电梯设备的备用电源装置 本发明涉及一种具有电机驱动装置的电梯设备的备用电源装置，所述备用电源装置具有一电能的蓄能单元，所述蓄能单元用于实现对短时间的交流电压-压降或-中断的跨接和保证在电梯运行期间停电时的疏散运行，其中蓄能单元至少在电梯轿厢到达一楼层高度前实现对所有参与疏散运行的电气部件的供电。
通常用电机对载人电梯和载货电梯进行驱动。其中可以采用对电梯轿厢的各种升力传递原理。最经常的实施方式是旋转电机直接或通过作用于主动轮的传动机构对承载索进行驱动，所述承载索的一端悬挂电梯轿厢并且另一端悬挂配重并对后者进行移动。在另一实施方式中旋转电机对一液压泵进行驱动，所述液压泵主要通过压力液体对一个或多个液压缸进行控制，所述液压缸直接地或通过缆索传动对电梯轿厢进行驱动。根据另一驱动原理，利用一线性电机对电梯轿厢或它的通过承载索与其连接的配重提升或下降。在现代的电梯设备中电梯轿厢的速度的调节大多通过对输送给驱动-交流电机的交流电流地频率的调节变化实现的。
通常所有这些驱动装置的共同点是由电源网获得能量，其中有时会出现短时间的电压压降或中断以及长时间的停电。在没有备用电源装置的电梯设备中这些电源问题将会对乘客造成不便。在这种情况下，电梯轿厢停在两个楼层的停靠点之间，该情况将导致没有电梯外的帮助乘客是不可能离开轿厢的，为了避免此类情况的发生，一部分电梯设备装备有备用电源装置。所述备用电源装置包括一个蓄能器，利用被存储的能量使驱动装置可以将电梯轿厢至少输送到下一楼层并使与电梯相关的系统在到达下一楼层前保持工作状态。
在US 5,058,710中披露了这样一种备用电源装置，该备用电源装置在电梯运行期间当出现停电或出现短时间的交流电压-压降或-中断时将对驱动电机以及对疏散运行重要的其它电气部件馈送电源，直至电梯轿厢到达下一楼层。在正常工作时对作为蓄能单元的电池(蓄电池)用一充电器进行浮充，并且其电极在停电时通过电源监视继电器的触点与一对驱动电机馈电的变频器的直流电压中间电路连接。
作为单独的能量存储器的具有作为蓄电池的电化学蓄电池的备用电源装置具有如下几大缺点。应用时，即电梯驱动装置在停电时利用能量存储器必须不中断运行并且不减速地将满载的电梯轿厢至少输送到运行方向的下一个楼层时，能量存储器在相对较短的时间必须实现较大的放电功率。电化学蓄电池具有相对较小的功率密度(大约300瓦/公斤)并且在应用于大功率的电梯时其质量的量度将达到几百公斤。在蓄电池经常必须提供这种功率的设备中，蓄电池的寿命将被急剧地缩短。由于在蓄电池中允许的充电功率大大地小于输出功率，则将产生连锁的问题，当重新来电，电梯重新可以工作时，必须等待较长的时间进行充电。否则将存在电梯轿厢在再次停电时停在两个楼层之间的风险。在电梯设备中应用蓄电池的另一缺点是，必须对其定期监视和维护并且在达到其使用寿命时将会遗留下许多有毒的废物。
本发明的目的在于提出一种上面所述方式的可以避免所述缺点的电梯设备的备用电源装置，所述备用电源在比较频繁的出现停电和在出现短时间的交流电压-压降或-中断时能够提供以恒定速度使电梯轿厢继续向至少下一个楼层的运行为驱动和控制所需的大的电功率。在备用电源投入使用时在重新恢复供电后的几秒钟内备用电源应能处于可重新工作的状态。其寿命在相同的工作状况下应是电化学蓄电池寿命的几倍。
根据本发明采用独立权利要求1和6中给出的特征实现了本发明的目的。根据权利要求1，一种用于具有电机驱动装置的电梯设备的备用电源装置具有电能的蓄能单元，其特征在于，所述蓄能单元包含一个超电容形式的电容器。根据权利要求6，一种对具有电机驱动装置的电梯设备应急供电的方法，其特征在于，至少一部分备用电源-能量以超电容的形式被存储在存储媒体中。
