JP2010503373A - モータの制動方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、周波数変換器(2)とともに使用される同期モータ(4)の制動方法および装置に関する。モータ(4)の制動電流は、周波数変換器(2)のインバータ(16)の負切替接点(10)のみを接続することにより、あるいは周波数変換器のインバータ(16)の正切替接点（17）のみを接続することにより制御する。本装置は制御器(3)を含み、制御器は制動状態において、周波数変換器(2)の負切替接点(10)のみを、あるいは周波数変換器(2)の正切替接点(17)のみを制御するように構成されている。
【選択図】図２

Description

発明の分野

本発明は、モータを制動する請求項１の前段に記載の方法と請求項13の前段に記載の装置に関するものである。

先行技術

エレベータシステムの安全作動は、電源断などの障害時、機械的制動によって確保され、これはしばしば、モータの電気的制動、いわゆる発電制動によっても確保されている。発電制動では、エレベータの機械的エネルギーはモータを通して外部負荷に送られる。この場合、機械的制動が作動しなくても、少なくともエレベータの加速は防止される。

非同期の駆動機械を使用する場合、発電制動には直流電流を１次巻線に供給することが必要である。したがって一般に、この目的用の個別の整流器などの特別な装置や追加の装置が必要である。DC駆動機械では、電機子回路に抵抗を接続することで制動を行なうことが可能である。この場合必要なのは、駆動機械の励磁が機能することである。

同期モータは、DCモータと同様の方法で発電制動が作動することができる。全速時に固定子巻線でモータを短絡させると、制動電力、および制動抵抗を通して流れる電流は、大きくなる。逆に低速では、小さな減速を得るのに十分なトルクがある。

固定子巻線を短絡させることによって発電制動を行なうと、ある電流成分が固定子電流に生成され、これは回転子の磁界と同位相で、回転子の磁界を弱めようとする。この、いわゆる弱め界磁状態で、モータのトルクは減少する。抵抗を固定子電流回路に接続することによって、トルクを発生させる電流のみが固定子に流れるというトルク発生の見地から、ある程度、最適状態に作動させることが可能である。この場合、発電制動中、固定子電流は減少する。

発電制動のスイッチとして、たとえば接触器が使える。また発電制動は、周波数変換器の中間回路を短絡回路に接続することで実現することもできる。これはたとえば、インバータのスイッチを制御して閉じることによって、行なうことができる。この弱め界磁状態における問題点は、過剰な励磁電流であり、それがスイッチでの熱損失の原因となる。

発電制動のスイッチとして半導体を使用すると、たとえば、エレベータシステムの給電が停止し、モータの機械的制動が、たとえば手動で開放されている状態では、半導体スイッチに必要な電気的制御をどこから得るかが問題となる。

発明の目的

本発明の目的は、エレベータシステムのエレベータカーを動かす同期モータの新規で安価な発電制動を開発することにある。

発明の特徴事項

本発明によるエレベータシステムにおける同期モータの制動方法は、請求項１の特徴段に開示された事項を特徴とする。本発明によるエレベータシステムにおける同期モータの制動装置は、請求項13の特徴段に開示された事項を特徴とする。本発明の他の特徴は、他の請求項に開示された事項を特徴とする。いくつかの発明実施例も本願明細書で論じられている。本願発明の内容はまた、後述の各請求項とは違った説明をすることもある。本発明の内容は、とくに本発明を表現上、もしくは暗黙のサブタスクの観点から、または達成される利点または利点の範疇の観点から検討する場合、いくつかの別々の発明から成るものであってもかまわない。この場合、後述する請求の範囲に含まれる特質のいくつかは、個々の発明の概念の見地から無用なこともある。

以下に記載する発明の特徴事項について、具体的には回転モータに言及しているが、本発明による発電制動の原理は、線形モータに関しても有効である。その場合は、回転運動でなく回転子と固定子との間の線形運動を意味する。

