CN102923537A - 超级电容储能式电梯一体化驱动控制装置 - Google Patents

超级电容储能式电梯一体化驱动控制装置 Download PDF

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Abstract

超级电容储能式电梯一体化驱动控制装置。提出将电梯运行控制子***和电梯节能控制子***集成化处理，设计一种超级电容储能式电梯一体化驱动控制装置，实现两个控制子***共用一个CPU处理器，简化***硬件结构，降低***调试难度。同时，在电梯节能控制子***中加入蓄电池组及其管理模块，一方面作为电梯的附加电源模块，另一方面作为电梯回馈能量的储存单元，并在一定条件下与超级电容器共同作用，为电梯运行提供电能。

Description

超级电容储能式电梯一体化驱动控制装置
技术领域
本发明涉及电梯一体化驱动控制装置，尤其涉及超级电容器储能式电梯，特别地，将电梯运行控制子***与电梯节能控制子***进行集成，属于一体化控制及电梯节能相关技术领域。
背景技术
随着我国经济的快速发展，我国在用电梯数量高达200万台有余，并仍以每年20%以上的速度快速增长，电梯作为耗电大户，其节能技术已成为解决电力资源短缺问题的重要途径。
当电梯轻载上行，重载下行或制动时，电梯处于再生发电状态，这部分再生电能通过逆变器续流二极管作用于中间直流滤波电容后，产生泵升电压，严重威胁***的工作安全。对此，传统解决方式采用能耗电阻消耗这部分再生电能，这种将再生电能通过能耗电阻以热能形式消耗的制动方式，虽然简单方便，但不仅没有起到节能效果，而且会因为通过发热形式消耗该部分能量，因此导致机房温度过高，增加散热成本，造成能源二次浪费。
另一种处理电梯再生电能的方式是采用能量回馈装置，目前，国内外对电梯能量回馈技术已有一定的研究基础：（1）回馈电网式电梯再生能量技术：由于电梯运行时功率变化幅值较大，故此类装置会向电网注入大量谐波，同时反馈能量的不连续性都会对电网造成很大的负面影响；（2）超级电容回馈电梯再生能量技术：这是一种直接就地储存、就地消耗的电梯能量回馈装置，避免了电梯再生能量流入电网，减少对电网的冲击。
正因为如此，超级电容回馈电梯再生能量技术已经受到人们的普遍认可，但目前现有装置存在尚且需要改进的地方：（a）超级电容储能式电梯能量回馈装置中，电梯运行控制子***与节能控制子***之间是相对独立的，这种独立控制方式一方面不便于***调试，另一方面由于信号连接及信号干扰等问题，两个独立的子***之间的协调性差。（b）考虑到超级电容的性价比、体积、能量密度等相关参数，超级电容器容量设计要求其在每次放电过程之后，保证电梯在发生停电故障时满足就***层要求，这样的设计只是降低了故障风险，当电梯为特种电梯设备或发生火灾等重大灾害时，传统的设计方式则不能满足要求。
发明内容
本发明专利的目的在于提出一种超级电容储能式电梯一体化驱动控制装置，将电梯运行控制和电梯节能控制两个子***集成使用一个CPU处理器，然后利用通信电路完成与上位机之间的通信，节省硬件资源，简化软件结构，降低调试难度，同时，加入蓄电池及其管理模块，保证电梯安全、高效节能运行。
本发明提供的超级电容储能式电梯一体化驱动控制装置，包括电梯运行控制子***和电梯节能控制子***；
电梯运行控制子***主电路（Ⅰ）由第一接触器（KM1）、不可控整流器（1）、缓冲电路（2）、滤波电容（3）、直流母线（4）、制动单元（5）、逆变器（6）以及电梯曳引机（7）组成；电梯运行控制子***主电路（Ⅰ）首先通过第一接触器（KM1）连接到外部三相电网，三相交流电通过不可控整流器（1）进行整流处理后变为直流信号，该直流信号经过缓冲电路（2）及滤波电容（3）处理后，沿直流母线（4）传送至逆变器（6），经逆变器（6）逆变处理转换为电梯曳引机（7）所需要的交流信号，其中，缓冲电路（2）的输入端与不可控整流器（1）的交流侧连接，输出端通过直流母线（4）连接至滤波电容（3）的正极，制动单元（5）与滤波电容（3）均并联在直流母线（4）的正负电压两端上；
