專利名稱：一種基于超級(jí)電容的電機(jī)節(jié)能驅(qū)動(dòng)的電路及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電梯、起重機(jī)等的電機(jī)節(jié)能驅(qū)動(dòng)電路，特別是關(guān)于能量回饋型電梯系 統(tǒng)的基于超級(jí)電容的電機(jī)節(jié)能驅(qū)動(dòng)的電路及控制方法。
背景技術(shù)：
電梯作為建筑用電大戶，其節(jié)能研究在能源危機(jī)日益嚴(yán)重的今天，具有深遠(yuǎn)的意 義。當(dāng)前，電梯驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)廣泛采用前級(jí)不控整流、后級(jí)逆變的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。根 據(jù)電梯運(yùn)行原理，存在正向電動(dòng)及反向發(fā)電兩種運(yùn)行模式。當(dāng)運(yùn)行在發(fā)電模式時(shí)，能量由電 梯往供電側(cè)傳輸，由于前級(jí)為不控整流結(jié)構(gòu)，能量流不能反向，導(dǎo)致回饋能量只能停留在直 流母線，形成母線電壓抬升。為防止母線過壓，當(dāng)電壓值高于設(shè)定值時(shí)，泄放回路中開關(guān)管 Qi導(dǎo)通，回饋的能量經(jīng)泄放回路消耗在電阻R上，直流側(cè)電壓下降，起到保護(hù)電路的目的。這 種方法再生的能量通過直流母線消耗在制動(dòng)電路上(通常是開關(guān)+泄放電阻)，造成很大的 損耗，降低了電梯運(yùn)行效率。為此，目前已經(jīng)提出了許多能量回饋電路。例如(1)為回收電梯回饋的能量，驅(qū)動(dòng)電路的前級(jí)可以采用能量可雙向流動(dòng)的可控整 流器(以下簡(jiǎn)稱“可控整流”)，例如交流輸入為三相的PWM雙向可控整流，它還可以降低電 梯負(fù)載對(duì)電網(wǎng)的諧波注入。如圖2所示。(2)另一選擇，就是在前級(jí)采用不控整流器基礎(chǔ)上，在其DC母線(即直流母線)上 附加蓄電池儲(chǔ)能模組，DC母線與蓄電池儲(chǔ)能模組之間有雙向DC/DC變換器(即直流/直流 開關(guān)變換器)，如圖3所示。(3)再一選擇，就是在前級(jí)采用不控整流器基礎(chǔ)上，在其DC母線上附加超級(jí)電容 儲(chǔ)能模組(超級(jí)電容，英文為super capacitor或ultra capacitor ；超級(jí)電容儲(chǔ)能模組由 許多超級(jí)電容單元串并聯(lián)構(gòu)成，以下簡(jiǎn)稱”超級(jí)電容”)，DC母線與超級(jí)電容之間有雙向DC/ DC變換器，如圖4所示。與傳統(tǒng)蓄電池比較，超級(jí)電容具有性能穩(wěn)定、循環(huán)壽命長(zhǎng)、功率密度 大，充放電速率快、充放電效率高、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，尤其適合用于功率緩沖場(chǎng)合，同時(shí)也有 一定后備應(yīng)急電源功能。(4)除此以外，還有蓄電池與超級(jí)電容混合儲(chǔ)能電路，如圖5所示。上述能量回饋電路中，原來(lái)的制動(dòng)電路位置被限壓電路所代替，限壓電路僅僅在 發(fā)生電網(wǎng)故障、電梯能量回饋時(shí)用于防止DC母線過壓。但是，上述實(shí)現(xiàn)方案存在著以下的缺陷方案(1)在能量回饋功率較高時(shí)，會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生較大沖擊，影響本地供電質(zhì)量；方 案(2)的蓄電池循環(huán)壽命低，維護(hù)成本高；方案(3)超級(jí)電容與電機(jī)之間能量經(jīng)過多級(jí)開關(guān) 變換處理，效率不高；方案(4)仍需要部分蓄電池，蓄電池循環(huán)壽命低的問題依然存在，維 護(hù)成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出一種基于超級(jí)電容的
4電機(jī)節(jié)能驅(qū)動(dòng)的電路及控制方法。為解決技術(shù)問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為提供一種基于超級(jí)電容的電機(jī)節(jié)能驅(qū)動(dòng)的電路，包括并聯(lián)了濾波電容與限壓電路 的DC母線，DC母線連接逆變電路的DC端、DC管理電路的高壓端；逆變電路的AC端連接電 機(jī)，DC管理電路的低壓端接超級(jí)電容；該電路還包括可控整流電路；可控整流電路的AC端 通過網(wǎng)側(cè)開關(guān)與電網(wǎng)相連，其DC端連接DC母線；所述可控整流電路的AC端還接至AC后備 供電系統(tǒng)。