TWI487653B - 電梯的電能回饋裝置、回饋方法以及電梯 - Google Patents

Description

電梯的電能回饋裝置、回饋方法以及電梯

本發明涉及自動控制領域，特別是有關一種電梯的電能回饋裝置、回饋方法以及電梯。

根據中國電梯行業協會的統計數字，截至目前電梯的保有量約為150萬台，每年銷售的新梯正以15萬台以上的速度遞增，中國已經成為世界電梯超級大國。隨著中國電梯數量的不斷激增，一部普通的電梯每天約用電50-150度。按照每台電梯每天用電量80度/天計算。按照保守數量全國電梯150萬台計算，每天消耗電能約為12000萬度，每年的消耗的電能為438億度，全國每年電梯消耗的電能相當於三峽水電站7個月的發電量，可見電梯消耗電能巨大。電梯節能需求刻不容緩，節能電梯將是未來電梯發展的必然趨勢。

電梯的運動規律很特殊，基本為上行和下行各占50%，而電梯在空載上行時，由於電梯重量平衡系統中的對重補償裝置仍需啟動，所以此時電梯的曳引機處於發電狀態，同樣當電梯滿載下行時，電梯也是處於發電狀態。

由於電梯在空載上行和滿載下行時，曳引機是發電狀態，曳引機所發的電會使驅動器的直流電壓升高，為了保證驅動器的正常工作，必須將所發的電能釋放掉，傳統的做法是在驅動器上加 制動單元和制動電阻，以熱損耗的方式將曳引機所發的電能藉由制動電阻消耗掉。

由於曳引機所發的電能被制動電阻以熱能耗的方式消耗掉，於此並非有效的利用。目前也有一些方案將此部份的耗能加以利用，主要有以下幾種方式。

1、採用大電容儲能的方式，在電梯曳引機處於發電狀態時，藉由電路給大電容來充電，而大電容的電能用來給驅動器的控制電路部份來提供電能。採用大電容儲能的方式是對所發電能的再利用的一種進步，但是驅動器的控制電路部份功率很小，所以所消耗的電能也很小，因此曳引機所發的電能無法全部儲存在大電容中，無法儲存的部份還是需要藉由制動電阻以熱能的方式來消耗掉。

2、採用蓄電池的儲能方式，其實這種方式和採用大電容的方式的原理相同。

3、更為簡單節能方式是在電梯空閒狀態下，藉由將驅動器和照明的電源切斷實現節能，其實這種節能方式並非省去電梯真正最大能量消耗的方式。

以上的電梯節能方案都存在著無法真正實現節能的目的。

為了解決上述問題，本發明提供了一種電梯的電能回饋裝置，包括一取樣單元、一傳輸單元和一中央處理單元；該取樣單 元電性連接該電梯的供電網路以及該中央處理單元，用以採集該供電網路的交流電信號，並將採集到的交流電信號輸入至該中央處理單元；該傳輸單元電性連接該電梯的馬達驅動器，並藉由一交流電抗器電性連接該供電網路，其中，該馬達驅動器處於耗電狀態時，藉由該傳輸單元將該供電網路的能量輸送至該馬達驅動器，以及該馬達驅動器處於發電狀態時，藉由該傳輸單元將該馬達驅動器產生的能量回饋至該供電網路；該中央處理單元電性連接該傳輸單元，用以將該取樣單元獲得的該交流電信號輸入至該傳輸單元。

本發明一實施例中，該傳輸單元進一步包括一檢測器、一脈寬調變器和一開關器件；該開關器件與該馬達驅動器電性連接，並藉由該交流電抗器與該供電網路電性連接，以在該馬達驅動器處於耗電狀態下將該供電網路的交流電整流成直流電傳輸至該馬達驅動器，並在該馬達驅動器處於發電狀態下將該馬達驅動器產生的直流電逆變成交流電傳輸至該供電網路；該檢測器電性連接該馬達驅動器以及該中央處理單元，用以檢測該馬達驅動器的工作狀態，並將檢測到的該馬達驅動器的工作狀態輸入至該中央處理單元；該脈寬調變器電性連接該中央處理單元以及該開關器件，用以獲得該供電網路之該交流電信號，並在該馬達驅動器處於發電狀態下控制該開關器件傳輸至該供電網路的電流與該供電網路的固有電流同步。

本發明一實施例中，該檢測器進一步包括一電容和一閾值判 斷器，該電容電性耦接至該馬達驅動器，該閾值判斷器電性耦接至該電容和該中央處理單元，用以將該電容兩端的電壓與一電壓閾值進行比較，並根據比較結果向該中央處理單元發送控制信號。

