CN101807821B - 电梯节能系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电梯节能系统，该系统采用超级电容器组作为电梯子系统再生制动能量存储器件和电梯子系统运行的供电电源，在电梯子系统运行的制动过程中存储能量，通过系统控制器对电源切换控制电路进行控制，实现超级电容器组与外部交流电网之间切换为电梯子系统运行供电，达到节能目的。本系统充分利用超级电容器大电流放电的特点，减少对外部交流电网等级要求的同时，可以满足电梯子系统运行时的峰值功率，且超级电容器使用寿命长、充放电时间短和电容密度大等优点也得以展现。系统在节能的同时也提高了电梯运行的安全性，具有很高的社会效益和经济效益。
Description
技术领域
本发明属于电梯应用和节能领域，特别是一种使用超级电容器组存储电梯再生制动能量，为电梯系统运行供电或回馈电网的新型电梯节能系统。
背景技术
随着现代科技的发展和人们生活水平的提高，电梯的使用越来越普及，尤其是在现代大城市，高层建筑成为主流，作为适用于高层建筑的电梯正飞速增长，给人们的生活带来巨大便利。与此同时，越来越多的人注意到，电梯使用有一个重要负面影响，那就是能耗问题。对于电梯运行过程中减速上行和加速下行时产生的制动能量，通常是经由电阻以热能的形式消耗掉，这样不仅造成巨大的能量浪费，同时由于这些耗能电阻发热使环境温度升高，为了避免电梯因高温而产生故障，需要安装相当容量的空调或其他降温设备，而这无疑又是对能量的再一次巨大浪费，同时增加了成本。
近些年来得到一定应用的电梯节能方法是将制动能量反馈电网，即通过电动机将电梯机械能转变为变频器直流环节大电容内储存的电能，再使用能量回馈器将这部分电能回送给电网。但进行实时回馈时，难以保证回馈能量与交流电网保持一致的频率和相位，且回馈成分中的高频部分会对电网的稳定性产生一定的冲击，能量回馈的不连续性以及电网需要增加相应的附加设备等问题也是难以避免的，因此，能量回馈的质量难以保证。
与本发明较为接近的发明“一种新型节能电梯”(公开号：CN 1630158A)介绍了一种将超级电容作为备用电源和辅助电源的方案，该发明是将超级电源用作应急使用的备用电源和电梯系统启动时外部交流电网的辅助电源而并非为电梯系统正常运行的供电电源，同时上述发明中超级容器组用作备用电源时采用电梯系统运行制动能量和智能控制器控制通过交流电源为超级电容器充电，这样就使得系统节能的效果大大减少。
近些年新兴起来的超级电容具有其他存储设备例如蓄电池或普通电容器所不具备的优势：电容密度和功率密度大、能量密度高、充放电效率高、寿命长和适用温度范围广等。同时，不像有些存储设备那样有化学毒性，超级电容的本身材料是几乎没有毒性的，这又是一个重要特点。到目前为止，世界各国都对超级电容器进行了研制，并取得了显著的成果，超级电容器的各类性能指标都有了大幅度的提升，目前超级电容器已经在很多领域得到了广泛的应用。
目前已有采用超级电容作为备用电源和辅助电源的相应研究，但都只是将超级电容作为系统的备用电源，以备应急使用，或者是用作电梯启动时候的辅助电源，这样做节能效果并不明显。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以充分回收电梯再生制动能量和发挥超级电容器各种优点的电梯节能系统。
实现本发明目的的技术解决方案为：
本发明电梯节能系统包括AC/DC变换器、DC/AC变换器、电机驱动控制子系统、电梯曳引机、电梯子系统，超级电容器组及均压装置、系统控制器、DC/DC变换器、能量回馈子系统、显示模块、电源切换控制电路、能量回馈控制电路、超级电容器管理模块；外部交流电网通过AC/DC变换器与电源切换控制电路相连，电源切换控制电路通过DC/AC变换器与电机驱动控制子系统连接，电机驱动控制子系统、电梯曳引机和电梯子系统依次相连，其中AC/DC变换器和DC/AC变换器位于与外部交流电网相连的母线上，电梯子系统运行时，外部交流电网通过AC/DC变换器、DC/AC变换器给电梯曳引机提供能量，并利用电机驱动控制子系统[5]，通过接收和处理电梯曳引机[6]的采样信号，利用其中的可编程控制器件对电梯曳引机[6]的运行进