专利名称：一种微能耗电梯的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电梯设备，特别一种以超级电容为储能载体的微能耗电梯。
背景技术：
电梯在运行过程中有两种状态S卩"电动运行"状态和"发电运行"状态。当电梯满 载向上提升过程中，电梯处于电动运行状态(电能转变为机械能)，主电源通常由工业用电 (如380V交流电)作为持续供电的电源，为了保证电梯在瞬间断电时能正常平层，需要配置 不间断电源，为了保证电梯在停电时能正常运行，在电梯系统上都配置有备用电源(如自 备发电机)；而当电梯向下降落过程中，电动机处于发电运行状态(机械能转变为电能)，电 能通过变频器输出功率模块的续流二极管并整流成直流，然后加在变频器的直流母线上， 使直流母线的电压升高，如果不能够及时将这些电能释放掉，电梯就会发生故障保护而无 法正常使用。为了防止母线电压过高，以往都是采用制动单元把电梯下降时发出的电能释 放在电阻上，此时电能转变为热能，其热量释放在周围空间，形成二次污染；同理，空载上行 和下行，则反之，即上行为发电状态，下行为电动状态，其原理与上相同。近几年来，则采用 逆变回馈单元把释放了的电能再逆变为同频、同相的正弦波回馈到自身电网再利用，但是， 这种方式存在严重缺陷——噪音和谐波污染了电源和周围空间，干扰自身系统和附近的设 备的正常运行。 目前，电梯生产商通常使用如铅酸蓄电池、镍氢蓄电池和镉镍蓄电池等传统化学 电池作为电梯备用电源，这类蓄电池储能是依靠电极的化学反应，动力学性能较差，不能保 证及时有效地将电梯下降时的机械能存储，造成能源浪费，因此，使用这类蓄电池作为备用 电源，其使用寿命短，需要定期更换，还会对环境造成一定的污染。随着社会经济的发展，人 们对于绿色能源和生态环境越来越关注，超级电容器(又称为电化学电容器)作为一种新 型的储能器件，因为储存电荷的能力比普通电容器高，并具有充放电速度快、效率高、对环 境无污染、循环寿命长等无可替代的优越性，在一些需要高功率、 高效率解决方案的设计中，工程师已开始采用超级电容器来取代传统的电池。如 有专利号为ZL200410054284. 9的中国发明专利《一种新型节能电梯》公开了一种使用超级 电容器作为辅助电源和备用电源，超级电容器在电梯启动和下降时能有效释能和储能，达 到节能的目的；同时，可以确保电梯在突发断电事件中安全地将滞留在电梯内的乘客运送 到附近的楼层。又如申请号为200580023344. 3的中国发明专利《作为电梯系统中的节能器 和应急电源的电源》公开了一种将电梯系统所需电能存储到超级电容器中的方法和装置， 超级电容器可用作应急状况(如电源故障)下的储备电源。当电机负荷小时，超级电容器 处于充电状态，当电机负荷大或者当电源故障时，超级电容器释放电能用于电机。但是，上 述两个专利中，给电梯持续供电的主电源仍然为传统的交流电源，电梯主电源系统仍然依 赖于电网，电网的可靠性和稳定性决定了电梯的运行性能，在电梯正常运行的大部分时间 里，超级电容器并不工作，存储在超级电容中的能量在充满电后也必须释放掉，或采用蓄电 池二次储存，造成资源和电能的浪费；另外，上述的专利因为超级电容器仅作为辅助电源和
4备用电源使用，只有在电梯发生电源故障或者断电的情况下才给电梯供电，超级电容器储 存电梯运行中产生的电能，虽然达到了保护主电源和电能回馈利用的目的，但是电梯上要 同时设置主电源设备和辅助电源设备，使得电源系统体积庞大，而且需要调压器等复杂外 围电路，增加了成本。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种无需传统 主电源持续供电而能够有效地实现电能循环利用的微能耗电梯。
