JP4855061B2

JP4855061B2 - エレベータ速度制御装置

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Publication number: JP4855061B2
Application number: JP2005365365A
Authority: JP
Inventors: 正実野村
Original assignee: Mitsubishi Electric Building Techno-Service Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Electric Building Techno-Service Co Ltd
Priority date: 2005-12-19
Filing date: 2005-12-19
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2025-12-19
Also published as: JP2007168933A

Description

この発明は、エレベータの走行の速度パターンを走行毎に生成または選択するエレベータ速度制御装置に関する。

従来、エレベータは、インバータで給電されるモータにより、乗客カゴにロープを介して連結された釣合錘を有する巻上機を駆動し、乗客カゴの重量をカゴ負荷として計測するカゴ負荷検出手段と、次回停止階を設定する次回停止階設定手段と、カゴ負荷検出手段によって得られるカゴ負荷と次回停止階設定手段によって設定される次回停止階とに基づいてモータの許容されうる駆動範囲内でかつ最短時間で次回停止階に乗客カゴが到達するカゴ速度パターンを生成するカゴ速度パターン生成手段とを備える（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−２３８０３７号公報

しかし、最短時間で乗客カゴが次回停止階に到達する速度パターンで運転するとエネルギーの消費が多くなり、省エネルギーに有効に取り組めないという問題がある。

この発明の目的は、カゴ負荷と走行距離の変化に従ってエネルギー消費が最小になる速度パターンでエレベータを制御するエレベータ速度制御装置を提供することである。

この発明に係わるエレベータ速度制御装置は、インバータにより給電されるモータにより、乗客カゴにロープを介して連結された釣合錘を有する巻上機を駆動するエレベータ速度制御装置において、カゴ負荷を計測するカゴ負荷検出手段と、次回停止階を設定する次回停止階設定手段と、カゴ負荷検出手段によって得られるカゴ負荷、現在停止している停止階と次回停止階とから得られる走行距離、慣性トルク、電気側から機械側にエネルギーが流れるときの機械出力に対する電気入力の比からなる正効率、または前記機械側から前記電気側にエネルギーが流れるときの電気出力に対する機械入力の比からなる逆効率を用いるとともに上記カゴ負荷から求まる負荷トルクと上記慣性トルクとの関係を考慮して現在停止している停止階から次回停止階までの走行において消費されるエネルギーが最小となる一定速走行速度を求めるエネルギー演算手段と、該一定速走行速度を持った速度パターンを生成する速度パターン生成手段と、を備える。

この発明に係わるエレベータ速度制御装置の効果は、エレベータをエネルギー消費が最小になる速度パターンで制御するので、エレベータのエネルギー消費を小さくすることができる。

図１は、この発明に係わる速度制御装置が制御するカゴ運行機構のブロック図である。
この発明に係わるエレベータの速度制御装置１は、エレベータの乗客カゴ２を呼び登録に従って走行させるカゴ運行機構を制御する。そして、カゴ運行機構は、一般的な機構であり、図１に示すように、主に一端に乗客カゴ２、他端に釣合錘３がぶら下げられたロープ４を走行させるシーブ５、シーブ５を回転するモータ６、モータ６の回転を制御するインバータ７から構成されている。
インバータ７は、この発明の速度制御装置１から入力される速度指令に基づいてモータ６の回転を制御する。この速度指令は、現時点で停止している階床から目標の階床まで乗客カゴ２を走行する速度パターンを参照して出力される。

この発明に係わる速度制御装置１は、カゴ負荷を計測するカゴ負荷検出手段８と、次回停止階を設定する次回停止階設定手段９と、カゴ負荷検出手段８によって得られるカゴ負荷と現在乗客カゴ２が停止している停止階と次回停止階とから得られる走行距離とを用いて現在停止している停止階から次回停止階までの走行において消費されるエネルギーが最小になる一定速走行速度を演算するエネルギー演算手段１０と、その一定速走行速度を持った速度パターンを生成する速度パターン生成手段１１と、を備える。そして、速度制御装置１は、生成された速度パターンに従って乗客カゴ２が走行するようにインバータ７およびモータ６を制御する。この速度制御装置１は、速度パターンを算出するプログラムを有するコンピュータから構成されている。
次回停止階設定手段９は、乗り場および乗客カゴ内に次回停止階を登録するための装置を設けることにより実現することができる。また、無線等の通信手段によって遠隔からも設定することができる。

