JP5386457B2 - 電力回生装置 - Google Patents

Description

この発明は、回生電力を有効に利用する制御装置に関するものである。

エレベータでは、回生運転時に発生する回生電力は、通常、抵抗により熱に変換し、排出する方法が取られている。しかし、省エネルギーのため、回生電力を蓄電デバイスへ一旦蓄電し、蓄電した電力を力行運転時、又は停電時に有効に活用する電力回生装置がある（例えば、特許文献１参照）。
蓄電デバイスとしては、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、リチウム二次電池のような二次電池の他に、電気二重層キャパシタのような大容量キャパシタを用いた例がある（例えば、特許文献２参照）。
電気二重層キャパシタは二次電池に比べ内部抵抗が小さいため効率よく電力を蓄えることができ、また、化学変化を使わない動作原理のため長寿命という特長を持つ。このため、回生エネルギーの有効利用のために電気二重層キャパシタを使用した電力回生装置をエレベータの他、自動車、電気鉄道および産業機械に適用する例が報告されている。
しかし、電気二重層キャパシタは二次電池と比較して長寿命であるが、電解コンデンサと同様に、寿命が温度に依存する。一般的な電解コンデンサと同様に、寿命は１０℃上昇すると半減するといわれている。温度上昇の要因は、周囲温度の上昇と、内部抵抗による自己発熱がある。内部抵抗による自己発熱は、蓄電デバイスに流れる電流に依存する。このことから、定電流で充電を行う充電回路において、電気二重層キャパシタの温度を検出し、電気二重層キャパシタの温度が高くなると充電電流を小さくし、温度の上昇を抑える例がある（例えば、特許文献３参照）。

特開昭６１−２６７６７５号公報（２頁、図１） 特開２００５−２６３４０８号公報（６頁、図１） 特開平１０−６４７７０（５頁、図１）

このように蓄電デバイスの温度を検出して、充電電流を抑える制御方式を、電力回生装置に適用すると、温度が高くなり、充電電流が減少すると、充電電力量が小さくなり、回生電力の回収率が低下する問題が発生する。ここで、回生電力の回収率は、発生した回生電力量に対する蓄電デバイスに充電される充電電力量の割合をいう。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、高温時においても、回生電力の回収率を低下させず、または低下を抑えることができ、かつ、蓄電デバイスの温度上昇を抑え、蓄電デバイスの長寿命化を図れる電力回生装置を実現することを目的とする。

この発明に係る電力回生装置は、回生電力を充電し、蓄電した電力を放電する蓄電デバイスと、この蓄電デバイスの温度を検出する温度検出手段と、この温度検出手段の検出温度に基づき、蓄電デバイスの充電電流の上限値および放電電流の上限値を変化させて、放電電流の上限値の軌跡および検出温度で形成される面積が充電電流の上限値の軌跡および検出温度で形成される面積以下となるように制御する充放電制御手段とを備えた。

この発明に係る電力回生装置は、回生電力を充電、放電する蓄電デバイスと、この蓄電デバイスの温度を検出する温度検出手段と、この検出温度に基づき、蓄電デバイスの充電電流の上限値および放電電流の上限値を変化させて、放電電流の上限値の軌跡および検出温度で形成される面積が充電電流の上限値の軌跡および検出温度で形成される面積以下となるように制御する充放電制御手段とを備えているため、回生電力の回収率を低下させず、または低下を抑えることができ、かつ、蓄電デバイスの温度上昇を抑え、蓄電デバイスの長寿命化を図ることができる。

この発明の実施の形態１のエレベータ制御装置の構成図である。 この発明の実施の形態１のエレベータ制御装置の制御部のブロック図である。 この発明の実施の形態１のエレベータ制御装置の制御部のリミッタ器の指定範囲を示す図である。 この発明の実施の形態１のエレベータ制御装置の回生・力行時の電力、電流、電圧の波形を示す図である。 この発明の実施の形態１のエレベータ制御装置の回生・力行時の電力、電流、電圧の波形を示す図である。 この発明の実施の形態１のエレベータ制御装置の回生電力の回収量と電気二重層キャパシタの損失量を示す図である。 この発明の実施の形態２のエレベータ制御装置の制御部のリミッタ器の指定範囲を示す図である。 この発明の実施の形態２のエレベータ制御装置の回生電力の回収量と電気二重層キャパシタの損失量を示す図である。

