CN101848850A - 再生驱动系统的自动救生操作 - Google Patents

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Abstract

一种用于在正常和电源失效操作状态下持续驱动电梯起重马达(14)的系统(10)。在正常操作状态期间，再生驱动装置(30、34、36)从主电源(17)向起重马达供电，在电源失效操作状态期间，再生驱动装置从备用电源(24)向起重马达供电。在正常操作状态期间，控制器(12)操作再生驱动装置(30、34、36)以将再生驱动装置上的可用功率提供给给备用电源。

Description

再生驱动系统的自动救生操作
技术领域
本发明涉及电源系统领域。本发明尤其涉及一种电梯电源系统，其包括可操作用来提供自动救生操作(automatic rescue operation)、以及对连接于自动救生操作系统的备用电源充电的再生驱动装置(regenerative drive)。
背景技术
电梯驱动系统典型设计为在电源的特定输入电压范围内运行。当电源保持在设计的输入电压范围内时，驱动装置的部件具有可使其持续运行的电压和电流额定值。然而，在某些市场，公用电网(utility network)不十分可靠的，并且电网电压(utility voltage)下降、电力不足(即电压状态低于驱动装置的容许范围)和/或功率损失状态常有发生。当电网电压下降时，驱动装置将从电源拉取更多电流以使提供给起重马达(hoist motor)的功率均匀。在常规的系统中，当从电源拉取过量的电流时，驱动装置将关闭以避免其中的部件损坏。
当功率下降或功率损失发生时，直到电源回复至额定工作电压范围，电梯可能停滞在电梯提升隔间的楼层之间。在常规的系统中，乘客将被困陷于电梯中，直至维护工人能够释放控制电梯间上行或者下行的制动装置以使电梯可以运行至最近的楼层。最近，引入了使用自动救生操作(automatic rescue operation)的电梯系统。这些电梯系统包括电能储备装置，电源失效后其受控提供使电梯运行至下一楼层的功率，用于使乘客逃离(disembarkation)。然而，许多现有的自动救生操作系统付诸实施起来复杂而昂贵，并且在电源失效后向电梯驱动装置提供的功率可能也不可靠。另外，现有的系统需要专门的充电装置用于与自动救生操作程序相关的备份电源。
发明内容
本发明针对一种用于在正常状态和电源失效操作状态下持续驱动电梯起重马达的系统。在正常操作状态期间，再生驱动装置从主电源输送功率给起重马达，在电源失效操作状态期间，再生驱动装置从备用电源输送功率给起重马达。在正常操作状态期间，控制器操作控制再生驱动装置，将再生驱动装置中可用的功率提供给备用电源。
附图说明
图1是电源系统示意图，该系统包括控制器、以及在正常或电源失效操作状态下持续驱动电梯起重机的再生驱动装置；
图2是自动救生操作电路示意图，该电路用于在电源失效时从主电源切换至备份电源；
图3是自动救生操作电路示意图，该电路被配置为提供再生驱动装置中可用的电源以对备用电源再充电。
具体实施方式
图1为按照本发明实施例的电源系统10的示意图，该系统包括使主电源17驱动电梯16的起重马达14的控制器12。电梯16包括通过绳索22连接于起重马达14的电梯间18和平衡装置(counterweight)20。主电源17的电可以由公用电力设施(electrical utility)(例如商用电源)供电。
如此处所述，电源系统10被配置为在正常或者电源失效状态下提供实质上不间断的功率以驱动起重马达14和其它电梯系统。在某些市场，公用电网不是十分可靠的，持续的电网电压下降、电力不足和/或功率损失状态常有发生。根据本发明的电源系统10包括自动救生操作(automatic rescue operation，ARO)电路24，通过从失效的主电源切换至备用电源，在这些无规律的时间间隔内，使起重马达14能在正常运转条件下持续运转。另外，在正常模式和节能操作状态下，电源系统10可操作用于提供可用的功率以给备用供给电源充电。尽管以下描述是针对驱动电梯的起重马达而言的，但是将意识到，ARO电路24也可以被用来向任何类型的负载提供持续的功率。
