CN102367143A - 节能型电梯驱动及能量转换装置 - Google Patents

Abstract

一种用于电梯均衡用电的节能型电梯驱动及能量转换装置，它解决了现有市电电源停供的情况下电梯无法运行和用电高峰时运行电梯加剧电力供应矛盾等问题，其技术要点是：在直流电池组的输入端并联有太阳能电源，输出端通过直流母线及整流逆变单元与曳引机的电机连接，作为控制开关的IGBT模块组装在壳体的底部，紧贴散热片，并在散热片侧面设置控制IGBT模块工作温度的调速风扇；控制回路的各单元的控制板采用层叠方式顺序放置。其设计合理，结构紧凑，电源能量转换及时，用电匹配合理，有效地调整了电梯驱动装置用电负荷与电力***用电波峰、波谷之间的关系，减少因直流变换成交流造成的能量损失，达到节能和提高电梯运行效率的目的。

Description

节能型电梯驱动及能量转换装置

技术领域

本发明涉及一种用于电梯均衡用电的控制装置，特别是一种利用直流电池组直接对驱动***的直流母线进行充电，调整电梯驱动装置用电负荷与电力***用电波峰、波谷之间关系的节能型电梯驱动及能量转换装置。属于载人、载货升降设备技术领域。

背景技术

现有的电梯***等载人、载货升降设备，一般主要由轿厢、对重、曳引机及驱动装置等构成，曳引机通过曳引用钢丝绳连接电梯轿厢及对重，通常对重的重量约为轿厢的自重连同额定载重的40-60%。电梯的曳引机大多采用变频调速的驱动方式，由市电电源直接供给变频器，再经变频器变换调制后供给曳引机。电梯***主要有两种工作状态，其一是耗电状态：电梯的轿厢侧重量大于对重侧重量时，电梯轿厢向上运行；电梯的轿厢侧重量小于对重侧重量时，电梯轿厢向下运行的两种工况。其二是发电状态：电梯的轿厢侧重量大于对重侧重量时，电梯轿厢向下运行；电梯的轿厢侧重量小于对重侧重量，电梯轿厢向上运行的两种工况，势能做功，电梯处于发电状态。

在电梯处于发电状态时，通常的做法是将曳引机发出的电能回馈到变频器的直流母线上。此时，将造成直流母线电压的升高，当直流母线上电压值高于给定的阈值时，再从直流母线上将电能引出经逆变换成工频交流市电回馈到电网。因此，逆变换的电压、频率、及相位等参数要求较高，否则将变影响市电的品质。通常的做法还有：将该发出的电能通过制动电阻的发热消耗掉的方法，这种方法不适合当前节能减排要求；设置小容量的直流应急电源，其主要的作用是当市电电源发生停电时，作为后备的直流电源***提供电梯就近停靠，打开电梯门，完成人员的解困等，但这种小容量的直流应急电源无法提供电梯***的正常运行所需要的电能。如果想保证电梯能在市电电源停供的情况下运行，只能采用增加独立的多组应急电源同时供电，并可快速度切换的方法，来消除暂时某一路电源停供可能造成的电梯停运。

如公开号为CN1425214A的“交流电梯电源装置”采用镍氢电池作为能量存储装置，利用电源装置的直流母线环节充电，没能使用电波谷时的电能有效利用，也不能使用太阳能这一清洁能源；公开号为CN1835329A的“一种电梯用混合蓄能装置及其控制方法”采用了超级电容和蓄电池，充电电源利用电网电源或直流母线环节，没能有效利用电波谷时的电能，也不能使用太阳能这一清洁能源；公开号为CN101262139A“电梯专用太阳能转换控制装置”利用了太阳能，但不能将夜间用电波谷时的电能合理利用到白天用电波峰时段。

