JP5549255B2 - エレベータの制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、エレベータを駆動するモータに電力を供給するエレベータの制御装置に関するものである。

従来のエレベータの制御装置は、三相インバータを備えている。この三相インバータは、モータの回転駆動を制御するものである。具体的には、三相インバータは、第１〜第３半導体ブリッジを備える。第１〜第３半導体ブリッジの各々は、上アームと下アームとを備える。

また、制御装置は、診断用電流指令手段、電圧検出手段、動作手段、判断手段を備える。診断用電流指令手段は、第１〜第３半導体ブリッジのうち二つを選択して、選択した半導体ブリッジのうちの一方の上アームと他方の下アームとに電流を流す機能を備える。電圧検出手段は、選択した半導体ブリッジのうちの一方の上アームと他方の下アームのオン電圧値を検出する機能を備える。

動作手段は、エレベータのかごが停止している時に診断用電流指令手段を動作させる機能を備える。判断手段は、選択した半導体ブリッジのうちの一方の上アームと他方の下アームのオン電圧値が閾電圧値を超えると、異常信号を発生させる機能を備える。

かかる構成のエレベータの制御装置によれば、インバータを構成する半導体素子のオン電圧値に基づいて簡易にインバータの半導体素子に対し劣化診断を行うことができる（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２００８／１１１１５１号

ここで、インバータへ直流電力を供給するためにダイオードコンバータが利用される場合がある。この場合、ダイオードコンバータとインバータとは、直流母線によって接続される。この直流母線間には、抵抗と半導体素子が直列接続される。そして、エレベータの回生運転モード時に、半導体素子をオンにすることにより、モータからの回生電力を消費することができる。

しかしながら、特許文献１記載のものにおいては、インバータを構成する半導体素子の劣化診断しか行われない。このため、頻繁に回生運転モードとなるエレベータにおいては、使用する半導体素子次第では、インバータの半導体素子よりも、回生電力を消費するための抵抗への通電及び通電の遮断を行う半導体素子の方が早期に寿命に至ってしまうという問題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、回生電力を消費するための抵抗への通電及び通電の遮断を行う半導体素子の劣化診断を行うことができるエレベータの制御装置を提供することである。

この発明に係るエレベータの制御装置は、交流電源から供給された交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータに変換された直流電力が供給される直流母線と、前記直流母線から供給された直流電力を交流電力に変換して、変換した交流電力をエレベータの駆動に用いるモータに供給するインバータと、前記直流母線間に接続された抵抗と、前記直流母線間で前記抵抗と直列に接続され、前記抵抗への通電及び通電の遮断を行う半導体素子と、前記交流電源からの交流電力により充電され、前記交流電源から前記コンバータへの交流電力の供給が遮断されているときに、前記直流母線の電圧を所定電圧に維持する予備充電回路と、前記交流電源から前記コンバータへの交流電力の供給が遮断されているときに前記予備充電回路が前記直流母線の電圧を前記所定電圧に維持している際、前記半導体素子のオン及びオフを制御して、前記抵抗へ通電させる半導体制御手段と、前記半導体制御手段が前記半導体素子をオンにしたときに、前記半導体素子のオン電圧に基づいて前記半導体素子の劣化診断を行う診断手段と、を備えたものである。

この発明によれば、回生電力を消費するための抵抗への通電及び通電の遮断を行う半導体素子の劣化診断を行うことができる。

この発明の実施の形態１におけるエレベータの制御装置の全体構成図である。 この発明の実施の形態１におけるエレベータの制御装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。 この発明の実施の形態２におけるエレベータの制御装置の全体構成図である。 この発明の実施の形態２におけるエレベータの制御装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。

この発明を実施するための形態について添付の図面に従って説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１におけるエレベータの制御装置の全体構成図である。
１は商用交流電源である。この商用交流電源１は、三相交流電源からなる。この商用交流電源１の各相の出力端は、電源投入スイッチ２の各々の入力端に接続される。

