JP2009143711A - エレベータ蓄電制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】通常運転時には省エネを図り、非常運転時にはエレベータを用いた速やかな退避を可能にするエレベータ蓄電制御装置を得る。
【解決手段】第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａおよび第１双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１ｂを有し、通常運転時には電力回生動作および電力回生終了後の放電動作を行い、停電運転時には負荷平準化動作を行う第１の蓄電部１と、停電時用電力貯蔵デバイス２ａおよび第２双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂを有し、通常運転時には満充電に近い状態を維持するように動作し、停電運転時には放電動作を行う第２の蓄電部２と、コンデンサ１６が接続された母線の直流電圧の大きさに応じて、エレベータの運転状態を判断し、運転状態に応じて第１の蓄電部１および第２の蓄電部２を制御し、第１の蓄電部１および第２の蓄電部２と、母線との間の直流電力の授受を制御する回生・放電制御部４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、エレベータの省エネと停電時のために用いられるエレベータ蓄電制御装置に関する。

従来、エレベータの回生については、ニッケル水素電池や電気二重層キャパシタを蓄電装置として用いたものが開発され、一部実用化されている。しかし、エレベータの回生と力行には、状況に応じて大きな差異がある。従って、全ての状況に応じてエネルギーを回生し、力行に利用するためには、多くの蓄電デバイスが必要となり、高コストになるという問題があった。

エレベータは、通常、巻き上げ機に掛けられたロープの一端を、乗りカゴに接続し、ロープのもう一方の端を、所定の乗客数を想定して乗りカゴの重量に加えてバランスさせた釣り合い錘に接続して運転される。そして、乗りカゴに乗る実際の人数が所定の人数、重量と同じ場合には、釣り合い錘がバランスし、回生にも力行にも、大きなエネルギーが不要になる。

しかしながら、例えば、高層マンションのエレベータでは、朝の下降時には、上階から次々に人が乗ってきて降り、上昇時にはほとんど人がいないこととなる。従って、下降時には大きな回生エネルギーが回収され、上昇時には釣り合い錘によって乗りカゴが引っ張り上げられるので、ほとんど力行エネルギーは不要になる。

また、夕方から夜は、朝の状況とは逆に、上昇時には、１階から次々に人が乗ってきて上昇するので、大きな力行エネルギーを必要とし、下降時には、釣り合い錘よりも軽い乗りカゴになってしまうので、回生できず、むしろ力行になってしまう。

一方、オフィスビルのエレベータでは、朝や昼休み後の上昇時には、１階から次々に人が乗ってきて上昇するので、大きな力行エネルギーを必要とし、下降時には、釣り合い錘よりも軽い乗りカゴになってしまうので、回生できず、むしろ力行になってしまう。

また、夕方から夜と昼休み直後の下降時には、上階から次々に人が乗ってきて降り、上昇時にはほとんど人がいない。従って、下降時には大きな回生エネルギーが回収され、上昇時には釣り合い錘によって乗りカゴが引っ張り上げられるので、ほとんど力行エネルギーは不要になる。

すなわち、高層マンションのエレベータとオフィスビルのエレベータとでは、時間的にはパターンが異なるが、いずれの場合も、時間帯によって回生と力行のバランスが取れない状態が生じる。このアンバランスを解消し、回生エネルギーを蓄電して力行に利用するには、多くの蓄電デバイスが必要となり、高コストになるという問題があった。

以上のように、従来のエレベータ蓄電制御装置は、通常運転時に、電力貯蔵デバイスを用いて、回生したエネルギーを力行に使用しようとする場合には、エレベータが下降する際に回生のみが発生し、上昇する際に力行のみが発生する。このため、電力貯蔵量が少ないと、回生では、下降して１階に到達する前に満充電になり、力行では、上昇してまもなく空になってしまうという問題がある。

この結果、せっかく発生する回生電力を充分に回生できず、充分な省エネ効果が得られないという問題点があった。また、回生を１階まで、力行を最上階まで賄うには、大量の蓄電デバイスを必要とし、高コストになるという問題があった。

一方、停電時の運転に対しては、エレベータ蓄電制御装置には、鉛蓄電池が標準的に搭載されている。そして、この鉛蓄電池には、停電発生時に最寄りの階にまで移動してドアを開けるだけの電力が貯蔵されている。

しかしながら、近年は、ビルが高層化し、地下も有効利用されるようになっている。これにより、火災などが伴った停電時には、エレベータに火災が及んでいないことが大前提になるが、エレベータを使って速やかに上階あるいは地下階から１階へ移動し避難することがニーズとして求められている。

これは、ニューヨークの貿易センタービルで、エレベータが停止し、階段が多くの避難者で身動きできない状況になって、速やかに人が退避することができず、多くの人がビルに取り残されて犠牲者になった事実や、都市部を中心に多くの高層マンションや高層オフィスビルが増えたことなどが影響している。このような現状を考慮すると、階段で避難することの困難な、身障者や高齢者や妊婦や子供を優先して、安心してエレベータで避難させることが重要である。

階段を急いで駆け下りることの難しいこれらの人々をエレベータで避難させることで、健常者の階段での避難がスムースになる効果も得られる。避難する人数にもよるが、エレベータでの退避に必要な時間は、通常１０分足らずでよいとされている。

しかしながら、エレベータの回生、力行には、乗員数や移動する階によって大きな変化がある。従って、そのエネルギー変化を受け入れるためには、電力貯蔵デバイスは、満充電状態で待機していることが困難であった。また、力行に必要な電力を賄うには、大量の蓄電デバイスを必要とし、高コストになるという問題があった。

蓄電デバイスでは、鉛蓄電池が安価であり、低コストで最も多くのエネルギーを貯めることができる。しかしながら、この鉛蓄電池は、急速な充放電ができないので、エレベータの運転に耐えられないという問題があった。

