JP2011524319A - 低電力制御装置を用いたブレーキの安全な制御 - Google Patents

Abstract

制御回路が、負荷、例えば、エレベータまたはエスカレータのブレーキ１２に選択的に通電する。制御回路は、１次巻線を有した変圧器２８を備えており、該１次巻線は、パルス幅変調（ＰＷＭ）コントローラによって駆動される半導体スイッチ４０と直列に接続されている。パルス幅変調コントローラへの電力は、安全リレー接点５２Ａ，５２Ｂを通して供給される。負荷が通電されるときには、安全リレー接点は閉じ、パルス幅変調コントローラは、変圧器を通して２次回路へエネルギを供給するように半導体スイッチを駆動する。２次回路６４への指令信号によって、２次回路内の電力が負荷１２に印加される。安全リレー接点が開いているときには、パルス幅変調コントローラはオフにされており、電力は、２次回路および負荷に伝達されない。

Description

本発明は、低電力安全リレーを用いて、電気負荷、例えば、電磁ブレーキの動作を制御するための制御回路に関する。

エレベータシステムは、一般に、エレベータかごの停止時に所定の位置にかごを保持するために、また、過速度状態や過加速度状態、制御回路の故障、もしくは電力の消失を生じた場合に緊急にブレーキをかけるために、電磁ブレーキを用いている。一般のエレベータシステムは、巻上モータを有しており、該巻上モータは、シーブを回転させる駆動シャフトと、エレベータかごとカウンタウエイトとの間にシーブにかかって延びるケーブル、ベルトまたはロープと、を備えている。エレベータのブレーキは、モータの駆動シャフトおよびシーブの回転を制御するようにシャフトやシーブの上に、もしくは該シャフトやシーブに隣接して取り付けられる。

エレベータのブレーキは、一般に、電流がブレーキコイルに通流していないときにブレーキパッドまたはブレーキシューがブレーキ面に押し付けられるようにばね付勢された電磁ブレーキである。十分な電流がブレーキコイルに流れて、ブレーキパッドまたはブレーキシューがブレーキ面から離間しているときは、ブレーキは解放されており、駆動シャフトが回転し、エレベータかごが移動することができる。パッドまたはシューを離間させてブレーキを解放するのに必要な電流は、取上電流または持上電流と呼ばれている。一旦、シャフトが回転し、かごが移動すると、ブレーキパッドまたはブレーキシューをブレーキ面から離間させたままにするのに必要な（保持電流と呼ばれる）電流の量は、取上電流または持上電流よりも小さいものとなる。ブレーキコイルに印加される電力が遮断されたときは、電磁場が崩壊し、ブレーキパッドまたはブレーキシューは、ばねにより移動し、ブレーキ面に接触する。

エレベータシステムの巻上駆動モータは、直流電圧を交流駆動に変換するインバータによって駆動されるインダクションモータとすることができる。駆動コントローラによって、駆動モータと、電磁ブレーキに通電・非通電するブレーキ制御回路との双方の動作を制御することができる。エレベータのコントローラが、エレベータかごの起動、走行、停止を制御するとともに、駆動モータおよびエレベータブレーキの動作を連係させる。

ブレーキ制御回路は、直流電力によって給電されることもあり、電磁ブレーキへの直流電力の供給を制御するリレーや半導体スイッチを備えている。リレーや半導体スイッチは、駆動コントローラからの制御信号に応答してブレーキに通電する、もしくは通電しないようにすることができる必要があり、危険な状態が生じた場合にエレベータかごを停止させるために、ブレーキに通電しないようにすることもできる必要がある。

エレベータシステムは、一般に、各昇降路ドアについてエレベータの電源および駆動モータと直列に接続された昇降路ドア接点を有した安全チェーンを用いている。また、かご頂部検査スイッチおよびピット緊急停止スイッチも、安全チェーンに接続され得る。１つの昇降路ドア接点を開くと、電源、駆動モータおよびエレベータブレーキの間の接続が遮断され、昇降路ドアが開いている限りは、かごの移動が阻止されることになる。

