基于超级电容的电梯制动能量回馈与控制系统

摘要

本发明公开了一种基于超级电容的电梯制动能量回馈与控制系统，包括超级电容储能模块、双向DC-DC变换器、能量回馈控制芯片、第一硬件保护模块、第二硬件保护模块，超级电容储能模块、双向DC-DC变换器、第一硬件保护模块依次连接，双向DC-DC变换器分别信号调理电路和第二硬件保护模块连接，第一硬件保护模块通过变频器母线与曳引机连接，能量回馈控制芯片分别与超级电容储能模块、信号调理电路、第二硬件保护模块、变频器母线分别连接。本发明，有效的保护超级电容模块，保证其恒压放电，保护超级电容模块的安全。

说明书

技术领域

本发明属于涉及电梯节能技术领域，特别是一种基于超级电容的电梯制动能量回馈 与控制系统。

背景技术

到目前为止，我国已经成为继美国、日本两大电梯生产大国之后的世界第三电梯生 产大国；与此同时，伴随着人民生活水平不断提高和高层建筑的普及，我国也成为电梯使 用世界第一大国。相关资料显示，2007年底，我国应用于各个领域的电梯总数达到100 万部以上，并保持每年10万部以上的增长量，到2010年末，我国的电梯使用总量将达 到130万部以上，随着电梯的普及，电梯使用过程中存在的各类问题也得到越来越广泛 的关注。

通常情况下，一部普通电梯的日用电量在5OKWH-150KWH之间，电梯运行过程 中驱动电梯轿厢运行的曳引机部分会消耗大部分能量，根据相关统计数据，曳引机系统 中的电机拖动耗电占电梯运行总能量的75％以上。对于电梯在制动过程中产生的电能， 如果就地进行回收再利用，不仅可以很大程度上减少能量浪费，还可以避免增加过多的 附加设备。

采用超级电容作为超级电容本身大电流放电的特点可以为电梯启动提供峰值功率， 在减小系统对于外部交流电网供电等级要求的同时，保证了电梯系统运行稳定性和安全 性；充分发挥超级电容循环寿命长、循环效率高、稳定性好等优点，将其用于电梯运行过 程中制动能量的回收存储装置，电能节约总量将十分可观。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于超级电容的电梯制动能量回馈与控制系统，回收并 储存电梯制动过程中产生的能量，并将其提供给电梯系统，从而达到节能的目的。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于超级电容的电梯制动能量回馈与控制 系统，包括超级电容储能模块、双向DC-DC变换器、能量回馈控制芯片、第一硬件保 护模块、第二硬件保护模块，超级电容储能模块、双向DC-DC变换器、第一硬件保 护模块依次连接，双向DC-DC变换器分别信号调理电路和第二硬件保护模块连接，第 一硬件保护模块通过变频器母线与曳引机连接，能量回馈控制芯片分别与超级电容储能 模块、信号调理电路、第二硬件保护模块、变频器母线分别连接；

整个系统以能量回馈控制芯片为核心，由该能量回馈控制芯片控制双向DC-DC变 换器、第一硬件保护模块，以使超级电容模块的安全有效的充能及对变频器母线供电， 在能量回馈控制芯片出现故障的情况下第二硬件保护模块迅速的切断DC-DC变换器， 可靠的保护超级电容储能模块，即当电梯处于制动状态，若能量回馈控制芯片检测到超 级电容储能模块没有达到额定电压，打开双向DC-DC变换器充电回路，对超级电容储 能模块进行充电；当检测到超级电容储能模块充电至额定电压时，切断经由双向DC-DC 变换器的充电回路，将变频器母线上剩余能量接入第一硬件保护模块；当电梯正常运行 时，若能量回馈控制芯片检测到超级电容储能模块处于额定电压，打开双向DC-DC变 换器放电回路，将超级电容储能模块上的电能以恒压方式提供给曳引机。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)对超级电容进行恒流充电，同时在充电回 路中加入降压电感，可以防止过高电压对超级电容模块的冲击，有效的保护超级电容模 块；(2)在超级电容对外供电时，采用PID控制策略，对超级电容的输出电压进行实时 调整，保证其恒压放电；(3)当超级电容已经充电至额定值时，若变频器母线电压仍高 于超级电容的电压，DC-DC变换器也会立即关断，变频器母线接入耗能电阻回路，保 护超级电容模块的安全；(4)引进额外的硬件保护回路，实时监控超级电容模块及变频 器母线的电压电流，若超过设定值，则封锁控制信号、关断控制系统，保证系统的安全。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明基于超级电容的电梯制动能量回馈系统结构框图；

