JP5835493B2 - エレベータの電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流電力を交流電力に変換し、かごを昇降させる電動機を駆動するエレベータの電力変換装置に関するものである。

一般的に、スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）素子を使用したインバータにおいては、同期整流を適用することによって、インバータの変換効率が向上することが知られている。同期整流とは、ＭＯＳＦＥＴ素子と並列に接続された還流ダイオードに還流電流が流れるときにＭＯＳＦＥＴ素子をオンし、還流ダイオードよりも導通損失の小さいＭＯＳＦＥＴ素子側に還流電流を流して導通損失を低減させる制御方法である。

これに対して、特許文献１に示すような同期整流を行う電力変換装置では、ＭＯＳＦＥＴ素子のオン抵抗が還流ダイオードのオン抵抗よりも大きくなる量の電流が流れるときには、同期整流を禁止することで、ＭＯＳＦＥＴ素子及び還流ダイオードの内、電流量に応じて導通損失がより少なくなる一方に還流電流を流している。これにより、ＭＯＳＦＥＴ素子と還流ダイオードで構成されるスイッチ部において生じる導通損失を低減し、電力変換装置の変換効率を良好にしている。

国際公開番号２００９／０８１５６１号

特許文献１に示すような従来装置では、同期整流を適用すると高効率の電力変換を実現できる。しかしながら、同期整流を適用することによりＭＯＳＦＥＴ素子側に還流電流が流れ、ＭＯＳＦＥＴ素子での導通損失による温度上昇が大きくなる。特に、かごを低速で運転するときのように運転制御部で生成される速度指令値が保守運転モードの速度以下の場合に、還流電流が導通損失の少ないＭＯＳＦＥＴ素子側に流れていると、１個のアームへの還流電流の通電時間が長くなるためＭＯＳＦＥＴ素子の温度上昇や急激な温度変動が顕著となり、ＭＯＳＦＥＴ素子の寿命が短くなるといった課題を見い出した。

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、運転制御部で生成される速度指令値が保守運転モードの速度以下の場合に、ＭＯＳＦＥＴ素子の温度上昇や急激な温度変動を抑えてＭＯＳＦＥＴ素子の長寿命化を図ることができるエレベータの電力変換装置を得ることを目的とする。

本発明のエレベータの電力変換装置は、互いに逆並列に接続されたＭＯＳＦＥＴ素子とダイオード素子とを１つのアームとし、２つのアームが直列に接続されてなるレグを少なくとも２個有し、入力された直流電力を交流電力に変換し、かごを昇降させる電動機を駆動するインバータと、インバータと電動機との間に流れる電流方向を検出する電流検出手段と、かごを定格速度で運転する自動運転モードと定格速度よりも低い速度で運転する保守運転モードとを有した運転制御部で生成される速度指令値に基づいてインバータの駆動を制御する駆動制御部と、を備え、駆動制御部は、速度指令値が保守運転モードの速度以下で、電流検出手段で検出された電流方向がダイオード素子の順方向に流れているＭＯＳＦＥＴ素子のゲートをオフにするものである。

本発明によれば、かごを低速で運転するときのように、運転制御部で生成される速度指令値が保守運転モードの速度以下の場合に、電流検出手段で検出された電流方向がダイオード素子の順方向に流れているアームのＭＯＳＦＥＴ素子のゲートをオフして、還流電流をアームのダイオード素子側に流し、ＭＯＳＦＥＴ素子側には流さないようにする。これによりＭＯＳＦＥＴ素子の温度上昇や急激な温度変動を抑えてＭＯＳＦＥＴ素子の長寿命化を図ることができる。

本発明の実施の形態１の電力変換装置を適用したエレベータを示す構成図である。 図１のインバータを示す回路図である。 図１の駆動制御部を示すブロック図である。 図２のインバータの１つのレグを示す構成図である。 同期整流を適用した、電動機の高速回転時の駆動制御タイミングチャートである。 ＦＥＴとダイオードの電流−電圧特性図である。 図５の還流電流の詳細図である。 同期整流を適用した、電動機の低速回転時の駆動制御タイミングチャートである。 図８の還流電流の詳細図である。 同期整流を制限した、電動機の低速回転時の駆動制御タイミングチャートである。 図１０の還流電流の詳細図である。

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、本発明の実施の形態１の電力変換装置を適用したエレベータを示す構成図である。
図１においてエレベータは、電動機１と、電動機１の回転軸に接続された巻上機２と、巻上機２に巻き掛けられたロープ３と、このロープ３の一端に吊下げられたかご４及び他端に吊下げられた釣り合い錘５を備え、電動機１の回転によりかご４及び釣り合い錘５が昇降される。