ある階床での通常の停止中には、昇降路ドアおよびエレベータかごドアは、乗客がエレベータかごに入る、もしくはエレベータかごから出ることができるように短時間の間、開く。そして、ドアは再び閉まり、安全チェーンが閉じられ、これにより、エレベータブレーキが解放され、かごが、次に停止するまで昇降路内を移動することができる。

かごが昇降路ドアに隣接した所定の位置に存在しないときに手動で昇降路ドアを開く（つまり、異常な状態で昇降路ドアを開く）場合には、異常な昇降路ドアの開放により生じたラッチ状態が安全に解消されるまで、安全システムは、エレベータの通常の動作を阻止することになる。通常でない状態で昇降路ドアを開く場合に、一人または複数人の人がエレベータの昇降路に入り得るという想定のもとに、安全システムは動作する。昇降路ドアが開いていたときに昇降路に入ることができた許可された人または許可されていない人に生じ得る傷害を防止するために、エレベータシステムは、特定のシーケンスに続くまでエレベータの動きを阻止するシャットダウン状態に入る。

現在、エレベータブレーキは、一般に、大型のリレー接点や高価な半導体スイッチによって制御されている。電源からブレーキコイルへのエネルギ流れの全ては、上記のリレー接点やスイッチによって切り換えられている。エレベータシステムへの要求が高まってきたので、大型で、かつより強力な電磁ブレーキが必要とされている。上記の大型ブレーキに高インダクタンスおよび高電力が要求されることにより、高電流を切り換えることができる安全リレー接点が必要とされている。これにより、安全リレーの動作寿命が短くなり得る。さらに、大型電磁ブレーキに必要な安全リレーの特性により、他のブレーキ制御回路と共通の回路基板に安全リレーを取り付けることができず、また、安全リレーがブレーキと直列に接続されているので、配線が複雑となってしまう。

制御回路は、電気負荷、例えば、エレベータまたはエスカレータのシステムにおいて用いられる電磁ブレーキへの電力の供給を制御する。制御回路は、電源から電力を受ける入力端子と、負荷へ電力を供給する出力端子とを備えている。制御回路は、１次巻線および２次巻線を有した変圧器を備えている。１次回路が、１次巻線と直列に接続された半導体スイッチと、該半導体スイッチを駆動するためのパルス幅変調コントローラと、該パルス幅変調コントローラへの電力を制御するための安全リレーとを備えている。２次回路が、２次巻線、整流器および電圧制限回路を備えている。絶縁回路が、２次回路からパルス幅変調コントローラへフィードバック信号を供給し、安全リレーがパルス幅変調器からの電力を遮断したときに負荷内の電流を迅速に消費するように制御信号を供給する。

エレベータ／エスカレータのブレーキの安全制御回路を概略的に示した図である。

図には、ブレーキ制御回路１０が示されており、該ブレーキ制御回路１０は、非調整の直流電圧を受け、電気負荷、例えば、電磁ブレーキ１２に直流電力を供給する。本実施例では、ブレーキ１２は、一般のエレベータまたはエスカレータのブレーキであり、ブレーキ１２が通電されていないときは、エレベータまたはエスカレータが移動しないようにばね付勢されており、ブレーキ１２が通電されているときは、エレベータまたはエスカレータが移動することができる。

ブレーキ１２に通電することによりエレベータ（またはエスカレータ）の移動を開始し、ブレーキ１２に通電しないことにより所定の場所にエレベータを停止もしくは保持するように、駆動コントローラ１４が、ブレーキ制御回路１０に制御入力を供給する。また、駆動コントローラ１４は、エレベータまたはエスカレータの駆動モータ（図示せず）の動作を制御するように、駆動制御信号を供給することもできる。安全チェーン１５が閉じているときにのみ、ブレーキ１２および駆動モータに通電するように、駆動コントローラ１４は、安全チェーン１５に応答する。また、ブレーキ制御回路１０が、安全チェーン１５に直接に応答することもできる。

ブレーキ制御回路１０は、入力端子２０，２２、出力端子２４，２６、変圧器２８、１次回路３０、２次回路３２および絶縁回路３４，３６を備えている。変圧器２８および絶縁回路３４，３６は、１次回路３０と２次回路３２の間や駆動コントローラ１４と２次回路３２との間を電気的に絶縁する。