本発明の周波数変換器により使用される同期モータの制動方法によると、モータの制動電流は、短パルスによって、周波数変換器のインバータの負切替接点のみを、もしくは周波数変換器のインバータの正切替接点のみを開閉することにより、制御する。この場合、同時に、周波数変換器の中間回路から同期モータへ向かう給電が防止される。この方法でインバータへの負切替接点のみによってモータの各相が短時間、短絡回路に接続されると、モータの電源電圧によって制御されて制動電流の増加が始まる。負切替接点が開放されると、制動電流は、正切替接点と並列の逆並列接続ダイオードを通って中間回路に流れ込もうとする。この場合、中間回路のコンデンサは、充電し始め、中間回路電圧は上昇し始める。負切替接点が短パルスにより開閉されると、制動電力は、モータを通してパルス状に周波数変換器の中間回路に送られる。一方、本方法において、インバータの正切替接点のみによってモータの各相が一時的に短絡回路に接続されると、制動電流も、モータの電源電圧によって制御されて増加し始める。正切替接点が開放されると、制動電流は、正切替接点と並列のダイオードを通って中間回路に、また負切替接点と並列のダイオードを通って中間回路からモータに流れ込もうとする。そこで正切替接点が短パルスにより開放されたり閉じたりすると、制動電力は、モータを通してパルス状に周波数変換器の中間回路に送られる。本発明による方法において、インバータの各相のうちモータから出る方向のモータ電流の相の負切替接点のみを制御するか、あるいはインバータの各相のうちモータに向かう方向のモータ電流の相の正切替接点のみで十分である。これは、転換スイッチにおける電流の流れる方向が正または負切替接点に並列の逆並列接続ダイオードの順方向であれば、当該切替接点の制御が電流の流れを左右するからである。また、本発明によれば、インバータのすべての相の負切替接点のみを同時に制御し、あるいはインバータのすべての相の正切替接点のみを同時に制御する方法がある。これは、モータ電流の流れる方向について個々に推定する必要がないため、制御が簡単になる。本発明による方法の利点の一つは、発電制動を実現するのに別のスイッチが必要でなく、インバータだけで実現できることである。これはスペースとコストを節約する。加えて、部品数が減少すれば、システム全体の信頼性も改善される。

本発明の一つの方法によると、制動電力はモータを通して周波数変換器の中間回路へ、さらに先の周波数変換器を制御する何らかの機器の制御システムに送られて、上述の制御システムはモータの制動電力からその作動電力を受けることになる。本発明の好ましい一つの実施例では、作動電力は、モータの制動電力によってエレベータシステムの制御に供給される。

本発明による一つの方法では、モータの電流を測定し、インバータの切替接点の相対的閉鎖時間を変化させることによりモータの電流値が最小になる。本発明による方法で固定子電流を測定し、その測定電流を制御すると、固定子電流値は、電流安定装置によって一定に保つことができる。切替接点の相対的導通時間が増加すると、固定子電流は増えようとする。同様に相対的導通時間を短縮すると、固定子電流は減少する。その電流値を選択して、モータのすべての回転速度における発生トルクという観点から、モータは、トルクを生ずる電流のみが固定子に流れて電流の励起成分値がゼロとなるという最適ポイントで作動させることができる。この場合、制動の際の固定子電流は、できるだけ最小であり、モータのインバータも固定子巻線も、熱損失が少なくなる。

本発明の一つの実施例では、モータの制動電力はモータの動きを知らせる表示機器に供給され、その表示機器はモータの制動電力を使って制御される。エレベータモータが制動をかけると、その制動電力は周波数変換器の中間回路に送られ、中間回路からその電力が先の表示機器に供給され、その場合、表示機器はエレベータモータの動きを検出する。エレベータモータの回転速度は、モータの電源電圧の大きさの測定により判断することができる。これは、切替接点の接続中、モータ電流の変化の速度から制動すべきモータの速度を判断する場合に、生じる。速度の変化はモータの電源電圧の大きさと直接比較できる。本発明による一つの方法では、表示機器は、その動作電圧をモータの制動電力から受け、制動させるモータとして永久磁石モータを使用する場合、表示機器は、エレベータシステムの電力が切断された状態でも作動する。この方法の利点は、エレベータシステムに給電されないときでもエレベータモータの動きを監視できることである。表示機器の給電用に、予備蓄電池を有する別個の予備給電システムは、必要でない。この好ましい実施例では、表示機器は床に設置されるが、例えば機械室などのエレベータシステムにおける他の場所に設置することもできる。逆に、本発明に基づくエレベータシステムは、機械室や釣合錘なしでもよい。

本発明による一つの方法では、インバータの負切替接点はモータの制動電流の制御に必要であり、この場合、正切替接点は制御しないでよい。本発明によれば、正切替接点の導通は、正切替接点の制御信号の信号路を保安リレーで切り離すことにより防ぐ。正切替接点の制御を切り離すと、周波数変換器の中間回路からエレベータモータへの給電を防ぎ、そのとき、エレベータモータは制動に関する以外のトルクを発生できない。本発明のもう一つの方法では、インバータの正切替接点のみがモータの制動電流の制御に必要であり、この場合、負切替接点の導通は、負切替接点の制御信号の信号路を保安リレーで切り離すことにより、防ぐ。

