專利名稱：基于超級電容的電梯制動能量回饋與控制系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于涉及電梯節能技術領域，特別是一種基于超級電容的電梯制動能量回饋與控制系統。
背景技術：
到目前為止，我國已經成為繼美國、日本兩大電梯生產大國之后的世界第三電梯生產大國；與此同時，伴隨著人民生活水平不斷提高和高層建筑的普及，我國也成為電梯使用世界第一大國。相關資料顯示，2007年底，我國應用于各個領域的電梯總數達到100萬部以上，并保持每年10萬部以上的增長量，到2010年末，我國的電梯使用總量將達到130萬部以上，隨著電梯的普及，電梯使用過程中存在的各類問題也得到越來越廣泛的關注。通常情況下，一部普通電梯的日用電量在50KWH-150KWH之間，電梯運行過程中驅動電梯轎廂運行的曳引機部分會消耗大部分能量，根據相關統計數據，曳引機系統中的電機拖動耗電占電梯運行總能量的75%以上。對于電梯在制動過程中產生的電能，如果就地進行回收再利用，不僅可以很大程度上減少能量浪費，還可以避免增加過多的附加設備。采用超級電容作為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，在減小系統對于外部交流電網供電等級要求的同時，保證了電梯系統運行穩定性和安全性；充分發揮超級電容循環壽命長、循環效率高、穩定性好等優點，將其用于電梯運行過程中制動能量的回收存儲裝置，電能節約總量將十分可觀。
發明內容
本發明的目的在于提供一種基于超級電容的電梯制動能量回饋與控制系統，回收并儲存電梯制動過程中產生的能量，并將其提供給電梯系統，從而達到節能的目的。實現本發明目的的技術解決方案為一種基于超級電容的電梯制動能量回饋與控制系統，包括超級電容儲能模塊、雙向DC-DC變換器、能量回饋控制芯片、第一硬件保護模塊、第二硬件保護模塊，超級電容儲能模塊、雙向DC-DC變換器、第一硬件保護模塊依次連接，雙向DC-DC變換器分別信號調理電路和第二硬件保護模塊連接，第一硬件保護模塊通過變頻器母線與曳引機連接，能量回饋控制芯片分別與超級電容儲能模塊、信號調理電路、 第二硬件保護模塊、變頻器母線分別連接；整個系統以能量回饋控制芯片為核心，由該能量回饋控制芯片控制雙向DC-DC變換器、第一硬件保護模塊，以使超級電容模塊的安全有效的充能及對變頻器母線供電，在能量回饋控制芯片出現故障的情況下第二硬件保護模塊迅速的切斷DC-DC變換器，可靠的保護超級電容儲能模塊，即當電梯處于制動狀態，若能量回饋控制芯片檢測到超級電容儲能模塊沒有達到額定電壓，打開雙向DC-DC變換器充電回路，對超級電容儲能模塊進行充電； 當檢測到超級電容儲能模塊充電至額定電壓時，切斷經由雙向DC-DC變換器的充電回路， 將變頻器母線上剩余能量接入第一硬件保護模塊；當電梯正常運行時，若能量回饋控制芯片檢測到超級電容儲能模塊處于額定電壓，打開雙向DC-DC變換器放電回路，將超級電容
4儲能模塊上的電能以恒壓方式提供給曳引機。本發明與現有技術相比，其顯著優點(1)對超級電容進行恒流充電，同時在充電回路中加入降壓電感，可以防止過高電壓對超級電容模塊的沖擊，有效的保護超級電容模塊；( 在超級電容對外供電時，采用PID控制策略，對超級電容的輸出電壓進行實時調整， 保證其恒壓放電；C3)當超級電容已經充電至額定值時，若變頻器母線電壓仍高于超級電容的電壓，DC-DC變換器也會立即關斷，變頻器母線接入耗能電阻回路，保護超級電容模塊的安全；(4)引進額外的硬件保護回路，實時監控超級電容模塊及變頻器母線的電壓電流， 若超過設定值，則封鎖控制信號、關斷控制系統，保證系統的安全。下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。
