JP4402409B2

JP4402409B2 - エレベータの制御装置

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Publication number: JP4402409B2
Application number: JP2003326361A
Authority: JP
Inventors: 裕一坂野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-09-18
Filing date: 2003-09-18
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2023-09-18
Also published as: JP2005089134A

Description

この発明は、エレベータの制御装置、特に二次電池などの電力蓄積装置を応用した省エネルギー形のエレベータの制御装置に関するものである。

図８は、従来のエレベータの制御装置を示す概略図である。
商用電源１から供給された交流電力は、ダイオード等で構成されたコンバータ２を用いて整流し、直流電力に変換され、コンバータ２で変換された直流電力は直流母線３に供給される。この直流電力は、コンデンサ４で平滑されると共に、トランジスタやIGBT等で構成されたインバータ５を用いて、可変電圧、可変周波数の交流電力に変換される。

また、インバータ５の交流電力はエレベータの巻上機を構成する電動機６に供給され、巻上機に吊架されたロープ７の両端に結合されたエレベータの釣り合い錘９と、かご８とを駆動するようにされている。なお、かご８は適度の乗客が乗車している時に、上記釣り合い錘９と釣り合う重さに設定されている。

一方、マイクロコンピュータ等で構成されたコントローラ２０は、エレベータ全体の管理・制御を行なうもので、エレベータの起動・停止指令と共に、エレベータの位置・速度指令を作成するものである。具体的には、電動機６の入力側に設けられた電流検出装置１９からの電流帰還にもとづいて制御信号を発する電流制御器（図示せず）及び電動機６に搭載したエンコーダなどからなる速度検出器１８からの速度帰還の情報等にもとづいて制御信号を発する速度制御器（図示せず）を有する速度制御装置２１からゲートドライブ回路２２を介してインバータ５の出力電圧・周波数が制御され、巻上機用電動機６の回転を制御することにより、エレベータの位置・速度制御を実現する。

一般に無負荷でかご８を昇降させる場合において、かご８が下降する時は、電力を消費しながら運転する力行運転、上昇する時は速度エネルギーを電力に戻す回生運転となる。
また、逆に定格負荷で下降するときは回生運転、上昇するときは力行運転となる。
上記電力は、一般的なエレベータでは回生抵抗制御回路２４の導通により回生抵抗２３を作用させ、ここで熱エネルギーに変換して消費される。

また、例えば二次電池を応用した省エネ形のエレベータにおいては、直流母線３に二次電池等の蓄電デバイスを用いた電力蓄積装置１０が複数台、接続されている。
図９は、その詳細構成を示すブロック図である。即ち、一般的に鉛蓄電池やニッケル水素蓄電池を用いた蓄電デバイス１１と、一般的にＤＣ−ＤＣコンバータ等で構成される充放電装置１２、また、充放電装置１２の電圧を検出して、その電圧に対応した信号を出す電圧検出器１３の信号と、蓄電デバイス１１の電圧を検出する電圧検出器１４の出力信号と、蓄電デバイス１１の電流を検出する電流検出器１５の出力信号にもとづいて上記充放電装置１２の充放電電力を制御する充放電制御装置１６で構成される。

なお、１７は後述する充放電の許可、阻止条件を伝達する信号である。近年、二次電池の高出力化が進んでいるため、一般的に装置を小型化、安価に構成するために、蓄電デバイス１１の個数は少なく抑えられ、電池の出力電圧は直流母線３の電圧よりも低くなる。

この直流母線３の電圧は、一般的に商用電源１をコンバータ２で整流した電圧近辺に制御されている。よって、電池放電時は充放電装置１２の直流母線側出力を母線電圧まで昇圧させる。また、電池充電時は充放電装置１２の直流母線側入力をコンバータ２の出力電圧よりも降圧させる必要があるため、充放電装置１２にはＤＣ−ＤＣコンバータが採用される。
このＤＣ−ＤＣコンバータの放電ゲート、充電ゲート制御を、充放電制御装置１６により行なっている。