実施の形態１．
実施の形態１は、本発明の電力回生装置をエレベータ制御装置に適用した事例である。
以下、本願発明の実施の形態１について、図１から図６に基づいて説明する。尚、図においては、「電気二重層キャパシタ」を「ＥＤＬＣ」と記載している。

図１はこの発明の実施の形態１に係るエレベータ制御装置２の構成図である。
エレベータシステム１は、エレベータ制御装置２とエレベータ３と三相交流電源４とで構成される。
エレベータ制御装置２は、コンバータ５、平滑コンデンサ６、インバータ７、駆動制御部８と回生電力処理部１４で構成される。
回生電力処理部１４は、充放電回路１５、回生抵抗回路２０、蓄電デバイスである電気二重層キャパシタ１９、エレベータ制御装置２の各部の電圧、電流、温度を検出するための検出手段である母線電圧検出部２３、電気二重層キャパシタ電流検出部２４、温度検出手段である電気二重層キャパシタ温度検出部２５、電気二重層キャパシタ電圧検出部２６および充放電制御手段である充放電制御部２７で構成される。

エレベータ３は、モータ９とシーブ１０、ロープ１１と、かご１２と、釣合錘１３で構成される。
コンバータ５は、三相交流電源４からの三相交流電圧を直流電圧に変換し、コンバータ５の出力には変換された直流電圧を平滑する平滑コンデンサ６と変換された直流電圧をエレベータ３のモータ９を駆動するための可変周波数の交流に変換するインバータ７が接続されている。インバータ７は駆動制御部８からの速度指令に応じた周波数の交流電力を出力する。ここで、コンバータ５、平滑コンデンサ６およびインバータ７を接続する電源ラインは、直流母線を構成する。

平滑コンデンサ６に並列に回生抵抗回路２０が接続されており、回生抵抗回路２０は半導体スイッチ２１と抵抗２２の直列回路で構成されている。この抵抗２２は、モータ９から回生された回生電力量のうち、電気二重層キャパシタ１９に充電できなかったエネルギーを熱として消費するために使用される。
また、平滑コンデンサ６に並列に充放電回路１５が接続されている。充放電回路１５は、半導体スイッチ１６、１８と平滑リアクトル１７で構成された双方向のＤＣ／ＤＣコンバータである。半導体スイッチ１６と１８の接続点と、平滑リアクトル１７の第１端が接続され、平滑リアクトル１７の第２端が充放電回路１５の出力端子となっている。
充放電回路１５の出力端子と平滑コンデンサ６の負端の間に電気二重層キャパシタ１９が接続されている。

平滑コンデンサ６の両端電圧、すなわち直流母線電圧を検出するために、母線電圧検出部２３が平滑コンデンサ６に並列に接続されている。また、電気二重層キャパシタ１９に流れる電流を検出するために電気二重層キャパシタ電流検出部２４、電気二重層キャパシタ１９の温度を検出するために電気二重層キャパシタ温度検出部２５、電気二重層キャパシタ１９の両端電圧を検出するために電気二重層キャパシタ電圧検出部２６が電気二重層キャパシタ１９に並列に接続されている。

充放電制御部２７には、母線電圧検出部２３、電気二重層キャパシタ電流検出部２４、電気二重層キャパシタ温度検出部２５、電気二重層キャパシタ電圧検出部２６で得られた情報および力行開始情報が入力されている。
充放電制御部２７は、これらの各検出部２３、２４、２５、２６からの情報および力行開始情報に基づき、充放電回路１５に動作指示情報を出力する。また、充放電制御部２７は、回生抵抗回路２０に動作指示情報を出力する（図示せず）。

インバータ７は、駆動制御部８からの速度指令に応じた周波数の交流電力を出力し、エレベータ３のモータ９を駆動することで、巻上機のシーブ１０を介してロープ１１により釣合錘１３、かご１２を上下動させる。

次に、エレベータ制御装置２の動作について、図１から図６に基づいて説明する。
ここで、図２は制御部４０のブロック図、図３はリミッタ器４３の指定範囲、図４、５は回生・力行時の電力、電流、電圧の波形、図６は回生電力の回収量、電気二重層キャパシタの損失量を示す。

