減少電梯設備的電源連接功率的裝置和方法
2023-12-11 12:02:12
專利名稱：減少電梯設備的電源連接功率的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種用於減少電梯設備的電源連接功率的裝置和方法，所述電梯設備具有電氣主驅動裝置，所述主驅動裝置具有一個蓄能單元，並涉及一種實現相同目的的方法。
通常用電機對載人電梯和載貨電梯進行驅動。其中可以採用電梯轎廂的各種升降傳遞原理。最經常的實施方式是旋轉電機直接或通過作用於主動輪的傳動機構對承載索進行驅動，所述承載索的一端懸掛電梯轎廂並且另一端懸掛配重並對後者進行移動。在另一實施方式中旋轉電梯對一液壓泵進行驅動，所述液壓泵主要通過壓力液體對一個或多個液壓缸的活塞杆進行控制，所述液壓缸直接地或通過纜索傳動對電梯轎廂進行驅動。根據另一驅動原理，利用一線性電機對電梯轎廂或它的通過承載索與其連接的配重提升或下降。在現代的電梯設備中電梯轎廂的速度的調節大多通過對輸送給驅動-交流電機的交流電流的頻率的調節變化實現的。
所有這些驅動裝置的共同點是，在加速-和制動階段轉換的電功率是恆定速度運行時的2至4倍以上，根據有效載荷的不同所需的驅動功率將有很大的區別，並且這些電機每日的工作時間與其停機時間的比例通常很小，例如小於10％。
在啟動和制動時出現的短時間的峰值功率將對計量並因此對攤派在饋線、變壓器、電磁兼容-輸入濾波器、保險和開關設備的費用產生影響。上述峰值功率的另一缺點在於，峰值功率將導致電網中的電壓波動並因此將對燈等照明設備和電子設備的功能造成不利的影響。另外上述短時間出現的峰值功率在許多地方都會導致提高重複的電源連接資費。
但電源接線端子的部件以及驅動裝置-電源的一些構件的規格，以及重複的取決於功率的電源連接資費主要取決於電梯-驅動電機相對較短的工作時間內的功耗，即使平均功耗僅是該資費的幾分之一，也是如此。
EP 0 645 338 B1披露了一種電梯設備的具有一種蓄能裝置的裝置，但對該裝置的作用原理並未做出詳細的說明。對這種蓄能裝置通過一持續的由電網饋電充電器利用直流電連續地進行充電。在出現峰值-功耗時存儲的能量附加於在限定的量度內直接由電網獲得的能量分量饋送給驅動系統。由於直接由電網獲得的功率被限定在低於在用恆定的速度運行時所需驅動功率的一個值上，所以採用如下措施也可以將運行時間內出現的能量消耗分布在電梯停機的時間上，蓄電池在運行期間內提供功率差並在停機時重新充電。採用此方式可以實現低於在以恆定的速度運行時所需的功率的電源連接值。
在EP 0 645 338 B1中引用的已有技術(GB 2 139 831和DE 3 745660)中披露了建立在蓄電池基礎上的蓄能裝置。在EP 0645 338 B1的說明書和權利要求中都沒有任何對另一種存儲原理的暗示。通過一具有快速充電-和微流充電方式的充電器與通常的蓄電池相同對非進一步限定的蓄能裝置進行饋電。根據這些記載可以認為，在EP 0 645 338 B1中所述的蓄能裝置涉及的是電化學蓄電池(蓄電池)。
作為唯一的蓄能器在電梯驅動裝置中採用的電化學蓄電池具有如下幾個重大的缺點只有非常大的蓄電池才能滿足非常高的功耗峰值的要求，其中經常出現的峰值-能量的提取勢必會大幅度地減少蓄電池的壽命。另外蓄電池的非常有限的容許的充電電流強度對滿足功耗峰值的頻度設置了很窄的限制。在將制動能回收到蓄電池內時，該對容許的充電電流強度的限制同樣構成嚴重的障礙。