图2是本发明基于超级电容的电梯制动能量回馈系统DC-DC变换器模块电路原理 图；

图3是本发明基于超级电容的电梯制动能量回馈系统第一硬件保护模块电路原理 图；

图4是本发明基于超级电容的电梯制动能量回馈系统第二硬件保护模块电路原理 图；

图5是本发明基于超级电容的电梯制动能量回馈系统最小控制系统核心DSP-2812 引脚图；

图6是本发明基于超级电容的电梯制动能量回馈系统整体电路原理图。

具体实施方式

结合图1，本发明基于超级电容的电梯制动能量回馈与控制系统，包括超级电容储 能模块1(已申请专利，公布号：CN 101807821A)、双向DC-DC变换器2、能量回馈 控制芯片3、第一硬件保护模块4、第二硬件保护模块5，超级电容储能模块1、双向 DC-DC变换器2、第一硬件保护模块4依次连接，双向DC-DC变换器2分别信号调理 电路和第二硬件保护模块5连接，第一硬件保护模块4通过变频器母线与曳引机连接， 能量回馈控制芯片3分别与超级电容储能模块1、信号调理电路、第二硬件保护模块5、 变频器母线分别连接；

整个系统以能量回馈控制芯片3为核心，由该能量回馈控制芯片3控制双向DC-DC变 换器2、第一硬件保护模块4，以使超级电容模块1的安全有效的充能及对变频器母线供 电，在能量回馈控制芯片3出现故障的情况下第二硬件保护模块5迅速的切断DC-DC变换 器2，可靠的保护超级电容储能模块1，即当电梯处于制动状态，若能量回馈控制芯片3 检测到超级电容储能模块1没有达到额定电压，打开双向DC-DC变换器2充电回路，对超 级电容储能模块1进行充电；当检测到超级电容储能模块1充电至额定电压时，切断经由 双向DC-DC变换器2的充电回路，将变频器母线上剩余能量接入第一硬件保护模块4， 利用耗能电阻R2安全释放能量；当电梯正常运行时，若能量回馈控制芯片3检测到超级 电容储能模块1处于额定电压，打开双向DC-DC变换器2放电回路，将超级电容储能模块 1上的电能以恒压方式提供给曳引机。

结合图2，上述双向DC-DC变换器2包括第一路IGBT模块S1、第二路IGBT模块S2、 降压电感L、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电流霍尔传感器I1和第二电流霍尔传 感器I2，超级电容储能模块1通过第一继电器与降压电感L连接，该降压电感L与第一电 流霍尔传感器I1连接，该第一电流霍尔传感器I1分别与第一路IGBT模块S1的射极、第二 路IGBT模块的S2的集电极连接，第一二极管D1并联在第一路IGBT模块S1的射极和集电 极上，该第一路IGBT模块S1的集电极与第二电流霍尔传感器I2连接，第二电流霍尔传感 器I2与第一硬件保护模块4连接，第二二极管D2并联在第二路IGBT模块S2的射极和集电 极上，第二路IGBT模块S2的射极连接至超级电容储能模块1；