１次回路３０は、変圧器２８の１次巻線３８、半導体スイッチ４０、安全リレー４２Ａ，４２Ｂ、パルス幅変調（ＰＷＭ）コントローラ４４、取上・保持タイマ４６、コンデンサ４８を備えている。安全リレー４２Ａは、リレーコイル５０Ａ、安全リレー接点５２Ａおよび監視接点５４Ａを備えている。同様に、安全リレー４２Ｂは、リレーコイル５０Ｂ、安全リレー接点５２Ｂおよび監視接点５４Ｂを備えている。

また、２次回路３２は、２次巻線５８、整流器６０、平滑コンデンサ６２およびブレーキ遮断電圧制限回路６４を備えている。

ブレーキ制御回路１０および駆動コントローラ１４の双方は、ブレーキ１２の制御に関連している。駆動コントローラ１４は、絶縁回路３６を通してブレーキ遮断電圧制限回路６４へブレーキ持上指令信号を供給する。ブレーキ１２を開状態にするために、駆動コントローラ１４は、２次回路３２の電力をブレーキ１２に印加してブレーキ１２を持ち上げる、つまり解放するように、ブレーキ持上指令信号によってブレーキ遮断電圧制限回路６４に指令する。また、ブレーキ１２を閉状態にするためには、駆動コントローラ１４は、ブレーキ１２への電力を遮断するように、ブレーキ持上指令信号によってブレーキ遮断電圧制限回路６４に指令する。

ブレーキ１２を解放するためには、ブレーキ制御回路１０が１次回路３０から２次回路３２へ電力を供給することができるように、安全チェーン１５を閉じる必要がある。安全チェーン１５を閉じると、駆動コントローラ１４は、リレーコイル５０Ａ，５０Ｂへ電力を供給する（もしくは、コイル５０Ａ，５０Ｂは、安全チェーン１５を閉じることにより、直接に通電され得る）。そして、コイル５０Ａ，５０Ｂが通電されると、通常は開いている安全リレー接点５２Ａ，５２Ｂは閉じ、通常は閉じている監視接点５４Ａ，５４Ｂは開く。駆動コントローラ１４は、監視接点５４Ａ，５４Ｂを含むループを監視することにより、安全リレー４２Ａ，４２Ｂの状態を監視している。

安全リレー接点５２Ａ，５２Ｂが閉じているときには、電流が、プラス入力端子２０から接点５２Ａ，５２Ｂを通してパルス幅変調コントローラ４４、取上・保持タイマ４６およびコンデンサ４８へと通流する。そして、パルス幅変調コントローラ４４は、（例えば、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、もしくは他の電力半導体装置である）半導体スイッチ４０の制御電極へ駆動パルスを供給し始める。スイッチ４０がオンであるときには、電流は、入力端子２０から１次巻線３８およびスイッチ４０を通してマイナス入力端子２２へと通流する。パルス幅変調コントローラ４４からの駆動パルスの供給が終了すると、スイッチ４０はオフになり、１次巻線３８を通流する電流が遮断される。

整流器２８は、高周波数切換整流器である。パルス幅変調コントローラ４４からのパルスがスイッチ４０のオン・オフを切り換えるので、エネルギが１次巻線３８から２次巻線５８へと伝達される。２次巻線５８に誘導されたパルス状の電流は、整流器６０によって整流されるとともに、平滑コンデンサ６２によって平滑にされ、これにより、電圧がブレーキ遮断電圧制限回路６４の入力側に生じる。整流された電圧は、パルス幅変調コントローラ４４のデューティーサイクルの関数である。

初期段階では、電磁ブレーキ１２のブレーキコイルによって、ブレーキ面からブレーキパッドまたはブレーキシューを持ち上げて離間させるために、高電圧および高電流が必要である。一旦、パッドまたはシューが持ち上げられる、もしくは取り上げられると、ブレーキ１２への電流を減少させることができる。

パルス幅変調コントローラ４４は、絶縁回路３４を通して、２次回路３２の整流電圧の電圧レベルを示す電圧フィードバック信号を受ける。この電圧フィードバックに基づいて、パルス幅変調コントローラ４４は、ＩＧＢＴ４０へ供給される駆動パルスのパルス幅を制御する。

