電梯節能新技術探討

前言

台灣的能源消費結構中，以電力消費所佔比例最高達42%，可知我們對電力依賴之深。現今大樓與公寓的電梯使用越來越頻繁，在對電梯用電情況調查統計中，電梯用電量占總用電量約17%，僅次於空調用電量，高於照明、供水等的用電量。電梯屬於成熟產品，若有電力回收功能之設計，則可以減少能源消耗並增加使用效益。以下將針對電梯主要耗能部份作探討，從比較電梯驅動系統過程中，分析舊有及新式驅動系統架構之優缺點，比較感應馬達與永磁式馬達其運轉效率的差異，進而達到正確之選用及長期節能之目的。

電梯運轉模式

鋼索牽引式電梯 圖一，電梯上升時由捲上馬達機構順時針轉動，來驅動昇降鋼索使車廂鋼索輪帶動車廂上昇運轉，同時電梯下降時由捲上馬達機構逆時針轉動來驅動昇降鋼索使車廂鋼索輪帶動車廂下降運轉，在電梯車廂的另一側配置有平衡配重裝置，其配重裝置重量為車廂積載重量的45%-50%，係以馬達的最佳效率計算結果為配重依據，計算資料參考如下：

馬達昇降 kw計算式

KW = [( L*V*(1-F))/(6120*η)]+H0

L：定格容量(例1150kg)

V：速度(例105m/min)

(1-F)：配重率(不平衡量) (例 50%，不平衡量為0.5，30%時，不平衡量為0.7)

η：捲上機效率(例 0.855)

H0：馬達損失(例 2kw)

由上列馬達昇降kw計算式可得知，當選擇配重率50%(不平衡量0.5)時，計算出馬達所需馬達kw值最小，故馬達容量可降低，若不平衡量變更提高時，則馬達容量要提高，直接影響能源消耗。

電梯之控制系統名稱為VVVF控制(Variable Voltage Variable Frequency Inverter)驅動系統迴路，分為：(1)傳統制動煞車電阻式、(2)電能再生轉換式兩種，其動作原理為客戶端輸入三相電源經三相全波整流成直流電源再經由變頻器作PWM控制(Pulse Width Modulation)，驅動感應馬達之正反轉，以達到電梯之上行運轉與下行運轉，兩行程之過程以電力消耗區分為耗電運轉(力行運轉)與回生運轉：

耗電運轉(力行運轉)Powered operation 圖二

電梯重載(積載量45%-50%以上)上升運轉或輕載(積載量低於45%-50%)下降運轉，捲上馬達需出力運轉，此時馬達為電動機狀態，由外部電力來供電運轉，即稱為力行運轉即是電力耗能運轉。

回生運轉 Regenerative operation 圖三

電梯重載下降(積載重量45%-50%以上)運轉或輕載上昇(積載重量低於45%-50%)運轉，捲上機馬達不需出力，因重力關係，此時捲上馬達像發電機一樣發電。

當積載重量1,000公斤的電梯，平衡配重裝置的重量為500公斤，利用由捲上馬達機構正反轉及昇降鋼索磨擦力，帶動車廂進行上下昇降運轉，當車廂上升時會耗費最高電能，當積載重量1,000公斤的電梯，平衡配重裝置的重量為500公斤，當車廂下降時傳統電梯設備會將能量由電阻以熱能消耗，即是一般傳統制動煞車電阻式之系統 圖四，鋼索式電梯於鋼索兩頭分別為車廂與配重，配重重量標準設定為積載量的50%，當煞車器放開時車廂重量大於配重重量時，車廂受重力的影響將往下行方向移動，如電梯前往方向向下則為回生狀態，如為相反方向則為力行狀態，回生狀態時馬達為不需施力狀態，馬達將被鋼索帶動旋轉故馬達為發電機狀態。而力行狀態時馬達需施力，馬達轉動帶動鋼索故其為電動機狀態。當回生狀態時馬達為發電機狀態將產生電能，傳統制動煞車電阻式於回生產生電能時以電阻轉化為熱能消耗回生電力。

電梯回生運轉發電回收

電梯於回生運轉過程中有捲上機馬達產生發電機效應，利用新式節能系統能將發電之電能與目前市電並聯有別於一般傳統方式將透過電阻將電能轉為熱能消耗廢棄。

電力回收

過去馬達產生的電能是以熱能形式消耗掉，但是若有回生能源轉換器可將捲上馬達產生的電能轉換後傳送至大樓配電系統並與市電提供的電力一起為大樓的電力網絡供電。

電能再生轉換式 圖五

其動作原理差異部分為其輸入與輸出為雙向，其可將電力反饋至客戶端電源之電力系統，將原本於制動煞車電阻式以電阻轉化為熱能消耗回生電力所浪費之回生電力再利用，因其驅動回路上需將原本使用之整流模組變更為變頻器。以長期使用來看，此部份之電力回饋將有效益出現，特色為下列幾點：

