专利名称：一种hybrid电梯控制柜及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种电梯控制装置，特别是一种指使用电网电力与蓄电池、超级电容 组储能设备作为电力同时供电的HYBRID电梯控制柜及其控制方法。
背景技术：
现有的主流电梯控制柜主要有以下三种1、电阻制动型电梯控制柜采用制动电阻将电梯曳引机制动时产生的能量转化成 热能消耗掉，该种电梯控制柜的缺点是，制动电阻产生热量大，没有对电梯曳引机制动能量 加以利用，故耗能比较大。2、回馈电网型电梯控制柜利用三相并网逆变技术将电梯曳引机制动时产生的能 量回馈给电网，可以节约很大一部分电能，其缺点是回馈给电网的电能质量难以保证，存 在较大的谐波电流，容易对电网造成污染。3、传统HYBRID电梯控制柜使用蓄电池存储电梯曳引机马达回馈的能量，然而蓄 电池充电速度非常慢，允许连续充电电流与额定容量的比值即充电率也非常低，不适合要 求快速大电流充电的场合。然而曳引机马达回馈功率非常大，如果要想存储全部回馈能量， 那么需要使用很大容量的蓄电池。中国专利200920247993. 7公开的“一种节能电梯控制 柜”采用了这一技术，使用蓄电池作为储能装置。由于蓄电池的特性是充电速度慢，即充电 功率小。所以要以较大功率完全吸收曳引机制动发出的能量要选用大容量的蓄电池以满足 充电功率的要求。然而相对于如此大容量的蓄电池，电梯曳引机制动发出的总能量却很小， 这导致蓄电池大部分容量都没有得到利用。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种耗能低、不对电网造成污染 和不需要大容量蓄电池的HYBRID电梯控制柜及其控制方法。为了实现上述目的，本发明的技术方案如下一种HYBRID电梯控制柜，包括整流器、马达矢量变频器、马达矢量变频控制电路、 电梯控制电路、马达电动功率计算电路、蓄电池、蓄电池充放电电路、蓄电池充放电控制电 路和主控制电路，还包括超级电容组和超级电容充放电电路和超级电容充放电控制电路， 所述的整流器一端与三相电网连接、另一端连接滤波电容后分别与蓄电池充放电电路、超 级电容充放电电路和马达矢量变频器连接，所述的马达矢量变频器通过动力电缆与曳引 机，还通过控制电缆依次与IGBT驱动电路、马达矢量变频控制电路和电梯控制电路连接， 所述的蓄电池充放电电路和超级电容充放电电路的输入端分别通过动力电缆接入马达矢 量变频器的直流母线，所述的蓄电池充放电电路的输出端与蓄电池通过动力电缆相连接， 所述的超级电容充放电电路的输出端与超级电容组通过动力电缆相连接，所述的蓄电池充 放电控制电路与蓄电池充放电电路通过控制电缆相连接，所述的超级电容充放电控制电路 与超级电容充放电电路通过控制电缆相连接，所述的主控制电路的输出端分别通过控制电缆与蓄电池充放电控制电路和超级电容充放电控制电路相连、其输入端通过控制电缆依次 与电机功率计算电路和电梯控制电路连接。本发明所述的超级电容组采用不同容量的单个超级电容器通过串联、并联或串联 并联组合的方式，构成一个合适额定电压及额定电容量的超级电容组。本发明所述的超级电容组采用128只韩国LS公司的超级电容器 LSUC002R8L0350FEA串联，构成一个额定电压358V和额定电容量2. 73F的超级电容组；所 述的超级电容器LSUC002R8L0350FEA的额定电压为2. 8V、额定容量为350F。