本発明による方法において、制動すべき同期モータは永久磁石モータであり、制動用制御器の作動電圧は、このモータの電源電圧から整流により得られることから、発電制動は、まったく励磁巻線への個別の給電なしで実現できる。永久磁石同期モータは、回転子が回転し始めるとすぐに電源電圧を生成し始める。電源電圧は、直流電圧に整流され、インバータの切替接点に並列な逆並列接続ダイオードを通して周波数変換器の中間回路へ至る。本発明の一つの好ましい実施例では、発電制動用制御器は、中間回路電圧から直接電気的に制御し、制動用制御は、中間回路電圧が所定値に到達すると自動的に開始する。回転子が回転し始めて中間回路電圧が増加し始めると、制御器が接続され、モータを制動し始める。この実施例の利点は、発電制動用制御器に対して別のエネルギー蓄積部が必要でなく、代わりに、たとえばエレベータシステムの制御電源断の状態やエレベータモータの制動が手動で開放されている状態でも、発電制動が作動する。エレベータシステムの全体制御も、周波数変換器の中間回路から給電を得るように構成することができ、その場合、給電開始でエレベータシステムの制御部が発電制動起動する。

本発明の一つの実施例では、制動すべきモータの制動電力は、中間回路に接続させた電力抵抗器で制御する。エレベータモータの中間回路に供給された制動電力は、その目的用の電力抵抗器で熱に転換される。

本発明による方法では、制動用制御器の作動は、制御器に禁止信号を与えることによって防ぐ。エレベータシステムの正常使用中、エレベータシステムから発電制動用制御器へ禁止コマンドを与えることにより、たとえば、電源電圧の中間回路電圧から発電制動用制御器を分離するスイッチを制御することにより、発電制動を防ぐことができる。

周波数変換器とともに使用される同期モータの本発明による制動装置において、制動状態で負切替接点のみを制御する制御を行なって、周波数変換器のこれら負切替接点を短パルスで開閉するよう構成するか、あるいは周波数変換器とともに使用される同期モータの本発明による制動装置において、制動状態でこれらの正切替接点のみを制御する制御を行なって、周波数変換器の正切替接点を短パルスで開閉するようにする。本発明による装置では、周波数変換器の中間回路から同期モータに向けての給電は、同時に禁止する。

本発明による一つの装置では、周波数変換器の中間回路には、周波数変換器を制御する何らかの機器の制御系にモータの制動電力を供給する手段が設けられている。

本発明による一つの装置では、その測定方法は、制動用制御器に関連して、モータ電流を測定する測定手段とモータの制動電流を最小化する制御器とが設けられている。

本発明による一つの装置は、モータの動作を知らせるための表示器を含む。この場合、上述の表示器の電源電圧は、モータの制動電力から受電する。

本発明による一つの装置は、正切替接点に接続されて配置され制御信号の信号路を切断する保安リレーを含む。この場合、制動状態でこれら負切替接点のみを制御する制御を行ない、周波数変換器のこれら負切替接点を短パルスで開閉する。本発明によるもう一つの装置は、制御信号の信号路を切断する負切替接点に接続されて配置された保安リレーを含む。この場合、制動状態でこれら正切替接点のみを制御する制御を行ない、周波数変換器のこれら正切替接点を短パルスで開閉する。

本発明による一つの装置は、電力抵抗器と、周波数変換器の中間回路に電力抵抗器を接続するスイッチとを含む。

本発明による一つの装置は、制動用制御器の作動を防ぐ手段方法を含む。

本発明による制動制御は、周波数変換器の制御系に組み込んで実現することができるが、正または負の切替接点に接続配置された別の制動制御器としてもよい。

本発明による一つの装置では、制動すべきモータがエレベータモータであるが、本発明による同期モータ制動装置は、エレベータシステム以外の他のシステムにも適用することができる。この種のシステムは、昇降機械に同期モータが適用されたクレーンシステムでもよい。本発明による装置では、たとえば回路給電が切断されると、昇降機械の動きを制限することが可能となる。