电梯节能控制子***主电路（Ⅱ）由双向DC/DC变换器（8）、超级电容器（9）、第三接触器（KM3）、蓄电池管理电路（10）、第二接触器（KM2）以及蓄电池组（11）组成；其中，双向DC/DC变换器（8）并联在电梯运行控制子***中的直流母线（4）的正负电压两端，另一侧并联超级电容器（9）；蓄电池管理电路（10）通过第三接触器（KM3）与超级电容器（9）并联，蓄电池管理电路（10）另一侧通过第二接触器（KM2）连接到外部交流电网的a相上，蓄电池管理电路（10）的输出连接蓄电池组（11）。
电梯运行控制子***和电梯节能控制子***共用控制电路（Ⅲ），该控制电路由电源电路（13）、DSP控制模块（14）、信号采样调理电路（15）、通信电路（16）、上位机（17）、显示及报警电路（18）和隔离驱动电路（19）组成；
所述电源电路（13）与电梯节能控制子***主电路（Ⅱ）中的蓄电池组（11）连接，由蓄电池组11提供电能，用于产生3.3V、5V、±12V和±15V弱电直流电源信号，以供给整个电梯一体化驱动控制装置的控制电路（Ⅲ）中相应单元；
所述蓄电池组（11）除了为电梯的照明、风扇提供交流电源信号以及为电梯一体化驱动控制装置的控制电路（Ⅲ）提供弱电直流电源信号外，另一方面，还与超级电容器（9）共同作为回馈能量的吸收储存单元，且在发生停电故障时作为应急电源，与超级电容器（9）共同作用为电梯提供电能。
所述信号采样调理电路（15）用于对电梯节能控制子***主电路（Ⅱ）中的超级电容器（9）的端电压及电流，以及电梯运行控制子***主电路（Ⅰ）中的直流母线（4）的电压、电梯曳引机（7）的定子端电压参数进行采样调理，并发送至CPU控制模块进行分析处理，CPU控制模块采用DSP控制模块（14），DSP控制模块（14）与信号采样调理电路（15）连接，用于接收来自信号采样调理电路（15）的信号，进行分析后发出控制信号，经过隔离驱动电路（19）作用后控制整个一体化驱动控制装置，同时DSP控制模块（14）还通过通信电路（16）完成与上位机（17）的通信。
所述电梯一体化驱动控制装置的控制电路（Ⅲ）为电梯运行控制子***主电路提供的软件信号包括：处理电梯故障报警信号及其他逻辑控制信号等。其中所述故障报警故障信号用于在检测到***发生故障时，自动切换超级电容储能式电梯一体化驱动控制装置进入安全模式；其中，所述其他逻辑信号包括用于处理电梯曳引机及变频器等相关设备的控制信号等。
所述电梯一体化驱动控制装置的控制电路（Ⅲ）为电梯节能控制子***主电路提供的软件信号包括：超级电容器（9）和双向DC/DC变换器（8）的控制信号，用于完成电梯再生能量的储存及再利用。
所述的缓冲电路（2）由电感（Ls）和开关（SB1）并联组成，用于在滤波电容（3）充放电时起缓冲作用。
所述的制动单元（5）由能耗电阻（Rs）和开关管（T1）串联组成，保留制动单元（5）的目的是作为超级电容储能式电梯一体化驱动控制器的一种安全模式状态。
所述的蓄电池管理电路（10）由蓄电池充电机和蓄电池状态信息监测电路组成。其中蓄电池状态信息监测电路由凌力尔特电池监控IC LTC6802堆叠使用，配合相应的***电路，用于完成对电池电压、充放电电流监测以及对剩余电量的预测估计。
所述的信号采样调理电路（15）包括电压传感器、电流传感器、编码器以及相应的信号调理电路，分别用于对电梯运行控制子***主电路（Ⅰ）中的直流母线（4）电压(Udc)、超级电容器（9）端电压(Usc)、超级电容器（9）电流(Isc)、电梯节能控制子***主电路（Ⅱ）中的电机转轴角位移/线位移θ/S信号、电机定子端电压（Us）以及电机定子电流（Is）进行采样调理。
所述相应的调理电路用于将采样数据转换为数据处理设备可以识别和接受的数据类型及范围，由滤波单元、放大电路及保护电路组成。具体电路结构根据采样信号类型及范围确定。
所述的蓄电池管理电路（10）的蓄电池组状态信息以及信号采样调理电路（15）采样并调理的相应信号，一并输送至DSP控制模块（14）中进行处理。
DSP控制模块（14）对上述采样信号进行分析处理后，输出控制信号，实现对电梯运行控制子***和电梯节能控制子***的同步控制。
