专利名称：采用蓄能器的变频驱动液压电梯的节能装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及用液压程序控制的装置，是一种采用蓄能器的变频驱动液压电梯的节能装置。
从液压电梯产生到现今，经历了阀控液压系统到变频控制液压系统的发展历程。阀控液压电梯是现今应用最成熟的液压电梯，它主要是应用液压技术中的节流调速技术来控制液压电梯的运行速度。其最大的优势就是系统简洁，控制方便，但缺点明显采用节流调速系统溢流损失较大，特别是电梯下行的全部势能都损失在节流阀口，导致系统效率较低，油液温升很快；导致频繁运行时需要使用昂贵的冷却系统来降低温度的升高；而且油温的升高也使得电梯的速度控制性能不稳定，必须采用比较复杂的控制方法来取得良好的控制性能。
常规变频驱动的液压电梯是通过采用变压变频技术来控制三相交流异步电动机的转速，从而控制定量液压泵/马达的输出/输入流量，达到按一定规律控制液压缸顶升轿厢向上运行速度，或者控制轿厢下行速度的目的。
如
图1所示，常规的变频驱动液压电梯简单的工作原理如下1)上行接到层站或轿内的上行召唤信号后，计算机控制检测控制器11发出两路信号，一路是控制变频器的PWM信号16；一路是电机的正转方向信号17；变频器1根据输入的控制信号16产生相应频率和电压的交流电21驱动异步电动机3带动泵/马达2旋转输出压力油，经管路14顶开电磁阀7中的单向阀，从而推动轿厢向上运行；在电梯起动前，通过压力传感器12主回路压力，通过信号线19送到计算机控制检测单元11，与软件中预定的设置值比较，来确定加载理想速度曲线的时刻。同时，电动机轴侧的光电编码器4检测电机的转速并把转速信号反馈给变频器，构成闭环矢量控制。当电梯靠站时，计算机控制检测单元11给变频器1发出停车信号，电机3转速降为零，泵/马达2的出口压力也迅速降低，靠轿厢10的自重使电磁阀7中的单向阀关断，电梯停站。如果主回路压力超过安全阀9的设置值，则大泵/马达输出的压力油通过管路15，安全阀9旁路回油箱43。
2)下行接到层站或轿内的下行召唤信号后，计算机控制检测单元11首先输出控制信号17使变频器驱动电动机3正向低速运转，给系统补油，使泵/马达2出口管路14、15压力迅速升高，当压力传感器12检测到泵/马达2的出口压力达到设定值时，计算机控制检测单元11发出三路信号，一路是控制电磁阀7的电磁铁通电，使电磁阀7打开；一路是电动机的旋转方向信号17，驱动异步电动机3从正向低速运转过渡到反向运转；一路是控制变频器1的PWM信号16，变频器1根据输入的控制信号16向电动机3提供相应的制动力矩来控制柱塞下降的速度，此时电机由电动机状态转变为发电机状态运行，所产生的能量经回馈制动单元返回电网(图中未示出)；当电梯靠站时，计算机控制检测单元11使电磁阀7电磁铁断电，电磁阀7关闭，为避免冲击，期间变频器1带动电动机3低速反转，等轿厢10完全停止不动时让变频器1停车；电动机3反转过程中泵/马达2经单向阀8、管路25和管路15从油箱43中吸油以维持运转。
在轿厢10上、下运行过程中，轿厢速度信号经轿厢10上的光电码盘24检测，通过信号线22实时反馈给计算机控制检测单元11记录下来，并实时地显示在计算机屏幕上，以供实验分析。同时轿厢的速度反馈也可以构成轿厢速度反馈大闭环对轿厢速度进行控制。
作为一种变转速容积调速方式，变频调速能按系统的需要来提供流量从而将系统溢流的损失降到最低限度，与阀控液压电梯系统相比，这种变频驱动容积调速液压电梯系统无论负载如何变化，输入功率都能适应负载需求的变化，因此可大幅度降低液压电梯上、下行能耗，提高系统的效率，使系统的温升大幅度降低。
