CN104540760A - 电梯的电力变换装置 - Google Patents

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Abstract

电梯的电力变换装置具备：逆变器(8)，其将彼此反并联连接的MOSFET元件(21)与二极管元件(22)作为1个臂(20)，该逆变器(8)至少具有2个将2个臂(20)串联连接而成的腿(23)，并对使轿厢(4)升降的电动机(1)进行驱动；电流检测器(13)，其对在逆变器(8)与电动机(1)之间流过的电流方向进行检测；以及驱动控制部(9)，其根据由具有自动运转模式和维护运转模式的运转控制部(10)生成的速度指令值控制逆变器(8)的驱动，在速度指令值为维护运转模式的速度以下的情况下，驱动控制部(9)使由电流检测器(13)检测出的电流方向为流向二极管元件(22)的正向的臂(20)的MOSFET元件(21)的栅极截止。

Description

电梯的电力变换装置
技术领域
本发明涉及电梯的电力变换装置，其将直流电变换为交流电并驱动使轿厢升降的电动机。
背景技术
一般地，已知在作为开关元件使用了MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)元件的逆变器中，通过应用同步整流从而提高逆变器的变换效率的情况。所谓同步整流是当与MOSFET元件并联连接的回流二极管中流过回流电流时使MOSFET元件导通，使回流电流流向导通损耗比回流二极管小的MOSFET元件侧从而使导通损耗降低的控制方法。
对此，在专利文献1所示那样的进行同步整流的电力变换装置中，在MOSFET元件的导通电阻比回流二极管的导通电阻大的量的电流流过时，禁止同步整流，由此在MOSFET元件以及回流二极管之内，根据电流量使回流电流流向导通损耗更少的一方。由此，减少在由MOSFET元件和回流二极管构成的开关部中产生的导通损耗，使电力变换装置的变换效率良好。
现有专利文献
专利文献
专利文献1:国际公开WO2009/081561号
发明内容
发明所要解决的课题
在专利文献1所示那样的以往装置中，若应用同步整流则能够实现高效率的电力变换。然而，通过应用同步整流，回流电流流向MOSFET元件侧，MOSFET元件中的导通损耗所导致的温度上升变大。特别是，发现了如下的课题：在如轿厢以低速运转时那样由运转控制部生成的速度指令值为维护运转模式的速度以下的情况下，若回流电流流向导通损耗少的MOSFET元件侧，则针对1个臂的回流电流的通电时间变长因而MOSFET元件的温度上升及/或急剧的温度变动变得显著，MOSFET元件的寿命缩短。
本发明是为了解决上述那样的课题而完成的，其目的在于提供一种电梯的电力变换装置，在通过运转控制部生成的速度指令值为维护运转模式的速度以下的情况下，抑制MOSFET元件的温度上升及/或急剧的温度变动从而能够实现MOSFET元件的长寿命化。
用于解决课题的手段
本发明的电梯的电力变换装置具备：逆变器，其将彼此反并联连接的MOSFET元件与二极管元件作为1个臂，该逆变器至少具有2个将2个臂串联连接而成的腿，并将所输入的直流电变换为交流电，对使轿厢升降的电动机进行驱动；电流检测单元，其对在逆变器与电动机之间流过的电流方向进行检测；以及驱动控制部，其根据由运转控制部生成的速度指令值控制逆变器的驱动，其中，该运转控制部具有使轿厢以额定速度运转的自动运转模式以及以比额定速度低的速度运转的维护运转模式，在速度指令值为所述维护运转模式的速度以下的情况下，驱动控制部使由电流检测单元检测出的电流方向为流向二极管元件的正向的MOSFET元件的栅极截止。
发明效果
根据本发明，在轿厢以低速运转时那样、由运转控制部生成的速度指令值为维护运转模式的速度以下的情况下，使电流检测单元检测出的电流方向为流向二极管元件的正向的臂的MOSFET元件的栅极截止，使回流电流流向臂的二极管元件侧，而不流向MOSFET元件侧。由此能够抑制MOSFET元件的温度上升以及急剧的温度变动从而实现MOSFET元件的长寿命化。
附图说明
图1是示出应用了本发明的实施方式1的电力变换装置的电梯的结构图。
图2是示出图1的逆变器的电路图。
图3是示出图1的驱动控制部的框图。
图4是示出图2的逆变器的1个腿的结构图。
图5是应用了同步整流的、电动机的高速旋转时的驱动控制时间图。
图6是FET和二极管的电流-电压特性图。
图7是图5的回流电流的详细图。
图8是应用了同步整流的、电动机的低速旋转时的驱动控制时间图。
图9是图8的回流电流的详细图。
图10是限制了同步整流的、电动机的低速旋转时的驱动控制时间图。
图11是图10的回流电流的详细图。
具体实施方式
实施方式1.
