CN1171088A - 备用电源系统 - Google Patents

Abstract

一种备用电源系统,包括一用于产生电能的备用电源装置(2)。备用电源装置(2)经配电网(4)与用电设备(10,12)和电梯驱动(8)连接,后者包括一电梯提升电机(28)和对其进行控制的变频器(26)。电梯驱动配备有调节装置(26;44;46),用以调节电梯电机(28)的速度,使得电梯驱动(8)从配电网(4)获得的功率低于可调节功率极限(P_A)。

Description

备用电源系统

本发明涉及一种备用电源系统，该系统包括：用于产生电能的备用电源装置、用电设备、由电梯提升电机和对其进行控制的变频器组成的多个电梯驱动、以及连接备用电源装置、用电设备和电梯驱动的配电网。

当断电需要保证电梯的服务时，写字楼、饭店、医院和高层住宅楼通常配备有一电梯系统，该系统中一单独的控制中心(为了简单通常用继电器来实现)至少在一个电梯组中指派不同电梯，而通常是指派建筑物中所有电梯。电梯被允许依次出发，通常向底层运行。下一部电梯在前一部电梯已到达目的地或前一部电梯已离开了预定的时间之后才得到允许出发的指令。然而，在后一情形下，必须注意以保证不会偶然超过备用电源的现有的功率。在大多数情形下，电机驱动的继电器交叉连接以使得一次只有一部电梯可以运行。

除了用于载人的所谓主组(main group)电梯之外，典型的写字楼还有其它电梯，如运货电梯和停车场电梯。主组电梯承担了大部分的电梯运输量和装载量。一典型的中型建筑也具有多个用于载人的电梯组(如在建筑的每一端有一个)和多部运货及停车场电梯。这里，“中型电梯”指的是在10-20层高的建筑中使用的电梯。如果一中型建筑具有多个用于载人的电梯组，在电梯的运行依靠备用电源的情形下，设计的一般原则是在救援后每个载人电梯组中有一部电梯可以继续靠备用电源保持正常的运行。在此大小的建筑中，在断电时，楼梯仍可用作电梯的替代。

基于上面所述的每个电梯组中只为一部电梯设计备用电源的原则，带来的问题是救援工作很慢。通常，凭经验，最多可有12部电梯连接到同一备用电源，带来的问题是在电源出现故障时乘客必须等待几分钟到几十分钟长的时间以轮到他们出来。

在超过20层的更大的建筑中，基于每一个电梯组中只有一部电梯可以利用备用电源运行的原则来设计备用电源是不明智的。因此，这种建筑的备用电源容量必须设计得使相对地说较多的电梯能够靠备用电源运行，尽管备用电源中心还必须向其它的装置供电，但是就功率和尤其是启动电流而言，电梯通常是最大的负载，而启动电流是电梯设计的基础。

为了达到好的服务水平，需要采用一大的备用电源，导致建筑成本相当高。应当指出的是，成本的相当大一部分用于备用电源设备的噪声、烟尘和油的泄漏保护而不是用于发电机。因此，总的成本很高。

在断电很频繁的市场区，备用电源系统必须是近乎完善的。这是因为在采用备用电源的情形下，乘客的行为是不可预知的，经常出现乘客不根据指令撤出轿厢，其结果是下一部电梯不得不等待较设想的时间更长的时间。不是采用中央备用电源系统，而是给电梯配备单独的电池驱动的备用电源单元，为降低成本，该备用电源单元通常只用于将电梯驱动到下一层，在那里乘客被允许离开轿厢。此方案还是昂贵，因为例如门的控制系统需要与额定市电电压一致的单独的电源。另外，此配置还涉及高昂的电池维护费用，而这只是问题之一。

本发明的目的是开发一种新的和更优的用于电梯的电源和控制系统，在备用电源供电的情形下，即正常的供电由于某种原因而中断的情形下，能够提供比早期的系统高得多的运输量。在有利的运输状况下，电梯甚至能够以与正常操作相应的方式运行。为了达到此目的，在本发明的备用电源系统中，至少一个电梯驱动配备有控制装置，它调节电梯电机的速度，使得电梯电机从配电网中得到的功率小于一可调的功率极限。

