CN101817471B - 超级电容储能式电梯驱动器 - Google Patents

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Abstract

一种超级电容储能式电梯驱动器，主要由与三相电网连接的二极管三相不可控整流器、由IGBT反并联二极管模块构成的三相逆变器、三相交流变频电机、稳压滤波电容、超级电容器组、第一和第二限流电路、直流侧电压检测电路、超级电容器组端电压检测电路、超级电容器组电流检测电路、信号调理电路、一套以DSP为控制核心的驱动控制电路组成。本发明改变了将制动能量回馈至电网的节能方案，将能量存贮于超级电容器组中，并实现就地利用，不仅能更方便高效地实现节能，而且能够降低电梯驱动器成本，提高了电梯运行的安全性，具有推广和应用价值。

Description

超级电容储能式电梯驱动器
【技术领域】
本发明属于涉及电梯节能技术领域，特别涉及一种超级电容储能式电梯驱动器。
【背景技术】
据国家特种设备主管部门近期的统计和预测，我国电梯保有量已达100多万台，年增长率在15％以上，为世界第一大电梯生产国和第一大电梯消费国。目前中国建筑能量消耗总量占电力总产量的29％，西方发达国家占30％～40％。根据建筑中运行的其它设备的能耗情况，电梯的能耗占整个建筑能耗的5～15％。电梯作为耗电大户，如何提高电梯节能水平，已成为国家和电梯企业共同关注的话题。随着新装电梯数量的高速增长，巨大的电梯能耗促使各国政府、组织、研究机构和电梯企业对电梯的能耗测试、评价、节能设计进行研究。
随着交流调速技术的不断发展，基于变压变频调速技术的电梯产品，已成为目前市场上的主流，除了采用高效率的电动机和控制技术之外，对电动机再生能量的处理和综合利用可以更好地节能。
电动机拖动负载做旋转运动具备了机械动能，拽引轿厢上下运动又具备了机械势能。当电动机拖动负载做减速运动、制动时，其机械动能将释放出来；当电梯制动、轻载上行和重载下行时其机械势能也将释放出来。这两种机械能量通过电动机和逆变器反馈至直流母线上，即将在供电电源(如变频器)处产生反灌再生能量，在滤波电容上产生“泵升电压”，直接危害到半导体器件甚至造成电容损坏或爆炸。在电梯的下降运动和减速运动中都会频繁地产生此种再生能量。
因此在电梯驱动系统中，通常需要有专门的装置对再生能量进行处理。一种是采用能耗制动的方法：当再生能量产生的直流电压达到一定阈值时，接通耗能电阻，将能量泄放掉以达到降低电压的目的。目前中小容量的电梯系统中大都直接采用这种能耗制动的方式，该方法通过内置或外加耗能电阻的方法将电梯回馈的能量消耗在大功率电阻器中。虽然该方法实现简单，但有系统效率低，能量被浪费、难以及时抑制快速制动所产生的泵升电压、存在制动性能难以提高的缺陷。另外一种对再生能量的处理方法是采用一套能量回馈系统替代上述电阻吸收装置，它将电阻消耗部分的电能通过额外的一套逆变装置回馈到交流电网中，以达到节约电能的目的。目前已有部分不同功率等级的产品商业化，德国西门子公司已经推出了电机四象限运行的电压型交一直一交变频器，日本富士公司也成功研制出了电源再生装置，如RHR系列、FRENJc系列电源再生单元，它把有源逆变单元从变频器中分离出来，直接作为变频器的一个外围装置，可并联到变频器的直流侧，将再生能量回馈到电网中。这些装置虽然能够将电梯制动的能量回馈到电网，但是回馈并网仍然是个尚未全面解决的科技难题，会对电网造成一定的负面影响，且回馈能量的多少难以检测，此外，增加额外的一套逆变器无疑将大大提高电梯成本，且控制复杂难以实现。
基于现在的技术背景，本文提出一种超级电容储能式电梯驱动器。
【发明内容】
本发明的目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一种超级电容储能式电梯驱动器，它不再将能量回馈到电网，而是实现能量就地储存、就地利用。