第一路IGBT模块S1、第二路IGBT模块S2分别采用二极管与其并联，保证单个IGBT 工作时，另一个处于受保护状态，由能量回馈控制芯片3的PWM信号来控制第一路IGBT 模块S1、第二路IGBT模块S2，通过改变PWM控制信号的占空比来改变第一路IGBT模块 S1、第二路IGBT模块S2的通断程度，以保证放电时电压稳定，充电时电流恒定；当变 频器母线对超级电容储能模块1充电时，第一路IGBT模块S1作用，第二二极管D2导通， 降压电感L降低充电电能对超级电容储能模块1的冲击，降低充电电压；超级电容储能模 块1两端的电压霍尔传感器V1及变频器母线端的电压霍尔传感器V2将放电过程中的两 处电压信号反馈至能量回馈控制芯片3，采用PID控制算法，以保证电压的恒定输出；同 样第一电流霍尔传感器I1和第二电流霍尔传感器I2也将电流参数反馈至能量回馈控制芯 片3，保证电流的恒定输入。PID控制公式如下：

Δu(k)＝Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)；

.C其中A＝Kp(1+T/TI+TD/T)，B＝Kp(1+2TD/T).，C＝KpTD/T。

结合图3，本发明基于超级电容的电梯制动能量回馈与控制系统的第一硬件保护模 块4包括限流电阻R1、固态继电器、第二继电器、泄放管S3、能耗电阻R2，双向DC-DC 变换器2中的第二电流霍尔传感器I2接至第二继电器，限流电阻R1并联在第二继电器两 端，固态继电器与第二继电器连接，该固态继电器连接到泄放管S3的集电极，该泄放管 S3的集电极并与变频器母线连接，该泄放管S3的射极连接到能耗电阻R2的一端，该能耗 电阻R2的另一端接地；

变频器母线对超级电容储能模块1充电的瞬间，对双向DC-DC变换器2会有较大的电 流冲击，所以需要启动限流电阻R1，第二继电器控制启动限流电阻R1，从变频器母线 对超级电容储能模块1充电开始至设定时间，第二继电器始终断开，限流电阻R1启动， 保证双向DC-DC变换器2的安全运行；在变频器母线侧的继电器控制模块，采用固态继 电器，以防止在较高电压下，普通继电器会引起的电弧效应。当超级电容储能模块1充 电至额定电压，电梯仍处于制动状态，变频器母线端仍有较高电压时，能量回馈控制芯 片3打开泄放管S3，启动能耗电阻R2，安全释放变频器母线端的剩余能量。

结合图4，本发明基于超级电容的电梯制动能量回馈与控制系统的第二硬件保护模 块5包括依次连接的比较器、光耦TLP521、逻辑判断器74HC20，超级电容储能模块1两 端的电压霍尔传感器V1、变频器母线端的电压霍尔传感器V2、第一电流霍尔传感器I1 和第二电流霍尔传感器I2的测量值经过信号调理电路输送至比较器，若低于设定值(本 领域技术人员对比较器的设定值可以根据系统的额定电压和额定电流而定)，第二硬件 保护模块5不动作，若高于设定值，则启动第二硬件保护模块5。第二硬件保护模块5作 为应急保护模块，在正常工作状态时不会触发，只有当回馈系统的电压或电流调节发生 故障，充放电回路发生过压或过流时才会工作。第二硬件保护模块5的输出信号接到DSP 控制核心的nPDPINT功率中断保护引脚和PWM控制信号缓冲级74HC245的信号封锁控 制引脚。当系统中的电压或电流超过设定值时，保护模块立即启动，封锁PWM信号， 切断双向DC-DC变换器2与超级电容储能模块1和变频器母线间的连接，以防系统因过 压或过流损坏。

结合图5，本发明基于超级电容的电梯制动能量回馈与控制系统的能量回馈控制芯 片3采用DSP-2812，其引脚ADCB0连接信号调理电路，来检测超级电容储能模块1 两端的电压霍尔传感器V1，引脚ADCB1连接信号调理电路，来检测流经超级电容储能 模块1的第一电流霍尔传感器I1，引脚ADCB2连接信号调理电路，来检测变频器母线 两端的电压霍尔传感器V2，引脚ADCB3连接信号调理电路，来检测流经变频器母线的 第二电流霍尔传感器I2，引脚PWM1经过缓冲级74HC425、光耦HCPL3120接入双向 DC-DC变换器2中的第一路IGBT模块S1，用于充电过程第一路IGBT模块S1的通断 控制；引脚PWM2经过缓冲级74HC425、光耦HCPL3120接入双向DC-DC变换器2 中的第二路IGBT模块S2，用于放电过程第二路IGBT模块S2的通断控制；引脚 GPIOA13经光耦控制连接超级电容与DC-DC变换器2的第一继电器，引脚GPIOA14 经光耦连接启动限流电阻R1的第二继电器；引脚GPIOA15经光耦控制连接变频器母线 与DC-DC变换器2的固态继电器；引脚GPIO15B13经光耦控制第一硬件保护模块4中 的泻放管S3，控制第一硬件保护模块4的通断。

