用于再生驱动器的总线电容器组配置的制作方法
【专利摘要】本发明公开再生电梯驱动器装置、用于缓冲再生电梯驱动器装置的能量的方法，和电梯系统。所述再生电梯驱动器装置可包括具有多个电力部件的逆变器和具有多个电力部件的转换器。所述再生驱动器可还包括桥接所述逆变器和所述转换器的电流电(DC)链路，所述DC链路包括桥接所述逆变器和所述转换器的第一电容器和与所述第一电容器并联的第二电容器。所述再生电梯驱动器装置可为多电平再生驱动器装置。
【专利说明】用于再生驱动器的总线电容器组配置
[0001] 公开技术领域
[0002] 本公开涉及电力系统，并且更具体地说涉及用于电梯系统的再生驱动器电力系 统。
[0003] 公开背景
[0004] 电梯系统可被设计来在来自电源的特定输入电压范围内操作。电梯的驱动器的部 件具有电压额定值和电流额定值，当电力供应保持在设计输入电压范围内时，所述电压额 定值和电流额定值允许驱动器连续地操作。然而，在一些情形下，市电网路的局部电力供应 不太可靠，如市电电压骤降、灯火管制情况发生(例如，低于电梯驱动器的公差带的电压情 况)和/或电力损耗情况变得盛行的情形。当这类市电故障发生时，驱动器从电力供应汲取 更多电流来维持至吊车电动机的一致电力。在常规系统中，当从电力供应汲取过电流时，驱 动器可停机以避免损坏驱动器的部件。
[0005] 当电力骤降或电力损耗发生时，电梯可变得在电梯井中停止在楼层之间，直到电 力供应返回到额定操作电压范围为止。在常规系统中，电梯中的乘客将被困，直到维修工能 够释放用于控制轿厢向上或向下移动的制动器以允许电梯移动到最近的楼层为止。电梯系 统设计可通过使用包括电存储装置的自动营救操作来在电力骤降或损耗期间与这些问题 对抗，所述电存储装置在电力故障之后被控制来提供电力以将电梯移动到下一楼层用于乘 客释放。
[0006] 在最近的电梯设计中，电梯的驱动器可使用再生驱动器系统。再生驱动器在正常 操作条件期间将电力从主电力供应递送至电动机，并且在电力故障操作条件(例如，电力骤 降、电力损耗等)的情况下从后备电力供应递送电力。再生驱动器可包括输入或电力市电电 网侧上的转换器和电动机侧上的逆变器，其中逆变器的电力需求由转换器上的适当电力容 量匹配。这类再生驱动器可需要通过控制器的严格调节以将可利用的电力提供至电动机并 且提供至后备电力供应。这类装置的实例进一步描述于美国专利公告号2012/0261217 ("Regenerative Drive with Backup Power Supply"）中。
[0007] 用于电梯的再生驱动器具有正电力需求和负电力需求，这意味着，当驱动器具有 正需求时，所述驱动器可汲取外部电力（例如，来自本地电源），并且当所述驱动器具有负电 力需求时，所述驱动器作为发电机产生电。因此，在再生情形下必须严格调节并且管理各种 部件两端的电压，所述再生情形是在电动机在负电力情形下作为发电机产生能量时。直流 电(DC)链路可存在，从而桥接逆变器和转换器以平滑电力输出并且缓冲逆变器和转换器的 输出电流。
[0008] 在这类设计中，声噪声、效率、中性点稳定性和热平衡的管理是该设计成功的必然 要求。因而，桥接逆变器和转换器的DC链路必须被设计成具有一个或多个电容器以平滑电 流并且管理所提及的电力干扰。DC链路可包括电容器，包括薄膜电容器和电解电容器;然 而，所述电容器可具有低效率和/或短寿命。
[0009] 电解电容器以较低的成本具有相比于薄膜电容器的较大电容;然而，薄膜电容器 的寿命通常大于具有相同电容的电解电容器的寿命。如果再生驱动器内部的电解电容器失 效，则很多时间和成本涉及再生驱动器内的所述电解电容器的修理和置换。因此，需要设计 具有电容器链路的DC链路，所述电容器链路提供所需要的电容，同时维持稳健性和成本效 率。
[0010] 公开概述
[0011] 根据本公开的一个方面，公开一种再生电梯驱动器装置。所述再生电梯驱动器装 置可包括具有多个电力部件的逆变器和具有多个电力部件的转换器。所述再生驱动器可还 包括桥接所述逆变器和所述转换器的电流电(DC)链路，所述DC链路包括桥接所述逆变器和 所述转换器的第一电容器和与内部电容器并联的第二电容器。
[0012] 在一个改进中，第一电容器可为薄膜电容器。