本發(fā)明中，所述可控整流電路由雙向AC/DC開關(guān)變換電路構(gòu)成，逆變電路由雙向 DC/AC開關(guān)變換電路構(gòu)成，DC管理電路由雙向DC/DC開關(guān)變換電路構(gòu)成。本發(fā)明中，所述可控整流為常規(guī)三相PWM電壓型整流電路，逆變電路為常規(guī)三相 PWM電壓型逆變電路，DC管理電路為雙向非隔離型buck/boost DC/DC變換電路。本發(fā)明中，該電路還包括DC管理II電路；所述DC管理II電路由雙向DC/DC開關(guān) 變換電路或單向降壓型DC/DC開關(guān)變換電路構(gòu)成；其低壓端接蓄電池，其高壓端接DC母線 或超級(jí)電容。本發(fā)明中，所述DC管理II電路由buck電路與反并二極管D3構(gòu)成，常態(tài)下由buck 電路對(duì)蓄電池做充電管理，停電、且當(dāng)超級(jí)電容放電至下限電壓時(shí)，蓄電池通過D3將能量 送到超級(jí)電容。更進(jìn)一步地，本發(fā)明還提供了一種基于超級(jí)電容的電機(jī)節(jié)能驅(qū)動(dòng)電路的控制方 法，包括(a)常態(tài)下DC管理電路處于直通模式，逆變電路依照運(yùn)行指令向電機(jī)提供負(fù)載所 需的速度和力矩，超級(jí)電容吸收和釋放負(fù)載運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的正、負(fù)尖峰功率，可控整流電路向 電網(wǎng)提取和回饋經(jīng)過削峰填谷處理后的平均功率；可控整流電路還通過調(diào)節(jié)DC母線電壓 來(lái)管理超級(jí)電容的儲(chǔ)能水平，當(dāng)DC母線電壓偏低、或電機(jī)根據(jù)指令或預(yù)測(cè)即將進(jìn)入電動(dòng)模 式，可控整流電路對(duì)超級(jí)電容充電，使DC母線電壓上升；當(dāng)DC母線電壓偏高或電機(jī)根據(jù)指 令或預(yù)測(cè)即將進(jìn)入發(fā)電模式，超級(jí)電容通過可控整流向電網(wǎng)饋能，使DC母線電壓下降；(b)電機(jī)負(fù)載剛切入電網(wǎng)或停電后電網(wǎng)電壓恢復(fù)時(shí)，DC管理電路處于降壓模式， 電網(wǎng)通過可控整流與DC管理電路對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行限流充電；超級(jí)電容完成充電后，DC管理 電路切換到直通模式；(c)當(dāng)電網(wǎng)超壓使DC母線電壓過高時(shí)，DC管理電路處于斷態(tài)模式，使超級(jí)電容脫 離DC母線而得到保護(hù)；DC母線電壓恢復(fù)正常時(shí)，DC管理電路切換到直通模式。(d)停電時(shí)，此時(shí)可控整流電路的交流端被網(wǎng)側(cè)開關(guān)與電網(wǎng)分離，DC管理電路處 于升壓模式，超級(jí)電容通過DC管理電路將能量泵升到DC母線，由可控整流電路將能量從可 控整流DC端送到可控整流AC端，為系統(tǒng)提供AC后備供電，作應(yīng)急后備交流輔助電源，DC母 線為電機(jī)節(jié)能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供DC后備供電，作應(yīng)急后備直流輔助電源。所述DC管理電路的工作方式具有直通模式、斷態(tài)模式、降壓模式和升壓模式，其 中升壓模式與降壓模式均為開關(guān)變換模式。作為一種改進(jìn)，在電路中附加蓄電池與DC管理II電路；DC管理II電路由雙向DC/ DC開關(guān)變換電路構(gòu)成，其低壓端接蓄電池、高壓端接DC母線；常態(tài)下DC管理II電路處于 降壓模式，對(duì)蓄電池充電；停電、且當(dāng)超級(jí)電容放電至下限電壓時(shí)，DC管理II電路處于升壓模式，蓄電池通過DC管理II電路將能量泵升到DC母線，繼續(xù)支撐DC母線的電壓。作為一種改進(jìn)，在電路中附加蓄電池與DC管理II電路；DC管理II電路由雙向DC/ DC開關(guān)變換電路構(gòu)成，其低壓端接蓄電池、高壓端接超級(jí)電容；常態(tài)下DC管理II電路處于 降壓模式，對(duì)蓄電池充電；停電、且當(dāng)超級(jí)電容放電至一下限電壓時(shí)，DC管理II電路又分2 種工作模式(a)升壓模式，蓄電池通過DC管理II電路將能量泵升到超級(jí)電容；(b)直通模式，蓄電池通過DC管理II電路將能量直接送到超級(jí)電容。作為一種改進(jìn)，在電路中附加蓄電池與DC管理II電路；DC管理II電路由具有逆 導(dǎo)通特性的單向DC/DC開關(guān)變換電路構(gòu)成，其低壓端接蓄電池、高壓端接超級(jí)電容；常態(tài)下 DC管理II電路按照單向DC/DC開關(guān)變換工作，對(duì)蓄電池充電；停電、且當(dāng)超級(jí)電容放電至 下限電壓時(shí)，蓄電池能量逆向通過DC管理II電路將蓄電池能量直接送到超級(jí)電容。