一種帶超級電容的群控電梯能量饋網(wǎng)裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型裝置涉及一種帶超級電容的群控電梯能量饋網(wǎng)裝置，帶超級電容的群控電梯能量饋網(wǎng)裝置采用IGBT取代交·直·交電梯變換器中的不可控元件，構(gòu)成的背靠背雙PWM變換器可將曳引電機回饋制動運行時再生的能量向電網(wǎng)回饋，并實現(xiàn)了變換器網(wǎng)側(cè)輸出電流呈正弦和單位功率因數(shù)運行。對電梯曳引電機四象限運行特征和背靠背雙PWM變換器原理進行了具體分析，在此基礎(chǔ)上闡述了背靠背雙PWM變換器能量雙向傳輸?shù)臋C理。
【專利說明】一種帶超級電容的群控電梯能量饋網(wǎng)裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型裝置涉及一種帶超級電容的群控電梯能量饋網(wǎng)裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]作為現(xiàn)代高層建筑中不可缺少的電器——電梯，對現(xiàn)代建筑文明做出了巨大貢獻。但是，在建筑電器中，它卻占據(jù)著總能耗的20%?30%。與此同時，相對其它耗能電器進行不同程度節(jié)能技術(shù)的改造，電梯的節(jié)能技術(shù)卻沒有取得顯著的進展。
[0003]目前使用的電梯廣泛采用變頻技術(shù)驅(qū)動電機。此類電梯，在部分情況下運行時，電機能夠產(chǎn)生一定的制動能量。由于該能量無法饋入電網(wǎng)，而在驅(qū)動部分積聚，對驅(qū)動器件造成一定威脅。采用變頻調(diào)速的電梯啟動運行達到最大額定運行速度后具有最大的機械能，電梯達到每一個目標層前要逐步減速直到電梯停止運動為止，這一過程是電梯曳引機釋放機械功能量的過程。
[0004]此外，升降電梯還是一個勢能性負載，為了均勻拖動負載，電梯由曳引機拖動的負載是由載客轎廂和對重平衡塊組成，只有當轎廂載重量約為50%時，轎廂和對重平衡塊才相互平衡，否則，轎廂和對重平衡塊就會有質(zhì)量差，使電梯運行時產(chǎn)生機械位能(電梯重載下行和輕載上行)。
[0005]電梯在運行過程中將會產(chǎn)生機械能(含勢能、動能)，傳統(tǒng)的方法是投入能耗電阻，通過電阻的發(fā)熱而將這部分能量散失掉，進而保護器件。但是電梯沒能實現(xiàn)節(jié)能減排功能，浪費了大量電能。在這種情況下，由于發(fā)熱導致電梯運行環(huán)境溫度變高，容易對其他設(shè)備造成一定的影響，甚至減少了電梯的使用壽命。本實用新型帶超級電容的群控電梯能量饋網(wǎng)裝置，通過電動機和背靠背雙？麗變換器將回饋的能量轉(zhuǎn)換成直流電能儲存超級電容中。隨著電梯的連續(xù)運行，回送到超級電容中的電能就越多，其電容電壓就越高，如不及時釋放電容器儲存的電能，就會產(chǎn)生過電壓故障，影響電梯正常工作運行。針對這種情況，采用本實用新型能量饋網(wǎng)裝置可以將超級電容中的電能進行饋網(wǎng)或者給電梯供電，實現(xiàn)了能量再利用，帶來了一定的經(jīng)濟效益。因此對這部分再生能量的收集與利用，成為電梯節(jié)能領(lǐng)域的一個熱點研究方向。
[0006]一般能量回饋都是根據(jù)變換器直流側(cè)回路電壓的大小來決定是否回饋電能，回饋電壓采用固定值研訊。由于電網(wǎng)電壓的波動，取值偏小時，在電網(wǎng)電壓偏高時會產(chǎn)生誤回饋-1?取值偏大時，則回饋效果明顯下降，(制動回饋的能量被電阻提前消耗了)。
[0007]新型能量回饋裝置采用電壓自適應(yīng)控制，即無論電網(wǎng)電壓如何波動，只有當電梯機械能轉(zhuǎn)換成電能送入直流回路電容中時，新型能量回饋裝置才及時將電容中的電能回送電網(wǎng)，有效解決了傳統(tǒng)回饋能量直接被大電阻就地消耗的缺陷。