下面，根据附图详细说明本发明的实施方式1。图1是示出应用了本发明的实施方式1的电力变换装置的电梯的结构图。
图1中，电梯具有电动机1、连接于电动机1的旋转轴的曳引机2、卷绕于曳引机2的绳索3、悬挂于该绳索3的一端的轿厢4以及悬挂于另一端的对重5，通过电动机1的旋转，轿厢4以及对重5进行升降。
在轿厢4以及对重5升降的井道内，在各层站地面附近设有门区检测板14。所谓门区是轿厢4停靠于层站时允许开门的范围，通过作为在轿厢4侧所具备的门区检测单元的门区检测器15检测门区检测板14的有无，由此对轿厢4是否正停靠在能够进行开门的门区进行判断。
电梯的控制装置具有：将交流电源6的交流电变换为直流电的变流器7；将直流电变换为交流电而驱动电动机1的逆变器8；控制逆变器8的驱动控制部9；以及进行轿厢的升降控制的运转控制部10。
变流器7由二极管等形成，将交流电源6的交流电变换为直流电，并将其输出输出至直流母线11。在该直流母线11上连接有对直流电的纹波进行平滑的电容器12。
运转控制部10进行电梯整体的管理/控制，生成轿厢4的起动/停止指令并生成轿厢4的位置/速度指令，并向驱动控制部9输出基于速度指令值的逆变器驱动指令信号。另外运转控制部10具备自动运转模式和维护运转模式，其中，在所述自动运转模式下，基于来自层站或者轿厢内的操作盘(未图示)的操作而使轿厢4以额定速度运转；而所述维护运转模式是用于当装配调整时或维护时，维护员使轿厢4以比额定速度低的速度运转的模式，由运转模式切换部16进行该自动运转模式与维护运转模式的切换。
如图2所示，逆变器8具有6个臂20，各臂20由彼此反并联连接的MOSFET元件21和二极管元件22构成。另外，2个臂20串联连接而构成腿23，逆变器8由3个腿23构成。这里，以3相电动机为例进行了说明，但在控制单相电动机的情况下，由4个臂和2个腿构成。
各个腿23的臂20之间的连接点与电动机1连接。另外，腿23的一端与电容器12的阳极连接，腿23的另一端与电容器12的阴极连接。并且，各臂20的MOSFET元件21的栅极与驱动控制部9连接。
在逆变器8与电动机1之间的电路中，作为生成与流过电路的电流方向对应的电流检测信号的电流检测单元，设有使用了霍尔传感器的电流检测器13。
逆变器8由运转控制部10以及驱动控制部9控制。关于运转控制部10，在轿厢4的动力运转时，以使从逆变器8产生所希望的电力的方式，将脉冲状栅极驱动信号(栅极驱动时H电平的输出)经由驱动控制部9发送至逆变器8的各臂20的栅极，从而控制逆变器8的驱动。
另外，关于运转控制部10，在轿厢4的再生运转时，将脉冲状栅极驱动信号经由驱动控制部9发送至逆变器8的各臂20的栅极，从而控制逆变器8的驱动，由此将从电动机1产生的交流的再生电力变换为直流电。
驱动控制部9对逆变器8的各臂20内的电流的流动进行控制。这里，对驱动控制部9的结构具体进行说明。图3是示出图1的驱动控制部9的框图。此外在图3中，仅简化示出对逆变器8的6个臂20分别独立地进行控制的结构之中用于针对1个臂20的栅极驱动信号进行输出的结构。
图3中，驱动控制部9具有栅极驱动判断部9a和AND(“与”)电路9b。在出厂时或者装配调整时，对栅极驱动判断部9a设定了与维护运转模式的速度对应的速度指令值的阈值。栅极驱动判断部9a接受与由运转控制部10生成的速度指令值相关的控制信息，对速度指令值是否为阈值以下进行判断。另外，栅极驱动判断部9a接受来自电流检测器13的电流检测信号，对在逆变器8与电动机1间的电路中流过的电流方向进行识别。这里，通过栅极驱动判断部9a进行速度指令值是否为阈值以下的判断，但也可以采用如下结构：对运转控制部10侧设定速度指令值的阈值，从运转控制部10对栅极驱动判断部9a输出速度指令值是否为阈值以下的控制信号。
