JP2015205756A

JP2015205756A - エレベータ用電力変換装置

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Publication number: JP2015205756A
Application number: JP2014087790A
Authority: JP
Inventors: 夢樹小野; Yumeki Ono
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2014-04-22
Filing date: 2014-04-22
Publication date: 2015-11-19
Anticipated expiration: 2034-04-22
Also published as: JP6303757B2

Abstract

【課題】エレベータ用電力変換装置において、効率を向上させる。【解決手段】運転開始時に荷重分トルク電流Ｉｌｏａｄと、設定された速度、加速度、加加速度によって算出される加速分トルク電流Ｉａｃｃと、に基づいてインバータの出力電流Ｉ１を演算する。出力電流Ｉ１に基づいてその運転中に回生電流が発生するか否かを判別する。そして、回生電流が発生すると判別した場合のみコンバータ２を運転させる。これにより、不要なコンバータ２の運転を無くし、エレベータの運転の高効率化を図ることが可能となる。【選択図】図１

Description

本発明は、エレベータ用電力変換装置における運転の高効率化に関する。

［ケース１］
図１１は、エレベータ用ＡＣ／ＤＣ／ＡＣ電力変換装置を示している。ここでは、モータ駆動用インバータ１を単にインバータ、電力回生用コンバータ２をコンバータと呼称する。

インバータ１はモータＭを運転および制御するため、コンバータ２は電力回生運転時に商用電源３へ電力を回生させるために備えられている。

［ケース２］
図１２は、エレベータ用ＡＣ／ＤＣ／ＡＣ電力変換装置の他例を示している。通常のエレベータ用インバータ製品ではインバータ１のみで構成されており、商用電源３側には３相ダイオードブリッジ４しか設けられておらず、回生運転時であっても商用電源３へ電力を回生させることができない。そのため、制動抵抗５によって電力を消費させている。

特開平１１−２１５８４９号公報特開平８−２２８４９０号公報特開平５−５６６８２号公報特開２００５−１３２５４１号公報

エレベータの運転は、必ず上昇と下降を繰り返すため、基本的には駆動運転（電力消費）と回生運転（電力回生）を繰り返す。そのため、必ずしもコンバータ２を運転させる必要はない。

［ケース１］の場合は、通常、エレベータの運転に伴ってコンバータ２も必ず運転させているため、その分、主回路素子（例えば、ＩＧＢＴ）の駆動やスイッチング損失発生のために電力ロスが発生し、効率が低下する。

ここで述べる効率は、１回の昇降における運転効率ではなく、エレベータが何回（例えば、１日あたり）も昇降を繰り返した場合の総合的な効率である。

以上示したようなことから、エレベータ用電力変換装置において、効率を向上させることが課題となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、モータを運転および制御するモータ駆動用インバータと、電力回生運転時に商用電源へ電力を回生する電力回生用コンバータと、エレベータ内の荷重を検出し、荷重センサ信号を出力する荷重センサと、を備え、その荷重センサ信号に基づいて、荷重分トルク電流を算出するエレベータ用電力変換装置であって、エレベータの運転開始時に荷重分トルク電流と、設定された速度、加速度、加加速度によって算出される加速分トルク電流と、に基づいてインバータの出力電流を演算し、出力電流に基づいてその運転中に回生電流が発生するか否かを判別し、回生電流が発生すると判別した場合のみコンバータを運転させることを特徴とする。

また、その一態様として、エレベータの運転開始時に、前記出力電流に基づいてその運転中に回生運転が行われる期間を計算し、回生電流が発生すると予測された期間のみコンバータを運転させることを特徴とする。

また、その一態様として、エレベータの運転中、常に、インバータの出力電流を検出し、その検出された出力電流が閾値以下になった場合のみコンバータを運転することを特徴とする。

また、その他の態様として、モータを運転および制御するモータ駆動用インバータと、電力回生運転時に商用電源へ電力を回生する電力回生用コンバータと、備えたエレベータ用電力変換装置であって、エレベータの運転開始時にカゴが落下しないように、モータの機械ブレーキ開放時に高速に荷重分トルク電流を出力し、エレベータの運転開始直後に出力した荷重分トルク電流と、設定された速度、加速度、加加速度によって算出される加速分トルク電流と、に基づいてインバータの出力電流を演算し、出力電流に基づいてその運転中に回生電流が発生するか否かを判別し、回生電流が発生すると判別した場合のみコンバータを運転させることを特徴とする。

