CN110957800B - 电梯供电系统的供电控制方法以及电梯供电系统 - Google Patents

电梯供电系统的供电控制方法以及电梯供电系统 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种电梯用电系统的供电控制方法以及电梯供电系统，电梯供电系统包括依次连接的备用电池、全桥变换器以及逆变电路，其中所述逆变电路的输出端用以向电梯负载供电。所述供电控制方法包括：上电阶段，实时采集所述全桥变换器的输出电压，对全桥变换器的相位角进行调节，使得所述输出电压在预设时间内上升达到预设输出值；运行阶段，当所述输出电压到达预设值后，对全桥变换器的相位角进行调节，使得所述输出电压保持在预设上限值以及预设下限值之间。本方法通过根据实时采集的全桥变换器的输出电压，控制全桥变换器的相位角，使得输出电压满足设定状态，以使逆变电路的输出端对电梯负载进行供电电压稳定。

Description

电梯供电系统的供电控制方法以及电梯供电系统
技术领域
本申请涉及电梯供电技术领域，特别是涉及一种电梯用电系统的供电控制方法以及电梯供电系统。
背景技术
电梯行业的细分领域家用梯，主要是指安装在私人住宅中，仅供单一家庭成员使用的电梯。家用梯使用场合的特殊性，要求每台电梯都必须配置ARD(Automatic RescuerDevice)救援装置，在电梯运行过程中突然停电时，用于提供临时电源，进行救援平层放人，避免出现电梯乘坐人员被困的情况。
ARD救援装置的主要功能是将电池的直流电转为交流电，提供给控制系统，用于给电梯驱动器、门机驱动器、轿厢照明和内外召显示等。ARD救援装置分为两个模块：DC/DC升压变换器和DC/AC逆变器，分别完成电池电压(额定DC48V)升压到DC380V的Boost功能和DC380V到AC220V的逆变功能。
ARD救援装置需要保证在电池电压较低(例如44V)，同时输出满负载的情况下，能够输出正弦波AC220V电压，所以DC/DC的升压变压器的匝数比较大。但是这样就会导致在电池充满电(例如48.5V)的情况下，空载输出时，DC/DC升压后的母线电压偏高，使得母线上连接的电解电容、功率半等器件损坏。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够使母线上电压稳定的电梯用电系统的供电控制方法以及电梯供电系统。
一种电梯供电系统的供电控制方法，所述电梯供电系统包括依次连接的备用电池、全桥变换器以及逆变电路，其中所述逆变电路的输出端用以向电梯负载供电；所述供电控制方法包括：
上电阶段，实时采集所述全桥变换器的输出电压，对全桥变换器的相位角进行调节，使得所述输出电压在预设时间内上升达到预设输出值；
运行阶段，当所述输出电压到达预设输出值后，对全桥变换器的相位角进行调节，使得所述输出电压保持在预设上限值以及预设下限值之间。
可选的，在所述上电阶段，对全桥变换器的相位角进行调节时，根据所述输出电压以及PID算法，调节所述全桥变换器的相位角在0度和50度之间切换。
可选的，在所述运行阶段，对全桥变换器的相位角进行调节时，包括：
当所述输出电压大于预设上限值时，则调节所述全桥变换器的相位角至0度；
当所述输出电压小于预设下限值时，则调节所述全桥变换器的相位角至180度。
可选的，所述预设时间为3至5秒。
可选的，所述预设上限值为所述预设值的1.2倍，所述预设下限值为预设值的0.9倍。
本发明还提供了一种电梯供电系统，所述电梯供电系统包括备用电池、全桥变换器、逆变电路以及控制模块，其中所述备用电池、全桥变换器以及逆变电路依次连接向电梯负载供电；
上电时，所述控制模块实时采集所述全桥变换器的输出电压，对全桥变换器的相位角进行调节，使得所述输出电压在预设时间内上升达到预设输出值；当所述输出电压到达预设值后，所述控制模块对全桥变换器的相位角进行调节，使得所述输出电压保持在预设上限值以及预设下限值之间。
可选的，所述全桥变换器包括依次相连的移相全桥电路、变压器以及输出电路；
所述移相全桥电路包括并联的超前桥臂以及滞后桥臂，与所述变压器的初级线圈连接；
所述输出电路包括连接的整流电路以及输出电容，与所述变压器的次级线圈连接。
