CN201113403Y

CN201113403Y - 电梯大功率电子节能装置

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Publication number: CN201113403Y
Application number: CNU2007200746597U
Authority: CN
Inventors: 张自强; 李传江; 宁永海; 张友梅
Original assignee: Shanghai Normal University
Current assignee: Shanghai Normal University
Priority date: 2007-09-13
Filing date: 2007-09-13
Publication date: 2008-09-10
Anticipated expiration: 2017-09-13

Abstract

一种涉及电子、信息、能源多学科的技术领域，尤指一种利用现代科技手段，主要用于实现电梯节能的高科技技术的电梯大功率电子节能装置。该装置由滤波器、变频器、电机及逻辑电路等部件组成，至少包括：逻辑保护模块、单片机控制器、电梯再生直流电源、绝缘栅双极型晶体管IGBT逆变桥、交流电网和同步检测模块组合为一逆变同步电路的电子节能装置；主要解决如何将变频调速电梯运行中电机发电状态下电机输出能量回馈电网等有关技术问题。本实用新型的积极效果是：利用了现代电力电子技术、控制技术、计算机技术，实现电梯系统再生能量向交流电网的回馈，并进行系统过压、过流、过热安全的保护，具有控制简捷有效等优点。

Description

电梯大功率电子节能装置

技术领域

本实用新型涉及一种电子、信息、能源多学科的技术领域，尤指一种利用现代科技手段，主要用于实现电梯节能的高科技技术产品的电梯大功率电子节能装置。

背景技术

目前，在电梯运行控制系统中，几乎都在使用交直交变频器作为驱动电机的调速工具。这类变频器功率因数高、效率高、精度高、调速范围宽，所以获得广泛应用。变频调速技术涉及到电子、电工、信息与控制等多个学科领域。采用变频调速技术是节能降耗、改善控制性能、提高产品质量的重要途径，已在应用中取得了良好的应用效果和显著的经济效益。但是，在电梯的运行与控制方面，还存在着进一步挖掘变频调速系统节能潜力和提高效率的问题。解决这一问题有两条重要途径。一是采取一种控制策略使变频驱动电机的损耗最小而效率最高；二是利用一种技术手段使生产机械储存的能量及时高效地回馈到电网。第一个问题可以通过变频调速技术及其优化控制技术实现″按需供能″，即在满足生产机械速度、转矩和动态响应要求的前提下，尽量减少变频装置的输入能量；第二个问题可以通过有源逆变装置将存储在变频器直流侧的再生能量回馈到交流电网。本专利涉及的是变频调速电梯节能控制的第二个问题——交直交变频调速电梯能量回馈控制技术。

变频电梯在应用中存在的问题为：

通用变频器多为电压型交-直-交变频器。这类变频器的原理是，三相交流电首先经过二极管不控整流桥得到脉动直流电，再经电解电容滤波稳压，最后经有源逆变输出电压、频率可调的交流电给电动机供电。但是通用变频器既不能直接用于需要快速起、制动和频繁正、反转的调速系统，又不能将电机发电状态产生的电能回馈电网。因为这种系统要求电机四象限运行，当电梯减速、制动以及电梯上行时，电机处于再生发电状态。由于变频器的二极管不控整流器能量传输不可逆，产生的再生电能传输到直流侧滤波电容上，产生泵升电压。过高的泵升电压有可能损坏开关器件、电解电容，甚至会破坏电机的绝缘，从而威胁系统安全工作，目前只能通过能耗电阻把这部分能量以热能的形式消耗掉，由于电阻发热严重，使系统的工作可靠性、稳定性受到不良影响。

国内外电梯能量回馈技术研究现状：

为了解决电梯处于再生发电状态产生的再生能量，德国西门子公司已经推出了电机四象限运行的电压型交-直-交变频器，日本、加拿大等国也成功研制了电源再生装置。同时，已见到国外有四象限电压型交-直-交变频器及电网侧脉冲整流器等的研制报道。普遍存在的问题是这些装置价格昂贵，再加上一些产品对电网的要求很高，不适合我国的国情。国内在中小容量系统中大都采用能耗制动方式，即通过内置或外加制动电阻的方法将电能消耗在大功率电阻器中实现电机的四象限运行，该方法虽然简单，但有如下严重缺点：