また、その一態様して、エレベータの運転開始時に前記出力電流に基づいて、その運転中に回生運転が行われる期間を計算し、回生電流が発生すると予測された期間のみコンバータを運転させることを特徴とする。

本発明によれば、エレベータ用電力変換装置において、効率を向上させることが可能となる。

実施形態１におけるエレベータ用電力変換装置の各信号を示すタイムチャート（コンバータＯＮ）。実施形態１におけるエレベータ用電力変換装置の各信号を示すタイムチャート（コンバータＯＦＦ）。実施形態１におけるエレベータ用電力変換装置の動作を示すフローチャート。実施形態２におけるエレベータ用電力変換装置の各信号を示すタイムチャート。実施形態２におけるエレベータ用電力変換装置の動作を示すフローチャート。実施形態３におけるエレベータ用電力変換装置の動作を示すフローチャート。実施形態４におけるエレベータ用電力変換装置の各信号を示すタイムチャート。実施形態４におけるエレベータ用電力変換装置の動作を示すフローチャート。実施形態５におけるエレベータ用電力変換装置の各信号を示すタイムチャート。実施形態５におけるエレベータ用電力変換装置の動作を示すフローチャート。エレベータ用電力変換装置の一例を示す構成図。エレベータ用電力変換装置の他例を示す構成図。

以下、本発明に係るエレベータ用電力変換装置の実施形態１〜５を図１〜図１０に基づいて詳述する。

［実施形態１］
本実施形態１では、例えば、図１１のようなコンバータ２を有するエレベータ用電力変換装置の主回路が適用されるものとする。

エレベータ用電力変換装置には一般的に、エレベータ内の荷重を検出する荷重センサが設けられる。この荷重センサの信号よって必要となる荷重分トルク電流Ｉｌｏａｄを予測できる。

また、エレベータ用インバータでは一般的にモータあるいはカゴの速度、加速度、加加速度を予め設定しておく。それによって必要となる加速分トルク電流Ｉａｃｃを予測できる。ここで、図１の丸印は固定値を示している。

エレベータの運転時に流れる出力電流Ｉ１は、以下の（１）式となる。

Ｉ１（ｔ）＝Ｉｌｏａｄ＋Ｉａｃｃ（ｔ）・・・（１）
出力電流Ｉ１と加速分トルク電流Ｉａｃｃは時間の関数である。それに対し、荷重分トルク電流Ｉｌｏａｄは運転中に荷重が変化することがないため、基本的に一定である。

上記（１）式の情報を用いると、運転開始時に、その運転中に回生電流が発生するか否か予測できる。すなわち、出力電流Ｉ１＜０となった場合、回生電流が発生するため、この（１）式の情報により回生電流が発生するか否かを判定できる。その結果、回生電流が発生すると予測した場合のみ、コンバータを運転させておく。また、誤差を考慮して予測結果の最小の出力電流Ｉ１がほぼゼロの場合もコンバータを運転させてもよい。出力電流Ｉ１がほぼゼロの場合コンバータを運転させないと直流過電圧故障で停止してしまうため、コンバータを運転させることにより、万が一の故障発生リスクを低減させる。

図１はコンバータを運転する場合の各信号を示すタイムチャート，図２はコンバータを運転しない場合の各信号を示すタイムチャートである。図１では、出力電流Ｉ１＜０となることがあり回生電流が発生するため、コンバータを運転している。図２では、出力電流Ｉ１＜０となることがなく、回生電流が発生しないため、コンバータはＯＦＦとしている。

なお、モータの加速度は加速分トルク電流Ｉａｃｃに比例する。加速度波形をわかりやすくするため、参考のために速度波形を載せている。また、図１および図２では、エレベータ停止後（速度ゼロ到達後）のタイムチャートは省略している。

次に、図３のフローチャートに基づいて、エレベータ用電力変換装置の動作を説明する。

まず、Ｓ１において、速度，加速度，加加速度の設定により加速分トルク電流Ｉａｃｃの波形を計算しておく。これは、インバータ停止中でも同様である。なお、速度，加速度，加加速度の設定は、通常、１階⇔２階など１階分のみの移動の場合と、そうでない場合の２パターンくらいのみ設定される。

次に、Ｓ２において、エレベータの運転指令が有りか否か判定する。エレベータの運転指令が無い場合（Ｆａｌｓｅ）、再びＳ２の動作を繰り返し、エレベータの運転指令が有り（Ｔｒｕｅ）となった場合にＳ３へ移行する。

