CN111082671A - 电梯系统中的功率管理 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于电梯系统的功率管理系统。根据本发明的示例性实施例的用于电梯系统的功率管理系统包括：功率转换器，其具有三个输入端子，三个输入端子中的两个耦合到用于向功率管理系统供应单相AC功率的主功率源，功率转换器配置成使来自主功率源的AC功率转换成公共DC总线上的DC功率；次级功率源，其用于向公共DC总线供应DC功率；功率逆变器，其配置成将公共DC总线上的DC功率逆变成用于驱动电梯系统的电动马达的AC输出功率；以及动态制动电阻器，其耦合在三相功率转换器的三个输入端子之中的第三输入端子与公共DC总线之间。

Description

电梯系统中的功率管理
技术领域
本发明涉及一种电梯系统，特别地涉及一种在电梯系统中使用的功率管理系统。
背景技术
在电梯系统中，电梯轿厢进行竖直移动，以在建筑物中不同的楼层之间输送乘客。由功率管理系统控制的电动马达用来驱动电梯轿厢。向电动马达稳定地供应电功率非常重要。现有的功率管理系统通常将三相AC功率用作向电梯系统供应功率的主要源。在开发能够采用各种类型的功率源且向电梯系统供应稳定的电功率的功率管理系统方面存在增长的关注。
提供在电梯系统中使用的增强的功率管理系统将是有益的，特别地，在避免引起额外的成本和复杂性的同时使不同类型的功率源能够集成或添加到现有的功率管理系统将是有益的。
发明内容
本发明的示例性实施例包括一种用于电梯系统的功率管理系统，包括：三相功率转换器，其具有三个输入端子和两个输出端子，三个输入端子中的第一和第二输入端子耦合到用于向功率管理系统供应单相AC功率的主功率源，功率转换器配置成使来自主功率源的AC功率转换成在连接到两个输出端子的公共DC总线上的DC功率；次级功率源，其用于向公共DC总线供应DC功率；功率逆变器，其配置成将公共DC总线上的DC功率逆变成用于驱动电梯系统的电动马达的AC输出功率；以及动态制动电阻器，其耦合在功率转换器的三个输入端子之中的第三输入端子与DC总线之间。
本发明的示例性实施例包括一种用于电梯系统的功率管理系统，包括：三相功率转换器，其具有三个输入端子和两个输出端子，三个输入端子中的第一和第二输入端子耦合到用于向功率管理系统供应单相AC功率的主功率源，功率转换器配置成使来自主功率源的AC功率转换成在连接到两个输出端子的公共DC总线上的DC功率；次级功率源，其用于向公共DC总线供应DC功率；功率逆变器，其配置成将公共DC总线上的DC功率逆变成用于驱动电梯系统的电动马达的AC输出功率；以及超级电容器堆叠，其耦合在功率转换器的三个输入端子之中的第三输入端子与公共DC总线之间。
在本发明的示例性实施例中，经由功率转换器的三个输入端子之中的第一和第二输入端子给功率转换器提供单相AC功率。动态制动电阻器或超级电容器堆叠耦合在功率转换器的三个输入端子之中其余的第三输入端子与公共DC总线之间。利用这些配置，可在包括三相功率转换器的现有功率管理系统中采用单相AC功率，该三相功率转换器通常配置成用于以最少数量的转换级连接到三相功率供应。另外，动态制动电阻器或超级电容器堆叠可使用包括于现有的三相功率转换器中的功率开关来耦合到功率管理系统，而不引起额外的成本和复杂性。此外，次级功率源(像DC电池)和/或备选功率源(其包括太阳能面板、燃料电池或风力涡轮中的至少一种)可容易通过将它们耦合到DC总线来集成到现有的功率管理系统中。DC/DC转换器或AC/DC转换器可用来将次级功率源耦合到DC总线。
本发明的示例性实施例包括一种用于电梯系统的功率管理系统，包括：三相功率转换器，其具有三个输入端子和两个输出端子，输入端子中的第一输入端子耦合到用于向功率管理系统供应单相AC功率的主功率源，功率转换器配置成使来自主功率源的AC功率转换成在连接到两个输出端子的公共DC总线上的DC功率；次级功率源，其用于向公共DC总线供应DC功率；功率逆变器，其配置成将公共DC总线上的DC功率逆变成用于驱动电梯系统的电动马达的AC输出功率；动态制动电阻器，其耦合在功率转换器的三个输入端子之中的第二输入端子与公共DC总线之间；以及超级电容器堆叠，其耦合在功率转换器的三个输入端子之中的第三输入端子与公共DC总线之间。