本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明采用的能量回饋型電梯中超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置及其控制方法，具有以下優(yōu)占.1)充分利用超級(jí)電容儲(chǔ)能功率密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、充放電效率高等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)能 量回饋型電梯中功率尖峰吸收功能，減小對(duì)電網(wǎng)沖擊，提高電梯系統(tǒng)運(yùn)行性能；2)超級(jí)電容與DC母線的并聯(lián)運(yùn)行方式，提高了儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體工作效率超級(jí)電 容能量吞吐時(shí)允許DC母線電壓在一定范圍內(nèi)的浮動(dòng)，由此本發(fā)明消除了 DC/DC變換器的開 關(guān)損耗(僅有導(dǎo)通損耗)；可控整流電路與逆變電路直接相接，電梯的平穩(wěn)功率的在電網(wǎng)與 電機(jī)之間得以高效地雙向流動(dòng)。3)減小電網(wǎng)負(fù)荷容量要求、輸入級(jí)可控整流電路功率等級(jí)，提高效率與降低成 本；4)在停電應(yīng)急工況時(shí)，能充分利用超級(jí)電容低電壓區(qū)段后備儲(chǔ)能，在不增加主回 路復(fù)雜性的前提下，具備電梯后備應(yīng)急電源功能，提高安全可靠性。5)蓄電池僅僅作為后備儲(chǔ)能，易于維護(hù)。6)常態(tài)工況沒有充分利用超級(jí)電容低壓區(qū)儲(chǔ)能，盡管會(huì)增加初期投入，但合理降 低充放電的電流密度，十分有利于延長(zhǎng)超級(jí)電容的工作壽命，反而能顯著降低維護(hù)成本。這一點(diǎn)進(jìn)一步說(shuō)明如下由于超級(jí)電容的儲(chǔ)能水平與電壓平方成正比，超級(jí)電容在能量吞吐時(shí)伴隨端口電 壓的變化，而電壓的變動(dòng)范圍又直接與超級(jí)電容的利用率相關(guān)。盡管單從提高超級(jí)電容利 用率角度，電梯常態(tài)運(yùn)行時(shí)利用DC管理的開關(guān)變換模式是有利的，在超級(jí)電容端口電壓大 幅度變化時(shí)，仍能保持DC母線電壓很少變換。然而，較小的容量伴隨著較高的超級(jí)電容的 電流密度，不利于超級(jí)電容的損耗降低與循環(huán)壽命延長(zhǎng)。選擇合適的工作電流，即選取較大的超級(jí)電容容量，將能減少充放電損耗、降低溫 升、提高循環(huán)壽命。由這一原則所選取的超級(jí)電容容量，電梯正常工作時(shí)超級(jí)電容端口電壓 (即DC母線電壓)的變化范圍不至于太大，因此超級(jí)電容通過DC管理的直通模式將之并聯(lián) 在DC母線上工作，通過可控整流就可以將DC母線的電壓控制在合適的范圍內(nèi)。本發(fā)明并不限于電梯應(yīng)用，也同樣能應(yīng)用于起重機(jī)等類似的電機(jī)節(jié)能驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合。


圖1不控整流的驅(qū)動(dòng)電路；圖2雙向可控整流器的饋能驅(qū)動(dòng)電路；圖3不控整流器+蓄電池的饋能驅(qū)動(dòng)電路；圖4不控整流器+超級(jí)電容的饋能驅(qū)動(dòng)電路；圖5不控整流器+蓄電池與超級(jí)電容混合儲(chǔ)能的饋能驅(qū)動(dòng)電路；圖6可控整流+超級(jí)電容+DC管理的饋能驅(qū)動(dòng)電路；圖7電梯的超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置正向功率模式；圖8電梯的超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置反向功率模式；圖9電梯的超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置能量平衡及斷電應(yīng)急模式；圖10可控整流+超級(jí)電容+蓄電池的電梯饋能驅(qū)動(dòng)電路一；圖11可控整流+超級(jí)電容+蓄電池的電梯饋能驅(qū)動(dòng)電路二 ；
圖12可控整流+超級(jí)電容+蓄電池的電梯饋能驅(qū)動(dòng)電路三；圖13單向DC/DC+逆導(dǎo)通的電路；圖14可控整流+超級(jí)電容的電梯饋能驅(qū)動(dòng)實(shí)施例主電路；圖15可控整流+超級(jí)電容+蓄電池的電梯饋能驅(qū)動(dòng)實(shí)施例主電路。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