本發明一實施例中，進一步包括一通訊端口，該通訊端口與該中央處理單元電性連接，用於向匯流排彙報該電能回饋裝置的工作參數。

本發明一實施例中，該工作參數包括工作時間、能量回饋的總能量以及回饋頻率。

本發明一實施例中，進一步包括一外部多功能端子，該外部多功能端子與該中央處理單元電性連接，用於連接一外部控制裝置，以控制該電能回饋裝置的啟動、停止，並提取該電能回饋裝置的故障碼。

本發明一實施例中，該取樣單元包括一電壓檢測器和一電流檢測器，該電壓檢測器用以採集該供電網路的交流電壓信號，以及該電流檢測器用以採集該供電網路的交流電流信號。

本發明一實施例中，該馬達驅動器的發電狀態對應於該電梯的空載上行或滿載下行。

本發明進一步提供了一種電梯的電能回饋方法，採用上述的裝置，並包括如下步驟；採用該取樣單元採集該供電網路的交流電信號；該傳輸單元檢測該馬達驅動器的工作狀態，並將檢測到的該馬達驅動器的工作狀態發送至該中央處理單元；如果該馬達驅動器處於發電狀態，則該中央處理單元控制該傳輸單元將該馬 達驅動器產生的能量回饋至該供電網路，回饋電流受該取樣單元所採集的信號控制，以保證與該供電網路的固有電流同步。

本發明一實施例中，該傳輸單元進一步包括一檢測器、一脈寬調變器和一開關器件；該傳輸單元檢測該馬達驅動器的工作狀態的步驟進一步包括採用該檢測器檢測該馬達驅動器的工作狀態，並將檢測到的該馬達驅動器的工作狀態發送至該中央處理單元；該回饋電流受該取樣單元所採集的信號控制，進一步是該脈寬調變器從該中央處理單元獲得該交流電信號，並以此控制該開關器件傳輸至該供電網路的交流電流與該供電網路的固有電流同步。

本發明一實施例中，該檢測器進一步包括一電容和一閾值判斷器，該電容電性耦接至該電梯的馬達驅動器，該閾值判斷器電性耦接至該電容；採用該檢測器檢測該電梯的馬達驅動器的工作狀態，進一步包括採用該閾值判斷器將該電容兩端的電壓與一電壓閾值進行比較，並根據比較結果向該中央處理單元發送表示該馬達驅動器工作狀態的信號。

本發明一實施例中，該閾值判斷器向該中央處理單元發送一高電平信號，以表示該馬達驅動器處於耗電狀態；該閾值判斷器向該中央處理單元發送一低電平信號，以表示該馬達驅動器處於發電狀態。

本發明還提供了一種電梯，包括一馬達驅動器、一交流電抗器以及如上述的電能回饋裝置。

本發明的優點在於，藉由利用傳輸單元與電梯的馬達驅動器電性連接，以在馬達驅動器處於發電狀態下將馬達驅動器的能量回饋至該供電網路，從而達到節能的效果。

以下，參照附圖對本發明提供的電梯的電能回饋裝置、回饋方法以及電梯的實施例進行詳細的說明。

第1圖所示是本實施例該電梯的控制系統結構示意圖，包括馬達驅動器100、交流電抗器110和電能回饋裝置130，該馬達驅動器100電性連接至該電能回饋裝置130，該電能回饋裝置130進一步藉由該交流電抗器110連接至供電網路150。

電能回饋裝置130進一步包括取樣單元131、傳輸單元133、中央處理單元135、通訊端口137和外部多功能端子139。

取樣單元131與供電網路150以及中央處理單元135電性連接，以採集供電網路150的交流電信號，包括供電網路150中三相交流電中每一相的電流和電壓信號。取樣單元131並與中央處理單元135電性連接，以將從供電網路150中採集到的交流電信號輸入至該中央處理單元135，供後續傳輸單元133進行電能回饋時能夠保證回饋電流與供電網路150中固有電路保持頻率和相位的同步。

傳輸單元133與馬達驅動器100電性連接，並藉由交流電抗器110與供電網路150電性連接。馬達驅動器100處於耗電狀態 時，藉由傳輸單元133將供電網路150的能量輸送至馬達驅動器100；以及馬達驅動器100處於發電狀態時，藉由傳輸單元133將馬達驅動器100產生的能量回饋至供電網路150。馬達驅動器100的發電狀態對應於電梯的空載上行或者滿載下行。並且傳輸單元133進一步與中央處理單元135電性連接，能夠藉由中央處理單元135獲得取樣單元131從供電網路150採樣的信號，以保證回饋電流與供電網路150中固有電路保持頻率和相位的同步。

