CN102211724A - 一种使用超级电容器的新型节能电梯 - Google Patents

Abstract

一种使用超级电容器的新型节能电梯，包括轿厢、曳引装置、电动机和控制系统，控制系统包括直流母线、制动单元、电动机驱动电路、充电电路、放电电路和至少一个超级电容器组件，通过DC/DC双向电压转换器将充电电路和放电电路与超级电容器组件连接，利用采样控制驱动模块，经过运算处理后利用脉冲宽度调制变换控制电路检测母线电压和超级电容器电压，向充电电路和放电电路输出降压充电和升压放电PWM控制信号，在电梯减速、轻载上行和重载下行发电时利用超级电容器组件储存电能，在电梯运行时由超级电容器组件向电机释放电能，并利用储存在超级电容组件上的直流电能通过DC/AC模块向电梯提供应急电源，达到节电目的。

Description

一种使用超级电容器的新型节能电梯

技术领域：

本发明涉及电学领域，尤其涉及电梯的电力控制技术，特别是一种使用超级电容器的新型节能电梯。

背景技术：

电梯是目前耗电很大的设备。电梯在运行时重负载向下、轻负载向上及减速时会产生势能和制动能量，以电能方式输出到母线，升高了母线电压。变频器中的IGBT(绝缘栅双极型功率管)具有耐压限制，电压过高便会损坏功率模块，造成变频器损毁。现有技术中，解决此问题的主要方案有：第一，通过制动电阻放电。此方案结构简单、安装方便、成本低；将能量通过制动电阻转化为热量的形式消耗掉，但通过电阻放掉的能量将产生大量的热量，升高机房的温度，不利于电梯的正常运行，往往还需要配置空调达到降温的目的，同时也造成了很大的能源浪费；第二，电能反馈逆变技术，电梯采用能量回馈单元，即将变频器直流母线上过高的电压通过IGBT功率管逆变成三相交流电返回至电网，有效地将处于发电工作状态的电机所产生的能量进行了回收，但也存在一些缺点，如存在较多的谐波，工作时对电网有一定的污染，此方案能节约一定的电能，但从用户的角度来讲，由于反馈的电力不均衡，既不能被同一建筑内的其它用电设施同时用尽，又不能冲减电表上的耗电量来降低用户的电能使用成本，很多情况下用户的电表在装了能量回馈单元后电表的读数不是减少而是增加了，故其尚难被接受；第三，电池储能，此方案可以储存能量和释放能量，但由于电池充放电次数、效率和对环境影响，此方案的应用有一定的限制。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种使用超级电容器的新型节能电梯，所述的这种使用超级电容器的新型节能电梯要解决现有技术中电梯在减速、轻载上行和重载下行时发出的能量不能被妥善处理和利用的技术问题。

本发明的这种使用超级电容器的新型节能电梯，包括轿厢、曳引装置、电动机和控制系统，所述的轿厢与所述的曳引装置连接，曳引装置中设置有曳引机，所述的曳引机与电动机连接，所述的电动机与一个控制系统连接，所述的控制系统包括直流母线、制动单元、一个电动机驱动电路、一个充电电路、一个放电电路和至少一个超级电容器组件，所述的电动机驱动电路由变频器构成，所述的电动机驱动电路与所述的直流母线连接，所述的制动单元与电动机驱动电路连接，其中，所述的超级电容器组件同时与所述的充电电路和放电电路连接，所述的充电电路和放电电路分别与所述的直流母线连接，充电电路和放电电路各自连接有一个脉冲宽度调制变换控制电路，超级电容器组件还与一个应急电源连接，所述的应急电源与制动系统连接。

进一步的，所述的控制系统中包括有一个超级电容器组件，所述的超级电容器组件中包括有两个以上数目的超级电容器的单体，还包括有电均衡电路、或者控制电路、或者温控装置，或者还包括有电均衡电路、控制电路和温控装置，所述的超级电容器的单体采用串联、或者并联、或者混联的连接方式。

进一步的，任意一个所述的超级电容器的单体的时间常数均在0.8～2S之间，循环寿命在10万到100万次之间。

进一步的，任意一个所述的超级电容器的单体均为卷绕圆柱形、或卷绕方型、或叠片方型，其外壳为铝壳、或钢壳、或软包装塑铝膜。

进一步的，所述的变频器中设置有逆变桥，所述的逆变桥由六个功率开关模块连接构成。

进一步的，所述的脉冲宽度调制变换控制电路中设置有FPGA处理器。

进一步的，所述的充电电路和放电电路集成在一个充放电主电路中，所述的充放电主电路由一个DC/DC双向电压转换器构成。

进一步的，所述超级电容器组件替代蓄电池，解决停电或故障时乘客脱困的问题。

具体的，本发明中所述的电动机驱动电路、充电电路、放电电路、超级电容器、变频器、脉冲宽度调制变换控制电路、DC/DC双向电压转换器均可采用现有技术中的公知方案，在此不再赘述。

