CN111082445A - 一种电梯能量回收利用系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种电梯能量回收利用系统，其特征在于：包括充电机模块、电池组模块、制动电阻模块、逆变器模块和电源切换模块；充电机模块设有与曳引机的变频器连接的HV+端和HV‑端，以及用于电输出的DC+端和DC‑端，逆变器模块连接电池组模块将其直流电输出变换为交流电输出，其设有用于交流电输出的L端和N端，以及低电量信号输出的SIG端，电源切换模块设有用于对接逆变器模块的第一组交流输入端，用于对接市电电网的第二组交流输入端，以及向外部用电器进行电输出的第一组交流输出端；当检测到来自SIG端的低电量信号时，第一组交流输出端与第二组交流输入端接通；制动电阻模块用于在充电机模块待机时对变频器输出的电能进行消耗。
Description
技术领域
本发明属于能量回收与再利用技术，具体涉及一种电梯能量回收利用系统。
背景技术
由于直梯均配备有对重块，该对重块的重量约为轿厢自重加二分之一额定载重。当电梯轻载上行或重载下行时，曳引机处于发电状态(制动)，对应表现为变频器直流母线电压抬升。目前，此部分电能常用方式为使用波纹电阻予以泄放，泄放过程产生大量热量。此外，也有方案使用逆变器或四象限变频器，将此部分能量回馈至三相电网，虽然实现了能量回馈，但是如局域网内无用电设备在同一时刻予以消耗，则此部分能量将白白回馈至电网，不能为用户自己产生经济效益，并且存在污染电网和引入干扰的弊端。
发明内容
本发明之目的在于，针对目前电梯再生能源使用方式中存在的制造成本高、电能逆变回馈经济效益不明显、回馈导致电网电能质量差，甚至直接以热量方式将再生能源白白消耗掉，造成能量浪费和热污染等问题提出一种控制逻辑简单，且能有效地将发电能量利用，并给客户带来实际经济效益，且对系统引入较小的干扰的能量回收利用系统。
为克服上述问题，本发明通过以下技术手段实现：
一种电梯能量回收利用系统，其包括充电机模块、电池组模块、制动电阻模块、逆变器模块和电源切换模块；
所述充电机模块设有与曳引机的变频器连接的HV+端和HV-端，以及用于电输出的DC+端和DC-端，且所述DC+端和DC-端与电池组模块连接，当HV+端和HV-端的电压上升达至启动阈值V2时，所述DC+端和DC-端产生电输出；
所述逆变器模块连接电池组模块将其直流电输出变换为交流电输出，其设有用于交流电输出的L端和N端，以及低电量信号输出的SIG端，所述L端、N端和SIG端分别连接电源切换模块；
所述电源切换模块设有用于对接逆变器模块的第一组交流输入端，用于对接市电电网的第二组交流输入端，以及向外部用电器进行电输出的第一组交流输出端；当检测到来自所述SIG端的低电量信号时，所述第一组交流输出端与第二组交流输入端接通，接通后再切断与第一组交流输入端的连接，实现第一组交流输出端电量输出不间断，且有效防止了电池组模块过放，造成自身损伤；
所述制动电阻模块连接充电机模块HV+端以及变频器的BR端，用于当充电机模块判断电池组模块满电量、无需再进行充电时，对变频器输出电能进行消耗。
于本发明的一个或多个实施例当中，所述制动电阻模块设有介入阈值V3，当HV+端电压上升达至介入阈值V3时，制动电阻模块开始对变频器输出的电能进行消耗，其中介入阈值V3大于启动阈值V2。