本發明的目的在於，提出一種用於減少上述方式電梯設備的電源連接功率的裝置，所述裝置克服了上述缺點。特別是裝置可以補償高的和經常出現的峰值功率，具有高的壽命，並且通過快速的能量存儲的能力可以將出現的被回收的制動能進行中間存儲。
本目的通過在權利要求1和9中給出的特徵得以實現，其中根據權利要求1，一種用於減少電梯設備的電源連接功率的裝置，所述電梯設備具有電氣驅動系統，所述裝置具有電能的蓄能單元，其特徵在於，蓄能單元包括超電容形式的電容器，並且其中根據權利要求9，一種用於減少電梯設備的電源功率的方法，所述電梯設備具有電氣驅動系統，其特徵在於，電能存儲在蓄能單元中，所述蓄能單元包括以超電容形式的電容器，並且在每次電梯運行前根據已有的諸如負荷狀況和運行目的等信息求出有待運行的能耗，檢查蓄能單元瞬時存在的能量含量與來自交流電網的連續能量饋送是否足以滿足運行的要求，並且有時開始運行則被遲延，直至蓄能單元被充分充電。
本發明建立在下述構思的基礎之上，用新型的電容器，即所謂的超電容替代作為蓄能單元的蓄電池組，其中通常採用多個超電容串聯在一起構成的裝置，所述裝置在電壓為100至300V時具有的總電容為幾法拉。超電容是雙層電容，其電極由活性炭構成並且因此每克活性炭具有幾千平方米的有效表面，其中在納米範圍的最小的間隔將兩個電極分隔。由於具有這些性能，因而這種在市場上可購得的蓄能器具有非常高的容量。
本發明的用於減少電梯設備的電源連接功率的裝置具有各種優點，其中大量出現的啟動-和制動過程將導致高的峰值功率。與建立在蓄電池基礎上的蓄能器相比，超電容具有下述積極的性能-與蓄電池相比具有實際不受限制的壽命；-在存在大量的充/放電周期和較小的重量(超電容的功率密度約為10-15kW/kg；蓄電池的功率密度約為300-100W/kg)的情況下具有高的允許充/放電功率；-甚至在高的充/放電電流的情況下也可保證完全的充/放電；-不需要維護；-不包含有毒或危害環境的物質；-與具有相同的功率密度的蓄電池相比重量輕。
在從屬權利要求中給出了本發明的有益的設計和進一步設計。
本發明的裝置僅用於補償峰值功率和必要時附加用於適度的減少電源連接值時，作為蓄能媒體宜採用僅包括超電容的蓄能單元。
本發明的裝置除了用於對峰值功率進行補償，還用於將電梯設備電源連接值降低到大大低於採用恆定速度運行時的能耗的應用時，宜採用一種蓄能單元，所述蓄能單元由超電容與電化學蓄電池的組合構成，這是因為蓄電池與超電容相比具有較高的能量密度(Wh/kg)，即在重量相同的情況下具有較高的存儲容量。由於對由電網獲取的功率的限制，所以可以將功率分布在工作-和停機時間上，從而使所需的電源連接功率降低到採用恆定速度運行時所需功率的一部分上。因此實現了在電機功率高於限定的電源獲取功率的階段由蓄能單元對差功率進行饋送，其中短時間的峰值電流主要由超電容獲取並且長時間的恆定功率主要由蓄電池獲取，並且尤其在停機時間內重新對蓄能單元充電。
在根本沒有電源連接或只有很小的供使用的連接值的電梯設備中，根據本發明的另一設計可以採用由超電容構成的蓄能單元與燃料電池，即與電化學原電池的組合。其中在燃料電池內可以完全或部分地產生所需的電驅動能，同時作為蓄能器的超電容用於滿足峰值功率的要求並用於將功耗分布在一部分電梯停機時間上。