可选的，所述超前桥臂包括串联的第一开关管以及第二开关管，所述变压器的初级线圈的一端连接至所述第一开关管与第二开关管之间；
所述滞后桥臂包括串联的第三开关管以及第四开关管，所述变压器的初级线圈的另一端连接至所述第三开关管与第四开关管之间；
各开关管均受控于所述控制模块。
可选的，所述控制模块包括PID控制器以及PWM调节器；
所述PID控制器的输入端与所述全桥变换器的输出端连接，所述PID控制器的输出端与PWM调节器的输入端连接；
所述PWM调节器包括四个调节输出端，分别与所述第一开关管、第二开关管、第三开关管以及第四开关管连接以控制各开关管的通断。
上述电梯用电系统的供电控制方法以及电梯供电系统，通过依次连接的备用电池、全桥变换器以及逆变电路向电梯负载供电，在对电梯负载进行供电的过程中，根据实时采集的全桥变换器的输出电压，控制全桥变换器的移相角度，使得输出电压满足设定状态，以使逆变电路的输出端对电梯负载供电时，在上电阶段、空载或者满载的阶段，均能提供稳定的电压，以保护供电母线上的各种器件不被损坏。
附图说明
图1为一个实施例中电梯供电系统的电路示意图；
图2为一个实施例中移相全桥电路的示意图；
图3为一个实施例中移相全桥电路中开关管驱动波形示意图；
图4为一个实施例中全桥变换器的输出电压上电示意图；
图5为一个实施例中全桥变换器的输出电压稳态控制示意图；
图6为一个实施例中输出空载时控制过程示意图；
图7为一个实施例中输出满载时控制过程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
如图1所示，提供了一种电梯供电系统，所述电梯供电系统包括备用电池100、全桥变换器200、逆变电路300以及控制模块400，其中所述备用电池100、全桥变换器200以及逆变电路300依次连接向电梯负载供电；
上电时，所述控制模块400实时采集所述全桥变换器200的输出电压Udc，对全桥变换器200的相位角进行调节，使得所述输出电压Udc在预设时间内上升达到预设输出值；当所述输出电压Udc到达预设输出值后，所述控制模块400对全桥变换器200的相位角进行调节，使得所述输出电压Udc保持在预设上限值以及预设下限值之间。
在本实施例中，电梯供电系统用于在停电时，由全桥变换器200将备用电池100输出的低压直流电压转换成高压直流电压后，再由逆变电路300将高压直流电压逆变为高压交流输出，最终给电梯负载提供临时电源。在全桥变换器200将低压直流电压进行转化的过程中，由控制模块400通过调制全桥变换器200的移相角度控制全桥变换器200的输出电压，以保证逆变电路300向电梯负载提供稳定的电压。其中Udc为全桥变换器的输出电压，而UT1为全桥移相电路输出的高频交流方波电压。
如图2所示，全桥变换器200包括依次相连的移相全桥电路、变压器T以及输出电路。所述移相全桥电路包括并联的超前桥臂以及滞后桥臂，与所述变压器的初级线圈连接。所述输出电路包括连接的整流电路以及输出电容C，与所述变压器的次级线圈N2连接。
在本实施例中，变压器T为高频变压器。
在本实施例中，移相全桥电路将备用电池100输出的低压直流电压调制成高频交流信号，再通过变压器T将高频交流信号进行升压，然后再通过输出电路将升压后高频交流信号转变成直流电压。也就是说全桥变换器200为直流升压电路，将备用电池100输出的电压，以直流-交流-直流进行转化。
进一步的，所述移相全桥电路由并联的超前桥臂以及滞后桥臂，所述超前桥臂包括串联的第一开关管以及第二开关管，所述变压器T的初级线圈N1的一端连接至所述第一开关管与第二开关管之间。所述滞后桥臂包括串联的第三开关管以及第四开关管，所述变压器T的初级线圈N1的另一端连接至所述第三开关管与第四开关管之间，各开关管均受控于所述控制模块400。
如图2所示，各开关管为N型场效应管分别为第一场效应管Q1、第二场效应管Q2、第三场效应管Q3以及第四场效应管Q4。
具体的，组成超前桥臂的第一场效应管Q1的漏极与备用电池100的正极端连接，第一场效应管Q1的源极与第二场效应管的漏极连接，第二场效应管Q2的源极与备用电池100的负极连接，其中，第一场效应管Q1和第二场效应管Q2之间连接到变压器T的初级线圈N1的一端。