利用该配置，向功率管理系统供应单相AC功率的主功率源耦合在功率转换器的三个输入端子之中的第一输入端子与中间电路之间，该中间电路连接在公共DC总线的正极与负极中间，且功率转换器的两个其余的输入端子分别耦合到动态制动电阻器和超级电容器堆叠。该配置允许使用功率转换器的输入端子(相脚)中的两个来进一步减少额外功率转换级的量。另外，动态制动电阻器和超级电容器堆叠可结合到包括三相功率转换器的电梯系统的现有功率管理系统中，该三相功率转换器通常使用包括于三相功率转换器中的功率开关来连接到三相功率网，而不招致额外的成本和复杂性。此外，次级功率源(像DC电池)和/或备选功率源(其包括太阳能面板或风力涡轮中的至少一种)可容易通过将它们耦合到公共DC总线来集成到现有的功率管理系统中。DC/DC转换器或AC/DC转换器可用来将次级功率源耦合到公共DC总线。
根据另外的实施例，次级功率源可为DC电池。功率管理系统还可包括耦合到公共DC总线且配置成提供AC或DC功率的备选功率源。通过将DC电池用作电梯系统中的次级功率源和/或备选功率源，可在不安全的情形(像主功率源的功率故障)下很大程度上增强电梯系统的安全。备选功率源可包括太阳能面板、燃料电池或风力涡轮中的至少一种。
根据另外的实施例，功率管理系统还可包括控制模块，该控制模块配置成控制功率管理系统的操作。控制模块可耦合到功率管理系统的每个构件和电梯系统的电动马达，以在包括运动(motoring)模式、再生模式和制动模式的各种模式期间控制它们的操作。
附图说明
在下文中，参照附图描述本发明的示例性实施例。
图1是根据本发明的示例性实施例的在电梯系统中使用的功率管理系统的框图。
图2是根据本发明的另一示例性实施例的在电梯系统中使用的功率管理系统的框图。
图3是根据本发明的又一示例性实施例的在电梯系统中使用的功率管理系统的框图。
参考符号
1 功率管理系统
2 电梯系统
11 主功率源
12 三相功率转换器
14 功率逆变器
16 电动马达
18 对重
19 绕绳(roping)
20 电梯轿厢
22 动态制动电阻器
24 控制模块
26 次级功率源
28 第1 DC/DC转换器
30 超级电容器堆叠
32 第2 DC/DC转换器
34 备选功率源
36 第3 DC/DC转换器
38 DC总线。
具体实施方式
图1是根据本发明的示例性实施例的在电梯系统2中使用的功率管理系统1的框图。
图1中示出的功率管理系统1包括主功率源11、三相功率转换器12、功率逆变器14、动态制动电阻器(DBR，22)、控制模块24、DC功率源26、第一DC/DC转换器28、超级电容器堆叠30、第二DC/DC转换器32、备选功率源34、第三DC/DC转换器36，以及公共DC总线38。
图1中示出的电梯系统2包括电动马达16、对重18、绳19，以及电梯轿厢20。电动马达16设有来自功率逆变器14的AC功率，以驱动经由绳19连接的电梯轿厢20和对重18。向电动马达16供应的AC功率可为通过功率逆变器14提供的三相AC功率，例如通过来自公共DC总线38中的DC功率的脉冲宽度调制(PWM)。
电动马达16能够在运动模式中或再生模式中操作。当电动马达16在运动模式中操作时，功率管理系统1配置成主要基于由主功率源11供应的单相AC功率来驱动电动马达16。然而，DC功率源26、超级电容器堆叠30和备选功率源34中的每个也可为给电动马达16提供驱动功率的功率源。DC功率源26可包括至少一个次级或可再充电的DC电池。备选功率源34可包括太阳能面板、燃料电池、风力涡轮或其它功率生成装置中的至少一种。
当电动马达16在再生模式中操作时，再生的电功率可输送到主功率源11、DC功率源26或超级电容器堆叠30中的至少一个。
DC功率源26、超级电容器堆叠30和备选功率源34可经由第一DC/DC转换器28、第二DC/DC转换器32和第三DC/DC转换器36耦合到公共DC总线38。第一至第三DC/DC转换器28、32、36是可选的，且可提供用于每个功率源26、30、34与公共DC总线之间不同电压水平的转换。这样，DC功率源26和备选功率源34可在必要时向公共DC总线38供应DC功率。