所述的DSP控制模块（14）输出控制信号中的控制信号具体包括：（1）第一接触器（KM1）的控制信号、制动单元（5）的控制信号、逆变器（6）的控制信号以及电梯曳引机（7）的控制信号；（2）双向DC/DC变换器（8）的控制信号、第二接触器（KM2）和第三接触器（KM3）的控制信号以及蓄电池管理电路（10）的控制信号。
本发明的优点和积极效果：
1、本发明提出将电梯运行控制子***和电梯节能控制子***集成化处理，设计一种超级电容储能式电梯一体化驱动控制装置，提出两个控制子***共用一个CPU处理器，然后利用通信电路完成与上位机之间的通信，节省硬件资源，简化软件结构，降低调试难度。
2、本发明相比传统超级电容储能式电梯，增加蓄电池组及其管理模块，采用交流电网与超级电容器交替供电。蓄电池组作为电梯的附加电源模块，一方面为电梯照明、风扇及一体化驱动控制装置中的控制电路提供电源信号，另一方面，与超级电容器一起作为回馈能量的吸收储存单元，并且当发生停电故障时作为应急电源，与超级电容器共同作用为电梯提供电能。
3、当超级电容储能式电梯一体化驱动控制装置发生异常时，本发明提出的电梯一体化驱动控制***迅速切换至安全模式下，并发出警报，当异常解决后，***恢复正常工作。
附图说明
图1为超级电容储能式电梯一体化驱动控制装置整体结构框图；
图2为超级电容储能式电梯一体化驱动控制装置控制电路结构框图。
具体实施方式
本发明超级电容储能式电梯一体化驱动控制装置由电梯运行控制子***及电梯节能控制子***组成，具体实施方案结合图1说明。
超级电容储能式电梯一体化驱动控制装置主电路如图1所示，电梯运行控制子***的主电路结构为模块Ⅰ单元所示，由第一接触器KM1、不可控整流器1、缓冲电路2、滤波电容3、直流母线4、制动单元5、逆变器6以及电梯曳引机7组成。
具体来说：电梯运行控制子***主电路部分首先通过第一接触器KM1连接到外部三相电网，三相交流电通过不可控整流器1进行整流处理后变为直流信号，该直流信号经过缓冲电路2及滤波电容3处理后，沿直流母线4传送至逆变器6，经逆变器6逆变处理转换为电梯曳引机7所需要的交流信号。
其中所述缓冲电路2由电感Ls和开关SB1并联组成，用于在滤波电容充放电时起缓冲作用。缓冲电路2的输入端与不可控整流器1的交流侧连接，输出端通过直流母线连接至滤波电容的正极。
除此之外，制动单元5与滤波电容3均并联在直流母线的正负电压两端上，其中制动单元5由能耗电阻Rs和开关管T1串联组成。本发明中保留制动单元的目的是作为超级电容储能式电梯一体化驱动控制器的一种安全模式状态。
电梯节能控制子***主电路如图1模块Ⅱ单元所示，由双向DC/DC变换器8、超级电容器9、接触器KM3、蓄电池管理电路10、接触器KM2以及蓄电池组11组成。
其中，双向DC/DC变换器8并联在直流母线4的正负电压两端，另一侧并联超级电容器9。蓄电池管理电路10通过第二接触器KM2和第三接触器KM3分别连接到外部交流电网的a相和超级电容器9上。蓄电池管理电路10的输出连接蓄电池组11，蓄电池组11为电梯的照明、风扇以及超级电容储能式电梯一体化驱动控制装置的控制电路（Ⅲ）提供电源信号。
其中，蓄电池管理电路10由蓄电池充电机和蓄电池状态信息监测电路组成。其中蓄电池状态信息监测电路由凌力尔特电池监控IC LTC6802堆叠使用，配合相应的***电路组成，用于完成对电池电压、充放电电流监测以及对剩余电量的预测估计。
超级电容储能式电梯一体化驱动控制装置的控制电路部分如图模块Ⅲ所示，由电源电路13、DSP控制模块14、信号采样调理电路15、通信电路16、上位机17、显示及报警电路18、隔离驱动电路19组成。
