CN201893647U - 一种节能型电梯配电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种节能型电梯配电系统，其飞轮储能装置中的信号采样单元用于采集电解电容、双向能量变换器、飞轮、飞轮电机、电网、电梯系统中的逆变器的状态参数，信号采样单元输出端与A/D转换器输入端连接，A/D转换器输出端与计算控制单元输入端连接，计算控制单元通信端口与通信单元连接，计算控制单元的控制信号输出端与隔离驱动单元输入端连接；隔离驱动单元输出端与双向能量变换器控制端连接；电解电容正端分别与三相整流器输出端口正端、双向能量变换器直流端口正端连接，电解电容负端分别与三相整流器输出端口负端、双向能量变换器直流端口的负端连接；飞轮电机的转子与飞轮同轴连接，飞轮电机的三相定子绕组与双向能量变换器的交流端电连接。

Description

一种节能型电梯配电系统

技术领域

本实用新型涉及一种节能型电梯配电系统，特别是公开一种使用飞轮储能装置作为电梯的辅助电源、能量回收单元和备用电源的技术方案，属于能源和电器领域。

背景技术

随着社会城市化进程的推进，高层建筑不断涌现。作为高楼的垂直交通工具，电梯的需求量也在日益增长。人们对电梯安全性、高效性、舒适性的不断追求推动了电梯技术的进步。在电梯广泛普及和发展的同时，电梯的耗能也以惊人的速度增长。随着能源问题的逐渐凸显，电梯的节能技术已经成为人们关心的话题之一。

众所周知，电梯在工作过程中不仅位能发生变化，而且机械动能也发生变化。其工作过程并不是一个单方向消耗能量的过程，而是一个既有能量吸收、也有能量回馈的往复过程。

电梯启动运行达到最高运行速度后具有最大的机械动能，电梯到达目标楼层前要逐步减速直到电梯停止运动为止，这一过程是电梯释放机械动能的过程。

电梯还是一个位能性负载。为了减小拖动负荷，降低电梯电机的功率，电梯的轿厢都配有对重平衡块。对重平衡块的重量一般等于轿厢载重50％额定负载时的重量。当二者之间存在质量差时，电梯升降就会引起机械位能的改变。其中质量重的部件上行时，电梯电机从电网吸收能量，拖动电梯使电梯的机械位能增加；质量重的部件下行时，电梯的机械位能减少。

电梯运行过程中释放的机械能(包括机械动能和机械位能)通过电梯电机和变频器转变成电能在变频器直流环节的电容中储存起来，使电容电压逐渐上升。由于该电容的容量有限，如不及时释放电容中的电能，就会产生过压故障，使变频器停止工作。目前释放电容中多余电量的方法是通过外加功率电阻将能量消耗掉或采用回馈单元将能量回馈到电网。外加功率电阻的方法简单实用，易于施行，但这种方式不仅使能量白白浪费掉，而且会导致电梯的工作环境温度升高，必须额外增加冷却装置，提高了成本。采用回馈单元的方案可以将能量回收再利用，原理上是一种节能的方法，但需要额外配备电梯能量回馈装置，系统复杂，且只具有电梯能量回收的作用，功能单一。

另一方面，为了保证电梯的可靠电力供应，防止因电网故障导致载有乘客的电梯停在楼层之间，电梯内一般都需要安装备用电源。目前，电梯中通常使用的备用电源是可充电蓄电池，如铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、镍氢蓄电池等。该方案存在着多方面的不足，主要包括：(1)使用寿命较短，需定期更换：由于可充电蓄电池在工作过程中电极活性物质会发生化学变化，引起电极结构的膨胀和收缩，会导致蓄电池性能衰减，其寿命一般不超过5年。(2)能量回收性能差：蓄电池一般功率特性较差，不能够大功率充电；而电梯能量回馈时需要能够短时(几十秒到几分钟)大功率充电的储能单元，蓄电池不能满足这种要求。(3)对蓄电池的一致性要求高：由于单体蓄电池的容量和电压等级不能够满足电梯的要求，需要将多个蓄电池以串并联的形式组成蓄电池组使用。而蓄电池性能的不一致性会加速蓄电池组的容量衰减，严重影响蓄电池组的使用寿命。(4)存在着环境污染问题：蓄电池使用后的金属材料不易处理，会对环境造成重金属污染。可以看出，由于自身性能的限制，可充电蓄电池只能用作电梯的备用电源，而不能同时充当电梯能量回馈时的储能单元。如要实现电梯的能量回收，只能另外设计方案。

