JP5790483B2 - エレベータの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動機に発生する回生電力を回生抵抗で消費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、交流電源に接続されたコンバータにつながり電動機を駆動するインバータと、このインバータの直流入力側に設けられ電動機の回生電力を消費する回生抵抗と、電動機の回生状態を検出し回生抵抗への回生電力投入ＯＮ／ＯＦＦを行う半導体素子に信号を出力する回生制御回路と、回生電力の回生抵抗への投入状態を検出する回生状態検出手段と、ファン制御回路とを備え、ファン制御回路は、回生状態検出手段の出力する信号を入力して演算を行い、この演算結果値が予め設定されているしきい値に達した時に回生抵抗冷却用ファンのＯＮを行い、その後回生電力投入がＯＦＦとなり前記演算結果値がしきい値以下となった時に回生抵抗冷却用ファンのＯＦＦを行うといった技術が提案されている（特許文献１）。

特開２００８−２５４９０９号公報

しかしながら、従来のエレベータの制御装置は、回生抵抗の発熱を抑えるための冷却用ファンのＯＮ／ＯＦＦ頻度を低減することで冷却用ファンの高寿命化が図られているものの、回生抵抗への回生電力投入ＯＮ／ＯＦＦ制御を行う半導体素子についての高寿命化は図られていなかった。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、かごの回生運転、力行運転及び停止の繰り返しによる半導体素子の温度変化を低減し、半導体素子内部の半田接合部やワイヤボンド部に繰り返し加わる熱ストレスを軽減して、回生抵抗の通電制御を行う半導体素子を長寿命化できるエレベータの制御装置を提供するものである。

本発明のエレベータの制御装置は、交流電力を直流電力に変換するコンバータと、直流電力を交流電力に変換し、かごを昇降する電動機を駆動するインバータと、コンバータとインバータとの間の直流母線間に直列に設けた回生抵抗及び半導体素子と、直流母線の電圧が第１の基準電圧まで上昇すると半導体素子に回生抵抗への通電をさせ、直流母線の電圧が第２の基準電圧まで下降すると半導体素子に回生抵抗への通電の遮断をさせる第１のゲート信号を生成する電圧制御手段と、半導体素子の温度を測定する第１の温度測定手段と、半導体素子の出力電流が、第１の温度測定手段で測定する温度を基準温度に収束させる電流となる第２のゲート信号を生成する温度制御手段と、第１のゲート信号と第２のゲート信号のいずれかで半導体素子を制御するゲート信号選択手段を備え、ゲート信号選択手段は、直流母線の電圧が第１の基準電圧となった後、第２の基準電圧より小さい第３の基準電圧を下回るまでは第１のゲート信号を選択し、第１のゲート信号を選択する前及び第１のゲート信号の選択を終了した後は第２のゲート信号を選択する。

上記のように構成されたエレベータの制御装置は、半導体素子に第１の温度測定手段で測定する温度を基準温度に収束させる出力電流を流して半導体素子の温度低下を抑制することで半導体素子の温度変化を低減し、半導体素子内部の半田接合部やワイヤボンド部に繰り返し加わる熱ストレスを軽減して、回生抵抗の通電制御を行う半導体素子の長寿命化を可能とするものである。

本発明の実施の形態１のエレベータの制御装置の構成図である。 本発明の実施の形態１の動作特性図である。 従来の動作特性図である。 本発明の実施の形態２の動作特性図である。 本発明の実施の形態３のエレベータの制御装置の構成図である。

実施の形態１．
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態１について詳細に説明する。図１はこの発明の実施の形態１のエレベータの制御装置の構成図である。

