CN1257036A - 用于在发生电源故障时控制电梯运行的装置和方法 - Google Patents

Abstract

用于控制电梯运行的装置,包括:检测主电源是否供电的电源设备,包括充电器并输出预定控制信号;操作控制单元,接收来自直流电源设备的控制信号和用户输入的命令控制信号,输出速度控制信号和负载补偿信号以控制电脑系统;功耗检测器,计算交流电机的功耗;限速器,接收到来自速度检测器的交流电机速度信号和功耗检测器计算出的电机功耗后限制电机的速度;速度控制单元,接收到负载补偿信号和限速器控制信号后控制交流电机的转速。

Description

用于在发生电源故障时控制电梯运行的装置和方法

本发明涉及在电梯系统中的商用主电源被中断的情况下，通过使用充电电源来紧急操作电梯的技术，并具体涉及一种用于在出现电源故障的情况下控制电梯运行的装置及其方法，当电梯在紧急状态下由充电电源供电时，其能够使充电电源的放电量最小化，并能够防止过电流。

如果电梯厢在运行过程中由于电源故障意外地停在楼层之间，那么电梯厢将进行紧急操作，使乘客从最近的楼层离开电梯。

在为电源故障作准备时，为了向电梯系统提供电源，额外向控制板提供一电源设备，该电源设备典型地包括充电器和蓄电池，其中通常充入几十伏的直流电源。

也就是说，当该电源设备检测到主电源未供电的电源故障状态时，充入蓄电池中的直流电被变换为交流电，然后通过升压变压器和逆变器被变换为与主电源具有相同频率的交流电，并提供给整流器的输入端，在紧急情况下就是根据这种方法来操作电梯系统的。

图1为根据现有技术的，在出现电源故障时控制电梯运行的装置的框图。

如图所示，根据现有技术的，在出现电源故障时控制电梯运行的装置包括：主电源输入接触器2，在正常状态下闭合接触器2用以提供主电源1，或在出现电源故障情况下断开接触器2以阻断主电源1的电源输入路径；整流器3和平滑电容器4，用于将从主电源输入的交流电变换为直流电并将之滤平；放电晶体管5和电阻器6，用于限制电容器4的充电电压上升超过预定的电平；逆变器7，用于根据脉宽调制信号发生器20(后面将进行描述)产生的输出信号将从平滑电容器4输出的直流电压变换为交流电压；电流检测器8A，8B和8C，用于检测逆变器7向交流电机9提供的电流，由逆变器7的输出电源驱动交流电机9；旋转编码器10，用于检测电机9的旋转速度和输出脉冲；滑轮11，用于接收来自交流电机9驱动轴的驱动力，和在垂直方向提升或释放电梯厢13；与电梯厢13相连的平衡配重12，具有预定的重量以保证电梯厢的平衡，并与电梯厢13在相反的方向上竖直运动；候梯厅呼叫按钮单元14，在各层候梯厅等候的乘客按压该按钮单元来呼叫电梯厢13；电梯厢呼叫按钮单元15，用于电梯厢13中的乘客选择目的地楼层；负载检测器16，用于检测电梯厢13中的载重量；带有充电器的电源设备17，用于在出现电源故障的情况下电梯的紧急操作；操作控制单元18，根据来自候梯厅呼叫按钮单元14的候梯厅呼叫或来自电梯厢呼叫按钮单元15的电梯厢呼叫来控制电梯系统的运行；速度控制单元19，用于在接收到来自操作控制单元18的速度命令后输出速度控制信号；和脉宽调制信号发生器20，用于在接收到速度控制信号后输出脉宽调制信号。

下面将说明具有上述结构的，现有技术中用于控制电梯运行的装置的工作情况。

在正常操作时，主电源1向电梯系统正常供电，操作控制单元18根据来自候梯厅呼叫按钮单元14或电梯厢呼叫按钮单元15的呼叫产生速度命令b1，以控制电梯的运行，并基于由负载检测器16检测到的电梯厢13的载重量，计算平衡配重12与电梯厢13之间的重量差，并相应地输出负载补偿信号b2。