一种HYBRID电梯控制柜的控制方法，包括以下步骤A、主控制电路通过检测抱闸BKM信号，判断电梯是否正在移动；如果电梯正在移 动通过检测马达矢量变频器直流母线电压判断出电梯是在电动运行还是制动运行，大于 590V即判断电梯正制动运行，小于590V即判断电梯正电动运行；B、当主控制电路判断出电梯制动运行时，主控制电路发出充电指令分别给蓄电池 充放电控制电路和超级电容充放电控制电路；蓄电池充放电控制电路控制蓄电池充放电电 路动作，以恒压方式给蓄电池充电，其充电电流较小；主控制电路中设定的母线制动电压作 为母线电压PI调节器的给定量，母线直流电压检测值作为母线电压PI调节器的反馈量，经 过PI调节运算输出蓄电池充电电压给定量信号，主控制电路将该信号传递给蓄电池充放 电控制电路；蓄电池充放电控制电路完成蓄电池充电PI调节器运算及向蓄电池充放电电 路发出控制信号；同时超级电容充放电控制电路控制超级电容充电电路动作，以恒流方式 给超级电容组充电，充电电流较大，吸收大部分回馈能量，维持马达矢量变频器直流母线电 压恒定；超级电容充放电控制电路完成超级电容充电PI调节器运算及向超级电容充放电 电路发出控制信号；C、当主控制电路判断出电梯电动运行时，由功率计算电路计算出曳引机电机电动 需要的功率，主控制电路根据该功率和母线电压反馈值计算出变频器母线电流的给定值， 首先发出放电指令给超级电容充放电控制电路，并将曳引机电机电动时变频器直流母线所 需要的电流给定值传递给超级电容充放电控制电路，超级电容充放电控制电路控制超级电 容充放电电路动作，向马达矢量变频器直流母线放电，超级电容充放电控制电路通过检测 超级电容组的电压来判断其容量，当电压降低到额定电压的50%时，即放电结束，超级电 容充放电控制电路将放电结束状态反馈给主控制电路；主控制电路接到该状态反馈后，马 上将放电指令及曳引机电机电动时变频器直流母线所需要的电流给定值传递给蓄电池充 放电控制电路，蓄电池充放电控制电路将控制蓄电池充放电电路继续向变频器直流母线放 电；D、当主控制电路判断出电梯静止不动时，主控制电路发出向蓄电池放电指令给超 级电容充放电控制电路，发出从超级电容组充电指令给蓄电池充放电控制电路；超级电容 充放电控制电路控制超级电容充放电电路向蓄电池放电，蓄电池充放电控制电路控制蓄电 池充放电电路给蓄电池充电。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果1、由于本发明使用蓄电池和超级电容组吸收曳引机马达回馈能量，这样可以摈弃 掉背景技术中提到的电阻制动型电梯控制柜中的制动电阻，故发热量少，同时对曳引机制 动能量加以利用，节约了电能。另外在电网用电高峰时，由于电梯曳引机可以由蓄电池和超级电容组提供电能，将吸收的制动能量放电给曳引机，所以也削弱了电网用电高峰。另外在 电网停电时，电梯可以使用蓄电池和超级电容组的电能就近平层。故本发明具有耗能低、削 弱电网用电高峰和停电就近平层的特点。2、由于本发明使用蓄电池和超级电容组吸收曳引机马达回馈能量，在曳引机电动 时将吸收的能量放电给曳引机，能量的转换都是在控制柜内部，不对电网回馈任何能量，与 背景技术提到的回馈电网型电梯控制柜相比，不对电网产生任何谐波电流污染，故本发明 具有对电网无污染的特点。3、由于本发明使用的超级电容组具有充电速度快，充电率高的特点，适合用于吸 收马达回馈能量，利用其充电速度快的特点，快速吸收曳引机马达回馈能量，电梯静止时再 将吸收的回馈能量，以很慢的速度给蓄电池充电，蓄电池容量较大，可以存储相对较多的电 量。同时本专利使用的蓄电池容量相对于背景介绍中提到的传统HYBRID控制柜而然却小 很多，因为利用了超级电容组来快速吸收制动能量，并在电梯无人乘坐时转存该能量给蓄 电池，所以解决了传统HYBRID电梯控制柜蓄电池容量大的缺点。故本发明具有蓄电池容量 小的特点。4、由于本发明的超级电容组把吸收的电能以较小的充电功率存储在蓄电池中，以 保证以后有足够的制动能力。一般来讲由于电梯在一天24小时中，处于无人乘坐状态时间 较长，所以超级电容组有足够的时间将吸收的制动能量转存到蓄电池中。这样即解决了蓄 电池充电速度慢的问题又解决了超级电容组相对容量小长期运行制动能力有限的问题。故 本发明具有蓄电池与超级电容组协调使用，弥补彼此不足，发挥各自长处的特点。