加以闡述。根據(jù)電梯、起重機(jī)等系統(tǒng)的運(yùn)行功率與儲(chǔ)能裝置的實(shí)際容量、成本、壽命等因數(shù)， 目前完全采用蓄電池與超級(jí)電容來(lái)儲(chǔ)備電梯回饋的能量，是不現(xiàn)實(shí)的，采用能量雙向流動(dòng) 的可控整流具有成本上的優(yōu)勢(shì)。然而在電梯啟動(dòng)和制動(dòng)過程中存在較大的正、負(fù)功率尖峰， 采用雙向可控整流對(duì)電力系統(tǒng)又會(huì)有沖擊。本發(fā)明提出結(jié)合可控整流與超級(jí)電容儲(chǔ)能的能量回饋型電梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。系統(tǒng)中的 超級(jí)電容的儲(chǔ)能作用可以減少電梯對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的浪涌功率沖擊、降低可控整流電路的峰值 功率需求，并能作為后備應(yīng)急儲(chǔ)能；而雙向可控整流承擔(dān)電機(jī)能量雙向流動(dòng)的平緩部分，又 能降低超級(jí)電容的容量需求。1、本發(fā)明電路的主電路結(jié)構(gòu)本發(fā)明提出一種基于超級(jí)電容的電機(jī)節(jié)能驅(qū)動(dòng)的電路及控制方法。本發(fā)明的主電路結(jié)構(gòu)由網(wǎng)側(cè)開關(guān)、可控整流電路、超級(jí)電容、DC管理電路、逆變電 路、電機(jī)等部分構(gòu)成，可控整流電路AC端通過網(wǎng)側(cè)開關(guān)與電網(wǎng)相連，DC母線連接可控整流 電路DC端、逆變電路DC端、DC管理電路高壓端，DC管理電路低壓端接超級(jí)電容，逆變電路 AC端驅(qū)動(dòng)電機(jī)；此外，DC母線上還并有濾波電容C與限壓電路；可控整流電路由雙向AC/DC 開關(guān)變換電路構(gòu)成，逆變電路由雙向DC/AC開關(guān)變換電路構(gòu)成，DC管理電路由雙向DC/DC開 關(guān)變換電路構(gòu)成。DC管理電路具有直通模式、斷態(tài)模式、降壓模式和升壓模式，升壓模式與 降壓模式均為開關(guān)變換模式。本發(fā)明的電機(jī)節(jié)能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。2、本發(fā)明電路的工作原理本發(fā)明的可控整流電路與DC管理電路的控制方法為(a)常態(tài)下DC管理電路處于直通模式，逆變器依照運(yùn)行指令向驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供負(fù)載(例如電梯、起重機(jī)一類負(fù)載)所需的速度和力矩，超級(jí)電容吸收和釋放電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的 正、負(fù)尖峰功率，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生正向功率尖峰時(shí)超級(jí)電容釋放能量、DC母線電壓下降，當(dāng) 電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生負(fù)向功率尖峰時(shí)超級(jí)電容吸收能量、DC母線電壓上升，可控整流電路向電網(wǎng) 提取和回饋經(jīng)過削峰填谷處理后的平均功率；可控整流電路還通過調(diào)節(jié)DC母線電壓來(lái)管 理超級(jí)電容的儲(chǔ)能水平，當(dāng)DC母線電壓偏低或電機(jī)即將進(jìn)入電動(dòng)模式(根據(jù)指令或預(yù)測(cè))， 可控整流電路對(duì)超級(jí)電容充電，使DC母線電壓上升；當(dāng)DC母線電壓偏高或電機(jī)即將進(jìn)入發(fā) 電模式(根據(jù)指令或預(yù)測(cè))，超級(jí)電容通過可控整流電路向電網(wǎng)饋能，使DC母線電壓下降。(b)電機(jī)負(fù)載剛切入電網(wǎng)或停電后電網(wǎng)電壓恢復(fù)時(shí)，可控整流電路建立起的DC母 線電壓會(huì)迅速高過超級(jí)電容端口電壓，DC管理電路處于降壓模式，電網(wǎng)通過可控整流電路 與DC管理電路對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行限流充電。超級(jí)電容完成充電后，DC管理電路切換到直通 模式。(c)當(dāng)電網(wǎng)超壓使DC母線電壓過高時(shí)，DC管理電路處于斷態(tài)模式，使超級(jí)電容脫 離DC母線而得到保護(hù)；DC母線電壓恢復(fù)正常后，DC管理電路切換到直通模式。(d)停電時(shí)，此時(shí)可控整流電路的交流端被網(wǎng)側(cè)開關(guān)與電網(wǎng)分離，DC管理電路處 于升壓模式。