无机房电梯系统结构与控制原理

无机房电梯系统结构与控制原理

前言

电梯是现代社会不可或缺的典型机电一体化产品之一。电梯一般由机械部分、电气部分和控制部分组成。其中，电梯机械部分对应于人的躯体，电气部分对应于人的神经，控制部分对应于人的大脑。电梯的机械部分、电气部分通过控制部分协调控制，实现乘客或货物的安全提升。

随着技术的发展和社会的进步，节能环保成为衡量机电产品设计优劣的重要尺度。电梯业首OTIS公司凭借其一百五十年来延续的技术优势和产品理念，于2000年设计完成的第二代新型无机房节能电梯GN2受到世界各国环保部门的青睐。本文主要介绍GN2无机房电梯系统的工作结构和电气控制基本原理。

一、电梯基本结构和工作原理

1、传统电梯的结构和工作原理

传统电梯从空间位置上可分成四个部分：依附建筑物的机房和井道；运载乘客或货物的轿厢；乘客或货物出入轿厢的层站。即机房、井道、轿厢、层站。从电梯各构件部分功能看可分成八个部分：曳引系统、导向系统、轿厢、门系统、重量平衡系统、电力拖动系统、电气控制系统和安全保护系统，如图1

所示。

图1传统电梯结构原理图

（1）电力拖动系统：由电动机、减速机、制动器、供电系统、速度反馈装置和调速装置等组成，实现带电梯速度控制、提供驱动力；

（2）曳引系统：由曳引机、曳引轮、钢丝绳、导向轮和反绳轮等组成，实现电梯驱动

力的输出与传递；

（3）导向系统：包括轿厢的导轨、对重的导轨及其导轨架等，实现轿厢和对重活动自由度的限制，使其只能沿导轨运动；

（4）轿厢：包括轿厢架和轿厢体，运载乘客或货物的载体；

（5）门系统：包括轿厢门、层门、开门机、联动机构和门锁，实现运行时层与轿厢门的安全封闭和到站打开、乘客或货物安全进出；

（6）重量平衡系统：包括对重和重量补偿装置等，实现轿厢重量相对平衡和高层电梯中曳引绳长度影响的补偿；

（7）电气控制系统：包括操纵装置、位置显示装置、控制柜和选层器等，实现电梯的运行操控，是电梯动作的指挥中心；

（8）安全保护系统：包括限速器、安全钳、缓冲器和端站保护装置、供电系统断相错相保护装置、超越上下极限工作位置保护装置、层门锁与轿门电气联锁装置、电动机超速过载与编码器断线保护等，保障电梯安全和长期稳定运行。

2、无机房电梯的结构特点和工作原理

无机房电梯是随着曳引技术的发展和节能环保的要求而产生的新型电梯。它是将电梯部件中曳引机和限速器等安装在电梯的井道内，将控制柜安装在电梯最顶层厅门边，从而将机房压缩在电梯井道内如图2

所示。

b)有机房电梯结构

图2无机房电梯安装结构改进

和有机房电梯不同，传动比上无机房电梯将2:1复绕轮安装在轿厢下方中部的两个角上，以节省井道顶部空间，减小顶层高度。

因为无机房电梯的曳引机的保守系数较小，所以要求整个系统的转动惯量在保证摩擦系数的情况下尽量小，即轿厢的重量要控制在一定的范围内，轿厢的载重量一般不大于1000Kg，轿厢的装饰重量一般不大于100Kg。

虽然安装和曳引驱动方式不同，无机房电梯的控制部分和有机房电梯基本相同，只是无机房电梯要求零部件安装得更加紧凑，控制柜则压缩成一个240×500×2100的长方体，安a)无机房电梯结构

装在最顶层厅门旁边。

实现电梯无机房运行，要求曳引技术能够不断减小曳引机体积和质量，同时要求产生很大的驱动功率。并且无机房电梯对隔振和，因为无机房电梯减少了电梯井道的操作空间，故障时靠对重平层，维修和保养不便。

