CN211791280U - 一种双向直流转换装置及电梯控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于电力电子领域，公开了一种双向直流转换装置及电梯控制系统，包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一电感、第二电感以及电容；第一电感的第一端和第二电感的第一端共同构成双向直流转换装置的第一正极输入输出端，第一电感的第二端与第四开关管的漏极和第一开关管的源极连接，第四开关管的源极为双向直流转换装置的第二正极输入输出端，第二电感的第二端与电容的第一端和第二开关管的源极连接，电容的第二端与第一开关管的漏极和第三开关管的漏极连接，第二开关管的漏极和第三开关管的源极共同构成双向直流转换装置的负极输入输出端；提高了电梯轿厢安全性并减小了控制难度和器件成本。

Description

一种双向直流转换装置及电梯控制系统

技术领域

本实用新型属于电力电子领域，尤其涉及一种双向直流转换装置及电梯控制系统。

背景技术

电梯控制系统的电源通常使用交流电源。交流电源波动的会造成电梯控制系统不稳定。

电梯系统停电后进入制动器刹车状态，轿厢以最大减速度滑行减速停止；应急电源在停电后延时启动，电梯控制系统获得应急电源后重新启动完成救援运行。然而，停电后延时启用备用电源会造成电梯轿厢先急停再启动，间隔时间长，急停过程容易给乘客造成恐慌，体验感和安全性差，严重时还可能造成财产损失和身体伤害。

这是由于现有双向直流转换装置由充电状态切换到到放电状态(或由放电状态切换到充电状态)的过程中需要对控制方法同时进行切换，因而存在延迟，导致停电后响应速度较慢。且切换时会导致较大的电流和电压过冲，需要添加额外的吸收电路，增加了成本。

而且储能装置侧电压一般较低，直流母线侧电压一般较高，导致电压变比较大，现有双向直流转换装置一般采用带变压器的隔离拓扑或非隔离多级Buck/Boost拓扑，这些拓扑降低了双向直流转换装置双向传递能量的对称性，增加了控制难度以及器件成本。

故传统的双向直流转换装置存在控制方法的切换以及采用带变压器的拓扑，从而导致电梯轿厢先急停再启动、安全性差、控制难度大和器件成本高的缺陷。

实用新型内容

本实用新型提供了一种双向直流转换装置及电梯控制系统，旨在解决传统的双向直流转换装置存在的双向直流转换装置存在控制方法的切换以及采用带变压器的拓扑，从而导致电梯轿厢先急停再启动、安全性差、控制难度大和器件成本高的的问题。

本实用新型提供了一种双向直流转换装置，所述双向直流转换装置包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一电感、第二电感以及电容；

所述第一电感的第一端和所述第二电感的第一端共同构成所述双向直流转换装置的第一正极输入输出端，所述第一电感的第二端与所述第四开关管的漏极和所述第一开关管的源极连接，所述第四开关管的源极为所述双向直流转换装置的第二正极输入输出端，所述第二电感的第二端与所述电容的第一端和所述第二开关管的源极连接，所述电容的第二端与所述第一开关管的漏极和所述第三开关管的漏极连接，所述第二开关管的漏极和所述第三开关管的源极共同构成所述双向直流转换装置的负极输入输出端。

在其中一个实施例中，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管以及第四开关管为场效应管或者IGBT管。

在其中一个实施例中，所述电容为电解电容。

本实用新型还提供了一种电梯控制系统，所述电梯控制系统包括能量存储组件和如上述的双向直流转换装置；

配置为根据所述充电电压进行充电，并输出电池电压的能量存储组件；

与所述能量存储组件连接，配置为当电机输出的泵升电压小于供电电压时，根据所述电池电压生成所述供电电压以对电机进行供电，当电机输出的所述泵升电压大于所述供电电压时，根据所述泵升电压生成所述充电电压的所述双向直流转换装置。