本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为该微能耗电梯，包括有 —电机，拖动电梯轿厢的上行或下行； —变频器，用于驱动所述电机工作，该变频器包括有正极输入端、负极输入端、分 频卡输入端和三相输出端，并且，该变频器的三相输出端分别和所述电机的三相输入端相 连；以及 —编码器，实现对所述电机的闭环控制，用以检测所述电机的工作状态，并将该电
机的工作状态信号反馈给所述的变频器，该编码器具有一和所述变频器的分频卡输入端相
连的信号输出端； 其特征在于还包括有 —超级电容器组件，用以给所述变频器供电，并由多个超级电容器单体串并联组
合而成，并且，该超级电容器组件具有正极和负极，该超级电容器组件的正极和所述变频器
的正极输入端相连，该超级电容器组件的负极和所述变频器的负极输入端相连，在所述电
机处于发电状态下，该超级电容器组件储存所述电机在发电状态下产生的电能，在所述电
机处于电动状态下，该超级电容器组件为所述电机提供运行所需的电能； —能源补充装置，连接在所述超级电容器组件的正极和负极两端，并在所述超级
电容器组件的工作电压低于设计电压下限值时给该超级电容器组件充电。 为了能够随时检测超级电容器组件的工作电压，并在电压不足时给超级电容器组
件及时补充电能，作为优选，所述的能源补充装置包括有电压监控装置和快速充电装置，所
述的电压监控装置用以监测所述超级电容器组件端电压的高低，在所述超级电容器组件的
端电压低于所述设计电压的下限值时，所述快速充电装置对所述超级电容器组件进行快速
充电；在所述超级电容器组件的端电压达到所述设计电压的上限值时，所述快速充电装置
停止对所述超级电容器组件的充电。 作为进一步优选，所述的电压监控装置包括有一监控集成电路，跨接在连接有所 述超级电容器组件的两条母线之间，用于检测所述母线之间的电压高低；一驱动电路，接收 所述监控集成电路的触发信号，并在该触发信号的控制下实现该驱动电路的导通或截止； 以及一控制开关，在所述监控集成电路的控制下实现所述快速充电装置和所述电压监控装 置之间的电路导通或断开； 当所述母线电压低于所述设计电压的下限值时，所述的监控集成电路的发出高电 平，所述驱动电路导通并驱动所述控制开关闭合，所述快速充电装置向所述超级电容器组 件充电；当所述母线电压高于所述设计电压的上限值时，所述的监控集成电路发出低电平， 所述驱动电路截止并驱动所述控制开关打开，所述快速充电装置停止向所述超级电容器组件充电。 为了能够有效地控制快速充电装置的工作，所述的控制开关为一组继电器触点开 关，所述驱动电路内设置有一控制该继电器触点闭合或打开的继电器。 所述的快速充电装置的能源可以采用节能电源，如太阳能或风能，也可以为电网 供电，如220V单相交流电或380V三相交流电。 所述的变频器为一在普通交_直_交变频器基础上进行改进的直_交变频器，即 去除交_直_交变频器的交直流调制转换模块，而使用该交_直_交变频器的直流到交流 转换模块，具体地，该直_交变频器包括有一连接有所述分频卡输入端的变频控制模块和 一和所述电机相连的智能功率模块，其中，所述的变频控制模块的正负极输入端分别和所 述超级电容器组件的正负极相连，该变频控制模块将所述超级电容器组件输出的直流电逆 变为三相调制交流电，该变频控制模块根据所述分频卡输入端反馈的所述电机的负载变化 而自动调节所述三相调制交流电的输出频率和电流；所述智能功率模块)连接所述变频控 制模块的三相调制交流电输出端，并将三相调制交流电输出给所述电机，其中，所述智能功 率模块包括有两端分别连接母线的续流二极管，该智能功率模块的输入端分别连接所述超 级电容器组件的正负极，该智能功率模块的输出端即为所述变频器的三相输出端分别和所 述电机的三相输入端相连。 