CN119429886A - 用于电梯的电气制动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的用于电梯的电气制动方法，应用于电梯控制系统,其具体步骤如下：步骤410，在要求电气制动时；步骤420，电梯进入闭环控制；步骤430，根据电梯运行方向，对正向转矩指令或转矩电流指令Iqcmd限制为0；反向转矩指令或转矩电流指令Iqcmd的绝对值限制为小于等于阈值A，使变频器输出负功率。本发明实现电气制动不需要单独的开关，而可以纯粹的通过变频器而实现电气制动。这节省了成本和空间。此外，如果组件的数目减少，则系统的总的可靠性也提高。可解决低速高速封星制动力矩不够引起的超速，也解决高速急停封星时的大电流，同时也解决封星制动稳态后因速度过低导致封星制动时间过长引起的热风险。

Description

用于电梯的电气制动方法

技术领域：

本发明涉及电梯技术领域，特别涉及一种用于电梯的电气制动方法。

背景技术：

随着电梯技术的发展，对电梯的安全性要求越来越高，而在一些使用场景中可能发生溜梯的情形，例如由于电梯的制动器无法完全制动曳引轮而发生溜梯，为了保障电梯能够有效的减速或限制电梯溜车速度，通常采用短接电机三相输入，利用永磁同步电机(PM电机)永磁体产生的制动力使电梯减速或限制电梯溜车速度(即“封星技术”,安全的电气制动的一种)。

目前电梯控制系统常用的封星方法之一是采用“封星接触器”，在变频器与PM电机之间增加封星接触器，实现短接电机三相输入。但该封星接触器必须选择为承受电动机电流并且能够连接和/或切断这种电流。这些接触器往往很大并且成本高。此外，包括移动部件的接触器具有一定的有限寿命，必须在一些相对较少数量的操作之后进行更换。

常用的封星方法之二是采用“电子封星”，即在变频器封锁上桥臂驱动信号的同时，控制下桥臂的开关管导通，实现短接电机三相输入。

但是PM电机磁钢用量相对较小的情况下，封星制动的最大转矩不足以保证电梯的溜梯速度不超过规定范围。需要将PM电机更换成具有更大磁钢用量的电机来限制电梯的溜梯速度，但这将以高昂的经济成本为代价。

中国发明专利申请公布号CN114835048A公开了在封星接触器回路串入电容器，利用电容器的容抗对电机电感的感抗有抵消作用，使得改善封星制动回路中的电流滞后于感应电压E的情况，从而提升封星制动转矩。但该方案需要增加额外的成本，且不适用于“电子封星”。

另外，如果在电梯移动速度较大时启动封星制动，会产生瞬时短路大电流，瞬间短路大电流会对电梯驱动系统的变频器、PM电机等产生危害，影响驱动系统的变频器、PM电机的使用寿命，更严重地可能会烧坏器件。

为了解决该问题，中国专利授权公开号CN108483149B等提出，当电梯移动速度较大时采用延时封星制动的方案。虽然延时封星制动确实能够克服瞬间短路大电流，但在高速急停且制动器失效时，因无封星制动转矩而引起超速。

中国专利授权公开号CN105762766B等提出，通过过流控制子单元，根据封星电流的大小进行封星信号的斩波控制，从而避免过流。但在高速急停且制动器失效时，因封星制动转矩过小而引起超速。

另外，制动器失效启动封星制动后可能会长时间处于封星制动状态，因此会在变频器、PM电机累积过多热量，一旦不能及时将热量散发，将面临过热风险。

发明内容：

为解决以上问题，本发明提供一种实现电气制动不需要单独的开关，而可以纯粹的通过变频器而实现电气制动用于电梯的电气制动方法。

为了实现上述发明目的，本发明的用于电梯的电气制动方法，应用于电梯控制系统,其特征在于，所述用于电梯的电气制动方法的具体步骤如下：

步骤410，在要求电气制动时；

步骤420，电梯进入闭环控制；

步骤430，根据电梯运行方向，对正向转矩指令或转矩电流指令Iqcmd限制为0；反向转矩指令或转矩电流指令Iqcmd的绝对值限制为小于等于阈值A，使变频器输出负功率。