当速度控制单元19根据从操作控制单元18输出的速度命令b1向脉宽调制(PWM)信号发生器20输出预定速度控制信号时，脉宽调制信号发生器20控制脉冲信号的宽度并将之输出到逆变器7。然后，逆变器7相应地控制交流电机9的旋转速度。

下面参照图2说明电源设备7的工作情况。

主电源故障检测单元17A监测主电源1是否提供给电梯系统。当主电源向电梯系统正常供电时，电池电压检测单元17G检测蓄电池17F的电压，且如果电压下降到低于预置电平时，电池电压检测单元17G驱动电池充电控制单元17I。

相应地，从脉宽调制信号发生器17K输出预定的脉宽调制信号，随后来自主电源1的电压通过变压器17C和电源变换单元17D对蓄电池进行充电。

假如电源故障检测单元17A检测到电源故障状态，即主电源没有为电梯系统供电，那么来自接触器驱动单元17B的断开信号将断开主电源输入接触器2。

此时，驱动交流电源控制单元17J，使充入电池17F中的直流电通过逆变器17D被变换为交流电。因而，电池17F中的直流电压通过逆变器17D，线圈L1，L2，L3和变压器17C被变换为与主电源电压具有相同频率的交流电压，并被输出到整流器3。

当电源故障检测单元17A检测到电源故障并向操作控制单元18输出电源故障检测信号a1时，操作控制单元18从正常操作模式切换到电源故障操作模式以进行紧急操作。而且，当紧急操作完成时，操作控制单元18向电源设备17输出操作完成信号，从而停止电源设备17的工作。

其中，当电源设备17检测到电源故障并向操作控制单元18输出主电源没有向电梯系统供电的信号时，基于负载检测器16的负载检测信号，操作控制单元18计算平衡配重12与电梯厢13之间的重量差。

如果平衡配重12的重量超过电梯厢13的重量，则操作控制单元18确定电梯厢13的运行方向向上，在相反的情况下，其确定电梯厢13的运行方向向下，然后输出速度命令b1来控制电机9的速度。

当电梯厢13确定运行方向后开始运行时，电机9由发电机驱动，其中产生的能量作为热量被放电晶体管和电阻器6消耗。

图3为图1中根据现有技术的速度控制单元的详细框图。

下面参见图3说明速度控制单元19根据操作控制单元18输出的速度命令b1来进行速度控制的操作。

当电流检测器19A检测到与通过各电流检测元件8A～8C检测到的各相电流量相应的电流检测信号并将之输出到电流变换器19B时，电流变换器19B将之变换为扭矩分量电流和磁通量分量电流并将之输出。

速度检测器19C根据旋转编码器10输出的脉冲信号检测交流电机9的旋转速度，并输出与旋转速度相应的速度检测信号。

磁通量命令发生器19D产生电机9的磁通量分量电流(componentcurrent)命令信号，磁通量估算器19E从由电流变换器19B输出的磁通量分量电流中估算磁通量。

减法器19F从磁通量命令发生器19D输出的磁通量命令中减去磁通量估算器19E的输出磁通量，并向磁通量控制器19G输出磁通量差信号。

磁通量控制器19G输出与减法器输出的磁通量差信号相应的磁通量分量电流，减法器19H计算由磁通量控制器19G输出的磁通量分量电流的补偿值并将之输出，磁通量电流控制器19I输出与差值成比例的磁通量电压命令。

同时，减法器19J从由操作控制单元18输入的速度命令信号b1所表示的命令速度中减去速度检测器19C检测到的电机旋转速度。

相应地，速度控制器19K输出与速度差信号相应的扭矩电流，加法器19L将操作控制单元18输入的负载补偿电流b2加到扭矩电流中，并输出相应的扭矩电流命令。

减法器19M从加法器19L输出的扭矩电流中减去电流变换器19B的输出扭矩电流，并输出扭矩分量电流的差信号，扭矩电流控制器19N输出与扭矩分量电流差成比例的扭矩电压命令信号。