本发明共有附图16张，其中图1表示本发明的结构示意图。图2是图1中蓄电池充放电电路结构示意图。图3是图1中超级电容充放电电路结构示意图。图4是图1的超级电容充放电控制电路中电梯曳引机马达回馈能量时超级电容充 电控制原理示意图。图5是图1的蓄电池充放电控制电路中电梯曳引机马达回馈能量时蓄电池充电控 制原理示意图。图6是图1的超级电容充放电控制电路中电梯曳引机马达电动时超级电容放电控 制原理示意图。图7是图1的蓄电池充放电控制电路中电梯曳引机马达电动时蓄电池放电控制原
理示意图。图8是图1的超级电容充放电控制电路中电梯静止时超级电容组向蓄电池转换能 量超级电容放电控制原理示意图。图9是图1的蓄电池充放电控制电路中电梯静止时超级电容组向蓄电池转换能量 蓄电池充电控制原理示意图。图10是传统电梯结构示意图。图11是主控制电路中软件总体流程图示意图。
图12是蓄电池充放电控制电路中变频器直流母线向蓄电池充电部分的软件流程 图。图13是超级电容充放电控制电路中变频器直流母线向超级电容充电部分的软件 流程图。图14是蓄电池充放电控制电路中蓄电池向变频器直流母线放电部分的软件流程 图。图15是超级电容充放电控制电路中超级电容向变频器直流母线放电部分的软件 流程图。图16是主控制电路、蓄电池及超级电容充放电控制电路中超级电容组向蓄电池 放电部分的软件流程图。图中1、整流器，2、马达矢量变频器，3、马达矢量变频控制电路，4、电梯控制电路， 5、马达电动功率计算电路，6、蓄电池，7、超级电容组，8、蓄电池充放电电路，9、超级电容充 放电电路，10、蓄电池充放电控制电路，11、超级电容充放电控制电路，12、主控制电路。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1-16所示，一种HYBRID电梯控 制柜，包括整流器1、马达矢量变频器2、马达矢量变频控制电路3、电梯控制电路4、马达电 动功率计算电路5、蓄电池6、蓄电池充放电电路8、蓄电池充放电控制电路10和主控制电 路12，还包括超级电容组7、超级电容充放电电路9和超级电容充放电控制电路11，所述的 整流器1 一端与三相电网连接、另一端连接滤波电容后分别与蓄电池充放电电路8、超级电 容充放电电路9和马达矢量变频器2连接，所述的马达矢量变频器2通过动力电缆与曳引 机，还通过控制电缆依次与IGBT驱动电路、马达矢量变频控制电路3和电梯控制电路4连 接，所述的蓄电池充放电电路8和超级电容充放电电路9的输入端分别通过动力电缆接入 马达矢量变频器2的直流母线，所述的蓄电池充放电电路8的输出端与蓄电池6通过动力 电缆相连接，所述的超级电容充放电电路9的输出端与超级电容组7通过动力电缆相连接， 所述的蓄电池充放电控制电路10与蓄电池充放电电路8通过控制电缆相连接，所述的超级 电容充放电控制电路11与超级电容充放电电路9通过控制电缆相连接，所述的主控制电路 12的输出端分别通过控制电缆与蓄电池充放电控制电路10和超级电容充放电控制电路11 相连、其输入端通过控制电缆依次与电机功率计算电路和电梯控制电路4连接。所述的超 级电容组7采用不同容量的单个超级电容器通过串联、并联或串联并联组合的方式，构成 一个合适额定电压及额定电容量的超级电容组7。