このため、停電時には、直流電流を上限に収まるように制御して、回生電力が生じないようにする工夫がなされていた（例えば、特許文献１参照）。

特開平５−５１１８２号公報

しかしながら、従来技術には次のような課題がある。
従来のエレベータ蓄電制御装置は、通常運転時において、電力貯蔵デバイスを用いて、回生したエネルギーを力行に使用しようとした場合に、電力貯蔵量が少ないと、回生では下降して１階に到達する前に満充電になり、力行では上昇してまもなく空になってしまうという問題があり、充分な回生ができず省エネが図れないという問題があった。その一方で、回生を１階まで、力行を最上階まで賄うには、大量の蓄電デバイスを必要とし、高コストになる。

また、停電時に、直流電流を上限に収まるように制御する従来技術においては、巻き上げ機のモータに投入される電流が制限される。この結果、エレベータの回生、力行に合わせた入出力電流を賄うことはできず、避難する人が満員状態であって、電力が回生できる状況であるにもかかわらず、のろのろ運転でしか運行できないという問題点があった。

本発明は、上記のような従来の問題点を解消するためになされたもので、通常運転時には省エネを図ることを可能とし、非常運転時にはエレベータを用いた速やかな退避を可能にするエレベータ蓄電制御装置を得ることを目的とする。

本発明に係るエレベータ蓄電制御装置は、エレベータ駆動用の電動機と、商用電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、直流電圧を平滑化するコンデンサと、電圧指令値に応じて直流電圧を交流電圧に変換し、電動機に駆動電圧を供給するインバータと、第１の電力回生用貯蔵デバイスおよび第１双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを有し、通常運転時には電力回生動作および電力回生終了後の放電動作を行い、停電運転時には負荷平準化動作を行う第１の蓄電部と、停電時用電力貯蔵デバイスおよび第２双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを有し、通常運転時には満充電に近い状態を維持するように動作し、停電運転時には放電動作を行う第２の蓄電部と、コンデンサが接続された母線の直流電圧の大きさに応じて、エレベータの運転状態を判断し、運転状態に応じて第１の蓄電部および第２の蓄電部を制御し、第１の蓄電部および第２の蓄電部と、母線との間の直流電力の授受を制御する回生・放電制御部とを備えるものである。

本発明によれば、機能の異なる第１の蓄電部と第２の蓄電部とを備え、状況に応じて、これらの蓄電部に対して最適な回生・放電制御を行うことで、通常運転時には、少ない電力貯蔵デバイスを活用して最大限の回生を行って省エネを図り、非常時には、回生、力行に対応した運転を可能にし、エレベータを用いた速やかな退避を可能にするエレベータ蓄電制御装置を得ることができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１におけるエレベータ蓄電制御装置の回生放電時の様子を示す回路図および模式図である。また、図２は、本発明の実施の形態１におけるエレベータ蓄電制御装置の停電時の様子を示す回路図および模式図である。

本実施の形態１におけるエレベータ蓄電制御装置は、第１の蓄電部１、第２の蓄電部２、回生・放電制御部４、乗りカゴ内に設置された表示器を制御する表示制御部５を備えている。ここで、第１の蓄電部１は、第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａおよび第１双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１ｂで構成される。同様に、第２の蓄電部２は、停電時用電力貯蔵デバイス２ａおよび第２双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂで構成される。

また、電流／電圧計測器として、図１には、第１双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１ｂの出力電流／電圧計測器６、および母線の直流電流／電圧計測器７が示されており、図２には、第２双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂの出力電流／電圧計測器８が示されている。

まず始めに、図１を用いて、回生放電時における本実施の形態１のエレベータ蓄電制御装置の動作について説明する。第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａとしては、例えば、ニッケル水素電池またはリチウムイオン電池を適用することが考えられる。電圧を縦軸とし、充電量（ＳＯＣ：State of Charge）を横軸としたときの第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａの典型的な特性が、図１中に模式的に曲線で示されている。

ここで、横軸は、左端が空（ＳＯＣ＝０％）の状態、右端が満充電（ＳＯＣ＝１００％）の状態を示している。第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａの電圧は、ＳＯＣ＝０％近くで急激に低下するが、ＳＯＣ＝１００％近くになるにつれて飽和に近くなる。なお、第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａとしてニッケル水素電池を用いる場合と、リチウムイオン電池を用いる場合とで、この曲線は多少異なってくる。

第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａの特性の中に示している棒線は、回生専用モードの標準状態（スタンバイ状態）を示している。この棒線は、母線から回生電流を受け取って充電されるにつれて、白い矢印のように満充電（ＳＯＣ＝１００％）近くにまで充電される。第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａへの入出力は、第１双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１ｂを介して行われる。

停電時用電力貯蔵デバイス２ａとしては、例えば、鉛蓄電池を適用することが考えられる。電圧を縦軸とし、充電量を横軸としたときの停電時用電力貯蔵デバイス２ａの典型的な特性が、図１中に模式的に曲線で示されている。

停電時用電力貯蔵デバイス２ａの特性の中に示している棒線は、満充電モードの標準状態（スタンバイ状態）を示している。満充電モードのこの標準状態は、母線から微量の電流を受け取って満充電が維持されている。停電時用電力貯蔵デバイス２ａへの入力は、第２双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂを介して行われる。

本発明のエレベータ蓄電制御装置の制御対象であるエレベータの機構部および駆動制御回路部は、エレベータ１２（乗りカゴと釣り合い錘と巻き上げ機とロープ）、巻き上げ機のモータ１３（誘導電動機等）、商用電源１４、整流手段１５、平滑コンデンサ１６、エネルギー消費回路１７、インバータ１８を備えている。