差频运算器19O根据扭矩和磁通量来计算差频，加法器19P将计算出的差频加到速度检测器19C的检测速度中，并相应地输出频率命令。

然后，电压变换器19Q接收分别由磁通量电流控制器19I和扭矩电流控制器19N输出的电压命令以及加法器19P输出的频率命令，并生成三相电压命令，并将其向脉宽调制信号发生器20输出。

此时，交流电机9的功耗P和扭矩Tq由下列等式(1)，(2)表示：

        Tq＝k×Iq    -----------------(1)

        P＝Tq×Wr    -----------------(2)其中，k表示扭矩常数( ，d：磁极数，Lm：互感，Lr：漏电感，λr：转子磁通量(rotator magnetic flux))，Iq表示扭矩电流，Wr表示角速度(rad/sec)。

图4展示了在忽略提升间(hoist way)与滑轮11之间的磨损的前提下，当电梯厢工作在平衡配重12与电梯厢13保持平衡状态时的电机9的功耗。

当电机9的旋转方向的符号与扭矩电流b2的符号相同时，等式(2)中的功耗为正(+)值，在这种情况下，由于电机9作为负载，因此所需的电源由电源设备17提供，它的功耗应当小于电源设备17的最大容量。

同时，假如电机9的旋转方向的符号与扭矩电流b2的符号不相同，则功耗为负(-)值，在这种情况下，交流电机9作为发电机。

在这种情况下，由于产生的电能被放电晶体管5和电阻器6作为热量消耗，因此电源设备17没有必要向电机9提供电源。

如上所述，当发生电源故障时，电梯厢13的移动方向由操作控制单元18以下面的方式决定：当基于负载检测器16的输出信号检测到电梯厢13的重量后，将电梯厢的重量与平衡配重12的重量相互比较，如果电梯厢13的重量大于平衡配重12的重量，则电梯厢13的运行方向被确定为向下，而在相反的情况下，电梯厢13的运行方向被确定为向上，从而使电梯厢13从当前位置向最近的楼层运动。

相应地，由于操作控制单元18决定电梯厢13的运动方向时完全依赖于负载检测器16的输出信号，因此如果负载检测器16的负载检测不准确或由于故障而未处于正常工作时的良好状态，则电梯厢13有可能朝着与正确运动方向相反的方向运动。

图5展示当电源故障发生时，由电源设备17的电池17F中充入的直流电驱动电梯厢13运行的情况。

当平衡配重的重量大于电梯厢13的重量从而使电梯厢13向上运动时，功耗为负(-)值且电机9作为发电机工作。此时，产生的电能通过逆变器7被充入平滑电容器4，以便使平滑电容器4两端的电压增加。

当平滑电容器4两端的电压增加到超过预设的参考电平时，放电晶体管5工作，并且产生的电能通过放电电阻器6作为热量被消耗，因而产生的电能不会被传送给电源设备17。

相应的，由于电源设备17只需要向操作控制单元18和速度控制单元19供电，因此，使蓄电池17F的放电量最小化。

总之，蓄电池17F的充电容量和电源变换单元17D的容量在设计时充分考虑了在平衡配重12与电梯厢13处于平衡状态下用于加速的功耗以及与导轨摩擦产生的能量损失。

然而，如图6所示，假如负载检测器16发生故障并且操作控制单元18错误地判断电梯厢应该移动的方向(例如，错误判断电机9作为负载工作)，则电机9的功耗大于额定值，而且过电流流向电源设备17，导致电路元件故障或蓄电池17F的放电量过大，使得在电梯厢13到达最近的楼层之前电梯系统停止工作。

因此，在出现电源故障的情况下，根据现有技术中的用于控制电梯运行的装置，由于电梯厢的运行方向仅根据负载检测器的输出信号确定，因此如果负载检测器检测负载不正确或发生故障，则电梯厢的运行方向不能被正确确定，而且，电梯系统将在电梯厢到达最近的楼层之前停止工作。

因此，本发明的目的是提供一种用于控制电梯运行的装置，其中当电梯在由电源故障引起的紧急情况下工作时，计算电机的功耗，如果计算出的功耗超过了电源设备的容量，则限制电梯厢的速度。

