TWI397500B - Elevator energy saving device - Google Patents

Description

電梯之節能裝置

本發明係與電梯有關，更詳而言之是指一種電梯之節能裝置。

已知電梯之牽引馬達進行減速時，其馬達驅動器可透過以下所述之兩種方式對該牽引馬達進行制動，其一為：施以一制動力強迫該牽引馬達停止，此時，該牽引馬達會將電梯減速之動能轉換成熱能釋放；但另一方法為：使用該馬達驅動器將該電梯減速之動能經由該牽引馬達轉換為電能後，再由該馬達驅動器將吸收之電能以電阻放電之方式轉換為熱能消耗；然而，上述之方法皆是將電梯減速時所產生之動能或電能以熱能釋放之方式消耗，不僅無法將電梯減速時產生之動能或電能回收再進行利用，且在電梯車廂之慣性運動量較大時，容易造成該牽引馬達或電阻過熱而受損。是以，已知電梯之設計仍未臻完善，且尚有待改進之處。

有鑑於此，本發明之主要目的在於提供一種電梯之節能裝置，可將電梯減速時所產生之電能回傳至電力網，以達到能源回收之目的。

緣以達成上述目的，本發明提供一種電梯之節能裝置，且該電梯更包含有一牽引馬達以及一馬達驅動器，上述之馬達驅動器用以將該牽引馬達減速時之動能轉換成電能，並將該電能輸入該馬達驅動器之一直流電鏈中；該節能裝置包含有一雙埠電力轉換電路以及一節能控制器，其中，該雙埠電力轉換電路具有一直流埠以及一交流埠，該直流埠連接該馬達驅動器之直流電鏈，該交流埠連接至市電；該節能控制器用以偵測該直流電鏈之電壓、以及市電之三相電壓及相角，且當該節能控制器測得該馬達驅動器轉換之電能輸入該馬達驅動器之直流電鏈而使該直流電鏈之電壓超過一預設直流電壓值時，控制該雙埠電力轉換電路將該馬達驅動器轉換之電能轉換成與市電同步之三相交流電並回送至市電。

藉此，利用上述設計將電梯減速時所產生之電能回傳至電力網，藉以達到能源回收之節能目的

為能更清楚地說明本發明，茲舉較佳實施例並配合圖示詳細說明如後。

請參閱圖1，為本發明第一較佳實施例電梯之節能裝置1，且該電梯更包含有一馬達驅動器300以及一牽引馬達400，該馬達驅動器300用以將該牽引馬達400減速時之動能轉換成電能，且將該電能導入該馬達驅動器300之直流電鏈中。該節能裝置1包含有一雙埠電力轉換電路100以及一節能控制器200。其中：

該雙埠電力轉換電路100之具有一交流埠110以及一直流埠120。該交流埠110透過三個交流電抗器(L)600連接至市電500；該直流埠120連接該馬達驅動器300之直流電鏈，而與該馬達驅動器300串聯。該雙埠電力轉換電路100主要由六個功率晶體S1~S6、以及分別與該等功率晶體S1~S6背接之二極體D1~D6所組成，用以將該交流埠110由市電500輸入之三相交流電傳輸至該直流埠120之馬達驅動器300、或是利用切換該等功率晶體S1~S6作動而將該直流埠120接收之直流電轉換成交流電由該交流埠110輸出。

假設市電500為理想電源，其相電壓可表示為

其中E _m 為相電壓之峰值，ω為電機角頻率。於穩態下其輸入電流為

其中I _m 為相電流之峰值，θ為相電流相對於相電壓之相移角度，一般稱為功率因數角。

三相靜止框轉至兩軸同步旋轉框之轉換式X _s 為

此時

由(1)(2)與(4)可得

e _q =E _m 　(5)

e _d =0　(6)

i _qs =I _m cos θ　(7)

i _ds =I _m sin θ　(8)

