对直流无齿轮电机进行现代化改造：正确行事并获得回报

现代化降低直流电机运行费用的三种方式

随着城市人口的持续增长，越来越多的美国人在高层建筑中生活或工作——定义为高度 100 m 或更高的建筑物。 这些建筑物大部分建于 2000 年之前，主要配备由无齿轮直流电机操作的电梯。

当人们的直流电机出现问题时，他们首先想到的是更换电机——这是一项昂贵的工作。 但是，直流供电的电梯系统尽管已经运行了 30 到 70 年，但如果维护得当，仍可以提供数十年的额外服务。 与完全更换交流电机相比，维修或重建直流电机可节省大量成本，并且通过对直流驱动技术进行现代化改造，您还可以显着降低建筑物的能源成本。 选择正确的驱动器并正确翻新现有的直流电机可以让您和您的客户节省数万美元。

预期寿命

事实证明，电梯现代化的三种方式比更换电机更具成本效益。 第一种方式在于直流电机本身。 如果基本维护得当，一台制作精良的直流电机可以有 100 年或更长的使用寿命。 交流电机的使用寿命要短得多——通常在 15-20 年的范围内。 在单个维护良好的直流电机的使用寿命中，交流电机将不得不更换五次、六次甚至七次。

前期费用

这将我们带到了现代化比更换更明智的选择的第二种方式：前期成本。 用交流电机替换直流电机的成本为 20,000-85,000 美元。 许多变量会影响该成本，包括直流电机故障和拆除、兼容交流电机的尺寸、电机安装、起重要求、必要的建筑工作等。

1999 年在更新规范法规之前安装的交流电机系统可能已经需要更换，而且它们可能需要多次更换。 另一方面，如果一家信誉良好的翻新公司对类似系统执行电梯现代化改造程序，则每项工作的成本将达到 3,000-10,000 美元。 翻新或现代化方案中的定价变量包括零件清洁、零件翻新和零件更换，以及现代化技术的额外安装。

节约能源

最后，还有节能的考虑。 翻新现有的直流电梯电机并安装现代驱动系统，而不是更换整个系统，消除了设备拆除、生产、运输和安装新系统的昂贵成本。 改进的乘坐性能和控制是一个额外的好处。 安装再生驱动器将通过捕获能量并将其返回电网来节省能源成本。 通过不丢弃旧机器，您还可能有资格获得能源与环境设计领导力或建筑研究机构环境评估方法学分和能源之星® 积分。

标准齿轮交流电机以 2,200 fpm 的速度在 13 层楼上运行重达 500 磅的电梯，每年 301,000 次，平均消耗大约 13,000 千瓦时。 相比之下，在相同参数下运行电梯的完全翻新和现代化的直流电机平均仅消耗约 6,000 千瓦时。 与标准交流电机相比，这种大幅降低的功耗意味着降低了 50% 以上[1]，并且下降到与先进交流永磁电机的功耗相当的水平，所有前期成本都远低于交流电机更换。

适当的现代化计划的一部分包括安装直流驱动器，例如 Magnetek 的 Quattro DC，它在降低功耗和有效将能量返回电网的能力方面发挥着重要作用。

计算您的储蓄

在线节能计算器可估算现有电梯设备的耗电量，并立即将结果与其他电机和电机/驱动器组合的结果进行比较。 根据您建筑物中电梯的运行特性，可以进行定量比较，以确定如何将节能应用于您的项目。

许多公用事业公司提供节能回扣计划，以减少峰值和平均电力需求以及清洁谐波。 作为计划的一部分评估电梯现代化项目的节省是有帮助的，因为一旦项目完成（甚至开始），大多数公用事业公司将不允许申请这些信用。

研究表明直流再生驱动器可以：

• 比直流可控硅 (SCR) 驱动器节能 25%
• 与使用电动发电机组相比，能耗降低 45%
• 与非再生交流变频器相比，可节省 42%。

它如何完成

当使用再生直流驱动器时，现代驱动器的重力和高效率可以帮助回收和再利用电梯运行期间通常会丢失的电力。

电梯消耗能量来移动负载的电梯轿厢，但随后在轿厢停止时在相反方向产生能量。 现代直流驱动器采用的技术不是简单地通过电阻器以热量的形式损失这种能量，而是有效地捕获这种能量，将其返回到建筑电网，用于其他关键设施过程，例如照明； 加热，通风和空调; 和额外的电气系统。 这降低了建筑物的总功耗，从而在电梯运行的时间中节省了近一半的能源成本。

