JP5900136B2

JP5900136B2 - エレベータ駆動用電源装置

Info

Publication number: JP5900136B2
Application number: JP2012106693A
Authority: JP
Inventors: 依田　和之; 和之依田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2012-05-08
Filing date: 2012-05-08
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2032-05-08
Also published as: JP2013234029A

Description

本発明は、エレベータ駆動用モータからの回生電力を蓄電池に充電し、交流入力電源の停電時や電圧低下時に蓄電池からインバータへ直流電力を放出して有効利用する電源システムの交流入力電源への電力回生回路と制御電源回路の構成技術に関する。

図５に、従来の技術を用いたエレベータ駆動用電源装置の回路構成を示す。モータ５からの回生電力を蓄電池１０に蓄積し、交流入力電源停電時や電圧低下時等に有効活用する電源システムである。
交流入力電源１は交流を直流に変換するダイオード整流回路２に入力され、ダイオード整流回路２の直流出力には平滑用コンデンサ３が接続され、直流中間回路を構成する。直流中間回路には、直流を可変電圧・可変周波数の交流に変換する逆変換器（インバータ）４、モータ５からの回生電力を蓄電池１０に蓄積するための双方向性の直流−直流変換回路１１、モータ５からの回生電力により直流中間回路の電圧が所定値以上に上昇するのを防止する抵抗６と半導体スイッチ７から構成された電圧上昇抑制回路、及び直流中間回路から制御電源１７に交流電圧を供給するための交流電源回路１９が接続される。

１７が制御電源で逆変換器４の制御回路２１の他、各部の制御回路に安定化された制御用電力を供給する。１８は制御電源の交流入力の停電を検出する停電検出器、１２は蓄電池１０の充放電を制御する充放電制御回路、２０は制御電源１７に交流入力電源１から電力を供給するか交流電源回路１９から電力を供給するかを切替える切替器である。

このような構成において、交流入力電源が健全な時はダイオード整流回路２を通して逆変換器４に直流電力を供給し、逆変換器４で電圧と周波数を制御して得られる交流出力電圧をエレベータ駆動用のモータ５に供給する。ブレーキ時やエレベータかごの下降時などの動作によりモータ５からのエネルギーが直流中間回路に回生されると、双方向性の直流−直流変換回路１１は蓄電池１０を充電し、回生エネルギーが蓄電池に蓄積される。モータ５からの回生電力が長時間継続し、蓄電池が満充電になると蓄電池への充電（回生エネルギーの吸収）ができなくなるので、直流中間回路の電圧（コンデンサ３の電圧）が上昇してしまう。この上昇を抑制するため半導体スイッチ７をオンオフ制御して直流中間回路の電力を抵抗６で消費させて、直流中間回路の電圧が所定値以上に上昇するのを抑制する。

交流入力電源が停電の時は蓄電池１０から双方向性の直流−直流変換回路１１を介して、もしくは直接、直流中間回路に電力を供給して、モータ５に対して無停電化を図る。これはエレベータに対しては緊急時の退避動作となり、エレベータかご内の人が安全に脱出できる位置まで移動するための安全対策である。この時、双方向性の直流−直流変換回路１１は昇圧動作により蓄電池１０の電圧を直流中間回路の電圧まで放電させる動作となる。また制御電源１７に対しては交流電源回路１９から切替器２０を介して交流電力を供給する。このような動作は、交流入力電圧の停電時だけでなく、電圧低下時も同様の動作となる。

特開２００５−１４５６８７号公報

上述のように、モータ5からの回生電力が長時間継続する場合には、抵抗６と半導体スイッチ７から構成された電圧上昇抑制回路を動作させて回生電力を抵抗６で消費させているので、エネルギーの損失が大きく電力変換効率の低い変換システムとなる。また、回生時間が長い場合などでは抵抗６と半導体スイッチ７の損失が大きくなり、装置が大型となる。

従って、本発明の課題は、電力変換効率が高く、小型、低価格のエレベータ駆動用電源装置を提供することである。

上述の課題を解決するために、第1の発明においては、交流入力電源の電圧を整流して直流中間回路電圧に変換する整流回路と、前記直流中間回路電圧を電動機駆動用の可変電圧可変周波数の交流に変換する逆変換回路と、前記直流中間回路電圧を直流−直流変換回路を介して供給する蓄電池と、前記何れかの変換回路の制御回路に電力を供給する制御電源と、前記直流中間回路電圧を前記制御電源用の交流電圧に変換する交流電源回路と、前記交流入力電源の電圧を前記制御電源に供給する第１のスイッチと、前記交流電源回路の出力を前記制御電源に供給する第２のスイッチと、を備え、前記交流入力電源が健全な時には、前記第１及び第２のスイッチを閉とし、電動機からの回生電力を前記交流電源回路を介して前記交流入力電源へ回生する。

