JP5976873B1 - エレベータの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータ装置に搭載された半導体スイッチング素子の異常状態を検出して即時に保護動作を働かせる。【解決手段】一実施形態に係るエレベータの制御装置３０は、電圧検出部４１、電圧予測部４２、異常判定部４３と、保護動作部４４を備える。電圧予測部４２は、乗りかご４の運転パターンに基づいてインバータ装置１３のＩＧＢＴ１３ａに流れる電流パターンを予測し、その予測した電流パターンからＩＧＢＴ１３ａのＶｃｅ電圧値を予測する。電圧検出部４１は、乗りかご４の運転時にＩＧＢＴ１３ａのＶｃｅ電圧値を検出する。異常判定部４３は、Ｖｃｅの予測値と検出値とを比較してＩＧＢＴ１３ａの異常状態を判定する。保護動作部４４は、異常判定部４３の判定結果に基づいてＩＧＢＴ１３ａの保護動作を実施する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、インバータ装置を備えたエレベータの制御装置に関する。

通常、エレベータのインバータ装置には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を代表とした半導体スイッチング素子が用いられる。近年、この種の半導体スイッチング素子の小型化が進み、それに伴い短絡耐量が低くなっており、素子に短絡電流が流れ始めてから破壊に至るまでの時間が非常に短い。したがって、何らかの原因で短絡等の異常が発生した場合には直ぐに保護動作を働かせる必要がある。

特開平７−７９６２号公報 特開２００６−８２９３３号公報

エレベータ（乗りかご）の運転中に何らかの原因で半導体スイッチング素子に短絡等の異常が発生すると、上述したインバータ装置が正常に働かず、非常に危険な状態である。

本発明が解決しようとする課題は、インバータ装置に搭載された半導体スイッチング素子の異常状態を検出して即時に保護動作を働かせることのできるエレベータの制御装置を提供することである。

一実施形態に係るエレベータの制御装置は、インバータ装置の駆動により乗りかごを運転する。このエレベータの制御装置は、電圧予測手段と、電圧検出手段と、異常判定手段と、保護動作手段とを備える。

上記電圧予測手段は、上記乗りかごの運転パターンに基づいて上記インバータ装置に搭載された半導体スイッチング素子に流れる電流パターンを予測し、その予測した電流パターンから上記半導体スイッチング素子のコレクタ−エミッタ間の電圧値を予測する。上記電圧検出手段は、上記乗りかごの運転時に上記半導体スイッチング素子のコレクタ−エミッタ間の電圧値を検出する。上記異常判定手段は、上記電圧予測手段によって予測された電圧値と上記電圧検出手段によって検出された電圧値とを比較して上記半導体スイッチング素子の異常状態を判定する。上記保護動作手段は、この異常判定手段の判定結果に基づいて上記半導体スイッチング素子の保護動作を実施する。

図１は第１の実施形態に係るエレベータの制御装置の構成を示す図である。 図２はＩＧＢＴが短絡した状態を示す図である。 図３はＩＧＢＴのコレクタ電流Ｉｃの増加に対するコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅとゲート−エミッタ間電圧Ｖｇｅの特性を示す図である。 図４はＩＧＢＴのコレクタ電流Ｉｃによるコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅの変化箇所を示す図である。 図５は第２の実施形態に係るエレベータの制御装置の構成を示す図である。 図６はＩＧＢＴの概略構成を示す図である。 図７はＩＧＢＴの経年的な使用によりセラミック基板と銅ベースとの間の接合半田が脆化した状態を示す図である。 図８はＩＧＢＴの温度上昇に対するコレクタ電流Ｉｃとコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅの特性を示す図である。 図９はＩＧＢＴのゲート−エミッタ間電圧Ｖｇｅの増加に対するコレクタ電流Ｉｃとコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅの特性を示す図である。 図１０は第３の実施形態に係るエレベータの制御装置の構成を示す図である。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態に係るエレベータの制御装置の構成を示す図である。

このエレベータは、駆動装置１０とエレベータ制御装置３０とを備える。駆動装置１０は、コンバータ１１、平滑コンデンサ１２、インバータ装置１３を有し、エレベータ制御装置３０の駆動指示に従って巻上機２の駆動に必要な電力を供給する。

なお、コンバータ１１は、商用電源１から供給される交流電圧を直流電圧に変換するものである。商用電源１は、三相の交流電源からなる。平滑コンデンサ１２は、コンバータ１１によって変換された直流電圧のリプルを平滑する。インバータ装置１３は、コンバータ１１から平滑コンデンサ１２を介して与えられた直流電圧をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御により任意の周波数、電圧値の交流電圧に変換し、これを駆動電力として巻上機２に供給する。

