一种基于再生制动及重力做功平衡原理的新型节能扶梯及控制方法

摘要

本发明属于能源动力技术领域，具体为一种基于再生制动及重力做功平衡原理的新型节能扶梯及控制方法。本发明通过利用重力做功抵消平衡原理、再生制动装置和行星齿轮的特性三点，提出一种新型节能扶梯的模式，以解决目前传统扶梯或传统节能扶梯所存在的间歇性空载现象和对扶梯设备自身的影响，实现对电能的有效节约和制动能量的回收利用。

说明书

技术领域

本发明属于能源动力技术领域，具体为一种基于再生制动及重力做功平衡原理的新型节能扶梯及控制方法。

背景技术

自动扶梯作为建筑物内的重要传输设备，已在商场、博览中心、火车站、地铁站、地下通道等公共场所得到了广泛应用。据不完全统计，我国目前扶梯在用量超过6万台，并正以超过10％的速度逐年增长。其中，非节能扶梯占95％以上。按1台扶梯的功率为5.5kW、每天运行12h计算，每年每台扶梯将耗电24 090kW·h。全国每年仅扶梯一项就会消耗电能约 1.3×109kW·h，且每台扶梯分别会有10％～40％不等的间断性空载现象，这就意味着全国每年将有2×108～5×108kW·h的电能浪费在扶梯上。

由于工频电源的单一性，使得传统电动扶梯在工作时处于持续运作状态并保持传动频率不变，导致扶梯间歇性空载的能耗与载客状态下的能耗相当，存在极大的能耗浪费现象。

现代节能电动扶梯支持待机状态，即在无乘客时扶梯进入休息状态，停止运行，但是这一模式仍然是基于工频电源的应用基础之上的，只是在驱动上做出了一定的调整，自定扶梯进入待机状态，但其内部的传感器以及工频电源、传送装置仍然在工作，这并没有在根本上解决自动扶梯的能耗问题。另外还有一部分自动扶梯采用钥匙锁的方法来控制电能损耗，就是根据自动扶梯的使用情况直接进行电源供电的开或者关，这种方法虽然在一定程度上能够降低能耗，但是频繁的开关会对自动扶梯内部的设备产生一定的影响，同时还会给乘客带来一定的困扰。

考虑到本发明整体模式的节能效果，在再生制动装置方面采用电容储能型。目前再生制动装置较为广泛的应用于我国的车辆制动再生领域，包括汽车、动车等，而本发明通过提出一种新型节能扶梯的模式，将再生制动装置应用于扶梯领域。在列车应用再生制动的实例中，其中电容储能型再生制动装置主要采用逆变器将列车刹车时产生的再生制动的能量转变成可以利用电容器把这部分反生制动能量储存起来，从而抑制牵引网电压的升高。当列车启动或者加速时，会导致牵引网电压过低，超出安全范围，此时就可以利用电容器将储存的能量释放出来，为牵引网提供电能供给列车使用，从而维持牵引网电压的稳定。电容器储能就是根据列车的启停工况来吸收或者释放能量。

行星齿轮具有运动平稳、抗冲击、振动的能力较强和模式多样等特性，由于采用了数个结构相同的行星轮，均匀地分布于中心轮的周围，从而可使行星轮与转臂的性力相互平衡，同时行星齿轮在对不同分部件或基面固定的情况下分为几种不同的模式，在本发明中利用行星齿轮的这些特性设计了两部扶梯间的连接部分。此外，尚未发现重力抵消原理在扶梯领域得到广泛利用。

发明内容

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种基于再生制动及重力做功平衡原理的新型节能扶梯，其特征在于，利用重力平衡装置、再生制动装置、行星齿轮组、超级电容的原理和特性，由行星齿轮组通过扶梯滚轴连接上下行两部扶梯构成重力平衡装置，重力平衡装置在工况一下驱动再生制动装置，由再生制动装置将动能转化为电能，并储存于超级电容中加以利用，在对应不同工况下的工作状态，实现对能量的有效管理和充分利用；行星齿轮组包括三个行星轮、一个太阳轮和外圈齿轮；所述用于连接行星轮的齿轮面和用于制动齿轮面的制动装置保证了一、二、三工况与四工况之间的切换，即通过制动装置改变不同工况下的齿轮面的运作状态(停止或转动)；所述下行扶梯与齿轮间的连接滚轴连接行星齿轮系统外圈齿轮；所述上行扶梯与齿轮间的连接滚轴连接行星齿轮系统的太阳轮，并与辅助电机通过履带建立联系；所述再生制动装置与连接下行扶梯的滚轴(与行星齿轮系统异侧)连接以收集工况一下的制动能量，同时连接变压器；所述电容器及辅助电网与一号继电器、二号继电器连接，同时一号继电器连接变压器以储存再生制动装置于一工况下所收集的制动能量；所述辅助电机与二号继电器连接，同时二号继电器与电容器及辅助电网连接，以利用其所储存的制动能量应用于工况二、三、四下；所述压力传感器分别位于下行扶梯部分的出入口位置及上行扶梯部分的出入口位置，同时连接一号继电器和二号继电器以调配电容器及辅助电网的运作状态。