エネルギー消費回路１７は、スイッチング素子１７ａおよびエネルギー消費抵抗１７ｂを備えており、回生電力を電力貯蔵デバイスで貯蔵しきれなかった場合に、抵抗による熱ロスで消費させる役割を担う。

３相交流の商用電源１４は、整流手段１５で一旦直流に変換した後、インバータ１８で再度３相交流に変換される。そして、交流に変換後の電源が、エレベータ１２の巻き上げ機のモータ１３に供給される。なお、インバータ１８は、図示していない駆動制御部から与えられる電圧指令値に応じてモータ１３に駆動電圧を供給する。平滑コンデンサ１６の両端部分は、直流回路部分の母線に相当する。

第１双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１ｂは、直流電圧の昇圧もしくは降下を行う役目を果たし、第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａと回生・放電制御部４との間に挿入されている。同様に、第２双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂは、直流電圧の昇圧もしくは降下を行う役目を果たし、停電時用電力貯蔵デバイス２ａと回生・放電制御部４との間に挿入されている。

さらに、回生・放電制御部４は、エレベータの直流回路部分の母線（平滑コンデンサ１６の両端部分に相当）に接続されている。このようにして、第１の蓄電部１および第２の蓄電部２と、母線の直流回路部分との間に、回生・放電制御部４を設けている。これにより、第１の蓄電部１および第２の蓄電部２と、母線の直流回路部分との間で、直流電力の授受を行うことが可能となる。

エレベータが回生状態になった場合には、直流回路内の母線の直流電圧が上昇する。一方、商用電源１４でモータ１３を駆動している場合には、直流回路内の母線の直流電圧は、下降する。上昇した直流電圧は、第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａに回収された後、ゆっくりと母線に戻される。

ただし、第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａが満充電の時に、エレベータが回生モードに入った場合には、電力は回生しきれないこととなる。この場合には、回生・放電制御部４は、エネルギー消費用のスイッチング素子１７ａを作動させて、エネルギー消費抵抗１７ｂに電流を流し、熱として放出させることになる。

第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａは、充電容量（ＳＯＣ）が３０％未満の空に近い状態を標準状態として維持されている。これにより、第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａの持っている電力貯蔵能力の７０％以上を回生電力の回収に使用することができる。第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａは、ニッケル水素電池やリチウム電池を複数個、直列あるいは並列に接続して構成することができる。また、第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａは、ニッケル水素電池とリチウム電池を並列にするなど組み合わせて構成することもできる。

次に、第１の蓄電部１の役割について説明する。
エレベータが回生モードになると、回生・放電制御部４は、直流電圧や直流電流などを検知して、第１双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１ｂを作動させ、上限電流を超えない範囲で第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａを充電する。上限電流を超える回生直流電流が発生した場合には、回生・放電制御部４は、エネルギー消費用のスイッチング素子１７ａを作動させて、エネルギー消費抵抗１７ｂに電流を流し、熱として放出させることになる。

また、第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａの電圧が上限に達し、満充電になった場合には、回生・放電制御部４は、第１双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１ｂを作動させ、母線に対してゆっくりと放電を開始する。このような回生・放電制御部４の働きにより、母線に急激な電圧上昇を生じさせることなく、また、電池や配線の内部抵抗によって、折角回収できた電力を無駄に消費させることなく、第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａに蓄えられた回生電力を、最大限に利用することができる。

第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａからゆっくりと放出された電力は、乗りカゴ内部での定常的な電力、すなわち、照明の電力や制御用電力、待機用電力、ファンや冷暖房用電力などに消費される。従って、第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａからゆっくりと放出された電力は、力行の電力にはほとんど使用されない。

しかしながら、商用電源１４から力行に応じた急激な電力を供給することは、元々可能であり、省エネには関係ないので、回生した電力を力行に対応させて消費する必要はない。むしろ、第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａに蓄えられた電力をゆっくりと放電して、定常的な電力として消費した方が電池の放電効率が高まり、省エネ効率を高く保つことができる。

第１双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１ｂを介して母線に流された直流電流と直流電圧は、第１双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１ｂの出力電流／電圧計測器６によってモニターされ、表示制御部５により電力に換算され記憶される。一方、母線を流れる直流電流と直流電圧は、母線の直流電流／電圧計測器７によってモニターされ、表示制御部５により電力に換算され記憶される。

表示制御部５は、一定期間、例えば、直前の１時間の間に、母線で使用された電力に対する、第１双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１ｂから母線に供給された電力の割合を計算することにより、省エネ率を求めることができる。さらに、表示制御部５は、乗りカゴ内で、乗っている人へのアナウンスのために取り付けられた表示器（図示せず）に対して、求めた省エネ率を表示させることができ、省エネ運転を実施しているエレベータであることをアピールできる。

なお、費用対効果で、第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａの容量をかなり控えめにした場合にも、省エネを図ることができるが、回生しきれない電力がどうしても生じる。この場合には、母線の直流電圧の上昇によって商用電源１４にもある程度電力が回収される場合がある。しかしながら、乗りカゴをブレーキの遅れが生じることなく着実に停止させるためには、エネルギー消費用のスイッチング素子１７ａを作動させて、エネルギー消費抵抗１７ｂに電流を流し、熱として放出させることになる。

第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａの容量が大きくなるほど、エネルギー消費抵抗１７ｂで熱として放出される電力が減って、省エネ率も高まる。従って、年数を経て、予算に余裕が出たときには、電池の数を増して、省エネ率を高めることも可能である。また、性能の悪くなった電池群に並列に、新しい電池を接続させて使用することも可能である。これにより、性能の悪くなった電池群の負担が少なくなり、第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａ全体としての容量を増やすことができる。

