CN101565138A - 分离式自充电电梯能量回馈装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分离式自充电电梯能量回馈装置，其中，二极管三相不可控整流模块(1)分别接三相电网(100)、自充电电路(2)，所述自充电电路(2)接稳压滤波电容(4)，所述稳压滤波电容(4)分别接能耗制动单元(3)、逆变器模块(5)、隔离二极管(6)，所述隔离二极管(6)与能量回馈单元(7)串联，所述能量回馈单元(7)依次接高次谐波滤波器(8)、三相电网(100)。本发明公开的分离式自充电电梯能量回馈装置，该装置可以实现对电梯再生能量的有效利用，提高电梯运行的安全性，并延长电梯的使用寿命，且造价低廉，适合大规模的推广应用，具有重大的生产实践意义。

Description

分离式自充电电梯能量回馈装置

技术领域

本发明涉及电梯技术领域，特别是涉及一种分离式自充电电梯能量回馈装置。

背景技术

当前，对于建筑电气来说，能耗主要集中在空调、电梯、照明、风机等系统上，其中电梯是主要能耗之一，而电梯的能耗绝大部分集中在电力拖动(即曳引机)上。如果采用电梯节能技术，则有助于缓解电力紧张局势，随着电梯数量逐年增长，电梯节能潜力还会进一步增大，因此可见电梯节能具有重要的社会意义和可观的经济效益。

随着交流调速技术的不断发展，基于矢量控制变频调速技术的电梯产品，已成为目前市场上的主流。但是绝大多数电梯产品采用单脉宽调制(PWM)来控制，即采用二极管不可控整流，经过中间电容的滤波稳压，最后通过PWM控制逆变器输出电压频率可变的交流电驱动曳引机，从而控制电梯运行。这种调速系统存在如下缺点：功率因数低、网侧谐波污染严重、无法实现能量的再生利用。

当电梯启动运行达到最高运行速度后具有最大的机械动能，电梯达到目的层前要逐步减速直到电梯停止运动为止，这一过程中曳引机处于发电制动状态，释放机械动能。此外，电梯还是一个位能性负载，为了均匀拖动负载，电梯负载由载客轿厢和对重平衡块组成，只有当轿厢载重量约为50％时，轿厢对重平衡块才处于双方质量基本平衡状态，否则，当曳引机非平衡(即轿厢和对重平衡块有质量差)上下运行时，电动机就处于发电制动状态，释放机械位能。电梯运行中释放的机械能(包括位能和动能)通过曳引机和变频器转换成直流电储存在直流回路中的电容上，产生泵升电压，从而影响到变频器的正常工作，进而使电梯无法正常运行。

如何处理电梯再生能量是电梯节能的关键，通常有两种方式：(1)将再生能量耗散到直流回路中人为设置的与直流电容并联的制动电阻中，称为能耗制动方式。(2)采用有源逆变技术，将再生能量逆变为与电网同频率同相位的交流电，回馈给电网，称为回馈制动方式。

为了解决电梯再生能量问题，德国西门子公司已经推出了电机四象限运行的电压型交-直-交变频器；日本富士公司也成功研制了电源再生装置。但是它们普遍存在的问题是这些国外装置价格昂贵，以及一些产品对电网要求很高，不适合我国国情。

目前国内绝大多数变频调速电梯均为采用能耗制动方式来处理电梯的再生能量，由于能耗制动方式采用制动电阻来消耗再生能量，这样不仅会降低系统的效率，还会导致环境温度的升高，这将会严重影响电梯控制系统的可靠运行，缩短电梯的使用寿命。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种分离式自充电电梯能量回馈装置，该装置可以实现对电梯再生能量的有效利用，提高电梯运行的安全性，并延长电梯的使用寿命，且造价低廉，适合大规模的推广应用，具有重大的生产实践意义。

