CN113765462A - 一种电梯应急平层用集成超级电容的四象限变频器系统 - Google Patents

一种电梯应急平层用集成超级电容的四象限变频器系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电梯应急平层用集成超级电容的四象限变频器系统，电网母线通过接触器连接网侧IGBT，网侧IGBT通过直流母线连接机侧IGBT，机侧IGBT通过三相线连接曳引电机，两根直流母线之间连接有限流装置、超级电容模组和开关电源，限流装置与超级电容串联，保护装置与超级电容模组并联，控制器连接开关电源。本发明有益效果：本发明的四象限变频器包括限流装置、网侧IGBT、机侧IGBT、超级电容模组、开关电源和控制器组成，曳引电机采用四象限变频器驱动，当电梯处于应急平层动作状态时，超级电容模组作为应急电源，网侧IGBT和机侧IGBT同时逆变，为整个电梯系统供电；限流装置可保护超级电容模组；限流装置在充电启动时控制电流峰值，是对限流装置的一个要求。

Description

一种电梯应急平层用集成超级电容的四象限变频器系统
技术领域
本发明涉及电梯应急平层控制与电源供应技术领域,尤其是一种电梯应急平层用集成超级电容的四象限变频器系统。
背景技术
超级电容具有可在线式充放电、充放电电流大、环境适应能力强等特点，但是目前超级电容的价格很高；四象限变频器由两组IGBT功率模块构成，通过IGBT逆变技术可以把直流转化为电压、频率均可调的交流控制电机，也可以把电机回馈的能量转化为交流电反馈给电网；在电梯重载下行及轻载上行时，由于重力做功，电梯系统回馈能量较为可观；四象限变频器可将该部分回馈的能量回收，从而实现节能。
电梯系统的性质使得电力故障可能导致载有乘客的电梯停在楼层之间，从而使乘客处于危险的境地；选用应急平层系统可以大大提高电梯系统的安全性。当电网突然掉电时，应急平层系统会给四象限变频器和控制系统外围系统供电(安全回路、抱闸、外呼等)，将乘客安全放置平层，防止困人。
目前应急平层系统中使用的现有技术的应急电源是电池和/或安全回路；使用的电池典型地是铅酸蓄电池，具有最大五年量级的服务寿命；此外，铅酸蓄电池具有较大的尺寸，并且必须配备电力变压器，以向电梯系统提供三相交流电。
1、中国专利公开了将超级电容器作为电梯系统中的节能器和应急电源(申请号：200580023344.3)，在电梯制动时存储电能，电梯重负荷时，超级电容器作为电能的额外来源；电网故障时，超级电容作为储备电源。
2、中国专利公开了一种集成应急电源的四象限电梯变频器结构(申请号：201910249041.7)，应急电源模块通过DC/DC模块连接到直流母线上；在电网正常工作时，应急电源模块通过DC/DC模块充电；在电网断电时，应急电源模块通过DC/DC模块为电梯系统供电。
现有的应急平层系统较为复杂，导致故障发生率高，检修维护费用昂贵。
因此，对于上述问题有必要提出一种电梯应急平层用集成超级电容的四象限变频器系统。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足，发明的目的在于提供了一种电梯应急平层用集成超级电容的四象限变频器系统，以解决上述问题。
一种电梯应急平层用集成超级电容的四象限变频器系统，包括电网母线、接触器、网侧IGBT、限流装置、超级电容模组、保护装置、开关电源、控制器、机侧IGBT和曳引电机，所述电网母线通过接触器连接网侧IGBT，所述网侧IGBT通过直流母线连接机侧IGBT，所述机侧IGBT通过三相线连接曳引电机，两根直流母线之间连接有限流装置、超级电容模组和开关电源，所述限流装置与超级电容串联，所述保护装置与超级电容模组并联，所述控制器连接开关电源。
优选地，所述保护装置包括检修按钮、第二电阻和发光二极管，所述检修按钮通过第二电阻串联于所述发光二极管。
优选地，所述接触器包括有第一继电器线圈、第二继电器线圈、第三继电器线圈、第一继电器常开触点、第二继电器常开触点和第三继电器常开触点。
优选地，所述电网母线的A相线上串联有第一继电器线圈、第一继电器常开触点、第二继电器常开触点和第三继电器常开触点；所述电网母线的B相线上串联有第二继电器线圈、第一继电器常开触点、第二继电器常开触点和第三继电器常开触点；所述电网母线的C相线上串联有第三继电器线圈、第一继电器常开触点、第二继电器常开触点和第三继电器常开触点。
优选地，所述电网母线的A相线、B相线和C相线上均并联有点动按钮开关。
优选地，所述接触器与网侧IGBT之间通过直流相线，其中任意两根相线外接负载设备。