第２の発明においては、第１の発明で、前記交流入力電源が健全で、前記直流中間回路電圧が所定値以下の時には、前記第１及び第２のスイッチを閉とし、前記交流電源回路を構成する半導体スイッチには駆動信号を与えない。

第３の発明においては、第１又は第２の発明で、前記交流入力電源が健全で、前記蓄電池の電圧が満充電の電圧に達した時又は前記直流中間回路電圧が所定値に到達した時には、前記交流電源回路を構成する半導体スイッチに駆動信号を与える。

第４の発明においては、第1〜第３の発明で、前記交流入力電源が停電時は前記第１のスイッチを開、前記第２のスイッチを閉とし、前記蓄電池から前記直流−直流変換回路を介して、もしくは直接、前記直流中間回路に電力を供給すると共に、前記交流電源回路から前記第２のスイッチを介して前記制御電源に電力を供給する。

第５の発明においては、第１〜第４の発明で、前記交流電源回路は、寄生ダイオードの順方向降下電圧が前記整流回路を構成するダイオードの順方向降下電圧より大きい複数のＳｉＣ（炭化珪素）を使用したＭＯＳＦＥＴ（絶縁ゲート電界効果型トランジスタ）で構成する。

本発明では、直流中間回路の電圧から交流電源回路で交流電圧を作り、スイッチを介して制御電源の入力と交流入力電源に接続し、モータからの回生電力を蓄電池で吸収できなくなった時には、交流入力電源に回生する様にした。また交流入力電源が健全な時で直流中間回路の電圧が所定値以下の時には交流電源回路を構成する半導体スイッチに駆動信号を与えないようにした。さらに、交流電源回路を構成する半導体スイッチとして、寄生ダイオード（ボディダイオードとも呼ぶ）の順方向降下電圧値が整流回路を構成するダイオードの順方向降下電圧値より大きい複数のＳｉＣ（炭化珪素）を使用したＭＯＳＦＥＴ（絶縁ゲート電界効果型トランジスタ）を用いるようにした。

この結果、交流入力電源が健全で、モータからの回生電力を蓄電池で吸収できない時には、交流入力電源に回生でき、また交流電源回路は交流入力電源への回生時以外は動作しないので、電力変換効率が高くなる。さらに、抵抗６と半導体スイッチ７から構成された電圧上昇抑制回路は不要となるので、装置が小型、低価格となる。

本発明の第１の実施例を示す回路図である。本発明の第１の実施例の動作を説明するための回路図である。本発明の第２の実施例を示す回路図である。本発明の実施例で使用する半導体スイッチの特性図である。従来例を示す回路図である。

本発明の要点は、直流中間回路の電圧から交流電源回路で交流電圧を作り、スイッチを介して制御電源の入力と交流入力電源に接続し、モータからの回生電力を蓄電池で吸収できなくなった時には、交流入力電源に回生する様にし、また交流入力電源が健全な時で直流中間回路の電圧が所定値以下の時には交流電源回路を構成する半導体スイッチに駆動信号を与えないようにした点である。さらに、交流電源回路を構成する半導体スイッチとして、寄生ダイオード（ボディダイオードとも呼ぶ）の順方向降下電圧が整流回路を構成するダイオードの順方向降下電圧より大きい複数のＳｉＣ（炭化珪素）を使用したＭＯＳＦＥＴ（絶縁ゲート電界効果型トランジスタ）を用いるようにした。

図１に、本発明の第1の実施例を示す。図５に示した従来例と共通の部品には同じ番号を付与してある。また本発明に直接影響しない部品は削除してある。
交流入力電源１は交流を直流に変換するダイオードＤ１〜Ｄ６で構成されたダイオード整流回路２に入力され、ダイオード整流回路２の直流出力には平滑用コンデンサ３が接続され直流中間回路を構成する。直流中間回路には、半導体スイッチとしてＩＧＢＴＴ１〜Ｔ６で構成した直流を可変電圧・可変周波数の交流に変換する逆変換器（インバータ）４、モータ５からの回生電力を蓄電池１０に蓄積するためのＩＧＢＴＴ７、Ｔ８及びリアクトルＬで構成された直流−直流変換回路１１、及び直流中間回路から制御電源１７に交流電圧を供給するためのＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ４及びフィルタＦＬ１で構成された交流電源回路１９が接続される。また、交流入力電源１と制御電源１７との間にはスイッチＳ１が、交流電源回路１９の交流出力と制御電源１７との間にはスイッチＳ２が、直流中間回路の直流端子と交流電源回路１９の直流端子との間にはスイッチＳ３と抵抗Ｒｐとの並列回路とスイッチＳ４との直列回路が、交流電源回路１９の直流端子間にはコンデンサ１３が、各々接続される。ここで抵抗ＲｐはスイッチＳ４を閉とした時のコンデンサ１３への突入電流を抑制するための予備充電抵抗である。