与阀控系统一样变频驱动容积调速液压电梯系统中元件的选择也必须按最大功率消耗原则来选，就是在相同设计参数的前提下，变频驱动容积调速系统所需功率元件与阀控系统所需功率元件的最大承载功率是一致的，即它不能降低系统装机功率；而目前生产应用中较大功率的变频器价格昂贵，由于批量较小，这就使标准变频(VVVF)液压控制系统成本较高。另外采用变频驱动的液压电梯在下行过程中电动机3做发电机产生电能，此时若要将产生的电能回馈电网以达到节能的目的则必须用一逆变器及相关的滤波、整流电路构成回馈电路，这样，一来又增加了系统构成成本，二来回馈的电能品质取决于回馈电路，品质的提高意味着回馈电路复杂性和成本的增加，电梯下行的能量回收是降低变频控制液压电梯能耗的关键，若不能很好解决，则变频控制液压电梯能耗虽然比阀控制系统小，但是与曳引电梯相比，仍然较大。
本实用新型的目的在于采用蓄能器的变频驱动液压电梯的节能装置，能解决背景技术领域中的变频驱动液压电梯下行的能量回收，并且电梯上行过程中释放出来，能降低液压电梯的能耗和装机功率。
为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案如下它包括交流矢量变频器，大泵/马达，交流异步电动机，电机轴侧的光电编码器，柱塞缸及柱塞，主回路电磁阀，主回路防吸空单向阀，主回路溢流阀，电梯轿厢，控制检测单元，压力传感器，轿厢上的测速光电编码器，井道及导轨，交流异步电动机与大泵/马达的联轴器组成的主回路和负载回路。它还包括小泵/马达，辅助回路防吸空单向阀，辅助回路电磁阀，皮囊式蓄能器，补油用交流异步电动机，补油泵，补油回路防倒灌单向阀，辅助和补油回路溢流阀组成的蓄能器回路和蓄能器补油回路；小泵/马达与交流异步电动机用联轴器连接，小泵/马达一路接辅助回路防吸空单向阀，另一种经辅路回路电磁阀接皮囊式蓄能器，辅助和补油回路溢流阀一路经补油回路防倒灌单向阀接补油泵，另一路接皮囊式蓄能器，计算机控制检测单元经控制信号线接辅助回路电磁阀。
本实用新型的优点是它由主回路电动机、大泵/马达与蓄能器回路小泵/马达和蓄能器共同构成压力一能量转换装置。在电梯轿厢上行时，将蓄能器中储存的压力能通过小泵/马达转换为机械能为主回路电动机或大泵/马达的轴提供附加力矩；而在电梯轿厢下行时，将轿厢势能和动能通过大泵/马达转换为机械能，再通过小泵/马达将机械能转换为压力能存储在蓄能器中，从而实现能量流的相互转换和存储，降低了电动机的输出转矩。本实用新型不仅具有变频驱动系统效率高，能耗少的优点，而且还大幅度降低了液压电梯的装机功率。
以下结合附图对本实用新型作进一步说明。
图1为常规的变频驱动液压电梯装置原理图；图2为采用蓄能器的变频驱动液压电梯节能装置原理图。
如图2所示，它包括交流矢量变频器1，大泵/马达2，交流异步电动机3，电机轴侧的光电编码器4，柱塞缸及柱塞5、6，主回路电磁阀7，主回路防吸空单向阀8，主回路溢流阀9，电梯轿厢10，计算机控制检测单元11，压力传感器12，轿厢上的测速光电编码器23，井道及导轨24，交流异步电动机3与大泵/马达2的联轴器26组成的主回路和负载回路。它还包括小泵/马达27，辅助回路防吸空单向阀28，辅助回路电磁阀29，皮囊式蓄能器30，补油用交流异步电动机36，补油泵37，补油回路防倒灌单向阀38，辅助和补油回路溢流阀39组成的蓄能器回路和蓄能器补油回路；小泵/马达27与交流异步电动机3用联轴器42连接，小泵/马达27一路接辅助回路防吸空单向阀28，另一种经辅路回路电磁阀29接皮囊式蓄能器30，辅助和补油回路溢流阀39一路经补油回路防倒灌单向阀38接补油泵37，另一路接皮囊式蓄能器30，计算机控制检测单元11经控制信号线31接辅助回路电磁阀29。