在其中一个实施例中，所述电梯控制系统还包括：

与第一开关管、第二开关管、第三开关管以及第四开关管连接，用于生成第一控制信号和第二控制信号的控制组件。

在其中一个实施例中，所述电梯控制系统还包括：

与所述双向直流转换装置和所述控制组件连接，用于根据所述供电电压或所述泵升电压生成辅助电压以对所述控制组件进行供电的辅助电源电路。

本实用新型实施例采用了串联电容Buck/Boost拓扑，对比传统的双向直流转换装置有以下有益效果：1)对比带隔离变压器的隔离型拓扑，不需要使用变压器，节省了器件成本和空间，提升了功率密度，不存在变压器中产生的不可避免的损耗，提升了效率。2)对比传统的常用的多级Buck/Boost拓扑，多级Buck/Boost拓扑对控制系统要求较高，尤其是在升/降压比较高的场合下，可能需要三级以上Buck/Boost电路串联，对控制精度和响应速度都有极高的要求。并且当能量流动方向改变时，多级Buck/Boost拓扑中的开关器件的控制策略需要进行相应的更改，使控制更加复杂。使用本发明中提出的串联电容Buck/Boost拓扑可以统一双向能量流动时电流的控制策略，简化控制，避免多级Buck/Boost电路串联产生的额外损耗，并且可以节省多级Buck/Boost电路每一级所需的额外辅助电路元件。3)由于采用对称拓扑，使充放电过程可以由一套统一的控制策略进行控制，在充放电状态之间进行切换时，只需改变控制器的给定量，就可以完成能量传递方向的改变，避免了传统控制策略下在充电和放电控制策略之间的切换过程，可以实现充放电的零延迟切换，同时由于没有控制策略之间的切换过程，充放电切换过程平滑，降低了切换过程中的电压电流过冲，减少了器件应力，可以相应的减少吸收电路，选择电压电流等级较低的开关器件，降低了成本，提高了安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术实用新型，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的双向直流转换装置的一种示例电路图；

图2为本实用新型实施例提供的双向直流转换装置的一种电流流向示意图；

图3为本实用新型实施例提供的双向直流转换装置的另一种电流流向示意图；

图4为本实用新型实施例提供的双向直流转换装置的另一种电流流向示意图；

图5为本实用新型实施例提供的双向直流转换装置的另一种电流流向示意图；

图6为本实用新型实施例提供的电梯控制系统的模块原理图；

图7为本实用新型实施例提供的电梯控制系统的另一种模块原理图；

图8为本实用新型实施例提供的电梯控制系统的另一种模块原理图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

图1示出了本实用新型实施例提供的双向直流转换装置的电路结构，为了便于说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，详述如下：

上述双向直流转换装置包括第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第一电感L1、第二电感L2以及电容C。

第一电感L1的第一端和第二电感L2的第一端共同构成双向直流转换装置的第一正极输入输出端，第一电感L1的第二端与第四开关管S4的漏极和第一开关管S1的源极连接，第四开关管S4的源极为双向直流转换装置的第二正极输入输出端，第二电感L2的第二端与电容C的第一端和第二开关管S2的源极连接，电容C的第二端与第一开关管S1的漏极和第三开关管S3的漏极连接，第二开关管S2的漏极和第三开关管S3的源极共同构成双向直流转换装置的负极输入输出端。

双向直流转换装置采用串联电容Buck/Boost拓扑。该拓扑可实现双向能量的对称交换，同时在不使用变压器或采用多级Buck/Boost拓扑增加器件成本、体积以及控制难度的情况下满足系统应用中的高升/降压比需求。该拓扑的升降压比等于单级Buck/Boost拓扑的升降压比的平方，可以等效于两级串联Buck/Boost串联拓扑的升/降压比，同时不存在串联拓扑控制困难以及Buck/Boost模式需要使用不同控制策略的问题。

可选的，第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3以及第四开关管S4可以为场效应管、碳化硅IGBT管或硅IGBT管。电容C可以为电解电容。

第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3以及第四开关管S4可以为场效应管或者IGBT管。

其中，第一开关管S1的控制信号、第二开关管S2的控制信号为第一控制信号，第三开关管S3的控制信号以及第四开关管S4的控制信号为第二控制信号。

本实用新型还提供了一种双向直流转换方法，基于上述的双向直流转换装置。若双向直流转换装置工作在在降压(Buck)模式，双向直流转换方法包括步骤301至步骤302。

在步骤301中，实时控制第一开关管和第二开关管关断且控制第三开关管和第四开关管导通，以使高压侧电压的能量被传递至第一电感，并且电容向第二电感和低压侧负载和低压侧负载电容放电。

在步骤302中，控制第一开关管和第二开关管导通且控制第三开关管和第四开关管关断，以使第一电感对电容、低压侧负载和低压侧负载电容传递能量。

若双向直流转换装置工作在在升压(Boost)模式，双向直流转换方法包括步骤401至步骤402。

在步骤401中，实时控制第一开关管和第二开关管导通且控制第三开关管和第四开关管关断，以使低压侧电压的能量被传递至第二电感，第一电感被低压侧电压励磁，能量存储于电容，并且高压侧负载电容对高压侧负载进行放电。

在步骤402中，控制第一开关管和第二开关管关断且控制第三开关管和第四开关管导通，以使低压侧电压对电容充电，能量存储于第二电感中，并且低压侧电压对高压侧负载电容充电，能量存储于第一电感中。