关于直流无齿轮电机的好、坏和真相

直流无齿轮机器可以运行 100 年。 您的作者在 1900 年代初期在商店里看到了许多电机，然后将它们重新投入使用，再也没有收到它们的消息。

新电机确实“不像以前那样制造了”。 然而，直流无齿轮机器可以在几乎没有警告的情况下运行到故障点。 机器调查应在任何现代化工作之前进行，并在不损害现任者的基础上提供，因为在机器运行时无法获取调查提供的信息，并且在活动周期中通常不使用机器监控运行中的机器。

此外，直流电枢可能会在没有警告的情况下发生故障，并且电枢可以在非常低的电阻值下运行而不会明显影响机器的运行。 电枢倒带非常昂贵，但如果操作得当，可以将机器恢复到比新机器更好的状态。 一旦电枢采用旧 MG 装置的新驱动技术，它就会受到多年前原始设计中从未出现或预见到的恶劣条件的影响。 因此，建议将电枢从 B 级绝缘重绕到 H 级绝缘（表 1），以最大限度地延长无齿轮机器现代化的使用寿命。 或者，如果可能，在机房中允许良好的气流和额外的冷却。 这将有助于电枢和励磁线圈处理由新直流驱动技术引起的更高的工作温度和电压波动。

为了最大限度地延长励磁线圈的使用寿命，建议使用使用 H 级绝缘材料和胶带的适当形状控制和张力控制绕线机重绕线圈。 一般来说，未使用的绝缘温度能力每增加 10°C，绝缘寿命就会增加一倍。 例如，如果电机设计为在 110°C 的总温度下运行（包括环境温度、上升温度和热点余量）并采用 B 级 (130°C) 绝缘系统制造，则有 20°C 的未使用容量C。 这种超额余量将预期的电机绝缘寿命从 20,000 小时增加到 80,000 小时。 但是，绝缘额定值每高出 10°C，电机的寿命就会减少一半。

丑陋的小秘密——避免陷阱

直流无齿轮电枢、励磁线圈、极间和制动线圈通常采用 B 级绝缘设计，最初打算从 MG 组运行，以提供直流电压以调节速度和其他功能。 现代化套件包括 SCR 控制，以及最近用于直流电机速度调节的绝缘栅双极晶体管控制。

虽然这些控件有很多好处，但古老的格言“一劳永逸”开始发挥作用。 在直流驱动技术的情况下，曾经由发电机发送的旧稳定直流信号现在被替换为通过“电压斩波”交流信号产生的直流信号。 这种斩波会产生急剧的开关电压转换，给绝缘系统带来压力，并可能导致不需要的电流流过电机轴承。 现代化后电机中更多的轴承故障或油脂变黑实际上是由间歇性流过轴承的杂散电流引起的。

幸运的是，这个问题有一个解决方案，比如共模扼流圈。 共模扼流圈还可以减少流经设备接地系统的杂散电流，这些杂散电流通常会导致编码器计数不良或其他对电子干扰敏感的传感器/通信问题。

更新改造包的另一个常见元素是它们通常需要可靠的市电电压源。 在工作之前进行的电力调查可能会突出建筑物电力的任何电压波动，这些波动将影响新电梯控制系统的运行。 大多数控制器都有最大和最小功率输入要求，以实现最佳操作。 控制器电压的波动会对原本完美无瑕的模组的运行产生不利影响。 最好的现代控制器能够处理标称量的电压骤降，而不会在公用事业线路上产生过度的谐波。

制定计划

精心布置的现代化调查构成了任何模组顺利进行的基础。 表格需要完整以确保成功。 现代化投入使用后出现的许多问题通常可以追溯到本次调查的信息不完整或不正确。 所有与电梯行业打交道的控制器和电机制造商都有非常好的调查，其中包括成功工作所需的大部分（如果不是全部）信息。

电机评估

在任何现代化改造中，都应根据美国国家标准协会 (ANSI) 和电气设备服务协会 (EASA) 的标准对电机进行评估。 这些标准在 ANSI/EASA 标准 AR100-2015 中进行了概述，应由具有直流无齿轮机器及其在电梯应用中操作经验的主管电机车间执行。 一般来说，一个好的机器调查应该包括以下内容。