优选地，其中负载设备包括有传感器、电梯控制器(PLC控制器)和门机。
优选地，所述限流装置包括第一二极管、第二二极管和第一电阻，所述第一二极管的负极连接第一电阻的一端，所述第二二极管的负极连接第一二极管的正极，所述第二二极管的正极连接第一电阻的另一端。
与现有技术相比，发明有益效果：本发明的四象限变频器包括限流装置、网侧IGBT、机侧IGBT、超级电容模组、开关电源和控制器组成，电梯的曳引电机采用四象限变频器驱动；当电梯处于应急平层动作状态时，超级电容模组作为应急电源，四象限变频器的网侧IGBT和机侧IGBT同时逆变，为整个电梯系统供电；超级电容模组串联限流装置后连接到直流母线上，可保护保护超级电容模组；限流装置在充电启动时控制电流峰值，这是对限流装置的要求。
附图说明
图1为本发明的电梯四象限变频器系统原理图；
图2为本发明的应急平层动作运行状态图；
图3为本发明的限流装置和保护装置原理图；
图4为本发明的曳引电机的电动机驱动状态和发电机减速制动状态示意图；
图5为本发明的接触器原理图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对发明的实施例进行详细说明，但是发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
如图1至图5所示，一种电梯应急平层用集成超级电容的四象限变频器系统，包括电网母线(A、B、C)、接触器、网侧IGBT、限流装置、超级电容模组、保护装置、开关电源、控制器、机侧IGBT和曳引电机，所述电网母线通过接触器连接网侧IGBT，所述网侧IGBT通过直流母线连接机侧IGBT，所述机侧IGBT通过驱动三相线(U、V、W)连接曳引电机，两根直流母线之间连接有限流装置、超级电容模组和开关电源，所述限流装置与超级电容模组串联，所述保护装置与超级电容模组并联，所述控制器连接开关电源。
进一步的，所述保护装置包括检修按钮RB、第二电阻R2和发光二极管LED，所述检修按钮RB通过第二电阻R2串联于所述发光二极管LED。
进一步的，所述接触器包括有第一继电器线圈KZA、第二继电器线圈KZB、第三继电器线圈KZC、第一继电器常开触点KZA1、第二继电器常开触点KZB1和第三继电器常开触点KZC1。
进一步的，所述电网母线的A相线上串联有第一继电器线圈KZA、第一继电器常开触点KZA1、第二继电器常开触点KZB1和第三继电器常开触点KZC1；所述电网母线的B相线上串联有第二继电器线圈KZB、第一继电器常开触点KZA1、第二继电器常开触点KZB1和第三继电器常开触点KZC1；所述电网母线的C相线上串联有第三继电器线圈KZC、第一继电器常开触点KZA1、第二继电器常开触点KZB1和第三继电器常开触点KZC1。
进一步的，所述电网母线的A相线、B相线和C相线上均并联有点动按钮开关KQQ。
接触器的作用是用于分断四象限变频器与电网之间的连接；点动开关是为了保护用，断电后人工启动。
进一步的，所述接触器与网侧IGBT之间通过动力相线L1、L2、L3连接，其中任意两根动力相线外接负载设备。
进一步的，其中负载设备包括有传感器、电梯控制器和门机。
进一步的，所述限流装置包括第一二极管VD1、第二二极管VD2和第一电阻R1，所述第一二极管VD1的负极连接第一电阻R1的一端，所述第二二极管VD2的负极连接第一二极管VD1的正极，所述第二二极管VD2的正极连接第一电阻R1的另一端。
与现有技术相比，发明有益效果：本发明的四象限变频器包括限流装置、网侧IGBT、机侧IGBT、超级电容模组、开关电源和控制器组成，电梯的曳引电机采用四象限变频器驱动，超级电容模组串联限流装置，并联保护装置，连接在四象限变频器的直流母线上；当电梯处于应急平层动作状态时，超级电容模组作为应急电源，四象限变频器的网侧IGBT和机侧IGBT同时逆变，为整个电梯系统供电；为保护超级电容模组，超级电容模组串联限流装置后连接到直流母线上；限流装置在充电启动时控制电流峰值，在放电时尽量减少消耗功率；将超级电容模组作为电梯应急平层的应急电源使用，超级电容模组放置在四象限变频器内部的直流母线上；超级电容模组作为在线式应急电源的使用，实现了应急电源与变频器的合一，使得电梯系统更为简洁；本发明系统结构简单，直接将电容连接在直流母线上，故障率低，检修时直接通过保护装置放电，检修维护成本低。
工作原理：
