KR20100039423A - 유도 가열 장치, 전력 변환 회로, 및, 전력 처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 전력 처리 장치는, 전동기(4)를 구동하는 인버터(3)에 병렬로 접속된 전원 평활용 콘덴서(2)에 병렬로 접속한 유도 가열기 구동용 인버터(16)와 그 인버터(16)에 접속된 유도 가열기(18)를 구비한 공진 회로(17)를 갖는 유도 가열 장치(9)와, 전원 평활용 콘덴서(2)의 전압을 검출하여, 기준 전압(11)과 비교하는 비교기(12)와, 비교기(12)의 출력에 따라 스위칭 파형을 결정하는 스위칭 파형 결정 회로(13)와, 스위칭 파형 결정 회로(13)의 출력에 따라, 인버터(16)의 스위칭 소자를 구동하는 스위칭 소자 드라이브 회로(14)를 구비한다.

Description

유도 가열 장치, 전력 변환 회로, 및, 전력 처리 장치{INDUCTION HEATING DEVICE, ELECTRIC POWER CONVERTING CIRCUIT AND ELECTRIC POWER PROCESSING DEVICE}

본 발명은 유도 가열 장치, 전력 변환 회로, 및, 전력 처리 장치에 관한 것이며, 특히, 전동기의 회생 동작에 있어서의 회생 전력 등을 처리하기 위한 유도 가열 장치, 전력 변환 회로, 및, 전력 처리 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 전동기의 구동에 있어서는, 전원으로부터 전동기로, 인버터 등의 전력 변환기를 통해서 전력을 투입하는 경우와, 그와는 반대로, 전동기로부터 전원측으로 전력을 보내는 경우가 있다. 후자는, 전력 회생 동작이라고 하고, 전력 회생 동작시의 전력은 회생 전력이라고 불린다. 이하에, 이 전력 회생 동작을, 엘리베이터를 예로 들어 설명한다.

도 14는 이 종류의 종래의 교류 엘리베이터의 제어 장치의 구성을 나타낸 블록도이다. 제어 장치는, 3상 교류 전원 R, S, T를 직류로 변환하기 위한 정류 다이오드 브리지로 구성된 컨버터(101)와, 컨버터(101)의 출력에 접속된 전원 평활용 콘덴서(102)와, 콘덴서(102)에 병렬로 접속되어, 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여, 전동기(104)에 공급하는 인버터(103)와, 인버터(103)의 출력에 접속된 전동기(104)와, 전동기(104)의 회전을 전달하기 위한 감속 기어(105)와, 감속 기어(105)에 의해 구동되는 구동 도르래(106)와, 구동 도르래(106)에 접속된 균형추(107)와, 엘리베이터 카고(108)와, 전원 평활용 콘덴서(102)에 병렬로 접속되는, 회생 전력을 처리하기 위한 스위치(109)와 저항기(110)와, 전원 평활용 콘덴서(102)의 양단 전압을 검출하는 전압 검출 회로(100)와, 전압 검출 회로(100)의 검출 전압과 기준 전압(111)을 비교하여, 그 차에 따른 신호를 출력하는 비교기(112)와, 비교기(112)의 출력에 의해 스위치(109)를 구동하는 스위칭 소자 드라이브 회로(116)에 의해 구성된다.

전동기(104)에 의해 구동되는 엘리베이터에서는, 일반적으로, 승객이 타는 엘리베이터 카고(108)와 균형추(107)가 두레박식으로 결합되어 있다. 통상, 균형추(107)는 정원의 약 반으로 균형을 잡는 무게로 선정되어 있어, 엘리베이터는 그 승객의 수와 이동 방향(상승 또는 하강)에 따라, 그 엘리베이터 카고(108)와 균형추(107)의 불균형분의 토크를 받아 운전을 행하고 있다. 즉, 엘리베이터 카고(108)가 균형추(107)에 비하여 가벼운 경우에는, 상승 방향에 관해서는 힘이 필요하지 않은 방향이 되고, 반대로 하강 방향에 관해서는 전동기(104)로부터 힘을 가할 필요가 있다. 또한, 엘리베이터 카고(108)가 균형추(107)에 비하여 무거운 경우에는, 하강 방향에 관해서는 힘이 필요하지 않지만, 상승 방향에 관해서는 전동기(104)로부터 힘을 가할 필요가 있다. 이렇게 엘리베이터 카고(108)의 적재 상태와 운전 방향에 따라, 전동기(104)로부터 보아 힘이 필요한 역행(力行) 운전과, 반대로 힘이 필요하지 않고 에너지가 되돌아오는 회생 운전이 행해진다.