与现有技术相比，本实用新型的优点在于采用由多个超级电容器单体串并联组 合而成的超级电容器组件作为对电梯持续供电的主电源载体，该超级电容器组件在电梯发 电运行或制动时，能够储存电机发出的电能，在电梯电动运行时，又可为电梯提供持续运行 的电能，使得电梯内无需设置制动单元(或制动电阻)，也无需专门设置一逆变器作为能源 再生的回收装置，既节约了设备成本，又避免了由制动单元产生的热污染以及由逆变器产 生的谐波和噪音污染； 另外，考虑到电梯运行过程中由于克服摩擦阻力而消耗的微少能量损耗，还设置 有能源补充装置，并且采用绿色清洁能源，如太阳能、风能等给超级电容器组件补充电能损 耗，也可以通过电网供电的市电(220V或380V)给超级电容器组件补充电能，保证了电梯运 行过程中的用电可靠性。由于超级电容器组件既可作为储能元件使用，又可作为电池使用， 能够充分利用电梯运行过程中发出的电能，实现了能源有效地循环利用，更加节能和环保。
图1为本实用新型实施例的微能耗电梯工作原理框图。 图2为图1所示工作原理框图所对应的电路原理图。 图3为图2所示能源补充装置的电路原理图。 图4为图2所示超级能源载体的电路原理图。 图5为本实用新型实施例一的电路连接结构图。 图6为本实用新型实施例二的电路连接结构图。 图7为现有技术的电梯工作原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。[0029] 相对于传统的采用电网市电作为持续供电电源的电梯，本实施例的电梯采用一种 新型的蓄能器件——超级电容器作为供电主电源，超级电容器又称超大容量电容器、金电 容、黄金电容、储能电容、法拉电容、电化学电容器或双电层电容器(英文名称为EDLC，即 Electric Double Layer C即acitors)，是靠极化电解液来存储电能的新型电化学装置，它 是近十几年随着材料科学的突破而出现的新型功率型储能元件。 如图1、图2所示，为本实施例的电梯工作原理框图以及对应的电路原理图。该电 梯包括有 永磁同步电机M，用于驱动电梯轿厢M1的上升或下降，为了重量平衡，电机M上还 设置有配重M2和轿厢Ml保持受力平衡； 变频器B，用于拖动电机M工作，该变频器B包括有分频卡输入端S、正极输入端P、 负极输入端N和三相输出端U、V、W，并且，该变频器的三相输出端U、V、W分别和电机M的三 相输入端相连； 编码器PG，安装在电机M主轴上并实现对电机M的闭环控制，用以检测电机M的工 作状态，并将该电机M的工作状态信号反馈给变频器B，该编码器PG固定设置在电机M上， 编码器PG还具有一和变频器B的分频卡输入端S通过信号电缆相连的信号输出端t ; 超级电容器组件F，用以给所述变频器B供电，实现电梯的启动和运行，该超级电 容器组件F由多个超级电容器单体(C11、C21、…、Cnl)串并联组合而成，在使用前预先充 电至设计电压的上限值，参见图4，其中，超级电容器组件F具有正极和负极，该超级电容器 组件F的正极和变频器B的正极输入端P相连，该超级电容器组件F的负极和变频器B的 负极输入端N相连，在电机M处于发电或制动状态下，该超级电容器组件F储存电机在发电 或制动状态下产生的电能，在电机M处于电动状态下，超级电容器组件F释放电能，给电机 M提供运行所需的电能；以及 能源补充装置A，连接在超级电容器组件F的正极和负极两端，并在超级电容器组 件F的工作电压低于设计电压下限值时给该超级电容器组件F充电。