まず、回生動作時のエレベータ制御装置２の動作について説明する。
エレベータ３のかご１２と釣合錘１３の質量差により、モータ９から発生した回生電力は、インバータ７を介して、直流母線へ送電される。回生電力は、コンバータ５のダイオードにより三相交流電源４への送電が阻止されるため、平滑コンデンサ６を充電する。充電の結果、平滑コンデンサ６の両端電圧Ｖｂが上昇し、設定されている電圧Ｖｂ１に達すると、充放電制御部２７は、充放電回路１５へ指示を送り、回生電力を電気二重層キャパシタ１９へ充電する。

この時、充放電制御部２７で行われる制御について説明する。
図２は充放電制御部２７内の制御部４０のブロック図である。制御部４０は、加算器４１、４４と比例積分制御器４２、４５およびリミッタ器４３で構成され、出力信号は充放電回路１５の半導体スイッチ１６、１８をＰＷＭ制御する。
母線電圧ＶｂがＶｂ１に達した時点で、電圧指令値ＶｒｅｆをＶｂ１に設定して、母線電圧ＶｂをＶｂ１になるようにフィードバック制御を行う。比例積分制御器４２により、母線電圧Ｖｂが電圧指令値Ｖｒｅｆ（すなわちＶｂ１）に追従するようにフィードバック制御を行い、電流指令値Ｉｒｅｆを決定する。電流指令値Ｉｒｅｆは、リミッタ器４３に入力され、入力が指定範囲を超えるとリミッタ出力は上下限に固定される。その後、比例積分制御器４２により、電気二重層キャパシタ電流Ｉｅが電流指令値Ｉｒｅｆに追従するようにフィードバック制御を行う。

リミッタ器４３の指定範囲を図３に示す。横軸は電気二重層キャパシタ１９の温度Ｔｅ、縦軸はリミッタ器４３のＩｒｅｆの上限リミッタと下限リミッタを示している。なお、電気二重層キャパシタ電流検出部２４の電流は、電気二重層キャパシタ１９を充電している場合を正、放電している場合を負としている。電気二重層キャパシタ１９を充電している場合、電気二重層キャパシタ１９の温度ＴｅがＴｅ２までは、ＩｒｅｆのリミッタはＩｒｅｆ１をとり、Ｔｅ２以上でかつＴｅ３以下では徐々に絶対値を下げていく（点線で示している）。
Ｉｒｅｆ１は、充放電回路１５の定格電流で決まる値で、充放電回路１５の定格電流は半導体スイッチ１６、１８の定格電流、または平滑リアクトル１７の定格電流で決まる。これ以上流すと充放電回路１５の構成部品が破壊される恐れがある電流である。
Ｔｅ３は、電気二重層キャパシタ１９の定格温度で、これ以上では電気二重層キャパシタ１９が破壊される恐れがある温度である。

回生電力が電気二重層キャパシタ１９に充電されると、電気二重層キャパシタ１９の両端電圧Ｖｅは上昇し、エレベータの回生動作が終了するまで上昇する。回生動作が終了する前に、電気二重層キャパシタ１９の両端電圧Ｖｅが設定された電圧Ｖｅ１に達すると、充放電制御部２７は、充放電回路１５へ指示を出し、充放電回路１５は充電動作を停止する。
充放電回路１５が充電動作を停止すると、回生電力は平滑コンデンサ６を充電し、平滑コンデンサ６の両端電圧Ｖｂは再び上昇する。平滑コンデンサ６の両端電圧Ｖｂが、設定されている電圧Ｖｂ２に達すると、充放電制御部２７は、回生抵抗回路２０へ指示を送り、回生抵抗回路２０は、半導体スイッチ２１をオンさせ、抵抗２２で回生電力を消費させる。
回生電力が抵抗で消費されると、平滑コンデンサ６の両端電圧Ｖｂは低下する。平滑コンデンサ６の両端電圧Ｖｂが、設定されている電圧Ｖｂ３まで低下すると、充放電制御部２７は、回生抵抗回路２０へ指示を送り、回生抵抗回路２０は半導体スイッチ２１をオフさせる。
引き続き回生電力が発生している場合、平滑コンデンサ６の両端電圧Ｖｂは再び上昇し回生抵抗起動電圧Ｖｂ２に達すると、半導体スイッチ２１をオンする。平滑コンデンサ６の両端電圧ＶｂがＶｂ３まで低下すると、半導体スイッチ２１をオフし、以下この動作を繰り返し行う。ここで、Ｖｂの各設定電圧は、Ｖｂ１＜Ｖｂ３＜Ｖｂ２の関係にある。