一旦、ブレーキパッドが持ち上げられると、スイッチ４０への駆動パルスのパルス幅を減少させることにより、２次側の電圧を減少させることができる。望ましい保持電流レベルを形成するために２次側の電圧を減少させる時期は、ブレーキ遮断電圧制限回路６４から絶縁回路３４を通してパルス幅変調コントローラ４４へと供給される電流フィードバック信号によって、もしくは取上・保持タイマ４６からの制御信号によって決定される。いずれの場合にも、パルス幅変調コントローラ４４は、スイッチ４０への駆動パルスのパルス幅を減少し、望ましい保持電流を形成することになるレベルに２次側の電圧を維持するように２次回路３２からの電圧フィードバックを監視し続ける。他の実施例では、個別の絶縁回路３４ではなく、変圧器２８の付加的な巻線を通して電流フィードバック信号を供給することができる。

安全チェーン１５を開くと、リレーコイル５０Ａ，５０Ｂは、安全チェーン１５によって直接に通電されないか、または駆動コントローラ１４を介して通電されない。結果として、安全リレー接点５２Ａ，５２Ｂは開き、パルス幅変調コントローラ４４への電力は遮断される。そして、スイッチ４０への駆動パルスの生成は停止し、電流は、１次巻線３８を通流しない。ここで、電力は、２次回路３２へ供給されておらず、ブレーキ１２は、通電されずに閉状態である。したがって、ブレーキ制御回路１０は、安全チェーン１５が開いているときに、緊急停止を提供する。

エレベータの通常の動作中には、巻上モータが、停止することになる階床にかごが接近したときにかごの移動を減速させるように制御され得る。この状況において、ブレーキ１２への通電は、かごが停止するようになる直前または直後に停止され得る。駆動コントローラ１４は、ブレーキ遮断電圧制限回路６４がブレーキ１２への電力を遮断し、ブレーキ１２を閉状態にするように、ブレーキ持上指令信号を取り除く、もしくは変更する。昇降路およびエレベータのドアが開くと、安全チェーン１５は開き、これにより、安全リレー接点５２Ａ，５２Ｂが開き、監視接点５４Ａ，５４Ｂは閉じる。安全リレー接点５２Ａ，５２Ｂの一方または双方が開いているときには、パルス幅変調コントローラ４４への電力は遮断されている。これにより、スイッチ４０へのゲートパルスの生成は停止し、１次巻線３８を通流する電流が止まる。結果として、エネルギは、１次巻線３８から変圧器２８を通して２次巻線５８へと通流しない。

安全リレー接点５２Ａ，５２Ｂが開いているときには、電力は、２次回路３２へ供給されず、コンデンサ６２およびブレーキ１２のコイルに貯蔵された残余のエネルギのみが、残っている。このエネルギは、ブレーキ遮断電圧制限回路６４内で消費される。

エレベータおよび昇降路のドアが閉じると、安全チェーン１５は閉じ、リレー接点５２Ａ，５２Ｂも閉じる。これにより、１次回路３０は再び通電され、電力は２次回路３２へ再び伝達される。そして、駆動コントローラ１４は、ブレーキ１２に通電して開状態にするように、絶縁回路３６を通してブレーキ遮断電圧制限回路６４へブレーキ持上指令信号を供給することができる。

緊急停止が要求されたときに、安全リレー４２Ａ，４２Ｂを切り換えることもできる。例えば、過速度状態もしくは過加速度状態が検出された場合には、安全チェーン１５は、上記の検出された状態に応答して開き、（直接にまたは駆動コントローラ１４を介して）リレーコイル５０Ａ，５０Ｂへの電力を遮断する。ブレーキ持上指令が取り除かれると、安全リレー接点５２Ａ，５２Ｂは開き、これにより、パルス幅変調コントローラ４４からの電力が遮断され、ブレーキ１２が通電されなくなる。

同様に、駆動コントローラ１４への電力を消失した場合、もしくは駆動コントローラ１４が故障している場合には、駆動コントローラ１４は、ブレーキ持上指令信号を供給することができず、ブレーキ１２は、通電されず、閉状態となる。駆動コントローラ１４がコイル５０Ａ，５０Ｂも制御する場合には、安全チェーン１５が閉じられたままであっても、電力の消失や他の故障によって、安全リレー接点５２Ａ，５２Ｂが開き、パルス幅変調コントローラ４４が駆動スイッチ４０を停止させる。これにより、ブレーキ１２は通電されず、ブレーキパッドまたはブレーキシューは、ブレーキ面と係合し、シャフトの回転およびエレベータかごの移動が停止する。

