升降设备的电力控制装置的制作方法

专利名称：升降设备的电力控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种升降设备的电力控制装置，特别是涉及一种可有效消除谐波与处理回授电力的升降设备的电力控制装置。
背景技术：
近十年来经济快速发展及生活品质的高度提升，工业用电及民生用电大幅成长。为符合供电品质，必须在适当地点大量增设发电厂及输配电设备。但由于环保意识的高涨的结果，发电厂与变电厂用地难觅，使电力公司对提高供电品质的计划无法按期推展。最近几年开始供电量更亮起了红灯，尤其炎夏尖峰用电时刻，几乎已经面临随时限电的危机，在电力调度已百般困难之际，焉能兼顾供电品质。
今日为提高产品品质或工作效率，大多数工厂或办公室的机器设备，已采用自动化设备。这些自动化设备，操作运转时会产生大量谐波(Harmonic)或突波注入电力系统，影响邻近地区用户的供电品质。进一步来说，造成供电品质降低的交流电源干扰原因大致可分成瞬时压降与高次谐波两大类。瞬时压降的引起原因包括雷电交流、开关突破、短路或接地事故、工厂内大电力电动机、电焊机及电气体炉等启闭所引起的突波、大楼升降梯、空调机启闭所引起的突波等等。引起高谐波的原因则为大型闸流体应用机器，例如反相器(Inverter)、电动机调速器、电炉控温器、调光器、电磁炉、微波炉等。上述高谐波的困扰因素，日常生活中随处可见，对供电品质的影响非常大，轻者影响音质或映像，重者将伤及电器设备或缩短电气设备的使用寿命。所以，目前电气设备通常都搭配一电力控制装置，以尽量消除市电中的瞬时压降与高谐波等等的干扰成分，尤其对较不容许故障发生的电气设备来说电力控制装置更为重要，例如像电梯、手扶梯之类的升降设备。
如图1，一种以往升降设备的电力控制装置1用以控制一电源11至一电动机12间的电力转换。此升降设备是以电梯为例，电源11所供应的电力是三相电力R、S、T。电动机12用以控制卷上机13的转动，并且把一端有车箱14与一端有平衡重锤15的钢丝索16绕设于卷上机13上。电力控制装置1具有一转换器(converter)17、一电容器18与一反相器19。如此，当电源11的交流电力馈入电力控制装置1后，转换器17会把其转换成直流电力，并经电容器18馈入反相器19，其后反相器19受PWM(Pulse width modulation，脉波宽度调变)控制电路191的控制而转换直流电力成变压变频交流电力输出至电动机12，以使电动机12因电力作动而驱动车箱14上升或下降。
如此，以往电力控制装置1虽将电源11转换适合电动机12作动的电力，然而由于转换器17为二极管整流器，其只能有效把交流转换成直流并无法有效消除谐波。然而，诚如前述，日常生活中引起谐波的因素愈来愈多，而且即便电源11供应几乎无谐波的电力，电力控制装置1中的转换器17与反相器19的作动也可能引起谐波，致使以往电力控制装置1无法提供足够好品质的电力，连带使得升降设备发生故障的机率随之提高，使得因谐波而引起的升降设备故障甚至烧毁的新闻时有所闻。因此，为了安全性的考量，人们对电力控制装置1的要求不再只限于电力转换并且希望其能有效提高消除谐波的能力，使得多种有效消除谐波的方法纷纷出现，例如使用PWM开关电路(如图1中为PWM开关电路的反相器19)作为转换器17或者在电源11与转换器17间搭配一主动滤波器(Activefilter)等等。