１７が制御電源で逆変換器４の制御回路２１の他、図示されていない各部の制御回路に安定化された制御用電力を供給する。
このような構成において、交流入力電源が健全な時は、スイッチＳ1閉→スイッチＳ４閉→スイッチＳ３閉→スイッチＳ２閉の順で各スイッチを閉とする。その結果、逆変換器用制御装置２１の他、各変換回路の図示されていない制御装置が動作を開始し、ダイオード整流回路２を通して逆変換器４に直流電力を供給し、逆変換器４で電圧と周波数を制御して得られる交流出力電圧をエレベータ駆動用のモータ５に供給する。この時、交流電源回路１９を構成する半導体スイッチＱ１〜Ｑ４へはゲート信号を入力しない。

ブレーキ時やエレベータかごの下降時などの動作によりモータ５からのエネルギーが直流中間回路に回生されると、直流−直流変換回路１１は蓄電池１０を充電し、回生エネルギーが蓄電池に蓄積される。この例では蓄電池１０の電圧は直流中間回路の電圧より低いので、直流−直流変換回路１１は降圧チョッパとして動作する。直流−直流変換回路１１の回路方式については種々の方式があるが、使用する蓄電池の電圧と直流中間電圧との関係から種々の方式を選択可能である。

モータ５からの回生電力が長時間継続し、蓄電池が満充電になると蓄電池への充電（回生エネルギーの吸収）ができなくなるので、直流中間回路の電圧（コンデンサ３の電圧）が上昇してしまう。この電圧上昇を抑制するため、交流電源回路１９を動作（ＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ４にオンオフ信号を与える動作）させて、スイッチＳ２→スイッチＳ１の経路で交流入力電源１に電力を回生して、直流中間回路の電圧が所定値以上に上昇するのを抑制する。交流電源回路１９はＳｉＣ（炭化珪素）使用のＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ４で構成された単相インバータ回路で、交流出力のフィルタＦＬ１で交流入力電圧波形と同じ歪の少ない正弦波電圧を出力する。直流中間回路電圧が所定値以下となるように出力交流電圧の振幅又は位相を制御して交流入力電源１へ電力を回生する。この回生制御方式には種々の方式があるが、何れの方式を適用するか選択可能である。

交流入力電源が停電の時はスイッチＳ１を開とし、蓄電池１０から双方向性の直流−直流変換回路１１を介して直流中間回路に電力を供給して、モータ５に対して無停電化を図る。この時の直流−直流変換回路１１の動作は蓄電池１０の電圧を蓄電池電圧より高い直流中間回路電圧に昇圧する昇圧チョッパ動作で、蓄電池１０を放電させる動作となる。無停電化の構成としては直流−直流変換回路１１を用いずに直接蓄電池１０から直流中間回路に直流電力を供給する構成でも実現可能である。即ち、エレベータの緊急避難時は、モータは低速での運転でも実用上問題とならないため、直流中間回路の電圧は低い状態でも良い場合が多く、この時はコンタクタなどを用いて蓄電池から直接直流中間回路へ電力を供給する。また制御電源１７に対しては交流電源回路１９からスイッチＳ２を介して交流電力を供給する。このような動作は、交流入力電圧の停電時だけでなく、電圧低下時も同様の動作となる。

交流電源回路１９を構成する半導体スイッチとしてＳｉＣ（炭化珪素）使用のＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ４を使用する理由を図２に基づいて説明する。交流入力電源１が健全時、モータ５が力行の状態又は回生時の電力を蓄電池で吸収可能な状態では、上述の説明のように交流電源回路１９を構成するＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ４にはゲート信号が入力されない。従って、例えばＲ相→Ｔ相間で電力を供給するモードでの直流中間回路（コンデンサ３）を充電する経路としては、ダイオード整流回路のダイオードＤ１とＤ６を通る電流経路ＲＴ１と交流電源回路１９のＭＯＳＦＥＴＱ１の寄生ダイオードとＭＯＳＦＥＴＱ４の寄生ダイオードを通る電流経路ＲＴ２が並列接続された構成となる。その他の動作モード（Ｒ相−Ｓ相間で電力を供給するモード、Ｓ相−Ｔ相間で電力を供給するモード）についても同様である。

従って、ＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ４の寄生ダイオードの順方向降下電圧をダイオード整流回路を構成するダイオードＤ１〜Ｄ６の順方向降下電圧よりも十分大きく選定しないと交流電源回路１９のＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ４の寄生ダイオードに主回路電流が流れることになる。交流電源回路１９は小電力を扱う設計であるので、損失面と装置の小型化の観点からこの現象は回避する必要がある。スイッチＳ２を開としておくことも考えられるが、動作信頼性の点で問題となる。