在本发明的一个优选实施例中，所述的阈值A为k*Ke*|n|/R，其中Ke为反电势系数，|n|为电梯速度的绝对值，R为PM电机的相电阻，k为系数，k≤1；k指留有发电的裕量用于变频器的损耗；但当阈值A表示转矩指令时，则k还包含转矩电流比。

在本发明的一个优选实施例中，所述的电梯运行方向根据电梯速度来判断。当电梯速度n>C，C≥0，电梯向上运行，转矩电流指令Iqcmd小于等于0，且大于等于-k*Ke*n/R。当电梯速度n<-D，D≥0，电梯向下运行，转矩电流指令Iqcmd大于等于0，且小于等于-k*Ke*n/R。当电梯速度在C≥n≥-D时，转矩电流指令Iqcmd为0。

在本发明的一个优选实施例中，所述闭环控制采用速度闭环和电流闭环控制。

在本发明的一个优选实施例中，当电梯高速运行急停时，以某一速度为目标，从当前电梯速度按照某一减速度进行减速。

在本发明的一个优选实施例中，通过设定不同的减速曲线使得电气制动是否加速电梯的制动，当不需要参与时，所述的减速度可较制动器正常时的制停减速度小。

在本发明的一个优选实施例中，所述转矩电流指令Iqcmd的限制，还取决于变频器或PM马达的能力限制阈值B，实际限制值为阈值A和阈值B的较小值，即min(A，B)。

在本发明的一个优选实施例中，电梯在低速下进行电子封星控制，当电梯的运行速度高于一第一阈值时切换为闭环控制。

在本发明的一个优选实施例中，所述第一阈值取封星制动时最大封星转矩处附近对应的转速。

在本发明的一个优选实施例中，在从电子封星制动切换为闭环控制时，在切换时按照PM电机当前的速度、电流对闭环控制所基于的速度闭环、电流闭环进行初始化，具体包括以下两方面：

一是：将所述速度闭环的给定值设定为切入瞬间的PM电机反馈的速度，同时将所述速度闭环的输出值设定为切入瞬间的q轴转矩电流；

二是：将所述转矩电流闭环的给定值设定为切入瞬间的q轴转矩电流。

在本发明的一个优选实施例中，在制动器失效，启动电子封星制动，根据不平衡负载转矩最终稳定运行一段时间后，且电梯的轿厢门已闭合的情况下，通过同时调小变频器电子封星时非封锁的可控开关管的驱动信号的Duty，使得电梯速度升高，再切换为闭环控制。

在本发明的一个优选实施例中，所述电梯控制系统为前端带接触器、中间电路带制动单元和制动电阻的永磁同步电机的驱动系统。

根据本发明的方法的一个优点在于：实现电气制动不需要单独的开关，而可以纯粹的通过变频器而实现电气制动。这节省了成本和空间。此外，如果组件的数目减少，则系统的总的可靠性也提高。可解决低速高速封星制动力矩不够引起的超速，也解决高速急停封星时的大电流，同时也解决封星制动稳态后因速度过低导致封星制动时间过长引起的热风险。

附图说明

图1为永磁同步电机的驱动系统(整流部分省略)。

图2为封星制动时的等效电路，

图3为封星制动和本发明的制动转矩相对于速度的示例性的曲线。

图4为实施例1的示意性流程图。

图5为中间电路带制动单元和制动电阻的永磁同步电机的驱动系统。

图6为前端带接触器、且中间电路带制动单元和制动电阻的永磁同步电机的驱动系统。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式来进一步描述本发明。

参考图1，通过将变频器的上桥臂的可控开关管T1、T2、T3(如IGBT)的驱动信号封锁，而将下桥臂的可控开关管T4、T5、T6(如IGBT)的驱动信号一直有效，或通过将变频器的下桥臂的可控开关管T4、T5、T6(如IGBT)的驱动信号封锁，而将上桥臂的可控开关管T1、T2、T3(如IGBT)的驱动信号一直有效，即可实现现有技术的“电子封星”。

由于变频器的某一个桥臂被一直封锁，防止了图1中中间电路的电容C1、C2(以及电网供电)向PM电机提供驱动的能量，在该情况下，PM电机不能产生除了与制动联合之外的转矩，因此“电子封星”是安全的电气制动。此时的等效电路如图2所示，PM电机的各相绕组电阻R1、R2和R3和各相绕组电感L1、L2和L3以及电机旋转所产生的反电势e1、e2、e3组成一个制动回路。