主回路电动机3、大泵/马达2与蓄能器回路小泵/马达27和蓄能器30共同构成压力-能量转换装置。在整个运行过程中起到一能量传递的桥梁作用；电梯轿厢上行过程中，它将蓄能器中储存的压力能通过小泵/马达27转换为机械能为主回路电动机3或大泵/马达2的轴提供附加力矩；而在下行时，它将轿厢势能和动能通过大泵/马达2转换为机械能，再通过小泵/马达27将机械能转换为压力能存储在蓄能器30中，从而实现能量流的相互转换和存储，达到节能并实现装机功率降低的目的。
下面分上行和下行两个工况来详细叙述带蓄能器的变频驱动液压电梯节能控制系统的原理；由于皮囊式蓄能器工作的固有特性，我们还将着重讨论电梯负载情况对本系统实际运行状态的影响(叙述前，我们假定电动机正向转动对应电梯上行，反之对应电梯下行)。上行过程接到层站或轿内的上行召唤信号后，计算机控制检测单元11发出三路信号，一路是控制变频器的PWM信号16；一路是电机的转向信号17；另一路是控制电磁阀29的开关信号31；主回路中变频器1根据输入的控制信号16产生相应频率和电压的交流电信号21驱动异步电动机3输出转矩带动泵/马达2做大泵正向旋转输出压力油，经管路14顶开电磁阀7中的单向阀，从而推动轿厢10向上运行；在电梯起动前，通过压力传感器12主回路压力，通过信号线19送到计算机控制检测单元11，与软件中预定的设置值比较，来确定加载理想速度曲线的时刻。同时蓄能器回路的电磁阀29的电磁铁通电，电磁阀29打开，蓄能器30中的压力油液通过管路32、33、35进入小泵/马达27推动小泵/马达27做马达旋转，将蓄能器30中的压力能转化为作用于电动机3或大泵/马达2旋转轴的附加驱动力矩来共同克服负载回路阻力矩驱动电梯上行。在整个运行过程中，电动机3轴侧的光电编码器4检测电动机3的转速并把转速信号20反馈给变频器1，与理想的速度曲线比较，通过计算机控制单元11中的软件算法，保证实际电梯速度曲线准确跟踪理想曲线，构成闭环矢量控制，达到舒适运行的效果。轿厢上的光电编码器23检测电梯实际运行速度，实时反馈给计算机控制检测单元11记录下来，并实时地显示在计算机屏幕上，以供实验分析或参与控制。当井道里的减速点信号触发时，变频器1控制电动机3逐渐增加制动转矩，直到使电动机3以某一较小的转速恒定时，电梯进入平层段；当轿厢13接近停靠层站时，井道中的干簧开关给出停止信号，计算机控制单元11给变频器1发出停车信号，同时使电磁阀29电磁铁断电，电磁阀29关闭，电动机3转速降为零，大泵/马达2的出口压力也迅速降低，靠轿厢10的自重使电磁阀7中的单向阀关断，电梯停站。如果主回路压力超过安全阀。9的设置值，则大泵/马达输出的压力油通过管路15、25，安全阀9旁路回油箱43。
在整个上行过程中，蓄能器30都处于释放能量阶段，油液排出、气囊体积膨胀、蓄能器内压力不断下降，因此其通过小泵/马达27向电动机3或大泵/马达2旋转轴所提供的附加驱动力矩也随之不断变化，这是蓄能器的固有工作特性所决定的；(由于负载的不同，负载回路的阻力矩也不同)，这里分两种情况着重讨论由于负载的不同电动机在整个上行过程中转矩的变化(1)轻载(含空载)上行在刚启动时蓄能器30中储存的油液压力最高，其在电动机3或大泵/马达2的旋转轴侧所转化产生的附加驱动力矩也最大，此时若轿厢10为轻载，蓄能器回路提供的附加驱动力矩较负载回路阻力矩大，为避免电梯上行启动冲击，因此在轻载启动时，电动机3必须在变频器1控制下提供负载回路的阻力矩与蓄能器回路附加驱动力矩之间的力矩差作为制动转矩，使轿厢静止，然后再逐渐减小制动转矩，使泵/马达2作为泵功能正方向转动输出液压油推动轿厢10按理想速度曲线上行。