行控制，电梯曳引机带动电梯子系统运行；超级电容器组及均压装置通过DC/DC变换器与母线相连，超级电容器组及均压装置通过DC/DC变换器吸收和存储电梯子系统运行过程中产生的制动能量，超级电容器组及均压装置分别与能量回馈控制电路、超级电容器管理模块以及系统控制器连接，能量回馈控制电路与系统控制器相连，系统控制器输出信号传输至能量回馈控制电路，利用能量回馈控制电路实现超级电容器组中能量回馈外部交流电网与超级电容器组中能量为电梯子系统运行供电之间的选择，系统控制器利用信号采集电路采集超级电容器组的运行参数信号，并将信号存储在系统控制器中；系统控制器分别与DC/DC变换器、电源切换控制电路和能量回馈控制电路连接，系统控制器在电梯子系统运行过程中通过输出信号来控制DC/DC变换器，从而对超级电容器组及均压装置的充放电进行控制，系统控制器控制电源切换控制电路，即控制信号由系统控制器发出，传输至电源切换控制电路，在电梯子系统运行期间，通过电源切换控制电路实现超级电容器组对电梯子系统供电和外部交流电网对电梯子系统供电的切换，系统控制器上还连接有显示模块，超级电容器组将运行参数信号传输至系统控制器，系统控制器在电梯子系统运行过程中将该信号显示在显示模块的显示屏上；能量回馈子系统则与能量回馈控制电路以及外部交流电网相连接，超级电容器组中能量通过能量回馈子系统回馈外部交流电网，能量回馈子系统通过其内部电路实现对回馈能量电流进行频率、相位调制和滤除高次谐波。能量回馈子系统通过接口电路与外部相连接，反馈的能量通过接口电路流过能量回馈子系统，利用频率和相位调制电路对于反馈能量中与外部交流电网频率和相位不一致的部分进行调制，最后在反馈能量反馈回电网之前利用以滤波电容为核心的滤波电路进行滤波处理。
本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)充分利用超级电容器大电流放电、电容密度高、功率密度大、使用寿命长以及充放电时间短等特点，存储电梯子系统再生制动能量，并与外部交流电网交替为电梯子系统供电，节能效果十分明显；(2)通过两个控制电路，分别实现在超级电容器组为电梯子系统供电和回馈外部交流电网之间的切换以及外部交流电网为电梯子系统供电和超级电容器组为电梯子系统供电之间的切换选择，提高节能效率；(3)通过存储电梯子系统再生制动能量，超级电容器组在外部交流电网断电时可作为电梯子系统正常运行的备用电源，提高了电梯系统的安全性；(4)本发明中与系统控制器相连的显示模块实时显示超级电容器组各种状态与参数，提高系统运行过程的可视化程度，便于操作。
附图说明
图1为本发明电梯节能系统的结构示意图。
图2为本发明电梯节能系统的系统控制器的电路结构框图。
图3为本发明电梯节能系统的能量子回馈系统的电路结构框图。
图4为本发明电梯节能系统的系统控制器中核心器件DSP的算法流程图。
图5为本发明电梯节能系统工作过程中，外部交流电网供电时功率流向图。
图6为本发明电梯节能系统处于制动能量回馈状态时系统功率流向图。
图7为本发明电梯节能系统由超级电容器组供电时系统功率流向图。
图8为本发明电梯节能系统在外部交流电源断电时超级电容器组充电作为备用电源为电梯系统供电时的功率流向图。
图9为本发明电梯节能系统超级电容器组存储能量反馈外部交流电网时功率流向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
本发明采用超级电容器组作为电梯再生制动能量存储器件，在电梯子系统运行的制动过程(减速上行或加速下行)中吸收再生制动能量，通过系统控制器控制电源切换控制电路实现在超级电容器组与外部交流电网之间相互切换对电梯子系统运行供电，并且在外部交流电网意外断电时可以利用超级电容器组作为临时备用电源，以保证系统安全；同时，超级电容器组所存储的能量可以回馈到外部交流电网，通过能量回馈控制电路在超级电容储能为电梯子系统供电和超级电容储能回馈外部交流电网之间进行选择。