次に、この発明に係わる速度制御装置１の説明に先立って、エレベータの乗客カゴ２の走行に伴って消費されるエネルギーを求める。
カゴ速度や容量などのカゴ側諸量は、モータ軸回転数やトルクなどのモータ軸諸量に、式（１）、式（２）を用いて換算される。但し、ここでＤはシーブ径（単位はｍ）、Ｋは減速比で０＜Ｋ≦１の範囲の実数、Ｍはカゴ側重量（Ｋｇ）、ｍは錘側重量（Ｋｇ）、Ｔはカゴ負荷に係わるモータ軸換算負荷トルク（Ｎ・ｍ）、ｎはモータ回転数（ｒｐｍ）、ｖはエレベータ速度（ｍ・ｓ^−１）である。負荷トルクＴは、カゴ負荷検出手段８により計測される。

そして、数式を簡素化するため、シーブ径Ｄと減速比Ｋの積の逆数を定数Ｓとすると、式（１）、式（２）は、式（３）、式（４）に書き直すことができる。但し、Ｓの元はｍ^−１である。

慣性トルクＴ_ａ（Ｋｇ・ｍ）は、モータ軸換算の全体の慣性能率Ｊ（Ｋｇ・ｍ^２）と式（５）の関係が成り立つ。但し、ここでωはモータ軸回転角速度（ｒａｄ・ｓ^−１）、ｇは重力加速度（９．８ｍ・ｓ^−２）である。
次に、モータ軸回転角速度ωの時間に関する一次微分ｄω／ｄｔは、式（６）のように変換することにより、定数Ｓとエレベータ加速度α（ｍ・ｓ^−２）を用いて表される。
そして、慣性トルクＴ_ａは、エレベータ加速度α、重力加速度ｇ、全体の慣性能率Ｊおよび定数Ｓを用いて、式（７）で表される。

ここでモータ軸換算トルクをＴとするとモータ出力Ｐ（Ｔが負の場合は入力））は、式（８）により表すことができる。

次に、現在停車している階床から次回停止階までの一行程を運転したときに消費されるエネルギーについて説明する。まず、以降の数式展開を容易にするため損失を考慮しない場合について説明する。一行程の運転は、図２に示す速度パターンに従って行われる。一行程の全体の走行距離をＬ、加速と減速が行われる加速距離、減速距離をＬ_１／２、一定速走行距離をＬ_２とし、Ｌ＝Ｌ_１＋Ｌ_２が成り立つ。また、加減速時のエレベータ加速度αの大きさは一定とする。加速区間は、時点ｔ_１から始まり、時点ｔ_２で終わる。減速区間は、時点ｔ_３から始まり、時点ｔ_４で終了する。そして、一定速区間は、時点ｔ_２から始まり、時点ｔ_３で終わる。

加速時のトルクは、負荷トルクＴと慣性トルクＴ_ａの和であり、一定速時のトルクは、負荷トルクＴだけであり、減速時のトルクは、負荷トルクＴから慣性トルクＴ_ａを減算した差である。負荷トルクＴは一行程中ほぼ一定であり、加減速度も一定としているので、慣性トルクＴ_ａも一定であるからトルクに関する項はそれぞれの区間で一定である。
加速区間におけるモータ入出力Ｐ_１は、式（９）で表されるので、モータ６が消費するエネルギーＭ_１は、式（１０）で表される。また、一定速区間におけるモータ入出力Ｐ_２は、式（１１）で表されるので、モータ６が消費するエネルギーＭ_２は、式（１２）で表される。また、減速区間におけるモータ出力Ｐ_３は、式（１３）で表されるので、モータ６が消費するエネルギーＭ_３は、式（１４）で表される。
そして、図２に示される一行程の運転でモータ６が消費する全エネルギーＥは、式（１５）で表される。このように損失を考慮しない場合、消費される全エネルギーＥは、負荷トルクＴと乗客カゴの全移動距離Ｌに比例し、慣性トルクＴ_ａとは無関係になる。

次に、損失を考慮する。損失には入出力（負荷トルクＴと慣性トルクＴ_ａ）に関係するもの、例えば、ＧＤ巻上機の損失やモータの銅損と、入出力に係わらず一定で運転時間に比例するもの、例えば、誘導機の励磁損や電磁ブレーキの開放電力とがある。一般的には入出力に関係する損失が大きい。
エレベータの運転に係わるシステムでは、モータ６を介して電気側の電気エネルギーと機械側の機械エネルギーとが双方向に変換されている。そして、電気側から機械側にエネルギーが流れる場合、機械側の機械入出力Ｐ_ｍに対して電気側の電気入出力Ｐ_ｅは、Ｐ_ｅ＝Ｐ_ｍ／γの関係が成り立つ。このγを正効率と定義する。逆に、機械側から電気側にエネルギーが流れる場合、Ｐ_ｅ＝β・Ｐ_ｍの関係が成り立つ。このβを逆効率と定義する。なお、正効率γと逆効率βとも零より大きく、１より小さな実数である。γ、βは正確にはカゴ負荷および速度によって変化するが、インバータ制御の場合は一定と仮定しても実際とよく一致するので、以下の議論では一定として扱う。