图6是本发明基于超级电容的电梯制动能量回馈系统整体电路原理图，详细说明本 发明的完整实施过程。

充电：当电梯处于制动状态时，通过超级电容储能模块1两端的电压霍尔传感器 V1和变频器母线两端的电压霍尔传感器V2测得两处的电压，若超级电容储能模块1 端电压低于额定值，能量回馈控制芯片3便通过引脚GPIOA13和GPIOA15发出控制信 号，使第一继电器和固态继电器吸合，超级电容储能模块1和变频器母线经过DC-DC 变换器2连接成完整回路，初始时能量回馈控制芯片3控制第二继电器断开，限流电阻 R1启动，以保证DC-DC变换器2不被大电流冲击。通过能量回馈控制芯片3改变PWM1 控制信号的占空比来调节DC-DC变换器2中第一路IGBT模块S1的导通程度，并且将 双向DC-DC变换器2通路上的电流通过第一电流霍尔传感器I1和第二电流霍尔传感器 I2检测，

实时反馈给能量回馈控制芯片3，对电流进行PID控制，保证对超级电容进行恒流 充电；若超级电容储能模块1两端的电压霍尔传感器V1检测到超级电容储能模块1端 电压已经达到其额定值，为保护超级电容储能模块1，能量回馈控制芯片3通过引脚 GPIOA13和GPIOA15发出控制信号，使第一继电器和固态继电器断开，超级电容储能 模块1、变频器母线及DC-DC变换器2完全安全断开，变频器母线接入第一硬件保护 模块4，能量回馈控制芯片3经引脚GPIO15B13发出控制信号，打开第一硬件保护模块 4中的泻放管S3，将变频器母线上剩余的能量由能耗电阻R2安全的释放，以保护整个 能量回馈系统的安全。

放电：当电梯处于正常运行或者在其他紧急情况下，超级电容储能模块1储存的能 量回馈至电梯的电机驱动系统；超级电容储能模块1回馈的电压必须保持和变频器母线 端的电压保持一致才能保证电梯电机的稳定运行，所以超级电容储能模块1的能量回馈 采用恒压放电，具体放电过程如下：能量回馈控制芯片3通过引脚GPIOA13和GPIOA15 发出控制信号，使继电器2和固态继电器吸合，超级电容储能模块1和变频器母线经过 DC-DC变换器2连接成完整回路，并将变频器母线两端的电压霍尔传感器V2和超级电 容储能模块1两端的电压霍尔传感器V1检测到的电压反馈至能量回馈控制芯片3，采 用PID控制算法，通过改变PWM2控制信号的占空比来调节双向DC-DC变换器2中第 二路IGBT模块S2的导通程度，以保证超级电容连接至变频器母线端的电压始终保持 稳定。

本发明在考虑以上第一硬件保护模块4的同时，为更有效的保护整个系统，特 地引入第二硬件保护模块5。此模块实时获取超级电容储能模块1两端的电压及流经超 级电容回路的电流和变频器母线端的电压及流经电流，与设定值比较。第二硬件保护模 块5的输出信号接到能量回馈控制芯片3的nPDPINT功率中断保护引脚和PWM控制 信号缓冲级74HC245的信号封锁控制引脚。当系统中的电压或电流超过设定值时，保 护模块立即启动，封锁PWM信号，切断双向DC-DC变换器2与超级电容储能模块1和 变频器母线间的连接，以防系统因过压或过流损坏。