JP2006176319A - エレベータの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 エレベータ駆動用モータに永久磁石式同期電動機を用いた場合でも、ＰＷＭインバータ装置の容量増加が抑えられるようにしたエレベータの制御装置を提供すること。
【解決手段】 ＰＷＭインバータ装置５０に非常止め試験運転許可手段８を設け、永久磁石式同期電動機７の磁石(Ｎ極)位相が３０°＋ｎ×６０°(ｎは整数)近傍であるときだけ許可信号Ａを発生させ、許可信号Ａが発生しているときだけ非常止め装置６の動作確認試験運転が行なえるようにして、ＰＷＭインバータ５４のスイッチング素子に過大電流が流れるのを沮止し、ＰＷＭインバータ装置５０の容量を大きくすることなく、永久磁石式同期電動機７の使用による省エネ化や小型化がコストアップの虞なく享受できるようにしたもの。
【選択図】 図１

Description

本発明は、非常止め装置を備えたエレベータの制御装置に係り、特に、巻上機に永久磁石界磁型同期電動機を用いたエレベータの制御装置に関する。

近年、エレベータにおいては、パワートランジスタやＩＧＢＴなどのスイッチング素子を用いたＰＷＭインバータ装置による電動機制御方式が主流になっているといってよいが、ここで一般的なエレベータの場合、通常の運転で必要な電動機のトルクは定格トルクの２５０％程度である。

従って、このとき使用されるＰＷＭインバータ装置は、２５０％のトルクを電動機が発生するのに必要な電流に耐えるように設計しておけば充分な筈であるが、実際には３００％のトルクに耐えるものが要求され、その理由は、エレベータの安全装置の一種である乗りかごの非常止め装置の存在にある。

この乗りかご非常止め装置は、何らかの原因で、かごの速度が異常に増加したときガイドレールを掴んでかごを保持し、その落下を止める装置であり、エレベータの安全装置の一種として設置が法令で義務付けられていることから、エレベータの竣工時と定期点検時などに、その性能確認試験(非常止め試験という)が必要で、このとき電動機に定格の３００％を超えるトルクが要求され、従ってＰＷＭインバータ装置にも、このトルクに耐えるものが必要になってしまうのである。

詳しく説明すると、この非常止め試験は、当該乗りかご非常止め装置を作動させ、乗りかごがガイドレールに把持されている状態にした上、巻上機の電動機にトルクを発生させ、トルクを増加させてシーブの空転が確認されたら所期の性能が維持されているものとするものであり、従って、このとき電動機には、停止状態に拘束されままの状態でトルクを発生することが要求される。

しかも、このとき、シーブがロープとの静止摩擦によるトルクに打ち勝って空転するには、通常、３００％程度のトルクになったときであることから、上記したように、ＰＷＭインバータ装置にも３００％程度の容量増加が必要になっているのである。

このように３００％を超えるトルクを発生するためには、定格時の３倍以上の電流を流す必要があり、ＰＷＭインバータ装置のスイッチング素子もこれに耐え得る容量のものが必要になることから、インバータ装置が高価で大掛かりなものとなってしまうが、やむを得ない状況として受け入れられているのが現状である。

一方、エレベータ駆動用の電動機にも、近年、誘導電動機に代わって永久磁石を界磁に用いた、いわゆる永久磁石式同期電動機(ＰＭＳＭ)が用いられるようになり、小型で強力な永久磁石の出現と相俟って省エネ化や小型化に寄与するものとして主流になりつつある(例えば、特許文献１参照。)。
特開２００４−６４８６４号公報

上記従来技術は、乗りかご非常止め装置の性能確認試験時における永久磁石式同期電動機の挙動に配慮がされておらず、ＰＷＭインバータ装置に過酷な要求が現れてしまうという問題があった。

いうまでもなく同期電動機にはすべりが無いため、非常止め試験時、シーブが、停止状態から、ロープとの静止摩擦によるトルクに打ち勝って空転するまでの間、電動機は拘束(ロック)されるので、ＰＷＭインバータには同期電動機の磁極位置(界磁の停止角位置)に応じた位相の電流が流れる。