根据本发明的一优选实施例，至少两部电梯结合成一组，所述电梯的速度可以调节，使得电梯组从配电网中得到的功率小于可调的功率极限。

根据本发明的另一实施例，至少一电梯驱动能够受控为同一组中的其它电梯驱动产生电源。

根据第三实施例，至少一电梯驱动能够受控为其它电梯驱动和其它用电设备产生电源。

根据另一实施例，每部电梯驱动的功率极限能够单独调节。

根据另一实施例，每部电梯驱动配备有用于确定电梯所需功率的功率监视装置和用于限定功率极限的功率极限限定装置，电梯的速度是根据功率极限确定的。

根据本发明的另一特征，一电梯组中电梯特有的功率极限能够由组控制器来限定。

根据本发明的另一特征，功率极限能够用一电梯特有的参数来确定。

根据本发明的另一特征，该系统包括用于根据电梯的发电能力确定电梯驱动的启动次序的装置。

利用本发明的方案，在备用电源的情形下，可用于电梯驱动和具有该电梯的建筑的所有能量得到最优的利用。

在本发明的方案中，电梯控制系统中的电机驱动能够根据给定的条件自己决定其运行速度。一有益的情形是采用相对功率。通过利用所采用的新型变频器的特性，电梯即使在最大负载的情形下也能够靠额定功率的12-25％来启动。然而，这导致空载电梯在下行时速度非常慢。如果在电梯轿厢中有乘客，由于电梯由对重平衡了约50％，因此向下驱动所需的功率降低。在救援运行中，当负载明显超过额定负载的一半时，主要依靠机构的效率，电梯不再需要能量来移动轿厢。然而，电机的激励和控制装置需要10-20％的额定功率。

例如，在由四部电梯构成电梯组的情形下，其中的备用电源容量根据上述的典型的中型电梯的原则来设计，根据此原则，在所有操作状态下可用的能量足够一部电梯使用，则通过采用本发明的系统每部电梯能够保证25％的额定功率。根据负载条件，一些甚至所有电梯能够以全速驱动。

本发明带来的一显著优点是使乘客产生安全感，这是通过在断电后而灯已重新打开时电梯立即重新开始运行来实现的。或者，根据市场需要和可用的资金，服务质量方面的部分优点可以转化为节省花销，而能以低很多的花销达到目前的服务水平。此优点可以在例如高层住宅中实现，其中通常有两部电梯，这意味着等候时间不成问题，而优点是由于这样的事实而产生的，这就是备用电源的额定功率能够降低约一半而不会明显地降低服务的质量水平，或降低至约当前功率水平的四分之一而仍然保证所有电梯在任何情况下的救援操作，尽管速度慢。

在断电很频繁的地方，本发明带来了特别大的好处。在此情形下，本发明的解决方案允许基本正常或准正常的电梯操作。因此，异常情形不必要给出特殊的指令，也不会影响乘客的行动。与单纯的电池操作的解决方案比，本发明在建立和维护储能装置上可以节约成本。在将电能提供给控制和外围装置中，可实现其它的好处。

本发明可带来特别大益处的另一应用领域是在极高层建筑中出现着火的情形。在这样的建筑中，使用了称为无齿轮的电梯，该电梯具有如此高的效率，使得即使利用现有技术，它也将能量返回给电网，例如在电梯满负载下降或空载上升时。最好的情形是，返回的电能相当于额定功率的90％。为了此目的，电机驱动配置了一所谓的可控电力电桥，以产生正确的频率、波形和电压的电流。

在着火的情形下，经建筑物的内部网络，电梯可以利用别的电梯产生的能量，从而在此情形下，所有电梯实际上总是能以全速驱动，因为在救援中轿厢一般是满载下行和几乎空载上行，在此情形下，一般总是有一个救火人员在轿厢中。如果电梯机构暂时置于重负荷状态例如当电梯空载下行时，别的电梯产生的能量防止了备用电源出现过载。

在着火情形下的另一优点是，如果电梯在救援工作中能够以满负载量运行，则它们还能够为建筑物中的其它装置如正常的照明设备和泵产生大量额外的能量。因此，利用本发明的解决方案，有助于改变救援工作计划的基本设想并要求在着火时以及在救援工作依靠备用电源时高层建筑中可以得到全部电梯的服务。这可以不用明显地增加总成本就可以实现。为了得到此优点，只需要在着火情形下提供给其它装置的瞬时功率能够较好地控制。

下面，通过几个实施例及其附图的帮助来描述本发明。

图1显示了一常规的备用电源的方案的原理的示意图。

图2显示了根据本发明的一电路图。

图3显示了根据本发明的一变频器。

图4显示了根据本发明的另一电路图。

图5显示了驱动的功率/电压间的相互关系。

在图1所示的常规方案中，在备用电源的情形下，一备用电源装置或发电机2经供电网4向连接到其上的用电设备供电。在正常的操作状态下，网4经一开关6与一外部供电网7相连。用电设备包括建筑物中的电梯8，它被编入在同一组控制系统下操作的电梯组24中。在图中，电梯8表示为牵引滑轮29、驱动电机28和控制电机的调节器如变频器26。电梯系统经开关25与供电网相连。在实际应用中，电梯的数量、它们在电梯组中的安排和它们的控制以及周边装置可以不用。用电装置包括必须在紧急状态下运行的装置，如备用灯10和电扇12。另外，在正常状态下使用的装置如通常的灯和办公室及其它设备20经一开关16连接到网上。在常规的备用电源的配置中，备用的发电机向预先选定的装置供电而其它的装置则通过开关16和25关闭。