Ｓ３において、エレベータドア閉時（カゴ荷重確定）に、荷重分トルク電流Ｉｌｏａｄを推定する。このエレベータドア閉時までは、人の出入等でカゴ荷重が変動し、必要となる荷重分トルク電流Ｉｌｏａｄも変動する。エレベータドア閉時に荷重分トルク電流Ｉｌｏａｄが確定する。カゴ荷重さえ確定すれば出力電流Ｉ１のパターンは一義的に決まる。

Ｓ４において、次の運転時に回生電流が発生するか否かを判定する。回生電流が発生する場合（Ｉ１（ｔ）＜０）、Ｓ５へ移行し、回生電流が発生しない場合（Ｉ１（ｔ）≧０）、Ｓ６へ移行する。

Ｓ４で運転時に回生電流が発生すると判定された場合、Ｓ５において、コンバータを運転する。

Ｓ６において、インバータを運転する。ここで、Ｓ４で運転時に回生電流が発生しないと判定された場合コンバータは運転しないこととなる。

Ｓ７において、モータ軸ブレーキを開にする。

Ｓ８において、エレベータのカゴが目的位置に到達したか否かを安定する。エレベータのカゴが目的位置に到達していない場合は、Ｓ８の処理を繰り返し、目的位置に到達したらＳ９へ移行する。

Ｓ９において、モータ軸ブレーキを閉にする。

Ｓ１０において、インバータとコンバータを停止させる。

Ｓ１１において、エレベータのドアを開にする。

以下、Ｓ１から処理を繰り返す。

以上示したように、本実施形態１によれば、回生電流が発生しないときはコンバータを運転させないため、電力の損失を低減し、エレベータの繰り返し運転時における高効率化を図ることが可能となる。

［実施形態２］
実施形態１の方法の場合、運転開始時点でコンバータの運転要否を判別しているため、回生電流が発生する時間がわずかであっても（駆動運転中であっても）、コンバータを運転させる。

本実施形態２では、実施形態１の方法と同様に、まず荷重センサ信号を用いて運転開始時点で出力電流Ｉ１のパターンの演算を行い、その結果によってコンバータを運転させる必要のある期間（例えば、加速開始後の何秒間か）を決定し、その決定に基づいてコンバータを運転させる。

すなわち、Ｉ１（ｔ）＝Ｉｌｏａｄ＋Ｉａｃｃ（ｔ）…（１）のパターンから、Ｉ１（ｔ）＜０となる時刻が推定できる。このＩ１（ｔ）＜０となる前後のみコンバータを運転させる。

その時、回生電流が発生してからコンバータを運転させるのでは遅いため、例えば出力電流Ｉ１に閾値を設け、その閾値よりも出力電流Ｉ１が低下した時点でコンバータを運転させるといった方法や、回生電流の発生時間よりある時間（この時間は設定可能とする）早くコンバータの運転を開始させる、といった方法をとる。

次に、図４，図５に基づいて本実施形態２におけるエレベータ用電力変換装置の動作を説明する。

Ｓ１〜Ｓ３までは、実施形態１と同様である。

Ｓ４において、次の運転時に回生電流が発生するか否かを判定する（すなわち、出力電流Ｉ１＜０となることがあるか否かを判定する。）回生電流が発生する場合はＳ１２へ移行し、回生電流が発生しない場合はＳ６へ移行する。

Ｓ１２では、コンバータの運転開始タイミング・運転停止タイミングを決定する。この決定方法は、前述した出力電流Ｉ１の閾値などにより決定される。

Ｓ６，Ｓ７は実施形態１と同様である。

Ｓ１３において、コンバータの運転が必要か否か（すなわち、Ｉ１＜０となることがあるか否か）を判定する。コンバータの運転が必要な場合はＳ１４へ移行し、コンバータの運転が不要な場合はＳ８へ移行する。

Ｓ１４において、コンバータの運転開始タイミングになったか否かを判定する。コンバータの運転開始タイミングになっていない場合は、Ｓ１４の処理を繰り返し、コンバータの運転開始タイミングになった場合はＳ１５へ移行する。

Ｓ１５において、コンバータを運転させる。

Ｓ１６において、コンバータ運転期間が経過したか否かを判定する。すなわち、コンバータの運転停止タイミングになったか否かを判定する。コンバータの運転停止のタイミングになっていない場合はＳ１６の処理を繰り返し、コンバータの運転停止のタイミングになった場合はＳ１７へ移行する。

Ｓ１７において、コンバータを停止する。

Ｓ８〜Ｓ１１は、実施形態１と同様である。

この方法により、実施形態１の場合よりもさらに、不要なコンバータ運転の時間を減らし、さらなる高効率化を達成できる。

［実施形態３］
実施形態２の方法の場合、運転開始時点で予測される電流パターンに基づいてコンバータ運転要否および期間を決定し、必要に応じてコンバータを運転させている。