于本发明的一个或多个实施例当中，所述充电机模块包括CPU最小单元U11、DC-DC模块U12、开关管Q1、变压器T1、二极管D1、电容C1和C2、电阻R1和R2、线性光耦U1，以及霍尔电流传感器U2；所述DC-DC模块U12连接充电机模块的HV+端和HV-端，用于检测输入电压值是否达到启动阈值V2并实时反馈至CPU最小单元U11，以及转化出低压供电电压供充电机模块内部使用；所述变压器T1的原级线圈与充电机模块的HV+端和HV-端连接，其副级线圈与充电机模块的DC+端和DC-端连接；所述开关管Q1串接于变压器T1的原级线圈上，并受控于CPU最小单元U11实现通/断；所述充电机模块的DC+端的电压经过R1和R2分压后过电容C1，再经线性光耦U1输出至CPU最小单元U11；所述霍尔电流传感器U2接于充电机模块的DC+端，其输出连接至CPU最小单元U11，用于检测电池组模块电压。
于本发明的一个或多个实施例当中，所述逆变器模块包括CPU最小单元U13、DC-DC模块U14、ADC模块U15、开关管Q3和Q4、变压器T2、线性光耦U3、电容C11、电阻R31和R41，以及整流桥U4；所述开关管Q3和Q4接于变压器T2原级线圈的两侧抽头，所述开关管Q3和Q4受控于CPU最小单元U13实现交替导通让直流电震荡，所述变压器T2原级线圈的中间抽头连接逆变器模块的输入端，所述变压器副级线圈连接逆变器模块的L端和N端，所述整流桥U4接于L端和N端，其输出经电阻R31和R41分压、过电容C11后再经线性光耦U1输出至CPU最小单元U13用于随时检测输出电压；所述ADC模块U15用于采集电池组电压，其连接于逆变器模块的输入端与CPU最小单元U13之间，所述CPU最小单元U13在电池组电压低于低电理阈值时，向SIG端输出低电量信号。
于本发明的一个或多个实施例当中，所述电源切换模块包括CPU最小单元U16、AC-DC模块U17、继电器KM1和KM2，以及断路器QF1；所述继电器KM1的输入端连接第二组交流输入端，其输出端连接第一组交流输出端；所述继电器KM2的输入端连接第一组交流输入端，其输出端连接第一组交流输出端；继电器KM1和KM2受控于CPU最小单元U16实现通/断；所述断路器QF1接于所述第一组交流输出端。
本发明所实现的有益效果是：系统构造简单，电梯制动能量予以存储，经过逆变后输出220Vac，供电梯用电部件或外部用电部件直接使用，无需逆变回馈给三相电网，不存在电网污染，同时由于所发电量由自身系统或用户直接使用，减少系统从电网取电电量，为用户个人创造经济价值，不存在逆变后并网对用户个人来说无经济效益的情况，同时本系统还可以大幅度降低原电梯系统发热量(与常用的制动电阻泄放方案相比)。另外本系统覆盖ARD功能，配备本系统后可取消ARD模块，实现停电应急功能。
附图说明
图1为本发明的系统架构图。
图2为本发明的能量存储部分工作流程图。
图3为本发明的能量逆变部分工作流程图。
图4为本发明的充电机模块原理图。
图5为本发明的逆变器模块原理图。
图6为本发明的电源切换模块原理图。
具体实施方式
如下结合附图1至6，对本申请方案作进一步描述：
一种电梯能量回收利用系统，其包括充电机模块、电池组模块、制动电阻模块、逆变器模块和电源切换模块；
所述充电机模块设有与曳引机的变频器连接的HV+端和HV-端，以及用于电输出的DC+端和DC-端，且所述DC+端和DC-端与电池组模块连接，所述HV+端和HV-端分别接入变频器“+”和“-”直流母线端子，当HV+端和HV-端的电压上升达至启动阈值V2时，所述DC+端和DC-端产生电输出，同时对电池组模块的电量状态进行实时检测，当电池组模块充满时，停止充电；所述充电机模块包括CPU最小单元U11、DC-DC模块U12、开关管Q1、变压器T1、二极管D1、电容C1和C2、电阻R1和R2、线性光耦U1，以及霍尔电流传感器U2；所述DC-DC模块U12连接充电机模块的HV+端和HV-端，用于检测输入电压值是否达到启动阈值V2并实时反馈至CPU最小单元，以及转化出低压供电电压供充电机模块中CPU最小单元U11等使用；所述变压器T1的原级线圈与充电机模块的HV+端和HV-端连接，其副级线圈与充电机模块的DC+端和DC-端连接；所述开关管Q1串接于变压器T1的原级线圈上，并受控于CPU最小单元U11实现通/断；所述充电机模块的DC+端的电压经过R1和R2分压后过电容C1，再经线性光耦U1输出至CPU最小单元U11；所述霍尔电流传感器U2接于充电机模块的DC+端，其输出连接至CPU最小单元。
