JP3764455B2

JP3764455B2 - 直流負荷制御装置

Info

Publication number: JP3764455B2
Application number: JP2003533381A
Authority: JP
Inventors: ペッカヤハコネン、; エサプトキネン、
Original assignee: Kone Corp
Current assignee: Kone Corp
Priority date: 2001-11-19
Filing date: 2002-09-24
Publication date: 2006-04-05
Anticipated expiration: 2022-09-24
Also published as: AU2002327865B2; AU2002327865A1; WO2003044935A1; BRPI0214246B1; BR0214246A; CN1589518A; CA2463832A1; HK1070475A1; US6697273B1; EP1446865B1; FI20012244A; CN100338862C; EP1446865A1; JP2004522400A; FI112297B; DE60235827D1; CA2463832C; FI20012244A0

Description

【０００１】
本発明は直流負荷を制御する制御装置に関するものである。本制御装置は、制御可能な半導体スイッチを備えたDC/DCブリッジを含み、このブリッジは２つのブリッジ区画で構成されている。これらブリッジ区画のうち一方は直流電流を導通し、他方は、PWM制御されることによって、その直流電流の大きさを調節する。
【０００２】
エレベータモータドライブには、交流式または直流式のいずれのモータドライブもある。これらモータドライブは例えばPWM（パルス幅変調）によって制御される。今日では、交流モータドライブの使用がある程度一般的になっている。これは、とりわけ、交流モータの構造が簡潔なためである。しかし、直流モータドライブも依然として使用されている。また、直流モータドライブに代えて交流モータドライブを用いることも、常に得策とは限らない。なぜなら、例えばギヤレス直流モータドライブと、このようなドライブに用いられる直流モータとは、耐用寿命が長いため、あえて直流モータドライブを交流モータドライブに交換する必要性に乏しいからである。そのうえ、モータの交換には高いコストもかかるからである。
【０００３】
今日では交流モータドライブが採用される傾向が強いため、直流ドライブの制御に用いられるパワーエレクトロニクスシステムを特に開発することも、得策とは言い難い。また、交流ドライブに用いられるIGBTなどの半導体部品は、常に性能および経済性が改善されている。さらに、ネットワークハーモニクスに関連した、とりわけ新しい負荷調節方式によって、将来、世の情勢が変化すれば、直流ドライブ用の伝統的なサイリスタブリッジを使用することは、ますます困難になると予想される。
【０００４】
本発明は従来技術の欠点を解消し、直流モータなどの直流負荷を制御する新しいタイプのPWM制御式制御装置を提供することを目的とする。本発明による方式はパワーエレクトロニクス技術の新しい原理に基づいている。同原理によれば、交流ドライブの技術を直流モータの制御に応用可能である。本発明による方式では、PWM制御されるブリッジ区画は２つのブリッジアームを含む。これらブリッジアームの半導体スイッチは、交互に導通する。
【０００５】
本発明による方式の好ましい実施例については、特許請求の範囲に記載されている。
【０００６】
本発明による技術を用いれば、近代的で経済的なPWM制御式直流モータドライブを製造可能であり、例えばエレベータに応用可能である。本発明を適用すれば、交流ドライブ用のパワーエレクトロニクス技術と、大量生産工程で製造されている交流ドライブの構成部品とを、直流ドライブのために利用できる。直流ドライブの導体レールその他のパワーステージにおける構造は、交流ドライブで用いられているものと同様だからである。また、IGBTなどの半導体スイッチの使用は、直流技術においても最適化可能だからである。そしてとりわけ、交流ドライブおよび直流ドライブの両方で同一の方法が使用可能となれば、開発および製造方法におけるコスト削減が達成される。
【０００７】
以下、本発明を添付図面の実施例を参照して詳細に説明する。
【０００８】
図１は従来技術における直流モータドライブのPWM制御式のＨブリッジH1であり、これは例えばエレベータに応用されるものである。このブリッジは２つのブリッジアームH11およびH12から成り、これらは直流電源UDCに接続されている。各ブリッジアームには、正極側および負極側に、制御可能な半導体スイッチS11〜S14が含まれている。これらスイッチは、例えば、IGBTトランジスタおよびダイオードによる逆並列接続を含んでいる。本ブリッジは、エレベータの直流モータなどの直流負荷L1に電力を供給する。
【０００９】
図２は従来技術における３相交流ドライブ用ネットワークブリッジA1を示す。このブリッジはネットワークの交流電圧UACを直流電圧UDCに整流するものであり、ブリッジの手前には交流インダクタンス回路P1が接続されている。本ブリッジは、上方および下方のアームに、制御可能な半導体スイッチS21〜S26を有する。これらスイッチは、各ネットワーク相に接続されている。これらスイッチも、例えば、IGBTトランジスタおよびダイオードによる逆並列接続を含んでいてよい。
【００１０】