具体的，组成滞后桥臂的第三场效应管Q3的漏极与第一场效应管Q1的漏极连接，第三场效应管Q3的源极与第四场效应管Q4的漏极连接，第四场效应管Q4的源极与第二场效应管Q2的源极连接，其中第三场效应管Q3和第四场效应管Q4之间连接到变压器T的初级线圈N1的另一端。
在本实施例中，由于备用电池100输出的电压较低，也就是说在变压器T初级线圈N1一侧的电压较低，需要通过变压升压后在次级线圈N2一侧得到较高的电压。因此，变压器T的匝数比较大。
如图2所示，输出电路由整流电路以及输出电容C组成，连接在变压器T次级线圈N2一端，将升压后的交流电压转化成高压直流电输出。其中整流电路有四个二极管组成，分别为第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3以及第四二极管D4。
具体的，第一二极管D1的负极与第三二极管D3的负极连接，第一二极管D1的正极与第二二极管D2的的负极连接，第二二极管D2的正极与第四二极管D4的正极连接，其中第一二极管D1和第二二极管D2之间连接到变压器T的次级线圈N2一端。
具体的，第三二极管D3的负极与输出电容C的负极连接，第三二极管D3的正极与第四二极管D4的负极连接，第四二极管D4的正极与输出电容C的正极连接，其中第三二极管D3与第四二极管D4的连接点连接到变压器T的次级线圈N2的另一端。
在本实施例中，输出电容C起到滤波的作用。
如图1所示，逆变电路300由四个开关管组成，与输出电容C连接。各开关管为IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，分别为第五IGBT管Q5、第六IGBT管Q6、第七IGBT管Q7以及第八IGBT管Q8。
其中，第五IGBT管Q5的集电极与输出电容C的负极连接，第五IGBT管Q5的发射极与第六IGBT管Q6的集电极连接，第六IGBT管Q6的发射极与输出电容C的正极连接。
其中，第七IGBT管Q7的集电极与第五IGBT管Q5的集电极连接，第七IGBT管Q7的发射极与第八IGBT管Q8的集电极连接，第八IGBT管Q8的发射极与第六IGBT管Q6的发射极的连接。
如图1所示，所述控制模块400包括PID控制器以及PWM调节器。所述PID控制器的输入端与所述全桥变换器200的输出端连接，所述PID控制器的输出端与PWM调节器的输入端连接。所述PWM调节器包括四个调节输出端，分别与所述第一开关管、第二开关管、第三开关管以及第四开关管连接以控制各开关管的通断。
在本实施例中，PID控制器的输入端与全桥变换器200的输出端连接，具体的PID控制器的输入端跨接在输出电容C两端，用以实时采集全桥变换器200的输出电压，并利用该输出电压以及预设值根据PID算法，计算需要调节的相移角度后，传输给PWM调节器。
在本实施例中，PWM调节器的四个输出端分别连接到各场效应管的栅极，并根据PID控制器传输的相移角度相应的调节PWM调节器的四个输出端的输出脉冲宽度，从而达到调节全桥变换器200的输出电压。
在本实施例中，控制模块400可为中央处理器。
上述电梯供电系统中，利用全桥变换器200将备用电源输出的较低的直流电压，经过场效应管Q1～Q4以及二极管D1～D4组成的全桥开关变换器，在高频变压器T初级线圈N1侧得到高频交流方波电压，经高频变压器T升压，再全波整流变换成直流方波，最后通过电容C滤波，得到平直的直流电压。并且控制模块400控制场效应管Q1～Q4的输入脉冲宽度，以使电梯供电系统在供电的时候提供稳定的电源，以避免在空载的时候，由于输出电压过高而导致电子器件损坏。
本发明还提供了一种电梯供电系统的供电控制方法，所述电梯供电系统包括依次连接的备用电池100、全桥变换器200以及逆变电路300，其中所述逆变电路300的输出端用以向电梯负载供电；所述供电控制方法包括：
上电阶段，实时采集所述全桥变换器200的输出电压，对全桥变换器200的相位角进行调节，使得所述输出电压在预设时间内上升达到预设输出值；
运行阶段，当所述输出电压到达预设值后，对全桥变换器200的相位角进行调节，使得所述输出电压保持在预设上限值以及预设下限值之间。