所述的超级电容组7采用128只韩国LS 公司的超级电容器LSUC002R8L0350FEA串联，构成一个额定电压2. 8V*128 = 358V和额定 电容量350F/128 = 2. 73F的超级电容组7 ；所述的超级电容器LSUC002R8L0350FEA的额定 电压为2. 8V、额定容量为350F。一种HYBRID电梯控制柜的控制方法，包括以下步骤A、主控制电路12通过检测抱闸BKM信号，判断电梯是否正在移动；如果电梯正在 移动通过检测马达矢量变频器2直流母线电压判断出电梯是在电动运行还是制动运行，大 于590V即判断电梯正制动运行，小于590V即判断电梯正电动运行；B、当主控制电路12判断出电梯制动运行时，主控制电路12发出充电指令分别给蓄电池充放电控制电路10和超级电容充放电控制电路11 ；蓄电池充放电控制电路10控制 蓄电池充放电电路8动作，以恒压方式给蓄电池6充电，其充电电流较小；主控制电路12中 设定的母线制动电压作为母线电压PI调节器的给定量，母线直流电压检测值作为母线电 压PI调节器的反馈量，经过PI调节运算输出蓄电池6充电电压给定量信号，主控制电路12 将该信号传递给蓄电池充放电控制电路10 ；蓄电池充放电控制电路10完成蓄电池6充电 PI调节器运算及向蓄电池充放电电路8发出控制信号；同时超级电容充放电控制电路11 控制超级电容充电电路动作，以恒流方式给超级电容组充电，充电电流较大，吸收大部分回 馈能量，维持马达矢量变频器2直流母线电压恒定；超级电容充放电控制电路11完成超级 电容充电PI调节器运算及向超级电容充放电电路9发出控制信号；C、当主控制电路12判断出电梯电动运行时，由功率计算电路计算出曳引机电机 电动需要的功率，主控制电路12根据该功率和母线电压反馈值计算出变频器母线电流的 给定值，首先发出放电指令给超级电容充放电控制电路11，并将曳引机电机电动时变频器 直流母线所需要的电流给定值传递给超级电容充放电控制电路11，超级电容充放电控制电 路11控制超级电容充放电电路9动作，向马达矢量变频器2直流母线放电，超级电容充放 电控制电路11通过检测超级电容组的电压来判断其容量，当电压降低到额定电压的50% 时，即放电结束，超级电容充放电控制电路11将放电结束状态反馈给主控制电路12 ；主控 制电路12接到该状态反馈后，马上发出放电指令及曳引机电机电动时变频器直流母线所 需要的电流给定值传递给蓄电池充放电控制电路10，蓄电池充放电控制电路10将控制蓄 电池充放电电路8继续向变频器直流母线放电；D、当主控制电路12判断出电梯静止不动时，主控制电路12发出向蓄电池6放电 指令给超级电容充放电控制电路11，发出从超级电容组充电指令给蓄电池充放电控制电路 10 ；超级电容充放电控制电路11控制超级电容充放电电路9向蓄电池6放电，蓄电池充放 电控制电路10控制蓄电池充放电电路8给蓄电池6充电。下面根据附图介绍本发明各个模块的功能整流器1 把电网三相交流电变换成直流电马达矢量变频器2 把直流电变换成电压和频率可以调节的三相交流电驱动马 达，闭环控制马达的转速和转距；马达矢量变频控制电路3 检测马达电流和转速反馈信号，完成马达矢量控制算 法，输出驱动信号控制马达矢量变频器2中IGBT功率管，马达速度闭环驱动；电梯控制电路4 完成整个电梯的逻辑控制、计算、检测及保护；马达电动功率计算电路5 计算马达电动运行需要的电功率；蓄电池6 —种直流电源，可以存储或释放直流电量；超级电容组7 —种充放电速度快，有较大电荷存储能力的电力储能器件；蓄电池充放电电路8 可以按照蓄电池充放电控制电路10的指令完成对蓄电池6 的充放电；超级电容充放电电路9 可以按照超级电容充放电控制电路11完成对超级电容组 的充放电；蓄电池充放电控制电路10 主要完成蓄电池充放电PI调节器运算，向蓄电池充放 电电路8发出控制信号；