电梯电网母线正常供电时，电网母线通过接触器连接网侧IGBT，网侧IGBT将三相交流逆变成直流电，然后传输至机侧IGBT，机侧IGBT将直流电逆变成三相交流电为曳引电机提供电能，网侧IGBT与机侧IGBT之间连接有直流母线，直流母线之间设置有限流装置、超级电容模组、保护装置、开关电源和控制器，直流母线一方面通过机侧IGBT逆变成交流为曳引电机提供电能；另一方面通过限流装置向超级电容模组充电。
如电网母线断电或接触器损坏时，则电网母线不能正常给四象限变频器供电，则超级电容模组放电通过机侧IGBT为曳引电机供电，同时通过网侧IGBT为负载设备供电。
电梯控制系统由轿厢操纵盘、厅门信号、电梯控制器(PLC控制器)、四象限变频器构成；四象限变频器负责完成调速功能；电梯控制器负责处理各种信号的逻辑关系，向四象限变频器发出起停信号，同时四象限变频器也将本身的工作状态反馈给电梯控制器，从而形成双向联络关系。
四象限变频器主回路由限流装置、智能功率模块、超级电容模组、开关电源、控制器组成；智能功率模块由网侧IGBT和机侧IGBT、隔离驱动、电流检测等组成；网侧IGBT与机侧IGBT之间设有直流母线支撑；超级电容模块串联限流装置，并联保护装置，连接在直流母线上；超级电容模块内部设有状态监测器，将超级电容模组的工作状态反馈给电梯系统；在四象限变频器与电网之间设有接触器，用于分断四象限变频器与电网之间的连接。
电梯的曳引电机采用四象限变频器驱动，超级电容模组串联限流装置，并联保护装置，连接在四象限变频器的直流母线上。
其中网侧IGBT和机侧IGBT均采用绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。
实施例1：
当电梯处于应急平层动作状态时，超级电容模组作为应急电源，四象限变频器的网侧IGBT和机侧IGBT同时逆变，为整个电梯系统供电；应急平层动作运行状态图如图2所示(其中虚线方向代表电网母线正常工作时电流传输方向)，应急平层过程具体如下：接触器断开，超级电容模组放电至直流母线，开关电源为控制器供电，控制器控制网侧IGBT将直流母线上的，为传感器、电梯控制器(PLC控制器)、门机等供电；经过一段时间的延时后，控制器再控制机侧IGBT将直流母线上的直流电逆变，为曳引电机供电，使曳引电机以正常运行的1/2～1/3的速度向下运行至邻近平层位置。
超级电容模组在作为应急电源放电时，初始电压为正常工作时直流母线电压，输出电压以降至初始电压的二分之一为限值，此时超级电容模组的剩余容量为初始容量的四分之一；由超级电容模组的工作电压和所需备用电量，可以确定超级电容模组的容值；理论备用容量等于电梯系统应急功率乘以应急运行时间，为保证安全，应急电源往往需要留有一定裕量，实际备用容量一般为理论备用容量的1.5～2倍；当处于应急平层动作状态时，开关电源的输入电压由超级电容模组端电压决定，所以在超级电容模组端电压变化范围内开关电源必须保证可以正常工作。传感器、电梯控制器、门机等设备的工作电压范围应根据超级电容模组电压逆变之后的电压范围进行确定。
下面以额定电压为380V交流电、额定功率为16kW的电梯系统为例计算上述过程；所需备用容量为
Figure BDA0003247878270000091
其中W为总功率，P为功率，t为时间，h为时间的单位，kw为功率的单位；
超级电容模组初始电压为540V(电压540V为不可控整流所得，而四象限变频器直流母线电压一般在600V以上)，所需备用容量为
Figure BDA0003247878270000092
由此可以确定超级电容模组电容值大小；
其中W为总功率；C为电容容量；U为电压。
上述过程仅以理论计算角度出发，实际运用以实际数据为准进行计算。
为保护超级电容模组，超级电容模组需要串联限流装置后才可以连接到直流母线上：要求限流装置在充电启动时控制电流峰值，在放电时尽量减少消耗功率；由于超级电容模组等效电阻小，在四象限变频器启动时，超级电容模组端电压差大，充电电流过大，从而会损坏超级电容模组；所以超级电容模组必须串联限流装置才可以连接到直流母线上。
当电梯系统出现异常状态时，超级电容模组需要通过并联的保护电路将电量全部放出之后才可以进行检修。
如图3所示限流装置和保护装置连接原理图(所示电路仅为了解释技术原理，不排除以其他方式实现)；其限流装置由第一二极管VD1、第二二极管VD2，第一电阻R1(限流电阻)组成，第一电阻R1对充电电流峰值进行限制，通过第二二极管VD2放电减小放电损耗；保护装置由检修按钮RB、第二电阻(泄放电阻)R2、发光二极管LED组成，在进行检修时需要先按下检修按钮RB，通过第二电阻(泄放电阻)R2消耗电量，发光二极管LED熄灭代表电量释放完毕。
实施例2：