このときシーブが空転するまでは磁極位置が変らないため、電流位相は固定され、結果として電流は直流状態になるが、ここで、電流位相によっては特定のスイッチング素子に負担が偏ってしまうという問題が生じてしまい、最悪の場合、スイッチング素子が破壊に至る虞も生じてしまう。

この直流電流による問題を図２と図３を用いて説明すると、ここで、まず図２は、永久磁石式同期電動機に供給される電流のベクトル図であり、ここでベクトル制御方式の場合、永久磁石によって作られる界磁磁極(例えばＮ極)の位相ω１をｄ軸に定め、電気角で９０°進んだｑ軸位相上で永久磁石式同期電動機に供給される電流Ｉｑを制御する。

そうすると、このときの磁石位置、つまりｄ軸位相角θに対する各相の電流ｉ_u、ｉ_v、ｉ_w (モータ印加電流)の大きさの関係は図３に示すようになり、ｄ軸位相角θ＝０°、６０°、１２０°…、の各位相角、つまり位相角θ＝６０°×ｎ(ｎは整数)のとき、特定の相だけ電流が最大となる。例えば、ｄ軸位相角θ＝０°ではＵ相電流ｉ_u が正のピークとなり、このときにはＵ相上アームのスイッチング素子だけ大きな電流が流れてしまう。

従って、従来技術では、ＰＷＭインバータ装置に過酷な要求が現れてしまのであり、この場合、スイッチング素子の電流容量を増加させて対応しなければならないので、ＰＷＭインバータ装置の大容量化によるコストの増加が避けらない。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、エレベータ駆動用モータに永久磁石式同期電動機を用いた場合でも、ＰＷＭインバータ装置の容量増加が抑えられるようにしたエレベータの制御装置を提供することにある。

上記目的は、巻上機の駆動にＰＷＭインバータ制御の永久磁石式同期電動機を用い、乗りかごに非常止め装置を備えたエレベータの制御装置において、前記永久磁石式同期電動機の磁極(Ｎ極)位相角が３０°＋ｎ×６０°(ｎは整数)近傍であることを検出して前記非常止め装置の試験運転を許可する手段が設けられていることにより達成される。

同じく上記目的は、永久磁石式同期電動機と、前記永久磁石式同期電動機によって駆動されるシーブと、前記シーブにロープを介して吊られる乗りかご及びカウンタウェイトと、前記永久磁石式同期電動機の印加電圧を可変電圧・可変周波数制御して前記乗りかごの昇降運転を行なうインバータ装置を含む制御装置と、前記乗りかごの過大な移動速度に応じて作動し前記乗りかごの落下と異常上昇を防止する非常止め装置とを備え、前記制御装置は、前記永久磁石式同期電動機の磁石(Ｎ極)位相が３０°＋ｎ×６０°(ｎは整数)近傍であることを検出し非常止め試験運転を許可する手段を有するようにしても達成される

本発明によれば、永久磁石式同期電動機の使用による省エネ化や小型化を、コストアップの虞なく享受することができる。

以下、本発明によるエレベータの制御装置について、図示の実施の形態により詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態で、図示のように、乗りかご１とカウンタウェイト３がシーブ２に巻き付けられたロープ４に繋がれた、いわゆるつるべ式のエレベータに本発明を適用した場合の実施形態であり、昇降路中に吊り下げられた乗りかご１はレール(ガイドレール)５に案内され、昇降路中で上下に移動するようになっている。

このとき、乗りかご１には、非常止め装置６が備えられているが、このときシーブ２の駆動には永久磁石式同期電動機７が用いられている。そして、この永久磁石式同期電動機７をＰＷＭインバータ装置５０により制御し、乗りかご１の乗り心地良い昇降移動の実現を可能にしているものである。