超級(jí)電容通過DC管理電路將能量泵升到DC母線，由可控整流電路將能量從 可控整流電路DC端送到可控整流電路AC端，為電機(jī)節(jié)能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供AC后備供電，作應(yīng) 急后備交流輔助電源。DC母線可以為電機(jī)節(jié)能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供DC后備供電，作應(yīng)急后備直流 輔助電源。下面通過電梯運(yùn)行中的能量與功率流動(dòng)的控制過程進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的思想電梯系統(tǒng)運(yùn)行在正向功率流模式時(shí)，超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置功率控制如圖7所示。此 時(shí)，電網(wǎng)和超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)共同為電梯提供能量。電梯能量被分為三部分高于勻速運(yùn)行 段功率的功率尖峰相關(guān)能量Wl、電梯回饋能量^以及其他剩余能量WK。其中，WK由電網(wǎng)提 供，而巧、12則由超級(jí)電容釋放和吸收。此時(shí)，超級(jí)電容實(shí)際提供的能量為(m尖峰能 量巧與回饋能量^越接近，超級(jí)電容提供的能量越少?？煽卣麟娐份敵龉β蔖i為一段 平穩(wěn)功率，功率尖峰由超級(jí)電容控制提供，可控整流電路實(shí)際輸出容量減小。特別的，當(dāng)電 梯運(yùn)行在平衡狀態(tài)，即轎箱負(fù)載和電梯對(duì)重相等時(shí)，可控整流電路輸出功率為零，且尖峰能 量Wi與回饋能量w2相等，因此超級(jí)電容釋放和吸收相同能量，電網(wǎng)實(shí)際提供能量為零。電梯系統(tǒng)運(yùn)行在反向功率流模式時(shí)，超級(jí)電容功率控制如圖8所示。此時(shí)，電網(wǎng)和 超級(jí)電容共同吸收電梯回饋的能量。電梯能量被分為三部分回饋功率尖峰相關(guān)能量巧、電 梯正向能量w2以及其他剩余能量WK。其中，WK由電網(wǎng)吸收，而巧為則由超級(jí)電容吸收和釋 放。此時(shí)，超級(jí)電容器組實(shí)際吸收的能量為(m回饋尖峰能量a與正向能量w2越接 近，超級(jí)電容吸收的能量越少?？煽卣麟娐芬云椒€(wěn)功率回饋電網(wǎng)，功率尖峰由超級(jí)電容控 制吸收，可控整流電路實(shí)際容量減小。電梯系統(tǒng)運(yùn)行在停梯能量平衡及電網(wǎng)斷電應(yīng)急模式時(shí)，超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置功率控 制如圖9所示。在電梯停梯時(shí)，判斷超級(jí)電容儲(chǔ)能，如果小于要求的初始容量，則超級(jí)電容 限流充電；相反，如果超級(jí)電容儲(chǔ)能大于要求的初始容量，則超級(jí)電容限流放電，最終到達(dá) 儲(chǔ)能容量，為下一循環(huán)的功率控制做準(zhǔn)備。當(dāng)電網(wǎng)斷電時(shí)，為保證乘客人身安全，提供運(yùn)行 到最近層開門放人，超級(jí)電容需要適時(shí)提供持續(xù)能量。當(dāng)電梯運(yùn)行在能量回饋方式，則保持 運(yùn)行方向不變運(yùn)行到最近層，此時(shí)，超級(jí)電容充電，當(dāng)超級(jí)電容端壓上升到允許最大值時(shí)，泄放回路(通常為放電電阻)工作放電；當(dāng)電梯運(yùn)行在正向功率狀態(tài)，為保證超級(jí)電容提供 足夠的能量使電梯運(yùn)行到最近層，電梯立刻進(jìn)入制動(dòng)階段，超級(jí)電容提供制動(dòng)所需的能量， 當(dāng)電梯停止后，反方向啟動(dòng)電梯低速自救運(yùn)行，此時(shí)電梯運(yùn)行在能量回饋方式，超級(jí)電容吸 收能量，最終到達(dá)反方向的最近層放人。這種斷電應(yīng)急方式，超級(jí)電容只要提供電梯制動(dòng)階 段的能量輸出、開關(guān)門能量以及各種損耗等，對(duì)超級(jí)電容容量要求最小，為超級(jí)電容單獨(dú)儲(chǔ) 能的系統(tǒng)提供了有利條件。另外，電網(wǎng)斷電后，有雙回路供電的電梯系統(tǒng)通常通過切換交流供電回路來(lái)避免 電梯斷電。但無(wú)論是雙回路供電系統(tǒng)均斷電，或者是單回路供電系統(tǒng)的斷電，電梯均有斷電 處理問題。一旦斷電，電梯脫離電網(wǎng)，超級(jí)電容還可以通過可控整流電路的交流端向電梯提 供后備輔助電源。3、本發(fā)明的進(jìn)一步說(shuō)明蓄電池的儲(chǔ)能密度高于超級(jí)電容，但蓄電池不適合頻繁的充放電，在本發(fā)明中蓄 電池也可以作為停電故障的后備電源補(bǔ)充來(lái)使用。在主電路上附加蓄電池與DC管理II，附 加蓄電池可以進(jìn)一步延長(zhǎng)停電等故障時(shí)后備輔助電源供電時(shí)間。