功率逆变器14可为三相功率逆变器，该三相功率逆变器配置成使来自公共DC总线38的DC功率逆变成三相AC功率，三相AC功率输送到电动马达16，以在运动模式中将运动给予电梯轿厢20。在一个示例中，从DC功率到三相AC功率的该功率转换可通过操作在功率逆变器14中的三个桥路中连接的开关来完成，例如诸如应用脉冲宽度功率转换方案。功率逆变器14可以以双向方式操作，使得在再生模式中由电动马达16再生的AC功率由功率逆变器14转换成待输送到公共DC总线38的DC功率。
功率逆变器14包括多个功率开关，以生成用于电动马达16的驱动信号。功率开关可为绝缘栅双极晶体管(IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的晶体管，但也可使用其它类型的功率开关。每个功率开关通常包括横跨其漏-源端子的反激二极管。功率开关布置在相脚中，每个相脚连接在公共DC总线38的正极与负极之间。AC端子设在每个相脚中的功率开关的结(例如，源-漏结)处。AC端子提供功率逆变器14的相应相脚的输出。AC端子耦合到电动马达16的相应的马达绕组。在示例性实施例中，电动马达16为三相永磁体同步马达。功率逆变器14可为三相逆变器，且电动马达16可为三相马达，但实施例不限于特定数量的相。
功率转换器12为三相双向功率转换器，该三相双向功率转换器配置成将由主功率源11供应的AC功率转换成DC功率。三相功率转换器12可具有与功率逆变器14的配置对应的配置。特别地，三相功率转换器12还可包括布置在相脚中的功率开关，每个相脚连接在DC总线38的正极与负极之间。与功率逆变器14不同，DC总线38的正极和负极耦合到三相功率转换器12的相脚的输出。设在每个相脚中的功率开关的结(例如，源-漏结)处的端子提供三相功率转换器12的相应相脚的输入。三相功率转换器12可使用功率开关来使供应到其输入的DC功率或AC功率转换成在其输出处供应的DC电压。功率开关也可为IGBT或MOSFET，但可使用其它类型的功率开关。每个功率开关通常包括横跨其漏-源端子的反激二极管。三相功率转换器12使用可主动控制的功率开关，诸如MOSFET或其它半导体开关。因此，三相功率转换器12为主动控制的三相功率转换器12，该三相功率转换器12能够使功率从DC总线38再生到三相功率转换器12的输入侧(如果需要)。
图1中，主功率源11经由三相功率转换器12的三个输入端子(R、S、T)之中的两个输入端子(第一端子R、第二端子S)连接到三相功率转换器12。主功率源11可为从电功率网供应的单相电功率。三相功率转换器12的三个输入端子(R、S、T)之中的其余输入端子(第三端子T)连接到动态制动电阻器22的一个端子，动态制动电阻器22的另一端子耦合到公共DC总线38。在再生模式中，如果在电动马达16处产生的电流过量，控制模块24可引起电流流过动态制动电阻器22，以便耗散过量的能量。换句话说，当在再生模式中电流流过动态制动电阻器22时，过量的能量通过动态制动电阻器22耗散。多个动态制动电阻器22可串联或并联连接。
动态制动电阻器22可集成到功率管理系统1中，而没有任何需要去修改三相功率转换器12的内部配置。特别地，不需要将动态制动电阻器22直接地或经由特别专用的功率转换器连接到公共DC总线38。而且，三相功率转换器12的开关能力可用于触发/停用动态制动电阻器22。例如，在三相功率转换器12设有由主动开关元件(例如MOSFET或其它晶体管)组成的相脚的情况下，这些相脚中的一个的开关元件可用作动态制动开关，以用于建立或中断公共DC总线38的正极与通过动态制动电阻器22到公共DC总线38的负极或地的电流路径之间的电连接。因此，不必要提供单独的动态制动开关。
控制模块24可耦合到电动马达16和功率管理系统1的每个构件，以在各种模式期间控制它们的操作。在运动模式期间，控制模块24配置成控制功率逆变器14中的功率开关，以将AC驱动信号施加到电动马达16来将运动给予电梯轿厢20。在再生模式期间，控制模块24配置成控制包括于功率逆变器14中的功率开关，以使来自电动马达16的AC功率转换成DC功率，DC功率用于对主功率源11、DC功率源26或超级电容器堆叠30中的至少一种充电。当空的或仅轻负载的电梯轿厢20向上行进时或当满负载或强负载的电梯轿厢20向下行进时，可发生再生模式。