本发明提供的超级电容储能式电梯驱动器，包括与三相电网连接的二极管三相不可控整流器，整流器的一个输出端经与第一限流电路串联后用于建立直流电压，直流侧经由IGBT反并联二极管模块构成的三相逆变器后连接三相交流变频电机，其特征在于该电梯驱动器还包括：
稳压滤波电容：并联于直流侧，用于滤除整流器输出电流中的高次谐波成分；
超级电容器组和第二限流电路构成的串联支路：并联于直流侧，所述的超级电容器组作为电梯能量回馈时的储能装置，一方面将回馈的能量储存起来；另一方面将储存的能量实行再利用，为电梯回馈能量后的下次耗能运行提供部分能量，在三相电网发生断电事故时，还可以支撑电梯进行就近平层。
第一和第二电压检测电路：分别并联于直流侧和超级电容器组两端，用于实时检测直流侧和超级电容器组两端的电压值大小；
直流母线电流检测电路：串联于直流母线中，用于实时检测直流母线上流过的电流；
信号调理电路：用于将霍尔传感器输出的范围为(-5V，+5V)的电压信号转换为控制芯片DSP可接受的(-3V，+3V)范围内的电压信号；
DSP控制电路：以DSP控制芯片为控制核心，一是用于对接收的采样信号进行AD转换，二是进行逻辑判断，三是通过芯片内部的事件管理器发出控制逆变器中IGBT通断的PWM信号，四是负责与主微机进行通讯。
所述的第一限流电路由第一电抗器和第一接触器常闭触点K1并联组成。
第二限流电路由限流电阻和第二电抗器构成的串联支路再与第二接触器常闭触点K2并联组成。其作用有二：一是用于超级电容器组预充电时起限流作用，二是当电梯能量回馈时起限流作用。
所述的整流器和第一限流电路用于建立直流电压，同时结合第二限流电路，作为超级电容器组的预充电电路。
所述的第一和第二电压检测电路均由霍尔电压传感器、输入电阻和第一采样电阻组成，输入电阻串联在霍尔电压传感器的+IN端，第一采样电阻并联在霍尔电压传感器的OUT端与地之间。
所述的电流检测电路由霍尔电流传感器和第二采样电阻构成，第二采样电阻并联在霍尔电流传感器的输出端与地之间；被测电流的导线从霍尔电流传感器中间的孔穿过，在霍尔电流传感器的输出端将产生电流信号，通过第二采样电阻将该电流信号转换为(-5V，+5V)之间的电压信号输出。
本发明所述的三相不可控整流器、三相逆变器、三相交流变频电机和第一限流电路与传统的电梯驱动装置设置相同，但直流侧两端的稳压滤波电容因仅用于滤除三相不可控整流器输出电流中的高次谐波成分，故在参数选择时，其可取电容值较小的电容器。
本发明的优点和积极效果：
本发明在不改变传统电梯驱动装置整流、逆变以及主微机控制部分的基础上，在直流侧两端并接超级电容器组以及加设相应的检测、保护和控制电路；在功能上，改变了将制动能量回馈至电网的节能方案，将能量存贮于超级电容器组中，并实现就地利用，不仅能更方便高效地实现节能，而且能够降低电梯驱动器成本，提高了电梯运行的安全性，具有推广和应用价值。
本发明与现有技术相比，具有以下有效效果：
1、本发明利用超级电容器组实现了回馈能量的回收，克服了传统能耗制动方式效率低、能量白白浪费等缺陷；与带能量回馈电网装置相比，本发明控制简单、易于实现，不存在并网时因产生谐波引起的电磁兼容问题。
2、本发明采用直流侧电压和超级电容器组端电压实时检测，采用设置阈值的方法保证了超级电容器组的安全，进而保证整套驱动器的运行安全。
3、本发明采用超级电容器组作为储能器件，在三相电网电源断电的情况下，超级电容器组6可以部分代替UPS的功能，其储存的能量可以保证电梯就近平层、轿厢照明，甚至维持电梯低速运行1～2min，因此提高了电梯系统运行的安全性，对于停电故障救生等具有积极意义。
【附图说明】
图1为本发明提供的超级电容储能式电梯驱动器的系统结构图；
图2为本发明中所用电压检测电路；
图3为本发明中所用的电流检测电路；
图4为本发明中所用的信号调理电路。
【具体实施方式】
实施例1