本発明によるエレベータシステムを示す。 本発明によるエレベータモータの制動装置を示す。 発電制動時のモータ電流と中間回路電圧のグラフである。

下記の実施例で示す制動装置では、周波数変換器のインバータの負切替接点のみを制御することにより制動が行なわれる。

図１は、エレベータカー５および釣合錘６を動かすのに使用されるエレベータモータ４を周波数変換器２により制御するエレベータシステムを示している。本エレベータシステムには、発電制動用制御器３が追加されている。エレベータシステムの通常使用において、エレベータカーや釣合錘を動かすために必要なエネルギーは、回路電源１から得られる。またエレベータシステムは、釣合錘のないエレベータであってもよい。

図２は、本発明によるエレベータモータの制動装置を示している。この好適な装置では、エレベータモータ４は永久磁石同期モータである。エレベータモータ４が回転し始める際、モータの電源電圧は整流されて、逆並列接続ダイオード11、12を経由して周波数変換器２の中間回路に至る。この場合、中間回路電圧は増加し始める。制動用制御器３は、中間回路電圧からその作動電圧を受ける。中間回路電圧が所定のレベル、たとえば５ボルトでよいが、それに達すると、制動用制御装置３が起動し、短いパルス状制御信号によってインバータ16の負の切替接点10の制御を開始する。負切替接点が閉じると、負切替接点を通るモータの制動電流は、モータの電源電圧の制御の下で増え始める。負切替接点が開くと、制動電流は、正切替接点17と並列な逆並列接続ダイオード11を経由して中間回路のコンデンサ７に流れようとする。中間回路電圧はこの場合、高くなり始める。

制動用制御器３は、短パルスで負切替接点10の開閉を制御し、それと同時にエレベータモータ４の制動電力が周波数変換器２の中間回路へパルス状に送られる。制動用制御器３がモータの電源電圧からのその給電を受けるので、エレベータモータが回転し始めると自動的に発電制動が始まり、蓄電池とかスーパキャパシタなどの給電用バックアップ系統は必要としない。

モータの過剰な制動電力は、スイッチ19を閉じることにより中間回路から電力抵抗器18へ送られ、制動電力は、電力抵抗で熱として消費される。

発電制動は、遮断スイッチ９を開に制御することにより、中止することができる。スイッチ９が開くと、中間回路の正極から制動用制御器３への給電は切断され、そのとき発電制動が止まる。エレベータシステムが正常に機能している間、この接点９は制御されている。たとえばエレベータシステムの回路電源１が切断したときなど、例外的な状況では、接点９の制御は切断され、接点が閉じてエレベータモータの発電制動が可能となる。

図３は、切替接点10の開閉サイクル時のモータ電流と中間回路電圧のグラフを示す。切替接点10は、パルス状制御パルス21の制御の下で閉じる。この場合、モータ電流23は、モータの電源電圧の制御下で増加し始める。切替接点10が制御信号22により開くと、モータ電流23は、中間回路コンデンサ７に流れ込もうとする。この場合、モータ電流23が減少し始め、中間回路コンデンサ７が充電し始めて、中間回路電圧24が上昇し始める。中間回路コンデンサ７は、負切替接点10の制御パルス21、22により決まるペースで充電し、同時にモータの制動エネルギーは、中間回路へ伝えられる。制御パルス21の相対的な通電時間が増加すると、固定子電流が増加しようとする。

本発明の一つの実施例では、モータ電流23の方向を測定し、インバータ16の各相のうちモータ電流の方向がモータ４から離れる方向の相についてのみ、負切替接点10を制御する。

本発明の一つの実施例では、インバータ16の各相の負接点10をいっせいに、同じパルス状制御信号で制御している。そうすれば、制動制御器３の構造は単純化することができる。

本発明は、その実施例のいくつかの例を挙げてさらに説明している。本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、以下に示す請求の範囲により定義される本発明の着想の範囲内で他の多数の応用が可能であることは、当業者に明らかである。

Claims (20)