[0013] 在一个改进中，第二电容器可为电解电容器。
[0014] 在一个改进中，第二电容器的电容可大于第一电容器的电容。
[0015] 在一个改进中，逆变器的所述多个电力部件中的至少一个成员为孤立栅双极晶体 管。
[0016] 在一个改进中，转换器的所述多个电力部件中的至少一个成员为孤立栅双极晶体 管。
[0017] 在一个改进中，再生电梯驱动器可为多电平再生驱动器。
[0018] 在又一改进中，逆变器的所述多个电力部件和转换器的所述多个电力部件可被布 置成具有T型拓扑。
[0019] 在另一改进中，逆变器的所述多个电力部件和转换器的所述多个电力部件可被布 置成具有中性点钳位型拓扑。
[0020] 在另一改进中，逆变器的所述多个电力部件和转换器的所述多个电力部件可被布 置成具有先进的T型中性点钳位拓扑。
[0021] 在另一改进中，逆变器的所述多个电力部件中的至少一个成员和转换器的所述多 个电力部件中的至少一个成员可为反向阻断孤立栅双极晶体管。
[0022] 根据本公开的另一方面，公开用于缓冲再生电梯驱动器装置中的能量的方法，所 述电梯驱动器装置包括具有多个电力部件的逆变器和具有多个电力部件的转换器。所述方 法可包括提供桥接逆变器和转换器以用于能量缓冲的第一电容器，和连接与内部电容器并 联的第二电容器以用于能量缓冲。
[0023] 在一个改进中，再生电梯驱动器装置可为多电平再生电梯驱动器装置。
[0024] 根据本公开的另一方面，公开一种电梯系统。所述电梯系统可包括：电梯轿厢，其 安置在电梯井中；电动机，其操作性地连接至电梯轿厢，所述电动机生成推力以在电梯井内 移动电梯轿厢；电源，其操作性地连接至电动机，所述电源将电力供应至电动机。所述电梯 系统可还包括再生电梯驱动器装置，所述再生电梯驱动器装置操作性地连接至电源和电动 机。再生电梯驱动器装置可包括具有多个电力部件的逆变器、具有多个电力部件的转换器， 和桥接逆变器和转换器的电流电(DC)链路，所述DC链路具有桥接逆变器和转换器的第一电 容器。所述电梯系统可还包括第二电容器，所述第二电容器与再生电梯驱动器装置的第一 电容器并联。
[0025] 在一个改进中，再生电梯驱动器装置可为多电平再生电梯驱动器装置。
[0026]在又一改进中，逆变器的所述多个电力部件和逆变器的所述多个电力部件可被布 置成具有中性点钳位型、T型或先进的T型中性点钳位型拓扑。
[0027] 在一个改进中，第二电容器可为独立于再生电梯驱动器装置可接近的。
[0028] 在一个改进中，逆变器的所述多个电力部件中的至少一个成员和转换器的所述多 个电力部件中的至少一个成员可为孤立栅双极晶体管。
[0029] 在一个改进中，逆变器的所述多个电力部件中的至少一个成员和转换器的所述多 个电力部件中的至少一个成员为反向阻断孤立栅双极晶体管。
[0030] 附图简述
[0031 ]图1是根据本公开的一个实施方案的电梯系统的不意性表不。
[0032] 图2是用于图1的电梯系统的再生驱动器的示意性表示。
[0033] 图3是图2的再生驱动器的逆变器和转换器的示意性表示，逆变器和转换器两者具 有中性点钳位(NPC)型拓扑。
[0034]图4是逆变器和/或转换器的相脚的示意性表示，相脚具有NPC型拓扑。
[0035] 图5是图2的再生驱动器的逆变器和转换器的示意性表示，逆变器和转换器两者具 有Τ型拓扑。
[0036] 图6是逆变器和/或转换器的相脚的示意性表示，相脚具有Τ型拓扑。
[0037] 图7是图2的再生驱动器的逆变器和转换器的示意性表示，逆变器和转换器两者具 有先进的Τ型中性点钳位(ΑΤ-NPC)型拓扑。
[0038] 图8是逆变器和/或转换器的相脚的示意性表示，相脚具有ΑΤ-NPC型拓扑。
[0039] 应理解，附图未必按比例，并且有时用图解法和在局部视图中例示所公开的实施 方案。在某些情况下，可能已经省略对于理解本公开并非必要的或呈现难以察觉的其他细 节的细节。当然，应理解，本公开不限于本文所例示的特定实施方案。
[0040] 附图详述