かご４及び釣り合い錘５が昇降される昇降路内には、各乗場の床付近にドアゾーン検出板１４が設けられている。ドアゾーンとはかご４が乗場に停止した際に戸開を許可する範囲であり、かご４側に備えたドアゾーン検出手段としてのドアゾーン検出器１５でドアゾーン検出板１４の有無を検出することで、かご４が戸開可能なドアゾーンに停止しているかどうかを判断する。

エレベータの制御装置は、交流電源６の交流電力を直流電力に変換するコンバータ７と、直流電力を交流電力に変換し電動機１を駆動するインバータ８と、インバータ８を制御する駆動制御部９と、かごの昇降制御を行う運転制御部１０を備えている。

コンバータ７は、ダイオード等で形成され、交流電源６の交流電力を直流電力に変換し、その出力を直流母線１１に出力する。この直流母線１１には直流電力のリップル分を平滑するコンデンサ１２が接続されている。

運転制御部１０は、エレベータ全体の管理・制御を行うもので、かご４の起動・停止指令とともに、かご４の位置・速度指令を生成し、駆動制御部９へ速度指令値に基づくインバータ駆動指令信号を出力する。また運転制御部１０は、乗場またはかご内の操作盤（図示せず）からの操作に基づいてかご４を定格速度で運転する自動運転モードと、据付調整時や保守時に、保守員がかご４を定格速度よりも低い速度で運転させるための保守運転モードとを備えおり、この自動運転モードと保守運転モードの切り替えは、運転モード切替部１６から行われる。

インバータ８は、図２に示すように６個のアーム２０を有し、各アーム２０は、互いに逆並列に接続されたＭＯＳＦＥＴ素子２１とダイオード素子２２とによって構成されている。また、２つのアーム２０は直列に接続されてレグ２３を構成し、インバータ８は３個のレグ２３で構成されている。ここでは三相の電動機を例として説明しているが、単相の電動機を制御する場合には、４個のアームと２個のレグで構成される。

それぞれのレグ２３のアーム２０同士の接続点は、電動機１に接続されている。また、レグ２３の一端はコンデンサ１２の陽極に接続され、レグ２３の他端はコンデンサ１２の陰極に接続されている。さらに、各アーム２０のＭＯＳＦＥＴ素子２１のゲートは、駆動制御部９に接続されている。

インバータ８と電動機１との間の電路には、電路を流れる電流方向に応じた電流検出信号を生成する電流検出手段としてホールセンサを用いた電流検出器１３が設けられている。

インバータ８は、運転制御部１０及び駆動制御部９によって制御される。運転制御部１０は、かご４の力行運転の際には、所望の電力をインバータ８から発生させるように、パルス状のゲート駆動信号（ゲート駆動時にＨレベルの出力）を駆動制御部９を介してインバータ８の各アーム２０のゲートに送ることにより、インバータ８の駆動を制御する。

また、運転制御部１０は、かご４の回生運転の際には、パルス状のゲート駆動信号を駆動制御部９を介してインバータ８の各アーム２０のゲートに送って、インバータ８の駆動を制御することにより、電動機１から発生した交流の回生電力を直流電力に変換する。

駆動制御部９は、インバータ８の各アーム２０内での電流の流れを制御する。ここで、駆動制御部９の構成について具体的に説明する。図３は、図１の駆動制御部９を示すブロック図である。なお図３では、インバータ８の６個のアーム２０に対しそれぞれ個別に制御を行う構成のうち、１個のアーム２０に対するゲート駆動信号出力のための構成についてのみ簡略化して示している。

図３において、駆動制御部９は、ゲート駆動判断部９ａとＡＮＤ回路９ｂとを有している。ゲート駆動判断部９ａには保守運転モードの速度に対応した速度指令値の閾値が出荷時または据付調整時に設定される。ゲート駆動判断部９ａは、運転制御部１０で生成される速度指令値に関する制御情報を受けて、速度指令値が閾値以下かどうかを判断する。また、ゲート駆動判断部９ａは、電流検出器１３からの電流検出信号を受けて、インバータ８と電動機１間の電路に流れる電流方向を認識する。ここでは、ゲート駆動判断部９ａで速度指令値が閾値以下かどうかの判断を行うとしたが、速度指令値の閾値が運転制御部１０側に設定され、運転制御部１０からゲート駆動判断部９ａに速度指令値が閾値以下かどうかの制御信号が出力される構成としてもよい。