また、図１０は、充放電装置１２の詳細構成を示す回路例である。この図において、３０はリアクトル、２６、２７はＩＧＢＴ等のスイッチング素子、２８、２９はスイッチング素子と逆並列に接続されたダイオードである。電力蓄積装置１０への充電はリアクトル３０とスイッチング素子２６とダイオード２９の降圧チョッパで行なわれ、電力蓄積装置１０からの放電はリアクトル３０とスイッチング素子２７とダイオード２８の昇圧チョッパで行なわれることになる。

上記のような従来のエレベータの制御装置では、蓄電デバイス１１の充放電装置１２として昇圧チョッパと降圧チョッパを組み合わせて構成しているので、蓄電デバイス１１の電圧は直流母線３の電圧よりも低くなければならない。仮に蓄電デバイス１１の電圧が直流母線３の電圧よりも高くなった場合には、ダイオード２８が導通状態となるため、蓄電デバイス１１からの放電電流がリアクトル３０、ダイオード２８を通って直流母線３へと流れることになり、トランジスタ２６と２７のＯＮ、ＯＦＦ制御では、蓄電デバイス１１からの放電電流を阻止することはできなくなる。

例えば１８ｋＷの電動機を駆動するような大容量エレベータの場合、蓄電デバイス１１の定格電流を５０Ａとすると蓄電デバイス１１に求められる出力電圧は３６０Ｖとなる。
これは一般的な２００Ｖの交流電源１を整流して得られる電圧約２８０Ｖより高いため、直流母線３の電圧が３６０Ｖになるまで蓄電デバイス１１から放電を続けることになり、蓄電デバイス１１の制御ができない状態である。直列接続できる蓄電デバイス１１の個数には限界があり、特に大容量の電動機６を使用するエレベータにこの制御装置を適用すると十分な電力を充放電することができない。

そこで、図８のように構成されたエレベータの制御装置においては、１台の電力蓄積装置１０における一組の蓄電デバイス１１の直列接続数は通常コンバータ２が出力する電圧よりも低くなるようにあらかじめ設定した電力蓄積装置１０を複数台使用し、エレベータの容量に応じた個数の蓄電デバイス１１を制限なく利用することができるようにし、より大容量のエレベータにおいて発生する回生電力を無駄にすることなくすべて充電し、力行運転時に再利用して省エネ効果を実現することができるようにしている。（例えば特許文献１参照）

特開２００１−２４０３３６号公報（段落００３１−００４１、図１−図４）

従来のエレベータの制御装置は以上のように構成されていたが、複数台の電力蓄積装置１０に対してそれぞれの充放電電流値の指令方法が具体的に設定されていなかった。
従って、複数台の電力蓄積装置１０間での充電状態のばらつきや、蓄電デバイス１１の過充電または過放電の防止対策が明確でなく、長寿命化に対応した電力蓄積装置の使用方法が具体的に示されていなかったという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、複数台の電力蓄積装置１０を有するエレベータの制御装置において、各電力蓄積装置１０の間で充電状態のばらつきや、蓄電デバイス１１の過充電または過放電を防止し、長寿命化を図りつつ電力蓄積装置を用いた省エネ効率の高いエレベータの制御装置を提供することを目的とする。

この発明に係るエレベータの制御装置は、交流電力を整流して直流電力に変換するコンバータと、上記直流電力を可変電圧、可変周波数の交流電力に変換するインバータと、上記インバータの交流電力によってエレベータを駆動する電動機とを備えたエレベータの制御装置において、上記コンバータと上記インバータとの間の直流母線に接続され、直流電力を貯蔵する蓄電デバイスと、回生運転時における上記蓄電デバイスへの上記直流母線からの充電及び力行運転時における上記蓄電デバイスから上記直流母線への放電を制御する充放電装置と、上記充放電を調整する充放電制御装置とを有する複数台の電力蓄積装置を備え、上記充放電制御装置は上記電力蓄積装置の充放電状態に応じて各蓄電デバイスの充放電電流値を制御すると共に、回生運転時には、上記蓄電デバイスのうち充電容量の少ない蓄電デバイスから順に、停止時における上記直流母線電圧として定まる基準電圧よりも高い電圧領域において上記基準電圧に近い電圧から順に設定した母線電圧で充電を開始し、力行運転時には、上記充電デバイスのうち充電容量の多い蓄電デバイスから順に、上記基準電圧よりも低い電圧領域において上記基準電圧に近い電圧から順に設定した母線電圧で放電を開始するようにしたものである。

