CN102107805A - 电梯的速度控制装置以及速度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电梯的速度控制装置以及速度控制方法，通过逆变器的三相调制控制进行起动，在刚起动后的加速区域(jerk region)内的30m/min以下的第一规定速度从三相调制控制切换到二相调制控制。在减速时，在比第一规定速度低的第二规定速度从二相调制控制切换到三相调制控制。由此在降低驱动电梯的逆变器的开关损耗的同时防止乘坐舒适性变差。

Description

电梯的速度控制装置以及速度控制方法

技术领域

本发明涉及一种电梯的速度控制装置和速度控制方法，尤其是涉及一种能够在降低损耗的同时防止乘坐舒适性变差的电梯的速度控制装置以及速度控制方法。

背景技术

在现有的电梯中，用于驱动电动机的逆变器采用三相调制方式进行控制。

与此相对，在专利文献1所公开的电梯系统中，采用二相调制方式进行控制，由此来降低开关动作时的损耗。

二相调制方式如专利文献2所公开的三相电压型逆变器的PWM控制方法那样，通过将三个输出相中的一个输出相周期性地控制成始终处于ON状态或者始终处于OFF状态，能够降低开关动作时的损耗。

此外，在专利文献3所公开的节电型电梯系统中，在电梯轿厢的负载量较大的重负载期间，将调制方式从三相调制方式切换为二相调制方式。

另外，在专利文献2和专利文献4所公开的PWM逆变器装置中，虽然不以电梯为对象，但根据逆变器的输出电压进行三相调制方式和二相调制方式之间的切换。

通过采用二相调制方式，能够降低各相的开关元件的开关动作次数，从而能够降低开关动作时产生的开关损耗，因此，二相调制方式不仅在专利文献1中得到采用，而且在通用型的逆变器等中也得到了广泛的采用。

专利文献1：日本国专利特开2006-131397号公报

专利文献2：日本国专利特开平1-274669号公报

专利文献3：日本国专利特开2007-254069号公报

专利文献4：日本国专利特开昭63-290170号公报

可是，二相调制方式具有以下特性：输出电压越低、逆变器的输出电压的脉宽越窄，在输出极低的电压时，所输出的脉冲的宽度变得非常窄。由于一般的开关元件无法立即对指令脉冲作出响应，所以在输入了脉宽极窄的脉冲指令时，可能会出现开关元件无法响应的情况。此外，即使开关元件作出了响应，也可能出现在完全转变为ON状态之前就返回到OFF状态的情况，可能导致开关元件的使用寿命下降。

在专利文献3中，公开有将电梯轿厢的负载量作为参数，从三相调制方式切换到二相调制方式的方式。例如，在负荷量较大时，由于在刚开始驱动的低电压输出状态下采用二相调制方式进行驱动，所以会出现同样的问题。

此外，作为电梯所特有的课题，由于乘客对电梯的乘坐舒适性具有很高的要求，所以需要尽可能地抑制因电梯轿厢的晃动等而产生不舒适感。可是，在进行三相调制控制和二相调制控制的切换时，有时会对逆变器的输出产生冲击。其原因是在切换时的电压指令的波动和零相电流的波动等的影响下电压指令值会产生脉动。此外，在负荷的惯性力矩(torque)较小时(小型电梯的场合)，上述影响可能变大。

发明内容

本发明的目的在于，针对驱动电梯的逆变器，在抑制乘坐舒适性变差的同时，降低逆变器的开关损耗。

作为上述课题的解决方案，将进行三相调制控制和二相调制控制切换的时间控制在电梯的速度发生变化的加速区域内，或者控制在加速度发生变化的加加速区域(jerk region)内。

本发明的优选实施方式的特点在于，电梯的速度控制装置的主电路由整流器和逆变器构成，通过向电梯驱动用电动机供应经所述逆变器进行了脉宽调制的可变频变压的三相交流电来使电梯轿厢升降，所述电梯的速度控制装置的特征在于，控制所述逆变器的PWM(脉宽调制)控制装置具有调制控制切换单元，在所述电梯的行驶速度或者电梯的行驶速度相当值小于规定值时，所述调制控制切换单元将调制控制设定为三相调制控制，在所述电梯的行驶速度或者电梯的行驶速度相当值超过了所述规定值时，所述调制控制切换单元将调制控制切换为二相调制控制，并且将所述规定值设定为电梯轿厢的行驶速度发生变化的加减速区域内的速度相当值。