原則として、本発明による電気式モータドライブは、従来技術における３相交流ドライブと同様であり、これはネットワークコンバータ（整流器ブリッジ）と、モータブリッジと、コイルとを含んでいる。本発明は特に、モータに電力を供給するDC/DCブリッジに関するものである。ネットワークブリッジおよびコイルは、例えば図２に示すものにしてよい。本発明によれば、整流器ブリッジおよびモータブリッジの両方に、同一のタイプの制御可能な半導体スイッチを使用可能である。
【００１１】
図３は、本発明によるDC/DCブリッジB1を示す。本ブリッジによれば直流モータM1に電力が供給され、モータには直流電流Idcが流れる。本ブリッジは制御装置BC1によって制御される。モータの励磁は、別個の励磁装置MA1を用いて行なわれ、この励磁装置は公知の方法で制御される。
【００１２】
図３に示すDC/DCブリッジは、２つのブリッジ区画B11、B12から成る。本ブリッジのうち、図３に示す第１のブリッジ区画は２つのアームB111およびB112を含み、各アームには、正極側および負極側に、制御可能な半導体スイッチUT、UB、VT、VBが含まれている。第２のブリッジ区画B12は単一のアームで構成され、このアームには、正極側および負極側に、制御可能な半導体スイッチWTおよびWBを有する。このように、本ブリッジは全体で３つのアームを有するから、３相DC/ACブリッジと等価なものである。
【００１３】
本発明のDC/DCブリッジによる変調は、以下のように行なわれる。本発明によるPWM制御式直流ドライブは、交流ドライブに使われるものと同種のPWM制御用半導体スイッチを使用可能である。そして交流電流に代えて、（磁界が回転しない）ゼロ周波数が使用される。本発明による直流ドライブでは、代表的には数kHzもの高周波数のPWM制御信号を、すべての半導体スイッチが切り替える必要はない。全体のうち２つのスイッチWTおよびWBはトルク方向（上／下）の選択に使用可能であり、これらスイッチは純粋な直流電流を導通するものである。PWM制御用のスイッチUT、UB、VT、VBは、数kHzの周波数でオン／オフの切替が行なわれ、これによって直流電流Icd（トルク）の大きさが制御される。
【００１４】
PWM制御用のスイッチでは、最大級のエネルギー消費が生じる。本発明による制御方法では、PWM制御用のスイッチは、別々のブリッジアームにおいて、交互に導通する。したがって、これらスイッチは、通常の導通時間の50％以下の時間だけ導通すれば済む。この動作は図４のタイミング図に示す。同図はスイッチUT、VTおよびWTの導通時間と、スイッチUBおよびダイオードVBの導通時間とを示す。
【００１５】
発熱の観点から見れば、本発明には交流ドライブのパワーステージがまるごと直流ドライブに利用できるという利点がある。回路中のIGBTにおける熱放散は、典型的には、PWM制御用でないスイッチの熱放散の２倍にも上る。そこで本発明により、スイッチUT および VTを周期的に切り替えることによって、最大でも50％の時間しか導通させないこととする。導通時間は必要な電圧（電流）に応じて変化させてよい。
【００１６】
実際上、直流スイッチは相対的に、エネルギー消費量が高い。なぜなら直流電流によるエネルギー損失は、切替式PWM損失に比較して、わずかに多いからである。したがって、スイッチWTおよびWBは、冷却区域COOL1のうち、吸気口側に配置されている（図５）。吸気口側の方が冷却区域の中央部または排気口側より低温だからであり、これは温度を示すカーブTEMPに示す通りである。
【００１７】
当業者によれば、上述の実施例に限定されることなく、本発明の様々な実施例が実現可能であり、それらは特許請求の範囲内で改変可能であることが明らかである。利用するスイッチはIGBTのほか、他の種類の完全にゲート制御される部品で構成してもよい。また、負荷は、直流モータのほか、例えばエレベータ用制動磁石で構成してもよい。
【００１８】
本発明による装置は、電気駆動装置に広範囲に利用可能である。本発明の動作原理を適用すれば、最新のIGBT技術を用いて、直流エレベータドライブの出力領域を満たすことが可能である。交流および直流ドライブモジュールを同一の生産ラインで組立可能であり、その用途は主としてソフトウェア制御によって選択可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術における直流ブリッジを示す図である。
【図２】交流ドライブのネットワークブリッジを示す図である。
【図３】本発明による直流ドライブを示す図であり、これは本発明によるDC/DCブリッジを含んでいる。
【図４】本発明によるDC/DCブリッジのタイミング図である。
【図５】本発明によるDC/DCブリッジの半導体スイッチのレイアウトおよび冷却の様子を示す図である。

Claims

制御可能な半導体スイッチを備えたDC/DCブリッジを含み、該ブリッジは２つのブリッジ区画で構成され、該ブリッジ区画のうち一方は直流電流を導通し、他方はPWM制御されることによって該直流電流の大きさを調節する、直流負荷制御装置において、前記PWM制御される他方のブリッジ区画は２つのブリッジアームを含み、該ブリッジアームの半導体スイッチは交互に導通するように制御されることを特徴とする直流負荷制御装置。
請求項１に記載の制御装置において、前記PWM制御される半導体スイッチは、前記ブリッジ区画の導通時間のうち実質的に最大で50％の時間だけ導通させるように制御されることを特徴とする制御装置。
請求項１に記載の制御装置であって、前記半導体スイッチは冷却基板上に搭載され、該基板には空気などの冷却剤が供給される制御装置において、前記直流電流を導通するブリッジ区画の半導体スイッチは、前記冷却剤の吸気口の側に配置されることを特徴とする制御装置。
請求項１に記載の制御装置において、前記直流負荷は直流モータであることを特徴とする制御装置。
請求項１に記載の制御装置において、前記直流負荷はエレベータ用ブレーキ磁石であることを特徴とする制御装置。