对于该制动回路，其制动转矩呈现出随着PM电机的转速的增大而先增大后减小的变化特性，如图3中的曲线31所示。这是由于随着电机的转速增大，其产生的反电势e增大，该制动回路中流过的电流增大，所产生的制动转矩也增大。但因PM电机的各相绕组电感L1、L2和L3的感抗也随着转速的增大而提高，该制动回路中各相绕组电感L1、L2和L3的感抗与各相绕组电阻R1、R2和R3的比值也随着转速的增大而提高，使得该制动回路中的电流向超前于反电势e 90°的方向发展，从而导致制动转矩在PM电机的某一转速后出现下降的情况。在额定转速时，某些PM电机封星电流可达到额定电流的3～4倍，但其制动转矩却不到额定转矩的50％。

在电梯应用中，曲线32代表因轿厢与对重之间的质量差而产生的不平衡转矩。由于PM电机的磁钢用量相对较小，曲线31所示的该制动回路的制动转矩的峰值可能小于不平衡转矩。该制动回路的制动转矩始终小于不平衡转矩，PM电机的转速得不到控制，越转越快，电梯的溜梯速度无法限制在规定范围内。

实施例1：

如图4所示，提供了一种用于PM电机的电气制动方法，方法应用于电梯控制系统。方法包括：

步骤410，在要求电气制动时，具体的，如当电梯停止时，或当检测到PM电机的制动器失效时。

步骤420，电梯闭环控制。

具体的闭环控制可采用电流闭环和速度闭环控制。如当电梯高速运行急停时，以某一速度为目标，从当前电梯速度按照某一减速度进行减速，所述的减速度可较制动器正常时的制停减速度小。

步骤430，根据电梯运行方向，对正向转矩指令或转矩电流指令Iqcmd限制为0；反向转矩指令或转矩电流指令Iqcmd的绝对值限制为小于等于阈值A，使变频器输出负功率。

具体的正向转矩指令是指转矩指令的方向同电梯运行方向相同，反向转矩指令是指转矩指令的方向同电梯运行方向相反。即正向转矩使得PM电机运行在电动模式，反向转矩使得PM电机运行在发电模式。

转矩电流指令Iqcmd的阈值A为k*Ke*|n|/R。其中Ke为相反电势系数，|n|为电梯速度的绝对值，R为PM电机的相电阻，k为系数，k≤1；k指留有发电的裕量用于变频器的损耗；但当阈值A表示转矩指令时，则k还包含转矩电流比。

具体的，可以通过电梯速度来判断电梯的运行方向。如当电梯速度n>C(C≥0)，电梯向上运行，转矩电流指令Iqcmd小于等于0，且大于等于-k*Ke*n/R。当电梯速度n<-D(D≥0)，电梯向下运行，转矩电流指令Iqcmd大于等于0，且小于等于-k*Ke*n/R。当电梯速度在C≥n≥-D时，转矩电流指令Iqcmd为0。

在电梯正常停止后，若制动器失效，电梯轿厢会使得轿厢侧与对重侧中质量相对较大的一侧下降而质量相对较轻的一侧上升。如在轻载，轿厢侧质量小于对重侧，制动器失效时，电梯轿厢朝上溜车，电梯速度大于0，此时进行电气制动，电梯进行以0速为目标速度的闭环控制，变频器输出反向的转矩(即Iqcmd小于0)，PM电机处于发电模式，从公式(1)可知，当转矩电流指令Iqcmd大于等于-k*Ke*n/R时，uq大于0，ud大于0，此时变频器输出负的功率，即PM电机发出的电回馈至中间电路，使得中间电路电压升高。由于转矩电流指令的限制同速度成正比，其产生的制动转矩的曲线如图3的曲线33所示，最终电梯稳定运行于不平衡转矩曲线32同曲线33的交点处。即不平衡转矩越小，稳定运行的速度越低，乘客越有足够的应急反应时间，能避免身体在门区受到建筑物和轿厢之间的剪切伤害。需要说明的是，转矩电流指令的限制，还取决于变频器或PM马达的能力限制阈值B，实际限制值为阈值A和阈值B的较小值，即min(A，B)。如曲线33制动转矩最大值为160％PM电机额定转矩。