所述逆变器模块连接电池组模块将其直流电输出变换为交流电输出，其设有用于交流电输出的L端和N端，以及低电量信号输出的SIG端，所述L端、N端和SIG端分别连接电源切换模块；所述逆变器模块包括CPU最小单元U13、DC-DC模块U14、ADC模块U15、开关管Q3和Q4、变压器T2、线性光耦U3、电容C11、电阻R3和R4，以及整流桥U4；所述开关管Q3和Q4串联并接于变压器T2原级线圈的两侧抽头，所述开关管Q3和Q4受控于CPU最小单U13实现通/断，所述变压器T2原级线圈的中间抽头连接逆变器模块的输入端，所述变压器副级线圈连接逆变器模块的L端和N端，所述整流桥U4接于L端和N端，其输出经电阻R31和R41分压、过电容C11后再经线性光耦U3输出至CPU最小单元U13；所述ADC模块U15用于采集电池组电压，其连接于逆变器模块的输入端与CPU最小单元U13之间，所述CPU最小单元U13在电池组电压低于低电理阈值时，向SIG端输出低电量信号。
所述电源切换模块设有用于对接逆变器模块的第一组交流输入端，用于对接市电电网的第二组交流输入端，以及向外部用电器进行电输出的第一组交流输出端；当检测到来自所述SIG端的低电量信号时，所述第一组交流输出端与第二组交流输入端接通；所述电源切换模块包括CPU最小单元U16、AC-DC模块U17、继电器KM1和KM2，以及断路器QF1；所述继电器KM1的输入端连接第二组交流输入端，其输出端连接组交流输出端；所述继电器KM2的输入端连接第一组交流输入端，其输出端连接第一组交流输出端；继电器KM1和KM2受控于CPU最小单元U16实现通/断；所述断路器QF1接于所述第一组交流输出端。
所述制动电阻模块连接充电机模块HV+端以及变频器的BR端，用于当充电机模块判断电池组模块满电量、无需再进行充电时，对变频器输出电能进行消耗。所述制动电阻模块设有介入阈值V3，当HV+端电压上升达至介入阈值V3时，制动电阻模块开始对变频器输出的电能进行消耗，其中介入阈值V3大于启动阈值V2，启动阈值V2大于变频器电动工作模式下最大电压HV1。
本系统的工作原理：
充电机模块中，当HV+端和HV-端的电压值上升达到启动阈值V2时，且判断电池组为非满电状态，则CPU最小单元U11通过MOS管驱动模块驱动开关管Q1，直流高压在变压器T1的原级不断存储、释放能量，变压器T1的副级过二极管D1和电容C2后输出直流低压为电池组充电。在充电过程中，霍尔电流传感器U2时刻检测充电电流，可据此判断电池电量，进而使CPU最小单元U11调节Q1管占空比，调整充电电流，延长电池使用寿命。
逆变器模块中，CPU最小单元U13通过MOS管驱动电路驱动开关管Q3和Q4交替导通，将直流电进行震荡，变压器T2副级输出220Vac交流。为了保证220Vac输出电压的稳定和准确定，输出电压经过整流桥U4整流后通过电阻R31和R41分压后过电容C11后进入线性光耦U1，线性光耦U1输出的模拟量进入CPU最小单元U13，CPU最小单元U13即可随时掌握输出电压，如输出有偏差，CPU最小单元U13可以通过调整驱动开关管Q3和Q4的PWM信号的占空比进行调节。同时，逆变器模块还通过ADC模块U15实时采集电池组电压，当电池组电压低于设定的低电量阈值时，SIG端输出低电量信号，数秒后将自动转为待机状态，停止220Vac输出，防止电池过放损伤电池。当电池电量恢复正常后，SIG端将输出正常电量信号，与此同时输出220Vac电能；另外本模块内含有DC-DC模块U14为CPU最小单元U13等供电。