为了实现这些和其它优点并依照本发明的目的，如这里具体化及广泛描述的那样，提供一种在电梯系统中用于控制电梯运行的装置，该电梯系统具有：在接收到主电源之后将其变换为直流电的变换器；根据脉宽调制信号将直流电变换为交流电的逆变器；以与逆变器的输出相应的速度驱动的交流电机；用于根据电机的旋转速度生成脉冲信号的旋转编码器；和用于检测交流电机速度的速度检测器，该装置包括：直流电源设备，包括一个充电器，用于检测主电源是否供电并输出预定的控制信号；操作控制单元，用于接收直流电源设备的控制信号和由用户输入的命令控制信号，并输出速度控制信号和负载补偿信号，以控制电梯系统；功耗检测器，用于计算交流电机的功耗；限速器，用于在接收到来自速度检测器的交流电机速度信号和由功耗检测器计算出的电机功耗后限制电机的速度；和速度控制单元，用于在接收到负载补偿信号和限速器的控制信号后控制交流电机的转速。

附图提供了对本发明的进一步理解并构成说明书的一部分，图解了本发明的实施例，并与说明书一起用作解释本发明的原理。

附图中：

图1为现有技术的用于控制电梯运行的装置的简略框图；

图2为图1中现有技术的电源设备的详细框图；

图3为图1中现有技术的速度控制单元的详细框图；

图4为展示现有技术中在电梯运行过程中电机的功耗图形的波形图；

图5展示了现有技术中的电梯厢没有负载地向上运动时电机产生的电源图形的波形图；

图6展示了现有技术中的电梯厢没有负载地向下运动时电机产生的电源图形的波形图；

图7为本发明的用于控制电梯运行的装置的简略框图；

图8展示了本发明的限速器的操作以及功耗图形的波形图；和

图9为本发明的控制电梯运行方法的流程图。

下面将详述本发明的优选实施例，附图中图解了其中的例子。

图7为本发明的用于控制电梯运行的装置的简略框图。

如图所示，本发明的用于控制电梯运行的装置包括：主电源输入接触器2，用于在通常状态时接收主电源1以及阻断主电源1的输入路径；整流器3和平滑电容器4，用于将输入的交流电主电源变换为直流电并将之滤平；放电晶体管5和电阻器6，用于限制电容器4的充电电压上升超过预定电平；逆变器7，用于根据脉宽调制信号发生器20(后面将会加以说明)的输出信号将平滑电容器4输出的直流电电压变换为交流电源；电流检测元件8A，8B和8C，用于检测由逆变器7向交流电机9提供的电流；交流电机9，以与逆变器7的输出电源相应的速度驱动；旋转编码器10，用于根据交流电机9的旋转速度产生脉冲；电源设备17，用于检测主电源是否向电梯系统供电；操作控制单元18，用于根据电梯厢的呼叫信号控制电梯厢的运行；速度控制单元19，用于当电梯厢在紧急情况下由蓄电池的电力驱动时，根据从操作控制单元18接收的速度命令来计算交流电机9的功耗，如果计算出的功耗超出了电源设备的容量，则输出速度控制信号以限制电梯的运行速度；和脉宽调制信号发生器20，用于在收到来自速度控制单元19的速度控制信号后向逆变器7输出脉宽调制信号。