本実施形態３では、万が一、運転開始時点の演算と実際の運転が異なって回生電流が発生する場合に備えて、運転しながら常時インバータの出力電流を検出し、その検出された出力電流Ｉ１が闘値を下回った時点（回生電流が発生することが予測される）でコンバータを運転させることとする。

次に、図６に基づいて本実施形態３におけるエレベータ用電力変換装置の動作を説明する。

本実施形態３では、実施形態１，２におけるＳ１を省略している。

Ｓ２，Ｓ３，Ｓ６，Ｓ７は、実施形態１，２と同様である。

Ｓ１８において、出力電流Ｉ１を検出する。

Ｓ１９において、出力電流Ｉ１が閾値を下回ったか否かを判定する。出力電流Ｉ１が閾値を下回っていない場合はＳ１９の処理を繰り返し、出力電流Ｉ１が閾値を下回ったらＳ２０へ移行する。

Ｓ２０において、コンバータを運転する。

Ｓ２１において、出力電流Ｉ１が閾値を上回ったか否かを判定する。出力電流Ｉ１が閾値を上回っていない場合はＳ２１の処理を繰り返し、出力電流Ｉ１が閾値を上回った場合Ｓ１７へ移行する。

以降のＳ１７，Ｓ８，Ｓ９，Ｓ１０，Ｓ１１の処理は、実施形態２と同様である。

これらの方法により、不測の事態によって回生電流が発生した場合でも直流過電圧によるインバータ、コンバータおよびエレベータの停止を抑制することが可能となる。

なお、本実施形態３は、実施形態２の方法と組み合わせて使用してもよい。

［実施形態４］
実施形態１〜３では、エレベータに荷重センサ信号が入力される前提であったが、荷重センサは必ずしもエレベータに設置されているわけではない。

その場合、エレベータ用電力変換装置は、運転開始後にモータの機械ブレーキが開放された瞬間のモータ位置変動量に応じて高速に、カゴが落下および振動しないよう（あたかも荷重センサを用いて制御しているかのように）トルクを出力するようインバータの電流を制御する（例えば、特許文献４)。

また、この時の出力電流Ｉ１は、荷重センサを用いた場合の荷重分トルク電流Ｉｌｏａｄにほぼ等しい。よって、荷重分トルク電流Ｉｌｏａｄを推定できる。

この場合、運転開始時点でインバータに設定されたカゴの速度、加速度、加加速度より必要となる加速分トルク電流Ｉａｃｃは予測できるが、回生電流を流す必要があるかどうかはわからないため、図７に示すように、あらかじめコンバータを運転させておく。

そして、運転開始後に荷重分トルク電流Ｉｌｏａｄを出力した時点で、出力した荷重分トルク電流Ｉｌｏａｄと加速分トルク電流Ｉａｃｃを用いて実施形態１と同じ方法でその時の運転時に回生電流が発生すると判別した場合のみコンバータの運転を継続させてエレベータを運転する。回生電流が発生しないと判別した場合はその時点ですぐにコンバータを停止させる。

次に、図８に基づいて本実施形態４におけるエレベータ用電力変換装置の動作を説明する。

Ｓ１〜３は実施形態１と同様である。

Ｓ６において、インバータを運転させる。このときコンバータも運転させる。

Ｓ７において、モータ軸ブレーキを開にする。同時にインバータはカゴを落下させないように電流を出力する。

Ｓ２２において、運転開始後の荷重トルク分電流Ｉｌｏａｄと加速分トルク電流Ｉａｃｃから次の運転時にＩ１＜０となるか否かを判定する。出力電流Ｉ１＜０の場合はＳ２３へ移行し、Ｉ１≧０の場合はＳ８へ移行する。

Ｓ２２において出力電流Ｉ１＜０と判定された場合、Ｓ２３においてコンバータの運転を継続する。Ｓ２２において出力電流Ｉ１≧０と判定された場合は、コンバータの運転を停止する。

Ｓ８〜Ｓ１１は実施形態１と同様である。

この方法により、荷重センサを有していないエレベータ用電力変換装置であっても、実施形態１と同様の作用効果を奏する。

［実施形態５］
図９は、本実施形態５におけるエレベータ電力変換装置の各信号を示すタイムチャートである。

本実施形態５は、実施形態４のように荷重センサを設けておらず、運転開始後のモータ軸ブレーキ開放時に、荷重に相当するトルクを高速に出力するように制御するインバータである。