电源切换模块中，设有第一组交流输入端和第二组交流输入端两个220Vac输入端口，分别是对接市电220Vac输入和逆变器模块220Vac输入。在正常模式下，CPU最小单元U16控制驱动模块使继电器KM2闭合，此时电源切换模块输出电能由逆变器模块提供；当CPU最小单元U16接收到由逆变器模块SIG端发来的低电量信号后，立即将继电器KM1闭合，再将继电器KM2断开，获取市电实现不间断220Vac电能输出；当CPU最小单元U16接收到逆变器模块SIG端发来的正常电量信号后，立即将继电器KM2闭合，后将继电器KM1断开，将输出电能来源切换至逆变器模块供给，该切换过程输出电能无间断。其中，CPU最小单元U16和驱动模块供电由AC-DC模块U17供给，其电能输入既可以从市电获取也可以从逆变器模块获取，不受逆变器模块低电量时无输出的影响。另外，220Vac输出回路(即第一组交流输出端)接有断路器QF1，当外部发生短路、过流等情况时QF1会顿开输出，不会损坏其他零部件。
当电梯处于重载下行或轻载上行时，曳引机处于发电状态，此时所产生电能从UVW输入至变频器，通过变频器中IGBT内部反并联二极管予以逆变，导致变频器母线“+”和“-”上电压值从待机时刻的电压V1上升，当达到充电机模块启动阈值V2时，充电机模块开始向电池组模块输出直流电，给电池组充电。逆变器模块从电池组模块获取直流电，予以逆变成220Vac，当电池组电量正常时，逆变器模块持续输出220Vac电能，当电池组电量即将耗尽时，SIG端的电量指示信号跳变。电源切换模块在未接收到低电量信号前从逆变器模块获取电能，当低电量信号到来，立即将市电并入外部用电输出端口，然后切断逆变器模块输出电能，此方案可以实现外部用电部件不断电切换至市电，还避免了电池组过放。
充电机模块启动阈值V2大于待机时刻电压V1，即变频器待机、电动或三相电网正常波动状态下母线电压均无法达到V2，当到达V2时说明曳引机处于发电状态，同时充电机模块还在不停判别电池组电量，当电池组不为满电状态即进行电压转换，将直流高压转换为电池组可以接受的充电电压，当充电机模块检测到电池组为满电状态，则不进行电压转换，此时所发电能缺少充电机模块消耗，变频器直流母线电压值将继续从V2上升至V3，此V3值为制动电阻介入阈值，变频器将通过制动电阻将电能以热量的方式予以消耗。另外，逆变器模块工作与否，不受充电机模块工作与否影响，只要电池组电量正常就予以逆变，当因电池组电量过低，逆变输出模块停止逆变前几秒输出低电量信号，供电源切换模块提前动作，避免外部用电器出现断电，同时又可以避免电池组过放损伤电池组。
本系统将电梯曳引机发出电能予以储存，在通过逆变，生成220Vac，供电梯门机、光幕、风机等部件使用，此系统将电能存储至蓄电池组，实现在电梯非发电工况下仍可持续逆变出220Vac，供部件使用，由于非逆变至三相电网，而是供照明、门机、光幕等部件使用，有效降低了干扰，通过此系统原220Vac用电设备可以从本系统逆变输出取电，不用向市电取电，有效地为用户创造了经济效益。同时由于现有电梯系统根据客户需求选配ARD模块，即UPS电源，此模块平时向电网取电维持电池组电量，当停电时逆变输出(220Vac)给电梯，本系统功能可覆盖此功能，因此电梯在增设本系统的同时可取消ARD模块，节约此部分成本。另外本系统不存在市电检测模块等，控制逻辑简单。
上述优选实施方式应视为本申请方案实施方式的举例说明，凡与本申请方案雷同、近似或以此为基础作出的技术推演、替换、改进等，均应视为本专利的保护范围。
Claims (5)