圖1是本發明基于超級電容的電梯制動能量回饋系統結構框圖；圖2是本發明基于超級電容的電梯制動能量回饋系統DC-DC變換器模塊電路原理圖；圖3是本發明基于超級電容的電梯制動能量回饋系統第一硬件保護模塊電路原理圖；圖4是本發明基于超級電容的電梯制動能量回饋系統第二硬件保護模塊電路原理圖；圖5是本發明基于超級電容的電梯制動能量回饋系統最小控制系統核心 DSP-2812引腳圖；圖6是本發明基于超級電容的電梯制動能量回饋系統整體電路原理圖。
具體實施例方式結合圖1，本發明基于超級電容的電梯制動能量回饋與控制系統，包括超級電容儲能模塊1(已申請專利，公布號CN 101807821A)、雙向DC-DC變換器2、能量回饋控制芯片 3、第一硬件保護模塊4、第二硬件保護模塊5，超級電容儲能模塊1、雙向DC-DC變換器2、第一硬件保護模塊4依次連接，雙向DC-DC變換器2分別信號調理電路和第二硬件保護模塊 5連接，第一硬件保護模塊4通過變頻器母線與曳引機連接，能量回饋控制芯片3分別與超級電容儲能模塊1、信號調理電路、第二硬件保護模塊5、變頻器母線分別連接；整個系統以能量回饋控制芯片3為核心，由該能量回饋控制芯片3控制雙向DC-DC 變換器2、第一硬件保護模塊4，以使超級電容模塊1的安全有效的充能及對變頻器母線供電，在能量回饋控制芯片3出現故障的情況下第二硬件保護模塊5迅速的切斷DC-DC變換器2，可靠的保護超級電容儲能模塊1，即當電梯處于制動狀態，若能量回饋控制芯片3檢測到超級電容儲能模塊1沒有達到額定電壓，打開雙向DC-DC變換器2充電回路，對超級電容儲能模塊1進行充電；當檢測到超級電容儲能模塊1充電至額定電壓時，切斷經由雙向 DC-DC變換器2的充電回路，將變頻器母線上剩余能量接入第一硬件保護模塊4，利用耗能電阻R2安全釋放能量；當電梯正常運行時，若能量回饋控制芯片3檢測到超級電容儲能模塊1處于額定電壓，打開雙向DC-DC變換器2放電回路，將超級電容儲能模塊1上的電能以恒壓方式提供給曳引機。
結合圖2，上述雙向DC-DC變換器2包括第一路IGBT模塊Si、第二路IGBT模塊 S2、降壓電感L、第一二極管D1、第二二極管D2、第一電流霍爾傳感器Il和第二電流霍爾傳感器12，超級電容儲能模塊1通過第一繼電器與降壓電感L連接，該降壓電感L與第一電流霍爾傳感器Il連接，該第一電流霍爾傳感器Il分別與第一路IGBT模塊Sl的射極、第二路IGBT模塊的S2的集電極連接，第一二極管Dl并聯在第一路IGBT模塊Sl的射極和集電極上，該第一路IGBT模塊Sl的集電極與第二電流霍爾傳感器12連接，第二電流霍爾傳感器12與第一硬件保護模塊4連接，第二二極管D2并聯在第二路IGBT模塊S2的射極和集電極上，第二路IGBT模塊S2的射極連接至超級電容儲能模塊1 ；第一路IGBT模塊Si、第二路IGBT模塊S2分別采用二極管與其并聯，保證單個 IGBT工作時，另一個處于受保護狀態，由能量回饋控制芯片3的PWM信號來控制第一路 IGBT模塊Si、第二路IGBT模塊S2，通過改變PWM控制信號的占空比來改變第一路IGBT模塊Si、第二路IGBT模塊S2的通斷程度，以保證放電時電壓穩定，充電時電流恒定；當變頻器母線對超級電容儲能模塊1充電時，第一路IGBT模塊Sl作用，第二二極管D2導通，降壓電感L降低充電電能對超級電容儲能模塊1的沖擊，降低充電電壓；超級電容儲能模塊1兩端的電壓霍爾傳感器Vl及變頻器母線端的電壓霍爾傳感器V2將放電過程中的兩處電壓信號反饋至能量回饋控制芯片3，采用PID控制算法，以保證電壓的恒定輸出；同樣第一電流霍爾傳感器Il和第二電流霍爾傳感器12也將電流參數反饋至能量回饋控制芯片3，保證電流的恒定輸入。