JP4613485B2

JP4613485B2 - 電動機の制御装置

Info

Publication number: JP4613485B2
Application number: JP2003351602A
Authority: JP
Inventors: 裕彦堤
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2003-10-10
Filing date: 2003-10-10
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2023-10-10
Also published as: JP2005112599A

Description

本発明は電動機の制御装置に係わり、特にエレベータ用電動機の制御装置に関するものである。

エレベータ用電動機の制御装置として電圧形インバータが使用される場合がある。電圧形インバータは、交流電源を直流に変換する順変換部と、この順変換部の直流中間電圧を可変周波数可変電圧の交流に変換する逆変換部を有している。
この電圧形インバータにおいては、その負荷である電動機側からエネルギーが回生する運転では、直流中間回路電圧が上昇してインバータに使用されているスイッチング素子の耐電圧を越えてこの素子を破損する虞れを有している。このため、直流中間回路に回生抵抗を接続して回生エネルギーをこの抵抗によって熱消費させるか、電源への回生回路を設けるか、あるいは特許文献１のように直流中間回路に蓄電装置を設け、この蓄電装置にエネルギーを吸収して直流中間回路の電圧上昇を防いでいる。
特開昭６１−２６７６７５号公報

直流中間回路に回生抵抗を接続し、電圧上昇時にこの抵抗に電流を流して熱消費させる方法は、省エネルギーの観点から望ましいものではない。また、順変換部とは逆並列に変換回路を接続して交流電源に回生する方法は、高効率で回生エネルギーを電源に回生する利点は有するが、変換回路のスイッチング動作によるノイズによって周囲機器を誤動作させる虞れを有すると共に、停電発生時に運転を継続するためには別の電源装置が必要となって高コストとなる。
また、直流中間回路に蓄電装置を設けて回生エネルギーを吸収する方法では、蓄電素子として二次電池を用いた場合、エレベータのように頻繁な充放電を繰り返すものでは電池寿命が短くなり、短期間で蓄電装置を交換しなければならない等の問題点を有していた。

本発明が目的とするところは、直流中間回路に蓄電装置を設ける方法での蓄電装置の長寿命化等が図れる電動機の制御装置を提供することにある。

本発明の第１は、エレベータ制御に電圧型インバータを使用し、その直流中間回路に蓄電装置を接続し、制御部の制御指令にて回生エネルギーを蓄電装置に吸収するものにおいて、
前記電圧型インバータの直流中間回路に双方向に電流を流すチョッパ回路を接続し、このチョッパ回路と直流中間回路の負極間にリアクトルと高入出力密度蓄電装置との直流回路を接続し、且つ、この直流回路の橋絡点と直流中間回路の負極間にスイッチ体と高容量蓄電装置との直流回路を接続すると共に、前記制御部は、直流中間回路電圧若しくは停電検出信号をもとに停電発生の有無を検出し、停電でない通常時にはスイッチ体をオフ状態に維持し、停電時にはオン状態に制御するスイッチ制御手段と、
前記電動機が駆動状態か回生状態かを判別する電動機状態判断手段と、
この電動機状態判断手段による判断で、前記スイッチ体がオフ状態で電動機状態が駆動時には前記高入出力密度蓄電装置の放電は可能かを判断し、前記スイッチ体がオン状態で電動機状態が駆動時には前記高容量蓄電装置の放電は可能かを判断する放電判断手段と、
前記電動機状態判断手段による判断で、前記スイッチ体がオフ状態で電動機状態が回生時には前記高入出力密度蓄電装置の充電は可能かを判断し、前記スイッチ体がオン状態で電動機状態が回生時には前記高容量蓄電装置の充電は可能かを判断する充電判断手段と、
前記充電判断手段と放電判断手段によりそれぞれ充放電可能との判断時に前記チョッパ回路に対して充電若しくは放電制御を実行するチョッパ回路制御手段を備えたことを特徴としたものである。

本発明の第２は、前記高入出力密度蓄電装置の充電電圧を監視し、所定値以上となったときに前記スイッチ体を閉路して高容量蓄電装置で回生エネルギーを吸収し、電動機力行時にこの高容量蓄電装置より放電するよう構成したことを特徴としたものである。