상기한 회생 운전시의 에너지는, 회생 전력으로서, 인버터(103)를 통해서 전원측으로 보내지는 것이 일반적이다. 상기 회생 전력이 전원측으로 되돌아오는 경우, 회생 전력을 위한 대책이 이루어져 있지 않은 경우에는, 상기 평활용 콘덴서(102)에 회생 전력이 충전되어, 평활용 콘덴서(102)의 전압이 상승한다. 여기서, 평활용 콘덴서(102)의 전압은, 컨버터(101)나 인버터(103)의 소자에 인가되므로, 평활용 콘덴서(102)의 전압 상승은, 이들 소자 파괴나, 평활용 콘덴서(102)의 파괴로 이어질 우려가 있다. 그래서, 이 회생 전력의 처리로서, 저항기(110)에 의해, 열로 변환하여 손실시키든지, 전동기(104)의 전기적 손실이나 기계적 손실에 의해 소비하여, 전원 평활용 콘덴서(102)의 전압 상승을 방지하는 것이 일반적이다(예컨대, 특허 문헌 1 참조).

또한, 그 밖에도, 컨버터를 접속하여, 계통에 전력을 반환하는 경우도 있다.

(특허 문헌 1) 일본 특허 공개 공보 평 4-26387 호(도 1)

이러한 전동기에 있어서의 회생 전력의 처리 방식으로서, 예컨대, 저항기를 이용하여 열 에너지로서 소비하는 방식을 이용한 경우에는, 그 방열을 위해 큰 저항기와 방열 장치가 필요하게 된다. 또한, 컨버터를 이용하는 경우에는, 고가의 전원 회로와 복잡한 제어가 필요하게 된다. 따라서, 엘리베이터의 제어 장치로서는, 사이즈가 커지고, 비용이 높아지는 등의 문제점이 있었다.

본 발명은, 이러한 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 소형화와 저비용화를 도모하는 것이 가능한 유도 가열 장치, 전력 변환 회로, 및, 전력 처리 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 입력되는 전력을 소비하는 유도 가열 장치로서, 상기 입력되는 전력은, 상기 유도 가열 장치와는 별도로 마련한 전력 변환 회로 중 또는 이 전력 변환 회로에 접속된 부하 중에 자계 또는 전계로서 축적되고, 상기 부하에서 소비되지 않는 전력, 또는, 상기 부하에서 발생하여 상기 부하에서 소비되지 않는 전력인 것을 특징으로 하는 유도 가열 장치이다.