本发明电梯节能系统是在现有电梯系统外部交流电网供电基础之上，增加超级电容器组和相应的均压装置、DC/DC变换器、系统控制器、显示模块、超级电容器管理模块、能量回馈子系统、电源切换控制电路和能量回馈控制电路。外部交流电网为电梯子系统供电时，在电梯子系统运行的制动过程中，通过DC/DC变换器将再生制动能量存储到超级电容器组中，超级电容器组中所存储的能量既可以在一段时间内取代外部交流电网为电梯系统正常运行供能，又可以起到紧急情况下电梯系统运行的备用电源的作用。
本发明采用DSP作为系统控制器的核心，通过算法实现整体系统控制器的相关功能，与系统控制器相连的显示模块可以实时显示超级电容器组运行状态，包括超级电容器组实时的电压和电流、电压和电流的变化曲线以及超级电容器组实时充放电能量以及制动回馈能量，更加直观。本系统通过能量回馈控制电路，为超级电容器组中存储的能量提供多种处理办法，既可将电梯制动再生的能量存储到超级电容器组中，与外部交流电网切换为电梯子系统进行供电，也可以直接将超级电容器组中存储的能量回馈电网。系统还通过系统控制器控制电源切换控制电路，实现在外部交流电网为电梯子系统运行供电和超级电容器组为电梯子系统运行供电之间进行选择。系统中的能量回馈子系统包括了接口电路、回馈电路、频率和相位调制电路和滤波电路，以限制回馈部分高次谐波量同时保证回馈电网的能量(以电流形式)与外部交流电网在频率以及相位方面保持一致。
本发明电梯节能系统的具体构成如下：
结合图1，按照本发明的技术方案，在普通电梯系统当中，增加一个超级电容器组以及相应的均压装置13。其中均压装置采用现阶段大容量超级电容器组常用的均压装置；对于超级电容器组，根据常规办法，本发明通过以下三点来决定超级电容单体串并联方式和数目：a.电梯曳引机6工作电压和电流结合超级电容的单体特性参数；b.电梯子系统7运行时制动再生能量大小、供电电网参数等结合超级电容的单体特性参数；c.电梯子系统7系统结构和配套机房大小结合超级电容器本身的重量和体积。
DC/DC变换器8：母线通过DC/DC变换器8实现对超级电容器组的充放电，本发明中的DC/DC变换器8由功率晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管等构成，该DC/DC变换器8采用BOOST、BUCK等变换器或其组合形成的变换器。
系统控制器9：结合图2，该系统控制器9以DSP芯片为核心，分别对能量回馈控制电路12和电源切换控制电路3进行控制，系统控制器9包括采样电路、辅助电源电路、驱动电路，通过采样电路对外部交流电网的电压和超级电容器组的电压电流进行采样，将采样结果输出给系统控制器9中的DSP芯片，辅助电源电路分别与采样电路和系统控制器9中的DSP智能电路相连，起到供电电源作用，通过将采样电路输入的采样信号与DSP芯片程序初始化时设定的阈值相比较，并依据比较结果通过驱动电路控制DC/DC变换器8中的全可控器件。本发明中以DSP芯片作为系统控制器的核心，整体控制电路包括采样电路、保护电路以及驱动电路等外围电路。
显示模块10：图1中与系统控制器9相连的显示模块10包括显示屏及外部电路，在整个系统运行过程中通过显示屏实时显示运行状态，其中包括超级电容器组实时的电压和电流、电压和电流的变化曲线以及超级电容器组实时充放电能量以及制动回馈能量，有助于掌握超级电容器组以及整个电梯系统的运行状态，便于观察与控制。
电源切换控制电路3：结合图4，实现外部交流电网为电梯子系统7供电和超级电容组储能为电梯子系统7供电之间的切换。当超级电容器组存储足够能量时，系统控制器9中DSP芯片根据采样电路输入的采样结果输出信号控制电源切换控制电路3，实现超级电容器组单独为电梯子系统7运行供电；当超级电容器组存储的能量释放到低于DSP芯片系统程序初始化设定的下阈值时，系统控制器9中DSP芯片根据系统设置的程序输出信号控制电源切换控制电路，实现由外部交流电网为电梯子系统运行供电。
能量回馈控制电路12：通过系统控制器9控制能量回馈控制电路12，实现超级电容器组供电电梯系统和超级电容器组能量回馈电网之间切换。
能量回馈子系统11：结合图3，该能量回馈子系统11用于将超级电容器组的储能回馈到外部交流电网中。能量回馈子系统11中包括接口电路、回馈电路、频率和相位调制电路和滤波电路，其中接口电路分别与能量回馈控制电路12和能量回馈子系统11内部的回馈电路相连接，该回馈电路通过依次与频率和相位调制电路及滤波电路相连，进而实现对回馈能量电流进行频率、相位调制和滤除对外部交流电网1有不良影响的高次谐波。
