專利名稱：超級電容儲能式電梯快速充電保護控制器的制作方法
技術領域：
本發明涉及充電保護電路領域，特別涉及超級電容儲能式電梯的快速充電保護技術。
背景技術：
當電梯牽引機拖動轎廂做減速運動、制動時,其機械動能將釋放出來；當電梯制動、輕載上行和重載下行時其機械勢能也將釋放出來。對于這部分能量的有效利用受到各國政府、組織、研究機構和電梯企業的研究。考慮到有效利用再生能量以及能量回饋時對電網造成的負面影響，將再生能量有效存儲成為研究的重點。中國專利CN1835329A公開了一種混合儲能裝置，將可充電蓄電池與超級電容相結合實現再生能量的存儲。美國專利US6938733B2也應用超級電容器組通過功率調節設備與直流母線連接。
在電梯驅動的控制方法中大多采用電力電子裝置，裝置中采用的整流橋容易產生過電流，燒毀整流器件，其產生原因一是由整流電路內部引起；二是整流橋外部發生短路。由于超級電容的電容為法拉級，等效串聯電阻非常小，充電電流非常大，能夠大大提高充電速度，然而上述兩種專利包括其他相關專利并沒有考慮超級電容快速充電時大電流對整流電路造成的影響。而且在快速充電過程中直流側易產生過電壓可能對超級電容造成永久性損壞。超級電容器的單體工作電壓很低，通常為f3V，使用中不能過電壓，目前應用較多的是在超級電容器兩端并聯過壓保護電路，當充電時超級電容器兩端電壓過高時，通過過壓保護電路分流是超級電容器工作在額定電壓下。而這些方法需要實時檢測超級電容器兩端是否過電壓，如果檢測電路準確性降低，則保護效果失效，在電壓浮動較大的場合，這種保護電路的穩定性較差。

發明內容
本發明的目的是解決在超級電容儲能的快速充電時對整流電路進行過電流保護和對超級電容進行過電壓保護的問題，提供一種帶有三級保護電路的超級電容儲能式電梯快速充電保護控制器。為此本發明對電梯中超級電容儲能采用了三級保護，本發明將三級保護與超級電容儲能式電梯驅動器結合在一起說明了保護的重要作用。技術方案本發明提供的帶有三級保護電路的超級電容儲能式電梯快速充電保護控制器如圖I所示，包括與三相電網I連接的三相不可控整流器2，三相不可控整流器2的輸出連接帶超級電容器組的三級保護電路，帶超級電容器組的三級保護電路連接由IGBT反并聯二極管模塊構成的三相逆變器4，三相逆變器4輸出接到電梯牽引電機5，帶超級電容器組的三級保護電路3，同時經信號調理電路6連接控制電路7 ;帶超級電容器組的三級保護電路3由第一級限流電路8、直流側穩壓濾波電容9、第一電壓檢測電路10、第二電壓檢測電路
11、超級電容器組12、第二級保護電路13、直流母線電流檢測電路14、第三級保護電路15構成，所述的三級保護電路是指第一級限流電路8、第二級保護電路13與第三級保護電路15(將圖I展開得到圖2所示電路圖)，其中，第一級限流電路8 :由電抗器和第一接觸器常閉觸點Kl并聯組成，串聯在三相不可控整流器2與逆變器4之間的直流母線上，用于預充電時的限流；直流側穩壓濾波電容9 :并聯于直流母線上所述第一級限流電路8的輸出端，用于濾除所述第一級限流電路8輸出直流電流中的高次諧波；第一電壓檢測電路10 :并聯于直流側，用于實時檢測直流側的電壓值，所述的第一電壓檢測電路10由霍爾電壓傳感器17、輸入電阻16和第一米樣電阻18組成,輸入電阻16串聯在霍爾電壓傳感器17的+IN端，第一采樣電阻18并聯在霍爾電壓傳感器17的OUT 端與地之間；第二級保護電路13 :由非隔離型雙向DC-DC變換器組成，與三相不可控整流器2和所述的第一級限流電路8相結合作為超級電容器組12的預充電電路，并聯于直流側；所述的第二級保護電路13—方面用于超級電容器組12預充電時的限流與過電壓保護，另一方面用于電梯能量回饋時的過流與過壓保護；超級電容器組12 :并聯在第二級保護電路13中電感L2的輸出端，所述的超級電容器組12作為儲能裝置一方面儲存電梯正常運行時電網富裕的能量和電梯回饋的再生能量，另一方面為電梯下次耗能運行提供部分能量和停電時的應急電源；第二電壓檢測電路11 :并聯于超級電容器組12兩端，用于實時檢測超級電容器組12兩端的電壓值，所述的第二電壓檢測電路11由霍爾電壓傳感器17、輸入電阻16和第一米樣電阻18組成，輸入電阻16串聯在霍爾電壓傳感器17的+IN端,第一米樣電阻18并聯在霍爾電壓傳感器17的OUT端與地之間；直流母線電流檢測電路14 :用于實時檢測直流母線上流過的電流，所述的電流檢測電路14由霍爾電流傳感器19和第二采樣電阻20構成，第二采樣電阻20并聯在霍爾電流傳感器19的輸出端與地之間；被測電流的導線從霍爾電流傳感器19中間的孔穿過，在霍爾電流傳感器19的輸出端將產生電流信號，通過第二采樣電阻20將該電流信號轉換為(-5V, +5V)之間的電壓信號輸出；第三級保護電路15 :并聯于直流側，用于電梯能量回饋時，所述超級電容器組12已充滿電能時，將再回饋的能量以熱能形式消耗；信號調理電路6 :用于將霍爾傳感器輸出的范圍為(-5V, +5V)的電壓信號轉換為控制芯片DSP可接受的(-3V，+3V)范圍內的電壓信號；控制電路7 :采用TI公司的TMS320X28IxDSP為控制核心，一是對信號調理電路6的電壓信號進行AD轉換，二是進行充電保護時的邏輯判斷，三是通過芯片產生的PWM信號控制逆變器4和第三級保護電路15中IGBT的通斷。本發明與現有技術相比，具有以下有效效果在應用超級電容器組儲能的電梯驅動裝置中加入了過電流和過電壓保護技術，通過所述第一級限流保護和第二級限流調壓保護，能夠保證整流電路在預充電時避免產生過大的充電電流而受損害。同時，避免了充電時直流側電壓產生“泵生電壓”燒毀超級電容。通過所述第三級保護，能夠保證在能量回饋時超級電容器組已充滿電能的情況下，將多余的能量以熱能形式釋放，減少對超級電容的影響。本發明控制簡單、易于實現電梯中超級電容器組的快速充電。


圖I為本發明提供的帶有三級保護電路的超級電容儲能式電梯快速充電保護控制器框圖；圖2為本發明提供的帶有三級保護電路的超級電容儲能式電梯快速充電保護控制器電路展開圖；圖3為本發明中所用電壓檢測電路；圖4為本發明中所用的電流檢測電路；圖5為本發明中所用的信號調理電路。
圖中，I三相電網、2三相不可控整流器、3帶超級電容器組的三級保護電路、4逆變器、5電梯牽引電機、6信號調理電路、7控制電路、8第一級限流電路、9直流側濾波電容、10第一電壓檢測電路、11第二電壓檢測電路、12超級電容器組、13第二級保護電路、14直流母線電流檢測電路、15第三級保護電路、16輸入電阻、17霍爾電壓傳感器、18第一采樣電阻、19霍爾電流傳感器、20第二采樣電阻、21電平轉換電路、22電平提升電路、23信號調理電路中的保護電路、101，102，103檢測信號、104，105，106控制電路輸出信號、107，108霍爾電壓傳感器輸入端口、109霍爾電壓傳感器所允許的電流信號、110霍爾電壓傳感器輸出端、111經第一米樣電阻輸出的電壓信號、112被測電流信號、113霍爾電流傳感器輸出端、114經第二米樣電阻輸出的電壓信號、115信號調理電路的輸入信號、116電平轉換電路輸出信號、117電平提升電路輸出信號、118信號調理電路輸出信號。
具體實施例方式下面參見附圖I和附圖2并結合實施例來詳細說明本發明。附圖2是對圖I帶有三級保護電路的超級電容儲能式電梯快速充電保護控制器框圖的電路展開圖，包括三相電網1，其輸出經電源開關KO連接三相不可控整流器2，輸出的直流母線串聯第一級限流電路8，并依次并聯濾波電容9、第二級保護電路13、和第三級保護電路15，然后經由IGBT反并聯二極管模塊構成的三相逆變器4連接三相交流牽引電機5，超級電容器組12連接到第二級保護電路13中電感L2的輸出端，直流母線電流檢測電路14串聯在直流母線上，直流側第一電壓檢測電路10和超級電容器組端第二電壓檢測電路11分別并聯在直流母線和超級電容器組上，檢測信號經信號調理電路6連接至一套以DSP為控制核心的控制電路7輸出控制信號。所述三相不可控整流器2和所述第一級限流電路8構成預充電電路，所述第一級限流電路8由電抗器LI和接觸器常閉觸點Kl并聯組成，用于防止直流側電壓建立開始階段產生的過電流對整流電路中二極管造成損壞。所述穩壓濾波電容9用于濾除整流器2輸出中的高次諧波，所述第二級保護電路13由非隔離型DC-DC變換器組成，與整流器2和所述的第一級限流電路8相結合作為超級電容器組12的預充電電路，并聯于直流側，所述的第二級保護電路13—方面用于所述超級電容器組12預充電時的限流與過電壓保護，另一方面用于電梯能量回饋時的過流與過壓保護。
