JP2012070575A - 電力回生装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】回生電力を充電し、蓄電した電力を放電する蓄電デバイス19と、この蓄電デバイス19の温度を検出する温度検出手段25と、この温度検出手段25の検出温度に基づき、蓄電デバイス19の充電電流の上限値および放電電流の上限値を変化させて、放電電流の上限値の軌跡および検出温度で形成される面積が充電電流の上限値の軌跡および検出温度で形成される面積以下となるように制御する充放電制御手段27とを備えた。
【選択図】図1
Description
蓄電デバイスとしては、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、リチウム二次電池のような二次電池の他に、電気二重層キャパシタのような大容量キャパシタを用いた例がある(例えば、特許文献2参照)。
電気二重層キャパシタは二次電池に比べ内部抵抗が小さいため効率よく電力を蓄えることができ、また、化学変化を使わない動作原理のため長寿命という特長を持つ。このため、回生エネルギーの有効利用のために電気二重層キャパシタを使用した電力回生装置をエレベータの他、自動車、電気鉄道および産業機械に適用する例が報告されている。
しかし、電気二重層キャパシタは二次電池と比較して長寿命であるが、電解コンデンサと同様に、寿命が温度に依存する。一般的な電解コンデンサと同様に、寿命は10℃上昇すると半減するといわれている。温度上昇の要因は、周囲温度の上昇と、内部抵抗による自己発熱がある。内部抵抗による自己発熱は、蓄電デバイスに流れる電流に依存する。このことから、定電流で充電を行う充電回路において、電気二重層キャパシタの温度を検出し、電気二重層キャパシタの温度が高くなると充電電流を小さくし、温度の上昇を抑える例がある(例えば、特許文献3参照)。
実施の形態1は、本発明の電力回生装置をエレベータ制御装置に適用した事例である。
以下、本願発明の実施の形態1について、図1から図6に基づいて説明する。尚、図においては、「電気二重層キャパシタ」を「EDLC」と記載している。
エレベータシステム1は、エレベータ制御装置2とエレベータ3と三相交流電源4とで構成される。
エレベータ制御装置2は、コンバータ5、平滑コンデンサ6、インバータ7、駆動制御部8と回生電力処理部14で構成される。
回生電力処理部14は、充放電回路15、回生抵抗回路20、蓄電デバイスである電気二重層キャパシタ19、エレベータ制御装置2の各部の電圧、電流、温度を検出するための検出手段である母線電圧検出部23、電気二重層キャパシタ電流検出部24、温度検出手段である電気二重層キャパシタ温度検出部25、電気二重層キャパシタ電圧検出部26および充放電制御手段である充放電制御部27で構成される。
コンバータ5は、三相交流電源4からの三相交流電圧を直流電圧に変換し、コンバータ5の出力には変換された直流電圧を平滑する平滑コンデンサ6と変換された直流電圧をエレベータ3のモータ9を駆動するための可変周波数の交流に変換するインバータ7が接続されている。インバータ7は駆動制御部8からの速度指令に応じた周波数の交流電力を出力する。ここで、コンバータ5、平滑コンデンサ6およびインバータ7を接続する電源ラインは、直流母線を構成する。
また、平滑コンデンサ6に並列に充放電回路15が接続されている。充放電回路15は、半導体スイッチ16、18と平滑リアクトル17で構成された双方向のDC/DCコンバータである。半導体スイッチ16と18の接続点と、平滑リアクトル17の第1端が接続され、平滑リアクトル17の第2端が充放電回路15の出力端子となっている。
充放電回路15の出力端子と平滑コンデンサ6の負端の間に電気二重層キャパシタ19が接続されている。
充放電制御部27は、これらの各検出部23、24、25、26からの情報および力行開始情報に基づき、充放電回路15に動作指示情報を出力する。また、充放電制御部27は、回生抵抗回路20に動作指示情報を出力する(図示せず)。