在制动模式中，控制模块24配置成控制功率逆变器14中的功率开关来控制电梯轿厢20的速度。在电梯中安全链打开或其它事件时，可接着发生制动模式。安装在电动马达16或驱动机器的任何其它可旋转部分处的速度传感器(例如，旋转编码器)可向控制模块24提供速度信号，该速度信号指示电动马达16或驱动机器的旋转速度。此类控制模块24可使用通用微处理器来实现，该通用微处理器执行存储在存储介质上的计算机程序，以执行本文中描述的操作。备选地，此类控制模块24可以以硬件(例如，ASIC、FPGA)或以硬件/软件的组合实现。控制模块24也可为电梯控制系统的部分。
在运动模式期间，控制模块24配置成提供控制信号来交替地接通和关断功率逆变器14的功率开关，以在功率逆变器14的每个AC端子处生成AC驱动信号。AC驱动信号可为可变频率的信号。在再生模式期间，控制模块24配置成提供控制信号来接通和关断功率开关，以使来自电动马达16的AC功率转换成公共DC总线38上的DC功率。电流传感器可设在功率逆变器14的每个AC端子处，以允许在运动模式和再生模式中控制模块24检测每个AC端子处的电流。
图2是根据本发明的另一示例性实施例的在电梯系统中使用的功率管理系统的框图。
除了动态制动电阻器22和超级电容器堆叠30的布置之外，图2中示出的实施例的配置与图1中描绘的实施例的配置类似。特别地，在图2中，超级电容器堆叠30耦合在三相功率转换器12的三个输入端(R、S、T)之中的一个输入端子(第三端子T)与DC总线38之间，且动态制动电阻器22经由第二DC/DC转换器耦合到DC总线38。超级电容器堆叠30可包括单个超级电容器或者串联或并联耦合的多个超级电容器。
在再生模式期间，来自电动马达16的再生的电功率可存储在超级电容器堆叠30中。为做此，控制模块24配置成控制功率逆变器14中的功率开关使来自电动马达16的AC功率转换成DC功率，DC功率经由三相功率转换器12的功率开关存储到超级电容器堆叠30中。当空的或轻微负载的电梯轿厢20向上行进时或当满负载的或强负载的电梯轿厢20向下行进时，可发生再生模式。
在运动模式期间，存储在超级电容器堆叠30中的电功率可在控制模块24的控制下通过三相功率转换器12和功率逆变器14供应，以驱动电动马达16。
图3是根据本发明的又一示例性实施例的在电梯系统中使用的功率管理系统的框图。
图3中示出的功率管理系统1采用用于三相功率转换器12的半桥配置，该半桥配置允许影响三相功率转换器12的输入端子(相脚)中的两个来进一步减少额外功率转换级的量。换句话说，向功率管理系统1供应单相AC功率的主功率源11耦合在三相功率转换器12的三个输入端子(R、S、T)之中的一个输入端子(第一端子R)与中间电路之间，该中间电路耦合在DC总线38的正极与负极中间。三相功率转换器12的两个其余的输入端子(第二端子S、第三端子T)分别耦合到动态制动电阻器22和超级电容器堆叠30。
控制模块24配置成在各种模式(像运动模式、再生模式或制动模式)期间控制三相功率转换器12、功率逆变器14和电动马达16，以便使电功率在动态制动电阻器22、超级电容器堆叠30与电动马达16等之间流动。
根据本发明的实施例，使用三相功率转换器(且因此配置成由三相AC功率源供应)的现有功率管理系统可由单相AC功率源供应，而不引起额外的成本和复杂性。另外，动态制动电阻器和/或超级电容器堆叠可容易使用包括于现有的三相功率转换器中的功率开关来耦合到功率管理系统。此外，次级功率源(像DC电池)和/或备选功率源(像太阳能面板、燃料电池或风力涡轮等)可容易通过将它们经由DC/DC转换器或AC/DC转换器耦合到公共DC总线来集成到现有的功率管理系统中或连接到现有的功率管理系统。
虽然参照示例性实施例描述了本发明，将由本领域技术人员理解的是，可进行各种改变，且等同物可替代其元件，而不脱离本发明的范围。另外，可进行许多修改以使特定的情形或材料适于本发明的教导，而不脱离其实质范围。因此，意图的是，本发明不限于所公开的特定实施例，而是本发明包括落入权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种用于电梯系统(2)的功率管理系统(1)，所述功率管理系统(1)包括：