所述第三級保護電路15為泄放電路，能夠保證在能量回饋時超級電容器組12已充滿電能的情況下，將多余的能量以熱能形式釋放，減少對超級電容的影響。所述第一電壓檢測電路10、第二電壓檢測電路11和所述直流母線電流檢測電路14的檢測信號101、102、103經所述的信號調理電路6輸出實時采集的電壓、電流信息構成信號采樣電路，通過所述的控制電路7輸出控制信號104、105、106分別控制三級保護電路的開關的通斷。如圖3，所述的第一電壓檢測電路10和第二電壓檢測電路11的輸入端分別并聯于穩壓濾波電容9和超級電容器組12的兩端，均由霍爾電壓傳感器17、輸入電阻16和第一采樣電阻18組成，其采樣過程為被測電壓信號107施加在輸入電阻16上被轉換為霍爾傳感器誤差所容許的電流信號109，根據霍爾效應，在霍爾電壓傳感器17的OUT端產生與+IN端成固定比例(匝數比)的電流信號110，該電流信號在第一采樣電阻18的作用下被轉換為(-5V，+5V)間的電壓信號111。參照圖4，所述直流母線電流檢測電路14串聯于直流母線中，其采樣過程為導線(被測電流112)從霍爾電流傳感器中孔穿過，根據霍爾效應，在霍爾電流傳感器19的OUT端·產生與被測電流112大小成固定比例(匝數比)的電流信號113，該電流信號在第二采樣電阻20的作用下被轉換為(-5V，+5V)間的電壓信號114。所述信號調理電路6主要由運算放大器和電阻等組成，共3路，如圖5所示(該圖為單路信號調理電路，其中檢測電路10、11和14各接I路信號調理電路)。其信號調理過程為輸入大小為(-5V,+5V)間的電壓信號115,經過電平轉換電路21被按線性關系轉換為大小為(-1. 65V，I. 65V)之間的電壓信號116，然后再經過電平提升電路22將大小在(-1. 65V,
1.65V)之間的電壓信號116提升至(0V，+3. 3V)之間的電壓信號117，最后，為防止被測信號過大引起調理后的信號超出DSP所允許的電平高低，增設保護電路23，保證電壓信號117滿足控制電路對電平的要求，當電壓信號116高于+3. 3V時，嵌入二極管導通，輸出信號118維持在+3. 3V，當信號117在OV和+3. 3V之間時，信號調理電路13的輸出信號118與信號117相等。參照圖2，本發明中所述控制電路7采用TI公司的TMS320X28IxDSP為控制核心，一是對信號調理電路的電壓信號進行AD轉換，二是進行充電保護時的邏輯判斷，三是通過芯片產生的PWM信號控制逆變器和第三級保護中IGBT的通斷。工作過程下面將對帶有三級保護電路的超級電容儲能式電梯驅動器在預充電和電能回饋時進行具體說明I、所述超級電容器組12預充電限流、過壓保護在超級電容儲能式電梯驅動中，為保證電梯正常運行需要對直流側穩壓濾波電容9和超級電容器組12進行預充電，其工作過程為閉合電梯驅動器電源開關K0，接入三相電網電源1，三相不可控整流器2開始工作，將三相交流電整流為直流電，對穩壓濾波電容9和超級電容器組12進行預充電，開始建立直流電壓。為防止電容充電過程中產生的過電流擊穿三相不可控整流器2中的二極管，預充電過程中，控制電路7發出控制信號104控制第一級限流電路8中的接觸器觸點Kl斷開，LI接入電路。本發明中，由于所述穩壓濾波電容9和超級電容器組12電容量相差巨大(約差6個數量級)，故充電過程不同，穩壓濾波電容9因其電容量低，在直流側電壓建立的過程中，其兩端電壓迅速躥升，電壓檢測電路10檢測到其端電壓值達到所設閾值2. 34U2后，控制電路7發出控制信號104控制第一級限流電路8中的接觸器觸點Kl閉合，切除LI ;由于直流側兩端電壓迅速躥升，產生的“泵生電壓”對超級電容器組12易造成損壞，為此在直流側和超級電容器組12之間加入第二級保護，通過控制電路7發出控制信號105來控制非隔離型雙向DC-DC變換器調節輸入到超級電容器組12兩端的電壓進行充電。2、曳引電動機5處于再生制動狀態，電梯回饋能量當電梯在輕載上行、重載下行，或者減速制動時，曳引電動機5處于再生能量回饋制動狀態，電梯運行的機械能量(包括機械動能和機械勢能)通過曳引電動機5和逆變器4中的續流二極管，轉換為直流電向直流側反饋。所述三相不可控整流器2中二極管只有單 向導通性，整流器2承受反向電壓不工作，回饋的能量給濾波電容9和超級電容器組12充電。