[0008]此外，新型能量回饋裝置具有十分完善的保護功能和擴展功能，既可以用于現(xiàn)有電梯的改造，也適用于新電梯控制柜的配套。新電梯控制柜采用新型能量回饋裝置供電，不僅可以大大節(jié)約電能，還可以有效改善輸入電流的質(zhì)量，達到更高的電位兼容標準，新型能量回饋裝置仍適用現(xiàn)有的電壓
[0009]電梯使用回饋節(jié)能裝置后，能有效地將超級電容中儲存的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能回送到電網(wǎng)。并且避免了由能耗電阻造成的系統(tǒng)效率低、環(huán)境溫度過高等缺點。
[0010]由于國內(nèi)已經(jīng)使用的電梯數(shù)量巨大，當前很多企業(yè)及研究機構(gòu)，提出將逆變饋網(wǎng)設(shè)計外置化。如此一來，針對現(xiàn)有電梯的節(jié)能改造技術(shù)迎刃而解。國外電梯企業(yè)已經(jīng)生產(chǎn)出部分外置裝置，由于我國電網(wǎng)同國外電網(wǎng)存在一定的差異，該裝置不能應(yīng)用在國內(nèi)電梯上。而針對中國市場開發(fā)的裝置，如日本富士的系列的再生能量饋網(wǎng)單元；西子奧的斯、上海三菱等公司生產(chǎn)的含饋網(wǎng)單元的電梯；由于不能完全達到饋網(wǎng)電能質(zhì)量標準，特別是諧波含量過高，還有造價過高等原因，目前電梯再生能量饋網(wǎng)技術(shù)的研究還不能實現(xiàn)民用，處于試驗研究階段。
[0011]目前，國外許多知名電梯企業(yè)都在我國設(shè)有工廠，針對我國的電梯產(chǎn)品也多在國內(nèi)設(shè)計與生產(chǎn)。我國已經(jīng)成為國際電梯市場的一個重要地區(qū)，因而電梯業(yè)內(nèi)的相關(guān)先進技術(shù)研究及成果，在國內(nèi)均能得見。
[0012]在電梯節(jié)能技術(shù)方面的研究，目前國內(nèi)外主要存在兩種解決方案:逆變后饋入電網(wǎng)及逆變后就近供給其他電器。
[0013]對電梯再生能量轉(zhuǎn)化后就近供給的典型研發(fā)應(yīng)用案例，如日本三菱公司生產(chǎn)的混合動力電梯。在設(shè)計中，該公司采用蓄電池儲存電梯的再生能量。在電梯正常工作狀態(tài)下，蓄電池同動力線一同供電給電梯。而且在停電后，該電梯還能靠蓄電池正常運行約十分鐘。該技術(shù)能夠節(jié)約電梯能耗約20%。該方式還可以擴展，將蓄電池中電能供給電梯照明、風扇等小功率電器使用。更廣泛的情況下，該電能還可以供給安裝電梯的小區(qū)其他電器使用。采用電池蓄電的方式，結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，易于實現(xiàn)；由于不考慮轉(zhuǎn)化后的電能饋網(wǎng)等問題，系統(tǒng)控制簡單。但是電池的購置，系統(tǒng)整體的效率不高等問題卻制約該技術(shù)的廣泛使用。
[0014]將再生電能轉(zhuǎn)化后，饋入電網(wǎng)的研究，是目前電梯再生能量節(jié)能利用技術(shù)研究的另一主要方向。由于要將電能饋入電網(wǎng)，而入網(wǎng)的電能需要滿足一定的質(zhì)量強制要求。因而，該技術(shù)需要解決電能轉(zhuǎn)換后的質(zhì)量問題，具體涉及逆變器的設(shè)計及其控制技術(shù)，中小功率的逆變技術(shù)目前國外基本趨于成熟。逆變的電能饋入電網(wǎng)還需考慮并網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計，這方面的研究國內(nèi)外成果比較多，國內(nèi)清華大學電機系在這方面已處于國際領(lǐng)先地位。
[0015]采用逆變器將該群控電梯產(chǎn)生的能量進行存儲、供電梯使用、逆變后饋入電網(wǎng)的思想是本系統(tǒng)設(shè)計的出發(fā)點。該型能量回饋系統(tǒng)與目前國內(nèi)外其它能量回饋裝置相比的一個最主要的特點是具有電壓自適應(yīng)控制回饋功能。