PID控制公式如下Δ u (k) = Ae (k) -Be (k_l) +Ce (k_2)；. C 其中 A = Kp(l+T/TI+TD/T)，B = Kp(l+2TD/T).，C = KpTD/T。結合圖3，本發明基于超級電容的電梯制動能量回饋與控制系統的第一硬件保護模塊4包括限流電阻R1、固態繼電器、第二繼電器、泄放管S3、能耗電阻R2，雙向DC-DC變換器2中的第二電流霍爾傳感器12接至第二繼電器，限流電阻Rl并聯在第二繼電器兩端，固態繼電器與第二繼電器連接，該固態繼電器連接到泄放管S3的集電極，該泄放管S3的集電極并與變頻器母線連接，該泄放管S3的射極連接到能耗電阻R2的一端，該能耗電阻R2的另一端接地；變頻器母線對超級電容儲能模塊1充電的瞬間，對雙向DC-DC變換器2會有較大的電流沖擊，所以需要啟動限流電阻R1，第二繼電器控制啟動限流電阻R1，從變頻器母線對超級電容儲能模塊1充電開始至設定時間，第二繼電器始終斷開，限流電阻Rl啟動，保證雙向DC-DC變換器2的安全運行；在變頻器母線側的繼電器控制模塊，采用固態繼電器，以防止在較高電壓下，普通繼電器會引起的電弧效應。當超級電容儲能模塊1充電至額定電壓，電梯仍處于制動狀態，變頻器母線端仍有較高電壓時，能量回饋控制芯片3打開泄放管 S3，啟動能耗電阻R2，安全釋放變頻器母線端的剩余能量。結合圖4，本發明基于超級電容的電梯制動能量回饋與控制系統的第二硬件保護模塊5包括依次連接的比較器、光耦TLP521、邏輯判斷器74HC20，超級電容儲能模塊1兩端的電壓霍爾傳感器Vl、變頻器母線端的電壓霍爾傳感器V2、第一電流霍爾傳感器11和第二電流霍爾傳感器12的測量值經過信號調理電路輸送至比較器，若低于設定值(本領域技術人員對比較器的設定值可以根據系統的額定電壓和額定電流而定)，第二硬件保護模塊5 不動作，若高于設定值，則啟動第二硬件保護模塊5。第二硬件保護模塊5作為應急保護模
6塊，在正常工作狀態時不會觸發，只有當回饋系統的電壓或電流調節發生故障，充放電回路發生過壓或過流時才會工作。第二硬件保護模塊5的輸出信號接到DSP控制核心的nPDPINT 功率中斷保護引腳和PWM控制信號緩沖級74HC245的信號封鎖控制引腳。當系統中的電壓或電流超過設定值時，保護模塊立即啟動，封鎖PWM信號，切斷雙向DC-DC變換器2與超級電容儲能模塊1和變頻器母線間的連接，以防系統因過壓或過流損壞。結合圖5，本發明基于超級電容的電梯制動能量回饋與控制系統的能量回饋控制芯片3采用DSP-2812，其引腳ADCBO連接信號調理電路，來檢測超級電容儲能模塊1兩端的電壓霍爾傳感器VI，引腳ADCBl連接信號調理電路，來檢測流經超級電容儲能模塊1的第一電流霍爾傳感器II，引腳ADCB2連接信號調理電路，來檢測變頻器母線兩端的電壓霍爾傳感器V2，引腳ADCB3連接信號調理電路，來檢測流經變頻器母線的第二電流霍爾傳感器12， 引腳PWMl經過緩沖級74HC425、光耦HCPL3120接入雙向DC-DC變換器2中的第一路IGBT 模塊Si，用于充電過程第一路IGBT模塊Sl的通斷控制；引腳PWM2經過緩沖級74HC425、光耦HCPL3120接入雙向DC-DC變換器2中的第二路IGBT模塊S2，用于放電過程第二路IGBT 模塊S2的通斷控制；引腳GPI0A13經光耦控制連接超級電容與DC-DC變換器2的第一繼電器，引腳GPI0A14經光耦連接啟動限流電阻Rl的第二繼電器；引腳GPI0A15經光耦控制連接變頻器母線與DC-DC變換器2的固態繼電器；引腳GPI015B13經光耦控制第一硬件保護模塊4中的瀉放管S3，控制第一硬件保護模塊4的通斷。