また、電池群の上限電圧を揃えてやれば、例えば、ニッケル水素電池の電池群に、最新のリチウムイオン電池の電池群を並列に接続して、それぞれの電圧勾配の比で自然に分担させて用いる増設の方法も有効である。

次に、第２の蓄電部２の役割について、図２を中心にして説明する。
第２の蓄電部２は、常に満充電に近い状態に置かれていて、停電時に放電する動作を行う。従って、停電時用電力貯蔵デバイス２ａとしては、安価で容量の大きなもので、満充電の状態が最も安定な電池が望ましい。

この要件に合致するのは、鉛蓄電池である。鉛蓄電池は、満充電近くで安定であり、深い充放電に弱い。また、可能な充放電回数は、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などに比べて圧倒的に少ない。しかしながら、２０円／ｋＷｈ以下と、他の電池では決して実現できない低コストが実現できている。

停電時用電力貯蔵デバイス２ａは、回生放電時を含めて、通常運転時には、第２双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂを介して、ごく微量の電流によって常に充電状態が保たれる。

停電時における図２の構成において、回生・放電制御部４は、商用電源１４の停電を検知して、第２双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂを作動させる。さらに、回生・放電制御部４は、停電時用電力貯蔵デバイス２ａから可能な限り母線側に放電して、エレベータの運転を継続する。この際、回生・放電制御部４は、第１双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１ｂの標準位置をＳＯＣ＝５０％に近い充電状態（ＳＯＣ＝４０％〜６０％が望ましい）に保ち、母線電圧を検知して、充放電モードでの動作を開始させる。

すなわち、停電時における停電時用電力貯蔵デバイス２ａから母線側への放電により、エレベータが回生モードになって母線電圧が高まった場合には、第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａを充電して電力を回収する。一方、エレベータが力行モードになって母線電圧が低くなった場合には、第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａから放電して力行のアシストを行う。

ＳＯＣ＝５０％近くに置くことによって、充電側には、ＳＯＣ＝５０％からＳＯＣ＝１００％までの容量の５０％の回生電力容量が生じ、放電側には、ＳＯＣ＝５０％からＳＯＣ＝２０％までの容量の３０％の力行アシスト電力容量が生じる。

第１の蓄電部１が電力回生および力行アシストの動作を行っているために、第２の蓄電部２は、急激な放電や困難な充電を受ける恐れがなくなる。この結果、停電時用電力貯蔵デバイス２ａの急激な電圧降下や一部の電池の急激な劣化を避けることができ、停電時用電力貯蔵デバイス２ａの持っている全ての鉛蓄電池の容量を最後まで使い切ることが可能になる。

また、停電時において、第１の蓄電部１を電力回生として機能させることにより、上階の人が降りてくる時の電力回生を有効に行うことができ、停電時用電力貯蔵デバイス２ａの電力消費を少なくすることができる。この結果、停電時に補償できる時間を最大限に保てることとなる。

また、停電時において、第１の蓄電部１を力行アシストとして機能させることにより、モータ１３が必要とする電力を供給することが可能になる。この結果、回生電力が生じないように乗りカゴをゆっくりと動かす従来の方法（特許文献１）に比べて、通常のエレベータの運転状態に近い運用が可能になる。

ただし、停電時には、エレベータの速度を制限して、回生で発生する瞬時電力および力行で必要になる瞬時電力をできる限り少なくして、第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａによる充放電で必要な電力を賄い、エネルギー消費回路１７による熱の放出がないようにすることが望ましい。停電時のエレベータの速度は、第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａおよび停電時用電力貯蔵デバイス２ａの容量と、エレベータの乗車する人数の見積もりとに基づいてシミュレーションによって求めることにより、容易に設定することができる。

次に、回生放電時および停電時における回生電流、充放電電流の経時変化について、説明する。まず始めに、図３は、本発明の実施の形態１における回生放電時の母線電流（Ａ）とニッケル水素電池（第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａに相当）の電流（Ｂ）の経時変化である。図３中の符号２１〜２７は、それぞれ次のものを示している。

２１は、緩やかな回生電流、２２は、乗りカゴの停止直前の急峻な回生電流、２３は、乗りカゴ内部での照明の電力や制御用電力、待機用電力、ファンの電力などを含む、停電時に必要最低限に絞られた消費電流である。また、２４は、乗りカゴを上昇させた時の急峻な力行の消費電力、２５は、乗りカゴが動き出した後の力行の消費電力である。さらに、２６は、ニッケル水素電池で充電される充電電流、２７は、ニッケル水素電池によって放電される放電電流である。

急峻な回生電流２２をニッケル水素電池に充電すると、ニッケル水素電池の内部抵抗で異常発熱し、第１双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１ｂの許容電流を超えて損傷するなどの不具合が生じる。従って、回生・放電制御部４は、ニッケル水素電池で充電される充電電流２６を超える電流を、エネルギー消費抵抗１７ｂで熱として放出させる。

さらに、回生・放電制御部４は、回生した電力を、回生が終了し消費側に変化した直後、もしくは、第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａが満充電になった直後に、第１双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１ｂを介して、ゆっくりと母線側に放電させる。ゆっくりと放電させることで、電池内部での抵抗や配線抵抗、第１双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１ｂでのロスを最低限にして、回生した電力の有効利用を図ることができる。

次に、図４は、本発明の実施の形態１における停電時の母線電流（Ａ）とニッケル水素電池（第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａに相当）および鉛蓄電池（停電時用電力貯蔵デバイス２ａに相当）の電流（Ｂ）の経時変化である。図４中の符号２８〜３０は、それぞれ次のものを示している。２８は、ニッケル水素電池の充電電流、２９は、鉛蓄電池の放電電流、３０は、ニッケル水素電池の放電電流である。