본 발명은, 입력되는 전력을 소비하는 유도 가열 장치로서, 상기 입력되는 전력은, 상기 유도 가열 장치와는 별도로 마련한 전력 변환 회로 중 또는 이 전력 변환 회로에 접속된 부하 중에 자계 또는 전계로서 축적되고, 상기 부하에서 소비되지 않는 전력, 또는, 상기 부하에서 발생하여 상기 부하에서 소비되지 않는 전력이며, 상기 유도 가열 장치가 당해 전력을 열로서 소비하도록 했으므로, 소형화와 저비용화를 도모할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 유도 가열 장치, 전력 변환 회로, 및, 전력 처리 장치의 구성을 나타낸 블록도,
도 2는 일반적인 저항기의 구성을 나타내는 모식도,
도 3은 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 전력 처리 장치에 있어서의 유도 가열기의 구성을 나타내는 모식도,
도 4는 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 유도 가열기의 코일과 발열체의 단열 기구의 일례를 나타낸 모식도,
도 5는 일반적인 저항기와 유도 가열기의 방열 기구를 비교한 모식도,
도 6은 저항기에 있어서의 외장과 유도 가열기의 발열체의 공기로의 열 전달률을 향상시키기 위한 구조의 일례를 나타낸 모식도,
도 7은 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 풀 브리지 인버터를 이용한 전력 처리 장치의 구성을 나타낸 블록도,
도 8은 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 전력 처리 장치를 이용한 엘리베이터 제어 장치의 회생 전력의 시간 변화의 일례를 나타낸 모식도,
도 9는 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 전력 처리 장치의 인버터를 PWM 제어한 경우의, 스위칭 소자의 구동 파형과 유도 가열기의 전류 파형의 일례를 나타낸 모식도,
도 10은 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 전력 처리 장치의 인버터를 PFM 제어한 경우의, 스위칭 소자의 구동 파형과 유도 가열기의 전류 파형의 일례를 나타낸 모식도,
도 11은 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 전력 처리 장치의 인버터를 PPM 제어한 경우의, 스위칭 소자의 구동 파형과 유도 가열기의 전류 파형의 일례를 나타낸 모식도,
도 12는 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 전력 처리 장치의 인버터를 간헐 발진 제어한 경우의, 스위칭 소자의 구동 파형과 유도 가열기의 전류 파형의 일례를 나타낸 모식도,
도 13은 종래의 저항기를 이용한 전력 처리 장치에 있어서의 저항기의 온도 변화와, 종래와 같은 통전 제어를 행한 경우의 유도 가열기의 온도 변화와, 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 전력 제어를 행한 경우의 유도 가열기의 온도 변화의 비교의 일례를 나타낸 모식도,
도 14는 종래의 엘리베이터의 제어 장치의 블록도,
도 15는 본 발명의 실시의 형태 2에 따른 직류 전동기를 이용한 엘리베이터에 있어서의, 유도 가열 장치, 전력 변환 회로, 및, 전력 처리 장치의 구성의 일형태를 나타낸 블록도,
도 16은 본 발명의 실시의 형태 2에 따른 직류 전동기를 이용한 엘리베이터에 있어서의, 유도 가열 장치, 전력 변환 회로, 및, 전력 처리 장치의 구성의 다른 일형태를 나타낸 블록도,
도 17은 종래의 직류 전동기를 이용한 엘리베이터의 제어 장치의 일형태를 나타낸 블록도,
도 18은 종래의 직류 전동기를 이용한 엘리베이터의 제어 장치의 다른 일형태를 나타낸 블록도,
도 19는 일반적인 출력 전압 제어형의 DC/DC 컨버터의 회로 구성을 나타내는 블록도,
도 20은 본 발명의 실시의 형태 3에 따른 DC/DC 컨버터의 스너버(snubber) 회로의 저항을 전력 처리 장치를 이용하여 실현한 예를 나타낸 블록도,
도 21은 본 발명의 실시의 형태 3에 따른 다른 출력 전압 제어형의 DC/DC 컨버터의 회로 구성을 나타내는 블록도이다.

본 명세서에 있어서, 「부하」란, 회로의 출력에 접속되어, 그 회로로부터 전력을 받는 것을 의미하는 것으로 한다. 또한, 「축적」이란, 전기적 에너지를 일시적으로 모아 놓는 것을 의미하고, 「소비」란, 전기적 에너지를 열 에너지나 기계 에너지 등으로 변환하여, 확산시키는 것을 의미한다. 즉, 「부하에서 소비되지 않는 전력」이란, 부하 중에, 전기적 에너지로서 일시적으로 모여 있는 에너지(전력)를 의미한다. 또한, 본 명세서에 있어서, 같은 형태로 사용되는 상기 문언에 대해서는, 같은 의미이다.

(실시의 형태 1)

도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에 따른, 유도 가열 장치, 전력 변환 장치, 및, 그들을 이용한 전력 처리 장치를 구비한 엘리베이터의 제어 장치의 주요 회로 구성을 나타내는 블록도이다. 본 실시의 형태에 있어서는, 제어 장치는, 3상 교류 전원 R, S, T를 직류로 변환하기 위한 정류 다이오드 브리지 등으로 구성된 컨버터(1)와, 컨버터(1)의 출력에 접속된 전원 평활용 콘덴서(2)와, 콘덴서(2)에 병렬로 접속되어, 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여, 전동기(4)에 공급하는 전동기 구동용 인버터(3)(전동기 구동용 전력 변환 장치)와, 인버터(3)의 출력에 접속된 전동기(4)(유도 전동기)와, 전동기(4)의 회전을 전달하기 위한 감속 기어(5)와, 감속 기어(5)에 의해 구동되는 구동 도르래(6)와, 구동 도르래(6)에 접속된 균형추(7)와, 엘리베이터 카고(8)와, 전원 평활용 콘덴서(2)에 병렬로 접속된 유도 가열 장치(9)와, 전원 평활용 콘덴서(2)의 양단 전압(인버터(3)에 인가되는 전압)을 검출하는 전압 검출 회로(10)와, 전압 검출 회로(10)의 검출 전압과 기준 전압(11)을 비교하여, 그 차에 따른 신호를 출력하는 비교기(12)와, 비교기(12)의 출력에 의해 유도 가열 장치(9)에 마련된 후술하는 인버터를 구성하는 스위칭 소자의 구동 파형을 결정하는, 스위칭 파형 결정 회로(13)와, 스위칭 파형 결정 회로(13)로부터의 신호에 따라, 스위칭 소자를 구동하는, 스위칭 소자 드라이브 회로(14)에 의해 구성된다.

