专利名称：交流永磁同步变频电梯公用直流回路技术的制作方法
技术领域：
随着电梯控制技术和变频变压拖动技术的发展，变频变压拖动系统在电梯系统中得到了广泛的应用。随着电梯市场的迅速扩张，国内的电梯保有量和增长量也是成倍数的增加。电梯，给广大民众带来上下方便的同时，同时带来了能量的大量消耗。在国家环保和的节能绿色方针下，如何让电梯在使用中实现低能耗指标，节约电能消耗成为电梯主管部门和电梯企业越来越关注的焦点。对电梯系统节能降耗，越来越成为很多电梯企业未来战略的目标。
背景技术：
现在的电梯，电梯的变频器系统均为单台独立设计，对于运行速度低于2. 5米/秒以下的电梯，永磁同步电机在能耗制动状态下所输出到电能是通过电阻发热的方式进行及时的消耗，电梯能耗制动下的所释放的电能没有给予充分的再利用，造成了能源的大量浪费。对于速度高于2. 5米的高速电梯和超高速电梯，很多企业均在变频系统上扩展了能量回馈单元，将电梯电机的再生的电能回馈到供电电网中，供给电网中的其他电器使用。 此种设计虽然节省了一部分电能消耗，但是前期投入成本过高，而且能源回馈装置也是单台独立设计，所以还没有大规模的在电梯上进行配置并投入到市场应用中。
发明内容
公用直流回路技术实现节能降耗的技术原理说明
为了便于进行理论分析，本文是以变频变压拖动技术和配置交流永磁同步电机，采用通用的电梯能耗电阻配置的方式为技术条件下的所进行的分析，同时将电梯运行时的其他能量消耗，如运动部件和静止部件的摩擦消耗，电梯控制系统的能源消耗等进行忽略。对于已经配置了能耗回馈系统的交流永磁同步变频电梯，技术原理的分析亦有效。电梯在封闭的井道内，通过电机的运转方向的变化拖动电梯的轿箱进行频繁的上下运动，达到输送乘客和重物的功能。电梯运行过程中，当轿箱重量和对重的质量不相等时，会消耗供电系统供应的电能或将轿箱和对重系统由于重量差别而产生的重力势能最终通过发热的方式消耗掉，从而造成能源的浪费。电梯运行过程中的能量变换主要的过程如下，过程状态1 当电梯轿箱重量大于对重重量时，如电梯向上运行，电梯变频拖动系统将供电系统输入的电能通过永磁同步电机转化为运动系统的在不同高度下重力势能在电梯系统内进行储存，电梯系统处于电能消耗状态，电梯配置的永磁同步电机充当驱动电机模式，将电能转化为机械能；当电梯下行时，电梯在运动系统(轿厢重量一对重重量)重力势能的作用下，再将重力势能通过永磁同步电机转换为电能，并将系统储存的重力势能通过热能的方式在变频拖动系统配置的制动电阻上消耗掉，从使电梯下行到达并停止在指定的位置，电梯在下行的过程中，基本不消耗供电系统的电能。
过程状态2 当电梯轿箱重量小于对重重量时，如电梯在向上运行的过程中，电梯运动系统(对重重量一轿厢重量)重力势能的作用下，将重力势能通过永磁同步电机转换为电能，并将系统储存的重力势能通过热能的方式在变频拖动系统配置的制动电阻及时消耗，从使电梯上行并停止到指定位置，重力势能转化为热能，电梯不消耗供电系统的电能。 如电梯向下运行，电梯变频拖动系统将供电系统输入的电能转化为运动系统的在不同高度下重力势能在电梯系统内进行储存，电梯系统处于电能消耗状态。过程状态3 当电梯的轿箱重量等于对重重量时，理论状态下电梯轿厢上下运行时，均不需要消耗供电系统输入的电能，也不向变频拖动系统输出电能。但是实际状态下， 电梯需要从供电系统输入较少的电能用以克服电梯轿厢系统、电梯对重系统和其他电梯运转部件在运行时摩擦力。随着永磁同步电机市场上的广泛应用，交流永磁同步电机的转子采用永久磁钢结构，所以同步电机具有直流电机和发电机的双重特性。当电机在外界供电下，起着电机的作用，将电能转换为机械能。当永磁同步电机在外界输入机械能的状态下，永磁同步电机起着发电机的作用，将机械能转换为电能。