本発明の第３は、前記高容量蓄電装置の充電状態を監視する監視手段を設け、充電を必要とする任意時点にて前記スイッチ体を閉路し、チョッパ回路を介して充電を行うよう構成したことを特徴としたものである。

本発明の第４は、エレベータの運転待機中にチョッパ回路を介して高入出力密度蓄電装置に充電し、電動機力行時に高入出力密度蓄電装置より放電するよう構成したことを特徴としたものである。

本発明の第５は、前記高容量蓄電装置に専用の充電器を設けたことを特徴としたものである。

以上のとおり、本発明によれば、通常運転中の回生エネルギーの吸収は高入出力密度蓄電装置で行われるので、高容量蓄電装置による充放電の頻度が低下してこの高容量蓄電装置の長寿命が期待できるものである。
また、高入出力密度蓄電装置で回生エネルギーが吸収しきれないときには高容量蓄電装置にて吸収することによりダイナミックブレーキ回路で熱消費することがなく、エネルギーの有効利用が可能となる。
また、高容量蓄電装置に充電監視手段を設け、チョッパ回路によって高容量蓄電装置の充放電制御を行うようにした場合には、装置の部品点数を減らすことが可能となるものである。

また、高入出力密度蓄電装置と高容量蓄電装置の電圧が略同等となったときにスイッチ体を投入することにより、電圧のアンバランスによって生じる突入電流の防止が可能となり、大電流の充放電を要因とする蓄電装置の寿命低下を防止することが可能となる。
更には、エレベータの待機中にチョッパ回路を介して高入出力密度蓄電装置を充電し、電動機の力行時にその充電電荷を放電することにより駆動運転中の電源容量を低減することができ、電気設備容量を低減することが可能となる。
また、高容量蓄電装置に専用の充電器を設けることにより、蓄電池の種類に応じた最適な充電が可能となるものである。

図１は、本発明の実施例を示す構成図で、１は交流電源からの交流電力を直流に変換する順変換部、２は直流電圧を平滑するための平滑コンデンサ、３は直流電圧を可変周波数可変電圧の交流に変換する逆変換部で、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子よりなってその出力は負荷である誘導電動機４に供給される。また、誘導電動機４が回生状態時には、電動機に誘起した電圧は逆変換部３のダイオードを通って直流中間回路に回生される。

５は直流／直流変換を行うためのチョッパ回路で、ここではＩＧＢＴ等のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２が直流中間回路の正，負の極間に直列に接続されている。チョッパ回路５のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２の橋絡点と直流中間回路の負極間には、リアクトル９と電気二重層コンデンサ等よりなる高入出力密度の蓄電装置６との直列回路が接続されている。また、このリアクトル９と蓄電装置６の橋絡点と直流中間回路の負極間にはスイッチ体８とＮｉ−Ｃｄ電池の如き高容量の蓄電装置７との直列回路が接続されている。スイッチ体８は通常運転時には開路状態とされ、停電発生時に閉路状態に制御される。

１０はダイナミックブレーキ回路で、後述するように回生エネルギーを吸収しきれない場合のみスイッチング素子ＳＷ３をオンにし、抵抗Ｒに電流を流して熱消費させる。１１は制御部で、この制御部１１には、図示省略された各検出部から種々の検出信号が入力され、この検出信号に基づいてチョッパ回路５、スイッチ体８及びスイッチング素子ＳＷ３が制御される。そのために、直流中間回路の電圧，電流検出部から電圧Ｖ₁，電流Ｉを、逆変換部からの電動機駆動状態信号Ｖ₃を、蓄電装置６から充電電圧Ｖ_C、蓄電装置７から電圧Ｖ_B、停電検出部又は直流中間回路の電圧検出部から停電検出信号Ｖ₂がそれぞれ周知の検出手法によって検出されて制御部１１に入力される。したがって、この制御部１１は、直流中間回路電圧若しくは停電検出信号をもとにスイッチ体をオンオフ制御するスイッチ制御手段と、電動機が駆動状態か回生状態かを判別する電動機状態判断手段と、この電動機状態に伴って充放電を判別してチョッパ回路を制御するチョッパ回路制御手段を有している。

次に動作を説明する。
逆変換部３はエレベータの運転指令に基づき負荷に対応しながら例えばＰＷＭ制御方式で制御されるが、この制御については直接本発明とは関係ないのでその説明は省略する。