在通常设计的系统的情形下，这意味着，例如在每一电梯组24中一部电梯8在运行，备用灯10开着，而选择的电扇12的操作功率得到保证。因此，紧急操作系统包括这些装置的组合和备用发电机(在图中以参考符号22标记)。在此情形下，备用发动机2这样来额定，使得包括在紧急操作系统22中的装置在所有情形下都将得到所需的驱动功率。一典型的适用于中型建筑的备用电源额定为50-150kw。

图2显示了根据本发明的一备用电源系统的原理，图中在适当的地方使用了与图1相同的标号。备用电源发电机2向建筑中的配电网4提供备用电能，在紧急情况下，利用开关6将配电网4与供电网7断开。建筑中的所有电梯8(在这里连接为电梯组)经开关25连接到网4上，使得每部电梯8的连接有牵引滑轮29的电机28由其自己的变频器26控制，该变频器26以一种方式(对此方式将结合图3详细描述)根据控制将电网频率和电压变换为供给电梯电机的电压和频率。建筑中的其它设备连接到电网上，如图1所示。

备用电源发电机的额定功率以与常规方案基本相同的原则来选择并具有同样的大小。因此，电梯系统的备用功率对每个电梯组与正常状态下一部电梯所需的功率相应。在图2所示的情形下，电梯组24包括四部电梯，变频器26从网4上得到的供给每部电梯的功率限于额定功率的四分之一。此限制通过在最大负载下将电梯电机的转速限制为额定最大转速的四分之一而实现，而在别的负载条件下，速度由一力矩控制的变频器来调节以使得不会超过功率极限。变频器及其速度调节器构成一控制器以将最大功率调节到一值，该值最大时与功率极限相应。根据功率、力矩和速度间相互关系，降低力矩可使得速度相应地增加。通过调节速度，电梯驱动消耗的功率被调节到一预定值。由于对重和电梯轿厢负载以及其它的电梯部件的重量构成了电梯机构的一负载，因此，电梯驱动需要的最大功率出现在当电梯空载向下运行或满载向上运行时。相应地，最小功率需要出现在当电梯满载向下运行或空载向上运行时。当轿厢半载时，电梯轿厢和对重加到电梯电机上的负载约为零。确切的值各电梯单独确定，这就是为什么确切的功率需要和额定值与最优状态有些区别，在实际设计时这是要考虑的。

最简单的方法是将可用于电梯操作的备用功率平均地分配给电梯组中的所有电梯。在此情形下，确定用于电梯的备用功率使其与正常的设计功率的四分之一相应，意味着每部电梯可得到其正常设计功率的四分之一的功率。然而，这样的设置较之早期的系统，特别是在紧急情况如着火引起的撤离时具有明显的优点，并且具有在电梯组中的不同电梯间进行调节的较大的调节范围。

下面，借助于图3中给出的例子描述单个电梯的运行。电梯的提升电机28由变频器56控制，变频器56的输出电压和频率调节到电梯控制系统要求的值。变频器经三相导线40与电源连接，并经三相导线41与电机28连接。提升电机28利用牵引滑轮29移动电梯轿厢30和对重，牵引滑轮29以电梯技术领域中公知的方式直接或经齿轮和提升绳连接到电机轴上。至于电梯控制系统则根据乘客的呼叫和电梯系统的内部指令负责轿厢的移动。这些的实现根据应用而变化，但不会影响本发明的作用。每部电梯具有单独的额定功率，尽管电梯组当然可以由同样标准设计的电梯组成。