本发明的优选实施方式的特点在于，电梯的速度控制方法具有以下步骤：起动加速步骤，对控制所述逆变器的PWM控制装置进行三相调制控制，以使所述电梯起动和加速；切换为二相调制控制的切换步骤，在所述电梯的加速过程中，当所述电梯的行驶速度或者电梯的行驶速度相当值超过了被设定为所述电梯的加速区域内的速度的第一规定值时，将所述PWM控制装置切换为二相调制控制；以及切换为三相调制控制的切换步骤，在所述电梯的减速过程中，当所述电梯的行驶速度或者电梯的行驶速度相当值低于设定得比第一规定值低的第二规定值时，将所述PWM控制装置切换为三相调制控制。

(发明效果)

电梯乘客对恒定速度区域内发生的电梯轿厢的冲击比较敏感，因此当电梯轿厢在该区域内发生冲击时，乘客会感觉到不舒适，但在电梯刚起动时或者电梯即将停靠时的加速区域和加加速区域中，乘客对电梯轿厢的冲击不太敏感。

因此，根据本发明的优选实施方式，在发生了冲击时也能够避免乘客产生不舒适感。

此外，根据本发明的优选实施方式，能够在降低逆变器的开关损耗的同时，防止乘坐舒适性变差。

本发明的其它目的和特征将在下述的实施方式中加以说明。

附图说明

图1是本发明的实施例1所涉及的电梯控制装置的结构示意图。

图2是实施例1的速度指令值和调制切换区域的示意图。

图3是表示三相调制控制方式的电压指令值和线间电压的变化情况的图。

图4是表示二相调制控制方式的电压指令值和线间电压的变化情况的图。

图5是表示实施例1的各种运行距离、加速度、速度指令值和调制切换用的速度阈值的图。

图6是实施例1的调制切换处理的概要说明图。

图7本发明的实施例2所涉及的电梯控制装置的结构示意图。

图8是实施例2的调制切换处理的概要说明图。

图中：1-电源，2-整流器，3-逆变器，4-电动机，5-电梯轿厢，6-平衡重，7-速度指令运算部分，8-速度控制系统，9-电流控制系统，10-指令值运算部分，11-PWM控制部分，12-调制方式选择部分，13-速度阈值设定部分，14-低通滤波器，15-电压阈值设定部分。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的实施方式进行说明。

(实施例1)

图1是本发明的实施例1所涉及的电梯控制装置的结构示意图。电梯由与电源1连接的整流器2、逆变器3、电动机(卷扬机)4、随着与电动机4连接的绳轮的驱动而升降的电梯轿厢5和平衡重6构成。整流器2将从电源1供应的商用频率的交流电变换为直流电。逆变器3将直流电变换为可变频变压的三相交流电后供应给电动机4。电梯轿厢5和平衡重6由与电动机4连接的绳轮悬吊，并且随着电动机4的旋转驱动而进行升降动作。

作为驱动逆变器3用的指令值的生成方法如下：首先，在速度控制系统8中对电动机输出力矩的力矩指令值进行运算，使得从速度指令运算部分7输出的速度指令值与通过安装在电动机4上的未图示的速度检测器获得的速度检测值之间的差值为零。然后，通过电流控制系统9生成第一电压指令值，使得与力矩指令值成比例的电流值和通过与逆变器3的输出连接的未图示的电流检测器获得的电流检测值的力矩电流分量之间的差值为零，并且使得电动机4的磁场分量的指令值与通过所述电流检测器获得的电流检测值的磁场电流分量之间的差值为零。其中，第一电压指令值(v1)根据电流控制系统9的磁场分量的输出(vd)和力矩分量的输出(vq)决定，

$v1=\sqrt{\mathrm{}}(\mathrm{vd}2+\mathrm{vq}2)......\left(1\right)$

由于在一般情况下vq＞vd，所以也可以设定成

此后，在指令值运算部分10中基于由调制方式选择部分11选出的三相调制控制或者二相调制控制的控制方式，根据所述第一电压指令值算出第二电压指令值。在PWM控制部分11中将第二电压指令值与三角波载波进行比较，由此生成用于驱动逆变器3的矩形脉冲状的PWM信号。