圖6是本發明基于超級電容的電梯制動能量回饋系統整體電路原理圖，詳細說明本發明的完整實施過程。充電當電梯處于制動狀態時，通過超級電容儲能模塊1兩端的電壓霍爾傳感器 Vl和變頻器母線兩端的電壓霍爾傳感器V2測得兩處的電壓，若超級電容儲能模塊1端電壓低于額定值，能量回饋控制芯片3便通過引腳GPI0A13和GPI0A15發出控制信號，使第一繼電器和固態繼電器吸合，超級電容儲能模塊1和變頻器母線經過DC-DC變換器2連接成完整回路，初始時能量回饋控制芯片3控制第二繼電器斷開，限流電阻Rl啟動，以保證DC-DC 變換器2不被大電流沖擊。通過能量回饋控制芯片3改變PWMl控制信號的占空比來調節 DC-DC變換器2中第一路IGBT模塊Sl的導通程度，并且將雙向DC-DC變換器2通路上的電流通過第一電流霍爾傳感器Il和第二電流霍爾傳感器12檢測，實時反饋給能量回饋控制芯片3，對電流進行PID控制，保證對超級電容進行恒流充電；若超級電容儲能模塊1兩端的電壓霍爾傳感器Vl檢測到超級電容儲能模塊1端電壓已經達到其額定值，為保護超級電容儲能模塊1，能量回饋控制芯片3通過引腳GPI0A13和 GPI0A15發出控制信號，使第一繼電器和固態繼電器斷開，超級電容儲能模塊1、變頻器母線及DC-DC變換器2完全安全斷開，變頻器母線接入第一硬件保護模塊4，能量回饋控制芯片3經引腳GPI015B13發出控制信號，打開第一硬件保護模塊4中的瀉放管S3，將變頻器母線上剩余的能量由能耗電阻R2安全的釋放，以保護整個能量回饋系統的安全。放電當電梯處于正常運行或者在其他緊急情況下，超級電容儲能模塊1儲存的能量回饋至電梯的電機驅動系統；超級電容儲能模塊1回饋的電壓必須保持和變頻器母線端的電壓保持一致才能保證電梯電機的穩定運行，所以超級電容儲能模塊1的能量回饋采用恒壓放電，具體放電過程如下能量回饋控制芯片3通過引腳GPI0A13和GPI0A15發出控制信號，使繼電器2和固態繼電器吸合，超級電容儲能模塊1和變頻器母線經過DC-DC變換器2連接成完整回路，并將變頻器母線兩端的電壓霍爾傳感器V2和超級電容儲能模塊1兩端的電壓霍爾傳感器Vl檢測到的電壓反饋至能量回饋控制芯片3，采用PID控制算法，通過改變PWM2控制信號的占空比來調節雙向DC-DC變換器2中第二路IGBT模塊S2的導通程度，以保證超級電容連接至變頻器母線端的電壓始終保持穩定。 本發明在考慮以上第一硬件保護模塊4的同時，為更有效的保護整個系統，特地引入第二硬件保護模塊5。此模塊實時獲取超級電容儲能模塊1兩端的電壓及流經超級電容回路的電流和變頻器母線端的電壓及流經電流，與設定值比較。第二硬件保護模塊5的輸出信號接到能量回饋控制芯片3的nPDPINT功率中斷保護引腳和PWM控制信號緩沖級 74HC245的信號封鎖控制引腳。當系統中的電壓或電流超過設定值時，保護模塊立即啟動， 封鎖PWM信號，切斷雙向DC-DC變換器2與超級電容儲能模塊1和變頻器母線間的連接，以防系統因過壓或過流損壞。
權利要求