根據本發明的用於減少電梯設備的電源連接功率的裝置的實施方式中所述裝置與一個或多個變頻器配合。分別有一個變頻器用於對配合的電梯-驅動電機的轉速進行調節。變頻器主要由一個交流電流整流器、一個帶濾波電容器的直流電壓-中間電路，以及一個帶有控制發生器的振動子換流器構成。在不備有用於回收制動能的交流整流器的實施方式中，直流電壓中間電路大多具有一個制動模塊。本發明的包括有由超電容或由超電容與蓄電池的組合構成的蓄能單元的裝置，對來自所述直流電壓中間電路的能量(也包括制動能)進行存儲並且當驅動狀況要求的電功率高於由限流的交流整流器提供的功率時，所述裝置將能量重新輸出給直流電壓-中間電路。其中一個被稱作功率通量調節器的調節-和控制單元用於對蓄能單元與中間電路之間的直流電壓-水平進行適配調節並對蓄能單元與變頻器之間的能量交換進行調節。
採用如下方式實現了本發明用於減少電梯設備的電源連接功率的裝置的有益的進一步設計，在制動階段由驅動電機產生的功率，其中也包括其中產生的峰值功率被回收到蓄能單元的超電容內。一旦超過其充電容量，功率通量調節器將停止向蓄能單元進行能量輸入，從而使變頻器中間電路上的電壓提高，直至制動模塊被激活，制動模塊將多餘的電氣制動能利用一制動電阻轉換成熱能。通過在蓄能單元內對制動能的回收，可以有效地降低能耗的費用，此點與回收到電網內是不同的，後者通常並不包括降低能耗意義上的回收。
在具有帶有集中驅動系統的一部或多部電梯轎廂的電梯設備中，為了減少電源連接功率宜將變頻器、電梯控制單元以及本發明的裝置安裝在電梯轎廂上並隨後者移動。然後分別利用觸接件或利用無接觸的能量傳輸系統對轎廂的蓄能單元進行充電。除了可以減少所需電源連接功率外，本方法的優點是，能量輸送裝置不必沿整個運行路徑進行設置。此點尤其對那些具有多個電梯豎井和電梯轎廂在交替的電梯豎井內運行的，其中還包括水平運行的電梯設備是特別重要的。
在具有多部相鄰的帶變頻器調節的驅動裝置的電梯的電梯設備中宜將直流電壓中間電路與所有的電機側振動子換流器並聯並實現用唯一一個電源模塊送電。在該共用的中間電路上連接有唯一一個本發明用於減少電源連接功率的具有由超電容，必要時由與蓄電池的組合構成的蓄能單元。因此可以直接在各個電機之間進行能量補償過程，即直接由一個或多個瞬時進行驅動的其它的驅動電機對來自一個或多個驅動電機的瞬時出現的制動能進行利用。該實施方式的其它的主要優點是，僅需要唯一一個帶有控制電子單元的蓄能單元、一個電源模塊以及唯一一個制動模塊。在相應的情況下，例如在具有多部電梯的電梯組並且對回輸給電網的能量支付費用的情況下，最好利用回收單元將多餘的制動能回輸給電網，其中可以省去制動單元。
在供使用的連接功率低於以恆定的速度運行所需的功率時，即在這種運行時必須由蓄能單元補充饋送能量的情況下，最好在運行前對實際的能量供給-狀況進行檢查。根據一種能量管理方法對電梯進行控制，其中在運行開始前根據已有的有關轎廂負荷和運行目的的信息求出所面臨的運行的能耗並檢查蓄能單元內瞬時的可用能量含量與由電源連接的限定的連續饋送的配合是否滿足運行的能耗要求。必要時將對啟動進行遲延，直至蓄能單元被充分的充電。
下面將對照附圖對本發明的實施例做進一步的說明。圖中示出
圖1a為具有變頻器的電梯驅動裝置的示意圖，其中不具有本發明的用於減少電源連接功率的裝置；圖1b為電梯驅動裝置典型的功率通量曲線圖；圖2a為具有變頻器的電梯驅動裝置的示意圖，其中配備有本發明的裝置，所述裝置包括對峰值功率進行緩衝的超電容；