本发明的工作原理是：超级电容器是一种新型储能器件，依靠双电层原理或法拉第准电容原理储能，兼具二次电池与静电电容器的双重特性，被认为是一种介于传统电容器和二次电池之间的储能电源。超级电容器具有功率密度大、充电迅速、循环寿命长、能量密度较高、使用温度范围宽、储存寿命长、可靠性高、清洁环保等突出的优点，特别适合用于短时间高功率输出、快速充电、进行能量回收等场合，妥善解决了储能设备高比功率和高比能量输出之间的矛盾。

在本发明中，脉冲宽度调制变换控制电路输出超级电容器降压充电PWM脉宽信号和超级电容器升压放电PWM脉宽信号，并且检测母线电压，判别动作电压，检测超级电容器电压，判别过充电压，同时检测充电过程电流和放电过程电流，脉冲宽度调制变换控制电路还实现过压过流短路保护和系统启动停止使能控制信号。脉冲宽度调制变换控制电路检测得到的信号经过FPGA处理器处理后形成电流控制指令，通过脉冲宽度调制变换控制电路向充电电路或者放电电路输出。降压充电时，脉冲宽度调制变换控制电路控制充电电路中的开关管的通断向超级电容器充电，达到降压充电的效果。升压放电时，脉冲宽度调制变换控制电路控制放电电路中的开关管的通断，达到升压目的向母线放电。在降压充电过程中，电机产生的能量由超级电容器存储，在放电过程中，再由超级电容器通过放电电路升压后对变频器直流母线供电，减少对市电的用电需求达到节能降耗的目的。

本发明将超级电容器系统作辅助和后备电源，利用超级电容器的充放电特性，用充放电高电压段进行势能的回收和直接利用，用充放电的低电压段替代原有的后备电源。其势能的回收和直接利用的原理为将电梯在重负载向下、轻负载向上及减速时曳引电机所产生的能量储存于超级电容器，而在电梯的加速段、重负载向上及轻负载向下时将超级电容器所储存的能量返回至变频器。本发明的节能电梯可减少对电网能量的需求，同时也彻底解决了电网污染的问题，节能效果显而易见。根据实验仿真的综合评估，采用超级电容器组件的节能电梯，能耗可以降低30％左右，由于超级电容器输出的是平滑的直流电并且返回至变频器直流母线上，故不会对电网造成冲击和干扰，也不会出现电表倒转的情况，弥补了能量直接回馈到电网带来的缺点。

本发明和已有技术相比较，其效果是积极和明显的。本发明在电梯电机的变频驱动电路和直流母线上连接了充电电路和放电电路，将充电电路和放电电路与超级电容器连接，利用脉冲宽度调制变换控制电路检测母线电压和超级电容电压，判别动作电压和过充电压，经过运算处理后向充电电路和放电电路输出降压充电PWM脉宽信号和升压放电PWM脉宽信号，在电梯减速、轻载上行和重载下行发电时利用超级电容器储存电能，在电梯运行时由超级电容器向电机释放电能，利用超级电容器在很小体积下达到法拉级电容量，可以快速充放电，节约了电能，对环境友好，使用寿命长，不存在二次污染的问题。

下面结合附图和实例对本节能装置进一步说明。

附图说明：

图1是本发明的使用超级电容器的新型节能电梯的原理框图。

图2是本发明的使用超级电容器的新型节能电梯的一个实施例的电路原理图。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，本发明的使用超级电容器的新型节能电梯，包括轿厢1、曳引装置2、电动机和控制系统，所述的轿厢1与所述的曳引装置2连接，曳引装置2中设置有曳引机3，所述的曳引机3与电动机连接，所述的电动机与一个控制系统连接，所述的控制系统包括直流母线、制动单元、一个电动机驱动电路、一个充电电路、一个放电电路和至少一个超级电容器组件，所述的电动机驱动电路由变频器构成，所述的电动机驱动电路与所述的直流母线连接，所述的制动单元与电动机驱动电路连接，其中，所述的超级电容器组件同时与所述的充电电路和放电电路连接，所述的充电电路和放电电路分别与所述的直流母线连接，充电电路和放电电路各自连接有一个脉冲宽度调制变换控制电路，超级电容器组件还与一个应急电源连接，所述的应急电源与制动系统连接。

具体的，图1中表示的外部交流电网作为市电接入系统，电梯及变频整流系统作为电动机驱动电路，超级电容器组件与DC/DC变换器连接，DC/AC应急电源与超级电容器组件连接，图1中还表示了采样控制驱动模块。超级电容的变频器母线与电梯控制柜母线相连。