电梯负载由设置在电梯轿厢30中的负载称重装置32来检测。根据重量数据，单元37用电梯的提升系统的机械和部件的质量来确定负载。负载数据表示了加到提升电机的轴上的负载力矩。负载力矩依赖于对重、轿厢和绳的质量以及绳的悬挂比(suspension ratios)和齿轮的传输比。在此实施例中，给每部电梯确定其在紧急备用电源情形下允许的最大功率P_A，并根据与负载相应的值调节转速。当如图2中的实施例所示地进行控制时，从功率限制器33得到的允许的输出功率值是电梯的额定功率的四分之一。允许的输出功率值也能够用其它方法确定，如结合图4所述。确定允许功率的信号和从单元37得到的负载数据(导线36)输入到一除法器34，以确定在可用的功率下可能的参考速度ω_ref＝P_A/T_L，这里T_L是负载数据。除法器34确定的参考速度ω_ref经导线38传给变频器56，变频器56的输出被相应地调节。从而，变频器从电网中得到的功率保持在指定的极限内。如果需要，设置在电机轴上的转速计提供实际的速度值ω_act，该值经导线39传给变频器。

尽管图2和图3中所示的功率控制基于单独的电梯控制，但较之具有相同备用功率水平的早期备用电源的方案可以实现显著的改进。电梯组中的所有电梯或(如果由于某种原因而限制)多数电梯能够同时使用。每部电梯在其自己的配给功率的范围内运行。功率极限最好作为电梯特有的参数给出。在启动时，允许的最大力矩相应地限制加速度。电梯的速度和运载量，即每一单元时间内乘客的数量(或更好是质量)乘以运行的楼层距离，对每部电梯可单独确定。一满载向下运行的电梯(在撤离期间经常出现的情形)如上所述在能量消耗上具有优点，并且由于电机以发电机的方式工作而实际上产生能量。电机能够以全速运行，意味着运载量为最大，即电梯满载全速运行。这样产生的能量必定以某种方式消耗掉，如由负载电阻消耗或返回给电网。另一方面，当负载小时，在向下的方向上只允许低速。相反，向上运行的一空轿厢或(在紧急情况下经常出现的情形)载有一救援人员的轿厢带来类似的优点，如上所述。

图4显示了本发明的另一实施例。在此情形下，其原则是限定在备用电源下电梯组中的电梯或建筑中的所有电梯共享的总功率。在操作中变化的负载条件下每部电梯可用的瞬时功率除其正常的额定设计值外没有限制，而通过如下描述的控制系统将每部电梯的功率调节到其可能的最高值。一电梯驱动可用的总功率限制在与常规备用的电源的方案中同一个数量级上。

对于每一电梯组42或建筑中的所有电梯，配备一监视电梯的瞬时负载的功率计算器44。将表示电梯的力矩的实际值T_act(经导线43)和速度的实际值ω_act(经导线44)的输入数据提供给功率计算器44，这些实际值用于确定瞬时功耗或可能根据操作条件确定电梯产生的功率。功率计算器44的输出送到调节器46以确定电梯组的总功率P_∑。根据总功率和每部电梯的功率，限定每部电梯的功率极限。根据负载条件单独限定在备用电源情形下每部电梯可得到的功率。此功率甚至可达到与额定功率同样的数量级。实际上，唯一的条件是电梯组或电梯从电网中得到的功率不得超过所分到的备用电源功率。调节器的输出提供电梯特有的功率极限P_A，功率极限P_A经导线48传递给每部电梯的变频器26。变频器根据功率极限和经导线50提供的负载数据产生一参考速度，如图3所示。

在图4所示的方案中，功率调节的基本情况是，由于用于电梯驱动的设计备用电源功率是电梯驱动的额定功率，因此所有电梯消耗同样比例的其额定功率。连续地监视总功耗，当其低于用于电梯驱动的备用总功率时，进行检查以确定哪些电梯在消耗功率，即电梯的运行方向和具有的力矩方向说明它们必定从电网中获取功率。对于这些电梯，提高其允许的功率极限并相应地增加其参考速度。对于所有有负载的电梯，功率极限升高同样的比例，或以选定方式排列电梯的优先级。一种可能的优先排列的原则是负载的情况，换句话说，运载更多乘客的电梯运行更快。根据功率极限对电梯组中的电梯的调节包括在电梯组控制系统中。

在此方面，组控制系统可如下运作。进行检查以确定电梯的总功率是否超过所选择的功率极限。系统确定哪些电梯在发电而哪些电梯在用电。利用设定的规则，确定要增加功率的电梯。这些电梯的功率极限根据规程升高。在此应用中，电梯产生的功率的相当一部分用于驱动其它电梯。然而，变频器还含有一功率消耗元件，如直流电路中的电阻，或它们以这样的方式控制电机使得功率消耗超过由力矩和参考速度设定的值。