[0041] 现在参考图1，提供电梯系统10的示意图。将理解，图1的所描绘的电梯系统仅用于 例示性目的，并且用以帮助公开本发明的各种实施方案。如由本领域技术人员所理解，图1 没有描绘示例性电梯系统的部件中的全部，所描绘的特征也未必包括于全部电梯系统中。 [0042]电梯系统可完全或部分地驻留在垂直地安置于建筑物内的电梯井12中。电梯井12 可提供垂直路径，电梯轿厢14可通过所述垂直路径在建筑的楼层或楼梯平台16之间行进。 电动机18或其他原动机可操作性地连接至电梯轿厢14，以便生成推力来在电梯井12内移动 电梯轿厢14。
[0043]电源19可操作性地连接至电动机18,以便将电力供应至电动机。电源19可为外部 生成的电力，如来自电力市电电网。电动机18和电源19可各自为三相的。另外，再生驱动器 20可联接至电动机18和电源19,以便操作电动机18来实现所需要的电梯轿厢14移动。
[0044] 转至图2,示出示例性再生驱动器装置20。再生驱动器20可通常包括操作性地与电 力供应19相关联的转换器21和操作性地与电动机18相关联的逆变器22。更具体地说，转换 器21可操作性地与电源19的三个相连接。逆变器22可操作性地连接至电动机18。另外，逆变 器22和转换器21可通过DC链路23连接，DC链路23具有正链路45、负链路46、转换器中性点41 和逆变器中性点42。在一些实例中，转换器中性点41和逆变器中性点42可连接。替代地，转 换器中性点41和逆变器中性点42可为独立中性点。
[0045] DC链路23可被设计来吸收由逆变器22或转换器21产生的波纹电流和/或在突然的 意外电梯停止或电源19的突然断开的情况下吸收来自电动机的再生能量。为吸收波纹电 流，DC链路23可包括一个或多个电容器43,以平滑波纹电流和传播谐波。另外，DC链路23可 包括一个或多个次级电容器49,所述一个或多个次级电容器关联连接至内部电容器43以帮 助内部电容器43平滑波纹电流。次级电容器49在DC链路23处与内部电容器43并联地连接至 再生驱动器20。在一些实例中，外部电容器49可位于再生驱动器20的主电路外侧，而电容器 43在如所示的再生驱动器电路20中是整体的。次级电容器49可为独立于再生驱动器20而可 从外部接近的。
[0046]电容器43和/或次级电容器49可为薄膜电容器。薄膜电容器可提供具有长寿命的 稳健设计。替代地，电容器43和/或次级电容器49可为电解电容器。电解电容器以低成本提 供高能量缓冲容量。薄膜电容器可具有相比于电解电容器的较大寿命预期。在一些实施方 案中，电容器43可为薄膜电容器，而次级电容器49可为电解电容器。在这类实施方案中，薄 膜电容器可为再生驱动器20的内部电路提供长寿命，而次级电容器49可处置与电解电容器 相关联的较大能量缓冲容量;因此，在电解次级电容器49中的故障的情况下，不需要修理再 生驱动器电路20,因为可独立于再生驱动器20而接近次级电容器49。次级电容器49可具有 相比于电容器43的较大电容。替代地，电容器43和次级电容器48两者可为薄膜电容器。在一 此这类实例中，电容器43可为与再生驱动器20相关联的印刷电路板组件(PCBA)上的小薄膜 电容器，而次级电容器48可为独立于PCBA的较大薄膜电容器。因而，可最小化PCBA的大小。 [0047] 在再生驱动器20的一些示例性实施方案中，电感可存在于次级电容器49与DC链路 23的其他元件之间。电感可由电感器48提供。另外或替代地，电感可为归因于连接至电容器 49的可能长的电线和/或总线条的寄生电感。
[0048] 控制器30可用来控制再生驱动器的电力装置25。控制器30可包括转换器控制31、 逆变器控制33和DC总线调节器32。转换器控制31和逆变器控制32可分别将逻辑信号发送至 转换器21的电力装置25和逆变器22的电力装置25 AC总线电压调节器33可调节与DC链路23 的正极45、负极44、逆变器中性点42和/或转换器中性点41相关联的电压。控制器30可包括 上面存储有电脑可执行指令的任何非暂态电脑可读存储介质，如至少一个电脑处理器。控 制器可被编程来将脉冲宽度调制(PWM)应用于转换器21和逆变器221WM为用来控制供应至 电动机18的电力的调制技术。PWM技术可包括例如单极切换和双极切换。