圖2b為通過本發明的裝置改進了的功率通量的舉例曲線圖；圖3a為具有變頻器的電梯驅動裝置的示意圖，其中配備有本發明的裝置，所述裝置具有用於相對微量的減少電源連接值的超電容；圖3b為通過本發明的裝置改進的功率通量的舉例曲線圖；圖4a為具有變頻器的電梯驅動裝置的示意圖，其中配備有本發明的裝置，所述裝置具有用於大幅度減少電源連接值的超電容與蓄電池的組合；圖4b為通過本發明的裝置改進的功率通量的舉例曲線圖；圖5為一組電梯的變頻器的多個直流電壓中間電路的並聯電路的示意圖。
圖1a為電梯驅動裝置的示意圖，其中1表示通常的不具有本發明的用於減少電源連接功率裝置的變頻器，所述驅動裝置由電源連接2、交流整流器3、振動子換流器4、直流電壓中間電路5、濾波電容器6、制動模塊7(具有制動電阻和制動工作開關)和電機連接8構成。用9表示電梯驅動裝置可調整轉速的交流電機。
圖1b的曲線圖示出電梯驅動裝置在運行周期內參與的部件內的典型的與時間t相關的功率通量。左半部的曲線分別涉及一種驅動狀況，其中由電梯轎廂側的負荷與配重產生的扭矩的作用方向與驅動方向相反(正負荷)，右半部曲線涉及一種驅動狀況，其中由電梯轎廂側的負荷和配重產生的扭矩的作用方向與驅動方向相符(負負荷)。Pout表示由變頻器1輸出給交流電機9的輸出功率， PR表示在制動模塊7的電阻上轉換成熱能的被電機9反饋的制動功率和Pin表示由電網輸入變頻器的功率。從圖中可以看出，整個驅動功率，其中也包括啟動峰值功率是由電網輸入(Pin)的並且整個由交流電機9反饋的制動功率在制動模塊7的電阻上被無用地轉換成熱PR。
圖2a示意示出一種具有變頻器的驅動裝置，所述驅動裝置由與圖1所示的相同的部件構成，但具有本發明用於減少電源連接功率的裝置。在所示方案中，裝置由一由超電容13構成的蓄能單元和一功率通量調節器12構成。該功率通量調節器一方面的任務在於調整直流電壓中間電路5與蓄能單元11的不同的電壓水平之間的能量通量並且在能量多餘時對蓄能單元11進行浮充。另一方面功率通量調節器12在功耗增大時將存儲的能量重新反饋給所謂的直流電壓中間電路5。所述功率調節器根據對由直流電壓中間電路5向振動子換流器4饋送的電流強度的測量值將把旨在減少電源連接峰值功率所需要的電流在不影響中間電路電壓的情況下加給直流電壓中間電路5。在圖2所示的方案中串聯的超電容的總容量的設計僅旨在對這種峰值功率進行緩衝。
圖2b示出在圖1b中已經做了表述的參與的部件中的功率通量的時間關係曲線圖。在該圖中附加用PSCAs表示直流電壓中間電路和由超電容13構成的蓄能單元11之間的功率通量。從圖中可以看出，從電網獲得的功率Pin被降低到沒有峰值的旨在勻速運行所需要的值，其中總是有很大一部分從交流電機9反饋的制動能在制動模塊7的電阻上被未加利用的轉換成熱功率PR。
圖3a再次示出與圖1a和2a所示相同的具有變頻器1的電梯驅動裝置1。與在圖2a中所示的驅動裝置相同，本實施方式具有本發明的用於減少電源連接功率的裝置10，所述裝置具有由超電容13構成的蓄能單元11和一功率通量調節器12。但在此所述的蓄能單元11的總容量的設計不僅旨在對峰值功率進行緩衝，而且其大小應能在電梯運行期間由蓄能單元11可以將必要的電功率的可觀的分量饋送給變頻器1的直流電壓中間電路5。與針對圖2a的說明相同，該能量的饋送是由功率通量調節器12調節的並附加於通過交流整流器3的由電網獲得的限定在特定值的能量饋送實現的。