 5 显示了另一个具有开放结构的直流电机。 换向器和电刷机构——直流电机中最脆弱和最敏感的部件——也可能需要机加工和维修，这些工作只能使用特殊工具来完成。

电刷类型对电流从电刷流向绕组的好坏有显着影响。 由于它们的磨损程度很高，因此应定期检查和维护刷子。 当刷子磨损时，它们会将黑碳粉尘释放到空气中，在许多情况下，这些粉尘会进入建筑物的空调系统。 如果换向器开始出现“烧毁”迹象，应尽早由合格的维修技术人员进行维修。

在一些国家，仍有一些公司为直流电机提供专门的清洁服务。 清洗和维修直流电机，需要在机房内进行拆卸。 通常，在此过程中还需要更换一些绕组。

电枢绕组通常是最难更换的部件，这项工作必须在专门的车间进行。 消除未来绕组问题的风险需要由熟悉直流电机的经验丰富的技术人员进行专门的维护和维修。 由于 DC 技术现在被认为已经过时，因此寻找具有必要技能和经验来执行工作的技术人员变得越来越困难。

PWM 驱动的轴承损坏风险

图 7 显示了高速直流无齿轮机器中使用的典型滚子轴承。 轴承的典型寿命约为 20 年。 如果机器处于那个年龄，即使在正常运行下，轴承已经磨损的风险也会增加。

由于其高开关频率，PWM 晶体管驱动器会引入共模电流，这会导致轴承逐渐损坏，表现为断裂和凹槽。

在许多情况下，不拆卸机器就很难评估轴承的实际状况。 无需拆卸即可评估轴承状况的唯一可靠方法是使用专门的诊断仪器。 嘈杂的轴承是损坏已经发生的最常见迹象，并且是需要进行重大且昂贵的维修的明确迹象。

现代交流电机的设计使得驱动电流的共模电压可以忽略不计，或者轴承被绝缘以防止轴承电流流动。

牵引滑轮和绳索磨损

牵引轮也会磨损，在许多情况下，15-20 年后需要进行机械加工甚至完全更换。 这些部件出现严重磨损的典型原因是绳索润滑不足或绳索张力不均。

由直流电机驱动的旧式高层电梯通常以 1:1 或 2:1 的比例绳索，并使用双缠绕绳索布置：绳索从电梯轿厢到达牵引滑轮，然后到达转向滑轮（也称为辅助滑轮）滑轮），从转向滑轮返回到牵引滑轮，然后通过转向滑轮返回到配重。

在双缠绕布置中，绳索弯曲数次，这缩短了它们的寿命。 每个弯曲也消耗能量。 现代节能的高层电梯由交流同步永磁电机供电，并使用传统的单绕绳索布置。 这种布置提供了最长的绳索寿命，并且可以作为提升系统现代化改造的一部分进行改造。

安全规范要求

最新的电梯安全规范要求在门打开时防止轿厢意外移动和上升轿厢超速的机制。 在无齿轮电梯中，曳引机的集成制动系统在这两种情况下都起着关键作用。 就制动系统的要求而言，现代安全规范规定至少应有两个独立的制动器，它们分别动作和监控，运行速度快，并具有足够的扭矩和能力来停止电梯。

在许多情况下，旧直流电机的制动系统不能满足这些要求，需要进行昂贵的改装或额外的制动系统，例如绳索制动器，其安装进一步增加了系统的复杂性和成本。

图 10 显示了配备两个制动臂以满足最新安全规范要求的制动系统。 旧的制动磁铁系统，一个单活塞系统，不符合最新的规范要求，因为卡住的活塞会阻止两个制动臂工作。 由于这些类型的系统通常是由小型维修公司设计的一次性设计，因此它们需要获得地方当局的特别批准。 此外，采购备件将成为未来的问题。 通常，不建议实施此类定制设计的解决方案。 用现代装置更换整个机器将确保电梯符合最新的安全规范。

结语

使用直流曳引机对旧的高速无齿轮电梯进行现代化改造时，建议将机器和相关驱动装置更换为现代永磁电机和交流驱动技术。 以这种方式现代化的系统将最大限度地减少安全风险，符合最新安全规范的要求，并显着提高电梯的能源效率和乘坐舒适性。

案例
[1] 波尔卡，戴夫。 机器和驱动器：实用技术指南； (2003)，第。 81; ISA67，北卡罗来纳州。
[2] 麦金托什工业公司 YouTube 视频： youtu.be/V8xeOq0yXAs.