[0016]采用饋網(wǎng)節(jié)能的設(shè)計思想，電梯整體節(jié)能效率通常在20%?46%之間，遠遠高于其他述節(jié)能技術(shù)，且應(yīng)用范圍更廣泛，故而該技術(shù)的研究趨熱。逆變器的設(shè)計及其控制技術(shù)作為該電梯節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著電力電子的不斷發(fā)展，逆變器采用的功率器件，已經(jīng)是以全控型器件可控絕緣柵雙極性晶體管)和集成器件智能功率模塊)為主體。這些器件的出現(xiàn)，為搭建電梯再生能量饋網(wǎng)系統(tǒng)硬件平臺提供了條件。
[0017]此外，逆變器的控制技術(shù)，也隨著全控器件的推出，而不斷發(fā)展。目前在電梯再生能量饋網(wǎng)逆變技術(shù)這樣的應(yīng)用場合，適合采用？11(脈沖寬度調(diào)制)控制方式。全控型器件以及脈沖寬度調(diào)制技術(shù)的產(chǎn)生，為電梯再生能量饋網(wǎng)，實現(xiàn)節(jié)能的目的成為可能。
實用新型內(nèi)容
[0018]本實用新型裝置是一種涉及帶超級電容的群控電梯能量饋網(wǎng)裝置，交流母線(1)連接橋式整流電路(2),經(jīng)整流后連接直流母線(5)；超級電容組(12)和蓄電池組(13)分別通過0(:/0(:斬波升壓電路(9)連接直流母線；直流母線電壓檢測模塊⑶和電機電壓電流檢測模塊⑶分別連接直流母線并分別通過調(diào)理電路⑷連接03？控制核心(18),電網(wǎng)電壓檢測模塊(10)和電網(wǎng)電流檢測模塊(11)分別連接交流母線并分別通過調(diào)理電路(4)連接03？控制核心(18)；兩路橋式逆變電路(6)分別連接直流母線和驅(qū)動曳引電機(7)；邏輯控制電路(17)雙向連接03？控制核心(18)和外圍控制/顯示電路(16),輸出？II信號給光耦隔離電路(15),并進一步通過叩81驅(qū)動電路(14)分別控制兩路橋式逆變電路(6)和橋式整流電路⑵。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]通過參照附圖更詳細地描述本實用新型裝置的具體示范實施案例，本實用新型裝置的以上和其它方面及優(yōu)點將變得更加易于清楚，在附圖中:
[0020]圖1為帶超級電容的群控電梯能量饋網(wǎng)裝置系統(tǒng)主回路原理圖；
[0021]圖2為帶超級電容的群控電梯能量饋網(wǎng)裝置的結(jié)構(gòu)圖。

【具體實施方式】
[0022]在下文中，現(xiàn)在將參照附圖更充分地描述本實用新型裝置，在附圖中示出了各種實施案例。然而，本實用新型裝置可以采用多種不同的形式來實施，且不應(yīng)該解釋為局限于此處所闡述的實施案例。相反，提供這些實施案例使得本實用新型裝置技術(shù)將是徹底和完全的公開，并將本實用新型裝置的使用技術(shù)充分地傳達給本領(lǐng)域技術(shù)人員。在下文中，將參照附圖更詳細地描述本實用新型裝置的案例。
[0023]帶超級電容的群控電梯能量饋網(wǎng)裝置的原理是，群控電梯共用一組超級電容，超級電容的容量設(shè)定為群控電梯最大回饋能量的75%左右。當群控電梯系統(tǒng)中的某個/某些電梯電機釋放再生能量時，將電梯電機再生能量存儲到超級電容，當群控電梯系統(tǒng)中的某個/某些電梯電機需要能量的時候，超級電容將電梯再生能量供給電梯電機使用。如果存儲的能量不夠驅(qū)動電梯，則從電網(wǎng)中獲取能量；如果電梯產(chǎn)生的能量大于超級電容的存儲容量時，則向電網(wǎng)回饋能量。
[0024]帶超級電容的群控電梯能量饋網(wǎng)裝置必須滿足的要求如下:
[0025]1)帶超級電容的群控電梯能量饋網(wǎng)裝置在超級電容放電時，輸出交流電壓為380乂，電壓波動范圍為10%，并且基于超級電容的電梯節(jié)能裝置的元件需工作在安全范圍內(nèi)。
[0026]2)帶超級電容的群控電梯能量饋網(wǎng)裝置在超級電容充電時，電梯端供電電壓不會因為電梯電機再生能量而上升，電梯端供電電壓控制在安全范圍內(nèi)，并且基于超級電容的電梯節(jié)能裝置的元件需工作在安全范圍內(nèi)。