ゲート駆動判断部９ａは、速度指令値が閾値以下で、アーム２０に流れる電流がダイオード素子２２の順方向に流れる電流方向の場合には、Ｌレベルの信号を駆動マスク信号としてＡＮＤ回路９ｂに送る。これに対して、速度指令値が閾値を越える場合や、アーム２０に流れる電流がダイオード素子２２の順方向に流れない場合には、ゲート駆動判断部９ａはＨレベルの信号を駆動マスク信号としてＡＮＤ回路９ｂに送る。

ＡＮＤ回路９ｂは、運転制御部１０からのゲート駆動信号と、ゲート駆動判断部９ａからの駆動マスク信号とを受ける。ここでＡＮＤ回路９ｂは、運転制御部１０からのゲート駆動信号と、ゲート駆動判断部９ａからの駆動マスク信号との両方がＨレベルの場合に、Ｈレベルの信号をゲート駆動信号として、ＭＯＳＦＥＴ素子２１のゲートに送る。これに対して、運転制御部１０からのゲート駆動信号とゲート駆動判断部９ａからの駆動マスク信号との少なくともいずれか一方がＬレベルの場合には、ＡＮＤ回路９ｂは、Ｌレベルの信号をゲート駆動信号として、ＭＯＳＦＥＴ素子２１のゲートに送る。

従って、駆動制御部９は、速度指令値が閾値以下で、アーム２０に流れる電流がダイオード素子２２の順方向に流れる電流方向の場合には、ゲート駆動判断部９ａからのＬレベルの駆動マスク信号により、運転制御部１０からのゲート駆動信号のＨレベル、Ｌレベルに関わらず、ＡＮＤ回路９ｂからＬレベルのゲート駆動信号を出力し、アーム２０のＭＯＳＦＥＴ素子２１のゲートを強制的にオフにする。この結果、アーム２０のうちＭＯＳＦＥＴ素子２１側には電流が流れずダイオード素子２２側に電流が流れることになる。

なお、上記の実施の形態では、運転制御部１０と駆動制御部９とが互いに別々のハードウェア（コンピュータ・マイクロコンピュータ等）によって構成されていた。しかしながら、この例に限定するものではなく、運転制御部１０と駆動制御部９とを同一のハードウェアによって構成してもよい。つまり、駆動制御部９の機能を運転制御部１０のハードウェアを用いて実現してもよい。

次に、動作について説明する。図４で示すようなＦＥＴ１、ＦＥＴ２とダイオードＤ１、Ｄ２で構成したレグを用いたインバータを使用し、同期整流を適用して電動機を高速で回転させた場合のタイミングチャートを図５に示す。図５において、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの間は、ＦＥＴ１ゲート駆動信号がＨレベルの時にレグの上側のアームのＦＥＴ１には図４で示すＩｏの方向に電流が流れ、ＦＥＴ１ゲート駆動信号がＬレベル（ＦＥＴ２ゲート駆動信号がＨレベル）の時にレグの下側のアームのＦＥＴ２とダイオードＤ２には図４で示すＩｏの方向に環流電流が流れる。

これに対して、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの間は、ＦＥＴ２ゲート駆動信号がＨレベルの時にレグの下側のアームのＦＥＴ２には図４で示すＩｏと逆方向に電流が流れ、ＦＥＴ２ゲート駆動信号がＬレベル（ＦＥＴ１ゲート駆動信号がＨレベル）の時にレグの上側のアームのＦＥＴ１とダイオードＤ１には図４で示すＩｏと逆方向に環流電流が流れる。

ここでＦＥＴとダイオードへの還流電流の流れ方について説明する。図６にＦＥＴとダイオードの一般的な電流−電圧特性を示す。ＦＥＴは電流の増加に伴って電圧が上昇する線形特性を示すのに対して、ダイオードは電流が流れ始める時点で順方向降下電圧がある。したがってＦＥＴとダイオードが逆並列で構成されたアームに還流電流が流れる場合、図６に示すように電流値がＩ１以下では大部分がＦＥＴ側に流れ、電流値がＩ１を越えると大部分がダイオード側に流れることになる。詳細には、電流値Ｉ１の近傍でＩ１以下の部分にはダイオード側にもわずかに流れ、電流値Ｉ１の近傍でＩ１以上の部分にはＦＥＴ側にもわずかに流れるが、この値は小さいため以下の説明ではこのわずかに流れる部分については省略する。