飞轮储能是一种新型的储能装置，由一体化的电动/发电机、飞轮和双向能量变换器等组成。该装置利用高速旋转的飞轮将能量以机械动能的形式存储，通过电动/发电机进行电能和机械能的转化，由双向能量变换器实现充放电的功能。现代飞轮储能装置一般采用高强度、低密度的纤维复合材料制作飞轮，轴承应用磁悬浮技术，因此飞轮可以达到很高的转速并避免了摩擦损耗，整机可以做到高能量密度和高效率。由于飞轮储能装置以机械能的形式存储电能，通过电机充放电，不仅具有很好的功率特性和很高的能量转换效率，而且没有充放电次数的限制，使用寿命长。另外，飞轮储能装置可以短时大功率充放电，完全能够满足电梯能量回馈时对储能单元的功率要求。将飞轮储能装置应用于电梯系统，可同时作为辅助电源、备用电源和能量回收单元，避免了能量的浪费，达到节能及提高电梯可靠性的目的。另外飞轮储能装置在工作过程中的储能性能不会随充放电次数变化、不含有害化学物质、对环境的影响小等优点也使其具有很高的推广应用价值。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种节能型电梯配电系统，它使用飞轮储能装置作为电梯的辅助电源、能量回收单元和备用电源，在电梯吸收能量时释放能量，电梯能量回馈时吸收能量，将电梯回馈的能量回收再利用，达到节能和减轻电网负荷的目的；在电网突发故障时充当备用电源，确保电梯的安全可靠。

为实现上述目的，本实用新型所采取的技术方案是：其节能型电梯配电系统包括三相整流器、电解电容和飞轮储能装置，所述飞轮储能装置包括飞轮、飞轮电机、双向能量变换器和能量控制器，所述能量控制器包括信号采样单元、A/D转换器、计算控制单元、隔离驱动单元和通信单元，所述信号采样单元用于采集电解电容、双向能量变换器、飞轮、飞轮电机、电网、电梯系统中的逆变器的状态参数；信号采样单元的输出端与A/D转换器的输入端连接，A/D转换器的输出端与计算控制单元的输入端连接，计算控制单元的通信端口与通信单元连接，计算控制单元的控制信号输出端与隔离驱动单元的输入端连接，隔离驱动单元的输出端与双向能量变换器的控制端连接；所述电解电容的正端分别与三相整流器输出端口的正端、双向能量变换器直流端口的正端连接，电解电容的负端分别与三相整流器输出端口的负端、双向能量变换器直流端口的负端连接；飞轮电机的转子与飞轮同轴连接，飞轮电机的三相定子绕组与双向能量变换器的交流端电连接。

本实用新型所用飞轮电机可采用三相交流电机，可以是异步电机，也可以是永磁电机(包括无刷交流电机和无刷直流电机)。为了最大限度地减小电机和飞轮旋转时的机械损耗，提高飞轮储能装置的效率，飞轮电机的轴承采用磁悬浮轴承，并将电机和飞轮一体化设计，共同置于一个真空壳体中。飞轮储能装置充电时飞轮电机工作在电动机状态，放电时飞轮电机工作在发电机状态，工作过程由双向能量变换器控制。双向能量变换器根据电机类型选择相对应的双向DC/AC变换器。飞轮电机和双向能量变换器的功率和电压等级视实际情况而定。

本实用新型与现有技术相比，其优势在于：

(1)由于飞轮储能装置以机械动能的形式存储能量，通过电机充放电，不仅具有很好的功率特性和高能量转换效率，而且无充放电次数的限制，所以能够达到高效、长寿命的目的。

(2)飞轮储能装置可以同时充当电梯机械能释放时的能量回收单元、辅助电源和备用电源，用一套装置实现了三种功能，使系统结构变得简单，达到了集约的效果；

(3)电梯电机驱动运行时，尤其在启动阶段需要吸收较大的功率，飞轮储能装置作为辅助电源协助电网驱动电梯电机，减轻了电梯启动时对电网的影响；

(4)电梯电机制动运行时能量回馈，飞轮储能装置作为能量回收单元完全吸收回馈的能量进行储存。达到了节能的目的，电梯系统中不再需要传统的能量泄放回路。

(5)飞轮储能装置以机械动能形式存储能量，储能容量不会随充放电次数的增多而减少，且存储的能量容易测量，便于控制系统的设计；

(6)飞轮储能装置不含有害物质，对环境无污染。

附图说明

图1是本实用新型应用于电梯系统的结构示意图；

图2是本实用新型能量控制器的结构框图。

图3是本实用新型的能量控制器的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步描述。

如图1所示，本实用新型节能型电梯配电系统包括三相整流器1、电解电容2和飞轮储能装置9。应用了本实用新型节能型电梯配电系统的电梯系统还包括逆变器3、电梯电机4和电梯控制器10。