(1)浪费能量，降低系统效率。(2)电阻发热严重，影响系统其他部分正常工作。(3)简单的能耗制动有时不能及时抑制快速制动产生的泵升电压，限制了制动性能的提高。

国内已有液压电梯节能系统的报道，而利用能量回馈控制技术实现电梯节能的研究比较少。关于电梯能量回馈电子节能方面的研究尚未见到实用产品的报道。

发明内容

为了克服上述不足之处，本实用新型的主要目的旨在提供一种以电网线电压为对象直接控制，变频器直流侧电压经过转换作为控制电路供电电源，采用的功率逆变控制器共有三个桥臂六个IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)组成，以及采用一片89C52单片机产生逆变控制信号及进行系统过压、过流、过热安全保护的，又能将电梯再生电能回馈交流电网的电梯大功率电子节能装置。

本实用新型要解决的技术问题是：主要解决如何将变频调速电梯运行中电机发电状态下电机输出能量回馈电网的技术问题，如何利用现代电力电子技术、控制技术、计算机技术实现电梯系统再生能量向交流电网的回馈等有关技术问题。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：该装置由滤波器、整流器、变频器、电机、电源、逻辑电路及单片机等部件组成，该装置至少包括：

逻辑保护模块、单片机控制器、电梯再生直流电源、绝缘栅双极型晶体管IGBT逆变桥、交流电网和同步检测模块组合为一逆变同步电路的电子节能装置；

一逻辑保护模块的输出端与单片机控制器模块的输入端相连接，单片机控制器模块的输出端与绝缘栅双极型晶体管IGBT逆变桥模块的输入端相连接，绝缘栅双极型晶体管IGBT逆变桥模块的一输出端与逻辑保护模块的输入端相连接，另一输出端与交流电网模块的输入端相连接；

一电梯再生直流电源模块的输出端与绝缘栅双极型晶体管IGBT逆变桥模块的输入端相连接；

一交流电网模块的输出端经由同步检测模块后与单片机控制器模块的输入端相连接。

所述的电梯大功率电子节能装置的单片机控制器的计算机控制及逻辑保护电路的输入信号有三相同步信号和过流过压保护信号，输出信号为逆变控制器的六个IGBT的导通和关断的控制信号，其中：

单片机控制器的引脚P1.0的一路与或非门A的第二引脚相连接，单片机控制器的引脚P1.1的一路经反相器与或非门A的第三引脚相连接，或非门A的第一引脚与过流保护端相连接；

单片机控制器的引脚P1.1的另一路与或非门B的第二引脚相连接，单片机控制器的引脚P1.0的另一路经反相器与或非门B的第三引脚相连接，或非门B的第一引脚与过流保护端相连接；

单片机控制器的引脚P1.2的一路与或非门C的第二引脚相连接，另一路经反相器与或非门D的第三引脚相连接，单片机控制器的引脚P1.3的一路经反相器与或非门C的第三引脚相连接，或非门C的第一引脚与过流保护端相连接；

单片机控制器的引脚P1.3的另一路与或非门D的第二引脚相连接，单片机控制器的引脚P1.2的另一路经反相器与或非门D的第三引脚相连接，或非门D的第一引脚与过流保护端相连接；

单片机控制器的引脚P1.4的一路与或非门E的第二引脚相连接，另一路经反相器与或非门F的第三引脚相连接，单片机控制器的引脚P1.5的一路经反相器与或非门E的第三引脚相连接，或非门E的第一引脚与过流保护端相连接；

单片机控制器的引脚P1.5的一路与或非门F的第二引脚相连接，另一路经反相器与或非门E的第三引脚相连接，单片机控制器的引脚P1.4的另一路经反相器与或非门F的第三引脚相连接，或非门F的第一引脚与过流保护端相连接；

或非门A、或非门B、或非门C、非门D、或非门E及或非门F的输出端均经反相器分别与各绝缘栅双极型晶体管的基极相连接，为计算机输出的控制信号。

所述的电梯大功率电子节能装置的绝缘栅双极型晶体管IGBT逆变桥的AB相线电压分别与IGBT绝缘栅双极型晶体管T1、T2、T3、T4相连接；在AB相线电压60度相位时刻开始使T1、T4导通，AB相线电压120度相位时刻使T1、T4截止；AB相线电压240度相位时刻使T2、T3导通，AB相线电压300度相位时刻使T2、T3截止；