この発明に係るエレベータの制御装置は以上のように構成されているため、蓄電デバイスの過充電または過放電の防止、長寿命化を考慮した電力蓄積装置を用いた省エネ効率の高いエレベータの制御装置を得ることができる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図にもとづいて説明する。図１は、実施の形態１の構成を示す概略図である。この図において、図８と同一または相当部分にはそれぞれ同一符号を付して説明を省略する。図８と異なる点は、複数の電力蓄積装置１０の充放電状態に応じて各蓄電デバイスの充放電電流値や充放電順序を決定するための制御信号を発する手段２５を設けた点である。

複数の電力蓄積装置１０は、それぞれの中に設けられる蓄電デバイス１１が同一種類のものであってもよいし、異なる種類のものであってもよいが、それぞれの蓄電デバイス１１について、充放電制御の条件の相違を把握しておく。例えば、二次電池は、過充電、過放電に弱いため、充電容量が３０〜８０％の間で使用し、３０％以下になれば放電阻止、８０％以上になれば充電阻止とする。

また、各蓄電デバイスでの充電・放電可能な電力値もしくは電流値を把握し、充放電制御装置１６にて、その情報を元に良好な制御を行なうようにする。
また、各電力蓄積装置１０の蓄電デバイス１１の充電容量を常に把握しておく。
容量は蓄電デバイスによって異なるが、蓄電デバイス１１の電圧から容量を把握したり、満充電状態からの充放電電流量から電池容量を把握することができる。

各電力蓄積装置１０からの蓄電デバイス１１の情報、例えば充電容量や電流、電圧値や、電力蓄積装置の状態について情報を得、また充放電順序決定手段２５からは、充放電の許可、阻止条件といった情報を渡す。この充放電順序決定手段２５は、単独の装置として設置してもよいし、電力蓄積装置１０のいずれかがその機能を司るようにしてもよい。

次に、この実施の形態の充放電順序を決定する動作について図２のフローチャートを用いて説明する。
ステップＳ１で各電力蓄積装置１０における各蓄電デバイス１１の充放電状態を把握し、回生運転つまり電力蓄積装置１０の充電時にはステップＳ２で各蓄電デバイス１１が充電可能な状態かどうかをチェックする。充電不可状態の蓄電デバイスはステップＳ３で充電を停止し、ステップＳ４で充電可能な蓄電デバイスを選定する。

その後、ステップＳ５で充電容量が少ない蓄電デバイスから順番に充電を行なう。
力行運転つまり電力蓄積装置１０の放電時にはステップＳ６で各蓄電デバイス１１が放電可能な状態かどうかをチェックする。放電不可状態の蓄電デバイスはステップＳ７で放電を停止し、ステップＳ８で放電可能な蓄電デバイスを選定する。その後、ステップＳ９で蓄電デバイス１１の充電容量が多いものから順番に放電を行なう。

例として、３つの蓄電デバイス１１を有する３台の電力蓄積装置１０を用いたシステムについての動作を図３のフローチャートを用いて説明する。この場合、３つの充電電力を足した電力値がエレベータシステムの最大回生電力と同等とし、エレベータから発生する回生電力を再利用することが可能なシステムを考える。蓄電デバイス１１または電力蓄積装置１０の充放電制御情報から充放電順序決定手段２５にて、３つの蓄電デバイス１１を充電容量の少ないものからＫ１、Ｋ２、Ｋ３とし、上記システムにおいて、最大電力が発生する回生運転をする場合を考える。

ステップＳ１１で回生運転が開始される。充放電順序決定手段２５では、ステップＳ１２で充電許可信号１７をＫ１に出し、まずＫ１の蓄電デバイスに充電を行ない、ステップＳ１３でＫ１の充電状態を把握する。回生運転が加速したらステップＳ１４で、Ｋ１が充電可能な最大電流値に達したかどうかをチェックする。達していたら、ステップＳ１５でＫ１の蓄電デバイスは最大電流を出し続けたまま、充電許可信号１７をＫ２に出し、Ｋ２の蓄電デバイスを充電する。