巻上機２は、同期電動機からなり、駆動装置１０からの電力供給によって回転する。巻上機２には図示せぬシーブを介してロープ３が巻回されており、そのロープ３の一端には乗りかご４、他端にはカウンタウェイト５が連結されている。これにより、巻上機２の回転に伴い、ロープ３を介して乗りかご４とカウンタウェイト５がつるべ式に昇降動作する。

エレベータの駆動系に備えられたインバータ装置１３には、少なくとも１組のＩＧＢＴ（半導体スイッチング素子）１３ａと、このＩＧＢＴ１３ａに逆並列に接続されるダイオード（整流素子）１３ｂが回路素子として組み込まれている。

エレベータ制御装置３０は、「制御盤」とも言われ、エレベータ全体の制御を行う部分である。このエレベータ制御装置３０には、ＩＧＢＴ１３ａの異常状態を検出するための機能として、電圧検出部４１、電圧予測部４２、異常判定部４３、保護動作部４４が備えられている。

電圧検出部４１は、乗りかご４の運転時に監視対象とするＩＧＢＴ１３ａのコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅを検出する。

電圧予測部４２は、乗りかご４の運転パターンに基づいてＩＧＢＴ１３ａに流れる電流パターンを予測し、その予測した電流パターンからＩＧＢＴ１３ａのコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅを予測する。上記運転パターンには、乗りかご４の積載荷重および行先階が含まれる。つまり、運転前に乗りかご４の運転パターンとして得られる積載荷重および行先階からインバータ装置１３を駆動するのに必要な電力を求め、その電力からＩＧＢＴ１３ａに流れる電流と電圧を予測する。

異常判定部４３は、電圧予測部４２によって予測されたコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅと電圧検出部４１によって検出されたコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅとを比較してＩＧＢＴ１３ａの異常状態を判定する。この場合、両者の電圧値の差分が予め設定された値以上であれば、ＩＧＢＴ１３ａが短絡状態にあると判定される。

保護動作部４４は、異常判定部４３の判定結果に基づいてＩＧＢＴ１３ａの保護動作を実施する。具体的には、異常判定部４３によってＩＧＢＴ１３ａが短絡している状態が判定された場合には、保護動作部４４は、直ちに乗りかご４を最寄階に停止させて、インバータ装置１３の駆動を停止する。

次に、ＩＧＢＴ１３ａの短絡状態を検出する方法について説明する。

図２に示すように、ＩＧＢＴ１３ａが短絡すると、大きなコレクタ電流Ｉｃ（高ｄｉ／ｄｔ）が短絡電流として流れる。このとき、素子の浮遊容量を通じてゲート−エミッタ間電圧Ｖｇｅが上昇する現象が発生する。また、図３および図４に示すように、コレクタ電流Ｉｃの上昇に伴い、通電時のコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅの値も変化する。

ここで、乗りかご４の積載荷重および行先階からＩＧＢＴ１３ａに対する通電電流のパターンを予測可能であり、その通電電流からＶｃｅの電圧変化も予測することができる。何かの不具合でＩＧＢＴ１３ａに短絡が発生すると、上述したようにＩＧＢＴ１３ａに大きなコレクタ電流Ｉｃが流れるので、Ｖｃｅの電圧値も変化する。したがって、その変化分を検出すれば、ＩＧＢＴ１３ａが短絡していることを検出できる。

そこで、図１に示した電圧予測部４２では、乗りかご４の運転前にそのときの運転パターン（積載荷重および行先階）からＩＧＢＴ１３ａに流れる電流パターンを予測し、その電流パターンからＩＧＢＴ１３ａのコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅを予測して異常判定部４３に与える。なお、予測方法としては、例えば乗りかご４の運転パターン毎にＩＧＢＴ１３ａに流れる電流と電圧との関係式を予め用意しておき、その関係式に従って予測する方法などがある。

一方、乗りかご４が運転されると、電圧検出部４１によってＩＧＢＴ１３ａのコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅが検出され、異常判定部４３に与えられる。異常判定部４３では、電圧予測部４２から与えられたＶｃｅの予測値と、電圧検出部４１から与えられたＶｃｅの検出値とを比較する。