在速度指令值为阈值以下且流过臂20的电流为流向二极管元件22的正向的电流方向的情况下，栅极驱动判断部9a将L电平信号作为驱动掩码信号发送至AND电路9b。与此相对，在速度指令值超过阈值的情况或流向臂20的电流不向二极管元件22的正向流动的情况下，栅极驱动判断部9a将H电平信号作为驱动掩码信号发送至AND电路9b。
AND电路9b接受来自运转控制部10的栅极驱动信号和来自栅极驱动判断部9a的驱动掩码信号。这里，在来自运转控制部10的栅极驱动信号与来自栅极驱动判断部9a的驱动掩码信号的双方为H电平的情况下，AND电路9b将H电平信号作为栅极驱动信号发送至MOSFET元件21的栅极。与此相对，在来自运转控制部10的栅极驱动信号与来自栅极驱动判断部9a的驱动掩码信号中的至少任意一方为L电平的情况下，AND电路9b将L电平信号作为栅极驱动信号发送至MOSFET元件21的栅极。
因此，对于驱动控制部9而言，在速度指令值为阈值以下且流向臂20的电流为流向二极管元件22的正向的电流方向的情况下，通过来自栅极驱动判断部9a的L电平的驱动掩码信号，与来自运转控制部10的栅极驱动信号的H电平、L电平无关地，从AND电路9b输出L电平的栅极驱动信号，强制地使臂20的MOSFET元件21的栅极截止。其结果是，在臂20中不对MOSFET元件21侧流过电流，而对二极管元件22侧流过电流。
此外，在上述的实施方式中，运转控制部10与驱动控制部9由相互不同的硬件(计算机/微型计算机等)构成。然而，并不限定于该示例，也可以通过同一硬件构成运转控制部10与驱动控制部9。也就是说，也可以使用运转控制部10的硬件来实现驱动控制部9的功能。
接下来，对动作进行说明。图5中示出了使用采用了图4所示的由FET1、FET2和二极管D1、D2构成的腿的逆变器并应用同步整流从而使电动机高速旋转的情况下的时间图。图5中，在时刻T1至时刻T2的期间中，当FET1栅极驱动信号为H电平时，在腿上侧的臂的FET1中，向图4所示的Io方向流过电流，当FET1栅极驱动信号为L电平(FET2栅极驱动信号为H电平)时，在腿下侧的臂的FET2与二极管D2中，向图4所示的Io方向流过回流电流。
与此相对，在时刻T2到时刻T3的期间中，当FET2栅极驱动信号为H电平时，在腿下侧的臂的FET2中，向与图4所示的Io相反的方向流过电流，当FET2栅极驱动信号为L电平(FET1栅极驱动信号为H电平)时，在腿上侧的臂的FET1与二极管D1中，向与图4所示的Io相反的方向流过回流电流。
这里对朝向FET与二极管的回流电流的流动方式进行说明。图6中示出了FET与二极管的一般性的电流/电压特性。FET示出电压随着电流的增加而上升的线形特性，而二极管在电流开始流动的时刻有正向电压降。因此当在FET与二极管逆并联地构成的臂中流过回流电流的情况下，如图6所示，在电流值为I1以下的情况下其大部分流向FET侧，在电流值超过I1的情况下则其大部分流向二极管侧。详细地说，在电流值I1的附近且为I1以下的部分也少量流向二极管侧，在电流值I1的附近且为I1以上的部分也少量流向FET侧，但该值较小，因此在以下的说明中将该少量流动的部分省略。
参照图6，在图7中示出将从图5中的时刻T1到时刻T2的期间中流过FET2与二极管D2的回流电流分为FET2电流与D2电流的情形。可见在该情况下，绝大多数的回流电流流向FET2侧，超过电流值I1的少量的部分流过二极管D2。