1.一种电梯能量回收利用系统，其特征在于：包括充电机模块、电池组模块、制动电阻模块、逆变器模块和电源切换模块；
所述充电机模块设有与曳引机的变频器连接的HV+端和HV-端，以及用于电输出的DC+端和DC-端，且所述DC+端和DC-端与电池组模块连接，当HV+端和HV-端的电压上升达至启动阈值V2时，所述DC+端和DC-端产生电输出；
所述逆变器模块连接电池组模块将其直流电输出变换为交流电输出，其设有用于交流电输出的L端和N端，以及低电量信号输出的SIG端，所述L端、N端和SIG端分别连接电源切换模块；
所述电源切换模块设有用于对接逆变器模块的第一组交流输入端，用于对接市电电网的第二组交流输入端，以及向外部用电器进行电输出的第一组交流输出端；当检测到来自所述SIG端的低电量信号时，所述第一组交流输出端与第二组交流输入端接通；
所述制动电阻模块连接充电机模块HV+端以及变频器的BR端，用于当充电机模块判断电池组模块满电量、无需再进行充电时，对变频器输出电能进行消耗。
2.根据权利要求1所述的电梯能量回收利用系统，其特征在于：所述制动电阻模块设有介入阈值V3，当HV+端电压上升达至介入阈值V3时，制动电阻模块开始对变频器输出的电能进行消耗，其中介入阈值V3大于启动阈值V2。
3.根据权利要求1或2所述的电梯能量回收利用系统，其特征在于：所述充电机模块包括CPU最小单元U11、DC-DC模块U12、开关管Q1、变压器T1、二极管D1、电容C1和C2、电阻R1和R2、线性光耦U1，以及霍尔电流传感器U2；
所述DC-DC模块U12连接充电机模块的HV+端和HV-端，用于检测输入电压值是否达到启动阈值V2并实时反馈至CPU最小单元U11，以及转化出低压供电电压供充电机模块内部使用；所述变压器T1的原级线圈与充电机模块的HV+端和HV-端连接，其副级线圈与充电机模块的DC+端和DC-端连接；所述开关管Q1串接于变压器T1的原级线圈上，并受控于CPU最小单元U11实现通/断；所述充电机模块的DC+端的电压经过R1和R2分压后过电容C1，再经线性光耦U1输出至CPU最小单元U11；所述霍尔电流传感器U2接于充电机模块的DC+端，其输出连接至CPU最小单元U11，用于检测电池组模块电压。
4.根据权利要求1或2所述的电梯能量回收利用系统，其特征在于：所述逆变器模块包括CPU最小单元U13、DC-DC模块U14、ADC模块U15、开关管Q3和Q4、变压器T2、线性光耦U3、电容C11、电阻R31和R41，以及整流桥U4；
所述开关管Q3和Q4接于变压器T2原级线圈的两侧抽头，所述开关管Q3和Q4受控于CPU最小单元U13实现交替导通让直流电震荡，所述变压器T2原级线圈的中间抽头连接逆变器模块的输入端，所述变压器副级线圈连接逆变器模块的L端和N端，所述整流桥U4接于L端和N端，其输出经电阻R31和R41分压、过电容C11后再经线性光耦U1输出至CPU最小单元U13用于随时检测输出电压；所述ADC模块U15用于采集电池组电压，其连接于逆变器模块的输入端与CPU最小单元U13之间，所述CPU最小单元U13在电池组电压低于低电理阈值时，向SIG端输出低电量信号。
5.根据权利要求1或2所述的电梯能量回收利用系统，其特征在于：所述电源切换模块包括CPU最小单元U16、AC-DC模块U17、继电器KM1和KM2，以及断路器QF1；
所述继电器KM1的输入端连接第二组交流输入端，其输出端连接第一组交流输出端；所述继电器KM2的输入端连接第一组交流输入端，其输出端连接第一组交流输出端；继电器KM1和KM2受控于CPU最小单元U16实现通/断；所述断路器QF1接于所述第一组交流输出端。
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