この場合、ＩＧＢＴ１３ａが正常な状態であれば、予測値と検出値とは同じ値あるいは近似した値になる。ＩＧＢＴ１３ａが異常な状態であれば、予測値と検出値とは異なる値になる。そこで、異常判定部４３は、予測値と検出値との差分を求め、その差分が予め設定された値以上であれば、ＩＧＢＴ１３ａが異常な状態つまり短絡状態であると判定する。

異常判定部４３によってＩＧＢＴ１３ａが短絡状態であると判定されると、保護動作部４４は、保護動作として、直ちに乗りかご４を最寄階に停止させて、インバータ装置１３の駆動を停止する。これにより、ＩＧＢＴ１３ａが破損する前にインバータ装置１３の駆動を停止でき、また、乗りかご４の運転を止めて乗客の安全を確保できる。

このように、乗りかご４の運転パターンからＶｃｅの電圧値を予測し、その予測された電圧値と運転時に検出した電圧値とを比較することで、ＩＧＢＴ１３ａの異常状態を検出でき、短絡している場合には即時に保護動作へ移行することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。

第２の実施形態では、上記第１の実施形態の構成に加え、監視対象であるＩＧＢＴ１３ａの劣化状態に応じてＶｃｅの予測値を補正する機能を設けたものである。

図５は第２の実施形態に係るエレベータの制御装置の構成を示す図である。なお、上記第１の実施形態における図１の構成と同じ部分には同一符号を付して、その説明を省略するものとする。

図５の構成において、図１と異なる点は、エレベータ制御装置２１に補正部４５が設けられることである。この補正部２７は、監視対象であるＩＧＢＴ１３ａの劣化状態を判定し、その劣化状態に応じて電圧予測部４２が予測するＶｃｅの電圧値を補正する。

図６はＩＧＢＴ１４ａの概略構成図である。

シリコンからなるＩＧＢＴチップ５１は、ボンディングワイヤ５２を介してセラミック基板５３上に形成された主電極に接続される。セラミック基板５３は放熱用の銅ベース５５に半田５４で接合されている。銅ベース５５の下には放熱器５６が設けられており、矢印で示すように、ＩＧＢＴチップ５１に発生した熱を放熱板である銅ベース５５を介して放熱器５６に逃がしている。

ここで、エレベータの運転に伴い、ＩＧＢＴ１３ａが発熱／休止を繰り返して、銅ベース５５に温度変動が生じると、セラミック基板５３と銅ベース５５の熱膨張係数の違いによって、接合部の半田５４に応力がかかり、脆化（クラック）が生じる問題がある。

このときの状態が図７である。ＩＧＢＴ１３ａの経年的な使用に伴い、セラミック基板５３と銅ベース５５とを接合している半田５４の脆化が激しくなると、放熱性能が著しく低下し、ジャンクション温度が上昇してＩＧＢＴチップ１が熱で破損する。特にエレベータのような急加速・停止を繰り返す使い方をしている場合、ＩＧＢＴ１３ａに加わる熱ストレスは大きくなり、上記現象が顕著に現れる。

ＩＧＢＴ１３ａに通電している電流が一定であれば、図８に示すように、ＩＧＢＴチップ５１の温度Ｔｊによってコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅが変動する。つまり、温度Ｔｊが高くなるほど、Ｖｃｅの電圧値が上がる。

そこで、保守点検時あるいは図示せぬ監視センタからの遠隔操作により、乗りかご４を所定の条件で運転し、ＩＧＢＴ１３ａの電圧変化を初期値と比較することで、劣化の状態を判定する。

「所定の条件」とは、負荷変動の無い状態で運転することであり、具体的には乗りかご４が空荷の状態（これをノーロード：ＮＬと呼ぶ）で、一定の速度でアップ方向あるいはダウン方向に運転することである。乗りかご４をＮＬ状態にして定速運転すると、ＩＧＢＴ１３ａに一定のコレクタ電流Ｉｃが流れる。したがって、そのときのコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅを測定すれば、初期値との比較により劣化の進行度が分かる。

図５に示した補正部４５は、上記のように一定の条件でＩＧＢＴ１３ａを通電したときに検出されるＶｃｅの電圧値からＩＧＢＴ１３ａの劣化状態を判定し、その劣化状態に応じて電圧予測部４２が予測するＶｃｅの電圧値を補正する。この場合、ＩＧＢＴ１３ａの劣化が進んでいるほど、電圧値を上げるようにＶｃｅの電圧特性を補正する。異常判定部４３では、補正後の電圧特性から得られるＶｃｅの予測値と運転時のＶｃｅの検出値とを比較してＩＧＢＴ１４ａの異常判定を行う。