随着轿厢10的上行蓄能器回路压力不断降低，其所能提供的附加驱动力矩也不断降低，当附加驱动力矩已不足以推动轿厢10按理想曲线运行时电动机3受变频器1控制提供电磁驱动转矩来共同推动轿厢10按理想曲线运行。(2)重载上行与轻载上行相比由于轿厢10为满负载，负载回路的阻力矩较大，因此在刚启动时负载回路与蓄能器回路之间的力矩差较小，电动机3所需提供的制动转矩也相应减小，与轻载上行启动相比，重载上行启动的动、静态性能有所改善。随着轿厢10的上行，电动机3受变频器1控制提供电磁驱动转矩来共同推动轿厢按理想曲线运行。当电梯在高楼层向上运行时，此时蓄能器回路压力较低，其所能提供的附加驱动力矩相对小，而负载回路却处于较大阻力矩状态，电动机所需提供的电磁驱动力矩较大；特别是当电梯运行接近顶部时，此时蓄能器中压力接近最低工作压力，其所能提供的附加驱动力矩最小，则电动机3需在变频器1的控制下提供最大的驱动力矩。此刻电动机3处于满负荷工作状态。下行过程下行较上行过程更为复杂由于大泵/马达2的内泄漏造成管路14、15中油液压力降低，特别当等待时间较长时，管路14、15中油液压力甚至低到油箱压力，而管路13中油液压力为负载压力，同时考虑到油液的压缩性等因素，此时若仍采取与上行同样的控制策略，则在下行启动时当电磁阀7打开的瞬间电梯轿厢会因电磁阀7两端的压力差产生向下的冲击。因此为避免下行启动时产生向下冲击，系统在接到层站或轿内的下行召唤信号后，计算机控制检测单元11先发出电动机3低速正转信号17，电动机3低速正转，大泵/马达2做泵工况输出压力油，单向阀28用来在电动机3正转时保证蓄能器回路泵/马达27不会吸空；压力传感器12实时检测管路14的压力并反馈给计算机控制检测单元11，待管路14的压力达到控制软件所设定的平衡点后，计算机控制检测单元11关闭电动机正转信号，发出打开电磁阀7的信号18，由于阻尼作用，此阀缓慢开启；同时计算机控制检测单元11发出控制变频器的PWM信号16和电动机反向转动信号17，使电动机3反向转动，电梯下行；在整个运行过程中，负载回路的压力油通过管路13、14进入大泵/马达2推动大泵/马达2做马达工况，将负载回路的压力能转化为作用于电动机3或小泵/马达27旋转轴的附加驱动力矩，而小泵/马达27在大泵/马达2和电动机3的共同驱动下做泵工况，向蓄能器30中充入压力油，存储电梯下行的能量；同时电动机3轴侧的光电编码器4检测电动机3的转速并把转速信号20反馈给变频器1，与理想的速度曲线比较，通过计算机控制检测单元11中的软件算法，保证实际电梯速度曲线准确跟踪理想曲线，构成闭环矢量控制，达到舒适运行的效果。当井道里的减速点信号触发时，变频器1控制电动机3逐渐增加制动转矩，直到使电动机3以某一较小的转速恒定时，电梯进入平层段；当轿厢10接近停靠层站时，井道中的干簧开关给出停止信号，计算机控制单元11给变频器1发出停车信号，同时使电磁阀7电磁铁断电，电磁阀7关闭，电动机3转速降为零，小泵/马达27的出口压力迅速降低，电磁阀29两端的压力差使之关闭，电梯停站。设置单向阀28的目的是防止小泵/马达低速旋转时产生吸空现象，可以通过油箱43，单向阀27，管路34吸油到小泵/马达入口。安全阀39的设置可以在辅助回路压力过高时，蓄能器的油液通过管路40，安全阀39回油箱。