本发明建立在如下构思的基础上：采用作为蓄能器的新型的电容器，即所谓的超电容替代蓄电池或与蓄电池组合在一起，其中通常将多个超电容串联在一起使用，串联的电容的总容量为几个法拉，电压可达几百伏。超导电容是双层-电容器，采用活性炭对其电极进行涂附并因此每克炭具有几千平方米的有效表面，其中数量级为纳米的最小的间隔将两个电极分隔开。由于这些特性，因而这种可以购买到的蓄能器具有特别大的电容。
对作为电梯设备的备用电源装置的能量存储媒体的超电容的应用具有如下多个优点：
在大量的充电-和放电周期(目前超电容的功率密度大约为10-15千瓦/公斤；目前蓄电池的功率密度大约为300-1000瓦/公斤)。因此用一至少轻10倍的蓄能单元即可实现无间断的由交流电源工作向备用电源工作以及以满驱动功率向下一个楼层继续运行的切换。
充电效率高；因此将恢复供电与电梯处于可工作状态之间的等候时间缩短到是蓄电池所需时间的几分之一。
比蓄电池增大了几倍使用寿命。
不必对蓄能单元进行维护。
不含有有毒或对环境造成不利影响的物质。
在从属权利要求中给出有益的设计和进一步设计。
一方面本发明的装置用于跨接出现较短时间的交流电压-压降或-中断并且另一方面在疏散运行时仅需要克服剩余的楼层间隔，最好采用作为存储媒体的仅包含超电容的蓄能单元。对于那些存在交流电源停电的可能的必须用本发明的装置实现大的疏散高度的满载的疏散运行的应用，最好采用由超电容与电化学蓄电池(蓄电池)的组合构成的蓄能单元，这是因为后者与超电容相比具有的能量密度较高(Wh/kg)，即在重量相同的情况下具有较高的存储容量。例如在那些所谓的大堂-电梯越过多个楼层间隔不停的电梯设备或在观光塔中仅以大高度差地驶抵一个或两个停靠楼层的电梯就是所述及的应用条件。
特别有益的是本发明的装置可以与变频器调节的驱动装置结合在一起使用。所述变频器主要由一交流电整流器、一个具有滤波电容器的直流电压中间电路，以及一个具有控制发生器的振动子换流器构成，其中该振动子换流器向驱动电机馈送变化的频率并以此决定转速。在不具有用于回收制动能量的交流整流器的实施方式中，应对直流电压中间电路装备至少一个制动模块。本发明的含有一个由超电容或由超电容与蓄电池组合构成的蓄能单元的装置对来自所述直流电压中间电路的能量进行存储并且在必要时，即在出现交流电压-压降或-中断时以及在停电时用于疏散运行时输出给直流电压中间电路。其中一个被称作功率通量调节器的调节和控制单元用于对蓄能单元与中间电路的直流电压水平进行适配调节并用于在蓄能单元与变频器的中间电路的能量交换进行调节。
由此产生的本发明的装置与作为驱动调节器的变频器的组合的一个特殊的优点是，由变频器的直流电压中间电路的馈送可在正常工作方式时以及备用电源工作方式实现对电梯设备的控制。因此可以保证在由正常工作方式向备用电源工作方式转换时完全无间断的电梯控制馈送并且另外可以节省通常用于控制的电源设备。
在具有多部电梯的电梯设备中有益地并节省费用地可以为整个电梯组采用本发明的唯一一个装置作为备用电源装置，其中对每台驱动电机由一共用的直流电压中间电路通过一配属的振动子换流器进行馈电。由于在多部电梯的情况下并不是所有的电梯驱动装置同时地并且满载负荷的工作并且另一方面通常的具有配重的电梯的驱动电机在少于一半的有效负荷的情况下运行时甚至可以回收共用的直流电压中间电路的制动能，所以可以将蓄能单元的必要的容量减少到在电梯组的所有电梯分别采用单独的备用电源装置的所有容量总和的几分之一。