为此，本发明提供了一种分离式自充电电梯能量回馈装置，其中，二极管三相不可控整流模块1分别接三相电网100、自充电电路2，所述自充电电路2接稳压滤波电容4，所述稳压滤波电容4分别接能耗制动单元3、逆变器模块5、隔离二极管6，所述隔离二极管6与能量回馈单元7串联，所述能量回馈单元7依次接高次谐波滤波器8、三相电网100。

优选地，所述能量回馈单元7的启动电压小于能耗制动单元3的启动电压。

优选地，所述自充电电路2由限流电阻R1与接触器K并联组成，所述能耗制动单元3由能耗电阻R2和绝缘栅双极晶体管IGBT1串联组成。

优选地，所述能量回馈单元7的输入端与隔离二极管6的D1、D2串联后与稳压滤波电容4并联。

优选地，还包括有控制驱动电路200，用于控制自充电电路2工作，并根据稳压滤波电容4两端电压的大小，分别控制能耗制动单元3、逆变器模块5和能量回馈单元7工作。

优选地，所述控制驱动电路200包括有电压传感器201、电压调理电路202、数字信号处理器203、继电器204、第一驱动隔离电路205和第二驱动隔离电路206，其中，

电压传感器201，用于实时采集稳压滤波电容4的两端电压模拟信号和三相电网100的A相电压模拟信号；

电压调理电路202，用于将电压传感器201所输出的电压模拟信号转换到数字信号处理器203中模数转换ADC模块所允许的电压范围内，并输出给数字信号处理器203；

数字信号处理器203，用于控制自充电电路2的充电时间，以及实时采集稳压滤波电容4的两端电压信号，根据稳压滤波电容4的两端电压大小，来分别控制能耗制动单元3、逆变器模块5、能量回馈单元7运行。

优选地，所述数字信号处理器203在稳压滤波电容4的两端电压稳定时，通过其中的事件管理器EVA模块发出六路脉宽调制PWM信号给第一驱动隔离电路205来控制逆变器模块5工作。

优选地，所述数字信号处理器203在稳压滤波电容4两端电压信号大于能量回馈单元7的启动电压且小于能耗制动单元3的启动电压时，通过其中的事件管理器EVB模块发出六路脉宽调制PWM信号给第二驱动隔离电路206来控制能量回馈单元7工作。

优选地，所述数字信号处理器203在稳压滤波电容4两端电压信号大于能耗制动单元3的启动电压时，设置一个输入/输出I/O模块端口输出高电平信号，经第一驱动隔离电路205来控制能耗制动单元3中的绝缘栅双极晶体管IGBT1导通，进而控制能耗制动单元3工作。

由以上本发明提供的技术方案可见，本发明提供的一种分离式自充电电梯能量回馈装置，该装置可以实现对电梯再生能量的有效利用，提高电梯运行的安全性，并延长电梯的使用寿命，且造价低廉，适合大规模的推广应用，具有重大的生产实践意义。

本发明与现有技术相比，还具有以下有效效果：

1、本发明采用了脉宽调制PWM控制模式，克服了传统能耗制动方式效率低、能耗大、限制制动性能提高等缺陷；

2、本发明采用自充电电路取代传统的预充电装置，大大提高了系统的可靠性和智能化程度；

3、本发明由于采用隔离二极管将能量回馈单元与电梯变频器进行隔离，保证实现能量的正向流动，从而保证能量回馈装置的可靠工作；

4、本发明提供的分离式自充电电梯能量回馈装置一旦出现了故障，并不会影响原有电梯的正常工作，因此提高了电梯系统运行安全性。

附图说明

图1为本发明提供的分离式自充电电梯能量回馈装置的结构方框图；

图2为本发明提供的分离式自充电电梯能量回馈装置的具体电路示意图；

图3为本发明提供的分离式自充电电梯能量回馈装置的控制原理图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明提供的分离式自充电电梯能量回馈装置的结构方框图。