通过电压传感器，控制模块检测母线电压，当电机开始发电状态时，控制模块对降压模块进行降压驱动，母线电压开始通过降压模块对超级电容进行充电；当电机开始用电状态时，控制模块对升压模块进行升压驱动，超级电容开始通过升压模块对母线电压进行放电。直流母线电压通过电梯的控制柜向电梯供应再生能源，达到节电目的。

进一步的，所述的控制系统中包括有一个超级电容器组件，所述的超级电容器组件中包括有两个以上数目的超级电容器的单体，还包括有电均衡电路、或者控制电路、或者温控装置，或者还包括有电均衡电路、控制电路和温控装置，所述的超级电容器的单体采用串联、或者并联、或者混联的连接方式。

进一步的，任意一个所述的超级电容器的单体的时间常数均在0.8～2S之间，循环寿命在10万到100万次之间。

进一步的，任意一个所述的超级电容器的单体均为卷绕圆柱形、或卷绕方型、或叠片方型，其外壳为铝壳、或钢壳、或软包装塑铝膜。

进一步的，所述的变频器中设置有逆变桥，所述的逆变桥由六个功率开关模块连接构成。

进一步的，所述的脉冲宽度调制变换控制电路中设置有FPGA处理器。

进一步的，所述的充电电路和放电电路集成在一个充放电主电路中，所述的充放电主电路由一个DC/DC双向电压转换器构成。

进一步的，所述超级电容器组件替代蓄电池，解决停电或故障时乘客脱困的问题。

如图2所示，充电电路和放电电路各自连接有一个脉冲宽度调制变换控制电路。

本实施例的工作过程是：脉冲宽度调制变换控制电路输出超级电容器降压充电PWM脉宽信号和超级电容器升压放电PWM脉宽信号，并且对母线电压进行检测，判别动作电压，检测超级电容器电压，判别过充电压，同时检测充电过程电流和放电过程电流，脉冲宽度调制变换控制电路还实现过压过流短路保护和系统启动停止使能控制信号。脉冲宽度调制变换控制电路检测得到的信号经过处理后形成电流控制指令，通过脉冲宽度调制变换控制电路向充电电路或者放电电路输出指令。降压充电时，脉冲宽度调制变换控制电路控制充电电路中的开关管的通断，达到降压充电的效果。升压放电时，脉冲宽度调制变换控制电路控制放电电路中的开关管的通断，通过放电电路中的电感线圈向直流母线放电，与市电并行供电最终达到节能的效果。

Claims (7)

1.一种使用超级电容器的新型节能电梯，包括轿厢、曳引装置、电动机和控制系统，所述的轿厢与所述的曳引装置连接，曳引装置中设置有曳引机，所述的曳引机与电动机连接，所述的电动机与一个控制系统连接，所述的控制系统包括直流母线、制动单元、一个电动机驱动电路、一个充电电路、一个放电电路和至少一个超级电容器组件，所述的电动机驱动电路由变频器构成，所述的电动机驱动电路与所述的直流母线连接，所述的制动单元与电动机驱动电路连接，其特征在于：所述的超级电容器组件同时与所述的充电电路和放电电路连接，所述的充电电路和放电电路分别与所述的直流母线连接，充电电路和放电电路各自连接有一个脉冲宽度调制变换控制电路，超级电容器组件还与一个应急电源连接，所述的应急电源与制动系统连接。

2.如权利要求1所述的使用超级电容器的新型节能电梯，其特征在于：所述的控制系统中包括有一个超级电容器组件，所述的超级电容器组件中包括有两个以上数目的超级电容器的单体，还包括有电均衡电路、或者控制电路、或者温控装置，或者还包括有电均衡电路、控制电路和温控装置，所述的超级电容器的单体采用串联、或者并联、或者混联的连接方式。

3.如权利要求2所述的使用超级电容器的新型节能电梯，其特征在于：任意一个所述的超级电容器的单体的时间常数均在0.8～2S之间，循环寿命在10万到100万次之间。

4.如权利要求2所述的使用超级电容器的新型节能电梯，其特征在于：任意一个所述的超级电容器的单体均为卷绕圆柱形、或卷绕方型、或叠片方型，其外壳为铝壳、或钢壳、或软包装塑铝膜。

5.如权利要求1所述的使用超级电容器的新型节能电梯，其特征在于：所述的变频器中设置有逆变桥，所述的逆变桥由六个功率开关模块连接构成。

6.如权利要求1所述的使用超级电容器的新型节能电梯，其特征在于：所述的脉冲宽度调制变换控制电路中设置有FPGA处理器。

7.如权利要求1所述的使用超级电容器的新型节能电梯，其特征在于：所述的充电电路和放电电路集成在一个充放电主电路中，所述的充放电主电路由一个DC/DC双向电压转换器构成。

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