图2显示一种以往主动滤波器2的详细电路图。此主动滤波器2连接于电源11供应电力至转换器17的线路20上(若为图1的三相电力，则线路20应为三条线路，为说明方便在此则以一条代表)。首先假定馈入转换器17的负载电流IL波形如图3，其由电源11供给正弦波电流I1与谐波Ih所构成。如此，主动滤波器2的谐波运算器(Harmonicaccumulator)21会感测线路20的负载电流IL以分离出如图4的谐波电流Ih。同时，直流电压控制器23会依PWM开关电路22中的电容器221电压Vd(此电压Vd与电力控制装置1的电容器18的电压相同)、一预定电压Vdf和电源11的电压Vs来产生一比较信号Ia，而后把比较信号Ia与谐波电流Ih比较运算后与自PWM开关电路22感测所得的电流Ic馈入闸极脉波产生器24以产生令PWM开关电路22中的各晶体管222激活或关闭的控制信号输入PWM开关电路22，以使PWM开关电路22输出与谐波电流Ih反相的补偿电流Ic(如图5)以馈入线路20，如此线路20上的谐波电流Ih会与补偿电流Ic相互抵消。因而，可解决以往电力控制装置1的无法有效滤除的缺憾。
另外，由于升降设备中电动机12可能因卷上机13转动方向与因车箱14侧重量与平衡重锤15的重量间的差异来决定驱动运转或回授运转。详细来说，当机箱14承载相当于定员的载重而上升时，电动机12为驱动运转而接收反相器19所提供的电力。相反地，相同情况下机箱14下降时，则电动机12会回授运转而产生回授电力至电容器18。如此，当回授电力大于电容器18所能负载时，则会导致组件烧毁。所以，目前存在多种解决回授电力的方法，其中一种即是由日商三菱电机股份有限公司于台湾第75200221号专利案提出的“一种控制升降机回授电力的处理装置”，其是将回授电力经一电力回授处理器回收使用。
图6是一种PWM方式的电力回授处理器3。此处理器3大致具有直流电压控制器31、一闸极脉波产生器32与一PWM开关电路33。PWM开关电路33中的电容器331与图1中的电力控制装置1的电容器18并联而具有相同的电压Vd。当电容器331的电压高于一预定电压Vdf时，则直流电压控制器31会依PWM开关电路33中的电容器331电压Vd、预定电压Vdf和电源11的电压Vs来产生一同步比较信号Ia，而后把同步比较信号Ia与自PWM开关电路33感测所得的电流Ic比较运算后馈入闸极脉波产生器32，以产生令PWM开关电路33中的各晶体管332激活或关闭的控制信号输入PWM开关电路33，以使PWM开关电路33把储存于电容器331中的电力转换成与电源11的电力同相的回收电力馈入电源11，以供再使用。如此，不但可解决回授电力过高而导致故障的问题且也可将回授电力再生利用。另外，PWM电力回授处理器3可作为PWM转换器，以消除谐波，然而其所需的功率必需与电动机12的功率相当，例如原本若只作为回授电力处理用时则其功率可能只需电动机12的功率的二分之一，而作为转换器时，则须等于电动机12的功率，造成兼具消除谐波与回授电力处理的PWM电力回授处理器3的所需功率相当大，而体积与价格是随功率增加而数倍成长，致使回授电力处理器3的体积也相当大且价格不斐。
所以，倘若利用PWM电力回授处理器3来处理谐波与回授电力的问题，则存在功率大、体积大与成本高的缺点。反观主动滤波器2可以较低功率容量(如电动机12的功率二分之一)来提供消除谐波的功能，相较于PWM电力回授处理器3的消除谐波功能，具有功率较低、体积小与成本低的优点，然而却无法解决回授电力再生的问题。因而，倘若消除谐波功能能由主动滤波器2来提供，则回授电力处理器3的所需功率只需符合回授电力要求即可，因而可解决功率大、体积大与成本高的缺点。然而，若直接令升降设备的电力控制装置搭配一主动滤波器2与一电力回授处理器3，以分别供消除谐波与电力再生时使用，以利用较低功率的主动滤波器2与电力回授处理器3来取代原本高功率的电力回授处理器3，因而可达到功率与成本降低的功效，然而由于消除谐波与回授电力回收的功能各别为单一机台，致使成本与体积仍然高居不下。