在整个下行过程中，蓄能器30都处于储蓄能量阶段；油液进入蓄能器，压缩气囊内气体，压力升高，因此其通过小泵/马达27向电动机3或大泵/马达2旋转轴所提供的阻力矩也随之不断变化；与上行分析过程类似，此处也依负载不同分两种情况分析电动机4转矩变化(1)重载下行在刚启动时蓄能器30中储存的油液压力最低，其在电动机3或大泵/马达2的旋转轴侧所转化产生的阻力矩也最小，而此时轿厢为满载，负载回路提供的附加驱动力矩相对较大，因此在重载下行过程刚启动时，为避免电梯下行过冲，电动机3必须在变频器1控制下提供蓄能器回路的阻力矩与负载回路附加驱动力矩之间的力矩差作为制动转矩，使轿厢静止，然后再逐渐减小制动转矩，使大泵/马达2作为马达功能反方向转动输入液压油使轿厢10按理想速度曲线下行。随着轿厢10的下行蓄能器回路压力不断升高，其所提供的阻力矩也不断增加，当负载回路提供的附加驱动力矩已不足以使轿厢10按理想曲线运行时电动机3受变频器1控制提供电磁驱动转矩来共同推动轿厢10按理想曲线运行。(2)轻载(含空载)下行与满载下行相比由于轿厢10为空载，负载回路的附加驱动力矩较小，因此在下行过程刚启动时负载回路与蓄能器回路之间的力矩差较小，电动机3所需提供的制动转矩也相应减小，与重载下行启动相比，轻载下行启动的动、静态性能有所改善。
随着轿厢10的下行，电动机3受变频器1控制提供电磁驱动转矩来共同推动轿厢按理想曲线运行。当电梯在低楼层向下运行时，此时蓄能器回路压力较高，其所提供的阻力矩相对较大，而负载回路为轻载，所提供的附加驱动力矩较小，电动机3所需提供的电磁驱动力矩较大；特别是当电梯运行接近底部时，此时蓄能器中压力接近最高工作压力，其所提供的阻力矩最大，则电动机3需在变频器1的控制下提供最大的驱动力矩。此刻电动机3处于满负荷工作状态。
根据以上分析可见，本项目节约能源、降低装机功率的关键就在于引入了压力能量转换装置，并将转换的能量转化为作用于电动机3轴侧的附加驱动力矩，从而大幅降低了电动机的输出转矩，降低了电动机的功率；电动机3、主回路大泵/马达2和蓄能器小泵/马达27工作在四个象限，从而充分地利用了电动机3的工作能力；采用交流变频调速技术构成的液压容积调速回路属于功率适应系统，系统效率高，降低了电梯的运行能耗和油液的温升，避免了使用昂贵的冷却器；变频器和电动机容量的降低，不但使得系统的成本得到了降低，而且节省了用户在电气线路上的费用。而本项目的重点在于如何确定蓄能器回路中蓄能器6的各工作点参数如蓄能器回路泵/马达排量的选取、电动机功率的确定、蓄能器充气压力p0、蓄能器最低充油压力p1、蓄能器最高充油压力p2等；同时也可看到电梯在接近顶部时重载上行和电梯在接近底部时轻载下行这两种工况是比较极端的情况，这两种状况下电动机3都将以满负荷运转。
从最大限度地降低系统的装机功率的角度，基于如下基本规则来确定蓄能器工作参数，其中忽略了系统的各种摩擦损失和泵/马达泄漏造成的容积损失1)蓄能器30能够提供的平均功率Waverage为电梯满载所需平均功率Wmax和电梯空载所需平均功率Wmin之和的一半，即Waverage＝(Wmax＋Wmin)/2其中Wmax＝p2AvWmin＝p1AvWaverage=∫0tpaQadtt=∫0tpadVdt*dtt=∫V(0)V(t)padVt]]>式中A——柱塞6的横截面积；v——柱塞6的平均速度；t——柱塞6单程运行的时间；pa——平均压力；pa＝(p1＋p2)/2；Qa——平均流量；V——蓄能器30在工作状态中的气体体积。