回生に伴う急峻な回生電流の大部分と力行アシストの放電電流とが、ニッケル水素電池によって賄われる。回生電流の急峻な電流の一部は、回収できず、エネルギー消費抵抗１７ｂによって放熱される。

力行に必要な電力は、鉛蓄電池とニッケル水素電池によって全て賄われる。これは、停電時の避難が最優先であり、ニッケル水素電池の急速な放電によってサイクル寿命が大きく低下しても、１０分間の動作を無事に終える事ができればよいためである。従って、力行アシストに必要な電力供給は、ニッケル水素から通常の許容範囲を超えて行われる。一方、鉛蓄電池からの放電は、一定を保つことができており、最後まで使い切ることが可能になる。

第２双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂを介して母線に流された直流電流と直流電圧は、第２双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２ｂの出力電流／電圧計測器８によってモニターされ、表示制御部５により電力に換算され記憶され、あらかじめ用意された停電時用電力貯蔵デバイス２ａの初期電力量と対比される。

そして、表示制御部５は、一定期間、例えば、直前の２分間に、停電時用電力貯蔵デバイス２ａで消費された電力量を基に、停電時用電力貯蔵デバイス２ａで供給を継続することのできる残時間を求めることができる。さらに、表示制御部５は、求めた残時間を乗りカゴ内や各階フロアに設置された表示器（図示せず）に表示させる、あるいは音声で乗りカゴ内や各階フロアにアナウンスすることができる。これにより、乗っている人や各階で待っている人に、エレベータの利用可能時間を知らせることができる。

図５は、本発明の実施の形態１におけるエレベータの下降に伴う回生と、上昇に伴う力行のそれぞれの様子を示す模式図である。回生時が（Ａ）、力行時が（Ｂ）として示されている。通常運転時には、エレベータの下降に伴って回生が続くが、下降途中でも定常的な電力消費がある。従って、このような電力消費を、回生した電力で賄うことで、省エネを図ることができる。

本実施の形態１のエレベータ蓄電制御装置においては、エレベータで定常的に消費しきれない回生電力があったとしても、商用電源１４にゆっくりと回収させており、次の回生までに電力を消費することができる。すなわち、本実施の形態１のエレベータ蓄電制御装置は、各階に停止するごとに電力を回収し、次の階に移動する間に放電することで、発生する回生電力を無駄なく回収し、省エネを図ることができる。

上昇時の力行に必要な電力については、全て商用電源１４から賄われるが、省エネには関係ない。さらに、商用電源１４から力行の必要電力に合わせて電力消費することに、全く問題は生じない。さらに、停電時には、エレベータの下降に伴って発生する回生電力が、力行のアシストに用いられ、鉛蓄電池の急激な放電を防止することができる。

また、図５のように、上の階に比べて、下の階ほど、ニッケル水素電池の充電状態を高くして運用することができる。これにより、上昇時に必要な力行アシスト電力を最大限に貯蔵することができる。この結果、エレベータが上昇する際に必要な電力を回生電力で賄うことによって、鉛蓄電池の電力消耗を少なくして、より長時間、停電時のエレベータの運行を可能にできる効果がある。

また、通常運転時の省エネ率の表示は、エレベータに乗車した人の省エネに対する意識を高め、啓蒙する効果がある。さらに、停電時の残時間の表示もしくは音声による残時間のアナウンスは、乗りカゴ内の人や各階で待っているエレベータを利用して避難する人に安心感を与え、パニックが起こりにくくできる効果がある。

以上のように、実施の形態１によれば、機能の異なる第１の蓄電部と第２の蓄電部とを備え、状況に応じて、これらの蓄電部に対して最適な回生・放電制御を行うことができる。この結果、通常運転時には、少ない電力貯蔵デバイスを活用して最大限の回生を行って省エネを図ることができ、非常時には、回生、力行に対応した運転を可能にし、エレベータを用いた速やかな退避を可能にすることができる。

実施の形態２．
先の実施の形態１では、第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａとしてニッケル水素電池またはリチウムイオン電池を適用した場合について説明した。これに対して、本実施の形態２では、第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａとして電気二重層キャパシタを適用する場合について説明する。

図６は、本発明の実施の形態２におけるエレベータ蓄電制御装置の回生放電時の様子を示す回路図および模式図である。また、図７は、本発明の実施の形態２におけるエレベータ蓄電制御装置の停電時の様子を示す回路図および模式図である。

電圧を縦軸とし、充電量を横軸としたときの第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａの典型的な特性が、図６、７中に模式的に曲線で示されている。本実施の形態２において第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａとして用いられている電気二重層キャパシタは、０Ｖから上限電圧まで直線的に変化する。従って、およそ１／２電圧で、７５％の電力貯蔵に相当する。

次に、回生放電時および停電時における回生電流、充放電電流の経時変化について、説明する。まず始めに、図８は、本発明の実施の形態２における回生放電時の母線電流（Ａ）と電気二重層キャパシタ（第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａに相当）の電流（Ｂ）の経時変化である。回生電流について、電気二重層キャパシタは、所定電圧以上の部分、あるいは、母線の直流電圧がある一定以上に高まった場合に回生する。図８中の符号２１〜２５は、先の図３と同じであり、符号３１は、電気二重層キャパシタの回生充電電流、３２は、電気二重層キャパシタの放電電流を示している。

電気二重層キャパシタに蓄積された電力は、回生後、速やかに母線にゆっくりと戻される。緩やかな回生電流については、電力貯蔵デバイスで回生することはできない。しかしながら、通常のエレベータシステムでは、母線の直流電圧が高くなると、回生電力の一部は、自然に商用電源１４に戻されるか、エレベータシステムの所内必要電力に消費される。そして、母線の直流電圧が所定の値よりも高くなると、エネルギー消費用のスイッチング素子１７ａを作動させて、エネルギー消費抵抗１７ｂに電流を流し、熱として放出させるシステムになっていることが多い。