对于变频驱动的交流永磁同步电机，轿厢系统和对重系统在重力差的作用力距下，通过钢丝绳、钢带、皮带等传动装置，驱动主机进行再生发电状态，永磁同步电机充当交流发电机功能，所发的(非工频)交流电通过变频拖动系统中大功率晶闸管上并接的反向二极管，再次进行三相桥式整流输出直流电并直接输送到变频拖动系统内的直流母线上。变频拖动系统的直流母线上的直流中间电压会升高。当母线上的直流电压升高到变频拖动系统的监测值最高限值时，变频拖动系统会接通串连在能耗电阻的可控电力电力电子器件(如晶闸管)，以通过对晶闸管控制端输送一定占空比的控制脉冲，使母线上的电能以脉冲释放的方式消耗掉，从而完成永磁同步电机产生的电能和制动电阻间热能的转换。即完成电梯运动系统重力势能到热能的转换，重力势能通过热能消耗掉，不可再生，因而浪费能源。对于市场上的很多企业生产的高速电梯配置电能回馈逆变装置，可以将电梯系统的永磁同步电机后产生的再生电能(重力势能转换)通过电能回馈装置将直流电转换为三相50赫兹的工频电后回馈到三相供电电网系统中，供电网上其它并接的用电器消耗掉，达到了能源的再次利用，从而可以起到降低电梯能耗的作用。但是由于能量回馈装置技术含量高，成本大，电梯使用客户的一次性投资成本高，同时回馈的电梯能量会对供电电网存在电磁兼容性问题等，需要投入成本去克服，所以目前仍未得到普遍的应用。公用直流回路供电系统的节能和技术优势分析
对于变频变压拖动系统，变频变压的过程是指将供电系统输入的三相交流工频电(380 VAC)，通过变频拖动系统内配置整流模块整流成直流电，通过直流母线上并接的滤波电容使直流电压为维持在讨0 (380X1. 414)伏左右，再通过PWM等方式输出电压可变，频率可变的等效三相交流电，驱动交流永磁同步电机运转，完成电能到机械能的转换工作。现在通用的变频拖动系统内均配置了交流整流模块完成交流到直流的转换。再通过监控变频拖动系统内直流母线的电压波动上限范围，去控制再生能量在制动电阻上的消耗或再生电能回馈装置去反馈会交流供电电网。永磁同步电机变频拖动系统都有一个独立的交流变换直流的装置。对于同一个区
4域内两台或两台以上的电梯，如将所有电梯变频拖动系统内配置的交流变直流回路脱离于各自的变频拖动系统，整合成一个独立的交流变直流公用系统，将三相交流电整流成满足变频拖动系统要求的稳定直流电源，通过断路器连接的方式供给系统内所有电梯变频拖动系统使用。即让所有配置交流永磁同步电机的电梯的变频拖动系统公用统一的直流供电， 公用同一个直流回路，所有的变频拖动系统在并接在直流母线上。这种变化可以让单台电梯的变频拖动系统无需要独立配置交流整流模块，再生制动电阻等，还可以节省交流电抗器，滤波器和直流电抗器等器件。还可以不再使用独立的能耗控制晶间管，简单化和小型化变频拖动系统设计，大幅降低变频拖动系统的生产成本和应用成本，具有很强的成本优势。采用公用直流回路变频拖动技术驱动电梯，如果一栋建筑或一个城市系统内有很多部电梯，当电梯的台数大于两个，并且数量众多时，由于电梯运行方向的时间随机性，电梯的永磁同步电机根据对重系统和轿厢系统的重量差别和运行方向，不停的担负着驱动电机和发电机的角色，消耗公用直流回路的电能或向公用直流回路输送电能。根据能量守恒定律，在理想状态，不考虑摩擦等其他因素的情况下，同等马达功率和同等轿厢和对重力差的电梯，一台电梯在再生发电状态下所发出的电能完全供应另一台电梯的反向运行相同距离所需要的能量。公用直流回路内电梯越多，在同一时间段内。公用直流回路的系统的电梯同时消耗电能和处于发电运行状态的电梯概率相同，直流电压越稳定，电能消耗越少，节能优势越明显，这就是公用直流回路的节能优势。公用直流回路能量消耗和能量再生的两种极端情况说明，交流永磁同步变频拖动的电梯在公用直流供电回路时，母线上的电压存在极大和极小的两种极端情况，分别说明如下。对供电输入系统的最大电能消耗状态(如上班高峰时段)。即公用直流回路内的所有交流永磁同步电机均处于电机驱动状态，此时所有的电梯均消耗电网的电能，直流母线负载电流最大，直流母线的输出功率最大，导致母线的电压将到最低。如果直流母线电压低于变频拖动系统的最低直流电压限值时，变频拖动系统将无法正常工作，发生故障。针对此种状态下的技术方案措施可以有一下两种方式，两种方式非独立，可以进行组合设计