超级电容充放电控制电路11 主要完成超级电容充放电PI调节器运算，向超级电 容充放电电路9发出控制信号；主控制电路12 根据变频器直流母线电压的检测信号，电梯抱闸开闭信号及马达 电动功率计算电路5的输入信号完成逻辑判断及运算，向蓄电池充放电控制电路10和超级 电容充放电控制电路11发出控制信号。下面结合附图介绍本发明的工作原理电梯曳引机马达回馈时，变频器直流母线电压升高，蓄电池充放电电路8工作，以 恒压方式给蓄电池6充电，其充电电流较小，控制原理见图5。同时超级电容充放电电路9 工作，以恒流方式给超级电容组7充电，充电电流较大，吸收了大部分回馈能量，维持了变 频器2直流母线电压恒定，控制原理见图4。电梯曳引机马达电动时，如图1，由功率计算电路5计算出马达电动需要的功率。 按照图6，超级电容组7放电到变频器2直流母线，为马达提供电能，由于超级电容组容量较 小，当其放电到额度电压一半时停止放电。由蓄电池6按照图7放电到变频器2直流母线， 为马达继续提供电能。电梯静止不动时，超级电容组7会把吸收的电能存储在蓄电池6中，以保证以后有 足够的制动能力。按照图8所示控制原理，超级电容组7先放电到变频器2直流母线，使母 线电压高于电网整流电压值，并保持恒定，这样可以防止蓄电池6从电网充电。蓄电池6按 照图9所示控制原理充电。这样超级电容组7吸收的电量便存储在蓄电池6中。
权利要求
1.一种HYBRID电梯控制柜，包括整流器(1)、马达矢量变频器(2)、马达矢量变频控制 电路(3)、电梯控制电路(4)、马达电动功率计算电路(5)、蓄电池(6)、蓄电池充放电电路 ⑶、蓄电池充放电控制电路(10)和主控制电路(12)，其特征在于还包括超级电容组(7)、 超级电容充放电电路(9)和超级电容充放电控制电路(11)，所述的整流器(1) 一端与三相 电网连接、另一端连接滤波电容后分别与蓄电池充放电电路(8)、超级电容充放电电路(9) 和马达矢量变频器(2)连接，所述的马达矢量变频器(2)通过动力电缆与曳引机，还通过控 制电缆依次与IGBT驱动电路、马达矢量变频控制电路(3)和电梯控制电路(4)连接，所述 的蓄电池充放电电路(8)和超级电容充放电电路(9)的输入端分别通过动力电缆接入马 达矢量变频器(2)的直流母线，所述的蓄电池充放电电路(8)的输出端与蓄电池(6)通过 动力电缆相连接，所述的超级电容充放电电路(9)的输出端与超级电容组(7)通过动力电 缆相连接，所述的蓄电池充放电控制电路(10)与蓄电池充放电电路(8)通过控制电缆相连 接，所述的超级电容充放电控制电路(11)与超级电容充放电电路(9)通过控制电缆相连 接，所述的主控制电路(12)的输出端分别通过控制电缆与蓄电池充放电控制电路(10)和 超级电容充放电控制电路(11)相连、其输入端通过控制电缆依次与电机功率计算电路和 电梯控制电路⑷连接。
2.根据权利要求1所述的一种HYBRID电梯控制柜，其特征在于所述的超级电容组 (7)采用不同容量的单个超级电容器通过串联、并联或串联并联组合的方式，构成一个合适 额定电压及额定电容量的超级电容组。
3.根据权利要求1或2所述的一种HYBRID电梯控制柜，其特征在于所述的超级电容 组(7)采用128只韩国LS公司的超级电容器LSUC002R8L0350FEA串联，构成一个额定电压 358V和额定电容量2. 73F的超级电容组；所述的超级电容器LSUC002R8L0350FEA的额定电 压为2. 8V、额定容量为350F。