このシステムにおいて図２に示す一行程の間に消費されるエネルギーを求める。なお、エネルギーの流れる方向により異なるので、４つの場合に分けて説明する。
負荷トルクＴが慣性トルクＴ_ａ以上の場合、全区間でエネルギーが電気側から機械側に流れる。この場合、加速区間、一定速区間、減速区間でのエネルギー消費量Ｍ_１、Ｍ_２、Ｍ_３は、式（１６）、式（１７）、式（１８）で表され、全区間でのエネルギー消費量Ｅ_１は、式（１９）で表される。

また、負荷トルクＴが慣性トルクＴ_ａ以下の場合、全区間でエネルギーが機械側から電気側に流れる。この場合、加速区間、一定速区間、減速区間でのエネルギー消費量Ｍ_１、Ｍ_２、Ｍ_３は、式（２０）、式（２１）、式（２２）で表され、全区間でのエネルギー消費量Ｅ_２は、式（２３）で表される。

また、負荷トルクＴが正で慣性トルクＴ_ａ未満である場合、加速区間と一定速区間でエネルギーが電気側から機械側に流れ、減速区間でエネルギーが機械側から電気側に流れる。この場合、加速区間、一定速区間、減速区間でのエネルギー消費量Ｍ_１、Ｍ_２、Ｍ_３は、式（２４）、式（２５）、式（２６）で表され、全区間でのエネルギー消費量Ｅ_３は、式（２７）で表される。

また、負荷トルクＴが負で慣性トルクＴ_ａの負数を超える場合、加速区間でエネルギーが電気側から機械側に流れ、一定速区間と減速区間でエネルギーが機械側から電気側に流れる。この場合、加速区間、一定速区間、減速区間でのエネルギー消費量Ｍ_１、Ｍ_２、Ｍ_３は、式（２８）、式（２９）、式（３０）で表され、全区間でのエネルギー消費量Ｅ_４は、式（３１）で表される。

次に、各場合のエネルギー消費に時間比例の損失を加えると実際のエネルギー消費となる。時間あたりのエネルギーをＢ（Ｗ）とし、運転時間をｔとすると、増加分はＢｔだから、各負荷に応じたエネルギー消費は、式（３２）、式（３３）、式（３４）、式（３５）で表される。

図３は、一定速区間における速度が変えられた速度パターンの図である。
次に、走行距離Ｌは固定して一定速区間の速度をｖ_０からｖ’に可変したときのエネルギー消費量の変化を求める。一定速区間での基準とする速度をｖ_０とし、速度係数ｋとして、一定速区間での変わった速度をｋｖ_０として、エネルギー消費量を求める。
図３に示す速度パターンで一定速区間を速度ｋｖ_０で走行するとき、加速区間と一定速区間の距離をＬ’_１／２、Ｌ’_２として、速度ｖ_０で移動するときの加速区間と一定速区間の距離Ｌ_１／２、Ｌ_２を用いて速度ｖ’、距離Ｌ_１’、距離Ｌ_２’を式（３６）、式（３７）、式（３８）で表すことができる。但し、速度係数ｋは、０＜ｋ^２＜Ｌ／Ｌ_１を満足する正の実数である。

この置換関係を用いて、一定速区間を速度ｖ’で走行するとき、全区間でのエネルギー消費量Ｅ’_１、Ｅ’_２、Ｅ’_３、Ｅ’_４は、式（３９）、式（４０）、式（４１）、式（４２）で表すことができる。

次に、一定速区間を速度ｋｖ_０で走行するとき、全区間を走行するために要する時間ｔ’は、式（４３）で求めることができる。
この式（４３）の関係を用いて、式（４１）、式（４２）を書き直すと、式（４４）、式（４５）が得られる。

ここで計算を簡単にするために、元の基準速度ｖ_０で走る運転モードにおいて、一定速区間の走行距離Ｌ_２を零とし、Ｌ_１を全走行距離とすると、式（４４）、式（４５）は、式（４６）、式（４７）となる。