エレベータの制御装置は、商用電源１からコンタクタ２を介して供給される交流電力を直流電力に変換し直流母線３、３に出力するコンバータ４と、直流母線３の直流電力を可変電圧可変周波数の交流電力に変換し、かごを昇降させる電動機５を駆動するインバータ６と、電動機５の回生運転時に直流母線３へ供給される回生電力を消費させる回生抵抗７と、回生抵抗７への通電及び遮断を行う半導体素子８と、半導体素子８への第１のゲート信号としてゲート駆動信号９を生成し出力する電圧制御手段としての母線電圧制御部１０と、半導体素子８への第２のゲート信号としてゲート電圧信号１１を生成し出力する温度制御手段としての温度制御部１２と、ゲート駆動信号９とゲート電圧信号１１のいずれかの信号を半導体素子８のゲート端子へ出力するゲート信号選択手段としてのゲート信号選択部１３と、エレベータ全体の制御を行うエレベータ制御部１４を備えている。

コンバータ４は、ダイオード等で形成され、商用電源１からコンタクタ２を介して供給される交流電力を直流電力に変換しその出力を直流母線３に出力する。この直流母線３には直流電力のリップル分を平滑するコンデンサ１５と、直流母線３の電圧を測定する電圧測定器１６が設けられている。

インバータ６は、トランジスタやＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等で形成され、直流母線３の直流電力を可変電圧可変周波数の交流電力に変換し、エレベータのかごを昇降する電動機５を駆動する。

直流母線３に回生抵抗７と直列に接続された半導体素子８は、ゲート端子の電圧により出力電流の調整が可能なＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等が用いられ、半導体素子８の温度を測定する第１の温度測定手段として第１の温度測定器１７が取り付けられている。

母線電圧制御部１０は、直流母線３の電圧を測定する電圧測定器１６から入力された電圧値に基づき、直流母線３の電圧が電動機５の回生電力により高くなった場合に、半導体素子８の飽和領域と遮断領域を交互にスイッチング動作させるゲート駆動信号９を生成して出力する。

温度制御部１２は、第１の温度測定器１７で測定した温度と、後述する基準温度２５との差分に応じた熱量分だけ半導体素子８を発熱させるのに必要な出力電流を算出し、半導体素子８の活性領域のゲート電圧と出力電流の相関値に基づき、出力電流に対応したゲート電圧信号１１を生成して出力する。

ゲート信号選択部１３は、母線電圧制御部１０が生成したゲート駆動信号９と温度制御部１２が生成したゲート電圧信号１１を入力し、エレベータ制御部１４から入力される情報に基づいていずれか一方の信号を選択して半導体素子８のゲート端子へ出力する。

エレベータ制御部１４は、エレベータ全体の管理・制御を行うものであり、かごが動作可能な状態になるとコンタクタ２に投入指令を出し、商用電源１の電力をコンバータ４に供給する。かごの運転中は起動・停止指令とともに位置・速度指令を作成し、インバータ６へ指令信号を出力する。また、かごの回生運転、力行運転、停止それぞれの運転状態に応じて温度制御部１２、ゲート信号選択部１３の制御を行う。

上記のように構成されたエレベータの制御装置の動作を図１と図２で説明する。図２において（ａ）はかごの運転パターンを示し、時刻ｔ１から時刻ｔ２までが停止、時刻ｔ２から時刻ｔ３までが回生運転、時刻ｔ３から時刻ｔ４までが停止、時刻ｔ４から時刻ｔ５までが力行運転、以降同様の運転パターンである。
（ｂ）は各運転パターンにおける直流母線３の電圧を示している。
（ｃ）は各運転パターンにおける半導体素子８のゲート端子の電圧を示している。
（ｄ）は各運転パターンにおける半導体素子８に取り付けた第１の温度測定器１７で測定した温度を示している。
基準温度２５は、想定される半導体素子８の周囲温度と、回生運転時に想定される半導体素子８の最高温度との間に設定した値であり、半導体素子８の寿命に影響する温度変動を抑えるために設定した半導体素子８の目標下限温度である。