電気二重層キャパシタは、必ず無駄になっている、熱にして捨てている電力を回生することで、省エネを図ることができる。また、速やかにゆっくりと放電することで、次の力行を待たずに回生した電力を無駄なく活用し、速やかに次の電力回生に備えることができる。

次に、図９は、本発明の実施の形態２における停電時の母線電流（Ａ）と電気二重層キャパシタ（第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａに相当）および鉛蓄電池（停電時用電力貯蔵デバイス２ａに相当）の電流（Ｂ）の経時変化である。図９中の符号２９、３３、３４は、それぞれ次のものを示している。２９は、鉛蓄電池の放電電流、３３は、電気二重層キャパシタの停電時充電電流、３４は、電気二重層キャパシタの力行アシスト放電電流である。

電気二重層キャパシタは、鉛蓄電池では対応できない急峻な回生電流の充電と力行のピーク電流に対応した放電を賄うことができる。この結果、モータに必要な電流の変化を許容してエレベータのスムースな運転を可能にするとともに、鉛蓄電池の急激な劣化を防止して、最後まで使い切ることを可能にする。

電気二重層キャパシタの設定電圧としては、通常運転時には、およそ上限電圧の１／２の電圧が望ましい。１／２の電圧では、１／４の電力が貯蔵されており、残り３／４の電力を充電することができる。

１／２の電圧を下回った状態で充放電を繰り返すと、電気二重層キャパシタで発生する熱が電流の２乗に比例し、著しく多くなるなどの問題が生じる。また、１／２の電圧より高くすると、充電できる電力量が著しく小さくなってしまう。

一方、停電時における電気二重層キャパシタの設定電圧としては、およそ２／３電圧が望ましい。２／３電圧からおよそ１／２電圧までが、放電に用いられる電力、２／３電圧から上限電圧までが充電に用いられる電力に相当する。このように、２／３電圧に設定すれば、充電に必要な容量と放電に必要な容量とをバランスさせることができる。

以上のように、実施の形態２によれば、第１の電力回生用貯蔵デバイスに電気二重層キャパシタを適用することにより、停電時用電力貯蔵デバイスである鉛蓄電池では対応できない急峻な回生電流の充電と力行のピーク電流に対応した放電を賄うことができる。この結果、先の実施の形態１と同様に、通常運転時には、少ない電力貯蔵デバイスを活用して最大限の回生を行って省エネを図ることができ、非常時には、回生、力行に対応した運転を可能にし、エレベータを用いた速やかな退避を可能にすることができる。

実施の形態３．
先の実施の形態１では、第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａとしてニッケル水素電池またはリチウムイオン電池を適用した場合について説明した。また、先の実施の形態２では、第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａとして電気二重層キャパシタを適用する場合について説明した。

これに対して、本実施の形態３では、第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａとしてニッケル水素電池またはリチウムイオン電池を適用するとともに、さらに、第２の電力回生用貯蔵デバイス３ａとして電気二重層キャパシタを適用する場合について説明する。すなわち、本実施の形態３では、２種類の電力界西洋貯蔵デバイスを併用することになる。

図１０は、本発明の実施の形態３におけるエレベータ蓄電制御装置の回生放電時の様子を示す回路図および模式図である。また、図１１は、本発明の実施の形態３におけるエレベータ蓄電制御装置の停電時の様子を示す回路図および模式図である。

先の実施の形態１における図１、図２の構成と比較すると、本実施の形態３における図１０、図１１の構成では、電気二重層キャパシタを用いた第２の電力回生用貯蔵デバイス３ａと、第３双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３ｂとで構成される第３の蓄電部３をさらに備えている。

電圧を縦軸とし、充電量を横軸としたときの第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａ、停電時用電力貯蔵デバイス２ａ、第２の電力回生用貯蔵デバイス３ａの典型的な特性が、それぞれ図１０、１１中に模式的に曲線で示されている。これらの特性は、先の実施の形態１、２で説明した内容と同じである。

次に、本実施の形態３において併用される第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａ（ニッケル水素電池またはリチウムイオン電池）と、第２の電力回生用貯蔵デバイス３ａ（電気二重層キャパシタ）との役割分担について詳細に説明する。回生放電時には、急峻な充電を電気二重層キャパシタが受け持ち、回生後、直ちに第３双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３ｂから第１双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１ｂを介して、回生電力を放電する。

この結果、回生電力が第１双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１ｂを介して、第１の蓄電部に充電されるか、もしくは、母線に放電される。第３双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３ｂから直接母線に放電しないのは、２つの理由による。第１の理由は、コンバータでの効率を少しでも改善するためである。また、第２の理由は、電気二重層キャパシタで回収した電力を含めた省エネ率の計算を、第１双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１ｂから母線に供給される直流電流、直流電圧で計算でき、第３双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３ｂに新たに直流電流／電圧計測器を設けなくてもよいためである。

電気二重層キャパシタの設定電圧としては、先の実施の形態２の場合と同様に、通常運転時にはおよそ上限電圧の１／２の電圧が望ましい。また、停電時の電気二重層キャパシタの設定電圧としては、およそ２／３電圧が望ましい。

次に、回生放電時および停電時における回生電流、充放電電流の経時変化について、説明する。まず始めに、図１２は、本発明の実施の形態３における回生放電時の母線電流（Ａ）、ニッケル水素電池（第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａに相当）の電流（Ｂ）、および電気二重層キャパシタ（第２の電力回生用貯蔵デバイス３ａに相当）の電流（Ｃ）の経時変化である。図１２中の符号３１、３２は、先の図８で説明したものと同じである。