本実施形態５は、実施形態１と同じ方法によって運転開始時点で運転パターンの演算を行い、その結果とブレーキ開直後に出力した荷重分トルク電流Ｉｌｏａｄに応じてコンバータを運転させる必要のある期間（例えば、加速開始後の何秒間か）を決定し、その決定に基づいてコンバータを運転させる。

この場合、回生電流が発生してからコンバータを運転させたのでは遅い。そのため、例えば、出力電流Ｉ１に閾値を設けて、出力電流Ｉ１がその閾値よりも低下した時点でコンバータを運転させるといった方法が考えられる。また、回生電流の発生時間よりある時間（この時間は設定可能とする）早くコンバータの運転を開始させる、といった方法が考えられる。

次に、図９，図１０に基づいて本実施形態５におけるエレベータ用電力変換装置の動作を説明する。

Ｓ１，Ｓ２は実施形態１と同様である。

Ｓ３において、エレベータドアを閉める。このとき、カゴ荷重が確定する。本実施形態５は、荷重センサがないため、荷重分トルク電流Ｉｌｏａｄを推定できない。

Ｓ６，Ｓ７，Ｓ２２は実施形態４と同様である。

Ｓ２４において、コンバータの運転開始タイミングを決定する。

Ｓ１３〜Ｓ１７，Ｓ８〜Ｓ１１については実施形態２と同様である。

この方法により、実施形態４の場合よりもさらに、不要なコンバータ運転の時間を減らし、さらなる高効率化を達成し、さらに不測の事態によって回生電流が発生した場合でも直流過電圧によるインバータ・コンバータおよびエレベータの停止を防止することが出来る。

さらに、実施形態３と同様に、万が一運転開始時点の演算と実際の運転が異なって回生電流が発生する場合に備えて、運転しながら常時出力電流Ｉ１を検出し、出力電流Ｉ１が閾値を下回った時点（回生電流が発生することが予測される）でコンバータを運転させてもよい。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

１…インバータ
２…コンバータ
３…商用電源
４…３相ダイオードブリッジ
５…制動抵抗
Ｉｌｏａｄ…荷重分トルク電流
Ｉａｃｃ…加速分トルク電流
Ｉ１…出力電流

Claims

モータを運転および制御するモータ駆動用インバータと、
電力回生運転時に商用電源へ電力を回生する電力回生用コンバータと、
エレベータ内の荷重を検出し、荷重センサ信号を出力する荷重センサと、を備え、
その荷重センサ信号に基づいて、荷重分トルク電流を算出するエレベータ用電力変換装置であって、
エレベータの運転開始時に荷重分トルク電流と、設定された速度、加速度、加加速度によって算出される加速分トルク電流と、に基づいてインバータの出力電流を演算し、出力電流に基づいてその運転中に回生電流が発生するか否かを判別し、
回生電流が発生すると判別した場合のみコンバータを運転させることを特徴とするエレベータ用電力変換装置。
エレベータの運転開始時に、前記出力電流に基づいてその運転中に回生運転が行われる期間を計算し、回生電流が発生すると予測された期間のみコンバータを運転させることを特徴とする請求項１記載のエレベータ用電力変換装置
エレベータの運転中、常に、インバータの出力電流を検出し、その検出された出力電流が閾値以下になった場合のみコンバータを運転することを特徴とする請求項１または２記載のエレベータ用電力変換装置。
モータを運転および制御するモータ駆動用インバータと、
電力回生運転時に商用電源へ電力を回生する電力回生用コンバータと、
備えたエレベータ用電力変換装置であって、
エレベータの運転開始時にカゴが落下しないように、モータの機械ブレーキ開放時に高速に荷重分トルク電流を出力し、
エレベータの運転開始直後に出力した荷重分トルク電流と、設定された速度、加速度、加加速度によって算出される加速分トルク電流と、に基づいてインバータの出力電流を演算し、出力電流に基づいてその運転中に回生電流が発生するか否かを判別し、回生電流が発生すると判別した場合のみコンバータを運転させることを特徴とするエレベータ用電力変換装置。
エレベータの運転開始時に前記出力電流に基づいて、その運転中に回生運転が行われる期間を計算し、回生電流が発生すると予測された期間のみコンバータを運転させることを特徴とする請求項４記載のエレベータ用電力変換装置。
エレベータの運転中、常に、インバータの出力電流を検出し、その検出された出力電流が閾値以下になった場合のみコンバータを運転することを特徴とする請求項４または５記載のエレベータ用電力変換装置。