在上述的一种基于再生制动及重力做功平衡原理的新型节能扶梯，所述重力平衡装置为整体装置的主框架，包括行星齿轮组、上下行扶梯、扶梯滚轴，由行星齿轮组通过扶梯滚轴连接上下行两部扶梯构成。

在上述的一种基于再生制动及重力做功平衡原理的新型节能扶梯，再生制动装置由重力平衡装置在工况一下驱动，连接在下行扶梯滚轴上与行星齿轮组对立的一端，具体结构包括受电弓、主变压器、变流器、逆变器和牵引电机,通过将牵引电机的电动机工况转变为发电机工况，使动能转化为电能，电能通过转换电器和受电弓反馈给供电触网，带动下行扶梯滚轴运转以实现再生利用。

一种基于再生制动及重力做功平衡原理的新型节能扶梯的控制方法，其特征在于，包括：

当压力传感器检测到下行人重力多于上行人重力时，即在一工况下，定义此工况下齿轮装置外圈转向为正，连接下行扶梯滚轴，行星齿轮系统按顺向带动上行扶梯部分同步运行，并通过再生制动装置将制动能量转化为电能，储存于电容器及辅助电网中，此时一号继电器接通，二号继电器断开，同时起减速制动作用，控制扶梯运行速率；

当压力传感器检测到下行人重力刚好等于上行人重力时，即在二工况下，两部扶梯上的行人重力做功可基本抵消，此时行星齿轮系统运作状态如工况一，电路接通连接上行扶梯部分的辅助电机，驱动扶梯整体克服摩擦力进行运作，同时辅助电机可接通电容器及辅助电网，利用再生制动装置由一工况下所转化的电能对上行扶梯部分进行供电，此时一号继电器断开，二号继电器接通，电容器电压低于额定时切换辅助电路进行供电；

当压力传感器检测到上行人重力多于下行人重力时，即在三工况下，上下行人重力部分抵消做功总和为负，此时行星齿轮系统运作状况也如工况一，同时接通连接上行扶梯部分的辅助电机，可利用再生制动装置由一工况所转化的电能对辅助电机进行供电，此时一号继电器断开，二号继电器接通，电容器电压低于额定时切换辅助电路进行供电；

当压力传感器检测到下行扶梯部分上没有乘客时，即在四工况下，此时行星齿轮组系统按逆向转动模式，即连接下行扶梯部分的外圈齿轮不动，连接上行扶梯部分的行星齿轮系统系统的一个太阳轮转动，即切断两部分扶梯的联接，单纯辅助电机带动上行扶梯部分运作，同时可利用再生制动装置由一工况下所转化的电能对辅助电机进行供电，此时一号继电器断开，二号继电器接通，电容器电压低于额定时切换辅助电路进行供电。

本发明的有益效果如下：

1、本发明是对传统固有扶梯模式的创新，将上下行两部分扶梯通过行星齿轮系统建立联系，使得扶梯每部分摆脱了单纯电力驱动的模式，成为一个系统整体，同时利用了上下行乘客重力做功抵消的原理，使得在(1)、(2)和(3)工况下，实现了部分重力做功的抵消，取代了传统电动扶梯中部分用来克服重力做功、摩擦做功和用于制动做功的电能。重力做功抵消原理的应用是本发明的重要创新点，本发明的整体系统是建立在这个核心之上的。

2、本发明通过对再生制动装置的应用，实现了对电能的进一步节约。再生制动装置主要用于(1)工况下对下行扶梯的制动能量的回收，储存于电容器中于其他工况下使用。目前再生制动装置主要应用于车辆领域，在其他领域的应用缺少广泛性和影响力，本发明尝试将再生制动原理引入扶梯领域，属于对该原理的一个创新利用。同时再生制动装置可起到对扶梯的一个减速制动作用。

3、本发明通过行星齿轮系统的特性，将扶梯的工作状态分为四个工况，有效针对了传统电动扶梯各部分各自工作时出现的间歇性空载现象，使得扶梯运作时无额外耗能的空载现象发生。在行星齿轮系统所分的四个工况中，(4)工况下通过改变行星齿轮系统的模式，切断两部分扶梯之间的联系，使得下行扶梯不会出现空载运作的现象。而在(1)工况下，当出现下行扶梯有乘客、上行扶梯无乘客时，属于下行扶梯制动储能状态，上行扶梯虽进行空载运作，但并无额外耗能。同时在行星齿轮系统内部，由于齿间转动拥有相同的线速度，保证了两部分扶梯处于同转速反方向的运作状态。