在节能型电梯配电系统中，飞轮储能装置9包括飞轮7、飞轮电机6、双向能量变换器5和能量控制器8。飞轮电机6的转子与飞轮7同轴连接，飞轮电机6的三相定子绕组与双向能量变换器5的交流端电连接，双向能量变换器5的直流端充当飞轮储能装置9的外部能量接口。三相整流器1的输入端和电网连接，电解电容2的正端分别与三相整流器1输出端口的正端、双向能量变换器5直流端口的正端、逆变器3直流端口的正端连接，电解电容2的负端分别与三相整流器1输出端口的负端、双向能量变换器5直流端口的负端、逆变器3直流端口的负端连接；逆变器3的交流端和电梯电机4连接，由电梯控制器10控制逆变器3，从而驱动电梯电机4运行。电网的三相交流电经过三相整流器1整流，输出供给电解电容2，由电解电容2进行滤波后输出，为电梯系统提供直流电输入。电解电容2和双向能量变换器5、逆变器3形成并联结构，后二者分别和电解电容2进行能量交换，使电能双向流动。能量控制器8控制双向能量变换器5运行，并发送飞轮7储能值和电网状态给电梯控制器10；电梯控制器10接收飞轮7储能值、电网状态信息和用户指令，控制电梯电机4运行。

如图2所示，本实用新型能量控制器8包括信号采样单元21、A/D转换器22、计算控制单元23、计算控制单元24和通信单元25；其中信号采样单元21对系统的状态参数进行采样，具体包括：采用交流电压传感器对电网电压进行采样，采用直流电压传感器对电解电容2电压进行采样，采用电流传感器分别对双向能量变换器5直流端的输入输出电流、逆变器3直流端的输入输出电流、飞轮电机6的三相定子电流进行采样，采用速度传感器对飞轮7转速进行采样；信号采样单元21的输出端与A/D转换器22的输入端连接，将输出电压信号送给A/D转换器22；A/D转换器22的输出端与计算控制单元23的输入端连接，将转换的数字信号送给计算控制单元23；计算控制单元23可采用数字信号处理器DSP、单片机、嵌入式系统等，将所得数字信号计算处理后输出。计算控制单元23的通信端口与通信单元25连接，输出飞轮7的储存能量值和电网状态信息，并接收电梯电机4的转速信息；通信单元25在计算控制单元23和电梯控制器10之间建立数据通信通道，具体的通信形式根据电梯系统的构成进行选择，包括但不限于CAN、I²C、SCI等，将飞轮7的储能值和电网状态信息送给电梯控制器10；计算控制单元23的控制信号输出端与隔离驱动单元24的输入端连接，将双向能量变换器5的控制信号送给隔离驱动单元24；隔离驱动单元24采用光耦芯片和驱动芯片，对计算控制单元23输出的控制信号进行电气隔离并功率放大；隔离驱动单元24的输出端与双向能量变换器5的控制端连接，输出驱动信号控制双向能量变换器5工作。

本实用新型能量控制器8的控制流程图如图3所示，能量控制器8通过逆变器3直流端的输入输出电流判断电梯电机4的运行状态。根据流向逆变器3的电流值是正、负或零，将电梯电机4的运行状态区分为三种：驱动状态、制动状态和停机状态。通常电梯电机4的功率因数不等于1，因此在驱动状态运行时，不是100％时间里都在吸收功率，即不是100％时间里电流都从电解电容2流向逆变器3；同样在制动状态运行时，也不是100％时间里电流都从逆变器3流向电解电容2；所以不能用逆变器3直流端输入输出电流的瞬时值来判断电梯电机4的运行状态。这里采用电梯电机4运行时一个电周期内逆变器3直流端输入输出电流的平均值来判断电梯电机4的运行状态。能量控制器8通过从电梯控制器10接收的电梯电机4转速信号确定电梯电机4的电周期。

