JP6012453B2 - Ｐｗｍコンバータ装置およびエレベータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、交流電力と直流電力の間で電力変換を行うＰＷＭコンバータ装置およびエレベータ装置に係り、特に交流電力の周波数が相違する地域において使用するに好適なＰＷＭコンバータ装置およびエレベータ装置に関する。

交流電力と直流電力の間で電力変換を行うときに発生する高調波電流を非常に小さくできる電力変換器として、ＰＷＭコンバータ装置が普及している。ＰＷＭコンバータ装置は例えばエレベータ装置の巻き上げ機を駆動する電動機駆動装置として広く使用されている。

ＰＷＭコンバータ装置は入力側の交流電源との間にフィルタリアクトルを接続し、出力側の直流端子間に平滑コンデンサと負荷が接続されている。そこで、電源側から負荷側へ電力供給する場合、電源電圧と同位相で正弦波状の入力電流が流れるようにＰＷＭコンバータを制御する。また、負荷側から電源側に電力を回生する場合、電源電圧と逆位相で正弦波状の入力電流が流れるようにＰＷＭコンバータを制御する。

具体的には、平滑コンデンサの直流電圧が所定の値になるように入力電流の振幅指令を与え、電源電圧位相に同期した電流指令値として、この指令値に入力電流検出値が一致するようにＰＷＭコンバータの交流入力電圧を制御している。

さらに詳細に述べると、ＰＷＭコンバータ装置の制御ではベクトル制御を採用しており、電流制御を実施するに当たりｑ軸電流（トルク生成電流）と、ｄ軸電流（磁束生成電流）に分けて電流帰還制御を行う。電源側の三相交流電流を二相変換し、更にｄｑ軸成分に変換する過程において、電流信号に対する基準位相信号として電源電圧位相を使用する。

このようにＰＷＭコンバータの制御においては、電源電圧位相と同位相、あるいは逆位相の正弦波状電流とする必要があり、この前提として電源電圧位相を正確に簡便に求める技術が必要である。なお電源電圧位相を求めるときには、コンバータ装置の入力側の電源結線順番によって、正順と逆順のケースがあることを十分に考慮する必要がある。コンバータ装置の入力端子の結線相順が制御系内部相順と一致しなければ、起動時過電流や正常な制御ができなくなる恐れがある。

このようにＰＷＭコンバータを制御するには、電源電圧位相、直流電圧及びコンバータへの入力電流の検出が不可欠である。係る正弦波ＰＷＭコンバータの開発は古くから行われており、多数の方式が提案されている。特許文献１、特許文献２に開示の技術はこれらの一例である。

特開２０１２−６７１５号公報 特開２０１１−７３８４９号公報

商用電力系統には、周波数が５０Ｈｚ／６０Ｈｚの電源がある。このためＰＷＭコンバータの実運用に際しては、使用する地域に合わせて電源電圧位相を考慮しておく必要があった。１サイクルの電源電圧位相の長さは５０Ｈｚ系統では２０ｍｓであるが、６０Ｈｚ系統では１６．６７ｍｓである。

この点に関し、メーカーが製品納入をするときには５０Ｈｚ系統向けと、６０Ｈｚ系統向けに電源電圧位相が設定された製品をそれぞれの地域に納品をしていた。あるいは、例えば、スイッチのオン／オフの状態で５０Ｈｚ／６０Ｈｚであるかを設定する方法、エレベータ制御部の記憶領域内に５０Ｈｚ／６０Ｈｚであるかを記憶しておくといった、何らの切り替え操作を行う手法を採用することもあった。

なお特許文献１は、エレベータ装置の位相制御技術を開示しているが、電源の位相信号で５０Ｈｚ／６０Ｈｚを切り替えて位相制御する構成の記載はない。また特許文献２は、５０Ｈｚ／６０Ｈｚの切り替えの制御はあるものの、電源の位相信号を測定して切り替える方法の記載はない。

設定の切り替えで対処する上記の何れの場合であっても、電源周波数の設定を誤ることにより、起動時過電流や正常な制御ができなくなる恐れがある。また設定切り替えを行うにしても、電源電圧位相を正確に簡便に求める回路技術が必要である。これに対し使用される商用交流電源の周波数をコンバータ装置単体で電源周波数の自動判別ができれば、事前に電源周波数の設定は不要となる。