1.一種基于超級電容的電梯制動能量回饋與控制系統，其特征在于包括超級電容儲能模塊(1)、雙向DC-DC變換器( 、能量回饋控制芯片C3)、第一硬件保護模塊(4)、第二硬件保護模塊(5)，超級電容儲能模塊(1)、雙向DC-DC變換器O)、第一硬件保護模塊(4)依次連接，雙向DC-DC變換器( 分別信號調理電路和第二硬件保護模塊( 連接，第一硬件保護模塊(4)通過變頻器母線與曳引機連接，能量回饋控制芯片(3)分別與超級電容儲能模塊(1)、信號調理電路、第二硬件保護模塊(5)、變頻器母線分別連接；整個系統以能量回饋控制芯片(3)為核心，由該能量回饋控制芯片(3)控制雙向DC-DC 變換器O)、第一硬件保護模塊G)，以使超級電容模塊(1)的安全有效的充能及對變頻器母線供電，在能量回饋控制芯片(3)出現故障的情況下第二硬件保護模塊(5)迅速的切斷 DC-DC變換器O)，可靠的保護超級電容儲能模塊(1)，即當電梯處于制動狀態，若能量回饋控制芯片⑶檢測到超級電容儲能模塊⑴沒有達到額定電壓，打開雙向DC-DC變換器⑵ 充電回路，對超級電容儲能模塊(1)進行充電；當檢測到超級電容儲能模塊(1)充電至額定電壓時，切斷經由雙向DC-DC變換器( 的充電回路，將變頻器母線上剩余能量接入第一硬件保護模塊；當電梯正常運行時，若能量回饋控制芯片(3)檢測到超級電容儲能模塊 ⑴處于額定電壓，打開雙向DC-DC變換器⑵放電回路，將超級電容儲能模塊⑴上的電能以恒壓方式提供給曳引機。
2.根據權利要求1所述的基于超級電容的電梯制動能量回饋與控制系統，其特征在于雙向DC-DC變換器( 包括第一路IGBT模塊Si、第二路IGBT模塊S2、降壓電感L、第一二極管D1、第二二極管D2、第一電流霍爾傳感器Il和第二電流霍爾傳感器12，超級電容儲能模塊(1)通過第一繼電器與降壓電感L連接，該降壓電感L與第一電流霍爾傳感器Il連接， 該第一電流霍爾傳感器Il分別與第一路IGBT模塊Sl的射極、第二路IGBT模塊的S2的集電極連接，第一二極管Dl并聯在第一路IGBT模塊Sl的射極和集電極上，該第一路IGBT模塊S 1的集電極與第二電流霍爾傳感器12連接，第二電流霍爾傳感器12與第一硬件保護模塊⑷連接，第二二極管D2并聯在第二路IGBT模塊S2的射極和集電極上，第二路IGBT 模塊S2的射極連接至超級電容儲能模塊(1)；第一路IGBT模塊Sl、第二路IGBT模塊S2分別采用二極管與其并聯，保證單個IGBT工作時，另一個處于受保護狀態，由能量回饋控制芯片(3)的PWM信號來控制第一路IGBT模塊Sl、第二路IGBT模塊S2，通過改變PWM控制信號的占空比來改變第一路IGBT模塊Sl、第二路IGBT模塊S2的通斷程度，以保證放電時電壓穩定，充電時電流恒定；當變頻器母線對超級電容儲能模塊(1)充電時，第一路IGBT模塊Sl作用，第二二極管D2導通，降壓電感L 降低充電電能對超級電容儲能模塊(1)的沖擊，降低充電電壓；超級電容儲能模塊(1)兩端的電壓霍爾傳感器Vl及變頻器母線端的電壓霍爾傳感器V2將放電過程中的兩處電壓信號反饋至能量回饋控制芯片(3)，采用PID控制算法，以保證電壓的恒定輸出；同樣第一電流霍爾傳感器Il和第二電流霍爾傳感器12也將電流參數反饋至能量回饋控制芯片(3)，保證電流的恒定輸入。