所以，无机房电梯普遍采用利用微机控制变频的永磁无齿轮同步曳引机代替传统的涡轮蜗杆曳引机。由于永磁无齿轮同步曳引机电机的功率因素为1，并且传动不经过齿轮箱变速，因此极大地减少了传动损耗。

3、GN2电梯系统结构特点

GN2是OTIS公司向全球统一销售的第二代无机房电梯。它在无机房电梯上使用仅1英尺厚的高强度聚亚胺酯镀层复合钢带取代钢丝绳传动，配以带有滚筒形曳引轮的永磁无齿轮同步曳引机。这种曳引机占用更少的井道有用空间，大大改善了无机房电梯操作空间过于狭窄的弊病。因为永磁同步曳引机使用永久磁铁代替励磁电流，大大减少了电磁损耗，并且无齿轮传动无需润滑油，所以GN2电梯使用环境十分清洁，使总传动损耗减少了50%。如图3

所示。

图3GN2电梯系统结构原理

GN2系统中滚筒曳引机的轴承两端设有空气间隙，采用封闭密封形式，减少了电梯噪音的传递和对井道环境的污染，提高了曳引效率和乘坐舒适性。

二、电梯主要零部件结构和工作原理

1、曳引机构

GN2最大载重1000kg，速度1.0m/s，提升高度40m。曳引方式为动滑轮传动，反绳轮在轿顶。图中a)为有导向的动滑轮传动，b)为无导向的动滑轮传动。由滑轮工作原理可

'知，这种曳引方式的传动比为i122；机械效益为AQ2，即轿厢速度是曳引轮速度F

的1

。如图4所示。2

图4曳引传动形式

2、轿厢机构

轿厢由底梁、立柱、上梁和拉条构成。底梁直接承受轿厢的重量，一般分为梁式结构和框式结构。轿厢内设有操纵装置、位置指示器、应急装置、通风设备、照明设备及电梯规格铭牌等。乘客电梯均设有轿厢超载装置，可以对电梯轿厢载重量进行称重，当载重量达到电梯额定载重的110%时，电梯不能关门启动，同时蜂鸣器响、超载灯亮。如图5所示。

超载装置一般也安装在轿厢顶部或底部，结构形式有机械式、橡胶块式、电磁式和应变

片式。

图5轿厢机构

3、门机机构

电梯门由门扇、门滑轮、门滑块、门地坎、门导轨（上坎）等构成。轿厢门由门滑轮悬挂在轿门导轨上，下部由门滑块与轿厢地坎配合。厅门由门滑轮悬挂在厅门导轨上，下部通过门滑块与厅门地坎配合。由电机通过齿形带带动门滑轮使电梯门打开或关闭，通过自动门锁可以保证电梯门可靠关闭。如图6、7

所示。

图6

门机机构

图7自动门锁与咬合装置

4、导向系统

电梯导向系统包括导轨和导靴，是我了保证在电梯运行期间轿厢与对重之间以及它们与井道结构物之间具有固定的相同位置。

导轨是电梯轿厢和对重运行的轨道，由多节经过细加工的短导轨组成。各节短导轨通过接道板连接起来，通过压道板、螺栓和螺母固定在导轨支架上。

为了防止轿厢扭转和偏斜，维持恒定的位置关系，在轿厢轿架四角设置四只可沿导轨滑动或滚动的导靴。两只上导靴固定在轿厢上梁上，两只下导靴固定在安全钳钳座上。

导靴分为固定滑动导靴、弹性滑动导靴和滚轮导靴。GN2电梯系统使用扁平的复合钢带代替圆形的钢丝绳，导靴采用无需润滑的胶轮导靴，可以缓和震动冲击，减少噪声。如图8所示。

图8电梯胶轮导靴

5、安全系统

电梯安全系统是电梯系统的关键机构，它由限速器、安全钳、限位开关、缓冲器、门保

图9电梯安全系统总图

护装置以及超载装置、门锁电气、安全门和安全窗等组成的不安全运行保护和应急处理系统。

如图9所示。

限速器与安全钳是电梯超速或失控时的联动保护装置。限速器实现速度反应和操纵安全钳以机械动作将轿厢强行制停在导轨上。

限速器安装在曳引机架上，通过钢带与安装在轿厢上横梁两侧的安全钳拉杆相连，电梯的运行速度通过钢带反映到限速器的旋转转速上，当旋转速度超出限速器的动作速度时，限速器动作，同时切断控制回路或使安全钳动作。