实际上，主动滤波器2与电力回授处理器3的电路架构相当类似，都具有PWM开关电路22、33、直流电压控制器23、31与闸极脉波产生器24、32，且两者的使用时机是错开，主动滤波器2是于供应电力时，而电力回授处理器3是于电力回授时。所以，本案发明人思及若以单一装置来提供主动滤波器2与电力回授处理器3的两种功能，则相对于原本同时使用两者的情况下，则可有效降低功率、成本与体积。

发明内容
本发明的一目的在于提供一种升降设备的电力控制装置，以达到兼顾消除谐波与电力回授使用功能的功效。
本发明的再一目的在于提供一种升降设备的电力控制装置，以达到降低功效的功效。
本发明的另一目的即在提供一种升降设备的电力控制装置，以达到降低成本的功效。
本发明的再一目的，即在提供一种升降设备的电力控制装置，以达到缩小体体的功效。
所以，本发明的升降设备的电力控制装置包含一转换器、一电容器、一反相器及控制集合，其中，该转换器用以转换一电源的交流电力成直流电力；该电容器是连接于该转换器的输出侧；该反相器转换该电容器的直流电力成变压变频交流电力予一电动机，该电动机接受该反相器的电力以驱动一负载上升或下降；以及该控制集合连接该电容器与该转换器的输入侧并切换于一第一状态与一第二状态中的一个，当该控制集合感测到该电容器的电压小于一预定值时，则该控制集合位于该第一状态并消除该电源的交流电力中的谐波，以提供主动滤波功能，而当该控制集合感测到该电容器的电压大于该预定值时，则该控制集合位于该第二状态并将该电容器的电力回馈予该电源，以提供回授电力转换功能。


图1是一种以往升降设备的电力控制装置的示意图，此电力控制装置是搭配一为电梯的升降设备使用；图2是一种以往电力控制装置的主动滤波器的详细电路图；图3是图2中的负载电流IL的一范例的波形图；图4是图2中的负载电流IL中谐波电流Ih的波形图；图5是图2中由主动滤波器输出的补偿电流Ic的波形图；图6是一种以往电力控制装置的回授电力用的PWM方式的转换器的详细电路图；图7是本发明的较佳实施例的详细电路图。
具体实施例方式
为了说明的目的，以下实施例中的升降设备是以电梯为例，然而熟习此技者当知升降设备也可为其它种类的可提供上升与下降的升降设备，例如手扶梯，并不受限于本文的说明。
如图7，本发明的升降设备的电力控制装置4的一实施例包含一转换器41、一电容器42、一反相器43、一电动机44及一控制集合5。
转换器41用以转换一电源6的交流电力成直流电力。电容器42连接于转换器41的输出侧411。反相器43转换电容器42的直流电力成变压变频交流电力及一电动机44受供反相器43的电力并驱动一负载71(如车箱)上升或下降。本例中电源6供给三相交流电力，转换器41是三相桥式整流器，反相器43是PWM方式的反相器而具有一PWM开关电路431与一控制PWM开关电路431的PWM控制电路432。另外，电动机44取决于负载71与平衡重锤72间的重量差与负载71的行进方向(上升或下降)的因素而决定于驱动运转或回生运转。在此，由于前述组件41-44并非本案的改良重点而且为熟习该项技艺者所熟知，所以不在此赘述。
本案的改良重点在于令控制集合5具有可于不同状态提供滤除谐波与电力回生的功能。控制集合5是连接电容器42与转换器41的输入侧412并切换于一第一状态(指电力驱动状态)与一第二状态(指电力回生状态)中的一个，当控制集合5感测到电容器42的电压小于一预定值Vdcf时，则控制集合5位于第一状态并消除电源6的交流电力中的谐波，以提供主动滤波功能。而当控制集合5感测到电容器42的电压大于预定值Vdcf时，则控制集合5位于第二状态并把电容器42的电力回馈予电源6，以提供回授电力转换功能。本例的控制集合5具有一谐波运算器(Harmonic accumulator)51、一直流电压控制器(DC voltagecontroller)52、一闸极脉波产生器53、一PWM开关电路54、一开关55、两组电流检知器56、57、一电压检知器58及一比较器59。