図４は、負荷トルクＴが正のときの式（４６）から求められた全エネルギー消費量を速度係数ｋとの関係で表したものである。
負荷トルクＴが正のとき、図４から分かるように、入出力に関係するエネルギー消費量は速度係数ｋが大きいほど大きくなるが運転時間に関係するエネルギー消費量は速度係数ｋが大きいほど小さくなるので、これらを合算した全エネルギー消費量は、ある速度係数ｋにおいて最小を示す。
そこで、負荷トルクＴと走行距離Ｌ_１が決められると、全エネルギー消費量が最小を示す速度ｋｖ_０を演算により求めることができる。

上述したように、速度制御装置１は、カゴ負荷検出手段８によりカゴ負荷、次回停止階設定手段９により走行距離が決まり、カゴ負荷の正負から式（４６）または式（４７）を全エネルギー消費量算出式に採用し、速度係数ｋを変数として、全エネルギー消費量が最小になる速度変数ｋを求め、その速度変数ｋを用いて速度パターンを生成する。
次に、エネルギー消費量が最小になる速度パターンを生成する手順についての実施の形態を説明する。
実施の形態１．
図５は、この発明の実施の形態１に係わるエネルギー消費量が最小になる速度パターンを算出する手順を示すフローチャートである。
この発明の実施の形態１に係わる速度制御装置１には、予めシーブ径Ｄ、減速比Ｋ、重力加速度ｇ、エレベータ加速度α、正効率γ、逆効率β、慣性トルクＴ_ａ、比例係数Ｂが記憶されている。
また、カゴ負荷と走行方向とからエレベータ装置の能力によって決まる最高速度ｖ_１が速度制御装置１にテーブル形式で記憶されている。
また、安全装置に関する法令から決められる最高速度ｖ_２が記憶されている。

Ｓ１０１で、乗客カゴ内の乗客が図示しない行先階登録装置を操作して入力した行先階情報を用いて停止階から行先階までに乗客カゴが走行する走行距離Ｌを算出する。また、カゴ負荷検出手段８により計測して得られたカゴ負荷から負荷トルクＴを算出する。
Ｓ１０２で、距離Ｌを走行する場合の一定速走行速度ｖ_３を記憶されているエレベータ加速度αを読み出し、走行距離Ｌを用いて式（４８）により演算して求める。

Ｓ１０３で、負荷トルクＴと停止階と行先階との関係から求める走行方向とから、エレベータの装置によって決まる最高速度ｖ_１を読み出す。
Ｓ１０４で、安全装置に関する法令から決められる最高速度ｖ_２を読み出す。
Ｓ１０５で、３つの最高速度ｖ_１、ｖ_２、ｖ_３を比較し、最も小さい最高速度を許容最大速度ｖとする。
Ｓ１０６で、許容最大速度ｖを最高速度ｖ_３で割って速度係数ｋの最大値ｋ_ｍａｘを求める。なお、最高速度ｖ_３が３つ最高速度のうちで最も小さい速度であれば、速度係数ｋが取り得る最大値ｋ_ｍａｘは１である。また、最高速度ｖ_１またはｖ_２の一方が最も小さい速度であれば、速度係数ｋが取り得る最大値ｋ_ｍａｘは、ｖ_１／ｖ_３またはｖ_２／ｖ_３となる。そして、最大値ｋ_ｍａｘを速度係数ｋとする。
Ｓ１０７で、負荷トルクＴの正負に基づいて式（４６）または式（４７）を用いてエネルギー消費量Ｅ’_３またはＥ’_４を求める。
Ｓ１０８で、最大値ｋ_ｍａｘの１０分の１を差分Δｋとして、速度係数ｋから差分Δｋを差し引き、新たな速度係数ｋとして、式（４６）または式（４７）を用いてエネルギー消費量Ｅ’_３またはＥ’_４を求める。
Ｓ１０９で、今回求めたエネルギー消費量が一回前に求めたエネルギー消費量より大きいか否かを判断する。大きい場合、Ｓ１１０へ進み、小さい場合、Ｓ１０８へ戻る。
Ｓ１１０で、速度係数ｋを用いて速度パターンを作成し、エレベータの走行を制御する。

このような速度制御装置は、エレベータをエネルギー消費が最小になる速度パターンで制御するので、エレベータのエネルギー消費を小さくすることができる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係わるエレベータ速度制御装置は、実施の形態１に係わるエレベータ速度制御装置１とエネルギー算出式が一部異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分の説明は省略する。
実施の形態２に係わるエネルギー算出式は、式（４９）、式（５０）であり、式（４６）、式（４７）との違いは運転時間に関係する項目に重み関数としての定数ｐが乗算されていることである。但し、定数ｐは、１以上の実数である。