このときインバータ装置５０は、交流電源５１から交流電力の供給を受け、入力された交流電圧をコンバータ５２により整流し、コンデンサ５３に直流電圧として充電する。充電された直流電圧はＰＷＭインバータ５４に供給され、ここで可変電圧・可変周波数の交流に変換された上で永久磁石式同期電動機７に供給され、これにより永久磁石式同期電動機７が可変速駆動できるように制御する。

永久磁石式同期電動機７の出力軸には、界磁永久磁石界磁の角位置を検出するための位置検出器５７と速度検出器５８、ブレーキ装置(図示せず)、それにシーブ２が連結されている。従って、永久磁石式同期電動機７を動作させ、シーブ２を回転させることにより、乗りかご１の昇降移動を得ることができ、エレベータとしての動作が得られることになる。

このときインバータ装置５０は、インバータ制御部６０により制御される。すなわち、まず、速度指令手段６１は永久磁石式同期電動機７の速度指令ω^* を発生し、速度制御手段６２は、この速度指令ω^* に、速度検出器５８から供給されている速度ωが追従するようにフィードバック制御を行ない、トルク指令Ｔ^* をｑ軸電流指令手段６３に出力する。そこで、ｑ軸電流指令手段６３は、入力されたトルク指令Ｔ^* に応じた電流を計算し、ｑ軸電流指令Ｉｑ^* を出力する。

電流制御手段６５では、ｑ軸電流指令Ｉｑ^* と後述するｄ軸電流指令Ｉｄ^* に応じた電流が永久磁石式同期電動機７に流れるように、電流検出器５５からの電流ｉをフィードバックし、ＰＷＭパルス発生手段６６に電圧指令ｖ^* を出力し、ＰＷＭパルス発生手段６６に供給する。

このとき、永久磁石式同期電動機７では、界磁磁束が永久磁石により常に確立しているため、誘導電動機の励磁電流に相当するｄ軸電流指令Ｉｄ^* にはゼロを設定する。従って、永久磁石式同期電動機７が発生するトルクの大きさとｑ軸電流指令Ｉｑ^* の大きさの比は一定となる。

こうしてＰＷＭパルス発生手段６６に電圧指令ｖ^* が入力されると、ＰＷＭパルス発生手段６６は、位相検出器５７から供給されている位相角θを用い、電圧指令ｖ^* に応じたＰＭＷパルス信号を作成してＰＷＭインバータ５４に供給する。

この結果、速度指令手段６１から与えられる速度指令ω^* に従って永久磁石式同期電動機７の回転速度を制御するのに必要な可変電圧・可変周波数の３相交流電力がＰＷＭインバータ５４から出力され、永久磁石式同期電動機７に供給された結果、上記したように、エレベータの通常運転に際して乗り心地良い乗りかご１の昇降移動が得られることになる。

次に、この実施形態における非常止め試験での動作について説明する。まず図１から明らかなように、この実施形態では、非常止め試験運転許可手段８が設けてある。そして、この非常止め試験運転許可手段８は、位相検出器５７で検出されている位相角θを入力し、それを判別し、判別結果に応じて許可信号Ａを発生するようになっている。また、これと並行して、この実施形態では、許可信号Ａが非常止め試験運転許可手段８から入力されていないときには、速度指令手段６１が速度指令ω^* を出力しないように構成してある。

詳しく説明すると、非常止め試験運転許可手段８は、位置検出器５７から位相信号θを入力し、永久磁石式同期電動機７の現在の界磁停止位置が非常止め試験可能か否かを判定する。そして、位相信号θが次の値の場合、許可信号Ａを速度指令手段６１に出力する。

θ＝３０°、９０°、１５０°、２１０°、２７０°、３３０°
つまり、非常止め試験運転許可手段８は、位相角θが３０°＋ｎ×６０°の値をとったとき、許可信号Ａを発生するものであり、このとき、ｎは整数で、０〜５までの任意の値をとる。