速度控制单元19包括：电流检测器19A，用于输出与通过电流检测元件8A～8C检测到的各相电流量相应的电流检测信号，其中电流检测元件8A～8C连接在逆变器7的输出端与交流电机9的输入端之间；电流变换器19B，用于将由电流检测器19A检测到的电流分量变换为扭矩分量电流和磁通量分量电流；速度检测器19C，用于根据旋转编码器10输出的脉冲来检测交流电机9的转速并输出相应的速度检测信号；功耗检测器19R，用于在接收到速度检测器19C的速度检测信号与电流变换器19B的扭矩电流后计算驱动交流电机9所需的功耗；限速器19S，用于限制从操作控制单元18接收到的速度命令，当输入电源故障检测信号且交流电机9用作电机时，如果由功耗检测器19R检测到的交流电机9的功耗被判断为超出了电源设备17的允许容量，则将所述速度命令重置在允许的容量内，并在其它情况下输出实际的速度命令；磁通量命令发生器19D，用于生成交流电机9的磁通量命令；磁通量估算器19E，用于从电流变换器19B输出的磁通量分量中估算磁通量；减法器19F，用于从磁通量命令发生器19D输出的磁通量命令中减去磁通量估算器19E的输出磁通量，并得到磁通量误差；磁通量控制器19G，用于在考虑减法器19F输出的磁通量误差后输出磁通量电流；减法器19H，用于运算磁通量控制器19G输出的磁通量分量电流的误差值；磁通量电流控制器19I，用于输出与减法器19H得到的磁通量分量电流误差成比例的磁通量电压命令；减法器19J，用于从限速器19S输出的速度命令中减去速度检测器19C得到的实际速度，并得到速度误差；速度控制器19K，用于在考虑减法器19J得到的速度误差后输出扭矩电流；加法器19L，用于将操作控制单元输入的负载补偿电流加到速度控制器19K输出的扭矩电流中，并输出相应的扭矩电流命令；减法器19M，用于从加法器19L输出的扭矩电流中减去电流变换器19B的输出扭矩电流，并输出扭矩分量误差；扭矩电流控制器19N，用于输出与减法器19M输出的扭矩分量误差成比例的扭矩电压命令；差频运算器19O，用于根据扭矩和磁通量来运算差频；加法器19P，将差频运算器19O运算得到的差频加到速度检测器19C的检测速度中，并输出与之相应的频率命令；和电压变换器19Q，用于在接收到分别来自于磁通量电流控制器19I和扭矩电流控制器19N的电压命令和来自于加法器19P的频率命令后，向脉宽调制信号发生器20提供三相电压命令。

下面参照图1，2，8和9说明采用上述结构的用于控制电梯运行的装置的操作。

当发生电源故障时的紧急情况下，电梯厢由电源设备17中的电池17F的电能驱动时，电源设备17向操作控制单元18输出电源故障检测信号a1。

然后，操作控制单元18根据负载检测器16的输出信号来检测电梯厢13的重量，并将电梯厢13的重量与平衡配重12的重量相比较。操作控制单元18根据比较的结果判定电梯厢的运行方向，并向速度控制单元19输出速度命令b1。

速度控制单元19根据速度命令b1驱动速度控制器19K，磁通量电流控制器19I和扭矩电流控制器19N，从而控制交流电机9。

此时，功耗检测器19R在接收到速度检测器19C的速度检测信号与电流变换器19B的扭矩电流后计算驱动交流电机9所需的功耗，由现有技术得到的等式(1)和(2)同样适用于此。

由功耗检测器19R计算出的功耗量被提供给限速器19S。此时，当限速器19S判断操作控制单元18有可能错误地识别了电梯厢的运行方向，使交流电机9被用作电机，由此使功耗超出了电源设备的最大可用容量时，限速器19S限制从操作控制单元18接收到的速度命令b1，并重置使之不超出最大可用容量。

相应地，速度控制器19K根据限速器19S输出的速度控制命令来控制交流电机9的转速，从而防止对于电源设备17的过电流或者蓄电池17F的提前放电。

参见图7，从磁通量命令发生器19D和减法器19J至脉宽调制信号发生器20的操作过程与上述结合图3的说明相同。

下面结合图9详细说明在发生电源故障时控制电梯运行的过程。

在步骤S1中，限速器19S接收来自操作控制单元18的速度命令b1和来自电源设备17的电源故障检测信号a1。

在步骤S2～S4中，假如没有输入电源故障检测信号a1，或即使输入了电源故障检测信号，但功耗为负(-)值，则将操作控制单元18输出的速度命令b1通过限速器19S不作改变地传送至减法器19J，从而进行正常的速度控制。

其间，如果由于主电源1的电源故障而检测到电源故障检测信号a1且功耗为正(+)值，则功耗检测器19R检测交流电机9的功耗。在步骤S5和S6中，如果判断交流电机9的功耗达到功率级PL，即，有可能超出电源设备17的最大可用容量Pmax，则限速器19S提高交流电机9的限速值VL，而如果判断功耗在最大可用容量Pmax的范围之内，则限速器19S停止提高交流电机9的限速值VL的操作。