抵抗２２は想定し得る最大の回生電力を消費できるように設計しているため、平滑コンデンサ６の両端電圧ＶｂはＶｂ２以上になることはなく、電圧上昇による素子破壊を防止することができる。

次に、力行動作時のエレベータ制御装置２の動作について説明する。
充放電制御部２７に力行開始情報が入力されると、充放電制御部２７は充放電回路１５へ指示を送り、充放電回路１５は電気二重層キャパシタ１９のエネルギーを放電させる放電動作を開始する。電気二重層キャパシタ１９に充電されていたエネルギーは、充放電回路１５、平滑コンデンサ６、インバータ７を介して、モータ９へ供給される。
この時、充放電制御部２７で行われる制御について説明する。先に説明した図２に示した制御部４０のブロック図に基づき制御が行われる。
力行開始情報が入力されると、電圧指令値Ｖｒｅｆをあらかじめ設定されたＶｂ４として、母線電圧ＶｂをＶｂ４になるようにフィードバック制御を行う。比例積分制御器４２により、母線電圧Ｖｂが電圧指令値Ｖｒｅｆに追従するようにフィードバック制御を行い、電流指令値Ｉｒｅｆを決定する。電流指令値Ｉｒｅｆは、リミッタ器４３に入力され、入力が指定範囲を超えるとリミッタ出力は上下限に固定される。その後、比例積分制御器４２により、電気二重層キャパシタ電流Ｉｅが電流指令値Ｉｒｅｆに追従するようにフィードバック制御を行う。

リミッタ器４３の指定範囲を図３に示す。
電気二重層キャパシタ１９が放電している場合、電気二重層キャパシタ１９の温度ＴｅがＴｅ１までは、ＩｒｅｆのリミッタはＩｒｅｆ２をとり、Ｔｅ１以上でかつＴｅ３以下では徐々に絶対値を下げていく（実線で示している）。
Ｉｒｅｆ２は、充放電回路１５の定格電流で決まる値で、Ｉｒｅｆ１の絶対値と同じである。これ以上流すと充放電回路１５が破壊される恐れがある電流である。

電気二重層キャパシタ１９が放電を開始すると電気二重層キャパシタ１９の両端電圧Ｖｅは低下する。設定された電圧Ｖｅ２まで低下すると、充放電制御部２７は、充放電回路１５へ指示を出し、充放電回路１５は放電動作を停止する。
力行開始とともに、電気二重層キャパシタ１９からモータ９へ電力が供給されるが、放電電力がモータの必要とする力行電力よりも小さい場合、三相交流電源４から電力が供給される。また、電気二重層キャパシタ１９の両端電圧ＶｅがＶｅ２に達し、放電が停止すると、モータが必要とするすべての力行電力は三相交流電源４から供給される。すなわち、モータが必要とする力行電力は、電気二重層キャパシタ１９から供給される放電電力と、三相交流電源４から供給される電力の和で供給され、力行開始直後は電気二重層キャパシタ１９からの放電電力を優先して使用する。
このようにして、全部若しくは一部の回生電力は、電気二重層キャパシタ１９に充電され、力行電力として有効に利用される。

次にリミッタ器４３のＩｒｅｆの上限、下限リミッタの効果を示しながら詳しく説明する。
図３から、Ｉｒｅｆのリミッタの絶対値を下げ始める電気二重層キャパシタ１９の温度Ｔｅは、充電時よりも放電時の方を低くしている。すなわちＴｅ１をＴｅ２以下にする。ただし、特に図３の形に限定されることなく、放電電流のリミッタの軌跡で描かれる面積が充電電流のリミッタの軌跡で描かれる面積以下にすれば、同様の効果が得られる。