通訊端口137是一可選元件，與中央處理單元135電性連接，用於向匯流排，例如現場匯流排，彙報電能回饋裝置130的工作參數，包括可為工作時間、能量回饋的總能量以及回饋頻率等情況。通訊端口137的作用在於可以進一步擴展該裝置的應用環境。

外部多功能端子139是一可選元件，與中央處理單元135電性連接，用於連接一外部控制裝置，例如可以是一台電腦，用來控制電能回饋裝置130的啟動和停止等動作，並可以在中央處理單元135預設一組故障代碼，在發生故障時藉由外部多功能端子139顯示這些故障碼，來迅速診斷出裝置的故障原因。

第2圖是第1圖所示控制系統的一種具體架構圖，第3圖是第2圖對應的配電圖。交流電抗器110具體可以是三個電感，分別對應於供電網路150的三相電。取樣單元131進一步可包括電壓檢測器1311和電流檢測器1312，以採集供電網路150的交流電信號，包括供電網路150中三相交流電中每一相的電流和電壓信號。具體地說，電壓檢測器1311用以採集供電網路150的交流電 流信號，電流檢測器1312用以採集供電網路150的交流電流信號。

傳輸單元133可進一步包括一檢測器2331、一脈寬調變器2332和一開關器件2333。開關器件2333與馬達驅動器100電性連接，並藉由交流電抗器110與供電網路150電性連接，以在馬達驅動器100處於耗電狀態下，將供電網路150的交流電整流成直流電傳輸至馬達驅動器100，並在馬達驅動器100處於發電狀態下將馬達驅動器100產生的直流電流逆變成交流電傳輸至供電網路150。本實施例中，該開關器件2333進一步可是絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)式開關器件。開關器件2333在逆變狀態下將馬達驅動器100產生的直流電逆變而成的交流電的頻率和相位由脈寬調變器2332控制。脈寬調變器2332電性連接中央處理單元135和開關器件2333，用以從中央處理單元135獲得供電網路150的電壓和電流狀態，尤其是相位和頻率資訊，保證在馬達驅動器100處於發電狀態下控制開關器件2333回饋到供電網路150的交流電與供電網路150的固有電流同步。該開關器件2333例如可以是整流器。

檢測器2331電性連接馬達驅動器100以及中央處理單元135，用以檢測馬達驅動器100的工作狀態，並將檢測到的馬達驅動器100的工作狀態輸入至中央處理單元135。本實施例中，檢測器2331進一步包括一電容C和一閾值判斷器M，電容C電性耦接至馬達驅動器100，閾值判斷器M電性耦接至電容C，以判斷電容C兩端的電壓，並向中央處理單元135發送控制信號。以中 國標準的城市供電網路作為供電網路150為例，在馬達驅動器100處於耗電狀態下，供電網路150提供的電流經過開關器件2333整流後形成540V的直流電，故此時電容C兩端的電壓應當是540V，因此當閾值判斷器M檢測到電容C兩端的電壓是540V時，即認為馬達驅動器100處於耗電狀態，並將此狀態彙報到中央處理單元135。在馬達驅動器100從耗電狀態轉而成為發電狀態時，電容C會經歷放電後又充電的過程，即兩端電壓下降後又上升，隨著馬達驅動器100不斷向外發電，電容C兩端的電壓會逐漸升高，當閾值判斷器M檢測到電容C兩端的電壓到達一個設定的閾值(例如600V)時，即認為馬達驅動器100處於發電狀態，並將此狀態彙報到中央處理單元135，中央處理單元135接著控制脈寬調變器2332和開關器件2333，並開始將馬達驅動器100產生的電能回饋到供電網路150。在馬達驅動器100從發電轉為耗電的過程中，閾值判斷器M也採用類似的方式工作。

第4圖是本發明的實施例該電能回饋方法的實施步驟示意圖，採用第1圖至3所示的裝置，包括如下步驟：

步驟S40，採用取樣單元131採集該供電網路的交流電信號，具體包括採集供電網路150中三相交流電中每一相的電流和電壓信號，供後續傳輸單元133進行電能回饋時能夠保證回饋電流與供電網路150中固有電路保持頻率和相位的同步。