ステップＳ１４で、Ｋ１が最大充電状態に達していなかった場合には、ステップＳ１６でＫ２が充電停止状態に達したかどうかをチェックする。達しておればステップＳ１７で回生運転を終了し、達していなければステップＳ１３に戻る。
次に、ステップＳ１８でＫ１の最大充電状態とＫ２の充電制御状態を把握する。
更に、ステップＳ１９で回生運転が加速しＫ２も充電可能な最大電流値に達したかどうかをチェックする。達していたらステップＳ２０でＫ１、Ｋ２の蓄電デバイスは最大電流で充電し続けたまま、充電許可信号１７をＫ３に出し、Ｋ３の蓄電デバイスを充電する。

ステップＳ１９でＫ２が最大充電状態に達していなかった場合には、ステップＳ２１でＫ２が充電停止状態に達したかどうかをチェックする。達しておればステップＳ１３に戻り、達していなければステップＳ１８に戻る。
次に、ステップＳ２２でＫ１、Ｋ２の最大充電状態とＫ３の充電制御状態を把握する。
更に、ステップＳ２３で、Ｋ３が充電停止状態に達したかどうかをチェックする。達しておればステップＳ１８に戻り、達していなければステップＳ２２に戻る。

最大回生電力は、３つの蓄電デバイスに充電して電力を有効活用する。減速の際は、回生電力の減少と共に、Ｋ３の蓄電デバイスから充電電流が小さくなり、０となって充電停止する。更に回生電力が減少し次にＫ２の蓄電デバイスの充電電流を小さくする。
Ｋ２充電の停止後、Ｋ１の充電電流を小さくして停止する。一般的なエレベータにおける回生運転の電力曲線と、この充電動作における各蓄電デバイスの電力をまとめると図４のようになる。

上述のような動作を行なうことで、一回の回生運転での各蓄電デバイスに充電される時間が長いのは、順番にＫ１、Ｋ２、Ｋ３となり、充電容量の少ないＫ１が優先的に充電される。蓄電デバイスの充電可能な電力値がほぼ同じであれば、Ｋ１に最も充電されることになる。次に、負荷などにより最大回生電力の1／2程度の回生電力が発生する場合を考えると、電力曲線は図５のようになり、この場合はＫ１は最大電流で保持される時間があり、Ｋ１が最大電流となった後はＫ２で充電制御を行ない、Ｋ３は使用しない状態となり、各蓄電デバイスに充電される。

次に、上記システムに対して、力行運転をする場合を考える。充放電順序決定手段２５では、まず充電容量の多いＫ３に放電許可信号１７を出し、起動後、まずＫ３の蓄電デバイスから放電が行なわれる。運転が加速し、Ｋ３の放電可能な最大電流値に達したら、Ｋ３の蓄電デバイスは最大電流を出し続けたまま、放電許可信号１７がＫ２に出され、次にＫ２の蓄電デバイスから放電される。同様に、更に力行運転が加速しＫ２も放電可能な最大電流値に達したら、Ｋ３、Ｋ２の蓄電デバイスは最大電流を出し続けたまま、放電許可信号１７がＫ１に出され、次にＫ１の蓄電デバイスから放電される。

３つの蓄電デバイスから放電し、なおかつ足りない電力は、コンバータ２からの商用電源を利用し、エレベータを駆動させる。減速の際は、力行電力の減少と共に、商用電力消費がまずなくなり、その後、Ｋ１の蓄電デバイスから放電電流が小さくなり、０となって放電停止する。更に力行電力が減少し次にＫ２の蓄電デバイスの放電電流を小さくする。
Ｋ２放電が停止した後、Ｋ３の放電電流を小さくして停止する。一般的なエレベータにおける回生運転の電力曲線と、この力行動作における各蓄電デバイスの電力をまとめると図６のようになる。

上記のような動作を行なうことで、一回の力行運転での各蓄電デバイスから放電される時間が長いのは、順番にＫ３、Ｋ２、Ｋ１となり、充電容量の多いＫ３から優先的に放電されることになる。かご負荷により力行電力が小さい場合には、容量の少ないＫ１は放電を行なわないことになる。