电源系统10包括控制器12、自动救生操作(ARO)电路24、电磁干扰(electromagnetic interference，EMI)滤波器26、线路电抗器(linereactor)28、电源变换器(power converter)30、滤波电容器(smoothingcapacitor)32、电源逆变器34、马达电流传感器35。电源变换器30和电源逆变器34通过电源总线(power bus)36连接。滤波电容器32跨接于电源总线36之间。控制器12包括ARO控制40、锁相环42、变换器控制44、直流总线电压调整器(DC bus voltage regulator)46、逆变器控制48，电源电压传感器50、电梯运动曲线控制52和位置、速度、电流控制54。在一个实施例中，控制器12是一个数字信号处理器(DSP)，控制器12的每个单元是功能模块，这些功能模块以控制器12所执行的软件的方式实现。
ARO控制40连接于主电源17和EMI滤波器26之间，并且提供ARO电路24的控制信号作为其输出。线路电抗器28连接在EMI滤波器26和电源变换器30之间。锁相环42从主电源17接收三相信号作为输入，并且向变换器控制44、直流总线电压调整器46和电源电压传感器50提供输出。变换器控制44还从直流总线电压调整器接收输入并向电源变换器30提供输出。电源电压传感器50向电梯运动曲线控制52提供输出，电梯运动曲线控制模块52接下来向位置、速度和电流控制54提供输出。直流总线电压调整器46从锁相环42和位置、速度和电流控制54接收信号，并监测电源总线36两端的电压。逆变器控制48还从位置、速度和电流控制54接收信号，并向电源逆变器34提供控制输出。
主电源17可以是来自商用电源的三相交流电源，在正常运行条件下(例如，主电源17的正常工作电压的10％的范围内)，给电源变换器30供电。正如参照图2所述的，在电源失效状态期间，控制ARO电路以从主电源17切换至备用电源。电源变换器30是三相电源变换器，它可操作用于将来自主电源17的三相交流电转换成直流电。在一个实施例中，电源变换器30包括多个包括并联连接的晶体管56和二极管58的功率晶体管电路。例如，每个晶体管56可以是绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)。每个晶体管56的受控电极(即栅极或基极)连接于变换器控制44。变换器控制44控制功率晶体管电路以将主电源17的三相交流电整流成直流输出功率。电源变换器30在电源总线36上提供直流输出功率。滤波电容器32对电源变换器30在电源总线36上所提供的整流功率进行平滑处理。应该注意的是，尽管主电源17以三相交流电源的形式示出，但是电源系统10可以适应于从任何类型的电源接收功率，包括单相交流电源和直流电源。
电源变换器30的功率晶体管电路还允许将电源总线36上的功率作逆变换并提供给主电源17。在一个实施例中，控制器12采用脉冲宽度调制(PWM)来产生选通脉冲，从而周期性地开关电源变换器30的晶体管56，以向主电源17提供三相交流电信号。这种可再生配置减少了对主电源17的需求。EMI滤波器26连接在主电源17和电源变换器30之间以抑制电压瞬变，并且线路电抗器30连接在主电源17和电源变换器30之间以控制主电源17和电源变换器30之间流过的电流。在另一实施例中，电源变换器30包括三相二极管桥式整流器。
电源逆变器34是一个三相电源逆变器，其可操作用于将来自电源总线36的直流电逆变换成三相交流电。电源逆变器34包括多个包括并联连接晶体管60和二极管62的功率晶体管电路。例如，每个晶体管60可以是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。在一个实施例中，每个晶体管60的受控端(即栅极或基极)被逆变器控制48所控制，用来将电源总线36上的直流电转换为三相交流输出电。电源逆变器34输出端的三相交流电提供给起重马达14。在一个实施例中，逆变器控制48使用脉冲宽度调制来产生选通脉冲，从而周期性地开关电源逆变器34的晶体管60，以向起重马达14提供三相交流电信号。通过调节施加于晶体管60的选通脉冲的频率和大小，逆变器控制48可以改变电梯16的移动速度和方向。