步驟S41，利用傳輸單元133檢測馬達驅動器100的工作狀態，具體是採用檢測器2331的閾值判斷器M將電容C兩端的電 壓與一電壓閾值進行比較。以中國標準的城市供電網路作為供電網路150為例，在馬達驅動器100處於耗電狀態下，電容C兩端的電壓應當是540V，因此當閾值判斷器M檢測到電容C兩端的電壓是540V時，即認為馬達驅動器100處於耗電狀態；在馬達驅動器100從耗電狀態轉而成為發電狀態時，電容C會經歷放電後又充電的過程，當閾值判斷器M檢測到電容C兩端的電壓到達一個設定的閾值(應當大於540V，例如可以600V或者650V等)時，即認為馬達驅動器100處於發電狀態。

步驟S42，根據比較結果向中央處理單元135發送表示馬達驅動器100工作狀態的信號。具體地說，在步驟S41中認為馬達驅動器100處於耗電狀態，則發送一表示馬達驅動器100處於耗電狀態的信號至中央處理單元135；以及在步驟S41中認為馬達驅動器100處於發電狀態，則發送一表示馬達驅動器100處於發電狀態的信號至中央處理單元135。例如可以採用高電平信號和低電平信號區別馬達驅動器100的兩種不同狀態：閾值判斷器M向中央處理單元135發送一高電平信號，表示馬達驅動器100處於耗電狀態；以及閾值判斷器M向中央處理單元135發送一低電平信號，表示馬達驅動器100處於發電狀態。

步驟S43，中央處理單元135根據收到的信號對馬達驅動器100的工作狀態作出判斷，如果馬達驅動器100處於發電狀態，則執行步驟S44，如果馬達驅動器110處於耗電狀態，則返回步驟S40，即不做任何動作，繼續返回實施上面的監控步驟繼續進行檢 測和採樣。

步驟S44，中央處理單元135控制傳輸單元133中的脈寬調變器2332和開關器件2333將馬達驅動器100產生的能量回饋至供電網路150，脈寬調變器2332從中央處理單元135獲得採樣信號，並以此控制開關器件2333傳輸至供電網路150的電流與供電網路150的固有電流同步。

該上述僅是本發明的優選實施例，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和修飾，這些改進和修飾也應視為本發明的保護範圍。

100‧‧‧馬達驅動器

110‧‧‧交流電抗器

130‧‧‧電能回饋裝置

131‧‧‧取樣單元

133‧‧‧傳輸單元

135‧‧‧中央處理單元

137‧‧‧通訊端口

139‧‧‧外部多功能端子

150‧‧‧供電網路

1311‧‧‧電壓檢測器

1312‧‧‧電流檢測器

2331‧‧‧檢測器

2332‧‧‧脈寬調變器

2333‧‧‧開關器件

S40~44‧‧‧實施例步驟

第1圖係根據本發明實施例中該電梯的控制系統結構示意圖。

第2圖係根據本發明中第1圖所示控制系統的一種具體架構圖。

第3圖係根據本發明第2圖對應之配電圖。

第4圖係根據本發明實施例中該電能回饋方法的實施步驟示意圖。

100‧‧‧馬達驅動器

110‧‧‧交流電抗器

130‧‧‧電能回饋裝置

131‧‧‧取樣單元

133‧‧‧傳輸單元

135‧‧‧中央處理單元

137‧‧‧通訊端口

139‧‧‧外部多功能端子

150‧‧‧供電網路

Claims (13)