谐波运算器51接收经电流检知器56感测到转换器41输入侧412的三相电源线路61、62、63合成的负载电流IL并分离输出负载电流IL中的谐波电流Ih。本例的谐波运算器51具有一基本波计算器(fundamentalcalculator)511与一比较器512。基本波计算器511连接电流检知器56(指第一电流检知器)以接收负载电流IL并依负载电流IL来计算出电源6输出的基本波电流I1(此基本波电流I1指由电源6输出未经谐波干扰的原始电流)。而后，比较器512接收负载电流IL与基本波电流I1以比较输出谐波电流Ih。
直流电压控制器52具有一比较器521、一自动电压调整器(AutomaticVoltage Regulator，AVR)522及一乘法器523。比较器521接收一电压Edc与预定值Vdcf以比较出两者间的电压差输入自动电压调整器522，以运算作适当补偿输出一比较电流Iar，而后比较电流Iar与经一电压器转换电源6的电压Vs经乘法器523相乘后产生一可变大小并与电源电压同步的正弦波信号IC。另外，电压Edc是由电压检知器58感测PWM开关电路54中的电容器541所得到，电容器541与位于转换器41与反相器43间的电容器42并联而具有相同电压值。
开关55连接谐波运算器51的输出侧(即谐波运算器51的比较器512的输出端)与比较器59，且开关55于第一状态时开启(ON)以使谐波电流Ih可馈入比较器59。相反地，当第二状态时，开关55则关闭(OFF)而使谐波运算器51与比较器59不再电性连接。此时，比较器59于第一状态时会比较运算谐波电流Ih与正弦波信号IC后输出一第一电流Iar*。另外，开关55可利用软件或硬件方式来实现，而本例中的开关55是以软体操控来实现，即是以软件控制谐波电流Ih是否馈入比较器59。
闸极脉波产生器53具有一比较器531、一自动电流调整器(AutomaticCurrent Regulator，ACR)532与一PWM控制器533。比较器531比较运算第一电流Iar*与第二电流Ia(第二电流Ia是由电流检知器57(即第二电流检知器)检测PWM开关电路54的输出侧540所得到的电流信号)馈入自动电流调整器532运算补偿后输入PWM控制器533，以使PWM控制器533据以输出一可变频宽、可变电压的PWM方波，以控制PWM开关电路54中的各晶体管542的启闭。如此，可于第一状态因闸极脉波产生器53的控制而输出反相谐波信号Ih以消除负载电流IL中的谐波电流Ih，并于第二状态中把储存于电容器541中的电力转换成与电源6的电力同相的再生电力馈入电源6。
另外，电力控制装置4更包含一回授电力消耗电路45，是于电动机44变更成回授电力的状态时，保护消耗回授电力系统万一未动作时的电路。本例的回授电力消耗电路45位于转换器41的输出侧411并与电容器42并联，及串接有一回生电阻451与一为晶体管的开关452，此开关452是于电动机44变成回授电力并超过某一危险值(此危险值高于预定值Vdcf并低于电容器42的耐压值)时被导通，以实时消耗电容器42的电压值Vdc，因而可降低电力控制装置4故障的机率，以达到提高产品稳定性的功效。举例来说，假定电容器42的耐压值为450V、预定值Vdcf为370V、危险值为390V时，若电容器42的电压值Vdc为340V时，则位于第一状态，电动机44自电源6接收电力而处于电力驱动状态。