ここで、図2は制御部40のブロック図、図3はリミッタ器43の指定範囲、図4、5は回生・力行時の電力、電流、電圧の波形、図6は回生電力の回収量、電気二重層キャパシタの損失量を示す。
エレベータ3のかご12と釣合錘13の質量差により、モータ9から発生した回生電力は、インバータ7を介して、直流母線へ送電される。回生電力は、コンバータ5のダイオードにより三相交流電源4への送電が阻止されるため、平滑コンデンサ6を充電する。充電の結果、平滑コンデンサ6の両端電圧Vbが上昇し、設定されている電圧Vb1に達すると、充放電制御部27は、充放電回路15へ指示を送り、回生電力を電気二重層キャパシタ19へ充電する。
図2は充放電制御部27内の制御部40のブロック図である。制御部40は、加算器41、44と比例積分制御器42、45およびリミッタ器43で構成され、出力信号は充放電回路15の半導体スイッチ16、18をPWM制御する。
母線電圧VbがVb1に達した時点で、電圧指令値VrefをVb1に設定して、母線電圧VbをVb1になるようにフィードバック制御を行う。比例積分制御器42により、母線電圧Vbが電圧指令値Vref(すなわちVb1)に追従するようにフィードバック制御を行い、電流指令値Irefを決定する。電流指令値Irefは、リミッタ器43に入力され、入力が指定範囲を超えるとリミッタ出力は上下限に固定される。その後、比例積分制御器42により、電気二重層キャパシタ電流Ieが電流指令値Irefに追従するようにフィードバック制御を行う。
Iref1は、充放電回路15の定格電流で決まる値で、充放電回路15の定格電流は半導体スイッチ16、18の定格電流、または平滑リアクトル17の定格電流で決まる。これ以上流すと充放電回路15の構成部品が破壊される恐れがある電流である。
Te3は、電気二重層キャパシタ19の定格温度で、これ以上では電気二重層キャパシタ19が破壊される恐れがある温度である。
充放電回路15が充電動作を停止すると、回生電力は平滑コンデンサ6を充電し、平滑コンデンサ6の両端電圧Vbは再び上昇する。平滑コンデンサ6の両端電圧Vbが、設定されている電圧Vb2に達すると、充放電制御部27は、回生抵抗回路20へ指示を送り、回生抵抗回路20は、半導体スイッチ21をオンさせ、抵抗22で回生電力を消費させる。
回生電力が抵抗で消費されると、平滑コンデンサ6の両端電圧Vbは低下する。平滑コンデンサ6の両端電圧Vbが、設定されている電圧Vb3まで低下すると、充放電制御部27は、回生抵抗回路20へ指示を送り、回生抵抗回路20は半導体スイッチ21をオフさせる。
引き続き回生電力が発生している場合、平滑コンデンサ6の両端電圧Vbは再び上昇し回生抵抗起動電圧Vb2に達すると、半導体スイッチ21をオンする。平滑コンデンサ6の両端電圧VbがVb3まで低下すると、半導体スイッチ21をオフし、以下この動作を繰り返し行う。ここで、Vbの各設定電圧は、Vb1<Vb3<Vb2の関係にある。
充放電制御部27に力行開始情報が入力されると、充放電制御部27は充放電回路15へ指示を送り、充放電回路15は電気二重層キャパシタ19のエネルギーを放電させる放電動作を開始する。電気二重層キャパシタ19に充電されていたエネルギーは、充放電回路15、平滑コンデンサ6、インバータ7を介して、モータ9へ供給される。
この時、充放電制御部27で行われる制御について説明する。先に説明した図2に示した制御部40のブロック図に基づき制御が行われる。
力行開始情報が入力されると、電圧指令値Vrefをあらかじめ設定されたVb4として、母線電圧VbをVb4になるようにフィードバック制御を行う。比例積分制御器42により、母線電圧Vbが電圧指令値Vrefに追従するようにフィードバック制御を行い、電流指令値Irefを決定する。電流指令値Irefは、リミッタ器43に入力され、入力が指定範囲を超えるとリミッタ出力は上下限に固定される。その後、比例積分制御器42により、電気二重層キャパシタ電流Ieが電流指令値Irefに追従するようにフィードバック制御を行う。