GN2采用弹性夹持式双向限速器，能够实现高速运行下的安全保护，并且对钢带不产生损害。限速器上的复合宽钢带比钢丝绳柔软并且不产生滑动，可以省掉为增加摩擦而安装在井道底座上的张紧轮。如图10、11

所示。

图10双向限速器图11弹性渐开式安全钳

缓冲器设置在井道底坑的地面上，当轿厢或对重由于特殊原因发生蹲底时，用来吸收轿厢或对重的制动动能。如图12

所示。

图12油压式缓冲器

当缓冲器工作时，轿厢或对重撞击缓冲器，柱塞向下运动，压缩油缸内的油，将电梯的动能传递给液压油，使液压油通过环行节流孔喷向柱塞腔。液压油通过环行节流孔时，由于流动面积突然缩小，形成涡流，使液体内的质点相互碰撞、摩擦而产生热量将电梯的冲击动能消耗掉，从而保证电梯安全可靠的减速停车。当轿厢或对重离开缓冲器时，柱塞在复位弹簧力的作用下，恢复到正常的工作状态，而液压油则重新回流到油缸内。

三、电梯电气控制系统基本原理

电梯电气回路主要包括电源主回路、安全回路、楼层回路、门控回路、轿内指令回路、厅外指令回路、自动定向回路、启动开关回路、门锁抱闸回路、加减速延时回路、触发停站回路以及加减速运行和平层回路等。下面以继电器动作为例分别进行说明。

1、主回路

电梯向上启动时，快车接触器K和上方向接触器S吸合，此时接触器1A还未吸合，380V通过电阻电抗RQA、XQ接通电动机快车绕阻，电动机降压起动。经过延时后，1A吸合，电阻电抗短接，电动机电压上升到380V。电梯经过加速过程后达到稳速快车运行状态。

电梯运行到减速点时，S仍保持吸合，而K和1A释放，慢车接触器M吸合。电机进入再生发电制动状态。经过延时，接触器2A、接触器3A、接触器4A先后吸合短接相应电阻，使制动力距逐渐增加，电梯速度逐级过渡到稳速慢车运行状态。

电梯进入平层点，S、M、2A、3A、4A同时释放，电动机失电，制动器抱闸，电梯停止运行。如图13

所示。

图13电梯电源及主拖动回路

2、安全回路

经过整流器得到的110V直流电源，正极通过熔断丝1RD接到02号线，负极通过熔断丝2RD接到01号线。电源继电器JY通过安全开关、急停开关和各限位开关串联电路控制。02号线通过JY的常开触点接通或断开04号线，可使04号线与01号线之间保持或加载110V直流电源，从而控制电梯动作继电器动作。

串联电路在JY继电器前面增加一个用JY的常闭触点屏蔽的串联电阻RY，可以起到继电器欠压保护。继电器线圈得到110V直流电源吸合后，当电源电压降低到一定范围，继电器线圈仍能够维持吸合。例如电梯初始得电时，通过JY常闭触点使JY继电器有110V电压吸合，JY常闭触点立即断开，让电阻RY串入JY线圈回路，使JY在一个维持电压下吸合。当外部电源电压不稳定时，如01、02两端电压降低，JY继电器先于其它继电器断开，起欠

压保护作用。如图14

所示。

图14

3、楼层回路电梯安全回路

楼层控制回路是在电梯井道内每一层装一只永磁式楼层感应器，例如分别为1YG、2YG、3YG、4YG、5YG，而在轿厢外侧装一块长条的隔磁铁板。假如电梯从1层向上运行，则隔磁铁板依次插入楼层感应器。当隔磁铁板插入感应器时，感应器内干簧触点闭合，控制相应的楼层继电器吸合，控制相应的楼层动作。1JZ1~5JZ1都有吸合自保持功能，即始终有且只有一只吸合。如图15