これらの電源投入スイッチ２は、ノーフューズブレーカ等からなる。この電源投入スイッチ２の各々の出力端は、コンタクタ３の各々の入力端に接続される。このコンタクタ３の各々の出力端は、ダイオードコンバータ４の各入力端に接続される。

このダイオードコンバータ４の高電位側の出力端は、第１直流母線５の入力端に接続される。一方、ダイオードコンバータ４の低電位側出力端は、第２直流母線６の入力端に接続される。この第２直流母線６の電圧値は、制御装置の安定化を図るために０（基準電圧）となるように構成されている。

これらの第１及び第２直流母線５、６の間には、平滑コンデンサ７が接続される。そして、第１直流母線５の出力端は、インバータ８の高電位側の入力端に接続される。一方、第２直流母線６の出力端は、インバータ８の低電位側の入力端に接続される。このインバータ８の出力端は、モータ９の各入力端に接続される。

かかる構成のエレベータにおいては、エレベータの起動時に、コンタクタ３が閉成される。かかる閉成により、商用交流電源１からダイオードコンバータ４に交流電力が供給される。かかる交流電力は、ダイオードコンバータ４によって直流電力に変換される。かかる直流電力は、平滑コンデンサ７によって平滑化される。平滑化された直流電力は、インバータ８によって交流電力に変換される。かかる交流電力は、モータ９に供給される。かかる交流電力によってモータ９が回転駆動する。かかる回転駆動力は、エレベータの駆動に用いられる。

しかしながら、エレベータのかご負荷とかごの走行方向との関係次第では、エレベータが回生運転モードとなる場合がある。この場合、モータ９は発電機として機能する。このとき、モータ９は回生電力を発生させる。そこで、図１の制御装置には、モータ９が発生させた回生電力を消費する機能が設けられている。

具体的には、第１直流母線５に抵抗１０の一端が接続される。この抵抗１０の他端は、パワーモジュール１１に接続される。このパワーモジュール１１は、ケース（図示せず）の中に半導体素子１２を収納している。

半導体素子１２は、トランジスタからなる。半導体素子１２のコレクタ端子は、抵抗１０の他端に接続される。また、半導体素子１２のエミッタ端子は、第２直流母線６に接続される。即ち、半導体素子１２は、第１及び第２直流母線５、６の間で、抵抗１０と直列に接続される。

また、パワーモジュール１１は、ケースの中に還流ダイオード１３も収納している。この還流ダイオード１３のアノード端子は、抵抗１０の他端に接続される。また、還流ダイオード１３のカソード端子は、第１直流母線５に接続される。

さらに、パワーモジュール１１には、放熱フィン（図示せず）が設けられる。この放熱フィンは、半導体素子１２と還流ダイオード１３との近傍に配置されている。これにより、半導体素子１２と還流ダイオード１３との放熱が行われる。

さらに、制御装置には、半導体制御手段１４が設けられる。この半導体制御手段１４は、ヒステリシスコンパレータ１５を備える。このヒステリシスコンパレータ１５の入力端は、ダイオードコンバータ４の出力電圧Ｖｐｎを取り込むように第１直流母線５に接続される。また、ヒステリシスコンパレータ１５には、基準電圧も入力される。このヒステリシスコンパレータ１５の出力端は、ゲートドライバ１６の入力端に接続される。このゲートドライバ１６の出力端は、半導体素子１２のゲート端子に接続される。

また、パワーモジュール１１のケース又は放熱フィンには、温度センサ１７が設けられる。この温度センサ１７の出力端は、温度検出器１８の入力端に接続される。また、半導体素子１２のコレクタ端子には、半導体素子１２のオン電圧Ｖｂｒ測定用の電圧検出器１９の入力端が接続される。そして、電圧検出器１９の出力端と温度検出器１８の出力端とは、診断手段２０の入力端に接続される。また、診断手段２０には、ヒステリシスコンパレータ１５の出力も入力される。この診断手段２０の出力端は、表示器２１の入力端に接続される。

次に、図２を用いて、エレベータが回生運転モードになったときの制御装置の動作を説明する。
図２はこの発明の実施の形態１におけるエレベータの制御装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。