在调制方式选择部分12中将从速度指令运算部分7输出的速度指令值与由速度阈值设定部分13设定的速度阈值进行比较，在速度指令值低于速度阈值的区域选择三相调制控制，而在速度指令值高于速度阈值的区域则选择二相调制控制。

图2是表示本发明的实施例1的电梯的一次运行时的速度指令值、速度指令以及速度阈值的情况的示意图。

如图2所示，速度阈值被设定成较低的速度，在三相调制控制下起动，在起动后立刻切换为二相调制控制。在减速时，在减速到十分低速的速度阈值后，在电梯轿厢即将停止之前，切换为三相调制控制。

如图2所示，当调制切换区域位于加减速区域内时，乘客不太容易感觉到不舒适感，所以将加减速区域设定为调制切换区域能够获得相应的效果。调制方式的选择方法的详细情况在后述部分中加以说明。

图3表示三相调制控制方式时的电压指令值和线间电压。图3(a)表示在三相调制控制方式中所述第一电压指令值的振幅较大时的第二电压指令值(vu^*，vv^*，vw^*)、三角波载波以及所输出的线间电压的基本波分量(Vu-v，Vv-w，Vw-u)。此外，图3(b)表示在三相调制控制方式中所述第一电压指令值的振幅较小时的第二电压指令值(vu^*，vv^*，vw^*)、三角波载波以及所输出的线间电压的基本波分量(Vu-v，Vv-w，Vw-u)。

假设三相调制控制方式的所述第一电压指令值分别为vu^**，vv^**和vw^**，则

vu^*＝vu^**+Vo  ……(3)

vv^*＝vv^**+Vo  ……(4)

vw^*＝vw^**+Vo  ……(5)，

式中，Vo＝0，或者表示与vu^**，vv^**和vw^**相对的三次谐波分量。在图3(a)和图3(b)的示例中，

vu^*＝Va·cos(ωt)        ......(6)

vv^*＝Va·cos(ωt-2π/3)  ......(7)

vw^*＝Va·cos(ωt-4π/3)  ……(8)，且

Vo＝(-1/6)Va·cos(3ωt)  ……(9)。

由于Vo与零相电压相当，所以各相的相电压本身如图3(a)和图3(b)所示含有畸变，但由于线间电压为正弦波，所以对电动机4的驱动没有影响。

在三相调制控制方式中，全部输出相的电压指令值均与三角波载波在每一个周期相交二次，输出矩形波的ON/OFF指令。因此，每个周期均发生开关损耗。可是，如图3(b)所示，在所述第一电压指令值的振幅较小的场合，由于在三角波载波的中心附近与指令值进行比较，所以输出的矩形波脉冲的占空比接近50％，能够进行稳定的驱动。在三相调制方式中，从第一电压指令值的振幅非常小的场合到振幅较大的场合均能够稳定地进行驱动。

图4(a)和图4(b)表示二相调制方式的电压指令值和线间电压。图4(a)表示在二相调制控制方式中所述第一电压指令值的振幅较大时的第二电压指令值(vu^*，vv^*，vw^*)、三角波载波以及所输出的线间电压的基本波分量(Vu-v，Vv-w，Vw-u)，图4(b)表示在二相调制控制方式中所述第一电压指令值的振幅较小时的第二电压指令值(vu^*，vv^*，vw^*)、三角波载波以及所输出的线间电压的基本波分量(Vu-v，Vv-w，Vw-u)。

在二相调制控制方式中，在vu^**，vv^**和vw^**中的大小据中的指令值为0以上时，将式(3)～式(5)中的Vo设定为从减去三角波的载波信号的峰值之后的值减去vu^**，vv^**和vw^**中的最小值而得到的值。也就是说，在中间电压mid{vu^**，vv^**，vw^**}≥0的场合，式(3)～式(5)中的Vo如式10所示。

Vo＝-Vc-min{vu^**，vv^**，vw^**}……(10)