一方面在電梯停機時間內由通過交流整流器3被饋電的直流電壓中間電路5並且另一方面通過由交流電機9經該中間電路反饋的制動能對蓄能單元11進行充電。這種制動能向蓄能單元11的反饋一直進行到達到充電容量的極限。然後不能再存儲的電氣制動能將在制動模塊7中被轉換成熱能。對制動能的回收將促使設備的能耗的大幅度的降低並隨之降低必要的電源連接功率。由於電梯的總的運行時間通常僅佔停機時間的一部分，該方法的優點還在於，由電網獲得的很大一部分在運行期間與交流電機9有關的能量被分配在電梯的整個待使用的時間上，因此可以附加降低設備的連接功率。超電容13可以實現實施此方法的充分的存儲容量的製備，其中將對高的峰值功率進行補償並且直至使用壽命完結與蓄電池相比可以實現10次冪的大量的充/放電周期。
圖3b再次示出已經說明的有關在參與部件中的功率通量的時間關係曲線圖。用18表示充電電流流向蓄能單元的時間範圍。值得一提的是，在直流電壓中間電路5與蓄能單元11的超電容13之間的功率通量PSCAs大於結合圖2a所述的實施方式時，在正常情況下沒有制動功率PR流入制動模塊7並且電源連接功率Pin被降低到低於以恆定速度運行所需要的功率。超電容的總容量13和對從電網獲得的功率Pin的限制的理想設計應使Pin在電梯運行期間保持大致恆定。
圖4a示出具有變頻器和本發明的用於減少電源連接功率的裝置的電梯驅動裝置10的另一種實施方式。該裝置的設計與針對圖3a的說明相同，包括一個蓄能單元11以及一個功率通量調節器12，其中蓄能單元11由超電容13與電化學的蓄電池14的並聯電路構成。由於超電容13可以承受大的充/放電脈衝電流並且蓄電池特別適用於較小的持續較長時間的充/放電電流，所以這種裝置可以理想地滿足電梯驅動裝置對蓄能單元11的要求。為這種組合研製出的功率通量調節器用於利用超電容13在很大程度上對啟動-和制動過程中產生的峰值功率進行補償，將大部分在運行中以負的負荷回收的制動能存儲到蓄電池14中，在整個停機期間由變頻器1的直流電壓中間電路5對蓄電池充電並且在非加速運行階段蓄電池將其存儲的能量附加於採用交流整流器3的有限的饋電以正的負荷輸出給直流電壓中間電路。採用上述方法可以將絕大部分運行期間交流電機9消耗的能量以分配在整個待工作時間內的方式從電網獲取，從而可以使設備的必要的連接功率減少到以恆定的速度運行時所需功率的一部分。由於由直流電壓中間電路5對蓄電池14饋電，所以不需要在電源2上單獨連接充電器。
圖4b為在圖4a示出的參與的部件的功率通量與時間的關係曲線圖。一條附加用PAkku表示的曲線形象地對蓄電池14與直流電壓中間電路5的功率通量做了說明。用18表示時間範圍，在該時間範圍內充電電流流向超電容13或流向蓄電池14。由圖中可以看出，在本發明的用於減小在正常狀況下的電源連接功率的裝置中不會有由交流電機9反饋的制動功率PR在制動模塊7的電阻上被轉換成熱能，而是輸送給組合的蓄能單元11，進行中間存儲，並且必要的連接功率Pin僅是以恆定的速度運行所需的功率的一部分。