運転時間に関係する項Ｂ・ｔ’は、走行時間が長くなるに従って増加する成分であるが、走行時間が長くなることは運転効率が悪くなることである。従って、運転時間に関係する項目Ｂ・ｔ’の全エネルギーに対する重みを大きくすることにより、運転効率を反映したエネルギー消費量が最小になる速度パターンを作成することができる。

このような速度制御装置は、運転時間に関係するエネルギー消費に重み付けを重くして全エネルギー消費量が最小になる速度パターンを生成するので、運転効率も考慮した上でのエレベータのエネルギー消費を小さくすることができる。

実施の形態３．
この発明の実施形態３に係わるエレベータ速度制御装置は、実施形態１における演算装置に複数の一定速走行速度（速度係数ｋの値に相当）がテーブル形式で記憶されていて、それらの値を順次エネルギー計算式、式（４６）または式（４７）に代入して消費エネルギーを求め、それが最小値になる一定速走行速度（速度係数ｋ）をもつ速度パターンを生成するようにすれば、省エネ効果のある速度制御が可能となる。

実施形態４．
実施形態３において、運転時間に関係して消費されるエネルギーに重み係数を乗じたエネルギー計算式、式（４９）、式（５０）に代入して消費エネルギーを求め、それが最小になる一定速走行速度（速度係数ｋ）をもつ速度パターンを生成するようにすれば、運転効率と消費エネルギーのバランスが取れた速度制御運転が可能になる。

実施形態５．
実施形態４において、ビルごとの使用状況にあわせ重み係数を変化させるようにすれば、エレベータの使用状況にあわせた運転効率と消費エネルギーのバランスを図ることが可能になる。

実施形態６．
実施形態５においてエレベータの呼び登録数に応じた重み係数を掛けるようにすれば、刻々変化する利用状況に応じた運転効率と、消費エネルギーの最適バランスが可能になる。

この発明に係わる速度制御装置が制御するカゴ運行機構のブロック図である。乗客カゴの一行程の速度パターンが示された図である。一定速区間における速度が異なった２つの速度パターンが示された図である。負荷トルクが正のときの速度係数に対する全エネルギー消費量の関係が示されたグラフである。この発明の実施の形態１における全エネルギー消費量が最小になる速度パターンを生成する手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１速度制御装置、２乗客カゴ、３釣合錘、４ロープ、５シーブ、６モータ、７インバータ、８カゴ負荷検出手段、９次回停止階設定手段、１０エネルギー演算手段、１１速度パターン生成手段。

Claims

インバータにより給電されるモータにより、乗客カゴにロープを介して連結された釣合錘を有する巻上機を駆動するエレベータ速度制御装置において、
カゴ負荷を計測するカゴ負荷検出手段と、
次回停止階を設定する次回停止階設定手段と、
カゴ負荷検出手段によって得られるカゴ負荷、現在停止している停止階と次回停止階とから得られる走行距離、慣性トルク、電気側から機械側にエネルギーが流れるときの機械出力に対する電気入力の比からなる正効率、または前記機械側から前記電気側にエネルギーが流れるときの電気出力に対する機械入力の比からなる逆効率を用いるとともに上記カゴ負荷から求まる負荷トルクと上記慣性トルクとの関係を考慮して現在停止している停止階から次回停止階までの走行において消費されるエネルギーが最小となる一定速走行速度を求めるエネルギー演算手段と、
該一定速走行速度を持った速度パターンを生成する速度パターン生成手段と、
を備えることを特徴とするエレベータ速度制御装置。
上記エネルギー演算手段は、運転時間に関係して消費されるエネルギーに重み係数を乗じ、現在停止している停止階から次回停止階までの走行において消費されるエネルギーが最小となる一定速走行速度を求めることを特徴とする請求項１に記載するエレベータ速度制御装置。
上記エネルギー演算手段は、複数の一定速走行速度を持ち、速度毎に対応した消費エネルギーを演算し、演算した最小の消費エネルギーに対応する速度を一定速走行速度とすることを特徴とする請求項１に記載するエレベータ速度制御装置。
上記エネルギー演算手段は、複数の一定速走行速度に対応する消費エネルギーを演算するときに、運転時間に関係して消費されるエネルギーに重み係数を乗じ、現在停止している停止階から次回停止までの走行において消費されるエネルギーが最小となる一定速走行速度を求め、
上記速度パターン生成手段は、該一定速走行速度をもつ速度パターンを生成することを特徴とする請求項３に記載するエレベータ速度制御装置。
上記重み係数を時間によって変更することを特徴とする請求項４に記載するエレベータ速度制御装置。
上記重み係数をエレベータの呼び登録の数によって変更することを特徴とする請求項４に記載するエレベータ速度制御装置。