所示。

图15电梯楼层回路

4、门控回路

正常关门时，轿内指令电路发出目的地指令，关门启动继电器1JQ和关门继电器JGM吸合，门机马达向关门方向运转使轿门关闭。轿门完全关闭，关门限位3GM切断JGM回路，轿门停止运行。

检修关门时，检修继电器JM吸合，按下关门铵钮AGM使JGM吸合，门机在检修状态关门。

正常开门时，电梯停靠层的门区继电器JMQ感应吸合。当电梯完全停止时，开门继电器JKM吸合，门机向开门方向旋转使门打开。轿门完全开启，开门限位2KM切断JKM回路，轿门停止运动。

检修开门时，电梯运行继电器JTY常闭触电闭合，按下开门按钮AKM使JKM吸合，门机在检修状态开门。

当JKM吸合时，电流同时通过DM和开门电阻RKM，电流从M2流向M3，门机向开门方向旋转，此时RKM阻值较大，通过RKM分流较小，开门速度较快。当电梯门关闭到3/4行程时，开关减速限位1KM接通，RKM大部分电阻被短接，通过RKM的分流增大，门机转速降低，实现开门减速功能。

当JGM吸合时，电流同时通过DM和关门电阻RGM，电流从M3流向M2，门机向关门方向旋转。此时RGM阻值较大，通过RGM分流较小，关门速度较快。当电梯门关闭到一半行程时，关门一级减速限位1GM接通，RGM一部分电阻被短接，通过RGM的分流增大一些，门机实现一级关门减速。当电梯门关闭到3/4行程时，关门二级减速限位2GM接通，RGM大部分电阻被短接，通过RGM的分流进一步增加，门机进一步减速，实现关门二级减速。调节开关门电路中的总分压电阻RMD，可控制开关门的总速度。如图16所示

。

图16电梯门控回路

5、轿内呼梯指令回路

轿内呼梯时，例如轿厢在2楼发出向5楼的轿内呼梯指令，即A5J按下使5楼指令继电器J5J吸合，电梯由自动定向回路确定方向为向上，上行继电器JKS1吸合，通过JKS1（1、7）和J5J（12、6）触点使J5J自保持，呼梯信号被登记。

电梯运行到5楼时楼层继电器5JZ1和减速继电器1A闭合进入减速运行。通过5JZ1（11、

12）和1A（7、8）触点将J5J短路释放，自保持消号消除。电梯停靠在当前楼层时，本层指令被屏蔽。如图17

所示。

图17电梯轿内呼梯指令回路

6、厅外召唤指令回路

厅外召唤时，例如轿厢在1楼时3楼乘客发出向下厅外招唤指令，即A3X按下使3楼向下召唤继电器J3X吸合，通过J3X（6、12）触点使J3X自保持，召唤信号被登记。

电梯向上运行到3楼时，楼层继电器3JZ1吸合。如果此时电梯无上行信号，则上行继电器JKS1释放，通过3JZ1（13、14）、JKS1（5、11）和JQ（5、11）触点把J3X短接释放，自保持信号消号；如果此时电梯有上行信号，则JKS1吸合，J3X不消号。直到重新返回3楼J3X消号。电梯停靠当前层时，同向召唤不被登记，反向召唤被登记。如图18所示。

7、自动定向电回路

楼层继电器1JZ1~5JZ1的状态反映了当前轿厢的实际位置，轿厢所在位置的nJZ1把AB纵线分成两段。如果指令信号楼层大于轿厢位置楼层，电源通过AB纵线上面部分接通向上方向继电器JKS、JKS1；如果指令信号楼层小于轿厢位置楼层，电源通过AB纵线下面部分接通向下方向继电器JKX、JKX1，从而完成电梯行驶自动定向。

轿厢侧面装有上平层感应器YPS、门区感应器YMQ和下平层感应器YPX，可以在平层位置时分别驱动上平层继电器JPS、门区继电器JMQ和下平层继电器JPX。如图19所示。