圖5示意示出多部電梯組的變頻器-驅動裝置的設置。為每臺交流電機9配屬有一個交流整流器4，採用一共同的直流電壓中間電路16對所有這些振動子換流器進行饋電。在該直流電壓中間電路16上接有一個本發明的用於減少電源連接功率的裝置，所述裝置由蓄能單元11和功率通量調節器12構成。這種裝置可實現用箭頭17標示的輸入各個交流電機9和各個交流電機9輸出的功率通量之間的平衡過程，因而可以大大地減少為實現電源連接功率必要的所需的蓄能單元11的容量減少。通常在該種裝置中的蓄能單元11僅由超電容13構成。在此通過唯一一個電源模塊15實現對共同的直流電壓中間電路16的能量輸入。該模塊一方面作為交流整流器，另一方面作為回收單元。在作為回收單元起作用時電源模塊將那些由交流電機9反饋的電氣制動能的分量回收到電網中，所述分量系那些既未被所述的平衡過程利用，又由於蓄能單元11已經充滿不再能被存儲的制動能。採用此方式可以省去通常安裝在單獨的直流電壓中間電路中含有的制動模塊。
權利要求
1.一種用於減少電梯設備的電源連接功率的裝置，所述電梯設備具有電氣驅動系統，所述裝置具有電能的蓄能單元(11)，其特徵在於，蓄能單元(11)包含有超電容(13)形式的電容器。
2.按照權利要求1的裝置，其特徵在於，蓄能單元(11)作為存儲媒體僅包含超電容(13)。
3.按照權利要求1所述的裝置，其特徵在於，蓄能單元(11)作為存儲媒體包含超電容(13)與蓄電池(14)，即與電化學蓄電池的組合。
4.按照權利要求1所述的裝置，其特徵在於，蓄能單元(11)由超電容(13)與燃料電池的組合構成。
5.按照權利要求1至4中任一項所述的裝置，其特徵在於，所述裝置與一個或多個變頻器(1)配合，利用變頻器調節分別配屬的電梯-交流電機(9)的轉速和相應電梯的運行速度。
6.按照權利要求1至5中任一項所述的裝置，其特徵在於，產生的制動能被輸送給蓄能單元，直至容量被被完全利用並且在任何情況下多餘的制動能在變頻器(1)的制動模塊(7)內被轉換成熱。
7.按照權利要求1至6中任一項所述的裝置，其特徵在於，所述裝置固定安裝在建築物內或安裝在具有一體的運行驅動裝置的電梯轎廂上並隨之移動。
8.按照權利要求1至6中任一項所述的裝置，其特徵在於，在由多部具有變頻器調節的驅動裝置的電梯組中，多個電機側的交流整流器的直流電壓-中間電路(5)與一共用的中間電路(16)並聯並由一唯一的電源模塊(15)進行饋電，並且一唯一的本發明的蓄能單元(11)與共用的直流電壓中間電路(16)連接。
9.一種用於減少電梯設備的電源連接功率的方法，所述電梯設備具有電氣驅動系統，其特徵在於，電能存儲在蓄能單元(11)中，所述蓄能單元包含超電容(13)形式的電容器，並且在每次電梯運行前根據已有的諸如負荷狀況和運行目的等信息求出有待運行的能耗，檢查蓄能單元(11)瞬時存在的能量含量與由交流電網連續的能量饋送是否足以滿足運行的要求，並且有時啟動則被遲延，直至蓄能單元被充分充電。
全文摘要
帶有電氣驅動系統的電梯設備配備有用於減少電源功率的裝置，所述裝置具有蓄能單元(11)，蓄能單元僅由所謂的超電容(13)或部分由超電容(13)構成。本發明的裝置(10)一方面通過在蓄能單元(11)和電機饋電之間的能量交換實現對在啟動過程和制動過程中峰值功率的補償並且另一方面將在運行時出現的功耗分布在部分停機時間上。作為蓄能單元的超電容(13)與電化學蓄電池相比可以承受在高電流強度的情況下大量的充/放電周期。
文檔編號B66B1/34GK1419517SQ01807219
公開日2003年5月21日 申請日期2001年3月21日 優先權日2000年3月31日
發明者託馬斯·埃林格爾 申請人:因溫特奧股份公司