当电梯处于正常运行状态时，曳引电机存在两种运行状态：电动机驱动状态和发电机减速制动状态，正常运行状态图如图4所示；a、当曳引电机处于电动机驱动状态时(实线线头方向)，网侧IGBT将电网侧交流电整流送至直流母线；超级电容维持直流母线电压稳定；机侧IGBT将直流电逆变为曳引电机供电，通过调节输出交流电的电压和频率来控制曳引电机的力矩和速度。b、当曳引电机处于发电机减速制动状态时(虚线线头方向)，机侧IGBT将此时曳引电机回馈的电能整流送至直流母线，超级电容维持直流母线电压稳定；网侧IGBT将直流电逆变送至A、B、C三相，从而达到节能的作用；这部分电能由电梯所在区域内(例如大楼内等)其他负载设备(如照明、空调等)消耗，而不会回馈至电网。
在电网母线正常供电情况下，接触器闭合，电网母线为四象限变频器供电，在电网母线故障或停电时，接触器断开，使电梯系统成为单独的系统。在故障之后重新恢复时，为了保证安全，需要人工闭合接触器恢复供电。此外，接触器还应具有断电检测功能，为四象限变频器控制器提供正常/应急模式切换信号；例如图5所示接触器原理图(所示电路仅为了解释技术原理，不排除以其他方式实现)；在电网重新恢复正常供电之后，需要通过人工按下电网侧电源切换开关组内的点动按钮开关KQQ才可以恢复正常工作；继电器线圈(KZA、KZB、KZC)得电，常开触点(KZA1、KZB1、KZC1)闭合，电网母线为四象限变频器供电；在电网母线故障或停电时，继电器线圈(KZA、KZB、KZC)失电，常开触点(KZA1、KZB1、KZC1)断开，将电梯系统与电网母线隔离开来，使其成为独立的系统。
以上所述仅为发明的优选实施例，并非因此限制发明的专利范围，凡是利用发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种电梯应急平层用集成超级电容的四象限变频器系统，其特征在于：包括电网母线、接触器、网侧IGBT、限流装置、超级电容模组、保护装置、开关电源、控制器、机侧IGBT和曳引电机，所述电网母线通过接触器连接网侧IGBT，所述网侧IGBT通过直流母线连接机侧IGBT，所述机侧IGBT通过驱动三相线连接曳引电机，两根直流母线之间连接有限流装置、超级电容模组和开关电源，所述限流装置与超级电容串联，所述保护装置与超级电容模组并联，所述控制器连接开关电源。
2.如权利要求1所述的一种电梯应急平层用集成超级电容的四象限变频器系统，其特征在于：所述保护装置包括检修按钮(RB)、第二电阻(R2)和发光二极管(LED)，所述检修按钮(RB)通过第二电阻(R2)串联于所述发光二极管(LED)。
3.如权利要求1所述的一种电梯应急平层用集成超级电容的四象限变频器系统，其特征在于：所述接触器包括有第一继电器线圈(KZA)、第二继电器线圈(KZB)、第三继电器线圈(KZC)、第一继电器常开触点(KZA1)、第二继电器常开触点(KZB1)和第三继电器常开触点(KZC1)。
4.如权利要求4所述的一种电梯应急平层用集成超级电容的四象限变频器系统，其特征在于：所述电网母线的A相线上串联有第一继电器线圈(KZA)、第一继电器常开触点(KZA1)、第二继电器常开触点(KZB1)和第三继电器常开触点(KZC1)；所述电网母线的B相线上串联有第二继电器线圈(KZB)、第一继电器常开触点(KZA1)、第二继电器常开触点(KZB1)和第三继电器常开触点(KZC1)；所述电网母线的C相线上串联有第三继电器线圈(KZC)、第一继电器常开触点(KZA1)、第二继电器常开触点(KZB1)和第三继电器常开触点(KZC1)。
5.如权利要求4所述的一种电梯应急平层用集成超级电容的四象限变频器系统，其特征在于：所述电网母线的A相线、B相线和C相线上均并联有点动按钮开关(KQQ)。
6.如权利要求1所述的一种电梯应急平层用集成超级电容的四象限变频器系统，其特征在于：所述接触器与网侧IGBT之间通过动力相线连接，其中任意两根动力相线外接负载设备。
7.如权利要求6所述的一种电梯应急平层用集成超级电容的四象限变频器系统，其特征在于：其中负载设备包括有传感器、电梯控制器和门机。
8.如权利要求1所述的一种电梯应急平层用集成超级电容的四象限变频器系统，其特征在于：所述限流装置包括第一二极管(VD1)、第二二极管(VD2)和第一电阻(R1)，所述第一二极管(VD1)的负极连接第一电阻(R1)的一端，所述第二二极管(VD2)的负极连接第一二极管(VD1)的正极，所述第二二极管(VD2)的正极连接第一电阻(R1)的另一端。
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