以下是具體做法舉例1)如圖10所示，DC管理II電路低壓端接蓄電池，DC管理II電路由雙向DC/DC 開關(guān)變換電路構(gòu)成(原理同圖6中的DC管理電路)，DC管理II電路高壓端接DC母線；常 態(tài)下DC管理II電路處于降壓模式，對(duì)蓄電池充電；停電、且當(dāng)超級(jí)電容放電至下限電壓時(shí)， DC管理II電路處于升壓模式，蓄電池通過DC管理II電路將能量泵升到DC母線，繼續(xù)支撐 DC母線的電壓。如圖10所示。2)如圖11所示，DC管理II電路低壓端接蓄電池，DC管理II電路由雙向DC/DC 開關(guān)變換電路構(gòu)成(原理同圖6中的DC管理)，DC管理II電路高壓端接超級(jí)電容；常態(tài)下 DC管理II電路處于降壓模式，對(duì)蓄電池充電；停電、且當(dāng)超級(jí)電容放電至下限電壓時(shí)，DC管 理II電路又分2種工作模式(a)升壓模式，蓄電池通過DC管理II電路將能量泵升到超級(jí)電容；(b)直通模式，蓄電池通過DC管理II電路將能量直接送到超級(jí)電容。作為例子，超級(jí)電容的這一電壓放電下限可以取為DC母線電壓額定值的30%左
右o3)如圖12所示，DC管理II電路低壓端接蓄電池，DC管理II電路由具有逆導(dǎo)通 特性的單向降壓型DC/DC開關(guān)變換電路構(gòu)成，DC管理11電路高壓端接超級(jí)電容，常態(tài)下DC 管理II電路按照單向DC/DC開關(guān)變換工作，對(duì)蓄電池充電；停電、且當(dāng)超級(jí)電容放電至下限 電壓時(shí)，蓄電池能量逆向通過DC管理II電路將蓄電池能量直接送到超級(jí)電容。圖13所示 為該DC/DC變換器一例，DC管理II電路由buck電路(L2、Q3、D4)與反并二極管D3構(gòu)成 的；常態(tài)下由buck電路對(duì)蓄電池做充電管理，停電、且當(dāng)超級(jí)電容放電至下限電壓時(shí)，蓄電 池通過D3將能量送到超級(jí)電容。采用DC管理II電路采用單向DC/DC開關(guān)變換電路和逆導(dǎo)通特性的好處是，能夠 簡(jiǎn)化線路。不過，這種設(shè)計(jì)中超級(jí)電容的電壓必須等到放電到下限時(shí)，蓄電池才能作為后備本發(fā)明的可控整流電路，采用各種雙向AC/DC高頻開關(guān)變換電路，例如常規(guī)的三 相PWM電壓型整流電路；DC管理電路可以采用各種雙向DC/DC開關(guān)變換電路，例如常規(guī)的雙向非隔離型buck/boost DC/DC變換電路；逆變電路可以采用各種雙向DC/AC高頻開關(guān)變 換電路，例如常規(guī)的三相PWM電壓型逆變電路。通常，DC母線的電壓額定值是根據(jù)電網(wǎng)電 壓和可控整流、逆變電路的結(jié)構(gòu)而設(shè)定的，母線電壓的工作范圍與電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍有關(guān)。 為保證本發(fā)明電路有較高工作效率，常態(tài)下DC母線電壓的浮動(dòng)范圍控制在DC母線電壓額 定值的士 15%以內(nèi)為妥。具體實(shí)施例子本發(fā)明的實(shí)施例的主電路如圖14所示，這是可控整流+超級(jí)電容+DC管理的電梯 饋能驅(qū)動(dòng)的方案，輸入為三相380V/50HZ交流電，電機(jī)為永磁同步電機(jī)，可控整流電路采用 三相PWM電壓型整流電路，DC管理電路采用雙向非隔離型buck/boost DC/DC變換電路，逆 變電路采用三相PWM電壓型逆變電路，限壓電路采用半導(dǎo)體開關(guān)與電阻串聯(lián)。由于電梯常 態(tài)運(yùn)行時(shí)，僅僅在停電與電梯能量回饋同時(shí)發(fā)生的情況下有可能出現(xiàn)DC母線超壓，需要限 壓電路吸收的能量不會(huì)很多，也可以使用氧化鋅壓敏電阻等較為簡(jiǎn)單的限壓電路。電梯常態(tài)運(yùn)行時(shí)，DC管理電路處于直通模式，Q1常開通、Q2常斷開，超級(jí)電容通過 Q1并聯(lián)在DC母線上。電梯剛切入電網(wǎng)或停電后電網(wǎng)電壓恢復(fù)時(shí)，DC管理電路處于降壓模式，Ql、D2、L 構(gòu)成buck降壓電路，Q1作PWM開關(guān)運(yùn)行、Q2常斷開，對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行限流充電；當(dāng)超級(jí)電 容的電壓達(dá)到DC母線電壓時(shí)，DC管理電路切換到直通模式。當(dāng)電網(wǎng)超壓使DC母線電壓過高時(shí)，DC管理電路處于斷態(tài)模式，Ql、Q2均關(guān)斷，使 超級(jí)電容脫離DC母線而得到保護(hù)；DC母線電壓恢復(fù)正常時(shí)，DC管理電路切換到直通模式。