所述的绝缘栅双极型晶体管IGBT逆变桥的BC相线电压分别与IGBT绝缘栅双极型晶体管T3、T4、T5、T6相连接；在BC相线电压60度相位时刻开始使T3、T6导通，BC相线电压120度相位时刻使T3、T6截止；BC相线电压240度相位时刻使T4、T5导通，BC相线电压300度相位时刻使T4、T5截止；

所述的绝缘栅双极型晶体管IGBT逆变桥的CA相线电压分别与IGBT绝缘栅双极型晶体管T5、T6、T1、T2相连接；在CA相线电压60度相位时刻开始使T5、T2导通，CA相线电压120度相位时刻使T5、T2截止；CA相线电压240度相位时刻使T6、T1导通，CA相线电压300度相位时刻使T6、T1截止。

所述的电梯大功率电子节能装置的单片机控制器为一片51系列单片微处理器89C52。

本实用新型的有益效果是：该装置解决了变频调速电梯运行中电机发电状态下电机输出能量回馈电网的技术问题，利用了现代电力电子技术、控制技术、计算机技术，实现电梯系统再生能量向交流电网的回馈，并进行系统过压、过流、过热安全的保护，具有控制简捷有效等优点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

附图1为本实用新型整体结构的电路方框示意图；

附图2为本实用新型计算机控制及逻辑保护电路原理图；

附图3为本实用新型逆变桥电路原理图；

附图中标号说明：

1-逻辑保护；

2-单片机控制器；

3-电梯再生直流电源；

4-绝缘栅双极型晶体管IGBT逆变桥；

5-交流电网；

6-同步检测；

10-过流保护；

20-或非门A；

21-或非门B；

22-或非门C；

23-或非门D；

24-或非门E；

25-或非门F

具体实施方式

请参阅附图1、2、3所示，本实用新型由滤波器、整流器、变频器、电机、电源、逻辑电路及单片机等部件组成，该装置至少包括：

逻辑保护1模块、单片机控制器2、电梯再生直流电源3、绝缘栅双极型晶体管IGBT逆变桥4、交流电网5和同步检测6模块组合为一逆变同步电路的电子节能装置；

一逻辑保护1模块的输出端与单片机控制器2模块的输入端相连接，单片机控制器2模块的输出端与绝缘栅双极型晶体管IGBT逆变桥4模块的输入端相连接，绝缘栅双极型晶体管IGBT逆变桥4模块的一输出端与逻辑保护1模块的输入端相连接，另一输出端与交流电网5模块的输入端相连接；

一电梯再生直流电源3模块的输出端与绝缘栅双极型晶体管IGBT逆变桥4模块的输入端相连接；

一交流电网5模块的输出端经由同步检测6模块后与单片机控制器2模块的输入端相连接。

所述的电梯大功率电子节能装置的单片机控制器2的计算机控制及逻辑保护电路的输入信号有三相同步信号和过流过压保护信号，输出信号为逆变控制器的六个IGBT的导通和关断的控制信号，其中：

单片机控制器2的引脚P1.0的一路与或非门A20的第二引脚相连接，单片机控制器2的引脚P1.1的一路经反相器与或非门A20的第三引脚相连接，或非门A20的第一引脚与过流保护10端相连接；

单片机控制器2的引脚P1.1的另一路与或非门B21的第二引脚相连接，单片机控制器2的引脚P1.0的另一路经反相器与或非门B21的第三引脚相连接，或非门B21的第一引脚与过流保护10端相连接；

单片机控制器2的引脚P1.2的一路与或非门C22的第二引脚相连接，另一路经反相器与或非门D23的第三引脚相连接，单片机控制器2的引脚P1.3的一路经反相器与或非门C22的第三引脚相连接，或非门C22的第一引脚与过流保护10端相连接；

单片机控制器2的引脚P1.3的另一路与或非门D23的第二引脚相连接，单片机控制器2的引脚P1.2的另一路经反相器与或非门D23的第三引脚相连接，或非门D23的第一引脚与过流保护10端相连接；

单片机控制器2的引脚P1.4的一路与或非门E24的第二引脚相连接，另一路经反相器与或非门F25的第三引脚相连接，单片机控制器2的引脚P1.5的一路经反相器与或非门E24的第三引脚相连接，或非门E24的第一引脚与过流保护10端相连接；

单片机控制器2的引脚P1.5的一路与或非门F25的第二引脚相连接，另一路经反相器与或非门E24的第三引脚相连接，单片机控制器2的引脚P1.4的另一路经反相器与或非门F25的第三引脚相连接，或非门F25的第一引脚与过流保护10端相连接；