另外，电源逆变器34的功率晶体管电路可用于整流在电梯16驱动起重马达14时产生的功率。例如，如果起重马达14发电，则逆变器控制模块34使电源逆变器34中的晶体管60关断，所发的电可被二极管62整流并提供给电源总线36。滤波电容器32对电源总线36上的电源逆变器34所提供的整流功率进行平滑处理。
起重马达14控制电梯间18和平衡装置20之间的移动速度和方向。驱动起重马达14所需的功率随着电梯16的加速和方向以及电梯间18内负荷而变化。例如，如果电梯16被加速，以大于平衡装置20的重量的负荷(即重负荷)上升，或者以小于平衡装置20的重量的负荷(即轻负荷)下降，则需要最大功率值来驱动起重马达14。如果电梯16在平衡负荷下停留(leveling)或者以固定速度行进，则可利用较少量的功率。如果电梯16在减速，以重负载下降，或以轻负载上升，则电梯16驱动起重马达14。在该情况下，起重马达14产生三相交流电，在逆变器控制30的控制下，电源逆变器34将该三相交流电转换成直流电。所转换的直流电累积于电源总线36。
电梯运动曲线控制52产生用于控制电梯运动的信号，尤其是，自动电梯操作包括控制电梯往返期间的电梯16的速度。一次完整的往返期间速度随时间的变化被称为电梯16的“运动曲线”。因此，电梯运动曲线控制52产生这样的电梯运动曲线，其设置了电梯16的最大加速度、最大稳定态速度和最大减速度。电梯运动曲线控制52所产生的特殊的运动曲线和运动参数体现了下列两方面的折衷：对“最大”速度的期许与保证乘客有能接受的舒适程度的需要。
电梯运动曲线控制52的运动曲线输出被提供给位置、速度和电流控制54。位置、速度和电流控制54将这些信号与马达位置(posm)、马达速度(Vm)、马达电流(im)的实际反馈值相比较，以确定涉及下列参数间差异的误差信号：起重马达14的实际运行参数与目标运行参数。例如，位置、速度和电流控制54可以包括从实际的和期望调整的运动参数确定该误差信号的比例和积分放大器。该误差信号由电梯运动曲线控制52提供给逆变器控制48和直流总线电压调整器46。
在起重马达14被监测时，逆变器控制48基于来自位置、速度和电流控制54的误差信号，计算提供给电源逆变器34以依照运动路线来驱动起重马达14的信号。如上所述，逆变器控制48可以使用PWM来产生选通脉冲，以周期性地开关电源逆变器34的晶体管60，从而向起重马达14提供三相交流电信号。通过调节施加于晶体管60的选通脉冲的频率和大小，逆变器控制48可以改变电梯16的移动速度和方向。
需要指出的是，尽管所示起重马达14连接到电源系统10，但电源系统10可以修改为向多个起重马达14供电。例如，多个电源逆变器34可以并联跨接于电源总线36，以向多个起重马达34供电。作为另一实施例，多个驱动系统(包括线路电抗器28、电源变换器30、滤波电容器32、电源逆变器34和电源总线36)可以并联连接，以便于每个驱动系统向起重马达12供电。
图2为图1所示电源系统10的前端的示意图，该电源系统10可操作用于在主电源17的正常或电源失效操作状态期间使起重马达14继续工作。电源系统10的前端包括主电源16、ARO电路24、EMI滤波器26(示出了EMI滤波器26的电容器部分)、线路电抗器28、电源变换器30、滤波电容器32和变换器控制44。
ARO电路24包括备用电源开关70、包括主电源开关74a、74b、74c的主电源开关模块72、电池76和电压传感器78。主电源继电器开关74a连接在主电源16的输入端R和电源变换器30的支路(leg)R之间，主电源继电器开关74b连接在主电源16的输入端S和电源变换器30的支路S之间，并且主电源继电器开关74a连接在主电源16的输入端T和电源变换器30的支路T之间。备用电源开关70连接在电池76的正极与电源变换器30的支路R之间。电池76的负极连接至电源变换器30和电源总线36的公共节点。电压传感器78连接在电池76两端，以测量电池76的电压并将涉及该测量的信号提供给ARO控制40(图1)。还需要指出的是，尽管所示的是单个电池76，但ARO电路24可以包括任何类型或配置的备用电源，包括多个串联的电池或超级电容器。