其中，电源电路13由蓄电池组11提供电能，用于产生弱电直流电压信号（3.3V，5V，±12V，±15V），以供给本发明超级电容储能式电梯一体化驱动控制装置控制电路（Ⅲ）中相应的单元。信号采样调理电路15用于对电梯运行控制子***（Ⅰ）中超级电容器9的端电压及电流、直流母线4的电压、电梯节能控制子***（Ⅱ）中电梯曳引机7的定子端电压及电流等相关参数进行采样调理，并发送至电梯一体化驱动控制装置控制电路（Ⅲ）的CPU控制模块进行分析处理。CPU控制模块采用DSP控制模块14，接收来自蓄电池管理电路10和信号采样调理电路15的信号，进行分析后发出控制信号，经过隔离驱动电路19作用后控制整个一体化驱动控制装置，同时DSP控制模块14还通过通信电路16完成与上位机17的通信。
进一步地，上述的超级电容储能式电梯一体化驱动控制装置的控制电路结构如图2所示。
进一步地，信号采样调理电路15包括电压传感器、电流传感器、编码器以及相应的信号调理电路，分别用于对直流母线电压Udc、超级电容器端电压Usc、超级电容器电流Isc、电机转轴角位移/线位移θ/S信号、电机定子端电压Us以及电机定子电流Is进行采样。这些采样数据经过调理电路15调理后输送至DSP控制模块14中。
更进一步地，所述相应的调理电路用于将采样数据转换为数据处理设备可以识别和接受的数据类型及范围，由滤波单元、放大电路及保护电路组成。具体电路结构根据采样信号类型及范围确定。
进一步地，蓄电池管理电路10中对蓄电池状态信息的监测电路，将蓄电池的状态信息经过调理后，输送至DSP控制模块14中进行处理。
进一步地，DSP控制模块14对上述采样调理信号进行分析处理后，输出控制信号，实现对电梯运行控制子***和电梯节能控制子***的同步控制。
更进一步地，上述的DSP控制模块输出控制信号中的控制信号具体包括：（1）接触器KM1的控制信号、制动单元5的控制信号、逆变器单元6的控制信号以及电梯曳引机7的控制信号；（2）双向DC/DC变换器8的控制信号、第二接触器KM2及第三接触器KM3的控制信号、蓄电池管理电路10的控制信号。
进一步地，信号采样调理电路15内包括三个电压传感器LEM1、LEM2、LEM3，两个电流传感器LEM4、LEM5，以及一个编码器。
进一步地，上述三个电压传感器LEM1~LEM3分别用于对直流母线电压、超级电容器电压以及电梯曳引机定子电压进行采样。
进一步地，上述两个电流传感器LEM4和LEM5分别用于对超级电容器电流、电梯曳引机定子电流进行采样。
进一步地，上述编码器用于对电机转轴的角位移/线位移信号进行采样，方便准确定位电梯轿箱位置及电梯曳引机转速。
更进一步地，上述由六个传感器得到的采样信号，经过相应的调理电路处理后，输送到DSP控制模块14的AD0~AD5寄存器中。
上述的DSP控制模块14采用TMS320F2812处理器。
进一步地，DSP控制模块14的两个事件管理器EVA和EVB均输出PWM信号，经过隔离驱动电路19作用后，分别控制逆变器6和双向DC/DC变换器8的工作状态。
进一步地，DSP控制模块14的5个I/O端口输出控制信号，经过隔离驱动电路19作用后，分别控制第一接触器KM1、第二接触器KM2、第三接触器KM3、制动单元以及电梯曳引机。
更进一步地，DSP控制模块14还通过通信电路16，实现与上位机17之间的相互通信。

Claims (8)

1.一种超级电容储能式电梯一体化驱动控制装置，其特征在于所述的一体化驱动控制装置包括电梯运行控制子***和电梯节能控制子***；
电梯运行控制子***主电路（Ⅰ）由第一接触器（KM1）、不可控整流器（1）、缓冲电路（2）、滤波电容（3）、直流母线（4）、制动单元（5）、逆变器（6）以及电梯曳引机（7）组成；电梯运行控制子***首先通过第一接触器（KM1）连接到外部三相电网，三相交流电通过不可控整流器（1）进行整流处理后变为直流信号，该直流信号经过缓冲电路（2）及滤波电容（3）处理后，沿直流母线（4）传送至逆变器（6），经逆变器（6）逆变处理转换为电梯曳引机（7）所需要的交流信号，其中，缓冲电路（2）的输入端与不可控整流器（1）的交流侧连接，输出端通过直流母线（4）连接至滤波电容（3）的正极，制动单元（5）与滤波电容（3）均并联在直流母线（4）的正负电压两端上；