参见图1，本发明提供了一种分离式自充电电梯能量回馈装置，该装置包括：二极管三相不可控整流模块1、自充电电路2、能耗制动单元3、稳压滤波电容4、由绝缘栅双极晶体管(IGBT)构成的逆变器模块5、隔离二极管6、能量回馈单元7、高次谐波滤波器8。

其中，二极管三相不可控整流模块1分别接三相电网(R、S、T)100、自充电电路2，所述自充电电路2接稳压滤波电容4，所述稳压滤波电容4分别接能耗制动单元3、逆变器模块5、隔离二极管6，所述隔离二极管6与能量回馈单元7串联，所述能量回馈单元7依次接高次谐波滤波器8、三相电网(R、S、T)100。

其中，参见图2，所述自充电电路2由限流电阻R1与接触器K并联组成，所述能耗制动单元3由能耗电阻R2和绝缘栅双极晶体管IGBT1串联组成。

在本发明中，三相电网(R、S、T)100经过二极管三相不可控整流模块1进行整流，由自充电电路2对稳压滤波电容4自充电，稳压滤波电容4与能耗制动单元3、逆变器模块5并联，由逆变器模块5输出电压频率可调的交流电(U、V、W)来驱动电梯的曳引机，能量回馈单元7的输入端与隔离二极管6的D1、D2串联后与稳压滤波电容4并联，经高次谐波滤波器8滤波后与三相电网(R、S、T)100相连，将再生能量回馈给三相电网(R、S、T)100。

在本发明中，该能量回馈装置中还包括有控制驱动电路200，用于控制自充电电路2工作，并根据稳压滤波电容4两端电压Udc的大小，分别控制能耗制动单元3、逆变器模块5和能量回馈单元7工作。

下面对本发明的整个能量回馈装置的具体工作过程进行说明：

三相电网(R、S、T)100输出的交流电经过不可控二极管整流模块1整流，由自充电电路2对稳压滤波电容4进行自充电。在对稳压滤波电容4进行自充电时，自充电电路2中的接触器K为断开状态，这时自充电电路2中电阻R1对充电电流起限流作用，从而可以防止因充电电流过大而损坏电容；当自充电结束后，通过控制驱动电路200来控制接触器K自动闭合，这时限流电阻R1被短路，至此完成对稳压滤波电容4的自充电。

当曳引机提升轿厢或加速时，曳引机处于电动状态，逆变器模块5的电源由稳压滤波电容4提供，逆变器模块5将稳压滤波电容4两端电压进行逆变，生成电压、频率可调的三相交流电(U、V、W)来驱动电梯曳引机。

具体实现上，在本发明中，电梯曳引机处于电动状态时，控制驱动电路200可以通过其中的事件管理器EVA模块发出六路脉冲PWM(脉宽调制)信号来控制逆变器模块5工作。

而当轿厢下降或减速时，电梯曳引机处于发电制动状态，这时逆变器模块5中续流二极管对轿厢位能或曳引机动能这部分再生能量进行不可控整流，转换变成直流电，由于二极管三相不可控整流模块1的单向导通性，再生能量所转换生成的直流电只能向中间的直流稳压滤波电容4充电，再生能量被存储到稳压滤波电容4中，导致稳压滤波电容4两端电压Udc上升。

在本发明中，鉴于能量回馈单元7的输入端与隔离二极管6中D1、D2串联后与稳压滤波电容4并联，在本发明中预先设定能量回馈单元7的启动电压小于能耗制动单元3的启动电压，这样使得只要能量回馈单元7不出故障，在曳引机处于发电制动状态时，当稳压滤波电容4两端的电压Udc超过能量回馈单元7启动电压时，能量回馈单元7就开始工作，串联的隔离二极管6的D1、D2的单向导通性可以保证稳压滤波电容4上所存储的再生能量只能由稳压滤波电容4侧向三相电网(R、S、T)100方向流动，从而可以及时高效的将稳压滤波电容4上储存的再生能量逆变为与三相电网100同频同向的交流电，回馈到三相电网100端(R、S、T)，并经过高次谐波滤波器8进行滤波，避免了回馈能量对三相电网100端产生谐波污染，这时稳压滤波电容4两端的电压由于输出再生能量而下降。