由于当前电梯等升降设备常采用市电电源经（变频器）整流、（脉宽）调制后，用于对曳引机进行供电。当电梯***处于发电状态时，该***还可将曳引机的电机所产生的电能回馈到电网***；当为电梯***供电的市电电源停电时，在没有备用电源的情况下电梯***一般无法再进行工作。同时，通常电梯***主要的运行时间在白天，白天通常也是用电的高峰时间，电梯***作为民用建筑中主要的用电设备之一。当夜间到来时，电梯的使用频率也降低直至停止工作，此时也是电网***的波谷期。因此，用电高峰时电梯的运用在某种程度上也加剧了电力供应的矛盾。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于电梯均衡用电的节能型电梯驱动及能量转换装置，它解决了现有市电电源停供的情况下电梯无法运行和用电高峰时运行电梯加剧电力供应矛盾等问题，其设计合理，结构紧凑，电源能量转换及时，用电匹配合理，有效地调整了电梯驱动装置用电负荷与电力***用电波峰、波谷之间的关系，减少因直流变换成交流造成的能量损失，达到节能和提高电梯运行效率的目的。

本发明所采用的技术方案是：该节能型电梯驱动及能量转换装置包括与市电电源相连接的整流逆变单元、直流电池组、曳引机和将曳引机发出的电能回馈到直流电池组的直流母线，以及充、放电控制回路，其技术要点是：在所述直流电池组的输入端并联有太阳能电源或非市电的电源，直流电池组的输出端通过直流母线及整流逆变单元与曳引机的电机连接，作为控制开关的IGBT模块组装在壳体的底部，紧贴散热片，并在散热片侧面设置控制IGBT模块工作温度的调速风扇；控制回路的主控单元、充电单元、自动转换单元和整流逆变单元的控制板采用层叠方式顺序放置，充电单元叠放在自动转换单元的正上方；主控单元叠放在整流逆变单元正上方；主控单元与整流逆变单元的端口通过扁平电缆连接，充电单元与自动转换单元通过端口之间的扁平电缆传输驱动信号和电源信号，主控单元利用扁平电缆连接到充电单元；而直流母线通过自动转换单元的端口与整流逆变单元的端口用硬线进行连接，做为主回路的在市电电源无法满足需求的时候迅速提供保证电梯正常运行的电能的一个通道。

由IGBT模块构成的D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8和D9的所述控制开关中，D1、D4作为从直流母线为直流电池组充电的控制开关；D2、D3作为直流电池组放电的控制开关；D5作为能耗制动控制开关；D6、D7作为市电电源的导通或隔离控制开关；D8、D9作为利用太阳能为直流电池组充电的控制开关。

本发明具有的优点及积极效果是：由于本发明的直流电池组的输入端并联有太阳能电源或非市电的电源，直流电池组的输出端通过直流母线及整流逆变单元与曳引机的电机连接，作为控制开关的IGBT模块组，组装在壳体的底部，紧贴散热片，并在散热片侧面设置控制IGBT模块工作温度的调速风扇，控制回路的主控单元、充电单元、自动转换单元和整流逆变单元的控制板采用层叠方式顺序放置，所以其设计合理，结构紧凑。因该能量转换装置采用绝缘栅式双极晶体管（ IGBT）模块构成的控制开关，通过自动转换单元进行控制，结合波谷蓄能技术、太阳能发电技术，故电源能量转换及时，用电匹配合理，有效地调整了电梯驱动装置用电负荷与电力***用电波峰、波谷之间的关系，并能够充分利用太阳能，达到节能和提高电梯运行效率的目的。因此，它解决了现有市电电源停供的情况下电梯无法运行和用电高峰时运行电梯加剧电力供应矛盾等问题。

其工作原理是：由于直流电池组的存在，对输入的电能进行的储存和缓冲，调整了电梯***用电负荷与电力***用电波峰、波谷之间的关系，将原来在电力***用电的波峰转移到了波谷用电，相当于节约了能源，促进了节能减排；同时在上述***还可引入太阳能电源（太阳能发电板或其它非市电电源）对电梯驱动装置进行供电，由于太阳能电源直接输出的直流电可用于对驱动装置的直流母线进行供电，当其有更多的电能余量时，也可用于对直流电池组的充电。再者，由于引入了直流电池组做为电梯驱动的电源，而不再是应急的驱动电源，可以最大的限度的减少电梯由于市电电源停电造成的停梯关人不能运行问题。另外，直流电池组可以直接对驱动***的直流母线进行充电，不再进行变换，减少了部分因为直流变换成交流造成的能量损失，而直流电池组的充电是在电力***处于波谷时进行充电的，其变换的造成的能量损失与在波峰用电相比可以认为节能的。