如直流输出功率设计方案即通过计算直流母线上所有并接的电梯的最大功率，去设计交流变直流变电系统，使变电系统的直流输出功率满足公共直流母线网上所有电梯最大输入功率之和并保持有一定的安全余量。根据公共直流网内电梯配置的数量和功率，采用母线分支技术，根据直流供电线路的长短，确定支线内电梯的数量和总输出功率，降低直流母线上的电压损耗。确保直流母线电压在最大能耗状态下的直流输出电压满足系统内变频拖动回路对直流电压的最低要求；
补偿方案在独立的交流变直流系统内，通过在直流输出侧并接储能装置等方式，如接入可进行充放电的蓄电池(组)、大容量直流电容等。当直流回路处于高能耗状态下，母线电压降低，当电压降低到某一数量级是，设置交直流变电系统内的母线电压的监控装置将信息及时传送到交直流变电系统内的控制系统(如有)，控制系统根据电压的降低范围， 发出控制信号，将系统内配置的蓄电池组及时并接到直流母线上，通过蓄电池化学能向电能转换给直流母线系统内的电梯供电，起到增大输出直流容量从而稳定直流母线的电压作用。设计交流直流变电柜体时，可根据母线系统的总容量，可将并入系统内的储能电池(储电池)的组数设计为多组，交流变直流系统内的控制系统就会根据母线电压降低和升高的电压范围，实时的控制接入或断开到母线上的电池组的组数，使直流母线电压更趋于稳定。最小能量消耗状态(最大再生能量状态，如下班高峰时段)，当直流回路系统中所有的电梯均处于电能再生状态(发电)时，此时电梯不消耗母线上的电能，反而向直流母线上输出电能，导致公共直流母线电压被升高。如果直流母线电压升高到变频拖动系统的最高电压限制时，过高的母线电压会变频拖动系统烧毁。针对最小能耗状态下的技术方案措施
采用能量储存的方案即在交直流变电系统内，直流电压输出侧通过并联电能储存装置的方式，如连接一定组数的直流电压等级相同的蓄电池组(电池通过串接和并接的方式满足电压和最大电流的需要)。交流变直流系统内的控制系统就会根据母线电压降低和升高的电压等级，实时控制接入或断开到母线上的电池组的组数，满足稳定直流母线电压储存多于电能的需要；
或采用直流电逆变成交流电的方式，直接串接其他用大容量用电器方式即在交直流变电系统的直流输出端并接直流交流逆变器装置，将直流母线上多余的再生能量转换成三相工频交流电，回馈到供电电网，或直接将多余的直流电能通在变电柜内控制系统控制下及时接通的其他普通用电器使用如照明，供暖设备等。公共直流回路系统组成框架和功能介绍
通过前面的原理介绍，可以看出直流回路内的主要系统包括以下几个部分，如
图1所
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图1表示的是三级的供电用电网络(实际应用可拓展)
第一级为国家电网各地方变电站，其功能和现在相同，输送IlKVAC三相电源到第二级变电站(社区和工厂)；
第二级交直流变电站(社区工厂级)，完成交流到直流540伏转换，并供应三相 380VAC，单项220VAC的电源和接地端子； 第三级电梯用户；
说明实际方案应用时，可以节省第二级，可直接由国家电网供应符合要求的直流电源。公用直流回路在第二级和第三级上的职能分工，进行初步总结，如图2所示 第二级交直流变电系统(可由电梯企业设计生产)实需要现的功能(根据需要选择) 将输入电网的电压进行整流，输出约540VDC的两相直流电(以国家电网电压为基准)，