図２において、２２はダイオードコンバータ４の出力電圧Ｖｐｎである。２３は第１電圧値である。この第１電圧値２３は予め設定されたものである。２４は第２電圧値である。この第２電圧値２４は、第１電圧値２３よりも小さい値として予め設定されたものである。

２５はヒステリシスコンパレータ１５の出力信号である。２６は半導体素子１２の通電電流である。２７は第１電流値である。この第１電流値２７は、ヒステリシスコンパレータ１５の出力信号２５がＬレベルからＨレベルに変化したときの半導体素子１２の通電電流２６の値である。２８は第２電流値である。この第２電流値２８は、ヒステリシスコンパレータ１５の出力信号２５がＨレベルからＬレベルに変化する直前の半導体素子１２の通電電流２６の値である。

２９は半導体素子１２にかかる電圧Ｖｂｒである。３０は半導体素子１２のオン電圧で、２９のオン区間を抜き出して拡大したものである。このオン電圧３０は、半導体素子１２が正常状態である場合のものである。３１も半導体素子１２のオン電圧である。このオン電圧３１は、半導体素子１２の劣化が進行した場合のものである。

まず、エレベータが回生運転モードになると、モータ９が発電機として動作する。モータ９が発電機として動作すると、ダイオードコンバータ４の出力電圧Ｖｐｎ２２が上昇を始める。そして、ダイオードコンバータ４の出力電圧Ｖｐｎ２２が第１電圧値２３まで上昇すると、ヒステリシスコンパレータ１５の出力信号２５がＨレベルになる。

ヒステリシスコンパレータ１５の出力信号２５がＨレベルになると、ゲートドライバ１６が半導体素子１２のゲート端子にオン信号を出力する。かかるオン信号により、半導体素子１２が駆動されてオンとなる。半導体素子１２がオンとなると、半導体素子１２には、通電電流２６が流れる。このときの通電電流２６の値は、第１電圧値２３を抵抗１０の抵抗値で除した第１電流値２７となる。この通電電流２６は、第１直流母線５から抵抗１０を経由して流れてきたものである。従って、半導体素子にかかる電圧Ｖｂｒ２９は急激に減少する。

このとき、モータ９からの回生電力が抵抗１０で消費される。このため、ダイオードコンバータ４の出力電圧Ｖｐｎ２２が下降を始める。そして、ダイオードコンバータ４の出力電圧２２が第２電圧値２４まで下降すると、ヒステリシスコンパレータ１５の出力信号２５がＬレベルになる。

ヒステリシスコンパレータ１５の出力信号２５がＬレベルになると、ゲートドライバ１６が半導体素子１２のゲート端子へのオン信号の出力を遮断する。かかるオン信号の出力の遮断が行われると、半導体素子１２に流れていた通電電流２６が遮断される。このときの通電電流２６の値は、第２電圧値２４を抵抗１０の抵抗値で除した第２電流値２８である。

かかる通電電流２６は、もはや半導体１２側に流れることはできない。この通電電流２６は、還流ダイオード１３側に流れる。そして、通電電流２６は、還流ダイオード１３によって第１直流母線５にバイパスされる。

エレベータが回線運転モードの間は、上記動作が繰り返される。即ち、エレベータが回線運転モードの間においては、ダイオードコンバータ４の出力電圧Ｖｐｎ２２はヒステリシスを持った所定電圧に制御される。かかる制御により、半導体素子１２には、所定のパルス電流が流れる。

このとき、温度センサ１７がパワーモジュール１１のケースの温度又は放熱フィンの温度を計測する。この温度センサ１７が計測したパワーモジュール１１のケースの温度又は放熱フィンの温度の値は、温度検出器１８に入力される。また、電圧検出器１９が半導体素子１２のオン電圧３０等を検出する。

そして、温度検出器１８に入力されたパワーモジュール１１のケースの温度又は放熱フィンの温度の値が診断手段２０に入力される。また、電圧検出器１９が検出した半導体素子１２のオン電圧３０等の値も診断手段２０に入力される。