在本实施例中，所述供电控制方法可运用在上述电梯供电系统中，并在所述控制模块400实施该方法。
具体的，在电梯供电系统进行工作的时候，为了保证全桥变换器200在满载的情况下具有足够的输出电压，需要将高频变压器T的匝数比N2/N1设计的比理论计算值更大一些，匝数比理论计算值＝Udc/USmin(Udc：稳定输出电压设定值，USmin：备用电池100输出电压最小值)。但是这样的设计，就会导致当备用电池100充满电后，如果变压器T的次级线圈N2输出端空载的情况下，输出的直流电压Udc就会偏高很多，可能导致电解电容C1和输出逆变电路300的功率器件损坏，所以对Udc进行有效的稳压控制是十分有必要的。
在本实施例中，通过调节全桥变换器200的移相全桥电路的移相角度而达到调节输出电压的目的。
在本实施例中，移相全桥电路的每个桥臂的两个场效应管为180度互补导通，两个桥臂的导通之间相差一个相位，即为移相角。再通过控制模块400调节移相角的大小来调节输出脉冲宽度，从而达到调节相应的输出电压的目的。
在本实施例中，第一场效应管Q1和第二场效应管Q2的驱动信号分别领先与第三场效应管Q3和第四场效应管Q4。则第一场效应管Q1和第二场效应管Q2为超前桥臂，第三场效应管Q3和第四场效应管Q4为滞后桥臂。各场效应管的驱动信号波形、工作波形如图3所示，其中θ为移相角度，通过调节移相角度控制全桥变换器200的输出电压的带载能力。
在本实施例中，为了既保证了满载输出的能力，又有效地稳定了输出电压。该方法对输出电压的控制分为两个阶段。其中第一阶段为上电阶段，为全桥变换器200的输出电压从零伏到达稳定的预设值的过程。其中第二阶段为运行阶段，当输出电压达到预设值后，保持输出电压在预设上限值以及预设下限值之间的过程。
具体的，当处于上电阶段时，对全桥变换器200的移相角度进行调节时，根据所述输出电压以及PID算法，调节所述全桥变换器200的相位角在0度和50度之间切换。使得输出电压在预设时间内缓慢上升至预设电压，如图4所示。
在图4中，曲线Udc为全桥变换器200的输出电压，而UT为全桥移相电路输出的高频交流方波电压。通过调节全桥移相电路的移相角度对UT进行控制，从而使得Udc在预设时间内缓慢升至预设值。在本实施例中，预设时间可为3至5秒。
具体的，在运行阶段，对全桥变换器200的移相角度进行调节时，当所述输出电压大于预设上限值时，则调节所述全桥变换器200的相位角至0度。当所述输出电压小于预设下限值时，则调节所述全桥变换器200的相位角至180度，如图5所示。
如图6所示，在运行阶段中当输出为空载时，全桥变换器200输出电压Udc和全桥移相电路输出波形。当输出电压Udc超过预设上限值，立即切换控制移相角θ＝0°，UT1电压则为0，对输出电容C的充电结束。输出电容C处于输出空载情况下的放电状态，输出电压Udc缓慢下降。当输出电压Udc降低到预设下限值，切换控制移相角θ＝180°，UT1电压则为满输出，立即对电解电容C1进行快速充电，稳定母线电压。
如图7所示，在运行阶段中当满载输出时，全桥变换器200输出电压Udc和全桥移相电路输出波形。当输出空载时突加负载，输出电压Udc会很快降低到预设下限值，此时立即切换控制移相角θ＝180°，UT电压则为满输出，立即对输出电容C进行快速充电，稳定输出电压Udc。但是由于是满载输出，输出电压Udc无法达到预设上限值，所以此时全桥电路一直满电压输出。
在本实施例中，所述预设上限值为所述预设值的1.2倍，所述预设下限值为预设值的0.9倍。例如，当输出电压的预设值为370V时，预设上限值为450V，预设下限值为340。
上述供电控制方法中，通过控制全桥变换器200中移相全桥的移相角度，调节全桥变换器200的输出电压，使输出电压保持稳定的状态，从而相电梯负载提供符合要求的稳定电压。
当电梯发生停电急停时，使得电梯供电系统立即投入工作，为电梯负载提供紧急后备电源。通过设置合理的全桥变换器200输出电压设定值、设定上限值和设定下限值，采用上述控制方法，能保证空载到满载的任意负载条件下，升压后的输出电压的稳定，避免了欠压或者过压情况的发生。在稳定输出电压的前提下，通过直流/交流逆变电路300的逆变控制，可以输出频率和幅值稳定的交流电压，为电梯负载供电。