在采用一综合的驱动系统对一部或多部电梯运行的电梯设备中宜将变频器、电梯控制单元以及本发明的备用电源装置安装在一部或多部电梯轿厢上并随后者移动。然后可以分别通过接触件或利用无接触能量传输系统对电梯轿厢上的蓄能单元进行浮充。这种方法的优点是不必沿整个运行路径设置能量馈送装置，此点特别是对有多个电梯竖井并且电梯轿厢在交替的电梯竖井内运行的，其中也包括水平运行的电梯设备中是重要的。
根据本发明一优选的应用，蓄能单元和功率通量调节器的设计应使本发明的备用电源装置不仅用于在停电时实施疏散运行并用于跨接交流电压-压降和-中断，而且还有利于降低设备所需的电源连接功率。此点是通过如下方式实现的，蓄能单元在电梯停止运行时以及在低驱动负荷阶段对能量进行存储并且在最大负荷和超平均工作状况阶段重新将能量反馈给驱动电流电路，其中通过功率通量调节器对双向的能量通量进行调节。当例如本发明的备用电源装置与一个变频器配合工作时，通过所述变频器变频地对驱动电机进行馈送，在低于平均电机工作状况阶段由该变频器的直流电压中间电路对蓄能单元充电，并且在超平均工作状况下蓄能单元将一部分被存储的能量重新反馈给该直流电压-中间电路。
下面将对照附图对本发明做进一步的说明。
图1为电梯驱动装置的部件的示意图，其中本发明的备用电源装置与一变频器配合并且仅包括作为蓄能媒体的超电容；
图2为电梯驱动装置的部件的示意图，其中本发明的备用电源装置同样与一变频器配合并且包括作为蓄能媒体的超电容与蓄电池构成的组合；
图3为电梯驱动装置组的部件的示意图，其中本发明的备用电源装置与多个变频器共用的直流电压中间电路配合并且包括作为蓄能媒体的超电容与蓄电池构成的组合。
在图1中示意示出一个具有变频器和本发明的备用电源装置的电梯驱动装置的主要部件。用1表示变频器，由交流电源2对该变频器馈电并主要由一交流整流器3、一振动子换流器4、一直流电压中间电路5、一滤波电容器6、一制动模块7(具有制动电阻和制动工作开关)和一电机接线8构成。一台作为电梯驱动电机的交流电机9与变频器1连接。用10表示备用电源装置并且一方面具有一由超电容13构成的蓄能单元11并且另一方面具有一个功率通量调节器12。支路17将直流电压中间电路5与对在疏散运行时必须起作用的诸如电梯驱动装置、机械驱动制动器、门驱动装置、照明装置、通信装置、通风装置等的电梯的电气部件18的电源连接。
在正常工作方式时，变频器1的交流整流器3通过电源接线2由电网中获得交流电流并由此交流电产生直流电，然后将直流电馈送给直流电压中间电路5。振动子换流器4由该直流电压中间电路5获得直流电流并在一集成的控制发生器的控制下由直流电流产生变频的交流电流，向交流电机9馈送。所产生的交流频率决定该电机的转速并随之决定电梯的运行速度，其中中央电梯控制单元向振动子换流器的控制发生器以相应的方式连续地发送有关在一特定的时间点应产生的运行速度的信息。滤波电容器6对直流电压中间电路中的波动和峰值电压进行抑制。只要没有用于将该制动能回收到电网内的交流整流器3和交流整流器3的设计不能用于将制动能回收到电网中，则制动模块7用于将由交流电机9在以负的电机负荷运行时产生的制动能转换成热能。在交流整流器的设计不能用于将制动能回收到电源中的情况下，制动模块的另一项任务是在交流整流器3失效时保证交流电机9的电气制动能力，其中一旦在制动时直流电压中间电路5中的电压超过一定的值时，制动模块被激活。功率通量调节器12基本上是一个市售的用于电压极性和两个电流方向的2-象限(Quadranten)-直流电压稳压器，其任务在于对直流电压中间电路5和蓄能单元11中的不同的电压水平之间的能量通量进行控制。一方面在电梯设备整个处于待机状态时当直流电压中间电路5中的能量过剩时通过功率通量调节器5对能量存储单元进行浮充，另一方面功率通量调节器在必要时，即出现短时间的交流电压-压降或-中断和停电时，重新将存储的电能反馈给所述的直流电压中间电路5。