在正常操作状态下，控制器12提供在ARO控制线CRTL上提供信号来闭合主电源开关74a、74b和74c并且断开备用电源开关70，从而由主电源16向电源变换器30上的三相R、S、T的每一相供电。如果电源电压传感器50测得的主电源16的电压降至电源系统10的正常操作范围之下，则控制器12经由线CTRL提供信号给ARO电路24，该信号同步断开主电源开关74a-74c并闭合备用电源开关70。如图2所示，这种配置将电池76的正极连接于电源变换器30的支路R，并且变换器控制44操作连接于支路R的晶体管以从电池76向电源总线36供电。电源变换器30的支路R起着双向提升变换器的作用以由电池76向电源总线36提供阶梯上升(stepped-up)的直流电。所示配置能够由电池76在电源总线36上提供直流电，其1.5-2倍于电池76的电压。控制器12基于专门针对电源失效状态(即，低速)的运动曲线来操作电源变换器34，以存储来自电池76的可用的功率。通过这种方法，电源系统10可以在电源失效之后，基本上不被中断地提供救生操作，以将电梯16中的乘客运送至最邻近的楼层。
通过操作电源变换器30的支路S和T来将电源总线36上的直流电逆变为交流电，电源系统10还可以在电源失效期间向诸如辅助系统之类的其它电气系统(如电梯间18的机械风扇、照明和通风口、安全带、系统变压器)供电。经AUX连接向辅助系统提供交流电。变换器控制44可以将PWM信号施加于连接于支路S和T的晶体管，以逆变电源总线36上的直流电。在一个实施例中，PWM信号是双极正弦电压命令。AUX连接上的逆变电压被线路电抗器28和EMI滤波器26滤除电压和电流瞬变。为防止在AUX连接处的短路或者过载，还可以在支路S和AUX连接之间实施类似电流调整器(current regulator)之类的故障管理装置。
图3为ARO电路24的示意图，该电路被配置为在电源总线36上提供可用的功率以对电池76充电。在电梯16使用较少的期间，通过断开主电源开关模块72的全部三个开关并断开备用电源开关70来切断供给电梯16的供电，电源系统10可以处于节电模式。此时，ARO电路24的电压传感器78可以测量电池76的充电状态。然后，有信号被送至ARO控制40，其涉及测得的电池76的电压。
如果确定电池76两端的电压小于阈值电压(以软件方式设定)，ARO控制40操作ARO电路24以由主电源16供电，从而对电池76充电。特别地，通过闭合主电源开关74b和74c，主电源16的S相和T相连接于电源变换器30的支路S和T。主电源开关74a保持断开，而备用电源开关70闭合以连接电池76至电源变换器30的支路R。变换器控制44操作连接支路S和T的晶体管，以将来自主电源16的交流电转换为直流电源。被转换的直流电提供于电源总线36上。变换器控制44操作连接电源变换器30的支路R的晶体管，以从电源总线32向电池76提供恒定的电流来再充电。总之，本发明针对在正常和电源失效操作状态期间持续驱动电梯起重马达的系统。在正常操作状态期间，再生驱动装置从主电源向起重马达供电，并且在电源失效操作状态期间，从备用电源供电。在正常操作状态期间，控制器操作再生驱动装置，以将再生驱动装置上可用的功率提供给备用电源。另外，在电源失效状态期间，控制器可向再生驱动装置提供信号以逆变来自备用电源的功率，从而驱动辅助电梯系统。通过控制再生驱动装置来操纵来自主电源和备用电源的可用功率，由此实现了下列所有的操作：自动救生操作、辅助系统的供电和与自动救生操作相关联的备用电源的充电。
尽管对本发明的描述是以参考实例和较佳实施例的方式作出的，但是本领域的技术人员将认知到，在不脱离本发明的范围和精神的前提下，可以在形式或者细节上作出改变。

Claims (23)

1.一种用于在正常和电源失效操作状态期间持续驱动电梯起重马达的系统，该系统包括：
再生驱动装置，其可操作用于在正常操作状态期间从主电源向起重马达供电，并在电源失效操作状态期间从备用电源向起重马达供电；以及
控制器，用于在正常操作状态期间操作再生驱动装置以将再生驱动装置上的可用功率提供给备用电源。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述再生驱动装置包括：
变换器，用于将来自主电源的交流(AC)电转换成直流(DC)电；
逆变器，用于通过将来自变换器的直流电转换为交流电来驱动起重马达，并且用于在起重马达发电时，将起重马达产生的交流电转换为直流电；以及