三相功率转换器(12)，其具有三个输入端子(R、S、T)和两个输出端子，所述输入端子中的第一输入端子(R)和第二输入端子(S)耦合到用于向所述功率管理系统(1)供应单相AC功率的主功率源(11)，且所述三相功率转换器(12)配置成使来自所述主功率源(11)的所述AC功率转换成在连接到所述两个输出端子的公共DC总线(38)上的DC功率；
次级功率源(26)，其用于向所述公共DC总线(38)供应DC功率；
功率逆变器(14)，其配置成将所述公共DC总线(38)上的所述DC功率逆变成用于驱动所述电梯系统(2)的电动马达(16)的AC输出功率；以及
动态制动电阻器(22)，其耦合在所述三相功率转换器(12)的所述三个输入端子(R、S、T)之中的第三输入端子(T)与所述DC总线(38)之间。
2.一种用于电梯系统(2)的功率管理系统(1)，所述功率管理系统(1)包括：
三相功率转换器(12)，其具有三个输入端子(R、S、T)和两个输出端子，所述输入端子中的第一输入端子(R)和第二输入端子(S)耦合到用于向所述功率管理系统(1)供应单相AC功率的主功率源(11)，所述三相功率转换器(12)配置成使来自所述主功率源(11)的所述AC功率转换成在连接到所述两个输出端子的公共DC总线(38)上的DC功率；
次级功率源(26)，其用于向所述公共DC总线(38)供应DC功率；
功率逆变器(14)，其配置成将所述公共DC总线(38)上的所述DC功率逆变成用于驱动所述电梯系统(2)的电动马达(16)的AC输出功率；以及
超级电容器堆叠(30)，其耦合在所述三相功率转换器(12)的所述三个输入端子之中的第三输入端子(T)与所述公共DC总线(38)之间。
3.一种用于电梯系统(2)的功率管理系统(1)，所述功率管理系统(1)包括：
三相功率转换器(12)，其具有三个输入端子(R、S、T)和两个输出端子，所述三个输入端子中的第一输入端子(R)耦合到用于向所述功率管理系统(1)供应单相AC功率的主功率源(11)；所述三相功率转换器(12)配置成使来自所述主功率源(11)的所述AC功率转换成在连接到所述两个输出端子的公共DC总线(38)上的DC功率；
次级功率源(26)，其用于向所述公共DC总线(38)供应DC功率；
功率逆变器(14)，其配置成将所述公共DC总线(38)上的所述DC功率逆变成用于驱动所述电梯系统(2)的电动马达(16)的AC输出功率；
动态制动电阻器(22)，其耦合在所述三相功率转换器(12)的所述三个输入端子之中的第二输入端子(S)与所述公共DC总线(38)之间；以及
超级电容器堆叠(30)，其耦合在所述三相功率转换器(12)的所述三个输入端子之中的第三输入端子(T)与所述公共DC总线(38)之间。
4.根据权利要求1所述的功率管理系统，其特征在于，所述功率管理系统还包括超级电容器堆叠(30)，所述超级电容器堆叠(30)耦合到所述公共DC总线(38)。
5.根据权利要求2所述的功率管理系统，其特征在于，所述功率管理系统还包括动态制动电阻器(22)，所述动态制动电阻器(22)耦合到所述公共DC总线(38)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的功率管理系统，其特征在于，所述次级功率源(26)为DC电池。
7.根据前述权利要求中任一项所述的功率管理系统，其特征在于，所述功率管理系统还包括备选功率源(34)，所述备选功率源(34)耦合到所述公共DC总线(38)且配置成提供AC或DC功率。
8.根据前述权利要求中任一项所述的功率管理系统，其特征在于，所述功率管理系统还包括控制模块(24)，所述控制模块(24)配置成控制所述功率管理系统(1)的操作。
9.根据权利要求7所述的功率管理系统，其特征在于，所述备选功率源(34)包括太阳能面板、燃料电池或风力涡轮中的至少一种。
10.根据权利要求2至权利要求9中任一项所述的功率管理系统，其特征在于，所述超级电容器堆叠(30)包括单个超级电容器或者串联或并联连接的多个超级电容器。
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