図６を参照し、図５における時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの間のＦＥＴ２とダイオードＤ２に流れる還流電流をＦＥＴ２電流とＤ２電流に分けたものを図７に示す。この場合、ほとんどの還流電流がＦＥＴ２側に流れ、電流値Ｉ１を超えるわずかの部分がダイオードＤ２に流れていることがわかる。

次に、図４で示すようなＦＥＴ１、ＦＥＴ２とダイオードＤ１、Ｄ２で構成したレグを用いたインバータを使用し、同期整流を適用して電動機を速度指令値が閾値以下となる低速で回転させた場合のタイミングチャートについて説明する。図８は、同期整流を制限しない場合のタイミングチャートである。この例では、図５における時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの間と同じ電流方向を示しており、レグの上側のアームのＦＥＴ１には、ＦＥＴ１ゲート駆動信号がＨレベルの時には図４で示すＩｏの方向に電流が流れ、レグの下側のアームのＦＥＴ２とダイオードＤ２には、ＦＥＴ１ゲート駆動信号がＬレベル（ＦＥＴ２ゲート駆動信号がＨレベル）の際には図４で示すＩｏの方向に環流電流が流れている。図９は図８におけるＦＥＴ２とダイオードＤ２に流れる還流電流をＦＥＴ２電流とＤ２電流に分けたものを示している。

次に、同期整流を制限するゲート駆動信号を生成した場合のタイミングチャートについて説明する。図１０は図８と同じ電流Ｉｏを流すタイミングを示しているが、図１０では速度指令値が閾値以下で、アームに流れる電流がダイオードＤ２の順方向に流れる電流方向の場合には、ＦＥＴ２ゲート駆動信号をＬにしている。この場合のＦＥＴ２とダイオードＤ２に流れる還流電流をＦＥＴ２電流とＤ２電流に分けたものを図１１に示す。図１０ではＦＥＴ２ゲート駆動信号をＬとしているため、図１１で示すように還流電流はＦＥＴ２には流れずダイオードＤ２に全てが流れる。

電動機１を低速で回転させたり停止させるような、速度指令値が小さい場合に同期整流を適用して制御を行うと、インバータ８を構成する６個のアーム２０のうち特定のＭＯＳＦＥＴ素子２１に電流が連続して流れる時間が長くなる。このため、急激な温度変動がその特定のＭＯＳＦＥＴ素子２１に発生しやすく、温度上昇が大きくなる懸念や、急激な温度変動で発熱・放熱を繰り返すことにより、寿命劣化が促進してしまう懸念が生じる。

これに対して、上記の実施の形態においては、かご４が保守運転モードの速度以下となる低速運転時や停止時のような速度指令値が閾値以下の場合、電流検出器１３で検出された電流方向がダイオード素子２２の順方向に流れているアーム２０のＭＯＳＦＥＴ素子２１のゲートをオフして、還流電流をアーム２０のダイオード素子２２側に流し、ＭＯＳＦＥＴ素子２１には流さないようにしている。これによりＭＯＳＦＥＴ素子２１の温度上昇や急激な温度変動を抑えてＭＯＳＦＥＴ素子２１の長寿命化を図ることができる。

上記実施の形態のエレベータの電力変換装置は、互いに逆並列に接続されたＭＯＳＦＥＴ素子２１とダイオード素子２２とを１つのアーム２０とし、２つのアーム２０が直列に接続されてなるレグ２３を少なくとも２個有し、入力された直流電力を交流電力に変換し、かご４を昇降させる電動機１を駆動するインバータ８と、インバータ８と電動機１との間に流れる電流方向を検出する電流検出器１３と、かご４を定格速度で運転する自動運転モードと定格速度よりも低い速度で運転する保守運転モードとを有した運転制御部１０で生成される速度指令値に基づいてインバータ８の駆動を制御する駆動制御部９と、を備え、駆動制御部９は、速度指令値が保守運転モードの速度以下で、電流検出器１３で検出された電流方向がダイオード素子２２の順方向に流れているアーム２０のＭＯＳＦＥＴ素子２１のゲートをオフにするものである

これにより、かご４が保守運転モードの速度以下となる低速運転時や停止時のような速度指令値が閾値以下の場合、電流検出器１３で検出された電流方向がダイオード素子２２の順方向に流れているアーム２０のＭＯＳＦＥＴ素子２１のゲートをオフして、還流電流をアーム２０のダイオード素子２２側に流し、ＭＯＳＦＥＴ素子２１側には流さないようにする。これによりＭＯＳＦＥＴ素子２１の温度上昇や急激な温度変動を抑えてＭＯＳＦＥＴ素子２１の長寿命化を図ることができる。速度指令値が閾値以下となる状態は、かごの停止直前やかごの昇降開始直後で発生し、一般的なエレベータの動作としてはこれらの状態が頻繁に繰り返されるためエレベータ用途では特に大きな効果が得られる。