8、启动运行开关回路

电梯得到指令后自动定向，JKS或JKX动作，AYS或AYX按下，向上继电器JFS或向下继电器JFX吸合，驱动开门启动继电器1JQ吸合，轿门开始关闭。

轿门关闭结束后，门锁继电器吸合，JKS或JKX驱动启动继电器JQ吸合，电梯快速运

行。电梯达到端站减速位置时，强迫减速限位触点断开使JQ继电器释放，电梯减速进入慢车状态。如图20

所示。

图18电梯厅外召唤指令回路

图19

电梯自动定向回路

图20电梯启动运行开关回路

9、门锁检修抱闸回路

厅门和轿门上装有门电气联锁触点，轿门完全关闭后，所有门电气联锁联点闭合，门锁

继电器JMS吸合，电梯才能运行。轿厢内外还装有检修开关，按下检修开关，检修继电器JM吸合，使电梯处于检修状态。

电梯开始运行时，1A、2A仍未吸合，其常闭触点将RZ1短路，抱闸线圈DZZ得到110V直流电压。经过延时，1A吸合使电阻RZ1串联到DZZ线圈，DZZ两端电压下降至维持电压。过度电容C8可以防止DZZ电压的瞬变而引起误动作，而电阻RZ2构成DZZ的放电回路。JK延时继电器可以防止电梯速度切换时DZZ的瞬间断电使制动器产生两次动作。电梯上行接触器S或下行接触器X吸合时，运行继电器JYT吸合，电梯在运行之中。如图21

所示。

图21电梯门锁检修抱闸回路

10、加减速延时回路

电梯启动，通过JYT、1JQ使J1SA吸合，经R1SA给电容C1SA充电；电梯运行时，C1SA通过R1SA对J1SA放电，使延时释放继电器J1SA延时释放。J1SA~J4SA依次释放使电梯依次进入快车、1级减速、2级减速、3级减速；J4SA~J1SA依次释放电梯逐渐加速。如图22

所示。

图22电梯加减速延时回路

11、触发停站回路

例如电梯向上行驶至4楼，隔磁铁板插入4楼感应器中使4JZ吸合，停站触发继电器JTQ延时一定时间释放。通过J4J、4JZ、JTQ的延时断开触点（1、7），停站继电器JT接通，电梯减速停站。这样可以保证电梯到达某楼层后，不再响应当前楼层发出的停车指令。如图23

所示。

图23电梯触发停站回路

12、加减速和平层回路

以上行为例，电梯快车上行，JQ吸合使快车接触器K吸合和快车延时继电器JK吸合，通过已定方向JKS，使向上运行接触器S吸合，而此时1A仍未吸合，所以电梯快车降压启动。经过延时后，1A吸合使电梯加速，最后电梯快车稳速向上运行。

运行至目的层时，JQ和K释放，M吸合。K释放后，S通过JK（3、8）、S（1、2）和X（3、4）触点保持吸合，电梯慢车向上运行。最后通过2A、3A、4A逐级吸合，实现三级减速制动，电梯慢车稳速运行。JK释放，S通过JM（13、14）、JMQ（2、8）、M（1、2）和S（1、2）触点自保。

电梯继续慢速上行使上平层感应器插入楼层隔磁铁板，S通过JPS（3、8）、JQ（2、8）、JPX（2、8）、K（3、4）和JM（13、14）触点吸合；然后门区感应器插入楼层隔磁铁板使回路3断开，S通过回路4吸合；当下平层感应器插入楼层隔磁铁板时，电梯准确平层，使回路4断开，S和M释放，电梯停止运行。如图24所示。

四、电梯微机控制系统原理

继电器动作原理仅用来对电梯系统电气原理进行说明，实际的电梯均采用微机控制信号模拟物理继电器状态进行电梯控制。

GN2采用了OTIS专用可编程微控制芯片控制交流PM曳引机，对电梯运行速度曲线进行优化控制，增强了电梯舒适性和安全性。

对可编程控制器进行编程或者对电梯进行维护调试时，必须熟练电梯电气原理图和编程规则。编程调试时，GN2可以自学习功能迅速完成运行和安全保护程序，完成电梯的安装和调试。调试程序可以参考GN2电梯随机携带的安装调试说明书，不再赘述。

图24电梯加减速和平层回路