其中，Vc是载波信号的峰值。

另一方面，在vu^**，vv^**和vw^**中的大小居中的指令值小于0时，将式(3)～式(5)中的Vo设定为从三角波的载波信号的峰值减去vu^**，vv^**和vw^**中的最大值而得到的值。也就是说，在中间电压mid{vu^**，vv^**，vw^**}＜0的场合，式(3)～式(5)中的Vo如式11所示。

Vo＝+Vc-max{vu^**，vv^**，vw^**}  ……(11)

根据图4(a)和图4(b)，与三相调制控制方式一样，各相的指令电压呈畸变波形，但由于线间电压为正弦波，所以对电动机4的驱动没有影响。

在二相调制控制方式中，各相的指令值交替地为三角波载波的最大值以上的值或者三角波载波的最小值以下的值。在该区域内，开关元件始终处于ON状态或者始终处于OFF状态，所以不发生开关动作损耗。因此，与三相调制控制方式相比，具有能够大幅度降低损耗的效果。

可是，如图4(b)所示，在第一电压指令值的振幅较小的场合，由于在三角波载波的顶点附近与指令值进行比较，所以输出脉冲的脉宽窄小。在将脉宽非常窄的脉冲指令值赋予开关元件时，开关元件可能不对其反应而造成波形畸变。此外，即使开关元件作出了反应，也可能出现在完全转变为ON状态之前就被赋予OFF指令的情况，可能导致开关元件的使用寿命下降。

因此，在实施例1中，在第一电压指令值的振幅较小的条件下，以三相调制控制方式驱动，到第一电压指令值的振幅变大后再切换到二相调制控制方式。

图5表示根据实施例1的速度阈值进行调制切换时的详细内容。

在图1的速度指令运算部分7中，例如通过对图5的加速度指令实施积分处理来运算速度指令值。此外，图1中的第一电压指令值的振幅在负荷条件相同时基本上与电动机4的旋转速度成比例。其原因是电动机感应电压与电动机4的旋转速度成比例地上升，尤其是使用永磁式电动机作为电动机4时，比例系数(感应电压系数)会变大。

在电梯的乘坐舒适性方面，在图5的加速度指令值为零的区域，即在速度指令值为恒定速度的条件下，例如因电动机4的力矩脉动等而使得电梯轿厢受到冲击时，电梯乘客会明显地感觉到电梯轿厢的振动。可是，在加速度指令发生变化的加加速区域和加速度为零以外的恒定值的场合(速度以恒定的斜率增减的场合)，呈现电梯乘客不容易感觉到电梯轿厢振动的倾向。

另一方面，在三相调制控制和二相调制控制之间进行切换时，各相的电压指令值例如从图3(b)所示的状态大幅度地变化到图4(b)所示的状态，所以，只要存在微小的误差分量，电压指令值就会发生脉动，从而可能对逆变器的输出造成冲击。此外，在电压指令值出现了大幅度的波动时，由于会发生峰值较大的零相电流，尤其在将设置在逆变器3的输出端的电流检测器设置在三相输出中的二相输出上，而对剩余的一相进行运算的场合，与上述场合一样，可能使电压指令值发生脉动而对电梯轿厢5产生冲击。

因此，在本发明的实施例1中，由调制方式选择部分12根据速度指令运算部分7的指令值在电梯的加速区域或者加加速区域进行三相调制控制和二相调制控制的切换。为了实现这一点，在实施例1中，将速度指令值与30m/min的速度阈值进行比较，在小于速度阈值的速度区域中选择三相调制控制，在速度指令大于或等于该速度阈值的速度区域中选择二相调制控制。因此，如图5所示，在加速到由运行距离决定的各个最高速度(，例如60m/min、105m/min或150m/min等)中的某一个最高速度的场合下，也是在加速区域或者加加速(jerk)区域进行三相调制控制和二相调制控制之间的切换。在实施例1中，将所述阈值设定为与30m/min这一电梯轿厢的行驶速度相当的值，从图5可以知道，在电梯中，只要以与30m/min以下的行驶速度相当的值调制控制切换单元动作，即使在加减速区域中，尤其是在加加速区域附近，电梯乘客不太会感觉到不舒适感。

加速区域和加加速区域是电梯刚起动时或者即将停止时的短暂期间，通过在这一期间进行切换，具有即使因电动机4发生力矩脉动而对电梯轿厢造成了冲击，电梯乘客也不容易感到振动的效果。