4、本发明的整体模式配合云计算系统大大提高了扶梯的自动化性能，提高了扶梯处理复杂工况的能力。

附图说明

图1是行星齿轮系统在(1)(2)(3)工况下的左视剖面图；

图2是行星齿轮系统在(4)工况下的左视剖面图；

图3是新型扶梯的模式概念图；

图4是新型扶梯的整体结构简图；

具体实施方式

使用图1至图4对本发明的一种新型节能电梯扶梯进行如下说明。图中：(1)(2)(3)工况下的行星齿轮系统1、(4)工况下的行星齿轮系统2、用于连接行星轮的齿轮面3、用于制动齿轮面3的制动装置4、行星齿轮系统系统的三个行星轮5、行星齿轮系统系统的一个太阳轮6、外圈齿轮7、下行扶梯部分8、上行扶梯部分9、再生制动装置10、辅助电机11、电容器及辅助电网12、压力传感器13、下行扶梯与齿轮间的连接滚轴14、上行扶梯与齿轮间的连接滚轴15、变压器16、一号继电器17、二号继电器18。

如图1至图4所示，本发明所述的一种新型节能扶梯，其特征在于：所述行星齿轮系统的三个行星轮5、一个太阳轮6和外圈齿轮7组成传动系统以保证两部分扶梯以相同线速度相反方向进行运作；所述用于连接行星轮的齿轮面3和用于制动齿轮面的制动装置4保证了(1)(2)(3)工况与(4)工况之间的切换，即通过制动装置改变不同工况下的齿轮面3 的运作状态(停止或转动)；所述下行扶梯与齿轮间的连接滚轴14连接行星齿轮系统外圈齿轮7；所述上行扶梯与齿轮间的连接滚轴15连接行星齿轮系统的太阳轮6，并与辅助电机11 通过履带建立联系；所述再生制动装置10与连接下行扶梯的滚轴14(与行星齿轮系统异侧) 连接以收集工况(1)下的制动能量，同时连接变压器16；所述电容器及辅助电网12与一号继电器17、二号继电器18连接，同时一号继电器17连接变压器16以储存再生制动装置10 于(1)工况下所收集的制动能量；所述辅助电机11与二号继电器18连接，同时二号继电器 18与电容器及辅助电网12连接，以利用其所储存的制动能量应用于工况(2)(3)(4)下；所述压力传感器13分别位于下行扶梯部分8的出入口位置及上行扶梯部分9的出入口位置，同时连接一号继电器17和二号继电器18以调配电容器及辅助电网12的运作状态。

具体工作流程如下：

当压力传感器13检测到下行人重力多于上行人重力时，即在(1)工况下，行星齿轮系统1按顺向(定义此工况下齿轮装置外圈转向为正，连接下行扶梯滚轴)带动上行扶梯部分 9同步运行，并通过再生制动装置10将制动能量转化为电能，储存于电容器及辅助电网12中，此时一号继电器17接通，二号继电器18断开，同时起减速制动作用，控制扶梯运行速率。

当压力传感器13检测到下行人重力刚好等于上行人重力时，即在(2)工况下，两部扶梯上的行人重力做功可基本抵消，此时行星齿轮系统1运作状态如工况(1)，电路接通连接上行扶梯部分9的辅助电机11，驱动扶梯整体克服摩擦力进行运作，同时辅助电机11可接通电容器及辅助电网12，利用再生制动装置10由(1)工况下所转化的电能对上行扶梯部分 9进行供电，此时一号继电器17断开，二号继电器18接通，电容器电压低于额定时切换辅助电路进行供电。

当压力传感器13检测到上行人重力多于下行人重力时，即在(3)工况下，上下行人重力部分抵消做功总和为负，此时行星齿轮系统1运作状况也如工况(1)，同时接通连接上行扶梯部分9的辅助电机11，可利用再生制动装置10由(1)工况所转化的电能对辅助电机11 进行供电，此时一号继电器17断开，二号继电器18接通，电容器电压低于额定时切换辅助电路进行供电。

当压力传感器13检测到下行扶梯部分8上没有乘客时，即在(4)工况下，此时行星齿轮组2系统按逆向(即连接下行扶梯部分8的外圈齿轮7不动，连接上行扶梯部分9的行星齿轮系统系统的一个太阳轮6转动)转动模式，即切断两部分扶梯的联接，单纯辅助电机11 带动上行扶梯部分9运作，同时可利用再生制动装置10由(1)工况下所转化的电能对辅助电机11进行供电，此时一号继电器17断开，二号继电器18接通，电容器电压低于额定时切换辅助电路进行供电。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。