以上のことから本発明の目的とするところは、簡単な構成、低廉なコストで高精度に電源周波数を判別し、電源電圧位相に反映することが可能な電源周波数判別機能を備えたＰＷＭコンバータ装置およびエレベータ装置を提供することにある。

以上のことから本発明では、電力変換器による電力変換を行うために、交流電流をｄ軸とｑ軸の電流に変換して電流制御を行うとともに変換のために交流電源位相を用いるＰＷＭコンバータ装置であって、交流電圧波形のゼロクロス点を検出して矩形信号を生成する第１の手段、矩形信号の矩形幅の時間計測により交流電源の電源周波数が５０Ｈｚか、６０Ｈｚかを識別する第２の手段、５０Ｈｚのときに第１の一定値を６０Ｈｚのときに第２の一定値を与える第３の手段、矩形幅の期間内において一定値を一定時間間隔ごとに加算処理し、加算値に対応して正弦波形を発生させる第４の手段を備えることを特徴とする。

本発明によれば、簡単な構成、低廉なコストで高精度に電源周波数を判別し、電源電圧位相に反映することが可能な電源周波数判別機能を備えたＰＷＭコンバータ装置およびこれを用いたエレベータ装置を提供することができる。

電源位相演算部と電流制御部の機能を中心にして示した図。 本発明の一実施例によるエレベータ制御装置の全体概略構成図。 電源位相演算部内の処理機能を示すブロック図。 電源位相演算部での処理内容を示す波形図。 電源位相演算部の処理が実行可能か否かを判別する処理フロー。 電源位相演算部の具体的な処理内容を説明する波形図。 ＣＰＵなどによりソフト的に処理する時の手順を示した図。

以下図面を用いて本発明の実施例を説明する。

最初に、本発明の一実施例によるエレベータ制御装置の全体概略構成を図２で説明する。

図２は、ＰＷＭコンバータ装置をエレベータ装置に適用した時の全体構成を示している。このうちエレベータ装置は、シーブ７を介して一端に乗りかご８、他端に釣り合いおもり９を接続したワイヤロープ１８、シーブを回転させる巻上機６（電動機）などで構成されている。一般に電動機６よりも負荷側の構成は、如何なる用途のものであってもよく、エレベータ装置はその一例である。

電動機６に与える電力を定めているのがＰＷＭコンバータ装置１００であって、ＰＷＭコンバータ装置１００は電力主回路１０１と制御装置１０２で構成されている。

このうち電力主回路１０１は、商用電源（交流系統）１と電動機６の間に、高調波低減用のフィルタリアクトル２、交流を直流に電力変換するコンバータ３、平滑用のコンデンサ４を備える直流回路、直流を交流に変換するインバータ５で構成されている。この構成により、商用電源（交流系統）１の周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）を任意の周波数に変換して電動機６に交流電力を供給している。

制御装置１０２の構成は、負荷の種別により多種のものが適用できるが、電流制御部１６と、ＰＷＭ制御回路を備えてＰＷＭ信号によりコンバータ３の点弧タイミングを決定している。なお制御装置１０２は、インバータに対しても点弧信号を与えているがここでは記載を省略している。

電流制御部１６ではベクトル制御を実行しており、電流制御の指令信号としてｑ軸電流（トルク生成電流）指令信号Ｉｃｑ＊と、ｄ軸電流（磁束生成電流）指令信号Ｉｃｄ＊を得ている。なお、図２ではエレベータ制御を行う制御の一例として直流電圧制御部１５と電流制御部１６によるカスケード制御を実行する例を示しているが、負荷側の適用対象によっては、直流電圧制御部１５は速度制御部に置き換えられていてもよい。

制御装置１０２の制御のために、各種信号が取り込まれている。まず直流電圧Ｖｄが電圧検出部１０により検知される。直流電圧検出値Ｖｄは帰還信号として直流電圧制御部１５において、その指令値Ｖｄ＊と比較・演算され、ｑ軸電流指令信号Ｉｃｑ＊が生成される。

また交流電流Ｉｃが電流検出部１２で検知され、電流指令信号Ｉｃｑ＊、Ｉｃｄ＊に対する帰還信号として利用される。

さらに制御装置１０２の制御のために、三相の交流電圧Ｖｃが電源位相検出部１３で検知され、電源位相演算部１４に与えられる。図３は、電源位相演算部１４内の処理機能をブロック図で示している。