这里的设计电压是在 设计电压上限值和设计电压下限值之间的一个能够保证电梯正常运行的电压范围，当超级 电容器组件F的电压达到设计电压上限制时，能源补充装置A停止给超级电容器组件F充 电，当超级电容器组件F的电压低于设计电压下限值时，此时，能源补充装置A需要给超级 电容器组件F充电以补充电能。 如图3所示，为本实施例的能源补充装置A电路原理图，该能源补充装置A包括有 电压监控装置H和快速充电装置E，电压监控装置H用以监测超级电容器组件F端电压的高 低，在超级电容器组件F的端电压低于设计电压下限值时，快速充电装置E对超级电容器组 件F进行快速充电；在超级电容器组件F的端电压达到设计电压上限值时，快速充电装置E 停止对超级电容器组件F的充电； 其中，快速充电装置E优先可以采用清洁环保能源供电，如太阳能或风能，也可以 由电网接入的市电供电，具体地为220V单相交流电或380V三相交流电； 电压监控装置H包括有 监控集成电路IC，跨接在连接超级电容器组件F的两条母线之间，用于检测母线 之间的电压高低； 驱动电路T，接收监控集成电路IC的触发信号，并在该触发信号的控制下实现该驱动电路T的导通或截止；以及 控制开关K，实现快速充电装置E和电压监控装置H之间的电路导通或断开，控制 开关K为一组继电器触点开关，相应地，在驱动电路T内设置有一控制该继电器触点开关闭 合或打开的继电器J。 当母线电压高于设计电压下限值时，监控集成电路IC的发出高电平，驱动电路T 导通，该驱动电路T内的继电器驱动控制开关K闭合，快速充电装置E向超级电容器组件F 充电； 当母线电压低于设计电压上限值时，监控集成电路IC发出低电平，驱动电路T截 止，该驱动电路T内的继电器驱动控制开关K打开，快速充电装置E停止向超级电容器组件 F充电。 如图5、图6所示，为本实用新型的实施例一和实施二，两个实施例的不同之处在 于，实施例一的快速充电装置E采用太阳能或风能等环保型能源给超级电容器组件F，而实 施例二则是采用由电网接入的交流电经整流后给超级电容器组件F充电。 其中，实施例一的变频器B为一直-交变频器，是在现有交_直_交变频器的基础 上去除交直调制模块后改进的变频器，该直角变频器直接连接在超级电容器组件的输出端 上；并且，该直_交变频器包括有变频控制模块bl和智能功率模块b2，变频控制模块bl的 正负输入端连接在超级电容器组件F的正负极，该变频控制模块bl能够将该超级电容器组 件F输出的直流电逆变为三相调制交流电，变频控制模块bl还可以根据分频卡输入端S反 馈的电机M负载变化而自动调节三相调制交流电输出频率和电流； 智能功率模块b2包括有两端分别连接母线的续流二极管，该智能功率模块b2的 正负输入端和超级电容器组件F的正负极相连，该智能功率模块b2的输出端即为变频器B 的三相输出端U、V、W经控制执行开关KA分别和电机M的三相输入端相连，该智能功率模块 b2用于将由变频控制模块bl产生的三相交流电传递给电机M，并同时接收当电机M处于发 电状态时产生的电流。 当电梯处于电动运行状态(即空载下降运行时)，超级电容器组件F作为供电主电 源直接提供电能，电流经由变频器B的智能功率模块b2三相输出端U、 V、 W输出到电机M， 并拖动轿厢Ml运行； 当电梯处于发电运行状态(即空载上升运行时)，电机M发出的多余电能由电机经 变频器B的三相输出端U、 V、 W进入到智能功率模块b2，并通过该智能功率模块b2内的续 流二极管流向直流母线，进而实现对超级电容器组件F的充电，超级电容器组件F储存电梯 发出的电能并作为下一次电梯电动运行时的供电电源。 于是，采用这种方式既实现了电能的循环利用，又避免了采用其他元器件作为储
能元件的转换损耗，整个过程无任何污染。随着目前超级电容器在电动汽车、混合燃料汽车