以上、３つの蓄電デバイスを用いた場合について説明したが、これと異なる個数の蓄電デバイスを使用した場合でも同様に蓄電デバイスの容量に応じて、充放電を行なう電力蓄積装置の順位付けを行ない、充放電順序決定手段２５からの指示に従って充放電制御が行なわれる。

この実施の形態は以上のように構成されているため、複数の蓄電デバイスを用いた場合には、各蓄電デバイスの充電量に応じて充電を行ない、順位付けをすることができるので、充電量のばらつきがあっても蓄電デバイス間の充電量のばらつきを減らすことができる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２について図７を用いて説明する。従来、電力蓄積装置１０が１台であった場合には、上述のように、直流母線３の電圧を計測し、その値に応じて電力蓄積装置１０に対する充放電を行なうようにしていた。例えば、回生運転により電力が発生し直流母線３の電圧が上昇した場合には、それを検出して充電を行ない、また、力行運転により電力が必要となって直流母線３の電圧が下降した場合には、それを検出して放電を行なうようにしていた。

しかし、この実施の形態においては、複数の電力蓄積装置１０について、上記と同様に直流母線３の電圧に応じた充放電を考え、充放電順序決定手段２５にて充電容量から順番をつけると共に、電池容量に応じて、充放電開始電圧を複数の電力蓄積装置１０に設定するものである。

その値は、例えば停止中の直流母線電圧が300Ｖとして、充電容量の低いものが310Ｖ、２番目に低いものが320Ｖ、というように、充電容量の少ないものが停止中の直流母線電圧に近く、２番目に充電容量の低いものの充電開始電圧は、充電容量の１番低いものの充電開始電圧より高い値にしておく。つまり、充電容量の低い順に１、２、３…ｎ、とし、充電開始電圧Vcは、Vcl<Vc2<Vc3<…<Vcnと電圧の低いものから順に設定し、また、放電開始電圧VdはVdl<Vd2<Vd3<…<Vdnと設定する。

各電力蓄積装置１０の充放電制御では、電圧電流制御を行なう。各充電開始電圧Vc、放電開始電圧Vdに電圧が達したら、電圧指令は、その開始電圧での一定制御を行なう。
電流制御は、最大電流で制限を行なう。このように設定し、例えば回生運転の場合について図７で説明する。

回生運転開始後、発生電力により直流母線３の電圧が上昇すると、直流母線電圧がVc1に達したところで、１番目の電力蓄積装置の充電を開始する。電圧一定制御を行なわせるので電圧はVc1で一定となる。更にエレベータが加速し回生電力が大きくなり、１番目の電力蓄積装置の最大充電電流に達して充電しきれなくなると、再び直流母線３の電圧は上昇する。この電圧がVc2に達したところで２番目の電力蓄積装置の充電を開始する。
直流母線電圧はVc2に達しているため、１番目の電力蓄積装置は最大充電電流で充電し続ける。電力蓄積装置が複数ある場合には、以後同様の動作を繰り返す。

エレベータが減速し、回生電力が小さくなると共に、２番目の電力蓄積装置の充電が小さくなり、充電が停止し、直流母線電圧がVc2より低くなっていく。直流母線電圧がVc1になってから、１番目の電力蓄積装置の充電が小さくなり、充電が停止していく。
この充電動作における電圧の変動と各電力蓄積装置の充電開始・充電停止をまとめると図７のようになる。

力行運転の場合には、図示していないが、力行運転開始後直流母線電圧が下降する。
電圧Vdnに達したところで、ｎ番目の電力蓄積装置から放電開始する。電圧一定制御を行なわせるので電圧はVdnで一定となる。更にエレベータが加速し、力行電力が大きくなり、最大放電電流に達して放電しきれなくなると、再び直流母線電圧は下降し、Vdn-lに達したところで次の電力蓄積装置が放電を開始する。

電力蓄積装置で電力が賄い切れなくなると、直流母線電圧が更に下降し、不足する電力はコンバータ２から出力される商用電力が供給されるようになる。エレベータが減速し、直流母線電圧が上昇し、Vdl、Vd2と１番目の電力蓄積装置から順に放電が停止していく。