図２は制御部１１の動作フローを示したものである。
通常状態のエレベータ運転時にはスイッチ体８はオフ状態となっている。すなわち、スイッチ体８の制御手段は、導入された電圧Ｖ₁（若しくはＶ₂）からステップＳ１において交流電源に停電が発生していないことを検知し、Ｓ２でステップ体８をオフ状態に維持する。ステップＳ３で電動機状態判断手は電圧Ｖ₃から電動機は駆動か回生かの運転状態を判定し、その結果現在は駆動状態であると判定したとき、Ｓ５において放電判断手段は蓄電装置６の電圧Ｖ_Cと電圧Ｖ₁，電流Ｉから蓄電装置６からの放電が可能であるか否かを判断する。放電不可能の場合にはそのままの運転となるが、放電可能の場合には、チョッパ制御手段を介して放電のたるのチョッパ制御が行われる。すなわち、チョッパ回路５のスイッチング素子ＳＷ２をオンオフ制御することにより、蓄電装置６の電荷はリアクトル９，スイッチング素子ＳＷ１のダイオードを通して直流中間回路に放電する。

一方、Ｓ３において電動機状態判断手段が電動機は駆動状態ではないと判断したとき、Ｓ７において回生状態か否かが判断され、回生状態でない場合はそのまま運転されるが、回生状態時にはＳ８で蓄電装置６は充電可能か否かが判断され、充電不可能の場合にはそのまま運転されるが充電可能の場合にはＳ９でチョッパ回路に対して充電動作開始を命じる。すなわち、制御部１１はチョッパ回路のスイッチング素子ＳＷ１のゲートにオンオフ信号を出力し、回生エネルギーをスイッチング素子ＳＷ１，リアクトル９を介して蓄電装置６に吸収する。

ステップＳ１において停電と判断されたときには、Ｓ１０でスイッチ体８がオン状態にされた後、Ｓ１１において電動機状態判断手段による現在の電動機の状態が判断される。その結果、電動機は駆動状態であった場合、Ｓ１２で放電判断手段による蓄電装置７は放電可能が否かの判断がなされ、不可能の場合にはそのままの運転となるが、可能の場合にはＳ１３においてスイッチング素子ＳＷ２のオンオフによる放電動作を開始して停電時における電動機の運転を継続する。

また、Ｓ１４において、電動機状態判断手段による判断が回生と判断された場合には、Ｓ１５で充電判断手段による充電可能か否かが判断され、不可能の場合にはそのままの運転となるが可能の場合にはＳ１６でチョッパ回路のスイッチング素子ＳＷ１のオンオフによる蓄電装置６，７への充電が開始される。
なお、上記動作によって蓄電装置６，７が回生エネルギーを吸収しきれずに直流中間回路の電圧が上昇した場合には、スイッチング素子ＳＷ３をオンすることにより抵抗Ｒによって熱消費し、直流中間回路の電圧一定値以下に保持する。

上記実施例によれば、停電発生時においても逆変換部３の直流電圧は一定時間維持されるので、エレベータにおける停電による閉じ込み状態は防止されて最寄りの着床位置にまで運転することが可能であり、しかも、停電時に以外の常時の蓄電装置６として電気二重層コンデンサのような高入出力密度の蓄電装置が使用されたことにより、チョッパ回路を介して高電流の充放電を繰り返しても長寿命のものが得られる。また、高容量の蓄電装置７は停電時にのみ放電動作が行われないので、充放電回数寿命の短い安価なものでもよい。

なお、上記実施例によれば、蓄電装置７は停電時にのみスイッチがオンされて放電動作のみを行っているが、この蓄電装置７に充電状態を監視する監視部を設け、充電が必要と判断されたときにはスイッチ体８をオンすると共にチョッパ回路を制御し、直流中間回路からチョッパ回路５，リアクトル９，スイッチ体８を介して充電を行い、充電終了時点でスイッチ体８をオフ状態としてもよい。この場合には蓄電装置７には常時高電圧で充電されているので、格別の充電装置を設けることなくチョッパ回路のみで実施できるため部品点数を減らすことが可能となる。