当电梯轻载向上高速运行因故障急停时，如要求电气制动，则进行闭环控制。可通过设定不同的减速曲线使得电气制动是否加速电梯的制动。如果制动器未失效，以某一速度为目标，从当前电梯速度按照某一减速度进行减速，所述的减速度较制动器正常时的制停减速度小时，此时速度指令大于电梯实际的速度，由速度闭环调节器可知，Iqcmd大于0，但由于被限制为小于等于0，所以实际转速闭环的输出值为0，即不参与制动。当所述的减速度较制动器正常时的制停减速度大时，或当制动器失效时，速度指令小于电梯实际的速度，Iqcmd小于0，电气制动参与电梯的制动，防止超速。

当电梯轻载向下高速运行因故障急停时，如要求电气制动，则进行闭环控制。可通过设定不同的减速曲线使得电气制动是否加速电梯的制动。如果制动器未失效，以某一速度为目标，从当前电梯速度按照某一减速度进行减速，所述的减速度较制动器正常时的制停减速度小时，此时速度指令小于电梯实际的速度(向下为负)，由速度闭环调节器可知，Iqcmd小于0，但由于被限制为大于等于0，所以实际转速闭环的输出值为0，即不参与制动，由制动器和对重对电梯进行制动。而当制动器失效时，如速度指令大于电梯实际的速度，Iqcmd大于0，电气制动和对重对电梯进行制动。

即在高速急停时，由于本发明采用速度闭环，电流闭环控制，通过设定合理的减速曲线，当制动器正常时，可不参与制动，不会使得轻载下行的减速度或者重载上行的减速度超过要求，也不会产生过大的电流。可在制动器失效时才参与制动，此时因为电流闭环控制，不会产生瞬时短路大电流。

由于PM电机运行在发电模式，PM电机发出的电回馈至中间电路，使得中间电路电压Ud升高。图5为中间电路带制动单元和制动电阻的永磁同步电机的驱动系统，通过电阻Rb和开关管Sb可以将多余的能量作为热量而被消耗。一般采用滞环电压控制，即当Ud大于阈值A(前述第二阈值)时，开关管Sb导通，而小于阈值B(前述第三阈值)时，开关管Sb关断。阈值A、B同电网电压相关和开关管的耐压相关，即既防止在正常电网电压波动时，开关管Sb导通引起电阻Rb过载，也防止开关管过压，如三相380V系统，阈值A可为640V，阈值B可为620V。

图6为前端带接触器、且中间电路带制动单元和制动电阻的永磁同步电机的驱动系统。当轿厢在层站位置，且开门时，因制动器失效导致触发轿厢意外移动功能时，会将电梯的安全回路切断，从而将变频器前端的接触器切断，此时需要PM电机发电运行才能保证中间电路的电压不会太小而导致电流环输出饱和而失控。

实施例2

因为实施例1需要参与的部件较多，而已有技术的电子封星制动不需要编码器等信息，为了提高可靠性，在低速下可采用电子封星制动，当速度高于某一个阈值时切换为实施例1所述的闭环控制的方案。该阈值(前述第一阈值)n1一般可取封星制动时最大封星转矩处附近对应的转速。如此，当不平衡转矩较小时，速度稳定在图3曲线31的某一点，只有当不平衡转矩大于封星制动转矩时，电梯继续加速溜车才切换为闭环控制。

在从电子封星制动切换为闭环控制时，在切换时按照PM电机当前的速度、电流对闭环控制所基于的速度闭环、电流闭环进行初始化，具体包括以下两方面：

一是：将所述速度闭环的给定值设定为切入瞬间的PM电机反馈的速度，同时将所述速度闭环的输出值设定为切入瞬间的q轴转矩电流。

二是：将所述转矩电流闭环的给定值设定为切入瞬间的q轴转矩电流。

如此，切入闭环控制时，可以让闭环控制的设定值和输出值与实际运行状况的准确匹配，实现电子封星制动到闭环的无缝切换。

另外，为了防止频繁切换，可以设置一个已有技术的滞环，优选为滞环的速度值可取小于n1 2Hz。

实施例3

通常制动器失效，启动电子封星制动后，因电子封星制动的稳态速度较小，一般小于0.3m/s，对于高楼层电梯，将长时间处于封星制动状态，因此会在变频器、PM电机累积过多热量，一旦不能及时将热量散发，将面临过热风险。