如图1所示，本发明提供的超级电容储能式电梯驱动器在完成电梯驱动的同时，可以实现能量的回馈、储存和再利用，其系统结构包括有：与三相电网1连接的二极管三相不可控整流器2、由IGBT反并联二极管模块构成的三相逆变器3、三相交流曳引电机4、稳压滤波电容5、超级电容器组6、第一、第二限流电路7和8、直流侧第一电压检测电路9、超级电容器组端第二电压检测电路10、直流母线电流检测电路11、信号调理电路12、一套以DSP为控制核心的控制电路13组成。
其中，所述三相不可控整流器2和第一限流电路7构成本发明中的预充电电路，用于在电梯耗能运行前为稳压滤波电容5和超级电容器组6预充电以建立稳定的直流电压。其中三相不可控整流器2为由六只大功率二极管组成三相桥式，其输入端经开关K0接三相电网，用于将三相交流电整流变换为直流电，与稳压滤波电容5和三相逆变器3共同构成交-直-交变频器；第一限流电路7由第一电抗器L1和第一接触器常闭触点K1并联组成，用于防止直流侧电压建立开始阶段产生的过电流对整流二极管造成损坏。
所述稳压滤波电容5和超级电容器组6以及第二限流电路8构成直流储能电源，作为三相交流曳引电机4的输入端。其中，稳压滤波电容5的作用与其在传统电梯驱动装置中的作用相同，主要用于滤除整流器输出中的高次谐波，超级电容器组6的应用是本发明的核心内容，其作用十分重要，一是将电梯处于回馈制动状态时回馈到直流侧的能量储存起来，二是将其储存的能量实现再利用，为电梯回馈能量后的下次耗能运行提供部分能量，同时当三相电网发生断电事故时，可以部分代替UPS的功能，其储存的能量可以保证电梯就近平层、轿厢照明，甚至能够支撑电梯低速运行1～2min；所述第二限流电路8由限流电阻R1和第二电抗器L2构成的串联支路再与第二接触器常闭触点K2并联组成，其作用有二：一是用于超级电容器组6预充电时起限流作用，二是当电梯能量回馈时起限流作用。
所述逆变器3由六只IGBT和二极管反并联构成的模块组成三相桥式，与稳压滤波电容5和三相不可控整流器2共同构成交-直-交变频器，用于将直流电逆变换为电压、频率可变的三相交流电以驱动曳引三相交流变频电机4。此外，逆变器3还用于当电梯处于回馈制动状态时能量向直流侧回馈的通道。
所述第一和第二电压检测电路9、10和电流检测电路11以及信号调理电路12共同构成信号采样电路，用于实时采集所需电压、电流信息，以满足开关控制以及电路保护的需要。如图2所示，第一电压检测电路9由霍尔电压传感器20、输入电阻21和第一采样电阻22组成，其输入端并联于稳压滤波电容5(也即直流侧)两端，用于将直流侧电压值转换为大小在(-5V，+5V)之间的电压信号，工作过程为：被测电压信号200施加在输入电阻21上被转换为霍尔传感器误差所容许的电流信号201，根据霍尔效应，在霍尔电压传感器20的OUT端产生与+IN端成固定比例(匝数比)的电流信号203，该电流信号在第一采样电阻22的作用下被转换为(-5V，+5V)间的电压信号204，需要特别说明的是，输入电阻21要求采用高精度电阻。第二电压检测电路10与第一电压检测电路9完全相同，只是其输入端并联于超级电容器组6两端，用于将超级电容器组6端电压值转换为大小在(-5V，+5V)之间的电压信号。
参照图3，所述电流检测电路11采用霍尔电流传感器23，被测电流从其中间的孔穿过，将在其输出端产生电流信号，通过第二采样电阻将该电流信号转换为(-5V，+5V)之间的电压信号，工作过程为：导线(被测电流205)从霍尔电流传感器中孔穿过，根据霍尔效应，在霍尔电流传感器23的OUT端产生与被测电流205大小成固定比例(匝数比)的电流信号206，该电流信号在第二采样电阻24的作用下被转换为(-5V，+5V)间的电压信号207。