時刻ｔ１から時刻ｔ２の停止中、ゲート信号選択部１３はエレベータ制御部１４からのかご停止中の情報に基づき、ゲート電圧信号１１を選択して半導体素子８のゲート端子へ出力する。この期間半導体素子８は温度制御部１２で生成されたゲート電圧信号１１による制御が行われる。時刻ｔ１において、半導体素子８に取り付けた第１の温度測定器１７で測定した温度が基準温度２５であった場合には、その温度から変動しないよう半導体素子８に微小な出力電流を流し続け発熱させて温度を維持する。その出力電流は、温度制御部１２が半導体素子８の活性領域のゲート電圧と出力電流の相関値に基づき、出力電流に対応したゲート電圧信号１１で調整する。

次に時刻ｔ２から時刻ｔ３の回生運転中の動作について説明する。（ｂ）で示す直流母線３の電圧は、かごが停止や力行運転のときは変動が少なく、商用電源１をコンバータ４で変換した商用電源１の整流電圧となっている。これに対し時刻ｔ２で回生運転が開始されると、電動機５から発生する回生電力によって電圧が上昇し始める。また時刻ｔ２になるとゲート信号選択部１３はエレベータ制御部１４からのかご運転中の情報に基づき、ゲート駆動信号９を選択して半導体素子８のゲート端子へ出力する。時刻ｔ２から時刻ｔ３の間半導体素子８は、母線電圧制御部１０が生成するゲート駆動信号９による制御が行われる。

直流母線３の電圧は過度に上昇すると、直流母線３に接続されたコンバータ４、インバータ６及びコンデンサ１５等の部品を損傷や劣化させることがある。そこで、部品を損傷や劣化させることのない第１の基準電圧２１を定め、直流母線３が第１の基準電圧２１になると半導体素子８をオンさせ、回生抵抗７に電流を流して回生電力を消費させて直流母線３の電圧を下げる。半導体素子８をオンさせると直流母線３の電圧低下が急激に始まるため、整流電圧以上第１の基準電圧２１以下で設定した第２の基準電圧２２になると、半導体素子８をオフし回生抵抗７への通電を遮断し電圧低下を止める。回生運転が継続されている間は、再度電圧が上昇し始めるため同様に半導体素子８をオン／オフして、第１の基準電圧２１から第２の基準電圧２２の間に直流母線３の電圧上昇を抑える制御を行う。なお、回生運転の終了時は電圧上昇がなくなるため、半導体素子８のオン状態は無くなりオフ状態となる。

以上に示した半導体素子８のオン／オフ動作をさせる制御は、電圧測定器１６から入力された電圧値に基づき母線電圧制御部１０で生成したゲート駆動信号９で行う。ここで半導体素子８をオンさせるゲート駆動信号９のゲートオン電圧２３は半導体素子８を飽和領域で使用する電圧であり、半導体素子８をオフさせるゲート駆動信号９のゲートオフ電圧２４は半導体素子８を遮断領域で使用する電圧である。図２においてゲートオフ電圧２４が負の値となっているが、これは半導体素子８の誤動作を防ぐためのものであり、確実な動作が可能であれば、０Ｖや正の値でもかまわない。

時刻ｔ２で回生運転が開始され、半導体素子８のオン／オフが開始されると、（ｄ）に示すように半導体素子８の発熱により第１の温度測定器１７で測定される温度が上昇を始め、半導体素子８のオン／オフを終了するまで上昇を続ける。その後、半導体素子８のオン／オフが終了すると第１の温度測定器１７で測定される温度は下降を始める。

次に、時刻ｔ３で停止中になると、ゲート信号選択部１３はエレベータ制御部１４からのかご停止中の情報に基づき、ゲート電圧信号１１を選択して半導体素子８のゲート端子へ出力する。時刻ｔ３から時刻ｔ４の間半導体素子８は、温度制御部１２が生成するゲート電圧信号１１による制御が行われる。