[0027]3)帶超級電容的群控電梯能量饋網(wǎng)裝置在大功率電阻消耗電梯電機再生電能時，電梯端供電電壓不會因為電梯電機再生能量而上升。電梯端供電電壓控制在安全范圍內(nèi)，并且基于超級電容的電梯節(jié)能裝置的元件需工作在安全范圍內(nèi)。
[0028]帶超級電容的群控電梯能量饋網(wǎng)裝置采用背靠背雙？麗變換器實現(xiàn)能量再利用，雙？II變換器是可實現(xiàn)能量雙向傳輸?shù)男滦徒?? 直 ? 交變壓變頻裝置，它采用6個雙向可控電力電子開關(guān)1681連接三相電網(wǎng)和交流電機三相輸入端，帶超級電容背靠背雙？麗變換器主要優(yōu)點有:
[0029]1)由于加入超級電容儲能裝置，可以將回饋制動能量進行存儲和再利用；
[0030]2)雙？麗變換器能夠?qū)崿F(xiàn)能量雙向流動，便于電動機實現(xiàn)四象限運行；
[0031]3)輸入功率因數(shù)可控，帶任何負載時都能維持全功率運行；
[0032]4)輸出電壓和輸入電流的低次諧波含量較小，滿足制動能量饋網(wǎng)要求(諧波含量丁邢 ? 5% ) 0
[0033]帶超級電容的群控電梯能量饋網(wǎng)裝置采用背靠背雙？麗變換器，用全控元件1(?丁取代交 ? 直 ? 交電梯變換器中的不可控元件，將曳引電機回饋制動運行時再生的能量向電網(wǎng)回饋，并實現(xiàn)了變換器網(wǎng)側(cè)電流呈正弦和單位功率因數(shù)運行。
[0034]對電梯曳引電機四象限運行特征和背靠背雙？麗變換器原理進行了具體分析，在此基礎(chǔ)上闡述了雙？麗變換器能量雙向傳輸?shù)臋C理。結(jié)合基于雙？麗變換器的永磁同步電動機四象限調(diào)速系統(tǒng)的仿真，對曳引電機及雙？麗變換器的運行進行了全面具體的分析。帶超級電容的群控電梯能量饋網(wǎng)裝置系統(tǒng)主回路原理圖如圖1所示。
[0035]超級電容器，叫功率電容器和雙電層電容器，是近年來發(fā)展起來的一種新型儲能裝置，具有能量密度高、功率密度高、無污染、循環(huán)使用壽命長、工作溫度范圍寬等特點，在重用電源、電動汽車等領(lǐng)域已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用。
[0036]超級電容本身的諸多特點使得其受到了越來越多的關(guān)注，電梯本身作為現(xiàn)代建筑行業(yè)的用電大戶，高能耗問題顯得非常突出，已經(jīng)有多家公司在將超級電容用于電梯節(jié)能系統(tǒng)方面進行研究，并取得了一定的成果。超級電容本身大電流放電的特點可以為電梯啟動提供峰值功率，在減小系統(tǒng)對于外部交流電網(wǎng)供電等級要求的同時，保證了電梯系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和安全性；充分發(fā)揮超級電容循環(huán)壽命長、循環(huán)效率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，將其用于電梯運行過程中制動能量的回收存儲裝置，電能節(jié)約總量將十分可觀。
[0037]設(shè)計并實現(xiàn)了背靠背雙？麗換流器硬件系統(tǒng)，主控制器硬件系統(tǒng)由主電路、隔離電路、檢測電路、控制電路等組成。雙？麗變換器逆變側(cè)采用1X14慮波器以解決[濾波器因大電感導致的動態(tài)性能下降、體積成本增加等問題。采用軟件鎖相環(huán)獲取電網(wǎng)電壓矢量角。采用一種三相軟件鎖相環(huán)的相序自適應(yīng)方法，使得不論接線相序如何，鎖相環(huán)均能正確鎖相。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