或非门A20、或非门B21、或非门C22、非门D23、或非门E24及或非门F25的输出端均经反相器分别与各绝缘栅双极型晶体管的基极相连接，为计算机输出的控制信号。

所述的电梯大功率电子节能装置的绝缘栅双极型晶体管IGBT逆变桥4的AB相线电压分别与IGBT绝缘栅双极型晶体管T1、T2、T3、T4相连接；在AB相线电压60度相位时刻开始使T1、T4导通，AB相线电压120度相位时刻使T1、T4截止；AB相线电压240度相位时刻使T2、T3导通，AB相线电压300度相位时刻使T2、T3截止；

所述的绝缘栅双极型晶体管IGBT逆变桥4的BC相线电压分别与IGBT绝缘栅双极型晶体管T3、T4、T5、T6相连接；在BC相线电压60度相位时刻开始使T3、T6导通，BC相线电压120度相位时刻使T3、T6截止；BC相线电压240度相位时刻使T4、T5导通，BC相线电压300度相位时刻使T4、T5截止；

所述的绝缘栅双极型晶体管IGBT逆变桥4的CA相线电压分别与IGBT绝缘栅双极型晶体管T5、T6、T1、T2相连接；在CA相线电压60度相位时刻开始使T5、T2导通，CA相线电压120度相位时刻使T5、T2截止；CA相线电压240度相位时刻使T6、T1导通，CA相线电压300度相位时刻使T6、T1截止。

所述的电梯大功率电子节能装置的单片机控制器2为一片51系列单片微处理器89C52。

本实用新型的工作原理为：

电梯在运行过程中，因电梯系统配重，运行时的减速、制动，约有一半时间是不消耗电能的，电梯的动能、势能通过电机转换为电能存储在变频器的直流侧电容中，这部分能量通常是被能耗电阻转化为热能浪费掉；本实用新型成功地将这部分能量从新送回电网进行再利用。

本实用新型采用的功率逆变控制器共有三个桥臂六个IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)组成。输入信号是来自单片机控制器的控制信号，其输出分别与交流电网的三相交流电源线相连。即三相交流电网的A、B、C三相，每相分别与一个IGBT桥臂相连。六个IGBT每隔一定的角度轮流导通，将直流电转换成每秒50周的交流电，然后送回电网。

同步电路的输入信号是三相电网的线电压，经过检测变换电路转换成脉冲信号，然后将该脉冲信号送给单片机控制器，实现逆变三相交流电压与电网三相交流电压的相位相同。

本实用新型的单片机控制器采用一片51系列单片微处理器89C52，外加逻辑电路组成控制系统，对逆变桥IGBT(Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)进行控制，使其按照规定的要求导通和关闭，完成直流电压到三相交流电压的逆变。单片机控制器2的输入信号有三相同步信号和过流过压保护信号，输出信号为逆变控制器的六个IGBT的导通和关断的控制信号。由单片机控制器产生三相交流电压控制信号序列，并产生系统保护信号。

逻辑保护电路的输入信号为IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)的过流、过压和过热信号，这些信号经过保护电路后被送往单片机控制器，单片机输出保护控制信号封锁逆变控制器的导通。

请参阅附图2、3所示，说明：

1).图2中，①、②、③、④、⑤、⑥为计算机输出的控制信号，分别送到图3中的①、②、③、④、⑤、⑥号IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)大功率晶体管。

2).图3中Ud为变频器直流侧再生直流电压。

3).图3中A、B、C分别连接交流电网A相、B相、C相三相电压。

本实用新型的系统特点：

1).该实用新型能将电梯再生电能回馈交流电网；

2).采用一片89C52单片机产生逆变控制信号及进行系统保护；

3).以电网线电压为对象直接控制；

4).变频器直流侧电压经过转换作为控制电路供电电源；

5).具有过压、过流、过热安全保护。

Claims

1、一种电梯大功率电子节能装置，该装置有滤波器、整流器、变频器、电机、电源、逻辑电路及单片机，其特征在于：该装置至少包括：

逻辑保护(1)模块、单片机控制器(2)、电梯再生直流电源(3)、绝缘栅双极型晶体管IGBT逆变桥(4)、交流电网(5)和同步检测(6)模块组合为一逆变同步电路的电子节能装置；