此時，有效功P 與無效功Q 可表示為

因此，若能將θ的值控制為零，即sin θ為零或D軸電流值i _ds =0，則虛功率為零，輸入功率將全部為有效功率，此時控制Q軸電流值i _qs 的大小則能直接控制有效功率。換言之，當Q軸電流值i _qs 為正值時表示由市電500輸入功率，而Q軸電流值i _qs 為負值時表示將能量回送至市電500；亦即，Q軸電流值i _qs 為正值時由該雙埠電力轉換電路100之該交流埠110輸入能量至該直流埠120，當Q軸電流值i _qs 為負值時由雙埠電力轉換電路100該直流埠120之能量送回至該交流埠110。

藉此，依據上述之設計構思，該節能控制器200包含有一電壓偵測器210、一坐標軸轉換器220、一Q軸電流補償器230、一D軸電流補償器240、一脈寬調變器250、一功率因素控制模組260、一電壓補償器270以及一電壓限制器280。另外，該節能控制器200可透過一通訊介面電路290與電梯控制系統700連線，藉以進行電梯控制時之資訊交換。其中：該電壓偵測器210用以偵測市電500之三相電壓相位與電壓值e _a ,e _b ,e _c 及直流鏈電壓值V _{dc 1} ，藉以計算電壓大小E _m 、電機角頻率ω 、功率因數角θ 及該直流電鏈之電壓值V _{dc 2} 。

該坐標軸轉換器220用以依據市電500之三相線電流值i _a ,i _b ,i _c 並以(2)(3)式計算出Q軸電流值i _qs 與D軸電流值i _ds 作為該等電流補償器230、240之回授訊號。

該電壓補償器270與該電壓限制器280用以在該馬達驅動器300將該牽引馬達400減速之動能轉換成電能而造成該牽引馬達直流鏈電壓值V _dc 昇高時，若該電壓補償器270測得電壓值V _{dc 2} 超過一預設直流電壓值，該電壓限制器280則送出一負值之預設Q軸電流值給該Q軸電流補償器230。

該功率因素控制模組260用以依據需求輸出至市電500所需之功率因素與目前之預設Q軸電流值輸出一預設D軸電流值及電壓相位變化角θ _o ，藉以如(10)式所示控制無效功率而達到間接控制功率因數之目的。

該Q軸電流補償器230用以使該Q軸電流值i _qs 對該預設Q軸電流值有更佳之追蹤特性，並依據該Q軸電流值i _qs 及該預設Q軸電流值輸出一預設Q軸電壓值。同理，該D軸電 流補償器240與該Q軸電流補償器230工作原理相同，用以使該D軸電流值i _ds 對該預設D軸電流值有更佳之追蹤特性，並依據該D軸電流值i _ds 及該預設D軸電流值輸出一預設D軸電壓值。

該脈寬調變器250用以依據所接收之預設Q軸電壓值、預設D軸電壓值、電壓相位角θ 與電壓相位變化角θ _o 得到三相電壓訊號並經由脈波寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)轉換成成驅動該等功率晶體S1~S6所需之數位訊號，再藉由一驅動電路212依據該數位訊號切換該雙埠電力轉換電路100之六只功率晶體S1~S6，藉以將該馬達驅動器300轉換之電能轉換成對應與市電同步但相位差在160度至200度之間的三相交流電並回送至市電500。

請參閱圖2，為本發明之節能裝置1之能源回收效果，圖中之直流鏈電壓值V _{dc 2} 緊追預設直流電壓值，且線電流i _a 與相電壓e _a 相位差為180°，表示該馬達驅動器300轉換之電能已轉換成對應市電500的三相電壓及相角之三相交流電並回送至市電500，而達到節能之目的。