第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａと第２の電力回生用貯蔵デバイス３ａを併用することにより、エネルギー消費抵抗１７ｂで熱として放出されていた急峻な回生電流が、電気二重層キャパシタによって回収されるので、より回生効率が高められ、省エネ効率を高めることができる効果がある。

次に、図１３は、本発明の実施の形態３における停電時の母線電流（Ａ）、ニッケル水素電池（第１の電力回生用貯蔵デバイス１ａに相当）の電流（Ｂ）、および電気二重層キャパシタ（第２の電力回生用貯蔵デバイス３ａに相当）の電流（Ｃ）の経時変化である。図１３中の符号３３、３４は、先の図９で説明したものと同じである。

急峻な回生電流とともに、力行に伴う急峻な放電電流を電気二重層キャパシタが分担することで、ニッケル水素電池の負担が軽くなり、ニッケル水素電池の充放電能力を高められる。また、モータが必要な電流の変化のほとんど全てを、ニッケル水素電池と電気二重層キャパシタとで分担して受け入れ、供給することができるので、停電時においても、通常運転時に近いエレベータの運転スピードを確保することができる効果がある。

以上のように、実施の形態３によれば、ニッケル水素電池（またはリチウム二次電池）と、電気二重層キャパシタとを電力回生用貯蔵デバイスとして併用することにより、先の実施の形態１、２で示したいずれか一方の電力回生用貯蔵でデバイスを用いるエレベータ蓄電制御装置と比較して、より回生効率、省エネ効率の高い装置を実現できる。また、ニッケル水素電池の充放電能力を高める効果も得られる。さらに、通常運転時に近いエレベータの運転スピードを確保することも可能となる。

本発明の実施の形態１におけるエレベータ蓄電制御装置の回生放電時の様子を示す回路図および模式図である。 本発明の実施の形態１におけるエレベータ蓄電制御装置の停電時の様子を示す回路図および模式図である。 本発明の実施の形態１における回生放電時の母線電流（Ａ）とニッケル水素電池の電流（Ｂ）の経時変化である。 本発明の実施の形態１における停電時の母線電流（Ａ）とニッケル水素電池および鉛蓄電池の電流（Ｂ）の経時変化である。 本発明の実施の形態１におけるエレベータの下降に伴う回生と、上昇に伴う力行のそれぞれの様子を示す模式図である。 本発明の実施の形態２におけるエレベータ蓄電制御装置の回生放電時の様子を示す回路図および模式図である。 本発明の実施の形態２におけるエレベータ蓄電制御装置の停電時の様子を示す回路図および模式図である。 本発明の実施の形態２における回生放電時の母線電流（Ａ）と電気二重層キャパシタの電流（Ｂ）の経時変化である。 本発明の実施の形態２における停電時の母線電流（Ａ）と電気二重層キャパシタおよび鉛蓄電池の電流（Ｂ）の経時変化である。 本発明の実施の形態３におけるエレベータ蓄電制御装置の回生放電時の様子を示す回路図および模式図である。 本発明の実施の形態３におけるエレベータ蓄電制御装置の停電時の様子を示す回路図および模式図である。 本発明の実施の形態３における回生放電時の母線電流（Ａ）、ニッケル水素電池の電流（Ｂ）、および電気二重層キャパシタの電流（Ｃ）の経時変化である。 本発明の実施の形態３における停電時の母線電流（Ａ）、ニッケル水素電池の電流（Ｂ）、および電気二重層キャパシタの電流（Ｃ）の経時変化である。

符号の説明

１ 第１の蓄電部、１ａ 第１の電力回生用貯蔵デバイス、１ｂ 第１双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ、２ 第２の蓄電部、２ａ 停電時用電力貯蔵デバイス、２ｂ 第２双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ、３ 第３の蓄電部、３ａ 第２の電力回生用貯蔵デバイス、３ｂ 第３双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ、４ 回生・放電制御部、５ 表示制御部、６ 第１双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流／電圧計測器、７ 母線の直流電流／電圧計測器、８ 第２双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流／電圧計測器、１２ エレベータ、１３ 巻き上げ機のモータ、１４ 商用電源、１５ 整流手段、１６ 平滑コンデンサ、１７ エネルギー消費回路、１７ａ スイッチング素子、１７ｂ エネルギー消費抵抗、１８ インバータ。

Claims (11)