此外，在实施例1中，由调制方式选择部分12根据速度指令值进行切换处理，但也可以设置成根据从安装在电动机4上的速度检测器获得的速度检测值进行切换处理。此时，速度检测值中可能包含微小的脉动等。

图6是本发明的实施例1的调制切换处理的概要说明图。如图6所示，相对于加速时和减速时的切换点设置了滞后处理。具体来说是，在从三相调制控制方式切换到二相调制控制方式的加速时，在速度超过了上限阈值时进行切换处理。此外，在从二相调制控制方式切换到三相调制控制方式的减速时，在速度低于下限阈值(下限阈值＜上限阈值)时进行切换处理。

由此，能够有效地抑制在短时间内反复频繁地在三相调制控制方式和二相调制控制方式之间进行切换的现象即颤动(chattering)现象等的不良影响。此时，当然优选将上限速度阈值和下限速度阈值都设定为加速时或者加加速时的速度。

此外，关于由图1的调制方式选择部分12进行的三相调制控制和二相调制控制的选择，也可以在速度阈值设定部分13中对阈值进行适当的变更。

例如，通常将速度阈值预先设定为比图5所示的速度阈值高的速度阈值，而在进行维修保养运行时或者在一个楼层或者数个楼层之间进行短距离的升降动作时，将速度阈值变更为图5所示的低速阈值。如此，通过对速度阈值进行调整，使得调制方式的切换点在加速期间或者加加速期间内，具有能够迅速地切换到损耗小的二相调制控制方式这一效果。

(实施例2)

图7是本发明的实施例2所涉及的电梯控制装置的结构示意图。与图1的实施例1的不同之处在于，在实施例2中，将通过低通滤波器14对从电流控制系统9输出的第一电压指令值进行滤波后得到的值以及由电压阈值设定部分15输出的阈值作为调制方式选择部分12的输入。位于加减速区域或者加加速区域内的第一电压指令值的大小能够根据与电动机4的旋转速度成比例地增加的感应电压值大概地推测出。例如，在电梯轿厢5内的负载量为零时或者为额定重量时，与电梯轿厢5和平衡重6保持平衡的条件相比，所需要的力矩电流更大，所以输出电压值增大，但是，在一般的电动机中，与旋转速度成比例地增加的感应电压值大于使力矩电流流动所需的电压值。因此，通过选择不同的电动机4，能够对加速时或者加加速时输出的电压指令值的范围进行限制。

其中，调制方式选择部分12根据第一电压指令值的大小选择调制方式。在进行调制方式的切换时或者死区时间的补偿时，第一电压指令值的高频脉动可能会出现重叠。在高频脉动出现了重叠的场合下，在进行调制方式的切换时可能会发生颤动而产生不稳定的动作。例如，在脉动的峰值达到调制方式的切换点时，虽然能够对调制方式进行切换，但会出现在脉动值降低后，调制方式又一次被切换等现象，从而导致调制方式在短时间内被频繁切换。

因此，在图7的实施例2中使用经过低通滤波器14滤波后的值。由此，具有能够降低脉动的不良影响的效果。

图8是图7的实施例2的调制切换处理的概要说明图。如图8所示，相对于加速时和减速时的切换点设置了滞后处理。具体来说是，在从三相调制控制方式切换到二相调制控制方式的加速时，在电压指令值超过了上限电压阈值时进行切换处理。此外，在从二相调制控制方式切换到三相调制控制方式的减速时，在电压指令值低于下限电压阈值(下限电压阈值＜上限电压阈值)时进行切换处理。

由此，能够提高对在短时间内反复频繁地在三相调制控制方式和二相调制控制方式之间进行切换的现象即颤动现象的抑制效果。

又，图7的电压阈值设定部分15可以如图5所示的那样在速度指令值不会达到额定速度的短距离运行时，与实施例1的速度阈值设定部分13的场合一样，可以对阈值进行适当的变更。由此，具有能够迅速地切换到损耗小的二相调制控制方式这一效果。