所述信号调理电路12主要由运算放大器和电阻等组成，共3路，如图4所示(为单路信号调理电路)，用于将电压、电流检测电路9、10和11得到的(-5V，+5V)之间的电压信号进行电平提升和转换得到DSP可识别的(0，+3.3V)之间的电压信号。其中检测电路9、10和11各接1路信号调理电路。其工作过程为：输入大小为(-5V，+5V)间的电压信号208，经过电平转换电路25被按线性关系转换为大小为(-1.65V，1.65V)之间的电压信号209，然后再经过电平提升电路26将大小在(-1.65V，1.65V)之间的电压信号209提升至(0V，+3.3V)之间的电压信号210，最后，为防止被测信号过大引起调理后的信号超出DSP所允许的电平高低，增设保护电路27，保证电压信号210满足控制电路对电平的要求，当电压信号210高于+3.3V时，嵌入二极管导通，输出信号211维持在+3.3V，当信号210在0V和+3.3V之间时，信号调理电路12的输出信号211与信号210相等。
参照图1，本发明中所述控制电路13以DSP为控制核心，一是用于对接收的采样信号进行AD转换，二是进行逻辑判断，三是通过芯片内部的事件管理器发出控制逆变器中IGBT通断的PWM信号，四是负责与主微机进行通讯等。
下面将超级电容储能式电梯驱动器的工作过程分四步进行具体说明：
1、电容预充电，建立直流侧电压
本发明中，为保证电梯正常运行，需建立直流侧电压，即对稳压滤波电容5和超级电容器组6进行预充电。其工作过程为：闭合电梯驱动器电源开关K0，接入三相电网电源1，整流器2开始工作，将三相交流电整流为直流电对稳压滤波电容5和超级电容器组6进行预充电，开始建立直流电压。为防止电容充电过程中产生的过电流击穿三相不可控整流器2中的二极管，预充电过程中，控制电路13发出控制信号103，分别控制第一限流电路7中的接触器触点K1断开，L1接入电路。本发明中，所述稳压滤波电容5和超级电容器组6电容量相差巨大(约差6个数量级)，故充电过程不同，稳压滤波电容5因其电容量低，在直流侧电压建立的过程中，其两端电压迅速蹿升，电压检测电路9检测到其端电压值达到所设阈值2.34U2后，控制电路13发出控制信号103控制第一限流电路7中的第一接触器触点K1闭合，切除L1；而超级电容器组6因电容量为法拉级，其端电压在充电过程中慢慢上升，电压检测电路10检测到其端电压值达到所设阈值Umax1后，即当两电压检测电路9、10检测到的电压差小于超级电容器组6的允许电流Imax1与限流电阻R1的乘积后，控制电路13发出控制信号104控制第二限流电路8中的第二接触器触点K2闭合，切除R1和L2。至此，完成了稳压滤波电容5和超级电容器组6的预充电过程，直流侧电压得以建立。需要说明的是，直流侧两端并联电容(包括稳压滤波电容5和超级电容器组6)电容值很大，对整流器2来说相当于重载情况，故直流侧电压将最终稳定在2.34U2，且电压波动很小。
注：U2为三相电网电源1相电压有效值；
超级电容器组6的允许电流为Imax1，则Umax1＝2.34U2-Imax1·R。
2、曳引电动机处于电动状态，电梯耗能运行
本发明中，直流侧获得稳定的电压后，电梯在控制电路的控制下采用变频调速方法正常运行。当电梯耗能运行时，曳引电动机4处于电动状态，此时由电梯主微机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，再经过基极驱动电路的隔离放大后得到IGBT的栅极驱动脉冲信号，进而控制逆变器3工作。所述逆变器3将稳定的直流侧电压进行逆变，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4。在电梯耗能运行过程中，控制电路13发出控制信号103、104控制限流电路7和8中的接触器触点K1、K2保持闭合状态，L1、R1和L2不接入电路。
3、曳引电动机处于再生制动状态，电梯回馈能量