これらの問題を解決するため、交流電源回路１９のＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ４にＳｉＣ（炭化珪素）使用のＭＯＳＦＥＴを適用する。ＳｉＣ（炭化珪素）使用のＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードの順方向降下電圧は、図４の例に示すように、Ｓｉ（シリコン）使用のＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードの順方向降下電圧に比べて数倍大きいので、図２で説明した交流電源回路１９のＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードを通る経路ＲＴ２には電流が流れない。

図３に、本発明の第２の実施例を示す。第１の実施例との違いは交流電源回路１９ａが三相出力となり、これに伴ってスイッチＳ１（２接点）がＳ１ａ（３接点）に、スイッチＳ２（２接点）がＳ２ａ（３接点）に変更されている点である。制御電源１７への供給は電力が小さいので、第１の実施例と同様に単相で良い。実施例１と同様に交流電源回路１９ａを構成するＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ６にＳｉＣ（炭化珪素）使用のＭＯＳＦＥＴを適用することにより、同様の効果が得られる。また、大型の装置ではモータ５からの回生電力が大きくなるため、交流電源回路１９ａに三相回路を適用することにより交流入力電源１に効率よく電力を回生することができる。

尚、上記実施例には回生エネルギーの蓄積装置として蓄電池を使用した例を示したが電気二重層キャパシタなども適用可能である。また、蓄電装置をもたない構成においても実現可能である。また各スイッチは機械式スイッチの例を示したが、半導体式のスイッチでも代用可能である。

本発明は、モータからの回生電力を交流入力電源に回生する電源システムであり、エレベータ電源の他、クレーン制御装置など電動機駆動用変換装置全般に適用が可能である。

１・・・交流入力電源２・・・整流回路５・・・モータ
３、１３・・・コンデンサ４・・・逆変換器
６、Ｒｐ・・・抵抗７・・・ＩＧＢＴ（半導体スイッチ）
１０・・・蓄電池１１・・・直流−直流変換回路
１２・・・充放電制御回路１７・・・制御電源２０・・・切替器
１８・・・停電検出器１９、１９ａ・・・交流電源回路
２１・・・逆変換器制御回路Ｌ・・・リアクトル
Ｓ１〜Ｓ４・・・スイッチＳ１ａ、Ｓ２ｂ・・・スイッチ（３接点）
Ｄ１〜Ｄ６・・・ダイオードＴ１〜Ｔ８・・・ＩＧＢＴ
Ｑ１〜Ｑ６・・・ＭＯＳＦＥＴＦＬ１、ＦＬ２・・・フィルタ

Claims

交流入力電源の電圧を整流して直流中間回路電圧に変換する整流回路と、前記直流中間回路電圧を電動機駆動用の可変電圧可変周波数の交流に変換する逆変換回路と、前記直流中間回路電圧を直流−直流変換回路を介して供給する蓄電池と、前記何れかの変換回路の制御回路に電力を供給する制御電源と、前記直流中間回路電圧を前記制御電源用の交流電圧に変換する交流電源回路と、前記交流入力電源の電圧を前記制御電源に供給する第１のスイッチと、前記交流電源回路の出力を前記制御電源に供給する第２のスイッチと、を備え、
前記交流入力電源が健全な時には、前記第１及び第２のスイッチを閉とし、電動機からの回生電力を前記交流電源回路を介して前記交流入力電源へ回生することを特徴とするエレベータ駆動用電源装置。
前記交流入力電源が健全で、前記直流中間回路電圧が所定値以下の時には、前記第１及び第２のスイッチを閉とし、前記交流電源回路を構成する半導体スイッチには駆動信号を与えないことを特徴とする請求項１に記載のエレベータ駆動用電源装置。
前記交流入力電源が健全で、前記蓄電池の電圧が満充電の電圧に達した時又は前記直流中間回路電圧が所定値に到達した時には、前記交流電源回路を構成する半導体スイッチに駆動信号を与えることを特徴とする請求項１又は２に記載のエレベータ駆動用電源装置。
前記交流入力電源が停電時は前記第１のスイッチを開、前記第２のスイッチを閉とし、前記蓄電池から前記直流−直流変換回路を介して、もしくは直接、前記直流中間回路に電力を供給すると共に、前記交流電源回路から前記第２のスイッチを介して前記制御電源に電力を供給することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のエレベータ駆動用電源装置。
前記交流電源回路は、寄生ダイオードの順方向降下電圧が前記整流回路を構成するダイオードの順方向降下電圧より大きい複数のＳｉＣ（炭化珪素）を使用したＭＯＳＦＥＴ（絶縁ゲート電界効果型トランジスタ）で構成することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のエレベータ駆動用電源装置。