需要说明的是，在本发明中，如前所述，本发明预先设置能耗制动单元3的启动电压大于能量回馈单元7的启动电压，如果能量回馈单元7发生故障，由于此时稳压滤波电容4无法输出再生能量给能量回馈单元7，能量回馈单元7也无法把稳压滤波电容4上储存的再生能量再回馈到三相电网100端，那么稳压滤波电容4上的电压不断上升，在达到能耗制动单元3的启动电压时，能耗制动单元3开始工作，从而稳压滤波电容4上储存的再生能量可以通过能耗制动单元3中的能耗电阻R2被消耗掉，因此本发明可以避免用于存储再生能量的稳压滤波电容4因为其两端的电压过高而发生损坏。

具体实现上，在本发明中，电梯曳引机处于发电制动状态时，控制驱动电路200可以通过设置一个输入/输出I/O模块端口输出高电平信号给第一驱动隔离电路205来控制能耗制动单元3中的绝缘栅双极晶体管IGBT1导通。

图3为本发明提供的分离式自充电电梯能量回馈装置的控制原理图。

参见图3，对于本发明提供的控制驱动电路200，用于控制自充电电路2工作，并根据稳压滤波电容4的两端电压Udc的大小，分别控制能耗制动单元3、逆变器模块5和能量回馈单元7工作。

上述控制驱动电路200，包括有：电压传感器201、电压调理电路202、数字信号处理器DSP 203、继电器204、第一驱动隔离电路205和第二驱动隔离电路206；

其中，电压传感器201，用于实时采集稳压滤波电容4的两端电压Udc模拟信号、三相电网100的A相电压Ua模拟信号；

电压调理电路202，用于将电压传感器201所采集的电压模拟信号转换到数字信号处理器203中模数转换ADC模块所允许的电压范围内，并输出给数字信号处理器DSP 203；

在本发明中，所述继电器204分别与数字信号处理器DSP 203、自充电电路2相连接，所述第一驱动隔离电路205分别与数字信号处理器DSP 203、能耗制动单元3、逆变器模块5相连，所述第二驱动隔离电路206分别与数字信号处理器DSP 203、能量回馈单元7相连接。

数字信号处理器DSP 203，分别与电压调理电路202、继电器204、第一驱动隔离电路205和第二驱动隔离电路206相连接，用于控制自充电电路2的充电时间，以及实时采集稳压滤波电容4两端电压Udc信号，根据稳压滤波电容4的两端电压Udc的大小，来分别控制能耗制动单元3、逆变器模块5、能量回馈单元7工作。

数字信号处理器DSP 203的控制过程具体为：

1、在稳压滤波电容4两端电压信号Udc大小稳定时，通过其中的事件管理器EVA模块发出六路PWM(脉宽调制)信号经第一驱动隔离电路205来控制逆变器模块5工作；这时逆变器模块5将稳压滤波电容4两端电压逆变为电压、频率可调的三相交流电(U、V、W)来驱动曳引机；

2、在稳压滤波电容4两端电压信号Udc大于能量回馈单元7的启动电压且小于能耗制动单元3的启动电压时，由数字信号处理器DSP 203中的事件管理器EVB模块发出六路脉冲PWM(脉宽调制)信号经第二驱动隔离电路206来控制能量回馈单元7工作；这时可以及时高效的将稳压滤波电容4上存储的再生能量逆变为与三相电网100同频同向的交流电，回馈到三相电网100端(R、S、T)。

3、在稳压滤波电容4两端电压信号Udc大于能耗制动单元3的启动电压时，设置一个输入/输出I/O模块端口输出高电平信号经驱动隔离电路205来控制能耗制动单元3中的绝缘栅双极晶体管IGBT1导通，进而控制能耗制动单元3开始运行。这时再生能量消耗在能耗制动单元3中的能耗电阻R2上，实现再生能量的能耗制动。