电机和控制系统的识别

识别电机，注意可能影响与新控制系统兼容性的所有参数和任何限制。

状态评估和检查

应检查机器，注意：

• 电枢、励磁线圈、极间和制动线圈绝缘状况
• 换向器条件和换向
• 刷子和刷子索具条件
• 轴承和润滑条件
• 制动器状况（刹车片、鼓/盘、衬套和销以及连杆）
• 气隙
• 配件和机械完整性（轴、轴跳动、叠片和滑轮）

测试与验证

应进行以下测试：

• 应在清洁或维修之前进行低压电气测试，以表明是否适合继续运行并快速定位需要维修的区域。
• 低压绝缘电阻在 2 VAC/VDC 下测量应大于 500 兆欧。 在进行高电位 (HP) 测试之前，应先进行绝缘电阻 (IR) 测试并获得可接受的结果。
• HP 浪涌测试只能在机器清洁和干燥后进行，并且 IR 测试是可以接受的。 由于施加在绝缘上的应力，在初始机器调查期间可能不建议进行 HP 测试，并且不建议重复测试。
• 刷子索具IR测试：应注意刷子的状况，以确定刷子等级是否与机房环境和机器兼容。
• 制动线圈绝缘电阻测试和绕组电阻测试
• 应在电枢绝缘上进行电枢绕组测试，以确定电阻是否可接受。 此外，还应进行以下一项或多项测试：咆哮、绕组浪涌测试和/或棒对棒电阻测试。
• 励磁线圈和极间绝缘电阻测试以及以下一项或多项测试：绕组电阻、绕组浪涌测试、交流压降测试和/或阻抗测试

完成所有测试后，应审查绕组分析的结果，以确定最佳行动方案，尤其是对于电枢。 励磁线圈易于更换且随时可用； 然而，骨架需要一个计划，回答以下问题：

• 它们会在现场完成还是在商店中完成？
• 有多少需要重绕，是在现场完成还是在商店中完成？ （最好的清洁可能是在商店里，但这实用吗？）

清洁

许多电梯无法承受装入轿厢中的电枢的重量以将其送出进行清洁，因此，在这些情况下，现场清洁或重绕是唯一的选择。 在此清洁计划中需要考虑环境控制，例如噪音、空气中的灰尘控制和气味控制。 所有绕组和零件都应清除碳尘、砂砾、油脂和油，并且必须清除清洁剂残留物。

维修（必要时）

电气维修和电气测试失败的组件重绕（如上文“测试”部分所述）应按照 AR100 第 4 节的概述进行进一步评估，并根据 AR100 第 3 节的指南进行必要的修复或重绕。给予：

• 换向器加工、底切和倒角
• 刷架和索具绝缘电阻、“四等分”、机器中性的就座和设置

维修后应重新进行电气绝缘试验，以验证绝缘质量。 机械维修，包括轴、轴承和密封件、润滑、叠片铁芯、平衡和气隙，应按照 AR100 第 2 节和 OEM 规范进行。

动态测试

改造完成后，在电梯恢复使用之前，应进行系统动态测试，以确保电机在驱动器、控制器和系统负载产生的最佳性能参数范围内运行。 应在最大负载条件下测量电枢电压和电流读数。 应在静止、强制和全速下测量场电压和电流。 应测量磁场、电枢、极间以及制动线圈和轴承的温度。

投资讯息

预先设定期望并执行计划将使现代化运行更加顺畅，并使这些漂亮的旧 DC 机器比新机器运行得更好。 实现满足或超出客户期望的结果将确保更多的工作，其中计划可以被完善并成为正常行动过程的一部分，使这项工作对每个人都有利可图。

客户受益于现代控制器，这些控制器捕获损失的电力并将能量返回到电网，同时重建旧电机使设备运行得像新的或更好的一样，并且可以在垃圾填埋场使用数十年。 现代化可为每个人节省时间、精力和金钱。 轻松实现对现有直流电机的妥善改造，选择最佳控制器，保护电机，造福于现代化改造的各方。

参考法案
[1] Magnetek，“计划成功安装 Quattro 直流驱动器”（www.magnetek.com/~/media/Elevator/EV%20Brochures/EV640_Quattro%20DC%20Installation%20Brochure-flip.ashx）。