[0049] 现在转至图3,再生驱动器20可为具有多电平转换器21和多电平逆变器22的多电 平驱动器。在这个实例中，再生驱动器20可为具有三电平转换器21和三电平逆变器22的三 电平驱动器。更具体地说，多电平转换器21和多电平逆变器22的每个相脚27可输出电压的 三个电平：正电压、中性点电压和负电压。逆变器22和转换器21两者可包括多个电力装置 25,电力装置25被分组成相脚27。转换器21的每个相脚27可处于与电源19的每个相选择性 通信中。同样地，逆变器22的每个相脚27可处于与电动机18的每个相选择性通信中。转换器 21和逆变器22中的电力装置25可包括多个绝缘栅双极晶体管（IGBT)和/或多个二极管。
[0050] 在再生驱动器20为多电平再生驱动器的这类实例中，电路的设计可需要多个电容 器43，以获得具有中性点的多个电平。当电容器43为串联时，如图3中所见，电容器43的电容 减少，因为串联电容器的总电容减少，如由以下方程式定义：
[0052] 包括次级电容器49提升总有效电容，因为所述次级电容器与电容器43并联，并且 串联电容器的电容为单独电容器的电容的总和：
[0053] C总=Ci+C2+."+Cn〇
[0054] 次级电容器49不需要中性点，并且因此可使用较高电压的单个电容器，而不是使 用串联的两个1/2电压的电容器(这导致1/2的电容总数）。
[0055] 如图3中所见，用于再生驱动器系统20的逆变器22和转换器21具有中性点钳位型 (NPC型)拓扑。另外，图4示出逆变器22和/或转换器21的相脚27，相脚27具有相同的NPC型拓 扑。NPC型拓扑利用处于串联布置中的电力部件25(在这个实例中为IGBT 25A-D)来实现三 电平PWM操作。当装置如在NPC型拓扑中串联时，具有较低电压额定值的电力部件25可用来 实现装置两端的相同电压。使用NPC型拓扑可由于具有较低电压额定值的电力部件25的使 用而导致成本节省，因为较低的成本与这类部件相关联。
[0056] 转至图5,示出用于图2的再生驱动器系统的替代性逆变器22和替代性转换器21， 逆变器22和转换器21两者具有T型拓扑。另外，图6示出逆变器22和/或转换器21的相脚57， 相脚57具有相同的T型拓扑。T型拓扑利用处于两个IGBT 55B、55C串联的布置中的电力部件 55(在这个实例中为IGBT 55)，那两个IGBT 55B、55C与串联的另一对IGBT 55Α、5?并联。这 种布置因为每个对为串联而降低跨于每个对所需要的电压额定值，并且还由于两对IGBT为 并联而产生较大效率。
[0057]参考图7,示出用于再生驱动器系统20的另一替代性逆变器22和替代性转换器21， 其中逆变器22和转换器21两者具有先进的T型中性点钳位(ΑΤ-NPC)拓扑。另外，图8示出逆 变器22和/或转换器21的相脚67,相脚67具有相同的ΑΤ-NPC型拓扑。ΑΤ-NPC型拓扑的电力部 件65可包括反向阻断IGBT 68(RB-IGBT)、RB-IGBT 68并联连接至其他电力部件。ΑΤ-NPC型 拓扑可与较大效率相联系。
[0058] 工业适用性
[0059] 从前述内容，可看出，本文所公开的技术在各种环境中具有工业适用性，例如但不 限于用于设计与再生驱动器相关联的DC链路的系统和方法。再生驱动器可与电梯系统结合 使用。使用本文的教义，可产生具有最佳化DC链路配置的多电平再生驱动器。对现有技术的 这个改进可通过限制传播谐波，减少声噪声，提升装置效率和/或降低装置成本来改进再生 驱动器的操作。
[0060] 虽然本公开已关于用于电梯系统的再生驱动器，但本领域技术人员将理解，本文 教义也可使用于其他应用中。因此，意图在于，本发明的范围不受本文呈现为用于实行本发 明的最佳模式的实施方案限制，但是本发明将也包括属于权利要求书的精神和范围内的所 有等效物。
【主权项】
1. 一种再生驱动器装置(20)，其包括： 逆变器(22)，其具有多个电力部件(25); 转换器(21)，其具有多个电力部件(25); 直流电（DC)链路（23 )，其桥接所述逆变器（22)和所述转换器(21 )，所述DC链路（23)包 括： 第一电容器(43 )，其桥接所述逆变器(22)和所述转换器(21);以及 第二电容器(49)，其与所述第一电容器(43)并联。2. 如权利要求1所述的再生驱动器装置(20)，其中所述第一电容器(43)为薄膜电容器。3. 如权利要求1所述的再生驱动器装置(20)，其中所述第二电容器(49)为电解电容器。