この実施の形態は以上のように構成されているため、複数の蓄電デバイスがあった場合、各蓄電デバイスの充電量に応じて充電を行ない順位付けをするため、蓄電デバイス間の充電量のばらつきを減らすような充電を行なうことができる。
また、各電力蓄積装置１０において、充電阻止または放電阻止と判定された場合、その電力蓄積装置１０を除いて充放電順位を設定することにより、蓄電デバイスの過充電、過放電を防ぎつつ使用することができる。過充電、過放電を防ぐことは、蓄電デバイスの長寿命化にもつながるものである。

この発明の実施の形態１の構成を示す概略図である。実施の形態１の充放電順序を決定する動作を説明するためのフローチャートである。実施の形態１の充電順序を説明するためのフローチャートである。実施の形態１における最大電力回生運転時の電力変化を説明するための図である。実施の形態１における最大電力の１/2の回生運転時の電力変化を説明するための図である。実施の形態１における力行運転時の電力変化を説明するための図である。この発明の実施の形態２における各電力蓄積装置の充電状態を説明するための図である。電力蓄積装置を複数用いた従来のエレベータの制御装置の構成を示す概略図である。従来のエレベータの制御装置における電力蓄積装置の詳細構成を示すブロック図である。従来のエレベータの制御装置における充放電装置の詳細構成を示す回路図である。

符号の説明

１商用電源、
２コンバータ、
３直流母線、
５インバータ、
６巻き上げ機用電動機、
８かご、
９釣り合い錘、
１０電力蓄積装置、
１１蓄電デバイス、
１２充放電装置、
１６充放電制御装置、
１８速度検出装置、
１９電流検出装置、
２０コントローラ、
２１速度制御装置、
２２ゲートドライブ回路、
２３回生抵抗、
２４回生抵抗制御装置、
２５充放電順序決定手段。

Claims

交流電力を整流して直流電力に変換するコンバータと、上記直流電力を可変電圧、可変周波数の交流電力に変換するインバータと、上記インバータの交流電力によってエレベータを駆動する電動機とを備えたエレベータの制御装置において、上記コンバータと上記インバータとの間の直流母線に接続され、直流電力を貯蔵する蓄電デバイスと、回生運転時における上記蓄電デバイスへの上記直流母線からの充電及び力行運転時における上記蓄電デバイスから上記直流母線への放電を制御する充放電装置と、上記充放電を調整する充放電制御装置とを有する複数台の電力蓄積装置を備え、上記充放電制御装置は上記電力蓄積装置の充放電状態に応じて各蓄電デバイスの充放電電流値を制御すると共に、回生運転時には、上記蓄電デバイスのうち充電容量の少ない蓄電デバイスから順に、停止時における上記直流母線電圧として定まる基準電圧よりも高い電圧領域において上記基準電圧に近い電圧から順に設定した母線電圧で充電を開始し、力行運転時には、上記充電デバイスのうち充電容量の多い蓄電デバイスから順に、上記基準電圧よりも低い電圧領域において上記基準電圧に近い電圧から順に設定した母線電圧で放電を開始するようにされたことを特徴とするエレベータの制御装置。
上記充放電制御装置は、各蓄電デバイスの性能に応じて最大充放電電流量を制限することができるようにしたことを特徴とする請求項１記載のエレベータの制御装置。
上記充放電制御装置は、上記直流母線電圧がほぼ一定となるように制御するようにされたことを特徴とする請求項１記載のエレベータの制御装置。
上記充放電制御装置は、上記蓄電デバイスの各充電容量に応じて充放電の順序を決定するようにされたことを特徴とする請求項１記載のエレベータの制御装置。
上記充放電制御装置は、上記蓄電デバイスのうち充電容量の少ない蓄電デバイスから順に充電指令を出すようにされたことを特徴とする請求項１または請求項４記載のエレベータの制御装置。
上記充放電制御装置は、上記蓄電デバイスのうち充電容量の多い蓄電デバイスから順に放電指令を出すことを特徴とする請求項１または請求項４記載のエレベータの制御装置。
上記充放電制御装置は、上記蓄電デバイスのうち所定の蓄電デバイスが充電または放電できない状態にある場合には、それらの蓄電デバイスを除いて充放電の順位づけを行なうようにされたことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項記載のエレベータの制御装置。