3.根據權利要求1所述的基于超級電容的電梯制動能量回饋與控制系統，其特征在于第一硬件保護模塊(4)包括限流電阻R1、固態繼電器、第二繼電器、泄放管S3、能耗電阻 R2，雙向DC-DC變換器O)中的第二電流霍爾傳感器12接至第二繼電器，限流電阻Rl并聯在第二繼電器兩端，固態繼電器與第二繼電器連接，該固態繼電器連接到泄放管S3的集電極，該泄放管S3的集電極并與變頻器母線連接，該泄放管S3的射極連接到能耗電阻R2的一端，該能耗電阻R2的另一端接地；第二繼電器控制啟動限流電阻R1，從變頻器母線對超級電容儲能模塊(1)充電開始至設定時間，第二繼電器始終斷開，限流電阻Rl啟動，保證雙向DC-DC變換器O)的安全運行；當超級電容儲能模塊(1)充電至額定電壓，電梯仍處于制動狀態，變頻器母線端仍有較高電壓時，能量回饋控制芯片(3)打開泄放管S3，啟動能耗電阻R2，安全釋放變頻器母線端的剩余能量。
4.根據權利要求1所述的基于超級電容的電梯制動能量回饋與控制系統，其特征在于第二硬件保護模塊( 包括依次連接的比較器、光耦TLP521、邏輯判斷器74HC20，超級電容儲能模塊(1)兩端的電壓霍爾傳感器VI、變頻器母線端的電壓霍爾傳感器V2、第一電流霍爾傳感器Il和第二電流霍爾傳感器12的測量值經過信號調理電路輸送至比較器，若低于設定值，第二硬件保護模塊( 不動作，若高于設定值，則啟動第二硬件保護模塊(5)；第二硬件保護模塊(5)的輸出信號接到DSP控制核心的nPDPINT功率中斷保護引腳和PWM控制信號緩沖級74HCM5的信號封鎖控制引腳。當系統中的電壓或電流超過設定值時，保護模塊立即啟動，封鎖PWM信號，切斷雙向DC-DC變換器⑵與超級電容儲能模塊⑴和變頻器母線間的連接，以防系統因過壓或過流損壞。
5.根據權利要求1所述的基于超級電容的電梯制動能量回饋與控制系統，其特征在于能量回饋控制芯片(3)采用DSP-2812，其引腳ADCBO連接信號調理電路，來檢測超級電容儲能模塊(1)兩端的電壓霍爾傳感器VI，引腳ADCBl連接信號調理電路，來檢測流經超級電容儲能模塊⑴的第一電流霍爾傳感器II，引腳ADCB2連接信號調理電路，來檢測變頻器母線兩端的電壓霍爾傳感器V2，引腳ADCB3連接信號調理電路，來檢測流經變頻器母線的第二電流霍爾傳感器12，引腳PWMl經過緩沖級74HC425、光耦HCPL3120接入雙向DC-DC 變換器O)中的第一路IGBT模塊Si，用于充電過程第一路IGBT模塊Sl的通斷控制；引腳 PWM2經過緩沖級74HC425、光耦HCPL3120接入雙向DC-DC變換器O)中的第二路IGBT模塊S2，用于放電過程第二路IGBT模塊S2的通斷控制；引腳GPI0A13經光耦控制連接超級電容與DC-DC變換器O)的第一繼電器，引腳GPI0A14經光耦連接啟動限流電阻Rl的第二繼電器；引腳GPI0A15經光耦控制連接變頻器母線與DC-DC變換器( 的固態繼電器；引腳 GPI015B13經光耦控制第一硬件保護模塊中的瀉放管S3，控制第一硬件保護模塊(4) 的通斷。
全文摘要
本發明公開了一種基于超級電容的電梯制動能量回饋與控制系統，包括超級電容儲能模塊、雙向DC-DC變換器、能量回饋控制芯片、第一硬件保護模塊、第二硬件保護模塊，超級電容儲能模塊、雙向DC-DC變換器、第一硬件保護模塊依次連接，雙向DC-DC變換器分別信號調理電路和第二硬件保護模塊連接，第一硬件保護模塊通過變頻器母線與曳引機連接，能量回饋控制芯片分別與超級電容儲能模塊、信號調理電路、第二硬件保護模塊、變頻器母線分別連接。本發明，有效的保護超級電容模塊，保證其恒壓放電，保護超級電容模塊的安全。
文檔編號H02P3/18GK102427262SQ20111041409
公開日2012年4月25日 申請日期2011年12月13日 優先權日2011年12月13日
發明者劉智君, 吳益飛, 施惟惟, 王蘇華, 王銘明, 秦建波, 米運洪, 郭健, 陳慶偉, 陳輝揚 申請人:南京理工大學