结合图4，图4为DSP芯片的算法流程图。系统根据该算法来实现利用电源切换控制电路3切换外部交流电网1为电梯子系统7供电和超级电容组储能供电电梯子系统7、判断外部交流电网1是否断电并在外部交流电网1断电时利用超级电容器组作为备用电源为电梯子系统7供电。其工作流程为：先进行系统程序初始化，并对超级电容器组的上下阈值进行设定，随后通过测量外部交流电网1的电压并根据是否为零来判断外部交流电网1是否断电，若为零则切换成超级电容临时供电；若不为零，则对超级电容器组的电压和电流进行采样，并根据采样结果与设定的阈值进行比较来进行选择操作，若超级电容参数大于预先设定的上阈值，则表示超级电容存储能量足以为电梯子系统7运行单独供电，此时系统控制器9通过控制电源切换控制电路3，切换成超级电容器组为电梯子系统7供电；若超级电容器组参数低于预先设定的上阈值，则表示超级电容器组存储能量不足以为电梯子系统7运行单独供电，此时系统控制器9通过控制电源切换控制电路3，切换成外部交流电网1为电梯子系统7供电，此时超级电容处于储能状态。当超级电容器组为电梯子系统7供电时，若实时采样检测的超级电容器组参数小于预先设定的下阈值时，则表示超级电容器组能量释放过多，不能再为电梯子系统7运行单独供电，此时系统控制器9通过控制电源切换控制电路3，切换成外部交流电网1供电电梯子系统7，此时超级电容处于储能工作状态。系统工作过程以此循环。
结合图5，外部交流电网1为电梯子系统7供电时，通过AC/DC变换器2和DC/AC变换器4将交流电输入电机驱动控制系统5进而带动电梯曳引机6运转，进而保证整个电梯子系统7的正常运行。
结合图6，电梯子系统7减速上行和加速下行时，电梯子系统7处于制动状态，将产生制动能量，并通过母线和DC/DC变换器8将再生的回馈制动能量存入超级电容器组，此时电梯子系统7正常运行所需能量仍由外部交流电网1供电，直到超级电容器组中能量存储满足DSP芯片系统程序初始化时设定的阈值。
结合图7，当超级电容器组中存储足够能量时(通过阈值来判断，具体见附图4)，系统控制器9利用DSP中设置的程序来控制电源切换控制电路3，使电梯子系统7的运行由外部交流电网1供电切换至由超级电容器组为电梯子系统7运行供电，超级电容器组通过DC/DC变换器8将存储的回馈制动能量输出供给电梯子系统7运行使用，此时电梯子系统7由超级电容器组单独供电。
结合图8，当外部交流电网7断电时，可以利用电梯子系统7制动时为超级电容器组所充能量作为备用电源，此时电梯子系统7制动存储在超级电容器组中的能量将作为备用电源临时使用，保证系统运行安全。
结合图9，当选择将超级电容器组中存储能量回馈外部交流电网1时，此时通过能量回馈控制电路12由超级电容器组对电梯子系统7供电切换至超级电容器组能量回馈外部交流电网1，当回馈的能量经过能量回馈子系统11时，分别经历了频率调制、相位调制以及滤波的过程，从而保证了回馈电网能量的质量和系统的稳定性。
本发明所采用的超级电容器组及相应均压装置优点主要有：(1)超级电容器本身的高容量、大电流放电特性，其存储的能量足以为电梯提供所需要的峰值功率，减小了对电网的等级要求和负荷；(2)超级电容寿命长和充放电时间短的优点得到发挥；(3)超级电容的使用不会对环境造成严重污染。
此外本发明通过显示模块10可以直观显示超级电容器组的实时电压、实时电流、电压和电流的变化曲线以及超级电容器组实时充放电能量以及制动回馈能量，可以更加有效的掌握超级电容器组的瞬时工作情况。
本发明通过整体功能设计将超级电容器组的优点极大发挥，系统对超级电容器组进行充放电控制，通过系统控制电路控制其工作并利用显示模块显示超级电容器组的工作状态，通过系统控制器控制电源切换控制电路实现外部交流电网为电梯子系统运行供电和超级电容器组为电梯子系统运行供电之间进行切换选择。同时通过能量回馈控制电路为超级电容器组中能量提供另外一种选择：采用能量回馈子系统将超级电容器组中能量回馈外部交流电网，保证节能最大化。
Claims (3)