此外，在图8中当然也优选将上限电压阈值和下限电压阈值都设定为加速时或者加加速时输出的电压值。

如在上述实施例中所说明的那样，在本发明中，作为电梯的行驶速度或者电梯的行驶速度相当值，可以使用赋予给电动机的速度控制系统的速度指令值、检测电动机旋转速度的速度检测器的输出值、向电动机供电的逆变器的输出电压、输出频率或者该等电压和频率的相当值。

以上对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不仅限于上述实施方式，理所当然，本发明可以在不改变其宗旨的范围内以各种变形实施。

Claims (9)

1.一种电梯的速度控制装置，所述电梯的速度控制装置的主电路由整流器和逆变器构成，通过向电梯驱动用电动机供应经所述逆变器进行了脉宽调制的可变频变压的三相交流电来使电梯轿厢升降，所述电梯的速度控制装置的特征在于，

控制所述逆变器的脉宽调制控制装置具有调制控制切换单元，在所述电梯的行驶速度或者电梯的行驶速度相当值小于规定值时，所述调制控制切换单元将调制控制设定为三相调制控制，在所述电梯的行驶速度或者电梯的行驶速度相当值超过了所述规定值时，所述调制控制切换单元将调制控制切换为二相调制控制，并且将所述规定值设定为电梯轿厢的行驶速度发生变化的加减速区域内的速度相当值。

2.如权利要求1所述的电梯的速度控制装置，其特征在于，具有调制控制切换单元，该调制控制切换单元将所述规定值设定为电梯轿厢的加减速区域中的电梯轿厢的加减速度发生变化的加加速区域内的速度相当值。

3.如权利要求1或者2所述的电梯的速度控制装置，其特征在于，具有调制控制切换单元，该调制控制切换单元将所述规定值设定为与30m/min以下的电梯轿厢的行驶速度相当的值。

4.如权利要求1-3中任一项所述的电梯的速度控制装置，其特征在于，具有调制控制切换单元，当电梯轿厢的行驶速度在加速区域的第一规定速度以下时，所述调制控制切换单元将调制控制设定为所述三相调制控制，当电梯轿厢的行驶速度超过了加速区域的所述第一规定速度时，所述调制控制切换单元将调制控制从所述三相调制控制切换为所述二相调制控制，并且，当电梯轿厢的行驶速度降低到减速区域的比所述第一规定速度低的第二规定速度时，所述调制控制切换单元将调制控制从所述二相调制控制切换为所述三相调制控制。

5.如权利要求1-4中任一项所述的电梯的速度控制装置，其特征在于，所述电梯的行驶速度或者电梯的行驶速度相当值是发送给所述电动机的速度控制系统的速度指令值。

6.如权利要求1-4中任一项所述的电梯的速度控制装置，其特征在于，所述电梯的行驶速度或者电梯的行驶速度相当值是用于检测所述电动机旋转速度的速度检测器的输出值。

7.如权利要求1-4中任一项所述的电梯的速度控制装置，其特征在于，所述电梯的行驶速度或者电梯的行驶速度相当值是向所述电动机供电的所述逆变器的输出电压、输出频率或者该等电压和频率的相当值。

8.如权利要求7所述的电梯的速度控制装置，其特征在于，所述电梯的行驶速度或者电梯的行驶速度相当值是根据采用了向所述电动机供电的所述逆变器的速度控制系统的后级的电流控制系统的输出决定的值，是力矩分量的输出值或者磁场分量的输出值与力矩分量的输出值的平方和的平方根。

9.一种电梯的速度控制方法，主电路由整流器和逆变器构成，通过向电梯驱动用电动机供应经所述逆变器进行了脉宽调制的可变频变压的三相交流电来使电梯轿厢升降，所述电梯的速度控制方法的特征在于具有以下步骤：

对控制所述逆变器的脉宽调制控制装置进行三相调制控制，以使所述电梯起动和加速的步骤；

在所述电梯的加速过程中，当所述电梯的行驶速度或者电梯的行驶速度相当值超过了被设定为所述电梯的加速区域内的速度的第一规定值时，将所述脉宽调制控制装置切换为二相调制控制的步骤；以及

在所述电梯的减速过程中，当所述电梯的行驶速度或者电梯的行驶速度相当值低于设定得比第一规定值低的第二规定值时，将所述脉宽调制控制装置切换为三相调制控制的步骤。

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