温度制御部１２は、第１の温度測定器１７で測定した温度と基準温度２５との差分及び時刻ｔ３から時刻ｔ４までの予測時間を元に、時刻ｔ４において第１の温度測定器１７で測定される温度が基準温度２５に収束するように、半導体素子８を素子の許容損失以下で発熱させる出力電流を算出し、半導体素子８の活性領域のゲート電圧と出力電流の相関値に基づき出力電流に対応したゲート電圧信号１１を生成して出力する。時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間は、継続的または定期的に第１の温度測定器１７で測定した温度を参照し、出力電流に対応したゲート電圧信号１１の調整を行う。また、第１の温度測定器１７で測定した温度が基準温度２５になった以降は、温度が変動しないような出力電流を流すようにゲート電圧信号１１を調整する。

時刻ｔ４で力行運転に入ると、ゲート信号選択部１３はエレベータ制御部１４からのかご運転中の情報に基づき、ゲート駆動信号９を選択して半導体素子８のゲート端子へ出力する。時刻ｔ４から時刻ｔ５の間半導体素子８は、母線電圧制御部１０が生成するゲート駆動信号９による制御が行われる。力行運転中、直流母線３の電圧はほぼ整流電圧となっているため、ゲート駆動信号９はゲートオフ電圧２４を出し続ける。したがって、半導体素子８は発熱しないため、時刻ｔ４における基準温度２５から温度が下がり始め時刻ｔ５での温度はＴｔ５まで低下する。

時刻ｔ５で停止中に入ると、ゲート信号選択部１３はエレベータ制御部１４からのかご停止中の情報に基づき、ゲート電圧信号１１を選択して半導体素子８のゲート端子へ出力する。時刻ｔ５から時刻ｔ６の間半導体素子８は、温度制御部１２が生成するゲート電圧信号１１による制御が行われる。

温度制御部１２は、時刻ｔ５で第１の温度測定器１７が測定した温度Ｔｔ５と基準温度２５との差分を元に、第１の温度測定器１７で測定する温度が基準温度２５に収束するように、半導体素子８を素子の許容損失以下で発熱させる出力電流を算出し、半導体素子８の活性領域のゲート電圧と出力電流の相関値に基づき出力電流に対応したゲート電圧信号１１を生成し出力する。時刻ｔ５から時刻ｔ６までの間は、継続的または定期的に第１の温度測定器１７で測定した温度を参照し、出力電流に対応したゲート電圧信号１１の調整を行う。また、基準温度２５になった以降は温度が変動しないような出力電流を流すようにゲート電圧信号１１を調整する。

図２との比較のために、図３に従来の動作特性図を示す。図３中において図２と同一部分には同一符号を付与しており、図２と重複する構成の説明は省略する。従来は、半導体素子８のゲート端子の制御はゲート駆動信号９のみで行っており、時刻ｔ３で停止中になると半導体素子８をオフの状態とし、半導体素子８の出力電流を流さないようにしている。したがって半導体素子８の温度は下降し、半導体素子８に通電されない停止や力行運転の時間が長くなると、半導体素子８を設置している箇所の想定される周囲温度と同等まで下がる。この部分について従来と実施の形態１を比較すると、従来はかごの運転による半導体素子８の温度変化分がＴ１であったものが、実施の形態１により温度変化分をＴ２に減少させることができる（Ｔ２＜Ｔ１）。つまりＴ１−Ｔ２の差分が温度変化を低減できることになる。

以上のように構成された実施の形態１のエレベータの制御装置によれば、かごの停止時に半導体素子８のゲート電圧を制御して微小な出力電流を流し、半導体素子８を発熱させることにより温度低下を抑制することで、かごの回生運転、力行運転及び停止の繰り返しによる半導体素子８の温度変化を低減することができる。これにより半導体素子８内部の半田接合部やワイヤボンド部に繰り返し加わる熱ストレスを軽減して、回生抵抗の通電制御を行う半導体素子８の長寿命化を可能とすることができる。