1.一种电梯节能系统，其特征在于：包括AC/DC变换器(2)、DC/AC变换器(4)、电机驱动控制子系统(5)、电梯曳引机(6)、电梯子系统(7)、超级电容器组及均压装置(13)、系统控制器(9)、DC/DC变换器(8)、能量回馈子系统(11)、显示模块(10)、电源切换控制电路(3)、能量回馈控制电路(12)和超级电容管理模块(14)；外部交流电网(1)通过AC/DC变换器(2)与电源切换控制电路(3)相连，电源切换控制电路(3)通过DC/AC变换器(4)与电机驱动控制子系统(5)连接，电机驱动控制子系统(5)、电梯曳引机(6)和电梯子系统(7)依次相连，其中AC/DC变换器(2)和DC/AC变换器(4)位于与外部交流电网(1)相连的母线上，电梯子系统(7)运行时，外部交流电网(1)通过AC/DC变换器(2)、DC/AC变换器(4)给电梯曳引机(6)提供能量，并利用电机驱动控制子系统(5)，通过接收和处理电梯曳引机(6)的采样信号，利用电机驱动控制子系统(5)中的可编程控制器件对电梯曳引机(6)的运行进行控制，电梯曳引机(6)带动电梯子系统(7)运行；超级电容器组及均压装置(13)通过DC/DC变换器(8)与母线相连，超级电容器组及均压装置(13)通过DC/DC变换器(8)吸收和存储电梯子系统(7)运行过程中产生的制动能量，超级电容器组及均压装置(13)分别与能量回馈控制电路(12)、超级电容器管理模块(14)以及系统控制器(9)连接，能量回馈控制电路(12)与系统控制器(9)相连，系统控制器(9)输出信号传输至能量回馈控制电路(12)，利用能量回馈控制电路(12)实现超级电容器组中能量回馈外部交流电网(1)与超级电容器组中能量为电梯子系统(7)运行供电之间的选择；系统控制器(9)利用信号采样电路采集超级电容器组的运行参数信号，并将所述信号存储在系统控制器(9)中；系统控制器(9)分别与DC/DC变换器(8)、电源切换控制电路(3)和能量回馈控制电路(12)连接，系统控制器(9)在电梯子系统(7)运行过程中通过输出信号来控制DC/DC变换器(8)，从而对超级电容器组及均压装置(13)的充放电进行控制，系统控制器(9)控制电源切换控制电路(3)，即控制信号由系统控制器(9)发出，传输至电源切换控制电路(3)，在电梯子系统(7)运行期间，通过电源切换控制电路(3)实现超级电容器组对电梯子系统(7)供电和外部交流电网(1)对电梯子系统(7)供电之间的切换；系统控制器(9)上还连接有显示模块(10)，超级电容器组将运行参数信号传输至系统控制器(9)，系统控制器(9)在电梯子系统(7)运行过程中将该信号显示在显示模块(10)的显示屏上；能量回馈子系统(11)则与能量回馈控制电路(12)以及外部交流电网(1)相连接，超级电容器组中能量通过能量回馈子系统(11)回馈外部交流电网(1)，能量回馈子系统(11)通过其内部电路实现对回馈能量电流进行频率、相位调制和滤除高次谐波。
2.根据权利要求1所述的电梯节能系统，其特征在于：系统控制器(9)以DSP芯片为核心，分别对能量回馈控制电路(12)和电源切换控制电路(3)进行控制，系统控制器(9)包括信号采样电路、辅助电源电路和驱动电路，通过采样电路对外部交流电网(1)的电压和超级电容器组的电压电流进行采样，将采样结果输出给DSP芯片，辅助电源电路分别与采样电路和DSP芯片相连，起到供电电源作用，通过将采样电路输入的采样信号与DSP芯片程序初始化时设定的阈值相比较，并依据比较结果通过驱动电路控制DC/DC变换器(8)中的全可控器件。
3.根据权利要求1所述的电梯节能系统，其特征在于：能量回馈子系统(11)中包括接口电路、回馈电路、频率和相位调制电路以及滤波电路，其中接口电路分别与能量回馈控制电路(12)和能量回馈子系统(11)的回馈电路相连接，能量回馈子系统(11)内部的回馈电路依次与频率和相位调制电路及滤波电路相连，能量回馈子系统(11)通过接口电路与外部相连接，反馈的能量通过接口电路流过能量回馈子系统(11)，利用频率和相位调制电路对于反馈能量中与外部交流电网(1)频率和相位不一致的部分进行调制，最后在反馈能量反馈回电网之前利用以滤波电容为核心的滤波电路进行滤波处理。
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