以下结合双向直流转换方法对图1所示的作进一步说明：

双向直流转换装置可以工作在降压(Buck)模式或升压(Boost)模式。

若双向直流转换装置工作在在降压(Buck)模式，在图1所示的电路图中，首先执行步骤301，即：实时控制第一开关管S1和第二开关管S2关断且控制第三开关管S3和第四开关管S4导通，以使高压侧电压VH的能量被传递至第一电感L1，并且电容C向第二电感L2和低压侧负载和低压侧负载电容CL放电，此时电流流向如图2所示；再执行步骤302，即：控制第一开关管S1和第二开关管S2导通且控制第三开关管S3和第四开关管S4关断，以使第一电感L1对电容C和低压侧负载和低压侧负载电容CL传递能量，此时电流流向如图3所示；然后继续执行步骤301和步骤302，如此反复，通过循环执行步骤301和步骤302实现降压直流转换。

在降压(Buck)模式时，在开关管占空比为D的情况下，该双向直流转换装置降压比为D²，是单级Buck电路降压比的平方，相当于两级Buck电路串联，从而提高了降压比，简化了电路。

若双向直流转换装置工作在在升压(Boost)模式，在图1所示的电路图中，首先执行步骤401，即：实时控制第一开关管S1和第二开关管S2导通且控制第三开关管S3和第四开关管S4关断，以使低压侧电压VL的能量被传递至第二电感L2，第一电感L1被低压侧电压VL励磁，能量存储于电容C，并且高压侧负载电容CH对高压侧负载进行放电，此时电流流向如图4所示；再执行步骤402，即：控制第一开关管S1和第二开关管S2关断且控制第三开关管S3和第四开关管S4导通，以使低压侧电压VL对电容C充电，能量存储于第二电感L2中，并且低压侧电压VL对高压侧负载电容CH充电，能量存储于第一电感L1中，此时电流流向如图5所示。然后继续执行步骤401和步骤402，如此反复，通过循环执行步骤401和步骤402实现升压直流转换。

在升压(Boost)模式时，在开关管占空比为D的情况下，该双向直流转换装置升压比为1/(1-D)^2，，是单级Boost电路升压比的平方，相当于两级Boost电路串联，从而提高了升压比，简化了电路。

图6示出了本实用新型实施例提供的电梯控制系统的模块结构，为了便于说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，详述如下：

一种电梯控制系统，电梯控制系统包括能量存储组件02和如上述的双向直流转换装置01。

能量存储组件02配置为根据充电电压进行充电，并输出电池电压。上述双向直流转换装置01与能量存储组件02连接，配置为当电机输出的泵升电压小于供电电压时，根据电池电压生成供电电压以对电机00进行供电，当电机00输出的泵升电压大于供电电压时，根据泵升电压生成充电电压。

其中，双向直流转换装置01和电机00连接于直流母线，双向直流转换装置01用来实现直流母线与能量存储设备之间的双向能量交换。

双向直流转换装置01存在三种工作模式：1)对能量存储组件02充电时，双向直流转换装置01工作在Buck模式下，双向直流转换装置01从直流母线获取能量，经降压后将能量存储在能量存储组件02中。2)对直流母线的电压进行稳压输出时，双向直流转换装置01工作在Boost模式下，双向直流转换装置01从能量存储组件02获取能量，经升压后将能量用于支撑直流母线的电压。3)当电梯冷启动时，直流母线的电压为零，双向直流转换装置01工作在Boost模式下，双向直流转换装置01从能量存储组件02获取能量，经升压后将能量用于支撑直流母线的电压，但通过限制开关管占空比的以及逐波限流的方式限制电流，直到母线电压高于某一设定值后进入Boost模式。