电梯电机4驱动状态运行时，尤其是在启动阶段，电梯电机4通过逆变器3吸取较大的功率，此时飞轮储能装置9通过双向能量变换器5向电解电容2供电，协助电网共同驱动电梯电机4工作。飞轮储能装置9和电网形成并联供电结构，电网正常供电时，三相整流器1输出稳定，通过调节双向能量变换器5的直流端输出电压就可以控制其输出电流的大小，即可以控制飞轮储能装置9的放电功率。能量控制器8通过双向能量变换器5直流端输出电流计算飞轮储能装置9的放电功率，并通过飞轮7转速计算飞轮7的储能值，经运算后输出控制信号，控制双向能量变换器5的输出电压，最终控制飞轮储能装置9的放电功率，使飞轮7的储能值保持在一个合适的范围。

为保证飞轮7中存有足够的能量在电网故障时充当应急电源，根据实际系统设定一个备用能量值。电网供电正常时，飞轮7的储能值始终高于该设定值。放电过程中，当储能接近该设定值时，降低飞轮储能装置9的放电功率；当储能接近飞轮7储能上限时，提高飞轮储能装置9的放电功率。根据实际电梯系统合理选择飞轮7储能上限和备用能量值，优化储能——放电功率关系曲线，可以使系统在电梯能量回馈时完全吸收回馈能量，不再需要传统的能量泄放回路。

电梯电机4制动状态运行时，逆变器3工作在回馈制动状态，电梯的机械能回馈到电解电容2，使电解电容2的电压升高。当电解电容2的电压高于设定值时，能量控制器8控制双向能量变换器5驱动飞轮电机6加速旋转，飞轮储能装置9从电解电容2吸收能量进行存储。该过程中控制双向能量变换器5的驱动功率，保持电解电容2的电压稳定在设定值，则充电功率自动跟随电梯电机4回馈功率。因为设定值高于三相整流器1输出的额定工作电压，所以不会从电网侧吸收能量。

电梯电机4处于停机状态时，为降低系统损耗，提高系统效率，能量控制器8控制双向能量变换器5停止工作，飞轮7处于自由旋转状态；同时监测飞轮7的储能量，在低于备用能量设定值时控制飞轮储能装置9通过双向能量变换器5以额定功率充电，从电网补充能量。

当电网突然断电时，能量控制器8检测到电网电压突降为零，将断电信号即时传送给电梯控制器10。电梯控制器10控制电梯电机4将电梯安全地送到附近的楼层并打开电梯，确保电梯内乘客的安全。在这段时间内如果电梯电机4在驱动状态运行，则飞轮储能装置9通过双向能量变换器5向电解电容2输出电梯的额定工作电压。电梯电机4所需能量完全由飞轮储能装置9提供。电网和飞轮储能装置9的并联供电结构保证了系统的不间断供电，为电梯的安全性提供了保障。

Claims (1)

1.一种节能型电梯配电系统，其特征在于：包括三相整流器(1)、电解电容(2)和飞轮储能装置(9)，所述飞轮储能装置(9)包括飞轮(7)、飞轮电机(6)、双向能量变换器(5)和能量控制器(8)，所述能量控制器(8)包括信号采样单元(21)、A/D转换器(22)、计算控制单元(23)、隔离驱动单元(24)和通信单元(25)，所述信号采样单元(21)用于采集电解电容(2)、双向能量变换器(5)、飞轮(7)、飞轮电机(6)、电网、电梯系统中的逆变器的状态参数；信号采样单元(21)的输出端与A/D转换器(22)的输入端连接，A/D转换器(22)的输出端与计算控制单元(23)的输入端连接，计算控制单元(23)的通信端口与通信单元(25)连接，计算控制单元(23)的控制信号输出端与隔离驱动单元(24)的输入端连接，隔离驱动单元(24)的输出端与双向能量变换器(5)的控制端连接；所述电解电容(2)的正端分别与三相整流器(1)输出端口的正端、双向能量变换器(5)直流端口的正端连接，电解电容(2)的负端分别与三相整流器(1)输出端口的负端、双向能量变换器(5)直流端口的负端连接；飞轮电机(6)的转子与飞轮(7)同轴连接，飞轮电机(6)的三相定子绕组与双向能量变换器(5)的交流端电连接。

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