他の実施例として、回生状態が連続して発生する場合、高入出力密度蓄電装置６では回生エネルギーが吸収しきれない場合が想定される。その場合には、スイッチ体８をオンして蓄電装置７で回生エネルギーを吸収し、電動機の駆動運転時に放出するよう制御してもよい。この実施例によれば、回生エネルギーの利用が有効に行われるので電力使用量は大幅に減少する。

また、図２の動作フローでは、スイッチ体８は停電発生と同時にオン状態としているが、他の実施例として制御部１１に導入している高入出力密度蓄電装置６の電圧が高容量蓄電装置７の電圧と同等となった時点にてスイッチ体８を投入してもよい。この例によると、電圧のアンバランスによって生じる突入電流を防止することが可能となり、大電流の充放電を要因とする蓄電装置の寿命低下を防止することが可能となる。

更には、エレベータの待機中にチョッパ回路５を介して高入出力密度蓄電装置６を充電し、電動機４の力行時に放電するよう制御部を構成してもよい。この例によると駆動運転中の電源容量を低減できるため、電気設備容量を低減することが可能となる。
また、高容量蓄電装置７の両端に充電専用の充電器を設けてもよく、この場合には蓄電池の種類に応じた最適な充電が可能となる。

本発明の実施形態を示す構成図。本発明の制御フロー図。

符号の説明

１…順変換部
２…平滑コンデンサ
３…逆変換部
４…電動機
５…チョッパ回路
６…高入出力密度蓄電装置
７…高容量蓄電装置
８…スイッチ体
９…リアクトル
１０…ダイナミックブレーキ回路
１１…制御部

Claims

エレベータ制御に電圧型インバータを使用し、その直流中間回路に蓄電装置を接続し、制御部の制御指令にて回生エネルギーを蓄電装置に吸収するものにおいて、
前記電圧型インバータの直流中間回路に双方向に電流を流すチョッパ回路を接続し、このチョッパ回路と直流中間回路の負極間にリアクトルと高入出力密度蓄電装置との直流回路を接続し、且つ、この直流回路の橋絡点と直流中間回路の負極間にスイッチ体と高容量蓄電装置との直流回路を接続すると共に、前記制御部は、直流中間回路電圧若しくは停電検出信号をもとに停電発生の有無を検出し、停電でない通常時にはスイッチ体をオフ状態に維持し、停電時にはオン状態に制御するスイッチ制御手段と、
前記電動機が駆動状態か回生状態かを判別する電動機状態判断手段と、
この電動機状態判断手段による判断で、前記スイッチ体がオフ状態で電動機状態が駆動時には前記高入出力密度蓄電装置の放電は可能か否かを判断し、且つ前記スイッチ体がオン状態で電動機状態が駆動時には前記高容量蓄電装置の放電は可能か否かを判断する放電判断手段と、
前記電動機状態判断手段による判断で、前記スイッチ体がオフ状態で電動機状態が回生時には前記高入出力密度蓄電装置の充電は可能か否かを判断し、且つ前記スイッチ体がオン状態で電動機状態が回生時には前記高容量蓄電装置の充電は可能か否かを判断する充電判断手段と、
前記充電判断手段と放電判断手段によりそれぞれ充放電可能との判断時に前記チョッパ回路に対して充電若しくは放電制御を実行するチョッパ回路制御手段を備えたことを特徴としたエレベータ用電動機の制御装置。
前記高入出力密度蓄電装置の充電電圧を監視し、所定値以上となったときに前記スイッチ体を閉路して高容量蓄電装置で回生エネルギーを吸収し、電動機力行時にこの高容量蓄電装置より放電するよう構成したことを特徴とした請求項１記載のエレベータ用電動機の制御装置。
前記高容量蓄電装置の充電状態を監視する監視手段を設け、充電を必要とする任意時点にて前記スイッチ体を閉路し、チョッパ回路を介して充電を行うよう構成したことを特徴とした請求項１又は２記載のエレベータ用電動機の制御装置。
エレベータの運転待機中にチョッパ回路を介して高入出力密度蓄電装置に充電し、電動機力行時に高入出力密度蓄電装置より放電するよう構成したことを特徴とした請求項１乃至３記載のエレベータ用電動機の制御装置。
前記高容量蓄電装置に専用の充電器を設けたことを特徴とした請求項１乃至４記載のエレベータ用電動機の制御装置。