2)根据在构建变频(VVVF)控制液压电梯中得到的经验当电动机功率满足要求时，电动机的输出转矩却并不一定满足，造成力矩超载；直接的反映就是电动机电流过载。因此考虑电动机4满负荷的两种工况下的力矩平衡关系(1)接近底部时轻载下行pd*qpth2π+Tmax=p2*qsth2π]]>(2)接近顶部时满载上行pu*qpth2π=pl*qsth2π+Tmax]]>式中pd——轻载下行时泵/马达2进口压力；pu——重载上行时泵/马达2出口压力；Tmax——电机最大输出转矩；qpth——泵/马达2的排量；qsth——泵/马达27的排量；在这两个基本规则的基础上可知本系统中Waverage＋Wmotor＝WmaxWmotor＝Wmax-WaverageWmotor＝(Wmax-Wmin)/2式中Wmotor——电动机3的额定功率；由此可见系统的装机功率大幅的降低了。由于泵/马达元件容积效率的存在，以及电磁阀29的内泄漏，使得每个运行周期蓄能器30都将损失部分容积，如此一来在运行数次后蓄能器30将漏空；为避免这种现象出现则必须在系统中增设一补油装置对损失的容积进行补偿。同时补油装置还有另一重要功能，即满足蓄能器30第一次充油的需要，充油压力值由安全阀39控制，这样就无需额外的充油设备。因此如何合理的设计和使用补油装置也成为系统设计的一个重点。
在每次电梯运行时同时启动补油装置对蓄能器30进行过程补油，电梯停止时补油过程也停止。补油用液压泵的选型设计是基于电梯在一个单行程运行中蓄能器回路损失的容积进行换算得到的，下面以上行过程为例给出简单的换算过程。
电梯从底楼到顶楼泵/马达2所需提供的液体容积VpVp＝s·A/ηpv折算到蓄能器回路泵/马达27输出油液容积VsVs＝(Vp/ηsv)*(qsth/qpth)在此过程中蓄能器回路经泵/马达27泄露体积为VxVx=Vs-sAqsthqpth]]>蓄能器回路泄露体积所折算的排量为qxqx=VxVp/qpth=qsthηsv-ηmvqsth]]>式中ηmv——泵/马达2的容积效率；ηsv——泵/马达27的容积效率；
权利要求1.采用蓄能器的变频驱动液压电梯的节能装置，它包括交流矢量变频器[1]，大泵/马达[2]，交流异步电动机[3]，电机轴侧的光电编码器[4]，柱塞缸及柱塞[5、6]，主回路电磁阀[7]，主回路防吸空单向阀[8]，主回路溢流阀[9]，电梯轿厢[10]，计算机控制检测单元[11]，压力传感器[12]，压力传感器信号线[19]，轿厢上的测速光电编码器[23]，井道及导轨[24]，交流异步电动机[3]与大泵/马达[2]的联轴器[26]组成的主回路和负载回路；其特征在于还包括小泵/马达[27]，辅助回路防吸空单向阀[28]，辅助回路电磁阀[29]，皮囊式蓄能器[30]，补油用交流异步电动机[36]，补油泵[37]，补油回路防倒灌单向阀[38]，辅助和补油回路溢流阀[39]组成的蓄能器回路和蓄能器补油回路；小泵/马达[27]与交流异步电动机[3]用联轴器[42]连接，小泵/马达[27]一路接辅助回路防吸空单向阀[28]，另一种经辅路回路电磁阀[29]接皮囊式蓄能器[30]，辅助和补油回路溢流阀[39]一路经补油回路防倒灌单向阀[38]接补油泵[37]，另一路接皮囊式蓄能器[30]，计算机控制检测单元[11]经控制信号线[31]接辅助回路电磁阀[29]。
专利摘要本实用新型公开了一种采用蓄能器的变频驱动液压电梯的节能装置,在常规变频驱动液压电梯装置的主回路和负载回路中增设蓄能器回路和蓄能器补油回路。由主回路电动机、大泵/马达与蓄能器回路小泵/马达和蓄能器共同构成压力一能量转换装置。在电梯上行时,将蓄能器储存的压力能转化为机械能作用于主回路电动机轴,提供附加力矩;在电梯下行时,将电梯势能和动能转换为机械能再转换成压力能存储在蓄能器中,从而实现能量流的相互转换和存储,降低电动机的输出转矩。
文档编号F15B1/00GK2482602SQ01228018
公开日2002年3月20日 申请日期2001年6月14日 优先权日2001年6月14日
发明者徐兵, 杨华勇, 王亮 申请人:浙江大学