停電時(shí)，DC管理電路處于升壓模式，Q2、D1、L構(gòu)成boost升壓電路，Q1常斷開、Q2 作PWM開關(guān)運(yùn)行，網(wǎng)側(cè)開關(guān)與電網(wǎng)分離，可控整流AC端輸出三相AC交流提供后備電源。附加蓄電池作補(bǔ)充后備電源的實(shí)施例的主電路如圖15所示。以上所述，僅是本發(fā)明的幾種較佳實(shí)施案例而已，并非對(duì)本發(fā)明做任何形式上的 限制，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施案例揭示如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè) 的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的結(jié)構(gòu)及技術(shù)內(nèi)容做出 些許的更動(dòng)或修飾為等同變化的等效實(shí)施案例，但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容， 依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施案例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬本 發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)。
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權(quán)利要求
一種基于超級(jí)電容的電機(jī)節(jié)能驅(qū)動(dòng)的電路，包括并聯(lián)了濾波電容與限壓電路的DC母線，DC母線連接逆變電路的DC端、DC管理電路的高壓端；逆變電路的AC端連接電機(jī)，DC管理電路的低壓端接超級(jí)電容；其特征在于，該電路還包括可控整流電路，由雙向AC/DC開關(guān)變換電路構(gòu)成；可控整流電路的AC端通過網(wǎng)側(cè)開關(guān)與電網(wǎng)相連，其DC端連接DC母線；所述可控整流電路的AC端還接至AC后備供電系統(tǒng)；所述的逆變電路由雙向DC/AC開關(guān)變換電路構(gòu)成，DC管理電路由雙向DC/DC開關(guān)變換電路構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于超級(jí)電容的電機(jī)節(jié)能驅(qū)動(dòng)的電路，其特征在于，所述可控 整流為常規(guī)三相PWM電壓型整流電路，逆變電路為常規(guī)三相PWM電壓型逆變電路，DC管理 電路為雙向非隔離型buck/boost DC/DC變換電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述基于超級(jí)電容的電機(jī)節(jié)能驅(qū)動(dòng)的電路，其特征在于，該電路 還包括DC管理II電路和蓄電池；所述DC管理II電路由雙向DC/DC開關(guān)變換電路或單向 降壓型DC/DC開關(guān)變換電路構(gòu)成；其低壓端接蓄電池，其高壓端接DC母線或超級(jí)電容。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述基于超級(jí)電容的電機(jī)節(jié)能驅(qū)動(dòng)的電路，其特征在于，所述DC管 理II電路由buck電路與反并二極管D3構(gòu)成，常態(tài)下由buck電路對(duì)蓄電池做充電管理，停 電、且當(dāng)超級(jí)電容放電至下限電壓時(shí)，蓄電池通過D3將能量送到超級(jí)電容。
5.一種基于權(quán)利要求1所述基于超級(jí)電容的電機(jī)節(jié)能驅(qū)動(dòng)電路的控制方法，包括(a)常態(tài)下DC管理電路處于直通模式，逆變電路依照運(yùn)行指令向電機(jī)提供負(fù)載所需的 速度和力矩，超級(jí)電容吸收和釋放負(fù)載運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的正、負(fù)尖峰功率，可控整流電路向電網(wǎng) 提取和回饋經(jīng)過削峰填谷處理后的平均功率；可控整流電路還通過調(diào)節(jié)DC母線電壓來(lái)管 理超級(jí)電容的儲(chǔ)能水平，當(dāng)DC母線電壓偏低、或電機(jī)根據(jù)指令或預(yù)測(cè)即將進(jìn)入電動(dòng)模式， 可控整流電路對(duì)超級(jí)電容充電，使DC母線電壓上升；當(dāng)DC母線電壓偏高或電機(jī)根據(jù)指令或 預(yù)測(cè)即將進(jìn)入發(fā)電模式，超級(jí)電容通過可控整流向電網(wǎng)饋能，使DC母線電壓下降；(b)電機(jī)負(fù)載剛切入電網(wǎng)或停電后電網(wǎng)電壓恢復(fù)時(shí)，DC管理電路處于降壓模式，電網(wǎng) 