如何在电梯应急救助装置中使用双向DC/DC转换器来提高效率和降低成本

电梯每天都承担着运送百万人口的重任,因此确保其运行安全至关重要。你有没有想过当电梯的主电源断电时会发生什么?是从井道坠落,还是卡在两层之间?为了避免电梯坠落,故障安全制动机制可确保电梯轿厢在主电源断电时马上停止。在电梯轿厢停止之后,为了在电源恢复之前防止乘客被困于电梯内,自动救助装置(ARD)(也称为电梯应急电源)就可以发挥其作用。

ARD是一种备用电源装置,可以持续监控电梯电源。出现电网故障或线路故障导致电梯驱动的输入相位中断时,电梯就可能会意外停止。而ARD可以检测到此类故障情况,然后立即开始为电梯驱动供电,并向电梯控制器发送故障信号。之后控制器就会释放电机驱动制动器,缓慢地将轿厢移动到最近的层门。电梯轿厢的移动方向取决于在将轿厢移动到层门时哪个方向上所需的动力最小。一旦到达最近的楼层,电梯门就会打开,音频/视频指示灯指示可以安全离开。在预定的时间后,电梯门会再次关闭,然后电梯驱动的电源将关闭。

图1所示为从传统ARD到电梯系统的连接。三相电源通过电源接触器连接到牵引驱动装置。电源接触器与ARD接触器互锁在一起,可将ARD的输出连接至牵引驱动装置。互锁可以确保两个接触器不会同时打开,从而避免ARD输出电源发生短路。从电源分接的单相输出通过接触器为电梯系统的其余组件供电,如控制器、门机控制系统、制动器和安全链。接触器还与ARD的单相输出接触器互锁在一起。在正常运行期间,ARD为备用电池充电,其逆变器输出与电梯系统断开;电源关闭时可开启互锁接触器,ARD为电梯系统供电。

图1:电梯中的传统ARD系统连接

图2所示的ARD系统有一个可为电池充电的AC/DC充电器功率级。DC/DC转换器可以提高电池电压,而DC/AC逆变器产生交流输出为电梯牵引驱动和电梯控制供电。电路持续监测AC电源输入的断电和单相情况,并启用或禁用ARD内所需的功率级。

图2:传统ARD系统

另一种方法是使用双向DC/DC转换器,如效率大于93% 且适用于UPS 的2kW、48V 至400V 隔离式双向直流/直流转换器参考设计来实现ARD,如图3和图4所示。此类转换器可以从两个方向传递能量。在ARD中,转换器可直接连接至电梯牵引驱动的直流链路。在正常运行期间,转换器的工作原理和电池充电器相似,可从直流链路为电池充电。当没有主电源时,转换器可以像升压转换器一样工作,为电池的直流链路供电。ARD内的另一个逆变器级能够为控制产生单相AC电压。

图3:接入电梯系统的带双向DC/DC转换器的ARD系统

图4:带双向DC/DC的ARD

通过比较这两种方法,表1列举了双向DC/DC转换器方法如何提供更多益处。

参数 使用不间断电源(UPS)的传统ARD系统 带双向DC/DC转换器的ARD系统
转换器级数 三级:
  • 采用AC/DC充电器为电池充电。
  • 采用DC/DC转换器提高电池电压。
  • 采用DC/AC逆变器为牵引驱动和电梯控制系统产生AC输出。
两级:
  • 将一组AC/DC电池充电器和DC/DC升压转换器组合在单个双向转换器中。
  • 采用DC/AC逆变器为电梯控制系统产生单相输出。DC/DC转换器被移除,且逆变器直接由直流总线供电。
效率 效率较低:
  • 三个开关转换器级,带来更高损耗。
  • 电池电源由ARD转换为交流电源,然后由牵引驱动的AC/DC整流器转换回直流链路电压。
效率高:
  • 只有两个开关电源级。
  • 双向转换器可直接连接至牵引驱动的直流链路。
成本 高:
  • 需要互锁接触器(图1中用红色方框突出显示)向牵引驱动供交流电,并避免ARD输出与主电源短路。
  • ARD的输入和输出都需要三相接线。
  • 需要三个转换器级,意味着物料单(BOM)成本更高。
低:
  • 驱动电源不需要互锁接触器,因为双向转换器输出不可能与电源短路。
  • 单相接线,更简单的接线方式。
  • BOM成本较低,可实现两个转换器

1:比较传统ARD和带双向DC/DC转换器的ARD

电梯ARD的典型电池电压为24 V、36 V、48 V和60 V。三相400VAC电梯牵引驱动的标称直流链路电压大约为600 V。隔离双向DC/DC转换器参考设计为2-kW、48-V至400-V、由数字控制的双向功率级,可作为半桥电池充电器和电流馈送的全桥升压转换器在相反的方向上运行。通过简单地重新设计变压器和选择适当额定的MOSFET,该设计可扩展至不同的功率级和输入电池电压。

其他资源

了解更多本文讨论的参考设计的信息,请观看视频,“用于UPS的2-kW隔离双向DC/DC转换器参考设计

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