（変形例）
上記第２の実施形態では、一定の条件でＩＧＢＴ１３ａを通電したときに検出されるＶｃｅの電圧値からＩＧＢＴ１３ａの劣化状態を判定したが、Ｖｇｅの電圧値を計測することでも劣化状態を判定することが可能である。

図８に示した特性図は、Ｖｇｅ＝１５Ｖのデータである。同じＩＧＢＴ素子の温度でも、図９に示すようにＶｇｅの値によって、コレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅの値が変化する。この例では、Ｖｇｅ＝２０Ｖ，１５Ｖ，１２Ｖ，１０Ｖ，８Ｖに変えた場合のＶｃｅの特性が示されている。

ＩＧＢＴ素子のゲート回路には、アルミ電解コンデンサ等の特性劣化する用品が実装されているので、コレクタ−エミッタ間電圧Ｖｇｅが経年的に変化する場合がある。また、Ｖｇｅは負荷の状態（通電電流）に対しても変動するため、一定の条件（例えば、誰も乗車しないときの１階から４階の運転）でＩＧＢＴ１３ａを通電したときのＶｇｅを測定して初期値と比較すれば、その変動分からＩＧＢＴ１３ａの劣化状態を判定できる。

図５に示した補正部４５は、上記のように一定の条件でＩＧＢＴ１３ａを通電したときに検出されるＶｇｅの電圧値からＩＧＢＴ１３ａの劣化状態を判定し、その劣化状態に応じて電圧予測部４２が予測するＶｃｅの電圧値を補正する。この場合、ＩＧＢＴ１３ａの劣化が進んでいるほど、電圧値を上げるようにＶｃｅの電圧特性を補正する。異常判定部４３では、補正後の電圧特性から得られるＶｃｅの予測値と運転時のＶｃｅの検出値とを比較してＩＧＢＴ１４ａの異常判定を行う。

このように、監視対象とするＩＧＢＴ１３ａの劣化状態に応じて電圧予測部４２によって予測される電圧値を補正することで、ＩＧＢＴ１３ａの異常状態をより正確に判定でき、短絡している場合には即時に保護動作へ移行することができる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。

第３の実施形態では、上記第１の実施形態の構成に加え、監視対象とするＩＧＢＴ１３ａの温度条件を考慮してＶｃｅの予測値を補正する機能を設けたものである。

図１０は第３の実施形態に係るエレベータの制御装置の構成を示す図である。なお、上記第１の実施形態における図１の構成と同じ部分には同一符号を付して、その説明を省略するものとする。

図１０の構成において、図１と異なる点は、エレベータ制御装置２１に温度検出部４６と補正部４７が設けられることである。この温度検出部４６は、監視対象とするＩＧＢＴ１３ａの周囲の温度を検出する。ＩＧＢＴ１３ａの周囲とは、ＩＧＢＴ１３ａが搭載されたインバータ装置１３の周囲を含む。補正部４７は、温度検出部４６によって検出された温度からＩＧＢＴ１３ａのジャンクション温度の上昇状態を予測し、そのジャンクション温度の上昇状態に応じて電圧予測部４２が予測するＶｃｅの電圧値を補正する。

すなわち、ＩＧＢＴ１３ａが搭載されたインバータ装置１３の周囲の温度は常に一定とは限らず、エレベータの稼働率や季節によっても異なる。特に、夏と冬とでは温度差が顕著に現れる。インバータ装置１３に用いられているＩＧＢＴ１３ａのジャンクション温度もその周囲温度の影響を受けるため、Ｖｃｅの電圧特性を変動するものと考えられる。

そこで、インバータ装置１３の近傍に図示せぬ温度センサを設置しておき、この温度センサによって測定された温度を温度検出部４６にて検出する。補正部４７では、温度検出部４６によって検出された温度を考慮して電圧予測部４２が予測するＶｃｅの電圧値を補正する。

例えば、ＩＧＢＴ１３ａの周囲温度が初期時に測定した温度よりも５度高い状況であったとする。このような場合には、その温度差の５度だけ電圧値を上げるようにＶｃｅの電圧特性を補正する。これにより、異常判定部４３では、補正後の電圧特性から得られるＶｃｅの予測値と運転時のＶｃｅの検出値とを比較してＩＧＢＴ１４ａの異常判定を行う。

（変形例）
上記第３の実施形態では、ＩＧＢＴ１３ａの周囲温度を考慮してＶｃｅの電圧特性を補正したが、ＩＧＢＴ１３ａの内部温度を考慮してＶｃｅの電圧特性を補正することでも良い。