図４に、電気二重層キャパシタ１９の温度ＴｅがＴｅ１で、Ｉｒｅｆのリミッタが充電時はＩｒｅｆ１、放電時はＩｒｅｆ２の場合の各波形を示す。
図４（ａ）はエレベータ３からの回生電力と、エレベータ３を動作させるのに必要な力行電力、図４（ｂ）は電気二重層キャパシタ１９の充電電力と放電電力および商用電源電力、図４（ｃ）は電気二重層キャパシタ１９の充放電電流Ｉｅ、図４（ｄ）は電気二重層キャパシタ１９の両端電圧Ｖｅの各波形を示している。
回生動作時、電気二重層キャパシタ１９の充電電流Ｉｅは、ＩｒｅｆのリミッタＩｒｅｆ１以下であるため、回生電力のすべてを電気二重層キャパシタ１９に充電することができる。また、電気二重層キャパシタ１９の両端電圧ＶｅがＶｅ１以下で、回生動作が終了しているため、回生電力量のすべてを電気二重層キャパシタ１９の充電することができる。つまり、回生電力の回収率は１００％である。ただし、図４の場合、充放電回路１５の損失など、充放電時に発生する電力損失は含まれていない。
力行動作時、電気二重層キャパシタ１９の放電電流Ｉｅは、ほぼＩｒｅｆ２で放電し、電気二重層キャパシタ１９の両端電圧ＶｅはＶｅ２に達して、放電は終了している。
力行動作に必要な電力量と電気二重層キャパシタ１９の放電電力量との差分は、商用電源電力から供給される。次の回生動作モードに入る前に電気二重層キャパシタ１９の両端電圧ＶｅはＶｅ２で終了しているため、次の回生動作で、回生電力を十分に回収することができる。

図５に、電気二重層キャパシタ１９の温度ＴｅがＴｅ２で、Ｉｒｅｆのリミッタが充電時はＩｒｅｆ１、放電時はＩｒｅｆ３の場合の各波形を示す。
図５（ａ）はエレベータ３からの回生電力とエレベータ３を動作させるのに必要な力行電力を、図５（ｂ）は電気二重層キャパシタ１９の充電電力と放電電力および商用電源電力を、図５（ｃ）は電気二重層キャパシタ１９の充放電電流Ｉｅを、図５（ｄ）は電気二重層キャパシタ１９の両端電圧Ｖｅの各波形を示している。
回生動作時、電気二重層キャパシタ１９の充電電流Ｉｅは、ＩｒｅｆのリミッタＩｒｅｆ１以下であるため、回生電力のすべてを電気二重層キャパシタ１９に充電することができる。また、電気二重層キャパシタ１９の両端電圧ＶｅがＶｅ１に達した時点で、ちょうど回生動作が終了しているため、回生電力量のすべてを電気二重層キャパシタ１９の充電することができている。つまり、回生電力の回収率は１００％である。
力行動作時、電気二重層キャパシタ１９の放電電流Ｉｅは、図４のＩｒｅｆ２より小さいＩｒｅｆ３で放電している。
電気二重層キャパシタ１９の温度Ｔｅは、内部抵抗Ｒｅに電気二重層キャパシタ１９の電流Ｉｅの二乗を掛けて求められる損失が発生するため上昇する。このため、回生動作時の充電電流による損失は変わらないが、力行動作時の放電電流による損失は減少し、電気二重層キャパシタ１９の温度上昇が抑えられる。
図６に電気二重層キャパシタ１９の温度Ｔｅをパラメータとした回生電力の回収量と、内部抵抗と電気二重層キャパシタ１９の充放電電流から計算した損失量を示す。損失量は、温度Ｔｅ１の時の損失に対する割合で表している。

電気二重層キャパシタ１９の温度が上昇するに従い、電気二重層キャパシタ１９の内部抵抗による損失は減少するが、回生電力の回収率はＴｅ２まで減少しない。
Ｔｅ２から回収率が減少する理由は２つある。第１の理由は、図３に示すようにＴｅ２以上で充電電流のリミッタを減少させていることである。第２の理由は、電気二重層キャパシタ１９の充電可能な電力量が減少したためである。
図５に基づき説明する。力行動作時、電気二重層キャパシタ１９の放電電流Ｉｅは、図４のＩｒｅｆ２より小さいＩｒｅｆ３で放電しているため、図４と比較して放電時間が長くなり、電気二重層キャパシタ１９の両端電圧Ｖｅが、Ｖｅ２に達する前に力行動作が終了し、放電も終了している。このため、次の回生動作時開始時の電気二重層キャパシタ１９の両端電圧Ｖｅは図４のＶｅよりも高くなる。
一方で、電気二重層キャパシタ１９の両端電圧Ｖｅの上限値はＶｅ１で制限されているため、充電開始時のＶｅが大きくなるに従い、電気二重層キャパシタ１９の充電可能な電力量が減少する。この第２の理由により、図３に示すように、Ｔｅ２から充電電流の上限値を減少させなくても、回生電力の回収率は低下する。