上述供电控制方法，具有实施简单有效、稳定性高、器件损耗低、相应及时等优点。该方法解决了锂电池低电压、高频变压器T高匝数比和输出电容C耐压问题之间存在的矛盾，既解决了锂电池低电压可以输出正常幅值交流电压的问题，有解决了变压器T匝数比太高损坏输出器件的问题，在实际ARD中的成果应用也验证了这几点。相比传统的应急电源，引入该方法的电源可以提高锂电池电压利用率，提高了母线电压可以减小输出交流电压的畸变概率。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.电梯供电系统的供电控制方法，其特征在于，所述电梯供电系统包括依次连接的备用电池、全桥变换器以及逆变电路，其中所述逆变电路的输出端用以向电梯负载供电；所述供电控制方法包括：
上电阶段，实时采集所述全桥变换器的输出电压，对全桥变换器的相位角进行调节，使得所述输出电压在预设时间内上升达到预设输出值；
在所述上电阶段，对全桥变换器的相位角进行调节时，根据所述输出电压以及PID算法，调节所述全桥变换器的相位角在0度和50度之间反复切换；
运行阶段，当所述输出电压到达预设输出值后，对全桥变换器的相位角进行调节，使得所述输出电压保持在预设上限值以及预设下限值之间；
当所述输出电压大于预设上限值时，则调节所述全桥变换器的相位角至0度；
当所述输出电压小于预设下限值时，则调节所述全桥变换器的相位角至180度；
控制模块包括PID控制器以及PWM调节器，所述PID控制器的输入端与所述全桥变换器的输出端连接，所述PID控制器的输出端与PWM调节器的输入端连接，用以实时采集全桥变换器的输出电压，并利用该输出电压以及预设值根据PID算法，计算需要调节的相移角度后，传输给PWM调节器。
2.根据权利要求1所述的供电控制方法，其特征在于，所述预设时间为3至5秒。
3.根据权利要求1所述的供电控制方法，其特征在于，所述预设上限值为预设值的1.2倍，所述预设下限值为预设值的0.9倍。
4.电梯供电系统，其特征在于，所述电梯供电系统包括备用电池、全桥变换器、逆变电路以及控制模块，其中所述备用电池、全桥变换器以及逆变电路依次连接向电梯负载供电；
上电阶段，所述控制模块实时采集所述全桥变换器的输出电压，对全桥变换器的相位角进行调节，使得所述输出电压在预设时间内上升达到预设输出值；
在所述上电阶段，对全桥变换器的相位角进行调节时，根据所述输出电压以及PID算法，调节所述全桥变换器的相位角在0度和50度之间反复切换；
当所述输出电压到达预设值后，所述控制模块对全桥变换器的相位角进行调节，使得所述输出电压保持在预设上限值以及预设下限值之间；
当所述输出电压大于预设上限值时，则调节所述全桥变换器的相位角至0度；
当所述输出电压小于预设下限值时，则调节所述全桥变换器的相位角至180度；
所述控制模块包括PID控制器以及PWM调节器，所述PID控制器的输入端与所述全桥变换器的输出端连接，所述PID控制器的输出端与PWM调节器的输入端连接，用以实时采集全桥变换器的输出电压，并利用该输出电压以及预设值根据PID算法，计算需要调节的相移角度后，传输给PWM调节器。
5.根据权利要求4所述的电梯供电系统，其特征在于，所述全桥变换器包括依次相连的移相全桥电路、变压器以及输出电路；
所述移相全桥电路包括并联的超前桥臂以及滞后桥臂，与所述变压器的初级线圈连接；
所述输出电路包括连接的整流电路以及输出电容，与所述变压器的次级线圈连接。
6.根据权利要求5所述的电梯供电系统，其特征在于，
所述超前桥臂包括串联的第一开关管以及第二开关管，所述变压器的初级线圈的一端连接至所述第一开关管与第二开关管之间；
所述滞后桥臂包括串联的第三开关管以及第四开关管，所述变压器的初级线圈的另一端连接至所述第三开关管与第四开关管之间；
各开关管均受控于所述控制模块。
7.根据权利要求6所述的电梯供电系统，其特征在于，
所述PWM调节器包括四个调节输出端，分别与所述第一开关管、第二开关管、第三开关管以及第四开关管连接以控制各开关管的通断。
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