而当电容器42的电压值Vdc为370V时，则控制集合5由第一状态变更成第二状态且电动机44也变成电力回生运转状态以回馈电力予电源6，此时回授电力消耗电路45并未被激活。当电动机44已变成电力回生运转而控制集合5却未进入第二状态来实时处理回授电力时，则电容器42的电压值Vdc会持续攀升，而当电压值Vdc升高至390V，则开关452会被激活以利用回生电阻451来消耗电容器42储存的回生电力。如此，搭配回授电力消耗电路45，可于当控制集合5未适时作动时的实时消耗电力的保护措施，进而达到避免故障与提高安全性的功效。
依据前述组件与相互关系，在下文中将分别针对第一状态与第二状态信号处理过程说明，以使本实施例更容易被了解。
(1)第一状态当由电力控制装置4供给电力予电动机44而电容器541的电压Edc(也可指电容器42的电压)小于预定值Vdcf时，则控制集合5作动于可视为主动滤波器功能的第一状态并开启控制集合5中的开关55。如此，控制集合5中的谐波运算器51会经电流检知器56接收负载电流IL并经运算后分析出负载电流IL中的谐波电流Ih。同时，直流电压控制器52比较预定值Vdcf与电容器541的电压Edc后，并经运算补偿后与电源6的电压Vs相乘积，以产生正弦波信号IC。而后，正弦波信号IC与谐波电流Ih相比较运算后(此时比较运算的结果Iar*会与谐波电流Ih大小相同)，再次与电流检知器57感测的电流Ia相比较，最后经闸极脉波产生器53产生控制PWM开关电路54的可变频宽、可变电压的PWM方波，以产生反相的谐波电流IL馈入转换器41的输入侧412线路，进而消除负载电流IL中的谐波电流Ih。
(2)第二状态当负载71与平衡重锤72的比例不相等而电动机44进入发电机状态(回生电力状态)时，则控制集合5会进入第二状态(电力回生状态)中且开关55会关闭(即开路，致使谐波电流Ih无法输入比较器59)。如此，直流电压控制器52比较预定值Vdcf与电容器541的电压Edc后，并经运算补偿后与电源6的电压Vs相乘积，以产生正弦波信号Iar*，再与电流检知器57的电流Ia相比较后，以经闸极脉波产生器53产生可变频宽、可变电压的PWM方波，以控制PWM开关电路54把电容器541中过多的回授电力送回电源6中，以达到电力回收使用的功效。在此，电源电压VS相乘积的信号与经电流检知器57的电流Ia作比较，主要是为了产生与电源6的电压相同相位且为正弦波的回馈电流(即由PWM开关电路54输出的电流)，以降低回馈电流中的高次谐波(THID)。另外，当控制集合5位于第二状态时，可令谐波运算器51关闭而不作动，以进一步节省电力消耗。
综前所述，本发明的电力控制装置4确实可借由控制集合5，在第一状态(电力供应)时提供主动滤波功能，以消除负载电流IL中的谐波电流Ih，并于第二状态(电力回授)时提供电力回授转换，以把过多回授电力转换成与电源6的电压VS同相的回馈电流回授至电源6，以达到利用单一的控制集合5兼顾主动滤波与电力回授转换功能的发明目的。如此，控制集合5可于第一状态时，消除负载电流IL中谐波电流Ih且搭配转换器41整流可消除负载电流IL中的脉波电流(非正弦波电流)，以使于转换器41输出侧411的电流为未含谐波电流Ih并为正弦波的直流电力，及控制集合5于第二状态时可把电容器541中过多回授电力转换成与电源6的电压同相位的回馈电流回授至电源6。因此，由于在消除谐波时，主动滤波器的所需功率甚低于电力回授处理器3(例如二分之一或三分之一)，所以本发明的控制集合5要求的功率会甚低于电力回授处理器3，而可达到功率低、体积小与成本低的功效。另外，倘若相较于分别搭配一主动滤波器2与一电力回授处理器3的方式，本发明的电力控制装置4以单一控制集合5来达到兼顾主动滤波与回授电力转换功能，因而也可达到成本与体积大幅降低的功效。