连接于变换器和逆变器之间的电源总线，用于从变换器和逆变器接收直流电。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述控制器提供信号给变换器以将电源总线上的功率提供给备用电源。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述变换器是三相变换器，其受控为使来自主电源的功率被变换并且提供给在两相上的电源总线，并且提供电源总线上的功率以对第三相上的备用电源充电。
5.如权利要求2所述的系统，其中在电源失效状态期间，控制器向变换器提供信号以将来自备用电源的直流电逆变为用来驱动辅助电梯系统的交流电。
6.如权利要求5所述的系统，其中所述变换器包含多个功率晶体管电路，每个功率晶体管电路包含并联的晶体管和二极管，并且其中控制器采用脉冲宽度调制来产生选通脉冲，以周期性地开关晶体管，从而将来自备用电源的直流电逆变为交流电。
7.如权利要求2所述的系统，其中所述变换器是三相变换器，其受控为将来自备用电源的功率变换并提供给位于一相上的电源总线，提供电源总线上的功率以驱动其它两相上的辅助电源系统。
8.如权利要求1所述的系统，其中如果备用电源电压低于阈值电压，则控制所述再生驱动装置以向备用电源提供再生驱动装置上可用的功率。
9.如权利要求1所述的系统，所述主电源与再生驱动装置连接，以向备用电源供电。
10.如权利要求1所述的系统，所述备用电源包含至少一个电池。
11.如权利要求1所述的系统，在省电状态期间，所述控制器断开主电源和备用电源与再生驱动装置的连接。
12.一种用于持续驱动电梯起重马达的系统，该系统包括：
变换器，可操作用于将来自主电源的交流(AC)电转换成直流(DC)电；
逆变器，可操作用于通过将来自变换器的直流电变换为交流电来驱动起重马达，并且用于当起重马达发电时，将起重马达产生的交流电转换为直流电；
连接在变换器和逆变器之间的电源总线，用于从变换器和逆变器接收直流电；
救生操作电路，包括连接在主电源和变换器之间的备用电源，其中救生操作电路可操作用于，当主电源失效时，从变换器断开主电源并将备用电源连接至变换器，并且其中救生操作电路进一步可操作用于通过变换器将备用电源连接至主电源以对备用电源充电。
13.如权利要求12所述的系统，其中所述变换器是三相变换器，其受控为将来自主电源的功率转换并提供给两相上的电源总线，并且提供电源总线上的功率以对第三相上的备用电源充电。
14.如权利要求12所述的系统，其中所述变换器进一步可操作用来将来自电源总线的直流电转换为用于驱动辅助电梯系统的交流电。
15.如权利要求14所述的系统，其中所述变换器是三相变换器，其受控为将来自备用电源的功率转换并提供给位于一相上的电源总线，并且提供电源总线上的功率以驱动其它两相上的辅助电源系统。
16.如权利要求12所述的系统，其中如果备用电源电压低于阈值电压，则对所述备用电源充电。
17.如权利要求12所述的系统，其中所述备用电源包含至少一个电池。
18.如权利要求12所述的系统，其中在省电模式下，所述救生操作电路断开主电源和备用电源与变换器的连接。
19.一种用于在正常和电源失效操作状态期间向电梯起重马达基本上不中断地供电的方法，该方法包括以下步骤：
如果主电源的电压在正常工作范围内，则连接主电压至驱动电梯起重马达的再生驱动装置；
如果主电源的电压低于正常工作范围，则从再生驱动装置断开与主电源的连接，并将备用电源连接至再生驱动装置；以及
如果备用电源的电压低于阈值电压，则通过经再生驱动装置连接主电源和备用电源，从主电源对备用电源充电。
20.如权利要求19所述的方法，其中连接所述主电源包括：闭合连接于主电源和再生驱动装置之间的主电源开关，并且断开连接于备用电源和再生驱动装置之间的备用电源开关。
21.如权利要求19所述的方法，其中所述断开步骤包括：断开主电源开关并闭合备用电源开关。
22.如权利要求19所述的方法，其中所述充电步骤包括：
将来自主电源的交流(AC)电转换为直流(DC)电；以及
向备用电源提供直流电。
23.如权利要求19所述的方法，其中进一步包括：
在省电模式下，断开主电源和备用电源与再生驱动装置之间的连接。
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