電気二重層キャパシタ19が放電している場合、電気二重層キャパシタ19の温度TeがTe1までは、IrefのリミッタはIref2をとり、Te1以上でかつTe3以下では徐々に絶対値を下げていく(実線で示している)。
Iref2は、充放電回路15の定格電流で決まる値で、Iref1の絶対値と同じである。これ以上流すと充放電回路15が破壊される恐れがある電流である。
力行開始とともに、電気二重層キャパシタ19からモータ9へ電力が供給されるが、放電電力がモータの必要とする力行電力よりも小さい場合、三相交流電源4から電力が供給される。また、電気二重層キャパシタ19の両端電圧VeがVe2に達し、放電が停止すると、モータが必要とするすべての力行電力は三相交流電源4から供給される。すなわち、モータが必要とする力行電力は、電気二重層キャパシタ19から供給される放電電力と、三相交流電源4から供給される電力の和で供給され、力行開始直後は電気二重層キャパシタ19からの放電電力を優先して使用する。
このようにして、全部若しくは一部の回生電力は、電気二重層キャパシタ19に充電され、力行電力として有効に利用される。
図3から、Irefのリミッタの絶対値を下げ始める電気二重層キャパシタ19の温度Teは、充電時よりも放電時の方を低くしている。すなわちTe1をTe2以下にする。ただし、特に図3の形に限定されることなく、放電電流のリミッタの軌跡で描かれる面積が充電電流のリミッタの軌跡で描かれる面積以下にすれば、同様の効果が得られる。
図4(a)はエレベータ3からの回生電力と、エレベータ3を動作させるのに必要な力行電力、図4(b)は電気二重層キャパシタ19の充電電力と放電電力および商用電源電力、図4(c)は電気二重層キャパシタ19の充放電電流Ie、図4(d)は電気二重層キャパシタ19の両端電圧Veの各波形を示している。
回生動作時、電気二重層キャパシタ19の充電電流Ieは、IrefのリミッタIref1以下であるため、回生電力のすべてを電気二重層キャパシタ19に充電することができる。また、電気二重層キャパシタ19の両端電圧VeがVe1以下で、回生動作が終了しているため、回生電力量のすべてを電気二重層キャパシタ19の充電することができる。つまり、回生電力の回収率は100%である。ただし、図4の場合、充放電回路15の損失など、充放電時に発生する電力損失は含まれていない。
力行動作時、電気二重層キャパシタ19の放電電流Ieは、ほぼIref2で放電し、電気二重層キャパシタ19の両端電圧VeはVe2に達して、放電は終了している。
力行動作に必要な電力量と電気二重層キャパシタ19の放電電力量との差分は、商用電源電力から供給される。次の回生動作モードに入る前に電気二重層キャパシタ19の両端電圧VeはVe2で終了しているため、次の回生動作で、回生電力を十分に回収することができる。
図5(a)はエレベータ3からの回生電力とエレベータ3を動作させるのに必要な力行電力を、図5(b)は電気二重層キャパシタ19の充電電力と放電電力および商用電源電力を、図5(c)は電気二重層キャパシタ19の充放電電流Ieを、図5(d)は電気二重層キャパシタ19の両端電圧Veの各波形を示している。
回生動作時、電気二重層キャパシタ19の充電電流Ieは、IrefのリミッタIref1以下であるため、回生電力のすべてを電気二重層キャパシタ19に充電することができる。また、電気二重層キャパシタ19の両端電圧VeがVe1に達した時点で、ちょうど回生動作が終了しているため、回生電力量のすべてを電気二重層キャパシタ19の充電することができている。つまり、回生電力の回収率は100%である。
力行動作時、電気二重層キャパシタ19の放電電流Ieは、図4のIref2より小さいIref3で放電している。
電気二重層キャパシタ19の温度Teは、内部抵抗Reに電気二重層キャパシタ19の電流Ieの二乗を掛けて求められる損失が発生するため上昇する。このため、回生動作時の充電電流による損失は変わらないが、力行動作時の放電電流による損失は減少し、電気二重層キャパシタ19の温度上昇が抑えられる。