電源位相演算部１４の矩形化回路１４４では、各相電圧についてこれを矩形化処理し、交流電圧波形のゼロクロス点を検出して正の半波で”１”を出力し、負の半波で”０”となるパルス信号を生成する。

矩形化された各相電圧の立ち上がり、立下りの順番は、相順検出回路１４３に与えられ、予め保持している所定の順番と比較されて正しい順番に従って変化していることを確認する。これにより正しい結線が行われていることを確認する。

前述したように、ＰＷＭコンバータを制御するには、コンバータ装置の入力端子の結線相順が制御系内部相順と一致しなければならず、係る電源位相演算部１４での処理は結線相順を制御系内部（例えば制御ＣＰＵ）に取り込むための相順検出回路を構成したものといえる。

また本発明の電源位相演算部１４のタイマー部１４６では、矩形化した１相のパルス信号のエッジ検出の周期をパルスカウント数で測定する。周波数識別部１４５では、例えば前回のパルスカウント数と今回のパルスカウント数の差の絶対値を、予め記憶している電源周波数の周期のパルスカウント数（プリセット値：５０Ｈｚ、６０Ｈｚ、異常周波数）と比較することにより、電源周波数を判別する。これにより５０Ｈｚと、６０Ｈｚを識別し、さらにそれ以外の異常周波数を検知する。

図４は、電源位相演算部１４での処理内容を示す波形図であり、正弦波状の交流電圧波形は電圧値が零の時点で矩形化されて、正の半波区間が”１”、負の半波区間が”０”となるパルス信号を生成する。そして立ち上がり時点間（または立ち下がり時点間）の時間計測をパルスカウント数として計測する。このようにして計測された１サイクルの電源電圧位相の長さは５０Ｈｚ系統では２０ｍｓ、６０Ｈｚ系統では１６．６７ｍｓである。

このため制御用ＣＰＵ内に予め保持しておく電源周波数の周期のパルスカウント数（プリセット値）としては、５０Ｈｚ識別用に２０ｍｓに相当するパルス数Ｐ５０，６０Ｈｚ識別用に１６．６７ｍｓに相当するパルス数Ｐ６０を備える。また異常周波数識別用の上下限値として、下限周波数識別用に２２ｍｓに相当するパルス数Ｐｅｘｕ，上限周波数識別用に１５ｍｓに相当するパルス数Ｐｅｘｏを備える。

電源位相演算部１４の制御定数格納メモリ１４１には第１の一定値Ｌ５０と、第２の一定値Ｌ６０を記憶保持している。制御定数格納メモリ１４１では、５０Ｈｚ識別用に準備した２０ｍｓに相当するパルス数Ｐ５０を検知したときに第１の一定値Ｌ５０を積分部１４２に与えて５０Ｈｚの正弦波を出力する。６０Ｈｚ識別用に準備した１６．６７ｍｓに相当するパルス数Ｐ６０を検知したときに第２の一定値Ｌ６０を積分部１４２に与えて６０Ｈｚの正弦波を出力する。第１の一定値Ｌ５０や、第２の一定値Ｌ６０を用いて得られた５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの正弦波が、電流制御部１６に与えられる電源位相情報である。第１、第２の一定値Ｌ５０、Ｌ６０から５０Ｈｚ、６０Ｈｚの正弦波を得る手法については図１、図６を用いて後述する。

なお異常周波数識別用の上下限値を逸脱していることを検知した場合には、ＰＷＭコンバータの運用を停止するなどの非常時措置を実行する。

電源位相演算部１４における処理では、電源周波数の誤検出を防止するためにパルスカウント数の測定を複数回実施することが望ましい。例えば１０回の測定を行い、最大と最小の値を除いた８回分の測定結果の平均値を以て、電源周波数が５０Ｈｚであるか、６０Ｈｚであるか、または、周波数異常であることを判別するのがよい。

また、パルスカウント数の測定の周期は、同じ測定データを読み込んでしまう恐れがあるため、電源周波数の周期（５０Ｈｚの場合は２０ｍｓ）よりも長い周期である４０ｍｓ程度で実施することが望ましい。

また、電源周波数は使用する地域により５０Ｈｚまたは６０Ｈｚであることが決まっているため、パルスカウント数の測定は常時実施する必要はない。電源周波数異常の検出等により、エレベータが運転できなくなるといった恐れがあるため、エレベータ走行中には動作させず、エレベータが停止中に実施することが望ましい。