• 取代傳統煞車電阻，減少熱能產生。
• 可有效減少電力網路中的諧波電流，諧波失真約≦5%。
• 可提升電路功率因數，功率因數約達≧95%
• 回生電力可對電網中其他電器供電，節能效果約達30%。

電梯驅動迴路優缺點比較

傳統制動煞車電阻式，適用低速低容量使用，容量越大速度越高則成本越高。於低速低容量時因回生電力較少，若使用電能再生轉換式時，成本回收困難。家用電梯因使用次數較少，使用電能再生轉換式於效益上亦無法明顯顯現。

電能再生轉換式適用於運轉頻繁與高樓層、高容量、高速度之電梯，高樓層時回生時間較長可回收電力較多，高容量與高速度使用傳統制動煞車電阻式時散熱較為困難，容量與速度越高兩者間成本差距將會變小兩種方式之比較。 表一

電梯驅動能源節省比較

傳統制動煞車電阻式實測數據 表二

電能再生轉換式實測數據 表三

由 表二、三之電梯750公斤 1.5M/S 9層樓高(25.6公尺)的運轉實測數據來看，我們可以看到傳統制動煞車電阻式一回所消耗功率為41.97Wh，而電能再生轉換式一回所消耗功率為29.34Wh，由此可計算：

省能源比

29.34/41.97*100%=69.9%，約可節省30%電力消耗。

單月耗電量

• 制動煞車電阻式=41.97*150*24*30/1000=4,532.76KWh
• 電能再生轉換式=29.34*150*24*30/1000=3,168.72KWh
  (1回消耗功率*起動頻度*24小時*30天)起動頻度：速度90m/min→150回/時。)

每月電費

• 制動煞車電阻式 1*4532.76=9518.8元 2.
• 電能再生轉換式 2.1*3168=6652.8元

每年節省電費

(9,518.8*12)-(6,652.8*12)= 34,392(元/年)

經實測數值與計算每年可節省電費為34,392元，而電能再生轉換式的特點為行程越高、運行次數越多，其可回收電量越高，為無污染之能源，直接將車廂移動之動能轉化為電能，持續性的回收電力。

創新鐵磁材料永磁式馬達新技術運用

傳統的電梯傳動元件主要是以渦桿渦輪捲上機 圖六，及螺旋齒輪捲上機為主 圖七，其傳動原理如同減速機，是以馬達之高速運轉產生大的動力，通過減速機的輸入軸利用齒數少的齒輪，齧合輸出軸上的大齒輪座減速及增加傳動扭力， 達到帶動電梯上行及下行之運轉過程，但隨著材料科學及馬達製造技術的精進，新式電梯採用最先進永磁式馬達作為電梯傳動元件。

捲上機的效率比較 表四

渦桿渦輪捲上機效率

A=Tan(r)/Tan(r+p)*100%

A：效率

r：渦桿的導程角

p=Tan-1(u/ Cos(xn))

u : 渦輪的磨擦係數

xn : 渦輪的法向壓力角

效率的好壞與

1. 渦輪的材質
2. 渦輪的導程角
3. 渦輪的壓力角有關通

若常使用青銅當為蝸輪材質，而導程角小於10度以下，效率通常約為70%左右。

螺旋齒輪捲上機效率

為95%，為齒輪間傳動損失。

永磁式捲上機效率 圖七

因為無齒輪，傳動間並無損失，故傳動效率為100%。

永磁式捲上機

圖八 其特性及優點如下：

• 傳動效率提升。
• 體積減小，重量輕。
• 低噪音，低振動。
• 節能省電，降低CO2排放。
• 無齒輪箱設計不須更換潤滑油，運轉環境更清潔，更環保。構造簡單，減少機房安裝空間。

傳統渦桿齒輪捲揚機與永磁式捲上機之特性比較。 表五

結語

綜合上述，新世代電梯在馬達與捲上機傳動系統之效率研發上有顯著的提升，有效減低運轉時消耗電力並增加了電力回收機能，既可使得電梯回生狀態下所產生之電力供給大樓使用，並減少設置電阻發熱所產生之空調負荷，在高電價趨勢的今日，更值得進一步的推廣與應用。