ここで、通常、非常止め試験は、次の手順で行なわれる。すなわち、まず、作業員は、非常止め装置６を動作させ、乗りかご１がレール２に固定されている状態にする。次いで、速度指令手段６１から所定の速度指令ω^* を出力させ、これにより永久磁石式同期電動機７に乗りかご１が下降する方向にトルクを発生させ、シーブ２が滑ってしまうまでトルクを増加させる。そして、シーブ２が空転している状態でも乗りかご１が落下しないことを確認して非常止め試験は合格であるとするのである。

このとき、上記したように、シーブ２が空転するまで永久磁石式同期電動機７の磁極位置は固定されているので、従来技術では、このときの磁極位置によっては、図２と図３で説明したように、特定の相の電流だけが大きな値になってしまう。例えば、図３から明らかなように、位相角θが０°、６０°、１２０°、１８０°、それに２４０°になっていたときに特定の相の電流だけが大きな値になる。

しかるに、この図１の実施形態では、位相角θが３０°＋ｎ×６０°の値をとったときだけ許可信号Ａが発生されるようにした非常止め試験運転許可手段８が設けてある。そして、この許可信号Ａが発生されていないときには、速度指令手段６１が速度指令ω^* を出力しないようになっているので、この場合は速度指令手段６１から所定の速度指令ω^* を出力させようとしても応答が得られず、非常止め試験が開始されない。

そこで、このときは、永久磁石式同期電動機７に対する通電を一旦止め、非常止め装置６も解除する。そして、永久磁石式同期電動機７の回転子を、許可信号Ａが発生されるまで回動させる。そして、この後、非常止め試験を再開させるのである。

このときの永久磁石式同期電動機７の回転子の回動には、良く知られているインチング制御を用いれは良く、小容量の場合は、てこ(梃子)やハンドルを用い、人力によりシーブ２を動かすようにしても良い。ここで、インチング制御とは、例えばクレーンの移動位置制御などに用いられているもので、小刻みに電動機を回転させる技法のことである。また、このときの許可信号Ａの発生確認には、図示してない表示手段、例えば許可信号Ａが発生したとき点灯するランプを用いるようにしてやれば良い。

従って、この実施形態では、非常止め試験運転許可手段８から許可信号Ａが出力されていない場合、速度指令手段６１は速度指令を出力せず、非常止め試験運転が自動的に禁止されてしまう。つまり、この実施形態の場合、非常止め試験運転時でのｄ軸位相角θが限定され、この結果、ＰＷＭインバータ５４のスイッチング素子に流れる電流の値は、図３に示されているように、１３％が軽減される。

詳しく説明すると、従来技術では、非常止め試験運転時でのｄ軸位相角θが任意の値となる。ここでは、位相角θ＝０°を例にとると、この場合、図３から明らかなように、Ｕ相電流ｉ_u＝１．０、Ｖ相電流ｉ_v＝−０．５、Ｗ相電流ｉ_w＝−０．５となり、Ｕ相上アームのスイッチング素子に大きな負担が掛ってしまう。

ここで、電流値＝１．０は、永久磁石式同期電動機７がシーブ２とロープ４の静止摩擦によ拘束された後、当該静止摩擦にトルクに打ち勝って空転するのに必要なトルク(例えば定格値の３００％のトルク)を電流に換算し、正規化した値であり、従って、従来技術では、ＰＷＭインバータ装置が大型化し、コストアップになってしまう。

一方、図１の実施形態の場合、ｄ軸位相が前述のように限定される。ここでは、位相角θ＝３０°を例にとると、この場合、Ｕ相電流ｉ_u＝０．８６６、Ｖ相電流ｉ_v＝０、Ｗ相電流ｉ_w＝−０．８６６となり、Ｕ相上アームのスイッチング素子の電流は１３％低減できる。ここでスイッチング素子の損失は、電流の二乗にほぼ比例するため、この場合、スイッチング素子の負担は２５％も軽減できることになる。