図５は、電源位相演算部１４の処理が実行可能か否かを判別する処理フローである。ここでは、処理ステップＳ１においてエレベータの停止を判別する。エレベータが停止しているときは処理ステップＳ２に移り電源周波数判別機能は動作可能とし、エレベータが走行しているときは処理ステップＳ３に移り電源周波数判別機能は動作不可能と判別する。

図１は、電源位相演算部１４と電流制御部１６の機能を中心にして示した図である。この図において、電源位相演算部１４と電流制御部１６以外の部分の機能は図２で説明したとおりであるので説明を省略する。

図１で、まず電流制御部１６を構成する主要な回路、機能は、ｄｑ軸電流生成部１６１、比例積分調節回路１６２，１６３、制御電圧生成回路１６４などである。このうちｄｑ軸電流生成部１６１は、三相交流電流Ｉｒ，Ｉｓ，Ｉｔを、直交２軸成分Ｉα、Ｉβに変換し、さらにｄｑ軸電流Ｉｃｄ，Ｉｃｑに変換する。この変換の過程において、電源位相演算部１４で求めた電源位相信号θｃｄを使用する。

制御電圧生成回路１６４では、比例積分調節回路１６２，１６３で算出したｄｑ軸の制御電圧信号Ｅｄ＊，Ｅｑ＊を、直交２軸成分Ｅα、Ｅβに変換し、さらに三相の制御電圧Ｅｃｒ＊，Ｅｃｓ＊，Ｅｃｔ＊に変換する。この逆変換の過程においても、電源位相演算部１４で求めた電源位相信号θｃｄを使用する。なお、ｄｑ軸電流生成部１６１および制御電圧生成回路１６４における変換、逆変換において電源位相信号θｃｄをどのように使用するのかについて、ベクトル制御の多くの文献や特許公報において明らかであるので、詳細説明を割愛する。

ｄｑ軸電流生成部１６１、制御電圧生成回路１６４での変換処理に使用される電源位相信号θｃｄは、要するに交流系統の電圧に同期した正弦波波形であり、この波形は電源位相演算部１４において形成される。またこの波形は、図２で説明した処理の結果を受けて、５０Ｈｚ，６０Ｈｚの双方を出力可能である。

図６の処理波形を用いて、電源位相演算部１４の具体的な処理内容を説明する。先に述べたように電源位相演算部１４での処理では、交流電圧Ｖｃを入力しており、交流電圧Ｖｃを矩形化処理し、交流電圧波形のゼロクロス点を検出して正の半波で”１”を出力し、負の半波で”０”となるパルス信号Ｖｃ１を生成している。また電源位相演算部１４での処理では、先に述べたように５０Ｈｚを識別したときに第１の一定値Ｌ５０を得、６０Ｈｚを識別したときに第２の一定値Ｌ６０を得ている。

電源位相演算部１４内の制御定数格納メモリ１４１では、積分定数として第１の一定値Ｌ５０または、第２の一定値Ｌ６０のいずれかを与える。第１の一定値Ｌ５０の大きさを「１」とすると、第２の一定値Ｌ６０の大きさは周波数比（６０／５０）を反映して「１．２」とされる。

電源位相演算部１４内の積分部１４２では、一定時間Δｔ間隔で積分定数を加算する。５０Ｈｚの場合に、一定時間Δｔを例えば０．１ｍｓとしたときに、加算値（積分値）は、その大きさが「１」ずつ増加する。このことから大きさ「１」を電気角「１．８度」に対応付けて正弦波形を発生させる。この結果５０Ｈｚの場合には、その１周期が２０ｍｓであり、０．１ｍｓの時間間隔Δｔでの２００回の積算により、０度から３６０度の正弦波系が得られる。

これに対し６０Ｈｚの場合には、加算値（積分値）の大きさが「１．２」ずつ増加するので、時間間隔Δｔごとに１．８＊１．２＝２．１６度間隔の正弦波系が得られることになる。この結果６０Ｈｚの場合には、その１周期が１６．７ｍｓであり、０．１ｍｓの時間間隔Δｔでの１６７回の積算により、０度から３６０度の正弦波系が得られる。このことは、積分部１４２の加算周期などを固定のまま、加算する加算値の大きさを変更するのみで５０Ｈｚと６０Ｈｚの正弦波系が得られたことを意味している。