また、ブレーキ制御回路１０は、入力端子２０，２２へ供給される非調整直流電圧が作用しない場合には、フェールセーフ式に動作することもできる。この場合、エネルギは、１次回路３０から変圧器２８を通して２次回路３２へと伝達されない。２次回路３２内に電気エネルギが無いので、ブレーキ１２は通電されず、シャフトの回転およびエレベータかごの移動が停止する。

ブレーキ制御回路１０は、高電力を要求し得るブレーキを制御するために、低電力安全リレーを用いている。安全リレー接点５２Ａ，５２Ｂは、プラス入力端子２０から１次巻線３８およびスイッチ４０を通してマイナス入力端子２２へと延びる主電流通路に配置されていない。それよりむしろ、安全リレー接点５２Ａ，５２Ｂは、パルス幅変調コントローラ４４、取上・保持タイマ４６およびコンデンサ４８への電力の供給を制御している。結果として、安全リレー接点５２Ａ，５２Ｂによって切り換えられる電力量は、入力端子２０，２２からブレーキ制御回路１０を通して出力端子２４，２６へと通流する全電力よりも非常に小さい。

安全リレー接点５２Ａ，５２Ｂは、変圧器２８を通流する電力ではなく、低電力、つまりパルス幅変調コントローラ４４への電力のみを切り換える。結果として、安全リレー接点５２Ａ，５２Ｂを小さく形成することができ、プリント回路基板に安全リレー接点５２Ａ，５２Ｂを取り付けることができる。電力接続部が、安全リレー接点５２Ａ，５２Ｂに通電すること、および、監視接点５４Ａ，５４Ｂを含む電流ループを監視することのみを必要とするので、駆動コントローラ１４からブレーキ回路１０にわたって比較的低い電力を用いる接続部を形成することができる。また、リレー接点５２Ａ，５２Ｂを介してブレーキ１２を配線する必要がないので、ブレーキ１２の配線を簡素化することもできる。

エレベータブレーキを通電し、もしくは通電しないように制御することについて、制御回路１０を説明してきたが、回路１０は、他の用途や負荷への電力制御にも適用することができる。エスカレータのブレーキの用途に加えて、モータへの電力供給を制御するようにエレベータシステムおよびエスカレータシステムの電力を制御するために、回路１０を用いることもできる。また、他のシステムにおいても、電気負荷の通電を制御するように回路１０を使用することができる。誘導負荷について説明してきたが、制御回路は、容量性負荷、抵抗負荷および誘導負荷への電力供給を制御するように用いることができる。

本発明を望ましい実施例について説明してきたが、本発明の真意および範囲を逸脱することなく、本発明の形態および詳細に種々の変更がなされ得ることを当業者であれば理解するであろう。

Claims (20)