また、運転制御部１０は、かご４の位置がかご４の戸が開閉可能な昇降位置に到達し、戸閉開可能範囲を検出するドアゾーン検出器１５から戸開閉可能範囲が検出されている間を速度指令値が保守運転モードの速度以下としてもよい。

かご４が乗場で停止する直前や昇降開始直後においては、かご４は必ずドアゾーンに入っており、この範囲ではかご４の速度は保守運転モードの速度よりも低速または停止である。このとき運転制御部１０はドアゾーン検出器１５からドアゾーン検出中の信号を入力し、これを制御情報として駆動制御部９に出力することにより容易に制御が可能である。速度指令値の閾値を算出する場合、電動機１の容量や、かご４の定格速度、定格負荷等の仕様は設置場所毎に異なるため、その都度最適な値を決定するのは煩雑である。これに対して、戸開閉可能範囲が検出されている間を速度指令値が保守運転モードの速度以下とすることにより、個々のエレベータの仕様に対しての煩雑な閾値の算出及び設定の手間を省略することができる。

また、上記の実施の形態におけるＭＯＳＦＥＴ素子２１及びダイオード素子２２を珪素によって形成することもできる。特に大電力用の電力変換器を構成する場合、変換効率やサイズを考慮すると、ＭＯＳＦＥＴ素子２１及びダイオード素子２２の少なくともいずれか一方を、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成することが好ましい。

このワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドを用いることができる。このように、ＭＯＳＦＥＴ素子２１及びダイオード素子２２をワイドバンドギャップ半導体によって形成することにより、著しく有効性が発揮される。具体的に、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたＭＯＳＦＥＴ素子２１やダイオード素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高い。このため、ＭＯＳＦＥＴ素子２１やダイオード素子２２の小型化が可能である。従って、これらの小型化されたＭＯＳＦＥＴ素子２１やダイオード素子を用いることにより、これらの素子を組み込んだ電力変換器の小型化を図ることができる。

また、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたＭＯＳＦＥＴ素子２１やダイオード素子２２は、耐熱性も高いため、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化が可能である。従って、電力変換器の一層の小型化が可能になる。

さらに、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたＭＯＳＦＥＴ素子２１やダイオード素子２２は、電力損失が低い。このため、ＭＯＳＦＥＴ素子２１やダイオード素子２２の高効率化が可能である。従って、電力変換器の高効率化が可能になる。

１ 電動機、４ かご、８ インバータ、９ 駆動制御部、１０ 運転制御部、１３ 電流検出器、１５ ドアゾーン検出器、２０ アーム、２１ ＭＯＳＦＥＴ素子、２２ ダイオード素子、２３ レグ

Claims (4)

1. 互いに逆並列に接続されたＭＯＳＦＥＴ素子とダイオード素子とを１つのアームとし、２つの前記アームが直列に接続されてなるレグを少なくとも２個有し、入力された直流電力を交流電力に変換し、かごを昇降させる電動機を駆動するインバータと、
   前記インバータと前記電動機との間に流れる電流方向を検出する電流検出手段と、
   前記かごを定格速度で運転する自動運転モードと前記定格速度よりも低い速度で運転する保守運転モードとを有した運転制御部で生成される速度指令値に基づいて前記インバータの駆動を制御する駆動制御部と、を備え、
   前記駆動制御部は、前記速度指令値が前記保守運転モードの速度以下で、前記電流検出手段で検出された電流方向が前記ダイオード素子の順方向に流れている前記ＭＯＳＦＥＴ素子のゲートをオフにすることを特徴とするエレベータの電力変換装置。
2. 前記運転制御部は、前記かごの位置が前記かごの戸が開閉可能な昇降位置に到達し、戸開閉可能範囲を検出するドアゾーン検出手段から前記戸開閉可能範囲が検出されている間を前記速度指令値が前記保守運転モードの速度以下とすることを特徴とする請求項１に記載のエレベータの電力変換装置。
3. 前記ＭＯＳＦＥＴ素子及び前記ダイオード素子の少なくともいずれか一方は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されてい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電力変換装置。
4. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料及びダイヤモンドのいずれかであることを特徴とする請求項３に記載のエレベータの電力変換装置。

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