4. 如权利要求1所述的再生驱动器装置(20)，其中驱动器装置(20)为电梯驱动器。5. 如权利要求1所述的再生驱动器装置(20)，其中所述逆变器(22)的所述多个电力部 件(25)中的至少一个成员为孤立栅双极晶体管。6. 如权利要求1所述的再生驱动器装置（20)，其中所述转换器的所述多个电力部件 (25)中的至少一个成员为孤立栅双极晶体管。7. 如权利要求1所述的再生驱动器装置（20)，其中所述再生驱动器（20)为多电平再生 驱动器。8. 如权利要求7所述的再生驱动器装置(20)，其中所述第二电容器(49)的电容大于所 述第一电容器(43)的组合电容。9. 如权利要求7所述的再生驱动器装置(20)，其中所述逆变器(22)的所述多个电力部 件(25)和所述转换器的所述多个电力部件(25)被布置成具有T型拓扑(57)。10. 如权利要求7所述的再生驱动器装置(20)，其中所述逆变器(22)的所述多个电力部 件(25)和所述转换器的所述多个电力部件(25)被布置成具有中性点钳位拓扑(27)。11. 如权利要求7所述的再生驱动器装置(20)，其中所述逆变器(22)的所述多个电力部 件（25)和所述转换器的所述多个电力部件（25)被布置成具有先进的T型中性点钳位拓扑 (67) 〇12. 如权利要求11所述的再生驱动器装置(20)，其中所述逆变器(22)的所述多个电力 部件(25)中的至少一个成员和所述转换器(21)的所述多个电力部件(25)中的至少一个成 员为反向阻断孤立栅双极晶体管(68)。13. -种用于缓冲再生驱动器装置（20)中的能量的方法，所述再生电梯驱动器装置 (20)包括具有多个电力部件(25)的逆变器(22)和具有多个电力部件(25)的转换器(21)，所 述方法包括： 提供第一电容器(43)，所述第一电容器桥接所述逆变器(22)和所述转换器(21)以用于 能量缓冲；以及 连接与所述内部电容器(43)并联的第二电容器(49)以用于能量缓冲。14. 如权利要求13所述的方法，其中所述再生驱动器装置(20)为多电平再生电梯驱动 器装置。15. -种电梯系统（10)，其包括： 电梯轿厢，其安置在电梯井（12)中； 电动机（18)，其操作性地连接至所述电梯轿厢，所述电动机（18)生成推力以在所述电 梯井(12)内移动所述电梯轿厢； 电源（19)，其操作性地连接至所述电动机（18)，所述电源（19)将电力供应至所述电动 机(18);以及 再生电梯驱动器装置(20)装置，其操作性地连接至所述电源（19)和所述电动机（18)， 所述再生电梯驱动器装置(20)包括： 逆变器(22)，其具有多个电力部件(25); 转换器(21)，其具有多个电力部件(25); 电流电（DC)链路（23)，其桥接所述逆变器（22)和所述转换器(21)，所述DC链路（23)具 有桥接所述逆变器(22)和所述转换器(21)的第一电容器(43)和与所述第一电容器(43)并 联的第二电容器(49)。16. 如权利要求15所述的电梯系统（10)，其中所述再生电梯驱动器装置(20)为多电平 再生电梯驱动器装置。17. 如权利要求16所述的电梯系统（10)，其中所述逆变器（22)的所述多个电力部件 (25)和所述转换器的所述多个电力部件(25)被布置成具有中性点钳位拓扑、T型拓扑或先 进的T型中性点钳位拓扑。18. 如权利要求15所述的电梯系统（10)，其中所述第二电容器(49)是独立于所述再生 电梯驱动器装置(20)装置可接近的。19. 如权利要求15所述的电梯系统（10)，其中所述逆变器（22)的所述多个电力部件 (25)中的至少一个成员和所述转换器的所述多个电力部件(25)中的至少一个成员为孤立 栅双极晶体管。20. 如权利要求17所述的电梯系统（10)，其中所述逆变器（22)的所述多个电力部件 (25)中的至少一个成员和所述转换器的所述多个电力部件(25)中的至少一个成员为反向 阻断孤立栅双极晶体管。
【文档编号】B66B11/04GK105829225SQ201380081742
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2013年12月18日
【发明人】I.阿吉尔曼, S.M.米勒特, H.J.金
【申请人】奥的斯电梯公司