본 실시의 형태 1에 있어서는, 컨버터(1)와, 전원 평활용 콘덴서(2)와, 전동기 구동용 인버터(3)가, 전원으로부터 공급되는 전력을 부하에 공급하기 위한 전력 변환 회로를 구성하고 있다.

상술한 바와 같이, 본 실시의 형태 1의 엘리베이터의 제어 장치에서는, 회생 전력의 전력 처리 장치로서, 전원 평활용 콘덴서(2)에 병렬로 유도 가열 장치(9)를 접속한다. 유도 가열 장치(9)는, 전원 평활용 콘덴서(2)의 전압이나 전류의 변동을 억제하기 위한, 인덕터와 콘덴서 등으로 구성되는 입력 필터 회로(15)와, 직류 전압을 수 ㎑~수 백 ㎑ 정도의 교류 전압으로 변환하여, 유도 가열기(18)에 공급하기 위한, 적어도 하나 이상의 스위칭 소자로 구성되는 유도 가열기 구동용 인버터(16)와, 유도 가열기(18)와 그것에 직렬 또는 병렬로 접속한 하나 이상의 인덕터 또는 콘덴서 또는 그 양쪽 등에 의해 구성되는 공진 회로(17)를 구비하고 있다. 또, 유도 가열기(18)를 구동하기 위한 유도 가열기 구동용 인버터(16)를 구성하는 소자로서는, MOSFET, IGBT, 사이리스터, 다이오드 등, 스위칭 기능을 갖는 것이라면, 어떠한 소자를 이용하더라도 좋다. 또한, 입력 필터 회로(15)는, 전원 평활용 콘덴서(2)의 전압 변동이나 전류 변동이, 전원 평활용 콘덴서(2) 자신이나 그 밖의 회로에 영향을 미치지 않는 경우는 이용하지 않더라도 좋다.

우선, 본 실시의 형태에 있어서 유도 가열기(18)를 이용하는 것의 이점에 대하여 이하에 설명한다.

일반적인 저항기(110)의 구조를 도 2에 나타낸다. 저항기는, 니크롬선 등의 저항체(발열체)(120)와, 저항체(120)와 단자(121)를 지지하는 기체(122)와, 저항체(120)와 기체(122)를 외기나 기계적 충격으로부터 지키기 위한 외장(123)과, 외부와의 접속용 단자(121)와 리드(124)에 의해 구성된다.

저항기(110)에 전력을 주면, 우선 저항체(120)에서 전력이 열 에너지로 변환된다. 저항체(120)에서 발생한 열 에너지는, 기체(122)로부터 외장(123)을 지나, 공기 중으로 방열된다. 여기서, 저항기(110)는, 어떤 일정 이상의 온도가 되면 발화 등에 의해 파괴된다. 또한, 저항기(110)의 온도가 상승하면, 단자(121)나 리드(124) 등이 열 피로에 의해 열화되므로, 이들의 신뢰성이 낮아진다. 그래서, 저항기(110)가 파괴되지 않고, 또한, 단자(121)나 리드(124) 등의 신뢰성을 확보할 수 있는 온도에서 사용할 수 있도록, 저항기(110)의 정격 전력이 정해진다. 즉, 방열성이 좋은 저항기(110) 쪽이, 보다 큰 전력에서 사용할 수 있고, 신뢰성도 높다고 할 수 있다.

다음으로, 유도 가열기(18)의 구조의 간략도를 도 3에 나타낸다. 유도 가열기(18)는, 주로 금속으로 구성되는 발열체(20)와, 발열체(20)에 자속을 통과시키기 위한 코일(21)과, 코일(21)에 외부 회로를 접속하기 위한 단자(22)와 리드(23)로 이루어진다. 또, 코일(21)은 하나로 한정되지 않고, 여러 개 마련하도록 하여도 좋다. 또한, 발열체(20)는, 코일(21)에서 발생한 자속이 지나는 위치에 마련되어, 이 자속에 의해 유도 가열되는 것이다.