并同时供应单相220VAC (或3相380VAC)的交流电源，供电梯控制系统，照明系统使用。还需要提供地等，所以至少配置5根输出电源线。配置连接到电梯用户的机房配电柜中。输电电线粗细根据相应的分支电梯数量和总输入功率决定。配电送电技术参考目前的相关技术标准。交流变直流配电柜或变电站内需要配备直流电压检测装置，测量和监控输出的直流电压负荷变化和电压的波动等情况；
交流变直流配电柜或变电站内可以配置PLC控制器或微机控制器，及时采样直流电压传感器输入的数据，根据及时电压值去控制变电站内配置的储能装置(蓄电池组)直流母线的接通和断开，稳定直流母线电压的作用；
根据系统内电梯数量的多少和总输入功率的大小，选择性配置多组蓄能装置(如蓄电池组，通过一定数量蓄电池的串接并接，使蓄电池组的电压保持约MOVDC左右。为了保证安全，并接的蓄电池的充放电电压状态，发热情况等，需要由变电站内的控制系统进行实时监控；
对于没有安装蓄电池组交直流变电站，当控制系统监控到直流输出电压超过规定的上限时，通过接通大功率用电器(如取暖设备，照明)、类似制动电阻消耗的方式，直流逆变成交流电的方式供应站内其他电器或其它用户使用。系统拓展方案
由于现在大容量电容器的研发和实用化，可以在变电站内用大容量的电容取代蓄电池组，通过大容量电容的电荷储存和放电起到稳定母线上的直流电压的作；
由于所有电梯公用直流母线，为其他新能源利用提供了便利，如可以直接并接太阳能电池组，将太阳能转换的电能通过直流母线，供电梯使用；
随着电池技术的发展，使用新型可充放电的高效率电池驱动汽车局部走向市场和普及，因此在工作场所，商业区和居住区均需要配备一定数量的汽车充电桩，满足汽车的电池充电的需要。对于汽车电池的电压等级，可在国家标准化下面将汽车电池的充电电压和公用直流回路的直流电压进行标准化统一。这样对汽车电池的充电电能输入可以和电梯公用的直流供电电源实行兼容，便于利用电梯的再生能源给汽车的电池充电，可以减少公共基础设施建设的费用和成本。变频拖动交流永磁同步电梯公用直流回路电梯技术的优势
节能优势系统内的交流永磁同步电机，在悬挂其两侧的重量变化，在不同的方向运动，会消耗电能和产生电能，既可以作为电机去消耗能量，又可以作为发电机给系统内的其他电梯供应能量，节省能源供给，同时，系统内的电梯数量越多，节能效果越明显，满足国家的节能降耗目标；
成本优势由于使用公用直流供电技术，电梯驱动系统(变频器)无需再设置交流变直流模块，无需设置直流电抗器和稳压电容，同时节省制动电阻和放电控制回路以及大功率晶闸管，使变频器设计更加简单和模块化，节省变频器成本；
系统拓展功能优势由于使用直流供电技术，为将来的太阳能发电技术，电力驱动的交通工具提供无处不在的充电装置，产业化前景明显；
容易实现优势交直流变电系统内的电压监控和控制系统，可以采用现在比较成熟的技术，变频拖动系统内只有一些元器件的减少，设计少量硬件设计变化，技术执行容易，执行成本低。随着直流供变电技术的发展，公用直流回路变频电梯的市场化前景优势越来越明显。电磁兼容性优势由于采用直流供电，不需要再考虑拖动回路的电磁兼容性影响；
公用直流回路电梯技术的实现需要注意的地方 交直流变电回路的直流电源容量设计，需要计算后确定去实现； 由于采用公用母线，当直流母线系统中接入的电梯数量过多时，会造成母线的电压降低，可以采用母线分支线方式，先确定每个支线上的电梯容量，后并接各支线到同一母线上，形成供电网络化；
交流直流变 电站的设计和安装需要分占一部分空间，需要投入一定的成本和技术。如果系统内只有单台或少量的电梯，实现公用母线技术则会使成本增加；
变电站内接入到直流母线上的蓄电池组(如有)的充放电状态，温度，电压等需要实时监控，确保使用安全。另外由于电池寿命和充放电次数有限，需要通过电池技术的发展实现突破。 名词释义
交流直流变电站完成三相交流电到直流电的转换功能；