1. エレベータ駆動用の電動機と、
   商用電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、
   前記直流電圧を平滑化するコンデンサと、
   電圧指令値に応じて前記直流電圧を交流電圧に変換し、前記電動機に駆動電圧を供給するインバータと、
   第１の電力回生用貯蔵デバイスおよび第１双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを有し、通常運転時には電力回生動作および電力回生終了後の放電動作を行い、停電運転時には負荷平準化動作を行う第１の蓄電部と、
   停電時用電力貯蔵デバイスおよび第２双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを有し、通常運転時には満充電に近い状態を維持するように動作し、停電運転時には放電動作を行う第２の蓄電部と、
   前記コンデンサが接続された母線の直流電圧の大きさに応じて、エレベータの運転状態を判断し、前記運転状態に応じて前記第１の蓄電部および前記第２の蓄電部を制御し、前記第１の蓄電部および前記第２の蓄電部と、前記母線との間の直流電力の授受を制御する回生・放電制御部と
   を備えたことを特徴とするエレベータ蓄電制御装置。
2. 請求項１に記載のエレベータ蓄電制御装置において、
   前記第１の電力回生用貯蔵デバイスは、ニッケル水素電池またはリチウム二次電池であり、
   前記停電時用電力貯蔵デバイスは、鉛蓄電池である
   ことを特徴とするエレベータ蓄電制御装置。
3. 請求項２に記載のエレベータ蓄電制御装置において、
   前記回生・放電制御部は、
   通常運転時には、前記第１の蓄電部を回生モードとして、回生した電力を回生終了後直ちに前記第１双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して充電容量の３０％未満になるまで前記母線に放電させて次の電力回生動作に備えるように制御し、
   停電運転時には、前記第１の蓄電部を充放電モードとして、前記第１双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して充電容量のおよそ半分の充電状態を維持させ、急な充電電流や放電電流に対応して充放電させて負荷平準化動作を行うように制御し、前記第２の蓄電部を放電モードとして、前記第２双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して所定の電流を保ちながら前記母線に放電させるように制御する
   ことを特徴とするエレベータ蓄電制御装置。
4. 請求項１に記載のエレベータ蓄電制御装置において、
   前記第１の電力回生用貯蔵デバイスは、電気二重層キャパシタであり、
   前記停電時用電力貯蔵デバイスは、鉛蓄電池である
   ことを特徴とするエレベータ蓄電制御装置。
5. 請求項４に記載のエレベータ蓄電制御装置において、
   前記回生・放電制御部は、
   通常運転時には、前記第１の蓄電部を回生モードとして、前記母線の直流電圧が所定の電圧よりも高くなった場合に前記電気二重層キャパシタに回生電力を充電させ、回生終了後直ちに前記電気二重層キャパシタの上限電圧のおよそ半分の電圧になるまで放電させて、次の電力回生動作に備えるように制御し、
   停電運転時には、前記第１の蓄電部を充放電モードとして、前記第１双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記電気二重層キャパシタのおよそ２／３の電圧を維持させ、回生電力や前記第２の蓄電部の許容電流を超える放電電流に対応して充放電させて負荷平準化動作を行うように制御し、前記第２の蓄電部を放電モードとして、所定の電流を保ちながら前記第２双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記母線に放電させるように制御する
   ことを特徴とするエレベータ蓄電制御装置。
6. 請求項１に記載のエレベータ蓄電制御装置において、
   第２の停電時用電力貯蔵デバイスおよび第３双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを有し、通常運転時には、前記第１の蓄電部の充電許容電流を超える充電電流の回生動作を行い、停電運転時には、前記第１の蓄電部の放電許容電流を超える放電電流の負荷平準化動作を行う第３の蓄電部
   をさらに備えたことを特徴とするエレベータ蓄電制御装置。
7. 請求項６に記載のエレベータ蓄電制御装置において、
   前記第１の電力回生用貯蔵デバイスは、ニッケル水素電池またはリチウム二次電池であり、
   前記停電時用電力貯蔵デバイスは、鉛蓄電池であり、
   前記第２の電力回生用貯蔵デバイスは、電気二重層キャパシタである
   ことを特徴とするエレベータ蓄電制御装置。
8. 請求項７に記載のエレベータ蓄電制御装置において、
   前記回生・放電制御部は、
   通常運転時には、前記第１の蓄電部を回生モードとして、回生した電力を回生終了後直ちに前記第１双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して充電容量の３０％未満になるまで前記母線に放電させて次の電力回生動作に備えるように制御し、前記第３の蓄電部を回生モードとして、前記第１の蓄電部の充電許容電流を超える電流を回生し、前記第１の蓄電部の充電許容電流を下回ると前記第３双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記電気二重層キャパシタの上限電圧のおよそ半分の電圧になるまで放電させて前記第１の蓄電部の充電許容電流を超える次の電力回生動作に備えるように制御し、
   停電運転時には、前記第１の蓄電部を充放電モードとして、前記第１双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して充電容量のおよそ半分の充電状態を維持させ、急な充電電流や放電電流に対応して充放電させて負荷平準化動作を行うように制御し、前記第３の蓄電部を充放電モードとして、前記第３双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記電気二重層キャパシタのおよそ２／３の電圧を維持させ、前記第１の蓄電部の充電許容電流を超える急な充電電流および前記第１の蓄電部の放電許容電流を超える放電電流に対応して充放電させて負荷平準化動作を行うように制御し、前記第２の蓄電部を放電モードとして、前記第２双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して所定の電流を保ちながら前記母線に放電させるように制御する
   ことを特徴とするエレベータ蓄電制御装置。
9. 請求項３または請求項８に記載のエレベータ蓄電制御装置において、
   前記回生・放電制御部は、
   停電運転時には、前記第１の蓄電部の充電容量設定値を、エレベータ停止階における上階を低く、下階を高く設定する
   ことを特徴とするエレベータ蓄電制御装置。
10. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載のエレベータ蓄電制御装置において、
    前記第１双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流／電圧を計測する第１の計測器と、
    前記母線の電流／電圧を計測する第２の計測器と、
    通常運転時において、前記第１の計測器による計測結果に基づいて前記第１双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの所定期間内の電力量を第１電力量として逐次求めるとともに、前記第２の計測器による計測結果に基づいて前記母線から前記電動機に供給される前記所定期間内の電力量を第２電力量として逐次求め、前記第２電力量に対する前記第１電力量の割合を省エネ率として算出し、算出した前記省エネ率をエレベータ内部の表示器に表示させる表示制御部と
    をさらに備えることを特徴とするエレベータ蓄電制御装置。
11. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載のエレベータ蓄電制御装置において、
    前記第２双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流／電圧を計測する第３の計測器と、
    停電運転時において、前記第３の計測器による計測結果に基づいて前記第２双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの所定期間内に出力した消費電力量を逐次求め、前記第２の蓄電部に蓄電されている電力量と前記消費電力量に基づいて前記第２の蓄電部で電力供給を継続することのできる残時間を推定し、推定した前記残時間をエレベータ内部または各階の表示器に表示させる、もしくはエレベータ内部または各階に前記残時間を音声通知する表示制御部と
    をさらに備えることを特徴とするエレベータ蓄電制御装置。

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