通過第一電壓檢測10檢測直流母線靜態電壓與動態電壓的電壓差值AV，當電梯處于能量回饋狀態時，使直流側電壓升高，當動態電壓與靜態電壓差值△ V滿足設定值時，控制電路7輸出信號105啟動雙向DC-DC變換器反向導通，將電梯回饋能量儲存到超級電容器組12中。在能量回饋時超級電容器組12已充滿電能的情況下，控制電路7輸出信號105關閉雙向DC-DC變換器，同時輸出信號106控制第三級保護電路工作，將多余的能量以熱能的形式釋放。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種帶有三級保護電路的超級電容儲能式電梯快速充電保護控制器，其特征在于該電梯快速充電保護控制器包括與三相電網連接的三相不可控整流器，三相不可控整流器的輸出連接帶超級電容器組的三級保護電路，帶超級電容器組的三級保護電路連接由IGBT反并聯二極管模塊構成的三相逆變器，三相逆變器輸出接到電梯牽引電機，帶超級電容器組的三級保護電路，同時經信號調理電路連接控制電路；帶超級電容器組的三級保護電路由第一級限流電路、直流側穩壓濾波電容、第一電壓檢測電路、第二電壓檢測電路、超級電容器組、第二級保護電路、直流母線電流檢測電路和第三級保護電路構成，所述的三級保護電路是指第一級限流電路、第二級保護電路與第三級保護電路，其中， 第一級限流電路由電抗器和第一接觸器常閉觸點Kl并聯組成，串聯在三相不可控整 流器與三相逆變器之間的直流母線上，用于預充電時的限流； 直流側穩壓濾波電容并聯于直流母線上所述第一級限流電路的輸出端，用于濾除所述第一級限流電路輸出直流電流中的高次諧波； 第一電壓檢測電路并聯于直流側，用于實時檢測直流側的電壓值，所述的第一電壓檢測電路由霍爾電壓傳感器、輸入電阻和第一采樣電阻組成，輸入電阻串聯在霍爾電壓傳感器的+IN端，第一采樣電阻并聯在霍爾電壓傳感器的OUT端與地之間； 第二級保護電路由非隔離型雙向DC-DC變換器組成，與三相不可控整流器和所述的第一級限流電路相結合作為超級電容器組的預充電電路，并聯于直流側；所述的第二級保護電路一方面用于超級電容器組預充電時的限流與過電壓保護，另一方面用于電梯能量回饋時的過流與過壓保護； 超級電容器組并聯在第二級保護電路的輸出端，所述的超級電容器組作為儲能裝置一方面儲存電梯正常運行時電網富裕的能量和電梯回饋的再生能量，另一方面為電梯下次耗能運行提供部分能量和停電時的應急電源； 第二電壓檢測電路并聯于超級電容器組兩端，用于實時檢測超級電容器組兩端的電壓值，所述的第二電壓檢測電路由霍爾電壓傳感器、輸入電阻和第一采樣電阻組成，輸入電阻串聯在霍爾電壓傳感器的+IN端，第一采樣電阻并聯在霍爾電壓傳感器的OUT端與地之間； 直流母線電流檢測電路用于實時檢測直流母線上流過的電流，所述的電流檢測電路由霍爾電流傳感器和第二采樣電阻構成，第二采樣電阻并聯在霍爾電流傳感器的輸出端與地之間；被測電流的導線從霍爾電流傳感器中間的孔穿過，在霍爾電流傳感器的輸出端將產生電流信號，通過第二采樣電阻將該電流信號轉換為(-5V，+5V)之間的電壓信號輸出；第三級保護電路并聯于直流側，用于電梯能量回饋時，所述超級電容器組已充滿電能時，將再回饋的能量以熱能形式消耗。
全文摘要
一種帶有三級保護電路的超級電容儲能式電梯快速充電保護控制器。包括與三相電網連接的三相不可控整流器，三相不可控整流器的輸出端與第一級限流電路串聯后產生直流電壓，直流側依次并聯第二級保護電路與第三級保護電路，然后經由IGBT反并聯二極管模塊構成的三相逆變器后連接到電梯的牽引電機，所述的三級保護電路是指第一級限流電路、第二級保護電路與第三級保護電路。本發明能夠保證整流電路在預充電時避免產生過大的充電電流而受損害。通過所述第三級保護，能夠保證在能量回饋時超級電容器組已充滿電能的情況下，將多余的能量以熱能形式釋放，減少對超級電容的影響。本發明控制簡單、易于實現電梯中超級電容器組的快速充電。
文檔編號H02J7/02GK102723763SQ20121018086
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月4日 優先權日2012年6月4日
發明者萬健如, 石立光, 羅志群 申請人:天津大學