유도 가열기(18)에서는, 발열체(20)와 코일(21)이 분리되어 있어, 비접촉으로 발열체(20)에 급전을 행한다. 또한, 발열체(20)는 철 등의 금속의 덩어리이므로, 외기나 기계적 충격으로부터 지킬 필요성이 도 2에 나타낸 저항기에 비하여 낮다. 이로부터, 기체나 외장이 필요 없이, 발열체(20)를 직접 공기와 접촉시킬 수 있다.

유도 가열기(18)에 있어서의 정격 전력은, 급전을 위해 사용되는 코일(21)의 선재의 내열 온도로 결정된다. 상술했지만, 급전은 비접촉으로 행해지므로, 코일(21)은 발열체(20)로부터의 복사, 코일(21)과 발열체(20) 사이의 공기 등의 매체를 통과한 열 전달, 코일(21) 자신의 전력 손실 등에 의해 발열한다. 따라서, 코일(21)과 발열체(20) 사이의 열 전달을 작게 할 수 있으면, 발열체(20)의 온도는, 용융이나 변형, 또는 전기적 특성의 변화(큐리점을 넘은 경우의 자화율의 변화) 등의 현상이 생기지 않으면, 몇 도가 되어도 좋다.

여기서, 코일(21)과 발열체(20) 사이의 열 전달을 저하시키기 위해서는, 그 사이의 매질의 열 전달률을 저감시키면 된다. 코일(21)과 발열체(20) 사이의 매질의 열 전달률의 저감은, 예컨대, 도 4(a)에 나타내는 바와 같이, 코일(21)과 발열체(20) 사이에 판 형상의 단열재(30)를 삽입하거나, 혹은, 도 4(b)에 나타내는 바와 같이, 코일(21)과 발열체(20)를 밀폐 용기(31)에 넣어 공간적으로 밀폐하여, 그 밀폐 공간을 진공으로 한다고 하는 방법에 의해 실현하는 것이 가능하다. 여기서, 코일(21)과 발열체(20) 사이에 삽입하는 단열재(30)로서는, 유리솜(glass wool), 암면(rock wool), 페놀폼, 폴리스타이렌폼 등, 그 열 전달률이 낮고, 발열체(20)의 온도에 견딜 수 있는 것이면, 어떠한 것을 이용하더라도 좋다. 또한, 코일(21)과 발열체(20) 사이의 열 전달률을 저감하는 방법은, 상기한 것에 한정되는 것이 아니라, 열 전달률을 내릴 수 있으면, 어떠한 방식을 이용하더라도 좋다. 또한, 코일 자신의 발열이 문제가 되는 경우에는, 코일과 발열체 사이에 공기를 흐르게 하여, 코일을 방열시키는 방법을 취할 수도 있다.

유도 가열기(18)와 저항기(110)의 방열의 형태를 비교한 모식도를 도 5에 나타낸다. 도 5(a)에 나타내는 바와 같이, 저항기(110)에서는, 발열체(120)로부터 공기로의 방열까지의 사이에, 기체(122)의 열 저항과 외장(123)의 열 저항 및 외장(123)으로부터 공기로의 열 저항을 통해 공기로의 방열을 행한다. 이 때문에, 방열 효율을 올리기 위해서는, 기체(122)의 열 저항, 외장(123)으로의 열 저항, 외장(123)으로부터 공기로의 열 저항의 각각을 작게 할 필요가 있다. 이에 비하여, 유도 가열기에서는, 도 5(b)에 나타내는 바와 같이, 발열체(20)와 공기가 직접 접촉하고 있어, 발열체(20)는, 발열체(20)로부터 공기로의 열 저항만을 통해 방열을 행한다. 이 때문에, 유도 가열기(18)에서는, 발열체(20)로부터 공기로의 열 저항을 작게 하는 것만으로, 방열성을 개선할 수 있다.

여기서, 발열체로부터 공기로의 열 저항을 작게 하는 방법으로서는, 외장 또는 발열체와, 공기의 접촉 단면적을 크게 하는 방법, 팬 등으로 강제 공랭하는 방법이 있다.