权利要求
1.一种升降设备的电力控制装置，其特征在于其包括有一转换器，用以转换一电源的交流电力成直流电力；一电容器，是连接于该转换器的输出侧；一反相器，是转换该电容器的直流电力成变压变频交流电力予一电动机，该电动机接收该反相器的电力以驱动一负载上升或下降；以及一控制集合，连接该电容器与该转换器的输入侧并切换于一第一状态与一第二状态中的一个，当该控制集合感测到该电容器的电压小于一预定值时，该控制集合位于该第一状态并消除该电源的交流电力中的谐波，以提供主动滤波功能，而当该控制集合感测到该电容器的电压大于该预定值时，该控制集合位于该第二状态并把该电容器的电力回馈予该电源，以提供回授电力转换功能。
2.如权利要求1所述的升降设备的电力控制装置，其特征在于该控制集合包含一谐波运算器，是连接该转换器的输入侧并用以由该电源的电力中运算出其包含的谐波；一开关，具有一第一端与一第二端，而该第一端是连接该谐波运算器，且该开关于该第一状态开启以使该谐波经该开关传送至该第二端，与位于该第二状态时关闭以使谐波不再经该开关传送至第二端；一脉波宽度调变单元，是连接该开关的第二端，而于该第一状态接收该谐波累计器的谐波并输出与该电源的交流电力中的谐波反相的信号，以消除该交流电力中的谐波，以及于该第二状态中将自该电容器的电力转换回馈予该电源。
3.如权利要求2所述的升降设备的电力控制装置，其特征在于该脉波宽度调变单元具有一直流电压控制器，是比较该电容器的电压与该预定值并经补偿运算再与该电源的电压比较后输出；一比较器，是于该第一状态自该谐波运算器接收谐波与该直流电压控制器输出的信号比较后输出，而于该第二状态时直接输出该直流电压控制器的信号；一闸极脉波产生器，是依照该比较器的输出信号输出一可变频宽与可变电压的方波；及一脉波宽度调变电路，是依照该闸极脉波产生器输出方波控制而于该第一状态输出与该谐波反相的信号与于该第二状态转换该电容器储存的电力为与该电源的电力同相的电力以回馈至该电源。
4.如权利要求2所述的升降设备的电力控制装置，其特征在于该控制集合更包含一第一电流检知器，用以感测该转换器的输入侧的电流以输入该谐波运算器。
5.如权利要求3所述的升降设备的电力控制装置，其特征在于该控制集合更包含一电压检知器，用以感测该电容器的电压并输入该直流电压控制器。
6.如权利要求3所述的升降设备的电力控制装置，其特征在于该控制集合更包含一第二电流检知器，用以感测该脉波宽度调变电路的输出侧的电流并馈入该闸极脉波产生器，以使该闸极脉波产生器将该比较器的输出信号与该电流比较后始输出一可变频宽与可变电压的方波。
7.如权利要求1所述的升降设备的电力控制装置，其特征在于该电力控制装置更包含与该电容器并联的一回生电阻与一该电阻串联并的开关，而该开关是于第二状态中适时激活以使该回生电阻消耗该电容器的电力。
8.如权利要求1所述的升降设备的电力控制装置，其特征在于该开关是该电容器的电力超过一危险值时被激活，以使该回生电阻动作，而该危险值是高于该预定值。
9.如权利要求7所述的升降设备的电力控制装置，其特征在于该开关是一晶体管。
全文摘要
一种升降设备的电力控制装置，是用于控制一电源与一电动机间的电力，并包含一转换器、一电容器及一反相器，其特征在于，该电力控制装置更包含一控制集合，是可于一第一状态作为主动滤波器与一第二状态作为电力回授转换器，以达到兼顾消除谐波与回授电力再生利用的功效。
文档编号H02J3/01GK1508962SQ0215659
公开日2004年6月30日 申请日期2002年12月13日 优先权日2002年12月13日
发明者庄文伟, 张兴三, 王秋竹, 颜睿廷, 陈建仁 申请人:永大机电工业股份有限公司