等领域的应用，以及超级电容器制造工艺的不断发展，超级电容器组件F的容量可以趋向
无限大，而且由于电压不能突变为电容固有的特性，当电机在发电运行状态下而给超级电
容器组件充电时，超级电容器组件不会因为瞬间电流过大而需要过压保护。 另外，电梯在长期运行过程中，由于机械和气流的摩擦损耗，需要给超级电容器组
件补充少量的电能(仅为电梯能耗的10_20%左右，与使用条件有关)，即当母线电压降到
设计电压下限值时，电压监控装置H驱动控制开关K闭合，快速充电装置实现对超级电容器组件F的快速充电，当电压上升到设计电压上限值时，控制开关K自动断开，充电结束，并进 入下一次运行循环。 实施例二为利用现有电梯结构的改造实施方案。我们将现有技术中的外置式制动 单元电路和外置耗能电阻拆除，把原有并联在直流母线上的滤波电容器拆除并更换为超级 电容器组件F，超级电容器组件F的连接方法与滤波电容器相同，并且，将原来的电源输入 端三相整流桥D输出电路的正端与变频器B'的母线正端断开，同时串接电压监控装置H，控 制开关K串接在电压监控装置H中，整流桥D的正端接控制开关K的n端，控制开关K的m 端与变频器B'的母线正端P连接，电压监控装置H的接地端与超级电容器组件F的负端连 接，参见图6 ;编码器PG的连接方式与实施例一相同，交_直_交变频器B'的输出端U、 V、 W经控制执行开关KA与电机M连接，本实施例经过改装后的变频器B'和实施例一相同，也 同样包括有变频控制模块bl'和智能功率模块b2'。 当电梯处于电动运行状态时，由超级电容器组件F提供持续电能，电流经变频器 B'变频后由三相输出端U、V、W以特定频率的正弦波电流输出到电机M，启动和拖动轿厢运 行； 当电梯处于发电运行状态时，电机M发出的电能由变频器B'的三相输出端U、 V、 W端进入电压监控装置H，并经该电压监控装置H内的续流二极管流向直流母线对超级电容 器组件F充电，作为下一次电动运行时的供电电源。 当母线电压降到设计电压的下限值时，电压监控装置H驱动控制开关K闭合，从电 网接入的市电实现对超级电容器组件F的快速充电，当电压上升到设计电压的上限值时， 控制开关K自动断开，快速充电结束，并进入下一次运行循环。
权利要求一种微能耗电梯，包括有一电机(M)，拖动电梯轿厢的上行或下行；一变频器(B)，用于驱动所述电机(M)工作，该变频器(B)包括有正极输入端(P)、负极输入端(N)、分频卡输入端(S)和三相输出端(U、V、W)，并且，该变频器的三相输出端(U、V、W)分别和所述电机(M)的三相输入端相连；以及一编码器(PG)，实现对所述电机(M)的闭环控制，用以检测所述电机(M)的工作状态，并将该电机(M)的工作状态信号反馈给所述的变频器(B)，该编码器(PG)具有一和所述变频器(B)的分频卡输入端(S)相连的信号输出端(t)；其特征在于还包括有一超级电容器组件(F)，用以给所述变频器供电，并由多个超级电容器单体串并联组合而成，并且，该超级电容器组件(F)具有正极和负极，该超级电容器组件(F)的正极和所述变频器(B)的正极输入端(P)相连，该超级电容器组件(F)的负极和所述变频器(B)的负极输入端(N)相连，在所述电机(M)处于发电状态下，该超级电容器组件(F)储存所述电机(M)在发电状态下产生的电能，在所述电机(M)处于电动状态下，该超级电容器组件(F)为所述电机(M)提供运行所需的电能；一能源补充装置(A)，连接在所述超级电容器组件(F)的正极和负极两端，并在所述超级电容器组件(F)的工作电压低于设计电压下限值时给该超级电容器组件(F)充电。