すなわち、夏と冬では冷却の時定数が異なり、通電時のＩＧＢＴチップの温度変化に差が発生する。例えば、前からの通電により熱がこもっている場合には、内部温度が高めになる。

そこで、ＩＧＢＴ１３ａの内部温度を図示せぬ温度センサで測定する構成とし、その温度を温度検出部４６にて検出する。補正部４７では、温度検出部４６によって検出された温度を考慮して電圧予測部４２が予測するＶｃｅの電圧値を補正する。

例えば、ＩＧＢＴ１３ａの内部温度が初期時に測定した温度よりも５度高い状況であったとする。このような場合には、その温度差の５度だけ電圧値を上げるようにＶｃｅの電圧特性を補正する。これにより、異常判定部４３では、補正後の電圧特性から得られるＶｃｅの予測値と運転時のＶｃｅの検出値とを比較してＩＧＢＴ１４ａの異常判定を行う。

このように、監視対象とするＩＧＢＴ１３ａの温度条件を考慮してＶｃｅの予測値を補正することで、ＩＧＢＴ１３ａの異常状態をより正確に判定でき、短絡している場合には即時に保護動作へ移行することができる。

以上述べた少なくとも１つの実施形態によれば、インバータ装置に搭載された半導体スイッチング素子の異常状態を検出して即時に保護動作を働かせることのできるエレベータの制御装置を提供することができる。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…商用電源、２…巻上機、３…ロープ、４…乗りかご、５…カウンタウェイト、１０…駆動装置、１１…コンバータ、１２…平滑コンデンサ、１３…インバータ、１３ａ…ＩＧＢＴ、３０…エレベータ制御装置、４１…電圧検出部、４２…電圧予測部、４３…異常判定部、４４…保護動作部、４５…補正部、４６…温度検出部、４７…補正部、５１…ＩＧＢＴチップ、５２…ボンディングワイヤ、５３…セラミック基板、５４…半田、５５…銅ベース、５６…放熱器。

Claims (7)

1. インバータ装置の駆動により乗りかごを運転するエレベータの制御装置において、
   上記乗りかごの運転パターンに基づいて上記インバータ装置に搭載された半導体スイッチング素子に流れる電流パターンを予測し、その予測した電流パターンから上記半導体スイッチング素子のコレクタ−エミッタ間の電圧値を予測する電圧予測手段と、
   上記乗りかごの運転時に上記半導体スイッチング素子のコレクタ−エミッタ間の電圧値を検出する電圧検出手段と、
   上記電圧予測手段によって予測された電圧値と上記電圧検出手段によって検出された電圧値とを比較して上記半導体スイッチング素子の異常状態を判定する異常判定手段と、
   この異常判定手段の判定結果に基づいて上記半導体スイッチング素子の保護動作を実施する保護動作手段と
   を具備したことを特徴とするエレベータの制御装置。
2. 上記異常判定手段は、
   上記電圧予測手段によって予測された電圧値と上記電圧検出手段によって検出された電圧値との差分が予め設定された値以上であった場合に上記半導体スイッチング素子が短絡状態にあると判定す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. 一定の条件で上記半導体スイッチング素子を通電したときのコレクタ−エミッタ間の電圧値と予め設定された初期値との比較から上記半導体スイッチング素子の劣化状態を判定し、その劣化状態に応じて上記電圧予測手段が予測する電圧値を補正する補正手段をさらに具備した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。
4. 一定の条件で上記半導体スイッチング素子を通電したときのゲート−エミッタ間の電圧値と予め設定された初期値との比較から上記半導体スイッチング素子の劣化状態を判定し、その劣化状態に応じて上記電圧予測手段が予測する電圧値を補正する補正手段をさらに具備した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。
5. 上記半導体スイッチング素子の周囲の温度を検出する温度検出手段と、
   この温度検出手段によって検出された温度から上記半導体スイッチング素子のジャンクション温度の上昇状態を予測し、そのジャンクション温度の上昇状態に応じて上記電圧予測手段が予測する電圧値を補正する補正手段をさらに具備した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。
6. 上記半導体スイッチング素子の内部の温度変化を検出する温度検出手段と、
   この温度検出手段によって検出された温度変化に応じて上記電圧予測手段が予測する電圧値を補正する補正手段をさらに具備した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。
7. 上記半導体スイッチング素子は、ＩＧＢＴであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のエレベータの制御装置。

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