1. 一種電梯的電能回饋裝置，包括：一中央處理單元；一傳輸單元；及一取樣單元，該取樣單元電性連接該電梯的供電網路以及該中央處理單元，用以採集該供電網路的交流電信號，並將採集到的交流電信號輸入至該中央處理單元，其中該傳輸單元電性連接該電梯的馬達驅動器，並藉由一交流電抗器電性連接該供電網路，該馬達驅動器處於耗電狀態時，藉由該傳輸單元將該供電網路的能量輸送至該馬達驅動器，以及該馬達驅動器處於發電狀態時，藉由將該馬達驅動器產生的直流電逆變成交流電傳輸至該供電網路，以使該傳輸單元將該馬達驅動器產生的能量回饋至該供電網路，該中央處理單元電性連接該傳輸單元，用以將該取樣單元獲得的該交流電信號輸入至該傳輸單元。
2. 如申請專利範圍第1項之電梯的電能回饋裝置，其中該傳輸單元包括一檢測器、一脈寬調變器和一開關器件；該開關器件與該馬達驅動器電性連接，並藉由該交流電抗器與該供電網路電性連接，以在該馬達驅動器處於耗電狀態下將該供電網路的交流電整流成直流電傳輸至該馬達驅動器，並在該馬達驅動器處於發電狀態下將該馬達驅動器產生的該直流電逆變成該交流電傳輸至該供電網路； 該檢測器電性連接該馬達驅動器以及該中央處理單元，用以檢測該馬達驅動器的工作狀態，並將檢測到的該馬達驅動器的工作狀態輸入至該中央處理單元；該脈寬調變器電性連接該中央處理單元以及該開關器件，用以獲得該供電網路的該交流電信號，並在該馬達驅動器處於發電狀態下控制該開關器件傳輸至該供電網路的電流與該供電網路的固有電流同步。
3. 如申請專利範圍第2項之電梯的電能回饋裝置，其中該檢測器包括一電容和一閾值判斷器，該電容電性耦接至該馬達驅動器，該閾值判斷器電性耦接至該電容和該中央處理單元，用以將該電容兩端的電壓與一電壓閾值進行比較，並根據比較結果向該中央處理單元發送控制信號。
4. 如申請專利範圍第1項之電梯的電能回饋裝置，其中包括一通訊端口，該通訊端口與該中央處理單元電性連接，用於向匯流排彙報該電能回饋裝置的工作參數。
5. 如申請專利範圍第4項之電梯的電能回饋裝置，其中該工作參數包括工作時間、能量回饋的總能量以及回饋頻率。
6. 如申請專利範圍第1項之電梯的電能回饋裝置，其中包括一外部多功能端子，該外部多功能端子與該中央處理單元電性連接，該外部多功能端子用於連接一外部控制裝置，以控制該電能回饋裝置的啟動、停止，並提取該電能回饋裝置的故障碼。
7. 如申請專利範圍第1項之電梯的電能回饋裝置，其中該取樣 單元包括一電壓檢測器和一電流檢測器，該電壓檢測器用以採集該供電網路的交流電壓信號，以及該電流檢測器用以採集該供電網路的交流電流信號。
8. 如申請專利範圍第1項之電梯的電能回饋裝置，其中該馬達驅動器的發電狀態對應於該電梯的空載上行或滿載下行。
9. 一種電梯之電能回饋方法，如申請專利範圍第1項之裝置包括以下步驟；採用該取樣單元採集該供電網路的交流電信號；該傳輸單元檢測該馬達驅動器的工作狀態，並將檢測到的該馬達驅動器的工作狀態發送至該中央處理單元；如果該馬達驅動器處於發電狀態，藉由將該馬達驅動器產生的直流電逆變成交流電傳輸至該供電網路，以使該中央處理單元控制該傳輸單元將該馬達驅動器產生的能量回饋至該供電網路，回饋電流受該取樣單元所採集的信號控制，以保證與該供電網路的固有電流同步。
10. 如申請專利範圍第9項之電梯的電能回饋方法，其中該傳輸單元包括一檢測器、一脈寬調變器和一開關器件；該傳輸單元檢測該馬達驅動器的工作狀態的步驟包括採用該檢測器檢測該馬達驅動器的工作狀態，並將檢測到的該馬達驅動器的工作狀態發送至該中央處理單元；該回饋電流受該取樣單元所採集的信號控制該脈寬調變器從該中央處理單元獲得該交流電信號，並以此控制該開關器件傳輸至該供電網路的交流電流與該供電網路的固有電流同步。
11. 如申請專利範圍第10項該電梯的電能回饋方法，其中該檢測器包括一電容和一閥值判斷器，該電容電性耦接至該電梯的馬達驅動器，該閥值判斷器電性耦接至該電容；採用該檢測器檢測該電梯的馬達驅動器的工作狀態包括採用該閾值判斷器將該電容兩端的電壓與一電壓閥值進行比較，並根據比較結果向該中央處理單元發送表示該馬達驅動器工作狀態的信號。
12. 如申請專利範圍第11項該電梯的電能回饋方法，其中該閾值判斷器向該中央處理單元發送一高電平信號，以表示該馬達驅動器處於耗電狀態；該閥值判斷器向該中央處理單元發送一低電平信號，以表示該馬達驅動器處於發電狀態。
13. 一種電梯，該電梯包括一馬達驅動器、一交流電抗器以及如申請專利範圍第1項該電能回饋裝置。