接下来，对使用采用了图4所示的由FET1、FET2和二极管D1、D2构成的腿的逆变器并应用同步整流从而使电动机以速度指令值为阈值以下的方式低速旋转的情况下的时间图进行说明。图8是不限制同步整流的情况下的时间图。在该例中，示出与图5中的从时刻T1到时刻T2的期间相同的电流方向，对于腿上侧的臂的FET1，当FET1栅极驱动信号为H电平时向图4所示的Io方向流过电流，对于腿下侧的臂的FET2与二极管D2，当FET1栅极驱动信号为L电平(FET2栅极驱动信号为H电平)时，向图4所示的Io方向流过回流电流。图9将图8中的流过FET2与二极管D2的回流电流分为FET2电流与D2电流进行示出。
接下来，对生成了限制同步整流的栅极驱动信号的情况下的时间图进行说明。图10表示流过与图8相同电流Io的定时，在图10中，当速度指令值为阈值以下且流过臂的电流为流向二极管D2的正向的电流方向的情况下，将FET2栅极驱动信号设为L。在图11中示出将该情况下的流向FET2与二极管D2的回流电流分为FET2电流与D2电流的情形。图10中将FET2栅极驱动信号设为L，因此如图11所示，回流电流不流向FET2而是全部流向二极管D2。
当在使电动机1低速旋转或使其停靠那样的、速度指令值较小的情况下应用同步整流进行控制时，则构成逆变器8的6个臂20之中电流连续流向特定的MOSFET元件21的时间变长。因此，容易在该特定的MOSFET元件21中产生急剧的温度变动，会产生温度上升变大的担心、以及由于急剧的温度变动导致反复发热/散热而导致促进了寿命劣化的担心。
与此相对，在上述的实施方式中，在轿厢4成为维护运转模式的速度以下的低速运转时或停靠时那样的速度指令值为阈值以下的情况下，使由电流检测器13检测到的电流方向为流向二极管元件22的正向的臂20的MOSFET元件21的栅极截止，使回流电流流向臂20的二极管元件22侧而不流向MOSFET元件21。由此能够抑制MOSFET元件21的温度上升以及急剧的温度变动，从而实现MOSFET元件21的长寿命化。
上述实施方式的电梯的电力变换装置具备：逆变器8，将彼此反并联连接的MOSFET元件21与二极管元件22作为1个臂，该逆变器8至少具有2个将2个臂20串联连接而成的腿23，并将所输入的直流电变换为交流电，对使轿厢4升降的电动机1进行驱动；电流检测单元13，其对在逆变器8与电动机1之间流过的电流方向进行检测；以及驱动控制部9，其根据由运转控制部10生成的速度指令值控制逆变器8的驱动，其中，该运转控制部10具有使轿厢4以额定速度运转的自动运转模式以及以比额定速度低的速度运转的维护运转模式，在速度指令值为维护运转模式的速度以下的情况下，驱动控制部9使由电流检测单元13检测出的电流方向为流向二极管元件22的正向的臂20的MOSFET元件21的栅极截止。
由此，在轿厢4成为维护运转模式的速度以下的低速运转时以及停靠时那样的速度指令值为阈值以下的情况下，使电流检测器13检测出的电流方向为流向二极管元件22的正向的臂20的MOSFET元件21的栅极截止，使回流电流流向臂20的二极管元件22侧，而不流向MOSFET元件21侧。由此能够抑制MOSFET元件21的温度上升以及急剧的温度变动，从而实现MOSFET元件21的长寿命化。速度指令值成为阈值以下的状态产生在轿厢即将停靠之前以及轿厢刚刚开始升降之后，作为一般的电梯的动作频繁地重复这些状态，因此在电梯用途中尤其能够获得显著的效果。
另外，对于运转控制部10而言，也可以在轿厢4的位置到达轿厢4的门能够开闭的升降位置、检测门可开闭范围的门区检测器15检测到门可开闭范围的期间中，使速度指令值为维护运转模式的速度以下。