一逻辑保护(1)模块的输出端与单片机控制器(2)模块的输入端相连接，单片机控制器(2)模块的输出端与绝缘栅双极型晶体管IGBT逆变桥(4)模块的输入端相连接，绝缘栅双极型晶体管IGBT逆变桥(4)模块的一输出端与逻辑保护(1)模块的输入端相连接，另一输出端与交流电网(5)模块的输入端相连接；

一电梯再生直流电源(3)模块的输出端与绝缘栅双极型晶体管IGBT逆变桥(4)模块的输入端相连接；

一交流电网(5)模块的输出端经由同步检测(6)模块后与单片机控制器(2)模块的输入端相连接。

2、根据权利要求1所述的电梯大功率电子节能装置，其特征在于：所述的单片机控制器(2)的计算机控制及逻辑保护电路的输入信号有三相同步信号和过流过压保护信号，输出信号为逆变控制器的六个IGBT的导通和关断的控制信号，其中：

单片机控制器(2)的引脚P1.0的一路与或非门A(20)的第二引脚相连接，单片机控制器(2)的引脚P1.1的一路经反相器与或非门A(20)的第三引脚相连接，或非门A(20)的第一引脚与过流保护(10)端相连接；

单片机控制器(2)的引脚P1.1的另一路与或非门B(21)的第二引脚相连接，单片机控制器(2)的引脚P1.0的另一路经反相器与或非门B(21)的第三引脚相连接，或非门B(21)的第一引脚与过流保护(10)端相连接；

单片机控制器(2)的引脚P1.2的一路与或非门C(22)的第二引脚相连接，另一路经反相器与或非门D(23)的第三引脚相连接，单片机控制器(2)的引脚P1.3的一路经反相器与或非门C(22)的第三引脚相连接，或非门C(22)的第一引脚与过流保护(10)端相连接；

单片机控制器(2)的引脚P1.3的另一路与或非门D(23)的第二引脚相连接，单片机控制器(2)的引脚P1.2的另一路经反相器与或非门D(23)的第三引脚相连接，或非门D(23)的第一引脚与过流保护(10)端相连接；

单片机控制器(2)的引脚P1.4的一路与或非门E(24)的第二引脚相连接，另一路经反相器与或非门F(25)的第三引脚相连接，单片机控制器(2)的引脚P1.5的一路经反相器与或非门E(24)的第三引脚相连接，或非门E(24)的第一引脚与过流保护(10)端相连接；

单片机控制器(2)的引脚P1.5的一路与或非门F(25)的第二引脚相连接，另一路经反相器与或非门E(24)的第三引脚相连接，单片机控制器(2)的引脚P1.4的另一路经反相器与或非门F(25)的第三引脚相连接，或非门F(25)的第一引脚与过流保护(10)端相连接；

或非门A(20)、或非门B(21)、或非门C(22)、非门D(23)、或非门E(24)及或非门F(25)的输出端均经反相器分别与各绝缘栅双极型晶体管的基极相连接，为计算机输出的控制信号。

3、根据权利要求1所述的电梯大功率电子节能装置，其特征在于：所述的绝缘栅双极型晶体管IGBT逆变桥(4)的AB相线电压分别与IGBT绝缘栅双极型晶体管T1、T2、T3、T4相连接；在AB相线电压60度相位时刻开始使T1、T4导通，AB相线电压120度相位时刻使T1、T4截止；AB相线电压240度相位时刻使T2、T3导通，AB相线电压300度相位时刻使T2、T3截止；

所述的绝缘栅双极型晶体管IGBT逆变桥(4)的BC相线电压分别与IGBT绝缘栅双极型晶体管T3、T4、T5、T6相连接；在BC相线电压60度相位时刻开始使T3、T6导通，BC相线电压120度相位时刻使T3、T6截止；BC相线电压240度相位时刻使T4、T5导通，BC相线电压300度相位时刻使T4、T5截止；

所述的绝缘栅双极型晶体管IGBT逆变桥(4)的CA相线电压分别与IGBT绝缘栅双极型晶体管T5、T6、T1、T2相连接；在CA相线电压60度相位时刻开始使T5、T2导通，CA相线电压120度相位时刻使T5、T2截止；CA相线电压240度相位时刻使T6、T1导通，CA相线电压300度相位时刻使T6、T1截止。

4、根据权利要求1所述的电梯大功率电子节能装置，其特征在于：所述的单片机控制器(2)为一片51系列单片微处理器89C52。