実施の形態２．
実施の形態２のエレベータの制御装置は、実施の形態１のエレベータの制御装置に対し、ゲート信号選択部１３がゲート駆動信号９とゲート電圧信号１１を選択する期間を変更したものであり、その他の構成は実施の形態１と同じである。図４は本発明の実施の形態２の動作特性図であり、図２と同一部分には同一符号を付与しており、図２と重複する構成の説明は省略する。

図４において、（ｃ）は実施の形態２の運転パターン（ａ）における半導体素子８のゲート端子の電圧を示している。直流母線３の電圧が第１の基準電圧２１と第２の基準電圧２２の間、ゲート信号選択部１３はゲート駆動信号９を選択して半導体素子８のゲート端子へ出力しているのは実施の形態１と同一であるが、実施の形態２では、このゲート駆動信号９を選択している期間以外の全ての期間、ゲート電圧信号１１を選択して半導体素子８のゲート端子へ出力している。以下、この動作について説明する

エレベータ制御部１４がコンタクタ２に投入指令を出し、商用電源１の電力をコンバータ４に供給を開始した以降に、ゲート信号選択部１３はコンバータ４の出力が有効である情報をエレベータ制御部１４から入力する。ゲート信号選択部１３は、その情報に基づきゲート電圧信号１１を選択して半導体素子８のゲート端子へ出力する。以降、半導体素子８は、温度制御部１２が生成するゲート電圧信号１１による制御が行われる。

エレベータ制御部１４は電圧測定器１６から入力された電圧値が第１の基準電圧２１になった時にゲート駆動中情報をゲート信号選択部１３に送る。ゲート信号選択部１３は、ゲート駆動中情報に基づきゲート電圧信号１１からゲート駆動信号９に切換えて半導体素子８のゲート端子へ出力する。これにより半導体素子８のオン／オフ動作が開始される。その後、エレベータ制御部１４は、電圧測定器１６から入力された電圧値が第２の基準電圧２２と整流電圧の間に設定した第３の基準電圧（図示せず）を下回ると、ゲート駆動中情報を解除する。ゲート信号選択部１３は、ゲート駆動中の解除の情報に基づきゲート駆動信号９からゲート電圧信号１１に切換えて半導体素子８のゲート端子へ出力する。以降、エレベータ制御部１４から次のゲート駆動中情報が入力されるまでは、温度制御部１２が生成するゲート電圧信号１１による制御が継続される。

以上のように構成された実施の形態２のエレベータの制御装置によれば、半導体素子８の温度低下は基準温度２５に抑えられ、温度変化分をＴ３に抑えることができる。これにより、実施の形態１よりもさらに温度変化を低減することが可能になり、半導体素子８の更なる寿命の向上が図れる（Ｔ３＜Ｔ２＜Ｔ１）。

つまり、ゲート駆動信号９により半導体素子８のオン／オフ制御を行っている期間以外は、半導体素子８をゲート電圧信号１１で制御して微小な出力電流を流し、半導体素子８を発熱させることで温度低下を基準温度２５に抑え、かごの回生運転、力行運転及び停止の繰り返しによる半導体素子８の温度変化をさらに低減することができる。これにより、半導体素子８内部の半田接合部やワイヤボンド部に繰り返し加わる熱ストレスをさらに軽減して、回生抵抗の通電制御を行う半導体素子８の更なる長寿命化を可能とすることができる。

実施の形態３．
実施の形態３のエレベータの制御装置は、実施の形態１のエレベータの制御装置に対して第２の温度測定手段としての第２の温度測定器１８を追加したものであり、その他の構成は実施の形態１と同じである。図５は本発明の実施の形態３のエレベータの制御装置の構成図であり、図１と同一部分には同一符号を付与しており、図１と重複する構成の説明は省略する。

図５において、第２の温度測定器１８は半導体素子８の周囲の温度を測定するためのものであり、例えば温度変化に影響を与える割合の大きいインバータ６の付近に設置される。第２の温度測定器１８で測定された温度は、定期的にエレベータ制御部１４に入力され、エレベータ制御部１４で基準温度２５を変更し、温度制御部１２に出力する。温度制御部１２ではこの変更された後の基準温度２５に基づいて制御を行う。変更の時期としては１０分毎、３０分毎、１時間毎、２時間毎のように短い期間で行うか、１日、１ヶ月のように長い期間で行っても良い。