図7は、以上の一連の処理をＣＰＵなどによりソフト的に処理する時の手順を手段として示した図である。この図によれば、交流電圧波形のゼロクロス点を検出して矩形信号を生成する第１の手段、矩形信号の矩形幅の時間計測により交流電源の電源周波数が５０Ｈｚか、６０Ｈｚかを識別する第２の手段、５０Ｈｚのときに第１の一定値を６０Ｈｚのときに第２の一定値を与える第３の手段、矩形幅の期間内において一定値を一定時間間隔ごとに加算処理し、加算値に対応して正弦波形を発生させる第４の手段を備え、これ等の手段による一連の手順を順次実行することになる。

以上説明した本発明装置によれば、簡便な装置構成で５０Ｈｚと６０Ｈｚの周波数切り替えが確実に実行可能である。

１：商用電源
２：フィルタリアクトル
３：コンバータ
４：コンデンサ
５：インバータ
６：巻上機
７：シーブ
８：乗りかご
９：釣合いおもり
１０：電圧検出部
１２：電流検出部
１３：電源位相検出部
１４：電源位相演算部
１５：直流電圧制御部
１６：電流制御部
１７：ＰＷＭ制御回路
１４１：制御定数格納メモリ
１４２：積分部
１４３：相順検出回路
１４４：矩形化回路
１４５：周波数識別部
１４６：タイマー部

Claims (6)

1. 電力変換器による電力変換を行うために、三相交流電流をｄ軸とｑ軸の電流に変換して電流制御を行うとともに前記変換のために交流電源の位相を用いるＰＷＭコンバータ装置であって、
   前記交流電源の電圧波形のゼロクロス点を検出して矩形信号を生成する第１の手段、該矩形信号の矩形幅の時間計測により前記交流電源の電源周波数が５０Ｈｚか、６０Ｈｚかを識別する第２の手段、５０Ｈｚのときに第１の一定値を６０Ｈｚのときに第２の一定値を与える第３の手段、前記矩形信号の矩形幅の期間内において前記の一定値を一定時間間隔ごとに加算処理し、加算値に対応して正弦波形を発生させる第４の手段を備え、該第４の手段の正弦波形を前記交流電源の位相として、三相交流電流をｄ軸とｑ軸の電流に変換することを特徴とするＰＷＭコンバータ装置。
2. 請求項１記載のＰＷＭコンバータ装置であって、
   前記第３の手段の第２の一定値は、第１の一定値に対して６０／５０の比率の大きさとされることを特徴とするＰＷＭコンバータ装置。
3. 請求項１または請求項２記載のＰＷＭコンバータ装置であって、
   前記第２の手段は、電源周波数が５０Ｈｚ、６０Ｈｚではない異常な周波数であることを識別する機能を有することを特徴とするＰＷＭコンバータ装置。
4. 乗りかごと、該乗りかごにロープを介してつながれた釣り合いおもりと、前記乗りかごを駆動する巻上機と、電力系統の電力を変換して前記巻上機に与えこれを駆動する電力変換器とを備え、前記電力変換器による電力変換を行うために、三相交流電流をｄ軸とｑ軸の電流に変換して電流制御を行うとともに前記変換のために交流電源の位相を用いるエレベータ駆動制御装置であって、
   前記交流電源の電圧波形のゼロクロス点を検出して矩形信号を生成する第１の手段、該矩形信号の矩形幅の時間計測により前記交流電源の電源周波数が５０Ｈｚか、６０Ｈｚかを識別する第２の手段、５０Ｈｚのときに第１の一定値を６０Ｈｚのときに第２の一定値を与える第３の手段、前記矩形信号の矩形幅の期間内において前記の一定値を一定時間間隔ごとに加算処理し、加算値に対応して正弦波形を発生させる第４の手段を備え、該第４の手段の正弦波形を前記交流電源の位相として、三相交流電流をｄ軸とｑ軸の電流に変換することを特徴とするエレベータ駆動制御装置。
5. 請求項４記載のエレベータ駆動制御装置であって、
   前記第２の手段による周波数の識別は、エレベータ走行中は動作せず、エレベータが停止中に動作することを特徴とするエレベータ駆動制御装置。
6. 請求項４または請求項５記載のエレベータ駆動制御装置であって、
   前記第３の手段の第２の一定値は、第１の一定値に対して６０／５０の比率の大きさとされることを特徴とするエレベータ駆動制御装置。

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