1. 周波数変換器(2)を使用した同期モータ(4)を制動し、同時に該周波数変換器の中間回路から該同期モータに向かう給電を防ぐ方法において、前記周波数変換器のインバータ(16)の負切替接点(10)のみを、あるいは該周波数変換器のインバータ(16)の正切替接点(17)のみを短パルスで開閉することにより、前記モータ(4)の制動電流を制御することを特徴とする同期モータの制動方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記インバータ(16)の各相のうち前記モータ(4)から出て行くモータ電流の方向の相の負切替接点(10)のみを、あるいは該インバータの各相のうち前記モータに向かうモータ電流の方向の相の正切替接点(17)のみを制御することを特徴とする同期モータの制動方法。
3. 請求項１に記載の方法において、前記インバータ(16)のすべての相の負切替接点(10)のみ、あるいは正切替接点(17)のみを同時に制御することを特徴とする同期モータの制動方法。
4. 請求項１ないし３に記載の方法において、前記制動電力は、前記モータ(4)を通して前記周波数変換器(2)の中間回路へ、さらに先の該周波数変換器を制御する機器の制御システムに送られ、前記制御システム(2)は、前記モータの制動電力からその作動電力を受けることを特徴とする同期モータの制動方法。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載のいずれかに方法において、前記モータ(4)の電流を測定し、前記インバータ(16)の切替接点(10、17)の相対的閉鎖時間を変えることにより該モータの電流値を最小にすることを特徴とする同期モータの制動方法。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の方法において、前記モータ(4)の制動電力は、該モータの動きを知らせる表示機器に供給され、該表示機器は、前記モータの制動電力によって制御されることを特徴とする同期モータの制動方法。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の方法において、前記制動すべきモータ(4)の速度は、前記切替接点(10、17)の接続中、モータ電流の変化速度から判断することを特徴とする同期モータの制動方法。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の方法において、前記正切替接点(17)の導通は、該正切替接点(17)の制御信号の信号路(14)を保安リレー(8)で切り離すことにより防ぎ、このとき前記モータ(4)の制動電流は、前記周波数変換器のインバータ(16)の負切替接点(10)のみを短パルスで開閉することにより制御することを特徴とする同期モータの制動方法。
9. 請求項１ないし８のいずれかに記載の方法において、前記制動すべき同期モータ(4)は永久磁石モータであり、制動用制御器(3)の作動電圧は、前記モータ(4)の電源電圧を整流して生成することを特徴とする同期モータの制動方法。
10. 請求項９に記載の方法において、前記制動用制御器(3)は、中間回路電圧の所定値に到達したとき自動的に起動することを特徴とする同期モータの制動方法。
11. 請求項１ないし10のいずれかに記載の方法において、前記制動すべきモータ(4)の制動電力は、前記中間回路に電力抵抗器(18)を接続することで制御することを特徴とする同期モータの制動方法。
12. 請求項１ないし11のいずれかに記載の方法において、前記制動用制御器(3)の作動は、該制御器(3)に禁止信号を与えることによって防ぐことを特徴とする同期モータの制動方法。
13. 周波数変換器(2)を使用した同期モータ(4)を制動し、同時に該周波数変換器の中間回路から該同期モータに向かう給電を防ぐ装置において、該装置は、前記周波数変換器(2)の負切替接点(10)を短パルスで開閉するよう、制動状態で前記負切替接点のみを制御する制御器(3)が配設され、あるいは前記周波数変換器(2)の正切替接点(17)を短パルスで開閉するよう、調整された制動状態でこれらの正切替接点のみを制御する制御器(3)が配設されていることを特徴とする同期モータの制動装置。
14. 請求項13に記載の装置において、前記周波数変換器(2)の中間回路には、該周波数変換器(2)を制御する機器の制御システムに制動電力を供給する手段(20)が配設されていることを特徴とする同期モータの制動装置。
15. 請求項13または14に記載の装置において、制動用制御器(3)に関連してモータ電流を測定する測定手段(15)、および前記モータの制動電流を最小化する制御器がが配設されていることを特徴とする同期モータの制動装置。
16. 請求項13ないし15のいずれかに記載の装置において、該装置は、前記モータ(4)の動作を知らせる表示器を含み、該表示器の電源電圧は、前記モータ(4)の制動電力から受電することを特徴とする同期モータの制動装置。
17. 請求項13ないし16のいずれかに記載の装置において、該装置は、前記正切替接点(17)に接続されて配置されて該接点の制御信号の信号路を切断する保安リレー(8)を含み、その場合、前記周波数変換器(2)の負切替接点(10)を短パルスで開閉するために制動状態でこれら負切替接点のみを制御する制御器(3)が配設されていることを特徴とする同期モータの制動装置。
18. 請求項13ないし17のいずれかに記載の装置において、該装置は、電力抵抗器(18)と、該電力抵抗器を前記周波数変換器(2)の中間回路に接続するスイッチ(19)とを含むことを特徴とする同期モータの制動装置。
19. 請求項13ないし18のいずれかに記載の装置において、該装置は、制動用制御器(3)の作動を防ぐ手段を含むことを特徴とする同期モータの制動装置。
20. 請求項１ないし19のいずれかに記載の装置において、前記制動すべき同期モータ(4)は、エレベータモータであることを特徴とする同期モータの制動装置。

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