附图说明

以下结合附图对本发明作进一步描述。

图1是本发明的一种具体结构的分解示意图。

图2是本发明采用电池组供电时的原理图。

图3是本发明采用市电供电时的原理图。

图4是本发明的一种自动转换电路的电气控制原理图。

图中序号说明：1主控单元（IC1）、2充电单元（IC2）、3自动转换单元、4整流逆变单元（AC/DC）、5控制开关（D1～D9）、6散热片、7风扇、E1、E2……En 直流电池组、DC+/DC- 直流母线、M曳引机的电机。

具体实施方式

根据图1～4详细说明本发明的具体结构。该节能型电梯驱动及能量转换装置包括与市电电源相连接的AC/DC整流逆变单元4，与整流逆变单元4选择性连接的直流电池组E1、E2……En，曳引机和将曳引机发出的电能回馈到直流电池组的直流母线，以及充、放电控制回路。其中在直流电池组的输入端通常可选择的并联太阳能电源或其它的非市电的电源，直流电池组的输出端连接直流母线DC+/DC-及整流逆变单元4，整流逆变单元4的输出端与曳引机的电机M连接，用来对电机M供电。其中控制回路的

IC1主控单元1主要以CPU1为控制核心，其***电路包括直流母线的电压检测电路与输出控制电路、***工作状态显示电路、串口数据上传的通讯电路和键盘电路等。

IC2充电单元2主要以CPU2为控制核心，其***电路包括直流电池组电压及环境的温度检测电路、通讯电路、电流检测电路和电压检测电路等。

自动转换单元3主要由充电电路、放电电路、电池组电压检测电路、由D1～D9（IGBT模块）作为控制开关5构成的分组切换电路和输出短路保护电路等构成。

整流逆变单元4包括驱动隔离电路、整流电路、逆变电路、供电电源电路、风扇风速调整电路、负载电流检测电路等构成。

上述控制回路中的 IC1主控单元1、IC2充电单元2、自动转换单元3和整流逆变单元4的控制板采用层叠方式顺序放置，因此，整体结构紧凑。它解决了现有控制回路的电路板采用分立结构所带来的占用空间大、需连接一定长度电缆、维护困难等问题。其采用层叠方式放置的顺序是：IC2充电单元2叠放在自动转换单元3的正上方；IC1主控单元1叠放在整流逆变单元4正上方。IC1和IC2两个单元可分别进行单边自由旋转，各单元电路损坏时，可随时替换损坏部分，方便维修。作为控制开关5的大功率IGBT模块组装在壳体的底部，紧贴散热片6，并在散热片6的侧面设置可调速风扇7，控制IGBT模块工作温度。各个控制单元之间仅用极短的排线连接即可：即IC1主控单元1的端口X40通过14针扁平电缆连接到整流逆变单元4的端口X19，端口X50通过20针扁平电缆连接到整流逆变单元4的端口X20。IC1主控单元1的端口X31通过50针扁平电缆连接到IC2充电单元2的端口X10，对两者之间的通讯信号，实时交换信息对整个***进行监控，调高效率。IC2充电单元2的端口X7与自动转换单元3的端口之间由一个20针扁平电缆连接，传输驱动信号和电源信号。而直流母线DC+/DC- 通过自动转换单元3的端口X5和X6与整流逆变单元4的端口X1和X2用硬线进行连接，做为主回路的一个通道，在市电电源无法满足需求的时候迅速提供电能给***保证电梯的正常运行。

其中IC1的输出控制电路全部通过隔离光耦驱动控制整流逆变单元4的输出，使得曳引机等负载得到良好的控制波形。电压检测电路通过实时检测整流逆变单元4的输出电压，能够在异常情况下迅速切断输出电路，停止工作，防止危险发生。键盘电路与显示电路主要是对***各个单元的电压电流和频率等参数进行设置或者监测。另外还包括***运行时间、故障记录和***信息等参数。