このように、電気二重層キャパシタ１９の温度Ｔｅを検出して、温度に合わせて、放電電流の上限値の絶対値を減少させることにより、回生電力の回収率を低下させることなく、電気二重層キャパシタ１９の内部抵抗による損失を減少させ、電気二重層キャパシタ１９の温度上昇を抑え、電気二重層キャパシタ１９を長寿命化させることができる。

実施の形態２．
本願発明の実施の形態２について、図に基づいて説明する。
実施の形態２では、図１のエレベータ制御装置２および図２の制御部４０のブロック図は実施の形態１と同じであるが、リミッタ器４３の指定範囲が異なる。このため、回生電力の回収量、電気二重層キャパシタ１９の損失量も異なる。

本実施の形態２では、図７に示すように電気二重層キャパシタ１９の温度Ｔｅに対する放電電流のリミッタと充電電流のリミッタをまったく同じにしたものである。
図８に電気二重層キャパシタ１９の温度をパラメータとした回生電力の回収量と、内部抵抗と電気二重層キャパシタ１９の充放電電流から計算した損失量を示している。
実施の形態１と同様に、電気二重層キャパシタ１９の温度が上昇するに従い、電気二重層キャパシタ１９の内部抵抗による損失は減少している。また、実施の形態１に比べて効果は少ないが、回生電力の回収率の低下は小さく抑えられている。このようにすることにより、実施の形態１と比較して、放電電流および充電電流のリミッタを同じにすることで制御部４０の簡素化を図ることができる。

実施の形態３．
上記実施の形態１、２では、本発明の電力回生装置をエレベータ制御装置へ適用した場合について説明したが、自動車など他の用途にも適用可能であり、同様の効果が得られる。

実施の形態４．
上記実施の形態１、２では、蓄電デバイスに電気二重層キャパシタを用いた例で説明したが、温度が上昇すると寿命が短くなる問題は、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、リチウム二次電池のような二次電池においても同様であるため、これら二次電池を使用した電力回生装置にも適用可能であり、同様の効果が得られる。

２ エレベータ制御装置、３ エレベータ、４ 三相交流電源、５ コンバータ、
６ 平滑コンデンサ、７ インバータ、８ 駆動制御部、９ モータ、
１４ 回生電力処理部、１５ 充放電回路、１６，１８ 半導体スイッチ、
１７ 平滑リアクトル、１９ 電気二重層キャパシタ、２０ 回生抵抗回路、
２１ 半導体スイッチ、２２ 抵抗、２３ 母線電圧検出部、
２４ 電気二重層キャパシタ電流検出部、２５ 電気二重層キャパシタ温度検出部、
２６ 電気二重層キャパシタ電圧検出部、２７ 充放電制御部、４０ 制御部、
４１，４４ 加算器、４２，４５ 比例積分制御器、４３ リミッタ器。

Claims (3)

1. 回生電力を充電し、蓄電した電力を放電する蓄電デバイスと、
   この蓄電デバイスの温度を検出する温度検出手段と、
   この温度検出手段の検出温度に基づき、前記蓄電デバイスの充電電流の上限値および放電電流の上限値を変化させて、前記放電電流の上限値の軌跡および前記検出温度で形成される面積が前記充電電流の上限値の軌跡および前記検出温度で形成される面積以下となるように制御する充放電制御手段とを備えた電力回生装置。
2. 前記蓄電デバイスが電気二重層キャパシタである請求項１記載の電力回生装置。
3. 前記放電電流の上限値の軌跡および前記検出温度で形成される面積と前記充電電流の上限値の軌跡および前記検出温度で形成される面積とが同じである請求項１または２記載の電力回生装置。

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