当电机作为发电机运行时，功率的分配可以公式P_m＝P_e+P_l来表示，这里P_m＝电机轴上的机械功率，P_e＝产生的电功率，而P_l＝功率耗散，其大小相当于额定功率的约15-25％。当变频器由可变化的输出频率控制时，即当电机的旋转速度变化时，变频器向电网提供的功率以图5中所示方式作为转速的函数而增加。当速度等于额定速度V＝V_n时，向电网提供的电功率较额定功率低与功率耗散相应的量，即为额定功率的约75-85％。相应地，在零速度时，即使电机以发电机的方式工作，电机需要控制和耗散的功率而从电网中获得与其额定功率的15-25％相应数量的功率。在大约v_l＝0.15-0.25^*v_N的速度时，无功率从电网取出或送入电网。在电梯以发电机方式运行时，以超过速度极限v_L的速度运行的电梯发电以供其它电梯消耗。以发电机或电机方式运行的速度低于v_L的其它电梯则消耗功率。

如果在操作中出现这样情形，即产生的功率超过建筑中的设备所消耗的功率，则在变频器的控制下，可以零速度操作电梯电机。在此情形下，电机消耗与其耗散和激励相应的功率，如图5中所见。相应地，发电的电梯能够以低于额定速度的速度驱动，在此情形下，它们产生的功率较额定功率下降了。

在如上所述的图4的方案中，使用备用电源功率的建筑中的其它设备与常规备用电源方案中的一样，基本处于相同的运行状态并由同样的备用电源保证其使用。如果允许电梯驱动向电网提供功率，则其它用电设备可得到的功率相应增加。

当备用电源系统运行时，电梯产生的总的净功率被监视并用于供给一般备用电源系统之外的设备。备用电网配备有功率测量设备以连续地测量电网中可用的功率。当电网功率超过一预定功率极限时，除了包括在备用电源系统运行中的正常设备外，其它设备如灯也被开启。它们需要的功率从电梯产生的电能中获得。原则上，电梯驱动产生的所有功率被提供给其它设备。实际上仍然有限制，即电梯接收根据其运行状态和其它负载而为其设定的功率，此限制与上述例子中的一致。另一方面，在将电梯用于撤离时，由于在满载下行和空载上行时电梯产生净功率，因此此状况在所有时候均是有益的。

在图4的实施例中，在启动备用电源时，首先开启电梯控制设备。电梯控制系统确定建筑中的哪部电梯或电梯组能为其它设备和其它电梯产生能量。随着产能的增加，其它电梯根据其启动时间常数陆续启动。

在撤离操作之后，电梯产生的备用电能的量显著下降。由于在此状态下需要的电梯的负载量显著降低，电梯共享的功率也降低以利于其它设备。在备用电源变化的情形下，如瞬时功率下降，可以改变电梯的功率极限，这时允许的速度也相应地改变。只要变化小，乘客甚至不需要作出反应或觉得该情形不舒服。

上面，利用一些实施例描述了本发明。然而，这些例子不应看作是对本发明的保护范围的限制，而本发明的实施例能够在后附的权利要求限定的范围内变化。

Claims (9)

1.一种备用电源系统，该系统包括：用于产生电能的备用电源装置(2)；用电设备(10，12)；包括一电梯提升电机(28)和对其进行控制的变频器(26；56)的多个电梯驱动(8)；以及连接所述备用电源装置、用电设备和电梯驱动的配电网(4)，其特征在于，至少一个电梯驱动配备有调节装置(26；56；34)，用以调节电梯电机(28)的速度，使得电梯驱动(8)从配电网(4)获得的功率低于一可调节的功率极限(P_A)。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，至少两部电梯(8)组合一组(24，42)，所述电梯的速度可调节以使得电梯组(24，42)从配电网(4)获得的功率低于可调节的功率极限(P_A)。

3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，至少一个电梯驱动(8)能够被控制，使得其发电以提供给同一电梯组(24)中的其它电梯驱动。

4.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，至少一个电梯驱动(8)能够被控制，使得其发电以提供给其它电梯驱动和其它用电设备(10，12，18，20)。

5.如权利要求1-4所述的系统，其特征在于，每个电梯驱动的功率极限(P_A)能够单独调节。

6.如权利要求1-4所述的系统，其特征在于，每个电梯驱动配备有用于确定该电梯的功率要求的功率监视设备和用于限定功率极限的功率极限限定设备(44，46)，在其基础上确定电梯的速度。

7.如权利要求1-6所述的系统，其特征在于，在一电梯组中电梯特有的功率极限(P_A)能够由组控制器来限定。

8.如权利要求1-7所述的系统，其特征在于，功率极限(P_A)能够用电梯特有的参数来确定。

9.如权利要求1-7所述的系统，其特征在于，所述系统包括用于根据电梯的发电能力确定电梯驱动的启动次序的装置。

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