4.一种如权利要求1所述的HYBRID电梯控制柜的控制方法，其特征在于包括以下步骤A、主控制电路(12)通过检测抱闸BKM信号，判断电梯是否正在移动；如果电梯正在移 动通过检测马达矢量变频器(2)直流母线电压判断出电梯是在电动运行还是制动运行，大 于590V即判断电梯正制动运行，小于590V即判断电梯正电动运行；B、当主控制电路(12)判断出电梯制动运行时，主控制电路(12)发出充电指令分别 给蓄电池充放电控制电路(10)和超级电容充放电控制电路(11)；蓄电池充放电控制电路 (10)控制蓄电池充放电电路(8)动作，以恒压方式给蓄电池(6)充电，其充电电流较小；主 控制电路(12)中设定的母线制动电压作为母线电压PI调节器的给定量，母线直流电压检 测值作为母线电压PI调节器的反馈量，经过PI调节运算输出蓄电池(6)充电电压给定量 信号，主控制电路(12)将该信号传递给蓄电池充放电控制电路(10)；蓄电池充放电控制电 路(10)完成蓄电池(6)充电PI调节器运算及向蓄电池充放电电路⑶发出控制信号；同 时超级电容充放电控制电路(11)控制超级电容充电电路动作，以恒流方式给超级电容组 (7)充电，充电电流较大，吸收大部分回馈能量，维持马达矢量变频器(2)直流母线电压恒 定；超级电容充放电控制电路(11)完成超级电容充电PI调节器运算及向超级电容充放电 电路(9)发出控制信号；C、当主控制电路(12)判断出电梯电动运行时，由功率计算电路计算出曳引机电机电动需要的功率，主控制电路(12)根据该功率和母线电压反馈值计算出变频器母线电流的 给定值，首先发出放电指令给超级电容充放电控制电路(11)，并将曳引机电机电动时变频 器直流母线所需要的电流给定值传递给超级电容充放电控制电路(11)，超级电容充放电控 制电路(11)控制超级电容充放电电路(9)动作，向马达矢量变频器(2)直流母线放电，超 级电容充放电控制电路(11)通过检测超级电容组的电压来判断其容量，当电压降低到额 定电压的50%时，即放电结束，超级电容充放电控制电路(11)将放电结束状态反馈给主控 制电路(12)；主控制电路(12)接到该状态反馈后，马上发出放电指令及曳引机电机电动时 变频器直流母线所需要的电流给定值传递给蓄电池充放电控制电路(10)，蓄电池充放电控 制电路(10)将控制蓄电池充放电电路(8)继续向变频器直流母线放电；D、当主控制电路(12)判断出电梯静止不动时，主控制电路(12)发出向蓄电池(6)放 电指令给超级电容充放电控制电路(11)，发出从超级电容组(7)充电指令给蓄电池充放电 控制电路(10)；超级电容充放电控制电路(11)控制超级电容充放电电路(9)向蓄电池(6) 放电，蓄电池充放电控制电路(10)控制蓄电池充放电电路⑶给蓄电池(6)充电。
全文摘要
本发明公开了一种HYBRID电梯控制柜及其控制方法，所述的控制柜包括整流器、马达矢量变频器、蓄电池、蓄电池充放电电路、蓄电池充放电控制电路和主控制电路，还包括超级电容组和超级电容充放电电路和超级电容充放电控制电路。由于本发明使用蓄电池和超级电容吸收曳引机马达回馈能量，这样可以摒弃掉现有技术中提到的电阻制动型电梯控制柜中的制动电阻，故发热量少，同时对曳引机制动能量加以利用，节约了电能。另外在电网用电高峰时，由于电梯曳引机可以由蓄电池和超级电容组提供电能，将吸收的制动能量放电给曳引机，所以也削弱了电网用电高峰。另外在电网停电时，电梯可以使用蓄电池和超级电容组的电能就近平层。
文档编号B66B1/28GK102001557SQ20101056792
公开日2011年4月6日 申请日期2010年12月1日 优先权日2010年12月1日
发明者权文浩, 李阳元, 王健 申请人:大连山亿电子有限公司