従って、本発明の実施形態によれば、永久磁石式同期電動機７をエレベータ駆動用に用いたことによりＰＷＭインバータ装置５０のスイッチング素子に現れる負担の偏りが軽減できるので、非常止め試験に伴う直流電流の通流に対してもＰＷＭインバータ装置５０の容量を大きくする必要がなく、この結果、永久磁石式同期電動機の使用による省エネ化や小型化を、コストアップの虞なく充分に享受することができる。

ところで、上記実施形態では、非常止め試験運転許可手段８は、位相角θが３０°＋ｎ×６０°の値をとったとき、許可信号Ａを発生するものとしているが、当然のことながら、スイッチング素子の容量設計如何では、次のような設定も可能である。

例えば従来技術の場合に比較して、スイッチング素子の電流低減値が１０％で良いとした場合、非常止め試験運転許可手段８の許可条件を、
許可範囲１：θ＝２６°〜３４°
許可範囲２：θ＝８６°〜９４°
許可範囲３：θ＝１４６°〜１５４°
許可範囲４：θ＝２０６°〜２１４°
許可範囲５：θ＝２６６°〜２７４°
許可範囲６：θ＝３２６°〜３３４°
のように設定すれば良い。この場合、スイッチング素子の負担は約２０％の軽減幅となる。

なお、上記実施形態では、作業員は、非常止め試験の開始に際して速度指令手段６１から所定の速度指令ω^* を出力させ、とにかく非常止め試験が開始されるようにしているが、非常止め試験の開始に際して、当初、許可信号Ａの発生を確認するようにしても良い。この場合、作業員は、許可信号Ａの発生を確ランプなどにより確認し、許可信号Ａが発生されていないときは、最初に永久磁石式同期電動機７の回転子を回動させ、許可信号Ａが発生されるようにし、この後、非常止め試験を開始させるのである。

本発明によるエレベータの制御装置の一実施形態を示すブロック図である。 永久磁石式同期電動機の電流ベクトル図である。 永久磁石式同期電動機のｄ軸位相θと各相の電流の大きさの関係を表わす説明図である。

符号の説明

１：乗りかご
２：シーブ
３：カウンタウェイト
４：ロープ
５：レール(ガイドレール)
６：非常止め装置
７：永久磁石式同期電動機(同期モータ)
８：非常止め試験運転許可手段
５０：ＰＷＭインバータ装置
５１：交流電源
５２：コンバータ
５３：平滑コンデンサ
５４：ＰＷＭインバータ
５５：電流検出器
５７：位置検出器
５８：速度検出器
６０：インバータ制御部
６１：速度指令手段
６２：速度制御手段
６３：ｑ軸電流指令手段
６４：ｄ軸電流指令手段
６５：電流制御手段
６６：ＰＷＭパルス発生手段

Claims (2)

1. 巻上機の駆動にＰＷＭインバータ制御の永久磁石式同期電動機を用い、乗りかごに非常止め装置を備えたエレベータの制御装置において、
   前記永久磁石式同期電動機の磁極(Ｎ極)位相角が３０°＋ｎ×６０°(ｎは整数)近傍であることを検出して前記非常止め装置の試験運転を許可する手段が設けられていることを特徴とするエレベータの制御装置。
2. 永久磁石式同期電動機と、前記永久磁石式同期電動機によって駆動されるシーブと、前記シーブにロープを介して吊られる乗りかご及びカウンタウェイトと、前記永久磁石式同期電動機の印加電圧を可変電圧・可変周波数制御して前記乗りかごの昇降運転を行なうインバータ装置を含む制御装置と、前記乗りかごの過大な移動速度に応じて作動し前記乗りかごの落下と異常上昇を防止する非常止め装置とを備え、
   前記制御装置は、前記永久磁石式同期電動機の磁石(Ｎ極)位相が３０°＋ｎ×６０°(ｎは整数)近傍であることを検出し非常止め試験運転を許可する手段を有することを特徴とするエレベータの制御装置。

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