变频拖动系统又名变频器，通过输入三相交流电，经变频变压处理后供电机使用； 直流母线直流电源干线；
制动电阻又名能耗电阻，用以及时消耗永磁同步电机再生发电状态下的电能。
权利要求
1.基于2台或2台以上的交流永磁同步变频拖动电梯，变频拖动回路在原理上的直流供电方式是通过导线相互并联在一个独立设计的交流变直流模块或交流变直流供电系统， 交流变直流模块或交流变直流供电系统的独立性不受其是否在某一台电梯的控制柜内或控制柜外的几何空间位置所约束。
2.基于权利要求1上说明的多台电梯公用直流回路系统，系统内至少有一台或以上的电梯的未使用独立的三相交流电源连接到变频拖动系统内给变频拖动系统供应电能。
3.基于权利要求1上说明的多台电梯公用直流回路系统，至少有一台或一台以上的电梯未配置独立的三相整流模块或整流二极管组成的三相全桥式整流回路，变频拖动系统所需要的电能是与系统内其他电梯共享同一个交流变直流模块所或交输出的直流电或共享同一个独立设计的交流变直流供电系统。
4.基于权利要求1上说明的多台电梯公用直流回路系统，系统内至少有一台或以上的电梯的未配置能耗制动电阻和控制能耗制动电阻导通和断开的大功率可控硅等相关模块， 此电梯拖动系统和公共直流回路内的其他电梯共享同一组制动电阻或能耗制动控制大功率晶闸管模块(如需要)。
5.基于权利要求1说明的系统内电梯共享的交流变直流模块或交流变直流供电系统， 组装在一个或几个独立的柜体内，或与但不限于系统内的任一个电梯的控制柜或变频拖动系统共享同一个柜体。
6.基于权利要求5说明的独立设计的交流变直流模块或交流变直流供电系统的柜体， 柜体的空间安装位置，不受其是否在系统内任一个电梯的机房内，或业主的配电房内或其它单独或独立的建筑空间位置的限制和约束。
7.基于权利要求5说明的独立设计的变电柜，变电柜内直流输出电压的两根直流母线对外输出采用单一分支和多分支的的配送电网络结构，系统内的电梯变频拖动系统的供电电源通过断路器或主电源开关的方式连接到母线上。
8.基于权利要求5说明的独立设计的变电柜，根据需要可设计有独立的控制系统，独立的直流输出电压波动监测系统，实行监测，控制和稳定直流输出电压的作用。
9.基于权利要求5说明的独立设计的变电柜，直流输出侧并联连接了电压等级和直流输出电压等级相同的蓄能装置(如串并联组合的蓄电池组，大容量电容，大容量充放电电池)，接入到直流母线上蓄能装置的容量可根据直流母线上电压的波动的范围或等级，由变电柜配置的控制系统进行实时的接通或断开操作，吸收直流输出侧多余的再生电能和释放储存的电能，起到稳定输出变电柜直流电压的作用。
10.基于权利要求5说明的独立设计的变电柜，控制系统根据输出直流侧的电压波动范围，接通或断开那些并接在直流母线上的大功率用电器(如空调，取暖设备)，实现电梯再生能源的集中使用，或并接独立的直流转三相交流逆变装置将多余的电能回馈供电电网等。
全文摘要
本发明公开了一种交流永磁同步变频电梯公用直流回路技术。发明技术领域电梯领域内电梯用变频器技术，变频控制交流永磁同步电机技术。技术特征将两台或两台以上电梯的变频器拖动系统使用同一个直流供电系统供电，单台电梯变频器可以移除内部的三相整流模块、制动电阻等相关电器配置。节能技术用途充分利用电梯轿厢和电梯对重的重力差，使电梯运行时，交流永磁同步电机分别处于电能消耗功能和再生发电机功能，将重力势能通过再生电能的方式，通过变频器拖动系统整流后由连接的公用直流供电回路供系统内其它运行电梯的拖动系统消耗使用。需要解决的问题通过技术手段，如连接蓄能装置、电能回溃装置等，实现系统内直流供电电压的稳定和电梯再生能源的储存和利用。
文档编号B66B11/04GK102351119SQ20111029251
公开日2012年2月15日 申请日期2011年9月30日 优先权日2011年9月30日
发明者李必春 申请人:李必春