需要说明的是，在能量回馈单元7发生故障时，稳压滤波电容4的两端电压信号Udc会上升到大于能耗制动单元3的启动电压。

数字信号处理器DSP 203用于控制自充电电路2的充电时间，当所设置的自充电时间到时，控制自充电电路2中的接触器K闭合。具体实现上，用数字信号处理器DSP 203的一个定时器设定自充电时间，当时间到时，表明稳压滤波电容4自充电结束，设置一个输入/输出I/O模块端口输出低电平信号，通过该信号控制继电器204的常开触点闭合，进而控制与继电器204相连接的自充电电路2中的接触器K闭合，完成对稳压滤波电容4的自充电。

在本发明中，所述数字信号处理器DSP 203优选为DSP 2812芯片。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行说明。

具体实施上，数字信号处理器DSP 203实时采集三相电网100侧A相电压Ua和稳压滤波电容4两端电压Udc，二极管三相不可控整流模块1的输入电压与输出电压关系为Udc＝2.34Ua，其中Ua为三相电网(R、S、T)的A相电压有效值，本发明在这里设定一个Udc的阈值电压Uband，当满足2.34Ua-Uband≤Udc＜2.34Ua+Uband时，规定稳压滤波电容4两端电压稳定，电压波动小，这时曳引机处于电动状态，DSP事件管理器EVA模块输出六路PWM信号，经第一驱动隔离电路205后控制逆变器模块5将电容4两端电压Udc逆变为三相交流电(U、V、W)来驱动曳引机。

而当曳引机处于发电制动状态时，逆变器模块5中的续流二极管对这部分再生能量实现不可控整流，变成直流电，由于不可控二极管整流模块1的单向导通性，再生能量只能向中间直流的稳压滤波电容4进行充电，导致电容电压Udc上升很快，这时Udc＞2.34Udc+Uband。所以本发明设置能量回馈单元7的启动电压为2.34Ua+Uband，即当Udc＞2.34Udc+Uband时，DSP事件管理器EVB模块输出六路PWM信号，经第二驱动隔离电路206后控制能量回馈单元7工作，及时高效的将电容4上储存的再生能量逆变为与三相电网100同频同向的交流电，回馈到三相电网100端(R、S、T)。

如前所述，本发明设置能耗制动单元3启动电压值高于能量回馈单元7启动电压值(即2.34Ua+Uband)，这样保证了只要能量回馈单元7不出故障，在曳引机发电制动时，当稳压滤波电容4两端电压超过能量回馈单元7的启动电压2.34Ua+Uband时，能量回馈单元7就工作，这时能耗制动单元3因没有达到其启动电压值并不工作。而一旦能量回馈单元7出现了故障，那么能量回馈单元7无法把稳压滤波电容4上储存的再生能量再回馈到三相电网100端，那么稳压滤波电容4上的电压不断上升，当上升到能耗制动单元3的启动电压后，设置数字信号处理器DSP203中事件管理器EVA模块的一个数字输入输出I/O端口输出高电平信号，该信号经驱动第一隔离电路205后控制能耗制动单元3中的IGBT1导通，从而将再生能量消耗在能耗制动单元3的电阻R2上，避免了因电容电压过高而损坏电容的现象。可见，本发明分离式自充电电梯能量回馈装置并不影响原来电梯正常运行，提高了系统工作可靠性。通过实时检测三相电网侧A相电压Ua，避免了传统电压检测方法中因只检测Udc而造成的由于Ua波动引起的能量回馈单元误动作的问题，提高了设备的安全性。

综上所述，本发明提供的一种分离式自充电电梯能量回馈装置，该装置可以实现对电梯再生能量的有效利用，提高电梯运行的安全性，并延长电梯的使用寿命，且造价低廉，适合大规模的推广应用，具有重大的生产实践意义。