[0038]圖2中:1-交流母線，2-橋式整流電路，3-直流母線電壓檢測模塊，4-電壓檢測調(diào)理電路，5-直流母線，6-橋式逆變電路，7-曳引電機，8-電機電壓電流檢測模塊，9-00/00斬波電路，10-電網(wǎng)電壓檢測模塊，11-電網(wǎng)電流檢測模塊，12-超級電容組，13-蓄電池組，14-1681驅(qū)動電路，15-光耦隔離電路，16-外圍控制/顯示電路，17-邏輯控制電路(⑶⑶)，18-08？控制核心。
[0039]圖2為帶超級電容的群控電梯能量饋網(wǎng)裝置的結(jié)構(gòu)圖，傳統(tǒng)的電梯工作模式為:電梯裝置根據(jù)電網(wǎng)電壓/電流檢測其電壓/電流、電機電壓/電流檢測裝置檢測出電機電壓和電流，經(jīng)八/0模塊轉(zhuǎn)換，由03？核心控制器進行處理后，通過和外圍控制/顯示電路產(chǎn)生？麗信號，光耦隔離電路將高低壓端接地隔離，通過叩81驅(qū)動電路提供變換器(整流器和逆變器)開關(guān)元件所需的驅(qū)動信號，將交流母線電壓經(jīng)過整流器后轉(zhuǎn)化為直流電，與此同時檢測直流母線電壓，并將其作為逆變器的輸入量，之后經(jīng)逆變?yōu)檎医涣麟娞峁┙o曳引電機，驅(qū)動電梯上升或下降。但是電梯在運行過程中，存在能量回饋現(xiàn)象，傳統(tǒng)的電梯工作方式是采用足夠大電阻將回饋回來的電能直接消耗，并沒有實現(xiàn)節(jié)能減排效果。因此，在原有的工作模式下，增加儲能裝置(超級電容組和蓄電池組)，當電梯存在能量回饋時，可以通過儲能裝置將回饋的電能儲存，在電梯在上升過程且儲能裝置中的電能足夠滿足驅(qū)動電梯工作時，可以由儲能裝置放電，并經(jīng)過逆變器裝置后為電梯提供所需電能，大大節(jié)約了用電成本，帶來了一定的經(jīng)濟效益。
[0040]采用03？芯片113320？2812實現(xiàn)雙？麗變換器電壓電流雙閉環(huán)？1雙閉環(huán)控制策略。通過檢測直流母線電壓幅值，將電梯在上升或下降時產(chǎn)生的回饋能量儲存到超級電容中。同時采用能量管理模式，將超級電容中的直流電通過逆變器裝置變換成交流電進行饋網(wǎng)或者給就近電梯供電，降低了電梯的能耗，節(jié)約了用電成本，取得了一定的經(jīng)濟效益，真正實現(xiàn)了電梯節(jié)能減排效果。
[0041]以上所述僅為本實用新型裝置的實施案例而已，并不限制本實用新型裝置的適用范圍，本實用新型裝置可以有各種合適的更改和變化。凡在本實用新型裝置的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型裝置的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種帶超級電容的群控電梯能量饋網(wǎng)裝置，其特征在于:交流母線(I)連接橋式整流電路(2)，經(jīng)整流后連接直流母線(5);超級電容組(12)和蓄電池組(13)分別通過DC/DC斬波升壓電路(9)連接直流母線；直流母線電壓檢測模塊(3)和電機電壓電流檢測模塊(8)分別連接直流母線并分別通過調(diào)理電路(4)連接DSP控制核心(18)，電網(wǎng)電壓檢測模塊(10)和電網(wǎng)電流檢測模塊(11)分別連接交流母線并分別通過調(diào)理電路(4)連接DSP控制核心(18);兩路橋式逆變電路(6)分別連接直流母線和驅(qū)動曳引電機⑵；邏輯控制電路(17)雙向連接DSP控制核心(18)和外圍控制/顯示電路(16)，輸出PWM信號給光耦隔離電路(15)，并進一步通過IGBT驅(qū)動電路(14)分別控制兩路橋式逆變電路(6)和橋式整流電路(2)。
【文檔編號】B66B1/06GK204144996SQ201420501144
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年9月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月1日
【發(fā)明者】謝麗蓉, 程繼文, 程志江, 阿里木江·依明, 杜英, 閆學勤, 安海濤, 周立峰, 祁明業(yè) 申請人:新疆大學, 新疆華瑞眾恒電梯有限公司