实际应用中如果直流母线的电压或能量存储组件02的电压等级变化导致升压比或降压比变化，可以对双向直流转换装置01的拓扑进行修改适当增加或减少相数以进行适应。

作为示例而非限定，能量存储组件02可以为铅酸电池，铁锂电池或者超级电容。

通过上述电梯控制系统，可以实现以下有益效果：1)停电不停机和救援一步到位；对于电梯来说外部停电是一个无法避免的问题，怎样在保护客户安全的前提下，最大程度的照顾乘客的体验感是一个需要迫切解决的问题。由于内置的双向直流转换装置不存在控制方法的切换，电梯控制系统可以全程处于在线式工作状态，电梯系统在电梯运行过程中实时检测曳引机的运行状态，一旦电梯外部停电，可以在极短时间内启动，保证将电梯轿厢慢速运行到就近层站停靠，打开轿门和厅门，整个过程平滑过渡，客户不会有不舒适感。2)实现能源的综合利用；通常电梯在轻载上行，重载下行和减速停梯状态下，会有多余的能量产生，目前最常见的解决方法是通过发热电阻消耗掉，这样造成了巨大的能量浪费，上述电梯控制系统可以解决这个问题，电梯系统可以将电机发电产生的电能存入能量存储组件，在直流母线电压低或者外部停电状况时可以反馈给直流母线，保证电梯稳定运行做到能源的综合利用。同时上述电梯控制系统也可以与太阳能发电装置相配合，保证能量存储组件电量充足。3)增强电梯系统的稳定性，延长电梯的使用寿命；同时电梯系统在电梯运行过程中可以将电机发电产生的电能存入能量存储装置，在直流母线的电压低或者外部停电状况时可以反馈给直流母线保持直流母线的电压的恒定，当直流母线的电压升高时上述电梯控制系统也会起作用将高于某一母线电压值的电压由能量存储组件吸收，同样保持直流母线的电压稳定于某一数值，保证电梯运行正常，使电梯内部电子元器件工作环境电压稳定，减少电梯内部元器件损耗，降低电梯的故障率，延长电梯的使用寿命。

如图7所示，电梯控制系统还包括控制组件03。

控制组件与第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3以及第四开关管S4连接，用于生成第一控制信号和第二控制信号。

具体地，第一开关管S1和第二开关管S2接入第一控制信号，第三开关管S3以及第四开关管S4接入第二控制信号。

当升压比或降压比变化值较低时也可以通过软件修改控制组件的控制方法，在不修改硬件的前提下关闭一相桥臂等效为单相拓扑以满足低升/降压比的需求。

双向直流转换装置01工作模式的切换以及各模式下开关管的导通和关断均由控制组件控制完成，通过恰当的设计闭环控制方法，双向直流转换装置01工作在Boost模式以及Buck模式下时，不需要像传统双向直流转换装置一样使用两套不同的控制策略，只需要改变控制组件是给定电流的大小(如给定电流大于零代表双向直流转换装置01从能量存储组件02获取能量，给定电流小于零代表双向直流转换装置01将能量存储在能量存储组件02中)，即可在使用同一套控制策略的情况下，迅速切换能量流动方向，完成储能装置充放电的零延迟切换。具体地，可以通过改变第一控制信号的占空比和/或第二控制信号的占空比以改变控制组件是给定电流的大小，从而调节双向直流转换装置01的输出电压。

如图8所示，电梯控制系统还包括辅助电源电路04。

辅助电源电路04与双向直流转换装置01和控制组件03连接，用于根据供电电压或泵升电压生成辅助电压以对控制组件进行供电。

电梯控制系统的供电电源采用辅助电源电路以提供稳压直流电源，与供电电源隔开，保证电梯控制系统供电电压稳定，干扰减少，使系统运行更稳定。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种双向直流转换装置，其特征在于，所述双向直流转换装置包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一电感、第二电感以及电容；

所述第一电感的第一端和所述第二电感的第一端共同构成所述双向直流转换装置的第一正极输入输出端，所述第一电感的第二端与所述第四开关管的漏极和所述第一开关管的源极连接，所述第四开关管的源极为所述双向直流转换装置的第二正极输入输出端，所述第二电感的第二端与所述电容的第一端和所述第二开关管的源极连接，所述电容的第二端与所述第一开关管的漏极和所述第三开关管的漏极连接，所述第二开关管的漏极和所述第三开关管的源极共同构成所述双向直流转换装置的负极输入输出端。

2.如权利要求1所述的双向直流转换装置，其特征在于，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管以及第四开关管为场效应管或者IGBT管。

3.如权利要求1所述的双向直流转换装置，其特征在于，所述电容为电解电容。

4.一种电梯控制系统，其特征在于，所述电梯控制系统包括能量存储组件和如权利要求1至3任意一项所述的双向直流转换装置；

配置为根据所述充电电压进行充电，并输出电池电压的能量存储组件；

与所述能量存储组件连接，配置为当电机输出的泵升电压小于供电电压时，根据所述电池电压生成所述供电电压以对电机进行供电，当电机输出的所述泵升电压大于所述供电电压时，根据所述泵升电压生成所述充电电压的所述双向直流转换装置。

5.如权利要求4所述的电梯控制系统，其特征在于，所述电梯控制系统还包括：

与第一开关管、第二开关管、第三开关管以及第四开关管连接，用于生成第一控制信号和第二控制信号的控制组件。

6.如权利要求5所述的电梯控制系统，其特征在于，所述电梯控制系统还包括：

与所述双向直流转换装置和所述控制组件连接，用于根据所述供电电压或所述泵升电压生成辅助电压以对所述控制组件进行供电的辅助电源电路。

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