另外，本實施例之節能控制器200開始運作後係優先執行電流中斷程序，其次則是執行電壓中斷程序。上述之電流中斷程序係指透過執行三相電流值i _a ,i _b ,i _c 及直流鏈電壓值V _{dc 1} 之回授偵測，並以鎖相回路以取得輸入電壓相位角θ ，接著透過該坐標軸轉換器220以(2)(3)式將三相電流由三相靜止框轉換成兩軸同步旋轉框，當使用者下達命令開關開啟(Servo-On)命令時，則透過該二電流補償器230、240得到該預設Q軸電壓值及該預設D軸電壓值，並將該預設Q軸電壓值及該預設D軸電壓值轉換至三相靜止框以取得脈波寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)之導通訊號。而上述之電壓中斷程序係指透過電壓限制器280來調整該預設Q軸電流之峰值，以獲得穩定之直流鏈電壓。

再者，於本實施例中，係透過軟體程式模擬該坐標軸轉換器220、該Q軸電流補償器230、該D軸電流補償器240、該脈寬調變器250、該功率因素控制模組260、該電壓補償器270以及該電壓限制器280之功能，以達到本發明之目的，當然除使用軟體模擬外，使用與上述構件相同功能之設備或器材待替達到本發明之目的，亦屬本發明之另一種實施態樣而已。

值得一提的是，為提高中、高負載時之功率因素(Power factor)，可藉由調控輸入該雙埠電力轉換電路之三相電流相位以提升功率因素(Power factor)達到0.94以上，並可降低電流總諧波失真至15%以下，進而達到提高用電效率之目的。

另外，請參閱圖3，為本發明第二較佳實施例之節能裝置2，其包含有與上述實施例相同功能之雙埠電力轉換電路800以及節能控制器900，於此便不再贅述。而與上述實施例不同之處在於該雙埠電力轉換電路800係以並聯的方式與該馬達驅動器300及市電500連接，此時，該雙埠電力轉換電路800用以將該馬達驅動器300輸出之電能回送至市電500；而該馬達驅動器300係與市電500連接並由市電500提供電能予該牽引馬達400。而該節能裝置2之回收效果如圖4所示，表示利用並聯方式同樣可以達到能源回收之目的，且該節能裝置2在不執行能量回收時，將停止該雙埠電力轉換電路800之工作，藉以進一步降低能量之消耗。

以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效結構及製作方法變化，理應包含在本發明之專利範圍內。

1．．．節能裝置

100．．．雙埠雙向電力轉換電路

110．．．交流埠

120．．．直流埠

S1~S6．．．功率晶體

D1~D6．．．二極體

200．．．節能控制裝置

210．．．電壓偵測器

220．．．座標軸轉換

230．．．Q軸電流補償器

240．．．D軸電流補償器

250．．．脈寬調變器

260．．．功率因素控制模組

270．．．電壓補償器

280．．．電壓限制器

290．．．通訊介面電路

212．．．驅動電路

300．．．馬達驅動器

400．．．牽引馬達

500．．．市電

600．．．交流電抗器

700．．．電梯控制系統

2．．．節能裝置

800．．．雙埠雙向電力轉換電路

900．．．節能控制裝置

圖1為本發明第一較佳實施例之電路方塊圖。

圖2為本發明第一較佳實施例之波型圖。

圖3為本發明第二較佳實施例之電路方塊圖。

圖4為本發明第二較佳實施例之波型圖。

1．．．節能裝置

100．．．雙埠雙向電力轉換電路

110．．．交流埠

120．．．直流埠

S1~S6．．．功率晶體

D1~D6．．．二極體

200．．．節能控制裝置

210．．．電壓偵測器

220．．．座標軸轉換

230．．．Q軸電流補償器

240．．．D軸電流補償器

250．．．脈寬調變器

260．．．功率因素控制模組

270．．．電壓補償器

280．．．電壓限制器

290．．．通訊介面電路

212．．．驅動電路

300．．．馬達驅動器

400．．．牽引馬達

500．．．市電

600．．．交流電抗器

700．．．電梯控制系統

Claims (8)