电梯节能控制子***主电路（Ⅱ）由双向DC/DC变换器（8）、超级电容器（9）、第三接触器（KM3）、蓄电池管理电路（10）、第二接触器（KM2）以及蓄电池组（11）组成；其中，双向DC/DC变换器（8）并联在电梯运行控制子***中的直流母线（4）的正负电压两端，另一侧并联超级电容器（9）；蓄电池管理电路（10）通过第三接触器（KM3）与超级电容器（9）并联，蓄电池管理电路（10）另一侧通过第二接触器（KM2）连接到外部交流电网的a相上，蓄电池管理电路（10）的输出连接蓄电池组（11），并控制蓄电池组（11）为电梯的照明、风扇提供交流电源信号以及为一体化驱动控制装置的控制电路（Ⅲ）提供弱电直流电源信号；
电梯运行控制子***和电梯节能控制子***共用控制电路（Ⅲ），该控制电路由电源电路（13）、DSP控制模块（14）、信号采样调理电路（15）、通信电路（16）、上位机（17）、显示及报警电路（18）和隔离驱动电路（19）组成；其中，电源电路（13）与电梯节能控制子***主电路（Ⅱ）中的蓄电池组（11）连接，由蓄电池组11提供电能，用于产生3.3V、5V、±12V和±15V的弱电信号，以供给电梯一体化驱动控制装置的控制电路（Ⅲ）中相应单元，除此之外，蓄电池组（11）还与超级电容器（9）共同作为回馈能量的吸收储存单元，且在发生停电故障时作为应急电源，与超级电容器（9）共同作用为电梯提供电能；信号采样调理电路（15）用于对电梯节能控制子***主电路（Ⅱ）中的超级电容器（9）的端电压及电流，以及电梯运行控制子***主电路（Ⅰ）中的直流母线（4）的电压、电梯曳引机（7）的定子端电压参数进行采样调理，并发送至CPU控制模块进行分析处理，CPU控制模块采用DSP控制模块（14），DSP控制模块（14）与信号采样调理电路（15）连接，用于接收来自信号采样调理电路（15）的采样调理信号，进行分析后发出控制信号，经过隔离驱动电路（19）作用后控制整个一体化驱动控制装置，同时DSP控制模块（14）还通过通信电路（16）完成与上位机（17）的通信。
2.根据权利要求1所述的超级电容储能式电梯一体化驱动控制装置，其特征在于所述的缓冲电路（2）由电感（Ls）和开关（SB1）并联组成，用于在滤波电容（3）充放电时起缓冲作用。
3.根据权利要求1所述的超级电容储能式电梯一体化驱动控制装置，其特征在于所述的制动单元（5）由能耗电阻（Rs）和开关管（T1）串联组成，保留制动单元（5）的目的是作为超级电容储能式电梯一体化驱动控制器的一种安全模式状态。
4.根据权利要求1所述的超级电容储能式电梯一体化驱动控制装置，其特征在于所述的蓄电池管理电路（10）由蓄电池充电机和蓄电池状态信息监测电路组成。
5.根据权利要求1所述的超级电容储能式电梯一体化驱动控制装置，其特征在于所述的信号采样调理电路（15）包括电压传感器、电流传感器、编码器以及相应的信号调理电路，分别用于对电梯运行控制子***主电路（Ⅰ）中的直流母线（4）电压(Udc)、超级电容器（9）端电压(Usc)、超级电容器（9）的电流(Isc)、电梯节能控制子***主电路（Ⅱ）中的电机转轴角位移/线位移θ/S信号、电机定子端电压（Us）以及电机定子电流（Is）进行采样调理。
6.根据权利要求4所述的超级电容储能式电梯一体化驱动控制装置，其特征在于所述的蓄电池状态信息监测电路将蓄电池组（11）的状态信息经过调理后，输送至DSP控制模块（14）中进行处理。
7.根据权利要求1~6中任一项所述的超级电容储能式电梯一体化驱动控制装置，其特征在于所述的DSP控制模块（14）对所述的采样调理信号进行分析处理后，输出控制信号，实现对电梯运行控制子***和电梯节能控制子***的同步控制。
8.根据权利要求7所述的超级电容储能式电梯一体化驱动控制装置，其特征在于所述的DSP控制模块（14）输出控制信号中的控制信号具体包括：（1）第一接触器（KM1）的控制信号、制动单元（5）的控制信号、逆变器（6）的控制信号以及电梯曳引机（7）的控制信号；（2）双向DC/DC变换器（8）的控制信号、第二接触器（KM2）和第三接触器（KM3）的控制信号以及蓄电池管理电路（10）的控制信号。
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