本发明中，当电梯在轻载上行、重载下行，或者减速制动时，曳引电动机4处于回馈制动状态(再生发电)，电梯运行的机械能量(包括机械动能和机械势能)通过曳引电动机4和逆变器3中的续流二极管，转换为直流电向直流侧反馈。所述三相不可控整流器2中二极管只具单向导通性，整流器2承受反向电压不工作，回馈的能量给滤波电容5和超级电容器组6充电。电流检测电路11检测到电流值大于逆变器3中续流二极管的允许通过电流Imax2，则控制电路13发出控制信号104控制限流电路8中的接触器触点K2断开，接入R1、L2以限制超级电容器组6的充电电流进而限制流过逆变器3中续流二极管的电流，否则不接入R1、L2。在此过程中，若电压检测电路10检测到超级电容器组6端电压值超过其最大承受电压Umax2，同样控制电路13发出控制信号104控制限流电路8中的接触器触点K2断开，接入R1、L2以起到过电压保护作用。电流检测电路11检测到电流后，回馈过程结束，能量被储存在超级电容器组6中。
4、电梯再次进入耗能运行状态
本发明中，能量回馈并储存到超级电容器组6使得直流侧电压抬升过程结束后，直流侧电压高于整流器2的稳定输出电压，限流电路7、8中接触器触点K1和K2处于闭合状态，L1、R1和L2未接入电路。电梯再次进入耗能运行状态后，超级电容器组6放电供给电梯运行，实现再生制动能量的就地利用。在直流侧电压降低到整流器2中整流二极管承受正向电压导通后，整流器2取代超级电容器组6提供电梯运行所需的能量，而最终直流侧电压和超级电容器组6的电压也将维持在2.34U2上。
需要说明的是，当电梯再次回馈能量时，工作过程重复以上所述步骤3，如此往复。
还需要特别说明的是，本发明直流侧两端留出接口，作为紧急直流储能电源。当三相电网发生停电故障的时候，储能在超级电容器组6中的能量可以保证电梯就近平层、轿厢照明，甚至维持电梯低速运行1～2min。
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 (4)

1.一种超级电容储能式电梯驱动器，该电梯驱动器包括与三相电网连接的二极管三相不可控整流器，整流器的一个输出端经与第一限流电路串联后用于建立直流电压，直流侧经由IGBT反并联二极管模块构成的三相逆变器后连接三相交流变频电机，其特征在于该电梯驱动器还包括：
稳压滤波电容：并联于直流侧，用于滤除整流器输出电流中的高次谐波成分；
超级电容器组和第二限流电路构成的串联支路：并联于直流侧，所述的超级电容器组作为电梯能量回馈时的储能装置，用于将回馈的能量储存起来再利用；
第一和第二电压检测电路：分别并联于直流侧和超级电容器组两端，用于实时检测直流侧和超级电容器组两端的电压值大小；
直流母线电流检测电路：串联于直流母线中，用于实时检测直流母线上流过的电流；
信号调理电路：用于将霍尔传感器输出的范围为(-5V，+5V)的电压信号转换为控制芯片DSP可接受的(-3V，+3V)范围内的电压信号；
DSP控制电路：以DSP芯片为控制核心，一是用于对接收的采样信号进行AD转换，二是进行逻辑判断，三是通过芯片内部的事件管理器发出控制逆变器中IGBT通断的PWM信号，四是负责与主微机进行通讯。
2.如权利要求1所述的电梯驱动器，其特征在于所述的第一限流电路由第一电抗器和第一接触器常闭触点K1并联组成；与所述的整流器一起用于建立直流电压，同时结合第二限流电路，作为超级电容器组的预充电电路。
3.如权利要求1所述的电梯驱动器，其特征在于所述的第二限流电路由限流电阻和第二电抗器构成的串联支路再与第二接触器常闭触点K2并联组成。
4.如权利要求1所述的电梯驱动器，其特征还在于所述超级电容器组作为电梯能量回馈时的储能装置，一方面将回馈的能量储存起来；另一方面将储存的能量实行再利用，为电梯回馈能量后的下次耗能运行提供部分能量，在三相电网电源断电的情况下，超级电容器组可以部分代替UPS的功能，其储存的能量可以保证电梯就近平层、轿厢照明，甚至维持电梯低速运行1-2min。
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