当电梯运行期间出现短时间的交流电压-压降或-中断以及在停电时，直流电压中间电路5和随之也包括振动子换流器4以及通过支路17被馈电的必须在疏散运行时起作用的部件必须至少在电梯轿厢到达具有竖井门的下一个楼层前实现不间断的供电。蓄能单元11的超电容13因此可以毫不迟延地提供满载运行所需的最大电流并且在恢复供电后在最短的时间内重新被完全充电。此点特别是在经常出现并且紧接着连续出现停电的大楼内是特别有益的。在建立在蓄电池为基础的备用电源装置中，则与上述相反，在疏散运行后必须等待较长的重新充电时间，直至恢复供电后电梯可以自动工作。否则将存在当重新停电时电梯轿厢被卡在两个楼层之间的风险。
图2示意示出一个针对图1所述的具有变频器1以及本发明的备用电源装置10的电梯驱动装置，其中蓄能单元11由两种不同的存储媒体构成。为了满足在对短时间的交流电压-压降或-中断跨接，以及为了实现短距离的疏散运行，蓄能单元11包含作为存储媒体的具有上述有益性能的超电容13。为了使蓄能单元11也可以为较长距离的疏散运行提供充足的能量，蓄能单元作为附加的存储媒体包括蓄电池14(蓄电池)，例如铅-或镍-镉-蓄电池。这种蓄电池14与超电容13相比具有较高的能量密度(Wh/kg)，即在重量相同的情况下蓄电池可以储存更多的能量。虽然蓄电池在有意义的规格的情况下还不具有在大功耗的快速过程中相同的反应速度，并且其使用寿命会因频繁地出现这种事件，而急剧缩短。在本发明的能量存储媒体组合中经常出现的短时间需要的用于跨接短时间的交流电压-压降和-中断并用于短距离的疏散运行的峰值功率是由超电容13获得的，并且用于长时间的疏散运行所需的能量将从两个存储媒体获得。
由此可以在寿命最佳的同时实现蓄能单元11的最佳的低的必要的总重量。所述的蓄能单元11以与针对图1的说明相同的方式通过功率通量调节器12与变频器的直流电压中间电路配合，其中在蓄能单元的实施方式中对功率通量调节器12的控制应实现仅对较长时间的事件从蓄电池获取能量。对必须在疏散运行时起作用的部件18在此也是通过支路17在任何情况下毫不间断地对直流电压中间电路5供给能量。
图3示出了由变频器调节的电梯驱动装置的一组电气部件的设置，其中有多台旋转电机9通过配合的振动子换流器4接在共用的直流电压中间电路16上，所述直流电压中间电路在正常工作时由一唯一的电源模块15供电并且在电梯运行期间当出现交流电压-压降和-中断时以及在完全停电时通过唯一一个本发明的备用电源装置供电。备用电源装置10在此也由一个蓄能单元11和一个功率通量调节器12构成，其中蓄能单元11或者仅由超电容或者由上述的超电容和蓄电池构成。功率通量调节器12具有与上述的描述相同的功能。而且在停电时必须对在疏散运行时起作用的部件18由共用的直流电压中间电路16通过支路18毫不间断地供电。这种对驱动装置的多重设置的第一个优点在于，仅需要唯一一个电源模块15，该模块优选具有将过剩的制动能反馈回电源网络的能力(采用低功率范围的单个的驱动装置通常过于昂贵)。第二个优点是，通过共用的直流电压中间电路16可以直接进行在驱动的和制动的驱动装置之间的能量补偿。另外，仅需要唯一一个本发明的备用电源装置10取代了多个单独的备用电源装置，因而可以大大减少硬件的开销并随之降低成本。