本发明可在制动器失效，启动电气制动，根据不平衡负载转矩32最终稳定运行在与曲线31的相交处一段时间后，且电梯的轿厢门已闭合的情况下，通过同时调小T4、T5、T6的驱动信号的Duty(即导通时间占周期的比例，T1、T2、T3维持封锁)，可使得电梯速度升高，从而切换为如实施例2的闭环控制，从而缩短封星制动的时间，消除过热风险。

Claims (12)

1.用于电梯的电气制动方法，应用于电梯控制系统,其特征在于，所述用于电梯的电气制动方法的具体步骤如下：

步骤410，在要求电气制动时；

步骤420，电梯进入闭环控制；

步骤430，根据电梯运行方向，对正向转矩指令或转矩电流指令Iqcmd限制为0；反向转矩指令或转矩电流指令Iqcmd的绝对值限制为小于等于阈值A，使变频器输出负功率。

2.根据权利要求1所述的用于电梯的电气制动方法，其特征在于，所述的阈值A为k*Ke*|n|/R，其中Ke为反电势系数，|n|为电梯速度的绝对值，R为PM电机的相电阻，k为系数，k≤1；k指留有发电的裕量用于变频器的损耗；但当阈值A表示转矩指令时，则k还包含转矩电流比。

3.根据权利要求2所述的用于电梯的电气制动方法，其特征在于，所述的电梯运行方向根据电梯速度来判断。当电梯速度n>C，C≥0，电梯向上运行，转矩电流指令Iqcmd小于等于0，且大于等于-k*Ke*n/R；当电梯速度n<-D，D≥0，电梯向下运行，转矩电流指令Iqcmd大于等于0，且小于等于-k*Ke*n/R。当电梯速度在C≥n≥-D时，转矩电流指令Iqcmd为0。

4.根据权利要求1所述的用于电梯的电气制动方法，其特征在于，所述闭环控制采用速度闭环和电流闭环控制。

5.根据权利要求4所述的用于电梯的电气制动方法，其特征在于，当电梯高速运行急停时，以某一速度为目标，从当前电梯速度按照某一减速度进行减速。

6.根据权利要求5所述的用于电梯的电气制动方法，其特征在于，通过设定不同的减速曲线使得电气制动是否加速电梯的制动，当不需要参与时，所述的减速度可较制动器正常时的制停减速度小。

7.根据权利要求4所述的用于电梯的电气制动方法，其特征在于，所述转矩电流指令Iqcmd的限制，还取决于变频器或PM马达的能力限制阈值B，实际限制值为阈值A和阈值B的较小值，即min(A，B)。

8.根据权利要求1所述的用于电梯的电气制动方法，其特征在于，电梯在低速下进行电子封星控制，当电梯的运行速度高于一第一阈值时切换为闭环控制。

9.根据权利要求8所述的用于电梯的电气制动方法，其特征在于，所述第一阈值取封星制动时最大封星转矩处附近对应的转速。

10.根据权利要求8所述的用于电梯的电气制动方法，其特征在于，在从电子封星制动切换为闭环控制时，在切换时按照PM电机当前的速度、电流对闭环控制所基于的速度闭环、电流闭环进行初始化，具体包括以下两方面：

一是：将所述速度闭环的给定值设定为切入瞬间的PM电机反馈的速度，同时将所述速度闭环的输出值设定为切入瞬间的q轴转矩电流；

二是：将所述转矩电流闭环的给定值设定为切入瞬间的q轴转矩电流。

11.根据权利要求8所述的用于电梯的电气制动方法，其特征在于，在制动器失效，启动电子封星制动，根据不平衡负载转矩最终稳定运行一段时间后，且电梯的轿厢门已闭合的情况下，通过同时调小变频器电子封星时非封锁的可控开关管的驱动信号的Duty，使得电梯速度升高，再切换为闭环控制。

12.如权利要求1所述的用于电梯的电气制动方法，其特征在于，所述电梯控制系统为前端带接触器、中间电路带制动单元和制动电阻的永磁同步电机的驱动系统。