通過可控整流與DC管理電路對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行限流充電；超級(jí)電容完成充電后，DC管理電路 切換到直通模式；(c)當(dāng)電網(wǎng)超壓使DC母線電壓過高時(shí)，DC管理電路處于斷態(tài)模式，使超級(jí)電容脫離DC 母線而得到保護(hù)；DC母線電壓恢復(fù)正常時(shí)，DC管理電路切換到直通模式；(d)停電時(shí)，此時(shí)可控整流電路的交流端被網(wǎng)側(cè)開關(guān)與電網(wǎng)分離，DC管理電路處于升 壓模式，超級(jí)電容通過DC管理電路將能量泵升到DC母線，由可控整流電路將能量從可控整 流DC端送到可控整流AC端，為系統(tǒng)提供AC后備供電，作應(yīng)急后備交流輔助電源，DC母線 為電機(jī)節(jié)能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供DC后備供電，作應(yīng)急后備直流輔助電源；上述DC管理電路的升壓模式與降壓模式均為開關(guān)變換模式。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述基于超級(jí)電容的電機(jī)節(jié)能驅(qū)動(dòng)電路的控制方法，其特征在于， 在電路中附加蓄電池與DC管理II電路；DC管理II電路由雙向DC/DC開關(guān)變換電路構(gòu)成， 其低壓端接蓄電池、高壓端接DC母線；常態(tài)下DC管理II電路處于降壓模式，對(duì)蓄電池充 電；停電、且當(dāng)超級(jí)電容放電至下限電壓時(shí)，DC管理II電路處于升壓模式，蓄電池通過DC 管理II電路將能量泵升到DC母線，繼續(xù)支撐DC母線的電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述基于超級(jí)電容的電機(jī)節(jié)能驅(qū)動(dòng)電路的控制方法，其特征在于， 在電路中附加蓄電池與DC管理II電路；DC管理II電路由雙向DC/DC開關(guān)變換電路構(gòu)成，其低壓端接蓄電池、高壓端接超級(jí)電容；常態(tài)下DC管理II電路處于降壓模式，對(duì)蓄電池充 電；停電、且當(dāng)超級(jí)電容放電至一下限電壓時(shí)，DC管理II電路又分2種工作模式(a)升壓模式，蓄電池通過DC管理II電路將能量泵升到超級(jí)電容；(b)直通模式，蓄電池通過DC管理II電路將能量直接送到超級(jí)電容。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述基于超級(jí)電容的電機(jī)節(jié)能驅(qū)動(dòng)電路的控制方法，其特征在于， 在電路中附加蓄電池與DC管理II電路；DC管理II電路由具有逆導(dǎo)通特性的單向DC/DC 開關(guān)變換電路構(gòu)成，其低壓端接蓄電池、高壓端接超級(jí)電容；常態(tài)下DC管理II電路按照單 向DC/DC開關(guān)變換工作，對(duì)蓄電池充電；停電、且當(dāng)超級(jí)電容放電至下限電壓時(shí)，蓄電池能 量逆向通過DC管理II電路將蓄電池能量直接送到超級(jí)電容。
全文摘要
本發(fā)明涉及電機(jī)節(jié)能驅(qū)動(dòng)電路，旨在提供一種基于超級(jí)電容的電機(jī)節(jié)能驅(qū)動(dòng)的電路及控制方法。本發(fā)明電路的主電路由超級(jí)電容器組、超級(jí)電容充放電管理電路、可控整流電路、可控整流控制電路等構(gòu)成。本發(fā)明通過對(duì)可控整流及超級(jí)電容充放電電路的優(yōu)化控制，對(duì)電梯運(yùn)行功率尖峰吸收，減小電梯運(yùn)行時(shí)對(duì)電網(wǎng)沖擊，可控整流負(fù)擔(dān)電機(jī)電動(dòng)與發(fā)電功率的平緩部分，并具備電梯斷電時(shí)后備應(yīng)急電源功能，常態(tài)下超級(jí)電容與DC母線之間直通連接而具有高效率。本發(fā)明具有線路簡(jiǎn)潔，整體工作效率高，超級(jí)電容壽命延長(zhǎng)，能量回饋型電梯整體技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能得以提高。本發(fā)明特別適合于能量回饋型節(jié)能電梯的驅(qū)動(dòng)，同樣也適用于起重機(jī)等電機(jī)節(jié)能驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合。
文檔編號(hào)H02J15/00GK101931366SQ20101024306
公開日2010年12月29日 申請(qǐng)日期2010年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月3日
發(fā)明者呂征宇, 瞿博, 鄭家龍 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)