図6に電気二重層キャパシタ19の温度Teをパラメータとした回生電力の回収量と、内部抵抗と電気二重層キャパシタ19の充放電電流から計算した損失量を示す。損失量は、温度Te1の時の損失に対する割合で表している。
Te2から回収率が減少する理由は2つある。第1の理由は、図3に示すようにTe2以上で充電電流のリミッタを減少させていることである。第2の理由は、電気二重層キャパシタ19の充電可能な電力量が減少したためである。
図5に基づき説明する。力行動作時、電気二重層キャパシタ19の放電電流Ieは、図4のIref2より小さいIref3で放電しているため、図4と比較して放電時間が長くなり、電気二重層キャパシタ19の両端電圧Veが、Ve2に達する前に力行動作が終了し、放電も終了している。このため、次の回生動作時開始時の電気二重層キャパシタ19の両端電圧Veは図4のVeよりも高くなる。
一方で、電気二重層キャパシタ19の両端電圧Veの上限値はVe1で制限されているため、充電開始時のVeが大きくなるに従い、電気二重層キャパシタ19の充電可能な電力量が減少する。この第2の理由により、図3に示すように、Te2から充電電流の上限値を減少させなくても、回生電力の回収率は低下する。
本願発明の実施の形態2について、図に基づいて説明する。
実施の形態2では、図1のエレベータ制御装置2および図2の制御部40のブロック図は実施の形態1と同じであるが、リミッタ器43の指定範囲が異なる。このため、回生電力の回収量、電気二重層キャパシタ19の損失量も異なる。
図8に電気二重層キャパシタ19の温度をパラメータとした回生電力の回収量と、内部抵抗と電気二重層キャパシタ19の充放電電流から計算した損失量を示している。
実施の形態1と同様に、電気二重層キャパシタ19の温度が上昇するに従い、電気二重層キャパシタ19の内部抵抗による損失は減少している。また、実施の形態1に比べて効果は少ないが、回生電力の回収率の低下は小さく抑えられている。このようにすることにより、実施の形態1と比較して、放電電流および充電電流のリミッタを同じにすることで制御部40の簡素化を図ることができる。
上記実施の形態1、2では、本発明の電力回生装置をエレベータ制御装置へ適用した場合について説明したが、自動車など他の用途にも適用可能であり、同様の効果が得られる。
上記実施の形態1、2では、蓄電デバイスに電気二重層キャパシタを用いた例で説明したが、温度が上昇すると寿命が短くなる問題は、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、リチウム二次電池のような二次電池においても同様であるため、これら二次電池を使用した電力回生装置にも適用可能であり、同様の効果が得られる。
6 平滑コンデンサ、7 インバータ、8 駆動制御部、9 モータ、
14 回生電力処理部、15 充放電回路、16,18 半導体スイッチ、
17 平滑リアクトル、19 電気二重層キャパシタ、20 回生抵抗回路、
21 半導体スイッチ、22 抵抗、23 母線電圧検出部、
24 電気二重層キャパシタ電流検出部、25 電気二重層キャパシタ温度検出部、
26 電気二重層キャパシタ電圧検出部、27 充放電制御部、40 制御部、
41,44 加算器、42,45 比例積分制御器、43 リミッタ器。
Claims (3)
- 回生電力を充電し、蓄電した電力を放電する蓄電デバイスと、
この蓄電デバイスの温度を検出する温度検出手段と、
この温度検出手段の検出温度に基づき、前記蓄電デバイスの充電電流の上限値および放電電流の上限値を変化させて、前記放電電流の上限値の軌跡および前記検出温度で形成される面積が前記充電電流の上限値の軌跡および前記検出温度で形成される面積以下となるように制御する充放電制御手段とを備えた電力回生装置。 - 前記蓄電デバイスが電気二重層キャパシタである請求項1記載の電力回生装置。
- 前記放電電流の上限値の軌跡および前記検出温度で形成される面積と前記充電電流の上限値の軌跡および前記検出温度で形成される面積とが同じである請求項1または2記載の電力回生装置。
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