ここで、国際公開第２００８／１１１１５１号の図４（ｂ）に示されているように、半導体素子１２の通電回数の増加に伴い、半導体素子１２の接合部での劣化が進行する。即ち、半導体素子１２の通電回数の増加に伴い、半導体素子１２のオン電圧３０等が徐々に増加した後、半導体１２が急激に劣化することが知られている。即ち、図２に示すように、正常状態のオン電圧３０よりも劣化が進行した状態のオン電圧３１の方が大きくなる。

また、半導体素子１２のオン電圧３０等は、周囲の温度によって変動することも知られている。即ち、特定のオン電圧３０等の値は、ある周囲温度では正常状態を示すものであっても、異なる周囲温度では劣化が進行した状態を示すものであることもある。

そこで、診断手段２０は、半導体素子１２の周囲温度を考慮して、ヒステリシスコンパレータの出力信号２５がＨレベルになったときを半導体素子１２のオン電圧検出区間として、半導体素子１２の劣化診断を行う。具体的には、診断手段２０は、まず、パワーモジュール１１のケースの温度又は放熱フィンの温度の値に応じて、予め記憶された基準閾値の大きさを補正して補正閾値を求める。そして、診断手段２０は、半導体素子１２のオン電圧３０等の値と補正閾値とを比較する。その後、診断手段２０は、これらの比較結果に基づいて、半導体素子１２の劣化診断を行う。

より具体的には、診断手段２０は、半導体素子１２のオン電圧３０等が補正閾値を超えた場合に、異常信号を発生させて、表示器２１に出力する。かかる異常信号が入力された表示器２１は、半導体素子１２が劣化異常である旨を表示する。

以上で説明した実施の形態１によれば、半導体素子１２がオンになったときに半導体素子１２のオン電圧３０等に基づいて、半導体素子１２の劣化診断が行われる。このため、回生電力を消費するための抵抗１０への通電及び通電の遮断を行う半導体素子１２の劣化診断を簡易な構成で精度よく行うことができる。特に、頻繁に回生運転モードとなるエレベータにおいては、半導体素子１２が故障して抵抗１０で回生電力を消費できなくなる前に、半導体素子１２の交換時期を適切に把握することができる。

具体的には、半導体制御手段１４は、モータ９が回生電力を発生させたときに、第１直流母線５の電圧が第１電圧値２３を超えたときに半導体素子１２をオンし、第１直流母線５の電圧が第１電圧値２３よりも小さい第２電圧値２４未満となったときに半導体素子１２をオフする。そして、診断手段２０は、半導体素子１２がオンになったときに半導体素子１２のオン電圧３０等が所定の閾値を超えた場合に、異常信号を発生させる。このため、エレベータが通常運行中に回生運転モードになったときに、適宜、半導体素子１２の劣化診断を行うことができる。即ち、半導体素子１２の劣化診断を行うために、エレベータを休止する必要がなく、エレベータのサービス性を向上することができる。

また、診断手段２０は、パワーモジュール１１のケースの温度又は放熱フィンの温度の値に応じて、閾値の大きさを補正する。このため、半導体素子１２の劣化診断の精度をさらに向上することができる。

実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２におけるエレベータの制御装置の全体構成図である。なお、実施の形態１と同一又は相当部分には同一符号を付して説明を省略する。

実施の形態２においては、予備充電回路３２が設けられている。この予備充電回路３２は、安定化電源からなる。この予備充電回路３２の各入力端は、電源投入スイッチ２の各々の出力端に接続される。即ち、予備充電回路３２は、商用交流電源１から交流電力が供給される。

そして、予備充電回路３２の高電位側の出力端は、第１直流母線５に接続される。また、予備充電回路３２の低電位側の出力端は、第２直流母線６に接続される。

かかる構成のエレベータにおいては、エレベータが停止すると、コンタクタ３が開放する。かかる開放により、商用交流電源１からダイオードコンバータ４への交流電力の供給が遮断される。かかる遮断により、平滑コンデンサ７の両端間の電圧が、ダイオードコンバータ４の第１及び第２直流母線５、６間のインピーダンスで徐々に減少する。