1. 一種電梯之節能裝置，該電梯包含有一牽引馬達以及一馬達驅動器，上述之馬達驅動器用以將該牽引馬達減速時之動能轉換成電能，並將該電能經由該馬達驅動器之直流電鏈傳遞到該節能裝置；該節能裝置包含有：一雙埠電力轉換電路，具有一直流埠以及一交流埠，該直流埠連接至馬達驅動器之直流電鏈；該交流埠連接至市電；一節能控制器，用以偵測該直流電鏈電壓值、以及市電之三相電壓值及相角，且當該節能控制器測得該馬達驅動器轉換之電能輸入該直流電鏈而使該直流電鏈之電壓值超過一預設直流電壓值時，控制該雙埠電力轉換電路將該馬達驅動器轉換之電能轉換成對應市電的三相電源同步之三相交流電並回送至市電。
2. 如請求項1所述電梯之節能裝置，其中，該馬達驅動器係將該牽引馬達減速時之動能轉換成直流電能；另，該節能控制器包含有一電壓偵測器以及一脈寬調變器，該電壓偵測器用以偵測該直流電鏈之電壓值、以及市電之三相電壓值及相角；該脈寬調變器用以利用脈波寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)控制該雙埠電力轉換電路，將該馬達驅動器轉換之直流電能由該直流埠輸入並轉換成與市電相同頻率之三相弦波平衡電流，而以交流電能之型式由該交流埠輸出送回至市電；再者，該節能控制器更包含有一座標軸轉換器、一電壓補償器、一電壓限制器、一功率因素控制模組、一Q軸電流補償器以及一D軸電流補償器；該座標 軸轉換器用以依據市電之三相線電流值及相角輸出一Q軸電流值以及一D軸電流值；該電壓補償器用以當該電壓偵測器測得該直流電鏈之電壓值超過該預設直流電壓值時，驅動該電壓限制器輸出一預設Q軸電流值；該功率因素控制模組用以依據回送至市電所需之功率因素、該預設Q軸電流值輸出一預設D軸電流值及一電壓相位變化角；該Q軸電流補償器用以依據該Q軸電流值以及該預設Q軸電流值輸出一預設Q軸電壓值；該D軸電流補償器用以依據該D軸電流值以及該預設D軸電流值輸出一預設D軸電壓值；該脈寬調變器依據該預設Q軸電壓值、該預設D軸電壓值、該電壓相位變化角以及所偵測市電三相電壓相角，控制該雙埠電力轉換電路輸出該三相弦波平衡電流至市電。
3. 如請求項2所述之電梯之節能裝置，其中，該雙埠電力轉換電路包含有六個功率晶體，且該節能控制器係透過一驅動電路切換該等功率晶體，藉以將該馬達驅動器轉換之電能轉換成與市電的三相電源同步之三相交流電。
4. 如請求項1所述之電梯節能裝置，該節能控制器更可用以控制流入市電之相電流為平衡或接近平衡，且與市電對應之相電壓頻率同步但相位差在160度至200度相角之內。
5. 如請求項1之電梯節能裝置，其中，該節能控制器更可控制流入市電相電流之總電流諧波失真小於15%。
6. 如請求項1所述之電梯之節能裝置，其中，該雙埠電力轉換電路之直流埠係與該馬達驅動器之電源輸入端串聯，而該交流 埠係與市電連接，此時，該雙埠電力轉換電路係用以對馬達驅動器供電、或將馬達驅動器輸出之電能經由交流埠回送至市電。
7. 如請求項1所述之電梯之節能裝置，其中，該雙埠電力轉換電路係與該馬達驅動器之直流電鏈並聯，且該交流埠係與市電連接，此時，該雙埠電力轉換電路用以將馬達驅動器輸出之電能經由該交流埠回送至市電；而馬達驅動器係與市電連接並由市電提供電能予該牽引馬達。
8. 如請求項7所述之馬達驅動器，其中，該直流電鏈之電壓是由該馬達驅動器連接至市電之三相電源進行全波整流所產生。