2. 根据权利要求1所述的微能耗电梯，其特征在于所述的能源补充装置(A)包括有 电压监控装置(H)和快速充电装置(E)，所述的电压监控装置(H)用以监测所述超级电容器 组件(F)端电压的高低，在所述超级电容器组件(F)的端电压低于所述设计电压的下限值 时，所述快速充电装置(E)对所述超级电容器组件(F)进行快速充电；在所述超级电容器组 件(F)的端电压达到所述设计电压的上限值时，所述快速充电装置(E)停止对所述超级电 容器组件(F)的充电。
3. 根据权利要求2所述的微能耗电梯，其特征在于所述的电压监控装置(H)包括有 一监控集成电路(IC)，跨接在连接有所述超级电容器组件(F)的两条母线之间，用于检测所述母线之间的电压高低；一驱动电路(T)，接收所述监控集成电路(IC)的触发信号，并在该触发信号的控制下 实现该驱动电路(T)的导通或截止；以及一控制开关(K)，在所述监控集成电路(IC)的控制下实现所述快速充电装置(E)和所 述电压监控装置(H)之间的电路导通或断开；当所述母线电压低于所述设计电压的下限值时，所述的监控集成电路(IC)的发出高 电平，所述驱动电路(T)导通并驱动所述控制开关(K)闭合，所述快速充电装置(E)向所述 超级电容器组件(F)充电；当所述母线电压高于所述设计电压的上限值时，所述的监控集成电路(IC)发出低电 平，所述驱动电路(T)截止并驱动所述控制开关(K)打开，所述快速充电装置(E)停止向所 述超级电容器组件(F)充电。
4. 根据权利要求3所述的微能耗电梯，其特征在于所述的控制开关(K)为一组继电 器触点开关，所述驱动电路(T)内设置有一控制该继电器触点闭合或打开的继电器(J)。
5. 根据权利要求4所述的微能耗电梯，其特征在于所述快速充电装置(E)的能源为太阳能或风能或220V单相交流电或380V三相交流电。
6.根据权利要求1 5中任一权利要求所述的微能耗电梯，其特征在于所述的变频 器(B)为一直-交变频器，该直-交变频器包括有一连接有所述分频卡输入端(S)的变频 控制模块(bl)和一和所述电机相连的智能功率模块(b2)，其中，所述的变频控制模块(bl) 的正负极输入端分别和所述超级电容器组件(F)的正负极相连，该变频控制模块(bl)将所 述超级电容器组件(F)输出的直流电逆变为三相调制交流电，该变频控制模块(bl)根据所 述分频卡输入端(S)反馈的所述电机(M)的负载变化而自动调节所述三相调制交流电输出 频率和电流；所述智能功率模块(b2)连接所述变频控制模块(bl)的三相调制交流电输出端，并将 三相调制交流电输出给所述电机(M)，其中，所述智能功率模块(b2)包括有两端分别连接 母线的续流二极管，该智能功率模块(b2)的输入端分别连接所述超级电容器组件(F)的正 负极，该智能功率模块(b2)的输出端即为所述变频器的三相输出端(U、V、W)分别和所述电 机(M)的三相输入端相连。
专利摘要一种微能耗电梯，包括有电机；变频器和编码器；其特征在于还包括超级电容器组件，超级电容器组件正极和变频器正极输入端相连，超级电容器组件负极和变频器负极输入端相连，在电机发电状态下，超级电容器组件储存电机产生的电能，在电机电动状态下，超级电容器组件为电机运行供电；能源补充装置，在超级电容器组件的工作电压低于设计电压下限值时给超级电容器组件充电。本实用新型的优点在于采用超级电容器组件作为对电梯持续供电的主电源载体，既作为储能元件使用，又作为电池使用，充分利用电梯运行过程中发出的电能，使电梯内无需设置制动单元(或制动电阻)，也无需设置逆变器，既节约了设备成本，又避免了热污染和谐波噪音污染，更加节能和环保。
文档编号B66B11/04GK201530655SQ200920197248
公开日2010年7月21日 申请日期2009年9月22日 优先权日2009年9月22日
发明者黄正义 申请人:林肯电梯(中国)有限公司