このため、予備充電回路３２を動作させて平滑コンデンサ７を充電する。かかる充電により、第１直流母線５の電圧が商用交流電源１の整流電圧以上の所定の充電飽和電圧まで昇圧される。即ち、予備充電回路３２は、第１直流母線５の電圧を充電飽和電圧に維持する予備電源として機能する。

これにより、エレベータの起動時にコンタクタ３が閉成しても、コンタクタ３の接点に突入電流が流れることを防止することができる。また、エレベータの走行指令に対して、即座に応答することもできる。

さらに、実施の形態２においては、診断手段２０は、コンタクタ３が開放しているときに、半導体素子１２の診断用パルス信号をゲートドライバ１６に出力する機能を備える。即ち、判断手段２０は、半導体素子１２のオン及びオフを制御する半導体制御手段としても機能する。なお、判断手段２０が出力する診断用パルス信号の幅や間隔は、予備充電回路３２の出力容量、電解コンデンサの静電容量、抵抗１０の抵抗値によって適宜設定される。

次に、図４を用いて、実施の形態２における半導体素子１２の劣化診断の方法を説明する。
図４はこの発明の実施の形態２におけるエレベータの制御装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。

３３はダイオードコンバータ４の出力電圧Ｖｐｎである。３４は充電飽和電圧である。３５は診断用パルス信号である。３６は半導体素子１２の通電電流である。３７は第３電流値である。この第３電流値３７は、診断手段２０が診断用パルス信号３５をＬレベルからＨレベルに変化させたときの半導体素子１２の通電電流３６の値である。

３８は半導体素子１２にかかる電圧Ｖｂｒである。３９は半導体素子１２のオン電圧で、３８のオン区間を抜き出して拡大したものである。このオン電圧３９は、半導体素子１２が正常状態である場合のものである。４０も半導体素子１２のオン電圧である。このオン電圧４０は、半導体素子１２の劣化が進行した場合のものである。

実施の形態２においては、エレベータの停止中に、半導体素子１２の劣化診断が行われる。即ち、時刻Ｔ１で、エレベータが停止すると、コンタクタ３が開放される。コンタクタ３が開放されると、予備充電回路３２が動作を開始し、ダイオードコンバータ４の出力電圧Ｖｐｎ３３が充電飽和電圧３４まで昇圧される。

かかる状態で、診断手段２０が、診断用パルス信号３５をゲートドライバ１６に出力する。そして、ゲートドライバ１６が半導体素子１２のゲート端子にオン信号を出力する。かかるオン信号により、半導体素子１２が駆動されてオンとなる。

半導体素子１２がオンとなると、半導体素子１２には、通電電流３６が流れる。この通電電流３６の値は、充電飽和電圧３４を抵抗１０の抵抗値で除した第３電流値３７となる。そして、診断用パルス信号３５のＬレベルになると、ゲートドライバ１６が半導体素子１２のゲート端子へのオン信号の出力を遮断する。かかるオン信号の出力の遮断が行われると、半導体素子１２に流れていた通電電流３６が遮断される。かかる通電電流３６は、還流ダイオード１３によって第１直流母線５にバイパスされる。

図４においては、上記動作がもう一度繰り返される。その後、時刻Ｔ２で、コンタクタ３が閉成されると、予備充電回路３２が動作を停止する。かかる停止により、ダイオードコンバータ４の出力電圧Ｖｐｎ３３が充電飽和電圧３４から降圧される。

そして、診断手段２０は、診断用パルス信号３５をＨレベルにしているときを半導体素子１２のオン電圧検出区間として、半導体素子１２の劣化診断を行う。具体的には、診断手段２０は、まず、パワーモジュール１１のケースの温度又は放熱フィンの温度の値に応じて、予め記憶された基準閾値の大きさを補正して補正閾値を求める。そして、診断手段２０は、半導体素子１２のオン電圧３０等の値と補正閾値とを比較する。その後、診断手段２０は、これらの比較結果に基づいて、半導体素子１２の劣化診断を行う。