在步骤S7中，当交流电机9的功耗为正(+)值时，限速器19S从操作控制单元18的速度命令b1中减去计算出的限速值VL，并通过限制交流电机9的速度而将之重置。

在步骤S8和S3中，如果由限速器19S重置的限速命令b11大于操作控制单元18的速度命令b1，则向速度控制单元19中的减法器19J输出速度命令b1。

其中，在步骤S9和S10中，如果限速命令b11小于操作控制单元18的速度命令b1，则向减法器19J输出限速命令b11。

相应地，通过以上述方式提供速度命令，交流电机9的功耗不会超过电源设备17的可用容量，如图8所示，从而事先避免了电源设备故障或蓄电池17F的提前放电。

在本发明的另一个实施例中，限速器19S被包含在操作控制单元18中，在接收到速度控制单元19中的功耗检测器19R检测到的功耗时，如果功耗超过电源设备的可用容量PL，则减去速度命令b1。

在本发明的另一个实施例中，功耗检测器19R被包含在电源设备17中，当操作控制单元18生成交流电机9的速度命令b1时，根据在电源设备17中检测到的功耗限制其输出。

综上所述，根据本发明的用于在发生电源故障时控制电梯运行的装置和方法，当电梯系统发生电源故障，电梯厢在紧急情况下由蓄电池驱动时，计算出交流电机的功耗，如果功耗超过电源设备的容量，则限制电梯厢的运行速度，从而防止了电源设备过流引起的元件故障，并防止由于蓄电池提前放电导致电梯厢在到达最近楼层之前停下。

本发明在不脱离其精神或实质特征的前提下可以具体化为不同的形式，还应当理解，除非特别说明，上述实施例不应受到任何前述说明的具体限制，而应当在附属权利要求限定的精神和范围内广义地理解，因此在权利要求或等同物的要求和约束下作出的所有变形和改进都应当被包含在附属权利要求之中。

Claims (4)

1.一种在电梯系统发生电源故障时控制电梯运行的装置，电梯系统具有：向系统提供交流电的主交流电源；将来自电源的交流电变换为直流电的变换器；根据脉宽调制信号将直流电变换为交流电的第一逆变器；用于提供脉宽调制信号以控制逆变器开关的第一脉宽调制器；以与逆变器的输出相应的速度驱动的交流电机；根据电机转速生成脉冲信号的脉冲发生器；和根据脉冲发生器的脉冲信号检测电机速度的速度检测器，所述装置包括：

直流电源设备，包括：用于检测主电源故障的电源故障检测器；电池，用于在正常状态下从主电源充电，或当根据电源故障检测器的输出检测到电源故障时提供充电电压；将来自电池的直流电变换为交流电的第二逆变器；用于提供脉宽调制信号以控制第二逆变器开关的第二脉宽调制器：和用于升高第二逆变器输出电压的变压器；

操作控制单元，用于接收来自电源故障检测器的电源故障检测信号和接收来自候梯厅或电梯厢的呼叫信号或目的地选择信号，并输出速度控制信号和负载补偿信号，从而控制电梯系统；

功耗检测器，用于计算电机的功耗；

限速器，根据来自速度检测器的电机速度信号和由功耗检测器计算出的电机功耗来限制电机的速度；和

速度控制单元，在接收到负载补偿信号和来自限速器的控制信号后控制电机的转速。

2.根据权利要求1的装置，其特征在于功耗检测器根据检测到的电机速度和电机扭矩电流来计算电机的功耗。

3.根据权利要求1的装置，其特征在于如果计算出的交流电机的功耗为正(+)值，则功耗检测器的检测结果为电机耗电，如果计算出的电机功耗为负(-)值，则检测结果为电机发电。

4.根据权利要求1的装置，其特征在于限速器从电机的速度信号中减去速度命令，从而使交流电机的功耗不超过电源设备的最大容量。

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