在轿厢4即将停靠在层站之前以及刚刚开始升降之后，轿厢4必然会进入门区，在该范围内轿厢4的速度比维护运转模式的速度低或者为停止。此时运转控制部10被从门区检测器15输入门区检测中的信号，并将其作为控制信息输出至驱动控制部9，由此能够容易地进行控制。在计算速度指令值的阈值的情况下，由于电动机1的容量、轿厢4的额定速度、额定负载等的规格因每个设置场所而不同，因此每次确定最佳值的计算较为繁琐。对此，通过在检测出门可开闭范围的期间中使速度指令值为维护运转模式的速度以下，能够省略针对各个电梯规格的繁琐的阈值计算以及设定的麻烦。
另外，也能够利用硅来形成上述实施方式中的MOSFET元件21以及二极管元件22。尤其是在构成大功率用电力变换器的情况下，若考虑变换效率及尺寸，优选由比硅带隙大的宽带隙半导体形成MOSFET元件21以及二极管元件22中的至少任意一方。
作为该宽带隙半导体，例如能够使用碳化硅、氮化镓系材料或者金刚石。这样，通过由宽带隙半导体形成MOSFET元件21及二极管元件22，能够显著发挥有效性。具体地，关于由宽带隙半导体形成的MOSFET元件21及/或二极管元件，耐压性高，容许电流密度也高。因此，能够实现MOSFET元件21及/或二极管元件22的小型化。因此，通过使用这些实现了小型化的MOSFET元件21及/或二极管元件，能够实现组装有这些元件的电力变流器的小型化。
另外，由于由宽带隙半导体形成的MOSFET元件21及/或二极管元件22耐热性也高，因此能够实现散热器的散热片的小型化及水冷部的空冷化。因此，能够实现电力变流器的进一步小型化。
并且，由宽带隙半导体形成的MOSFET元件21及/或二极管元件22其电力损耗低。因此，能够实现MOSFET元件21及/或二极管元件22的高效率化。因此，能够实现电力变换器的高效率化。
标号说明
1：电动机；4：轿厢；8：逆变器；9：驱动控制部；10：运转控制部；13：电流检测器；15：门区检测器；20：臂；21：MOSFET元件；22：二极管元件；23：腿。

Claims (4)

1.一种电梯的电力变换装置，其特征在于，该电梯的电力变换装置具备：
逆变器，其将彼此反并联连接的MOSFET元件与二极管元件作为1个臂，该逆变器至少具有2个将2个所述臂串联连接而成的腿，并将所输入的直流电变换为交流电，对使轿厢升降的电动机进行驱动；
电流检测单元，其对在所述逆变器与所述电动机之间流过的电流方向进行检测；以及
驱动控制部，其根据由运转控制部生成的速度指令值控制所述逆变器的驱动，其中，该运转控制部具有使所述轿厢以额定速度运转的自动运转模式以及以比所述额定速度低的速度运转的维护运转模式，
在所述速度指令值为所述维护运转模式的速度以下的情况下，所述驱动控制部使由所述电流检测单元检测出的电流方向为流向所述二极管元件的正向的所述MOSFET元件的栅极截止。
2.根据权利要求1所记载的电梯的电力变换装置，其特征在于，所述运转控制部使所述速度指令值在如下的期间中为所述维护运转模式的速度以下：该期间是所述轿厢的位置到达所述轿厢的门能够开闭的升降位置且检测门可开闭范围的门区检测单元检测到所述门可开闭范围的期间。
3.根据权利要求1或2所记载的电梯的电力变换装置，其特征在于，所述MOSFET元件以及所述二极管元件中的至少任意一方由宽带隙半导体形成。
4.根据权利要求3所记载的电梯的电力变换装置，其特征在于，所述宽带隙半导体是碳化硅、氮化镓系材料以及金刚石中的任意一种。
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