本发明与现有技术相比，还具有以下有效效果：

1、本发明采用了脉宽调制PWM控制模式，克服了传统能耗制动方式效率低、能耗大、限制制动性能提高等缺陷；

2、本发明采用自充电电路取代传统的预充电装置，大大提高了系统的可靠性和智能化程度；

3、本发明由于采用隔离二极管将能量回馈单元与电梯变频器进行隔离，保证实现能量的正向流动，从而保证能量回馈装置的可靠工作；

4、本发明提供的分离式自充电电梯能量回馈装置一旦出现了故障，并不会影响原有电梯的正常工作，因此提高了电梯系统运行安全性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1、一种分离式自充电电梯能量回馈装置，其特征在于，二极管三相不可控整流模块(1)分别接三相电网(100)、自充电电路(2)，所述自充电电路(2)接稳压滤波电容(4)，所述稳压滤波电容(4)分别接能耗制动单元(3)、逆变器模块(5)、隔离二极管(6)，所述隔离二极管(6)与能量回馈单元(7)串联，所述能量回馈单元(7)依次接高次谐波滤波器(8)、三相电网(100)。

2、如权利要求1所述的能量回馈装置，其特征在于，所述能量回馈单元(7)的启动电压小于能耗制动单元(3)的启动电压。

3、如权利要求1所述的能量回馈装置，其特征在于，所述自充电电路(2)由限流电阻R1与接触器K并联组成，所述能耗制动单元(3)由能耗电阻R2和绝缘栅双极晶体管IGBT1串联组成。

4、如权利要求1所述的能量回馈装置，其特征在于，能量回馈单元(7)的输入端与隔离二极管(6)串联后与稳压滤波电容(4)并联。

5、如权利要求1至4中任一项所述的能量回馈装置，其特征在于，还包括有控制驱动电路(200)，用于控制自充电电路(2)工作，并根据稳压滤波电容(4)两端电压的大小，分别控制能耗制动单元(3)、逆变器模块(5)和能量回馈单元(7)工作。

6、如权利要求5所述的能量回馈装置，其特征在于，所述控制驱动电路(200)包括有电压传感器(201)、电压调理电路(202)、数字信号处理器(203)、继电器(204)、第一驱动隔离电路(205)和第二驱动隔离电路(206)，其中，

电压传感器(201)，用于实时采集稳压滤波电容(4)的两端电压模拟信号和三相电网(100)的A相电压模拟信号；

电压调理电路(202)，用于将电压传感器(201)所输出的电压模拟信号转换到数字信号处理器(203)中模数转换ADC模块所允许的电压范围内，并输出给数字信号处理器(203)；

数字信号处理器(203)，用于控制自充电电路(2)的充电时间，以及实时采集稳压滤波电容(4)的两端电压信号，根据稳压滤波电容(4)的两端电压大小，来分别控制能耗制动单元(3)、逆变器模块(5)、能量回馈单元(7)工作。

7、如权利要求6所述的能量回馈装置，其特征在于，所述数字信号处理器(203)在稳压滤波电容(4)的两端电压稳定时，通过其中的事件管理器EVA模块发出六路脉宽调制PWM信号给第一驱动隔离电路(205)来控制逆变器模块(5)工作。

8、如权利要求6所述的能量回馈装置，其特征在于，所述数字信号处理器(203)在稳压滤波电容(4)两端电压信号大于能量回馈单元(7)的启动电压且小于能耗制动单元(3)的启动电压时，通过其中的事件管理器EVB模块发出六路脉宽调制PWM信号给第二驱动隔离电路(206)来控制能量回馈单元(7)工作。

9、如权利要求6所述的能量回馈装置，其特征在于，所述数字信号处理器(203)在稳压滤波电容(4)两端电压信号大于能耗制动单元(3)的启动电压时，设置一个输入/输出I/O模块端口输出高电平信号，通过第一驱动隔离电路(205)来控制能耗制动单元(3)中的绝缘栅双极晶体管IGBT1导通，控制能耗制动单元(3)工作。

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