実施の形態１または実施の形態２では、基準温度２５は固定値であり、想定される周囲温度を高めで設定してあるため、基準温度２５も高めの値となっている。したがって第２の温度測定器１８で測定された温度が、想定される周囲温度より低い温度の場合は、基準温度２５も低くすることが可能であり、この場合、半導体素子８に流す微小な出力電流を減らし発熱させる電力も減少させることが可能となる。

なお、第２の温度測定器１８の設置位置をインバータ６付近としたが、設置位置はこれに制限されることなく、エレベータの制御装置内の他の位置、またはエレベータの制御装置の外側であってもかまわない。

また、第２の温度測定器１８で測定された温度は、定期的にエレベータ制御部１４に入力され、エレベータ制御部１４で基準温度２５を変更するとしているが、第２の温度測定器１８で測定された温度を直接温度制御部１２に入力し、温度制御部１２で基準温度２５の変更を行っても良い。

以上のように構成された実施の形態３のエレベータの制御装置によれば、基準温度２５を実際の周囲温度に応じて変更することで、半導体素子８に流す微小な出力電流を減らし発熱させる電力も減少させることができる。これにより、回生抵抗の通電制御を行う半導体素子８の長寿命化に加え消費電力削減効果が得られる。

３ 直流母線、４ コンバータ、５ 電動機、６ インバータ、７ 回生抵抗、８ 半導体素子、９ ゲート駆動信号、１０ 母線電圧制御部、１１ ゲート電圧信号、１２ 温度制御部、１３ ゲート信号選択部、１７ 第１の温度測定器、１８ 第２の温度測定器、２１ 第１の基準電圧、２２ 第２の基準電圧、２５ 基準温度

Claims (3)

1. 交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
   前記直流電力を可変電圧可変周波数の交流電力に変換し、エレベータのかごを昇降する電動機を駆動するインバータと、
   前記電動機の回生電力を消費するため前記コンバータと前記インバータとの間の直流母線間に直列に設けた回生抵抗及び半導体素子と、
   前記直流母線の電圧が第１の基準電圧まで上昇すると前記半導体素子に前記回生抵抗への通電をさせ、前記直流母線の電圧が前記第１の基準電圧より小さい第２の基準電圧まで下降すると前記半導体素子に前記回生抵抗への通電の遮断をさせる第１のゲート信号を生成する電圧制御手段と、
   前記半導体素子の温度を測定する第１の温度測定手段と、
   前記半導体素子の出力電流が、前記第１の温度測定手段で測定する温度を基準温度に収束させる電流となる第２のゲート信号を生成する温度制御手段と、
   前記第１のゲート信号と前記第２のゲート信号のいずれかの信号で前記半導体素子を制御するゲート信号選択手段と、を備え、
   前記ゲート信号選択手段は、前記直流母線の電圧が前記第１の基準電圧となった後、前記第２の基準電圧より小さい第３の基準電圧を下回るまでは前記第１のゲート信号を選択し、前記第１のゲート信号を選択する前及び前記第１のゲート信号の選択を終了した後は前記第２のゲート信号を選択することを特徴とするエレベータの制御装置。
2. 前記温度制御手段は、前記第１の温度測定手段で測定した温度と前記基準温度の差分から前記半導体素子を発熱させる出力電流を算出し、前記半導体素子のゲート電圧と出力電流の相関値に基づき第２のゲート信号を生成することを特徴とする請求項１に記載のエレベータの制御装置。
3. 前記半導体素子の周囲の温度を測定する第２の温度測定手段を備え、
   前記第２の温度測定手段で測定した温度に基づき、前記基準温度を変えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエレベータの制御装置。

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