IC2充电单元2主要针对直流电池组，在外部提供电能的过程中，通过电压检测电路每隔1ms对直流电池组电压进行检测，并将直流电池组是否已经充满的信息通过端口X31实时传递给IC1进行相关控制。在充电过程中，通过电流控制电路对充电电流进行控制。同时，通过传感器和温度检测电路对直流电池组温度进行检测，实时传递给IC1主控单元1。自动转换单元3通过电压检测电路对直流母线电压实时监测，在用电高峰和用电低谷时，利用分组切换电路选择充电电路和放电电路对直流母线进行切换，使得整个电梯对电能的利用率提高。保护电路针对工作过程中的电压超过阀值及时对整个单元进行保护，防止烧毁其他电路单元。

整流逆变单元4是整个***的功率单元，完成基本的整流、逆变功能的同时，提供整个***的电源回路。隔离电路将高压和低压部分完全隔离，避免电路异常时烧毁整个***。负载检测电路和风扇7的调速电路相互配合，轻载时，风扇7低速运行，重载时，风扇7高速运行，保护核心部件IGBT在正常的温度范围内工作，保护***的安全。

在本实施例中分别采用绝缘栅式双极晶体管（ IGBT）模块构成的D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8和D9作为控制开关5。其中D1、D4作为从直流母线为直流电池组充电的控制开关；D2、D3作为直流电池组放电的控制开关；D5作为能耗制动控制开关；D6、D7作为市电电源的导通或隔离控制开关；D8、D9作为利用太阳能电源为直流电池组充电的控制开关。

当采用市电电源供电时，可通过带有CPU中央处理器的IC1主控单元1控制D6、D7的导通，将市电电源接入为电梯提供电源；当发生停电或采用直流电池组供电时IC1主控单元1控制D6、D7的截止，将市电电源隔离；当夜间处于用电低谷，并且IC1主控单元1检测到电梯处于待机状态（无人使用电梯）时，控制D1、D4导通，D2、D3关断，可利用市电电源为直流电池组E1、E2……En充电；也可用同样的方式在电机处于发电状态，使得直流母线之间电压高于阀值时，开启D1、D4为直流电池组充电；当白天***检测到直流电池组电压低时，还可使用太阳能电源为直流电池组充电，IC1主控单元1通过控制D1、D2、D3、D4关断，IC2充电单元2控制D8、D9导通时，可利用太阳能电源或其它非市电电源为直流电池组充电，IC1与IC2之间采用双口RAM进行实时通讯，交换***信息；当白天处于用电高峰时，可利用直流电池组中存储的电能驱动电梯，由IC1主控单元1控制D2、D3导通，D1、D4关断，释放直流电池组E1、E2……En储存的电能用于驱动电梯运行，从而起到均衡用电的目的。直流电池组E1、E2……En的充电、放电过程可以分别控制，也可以同时控制。

实施例：

与市电电源相连接的整流逆变单元4用来完成对交流市电进行整流，变成可对直流电池组及直流母线供电的直流电；与整流逆变单元4选择性连接的直流电池组E1、E2……En，将整流后的直流电完成对直流电池组的充电；整流逆变单元4包含直流母线及整流电路、逆变电路，将整流后的直流电完成对直流母线的充电；在直流电池组的输入端通常可选择的并联有太阳能电源或其它的非市电的电源输入，非市电的电源输入通常是直流电源或其它交流电源经变换成直流电源并高于直流电池组的输出电压，以保证能对直流电池组进行充电。直流电池组的输出连接包含直流母线及整流逆变单元4，该单元的输出与曳引机的电机M连接，用来对电机M供电，当电梯***处于发电状态时，由电机M发出的电能也可以通过逆变电路回馈到直流母线上使直流母线电压升高，当直流母线上的电压值高于规定阈值时，直流母线反向对直流电池组充电。各电源之间的转换可通过IGBT模块组的导通或截止来控制。