1. 電源から直流電力を受ける入力端子と、
   電気制御負荷に接続された出力端子と、
   １次側および２次側を有した変圧器と、
   １次回路であって、前記入力端子の間において前記１次側と直列に接続されたスイッチと、前記１次側から前記２次側へエネルギを通流させるスイッチを制御するためのパルス幅変調（ＰＷＭ）コントローラと、前記入力端子から前記パルス幅変調コントローラへの電力を制御するように接続された安全リレー接点を有し、パルス幅変調コントローラの動作を制御するように前記入力端子に接続された安全制御回路と、を備えた１次回路と、
   ２次回路であって、前記２次側に接続された整流器と、前記整流器と前記出力端子との間に接続された電圧制限回路と、前記２次回路から前記パルス幅変調コントローラへフィードバック信号を供給し、前記電気制御負荷への通電を制御するように前記電圧制限回路へ指令信号を供給する絶縁回路と、を備えた２次回路と、
   を備えた制御回路。
2. 前記安全制御回路は、監視接点をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の制御回路。
3. 前記安全リレー接点は、通常は開いており、前記監視接点は、通常は閉じていることを特徴とする請求項２に記載の制御回路。
4. 前記安全リレー接点が閉状態から開状態へと切り換わったときにオフにされる前記パルス幅変調コントローラに応答して、前記電圧制限回路は、前記２次回路においてエネルギを消費することを特徴とする請求項１に記載の制御回路。
5. 前記パルス幅変調コントローラは、前記安全リレー接点が開状態にあるときに通電されないことを特徴とする請求項１に記載の制御回路。
6. 前記パルス幅変調コントローラは、通電時に、前記スイッチにパルス幅変調駆動パルスを供給することを特徴とする請求項５に記載の制御回路。
7. 前記パルス幅変調コントローラは、前記フィードバック信号に応答して前記パルス幅変調駆動パルスのパルス幅を減少させることを特徴とする請求項６に記載の制御回路。
8. 前記フィードバック信号は、前記２次回路の電圧の関数であることを特徴とする請求項７に記載の制御回路。
9. 前記フィードバック信号は、前記２次回路の電流の関数であることを特徴とする請求項７に記載の制御回路。
10. 前記１次回路は、タイマをさらに備え、該タイマは、前記スイッチへの前記パルス幅変調駆動パルスの供給が開始されてからの時間間隔の後に、前記パルス幅変調コントローラによって前記パルス幅変調駆動パルスのパルス幅を減少させることを特徴とする請求項６に記載の制御回路。
11. 電源から直流電力を受ける入力端子と、
    電磁ブレーキに接続された出力端子と、
    １次側および２次側を有した変圧器と、
    前記入力端子の間において前記１次側と直列に接続された半導体スイッチと、
    前記半導体スイッチへパルス幅変調駆動パルスを供給するためのパルス幅変調（ＰＷＭ）コントローラと、
    パルス幅変調コントローラの動作を制御するように前記入力端子に接続された安全制御回路であって、前記入力端子から前記パルス幅変調コントローラへの電力を制御するように接続された安全リレー接点を有した安全制御回路と、
    指令信号に応答して前記電磁ブレーキに通電する、もしくは通電しないように前記２次側と前記出力端子との間に接続された２次回路であって、前記安全制御回路が前記パルス幅変調コントローラへの電力を遮断したときに前記電磁ブレーキに通電しない、２次回路と、
    を備えたブレーキ制御回路。
12. 前記２次回路から前記パルス幅変調コントローラへフィードバック信号を供給するための絶縁回路をさらに備え、
    前記パルス幅変調コントローラは、前記フィードバック信号に応答してパルス幅変調駆動パルスのパルス幅を減少させることを特徴とする請求項１１に記載のブレーキ制御回路。
13. 前記２次回路は、前記２次側で受けたエネルギを直流電圧へ変換するための整流器および平滑コンデンサを備えることを特徴とする請求項１１に記載のブレーキ制御回路。
14. 前記２次回路は、該２次回路においてエネルギを選択的に消費するように前記指令信号に応答する電圧制限回路をさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載のブレーキ制御回路。
15. 前記２次回路に前記指令信号を供給するための駆動コントローラをさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載のブレーキ制御回路。
16. 前記駆動コントローラは、安全チェーンが閉じているときに前記安全リレー接点を閉じ、前記安全チェーンが開いているときに前記安全リレー接点を開くように、前記安全チェーンに応答することを特徴とする請求項１５に記載のブレーキ制御回路。
17. 前記安全制御回路は、前記駆動コントローラによって監視される監視接点をさらに備えることを特徴とする請求項１６に記載のブレーキ制御回路。
18. 前記安全リレー接点は、通常は開いており、前記監視接点は、通常は閉じていることを特徴とする請求項１７に記載のブレーキ制御回路。
19. 前記パルス幅変調コントローラは、前記フィードバック信号に応答して前記パルス幅変調駆動パルスのパルス幅を減少させることを特徴とする請求項１１に記載のブレーキ制御回路。
20. 前記１次回路は、タイマをさらに備え、該タイマは、前記スイッチへの前記パルス幅変調駆動パルスの供給が開始されてからの時間間隔の後に、前記パルス幅変調コントローラによって前記パルス幅変調駆動パルスのパルス幅を減少させることを特徴とする請求項１１に記載のブレーキ制御回路。

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