そして、診断手段２０は、半導体素子１２のオン電圧３０等が補正閾値を超えた場合に、異常信号を発生させて、表示器２１に出力する。かかる異常信号が入力された表示器２１は、半導体素子１２が劣化異常である旨を表示する。

以上で説明した実施の形態２によれば、診断手段２０は、予備充電回路３２が第１直流母線５の電圧を充電飽和電圧に維持しているときに、半導体素子１２のオン及びオフを制御する。そして、診断手段２０は、半導体素子１２がオンになったときに半導体素子１２のオン電圧３９等が所定の閾値を超えた場合に、異常信号を発生させる。

即ち、エレベータの停止待機中に半導体素子１２の劣化診断を行うことができる。このため、インバータ８等からのノイズがなく、半導体素子１２のオン電圧３９等を安定して検出することができる。これにより、半導体素子１２の劣化診断の精度をさらに向上することができる。

また、予備電源回路３２は、安定化電源からなる。このため、第１直流母線５の電圧を充電飽和電圧に安定して維持することができる。

なお、表示器２１には、半導体素子１２のオン電圧の大きさに応じて、半導体素子１２の劣化状態を表示するようにしてもよい。

１ 商用交流電源、 ２ 電源投入スイッチ、 ３ コンタクタ、
４ ダイオードコンバータ、 ５ 第１直流母線、 ６ 第２直流母線、
７ 平滑コンデンサ、 ８ インバータ、 ９ モータ、 １０ 抵抗、
１１ パワーモジュール、 １２ 半導体素子、 １３ 還流ダイオード、
１４ 半導体制御手段、 １５ ヒステリシスコンパレータ、 １６ ゲートドライバ、
１７ 温度センサ、 １８ 温度検出器、 １９ 電圧検出器、 ２０ 診断手段、
２１ 表示器、 ２２ 出力電圧、 ２３ 第１電圧値、 ２４ 第２電圧値、
２５ 出力信号、 ２６ 通電電流、 ２７ 第１電流値、 ２８ 第２電流値、
２９ 電圧、 ３０、３１ オン電圧、 ３２ 予備充電回路、 ３３ 出力電圧、
３４ 充電飽和電圧、 ３５ 診断用パルス信号、 ３６ 通電電流、
３７ 第３電流値、 ３８ 電圧、 ３９、４０ オン電圧

Claims (4)

1. 交流電源から供給された交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
   前記コンバータに変換された直流電力が供給される直流母線と、
   前記直流母線から供給された直流電力を交流電力に変換して、変換した交流電力をエレベータの駆動に用いるモータに供給するインバータと、
   前記直流母線間に接続された抵抗と、
   前記直流母線間で前記抵抗と直列に接続され、前記抵抗への通電及び通電の遮断を行う半導体素子と、
   前記交流電源からの交流電力により充電され、前記交流電源から前記コンバータへの交流電力の供給が遮断されているときに、前記直流母線の電圧を所定電圧に維持する予備充電回路と、
   前記交流電源から前記コンバータへの交流電力の供給が遮断されているときに前記予備充電回路が前記直流母線の電圧を前記所定電圧に維持している際、前記半導体素子のオン及びオフを制御して、前記抵抗へ通電させる半導体制御手段と、
   前記半導体制御手段が前記半導体素子をオンにしたときに、前記半導体素子のオン電圧に基づいて前記半導体素子の劣化診断を行う診断手段と、
   を備えたことを特徴とするエレベータの制御装置。
2. 前記診断手段は、前記半導体制御手段が前記半導体素子をオンにしたときに、前記半導体素子のオン電圧の値が所定の閾値を超えた場合に、異常信号を発生させる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。
3. 前記診断手段は、前記半導体素子のケースの温度に応じて、前記閾値の大きさを補正することを特徴とする請求項２に記載のエレベータの制御装置。
4. 前記診断手段は、前記半導体素子近傍の放熱フィンの温度に応じて、前記閾値の大きさを補正することを特徴とする請求項２に記載のエレベータの制御装置。

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