其工作原理是：IC1主控单元1通过内部***时钟电路判断当电梯处于用电的波谷时间（如晚上），通过控制D1、D4导通，将市电转化成直流电存储于直流电池组E1、E2、……En中，同时，在电梯运行时的发电状态下也将其发出的电能由直流母线上通过D1、D4直接供给到直流电池组中，用于给直流电池组充电。当电梯工作时，直接以直流电池组给曳引机供电，曳引机可采用直流无刷曳引机或永磁同步曳引机，当采用直流无刷曳引机时，直流电池组直接向变频器（控制器）的直流母线供电，当直流母线高于规定阈值时（曳引机处于发电状态 ），此时直流母线将反向直流电池组充电，将多余的电能储存于直流电池组中，此时电梯相当于采用自身直流电池组储存的电力完成电梯的驱动，外界的市电只有当电梯的电池组中的电力不足时，才将该电力引入电梯驱动***中，此时如处于电力***的用电高峰期待时，优先满足对电梯驱动的用电需要，当此时的电力***的用电处于波谷时则优先完成对电梯的电池组充电，由于电梯的直流电池组的存在，对输入的电能进行的储存和缓冲，调整了电梯***用电负荷与电力***用电波峰波谷之间的关系，将原来在电力***用电的波峰用电转移到了波谷用电，相当于节约了能源，促进了节能减排；同时在该装置还可通过自动转换单元利用太阳能电源的能量对电梯驱动***进行供电，通过自动转换单元直接输出的直流电可用于对驱动曳引机的直流母线进行供电，当其有更多的电能余量时，也可用于对电梯直流电池组的充电。再者，由于引入了直流电池组做为电梯驱动的电源***，而不再是应急的驱动的电源，可以最大的限度的减少电梯由于市电停电造成的停梯关人不能运行问题。另外，直流电池组可以通过自动转换单元提供的通道直接对驱动***的直流母线进行充电，不再进行变换，减少了部分因为直流变换成交流造成的能量损失，而直流电池组的充电是在电力***处于波谷时进行充电的。

其工作过程如下：

1、采用交流市电对直流电池组E1进行充电，同时当电梯运行在发电状态下时所产生的电能也由直流母线对直流电池组E1进行充电，同时充满电的直流电池组E2用来给曳引机驱动的直流母线及其它附件供直流电，用来驱动电梯运行，当直流电池组E2电能消耗终止时，将曳引机的供电切换到直流电池组E1，此时通过市电电源及电梯运行在发电状态下时所产生的电能对直流电池组E2进行充电，如此完成对所有直流电池组En的充、放电。

2、采用交流市电电源及太阳能电源对直流电池组E1进行充电，同时当电梯运行在发电状态下时所产生的电能也由直流母线对直流电池组E1进行充电，同时充满电的直流电池组E2用来给曳引机的变频器的直流母线及其它附件供直流电，用来驱动电梯运行，当直流电池组E2电能消耗终止时，将曳引机的供电切换到直流电池组E1，此时通过太阳能电源、市电电源及电梯运行在发电状态下时所产生的电能对直流电池组E2进行充电，如此完成一个循环。

Claims (2)

1.一种用于电梯均衡用电的节能型电梯驱动及能量转换装置，包括与市电电源相连接的整流逆变单元、直流电池组、曳引机和将曳引机发出的电能回馈到直流电池组的直流母线，以及充、放电控制回路，其特征在于：在所述直流电池组的输入端并联有太阳能电源或非市电的电源，直流电池组的输出端通过直流母线及整流逆变单元与曳引机的电机连接，作为控制开关的IGBT模块组装在壳体的底部，紧贴散热片，并在散热片侧面设置控制IGBT模块工作温度的调速风扇；控制回路的主控单元、充电单元、自动转换单元和整流逆变单元的控制板采用层叠方式顺序放置，充电单元叠放在自动转换单元的正上方；主控单元叠放在整流逆变单元正上方；主控单元与整流逆变单元的端口通过扁平电缆连接，充电单元与自动转换单元通过端口之间的扁平电缆传输驱动信号和电源信号，主控单元利用扁平电缆连接到充电单元；而直流母线通过自动转换单元的端口与整流逆变单元的端口用硬线进行连接，做为主回路的在市电电源无法满足需求的时候迅速提供保证电梯正常运行的电能的一个通道。

2.根据权利要求1所述的节能型电梯驱动及能量转换装置，其特征在于：由IGBT模块构成的D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8和D9的所述控制开关中，D1、D4作为从直流母线为直流电池组充电的控制开关；D2、D3作为直流电池组放电的控制开关；D5作为能耗制动控制开关；D6、D7作为市电电源的导通或隔离控制开关；D8、D9作为利用太阳能为直流电池组充电的控制开关。

Images