외장 또는 발열체와 공기의 접촉 단면적을 크게 하는 방법으로서는, 그 형상을 핀 형상으로 하는 방법이 있다.

저항기(110)의 외장(123)이나 발열체(120) 본체를 핀으로 하는 경우, 그 형상의 일례를 도 6에 나타낸다. 도 6(a)는 저항기(110)의 외장(123)을 핀으로 구성한 예이다. 또한, 도 6(b)는 유도 가열기(18)의 발열체(20)를 핀으로 구성하여, 발열체겸 핀으로 한 구성의 예이다. 핀은, 예컨대, 판에, 칸막이를 세운 것 같은 형상을 하고 있고, 칸막이의 개수를 많게 하면 할수록, 공기와의 접촉 단면적을 늘릴 수 있다. 일반적으로 핀의 열 저항은, 공기의 풍속 등에 따라 다르지만, 1℃/W 이하이며, 작은 것이면, 0.1℃/W 이하인 것까지 있다. 이에 비하여, 저항기에 있어서의, 저항체(발열체)나 기체의 열 저항은, 재질에 따라 다르지만, 수 ℃/W 정도이다. 이 때문에, 저항기(110)와 유도 가열기(18)에서, 공기와의 접촉면을 같게 한 경우에도, 저항기(110)의 공기로의 열 저항은, 수 ℃/W 정도가 되는데 비하여, 유도 가열기(18)의 열 저항은 1℃/W로부터 0.1℃/W 이하로 할 수 있다. 즉, 같은 부피에 있어서의 열 저항을 수 분의 1로부터 수 십 분의 1로 할 수 있어, 같은 열을 처리하는 경우에는, 그 부피를 저항기의 수 분의 1로부터 수 십 분의 1로 할 수 있다.

이상으로부터, 유도 가열기는, 본 실시의 형태와 같이, 전력을 열로 바꿔 소비하는 경우에는, 저항기에 비하여, 그 부피를 작게 할 수 있다고 하는 이점이 있다.

다음으로, 유도 가열기(18)의 구동에 대하여 설명한다.

유도 가열기(18)를 구동하는 경우에는, 코일(21)에 비교적 고주파인 교류 전류를 흐르게 할 필요가 있다. 일반적인 유도 가열기(18)의 등가 회로 중 가장 간단한 것은, 코일과 저항의 직렬 회로로 나타내어지고, 이 등가 회로에 있어서의 저항으로 전력이 소비되게 된다. 유도 가열기의 저항의 대부분은, 상기 발열체의 표피 저항이며, 발열체가 금속이므로, 일반적으로는 유도 가열기의 등가 회로에서 나타내어지는 저항값은 작다. 또한, 이 저항에 전류를 흐르게 하기 위해서는, 발열체에 유도 기전력을 발생시킬 필요가 있다.

유도 기전력은, 발열체에 쇄교하는 자속의 시간 변화에 의해 발생한다. 자속은, 전류값에 비례하므로, 유도 기전력을 발생시키기 위해서는, 코일에, 시간 변화하는 전류를 흐르게 할 필요가 있다.

여기서, 단순히 이상 코일에 직류 전원을 접속하여, 직류 전압을 공급한 경우, 코일의 전류는 이하의 식으로 시간 변화한다.

I_L=(V/L)t

여기서, I_L : 코일 전류, V : 인가 전압, L : 코일의 자기 인덕턴스, t : 전압의 인가 시간으로 한다.

위의 식에서 알 수 있듯이, 코일에 직류 전압을 인가하면, 시간 경과와 함께 코일의 전류는 증가한다. 여기서, 코일의 전류가 너무 커지면, 코일 자신의 저항에 의한 손실이 커져, 코일이 발열하여 발화 등의 파괴를 일으키는 경우가 있다. 이 때문에, 코일에 소정 시간 이상 전압을 인가하지 않도록, 전압의 극성을 소정 시간마다 반전할 필요가 있다. 즉, 교류 전압으로 코일을 구동할 필요가 있다. 전압의 극성을 반전하면, 코일의 전류는 전압의 극성에 대응한 극성으로 증가하므로, 코일의 전류를 어느 일정 이상 증가하지 않도록 할 수 있다. 즉, 코일에 교류 전압을 인가함으로써, 비교적 작은 전류로 발열체에 유도 기전력을 발생시켜, 발열체에 전력을 투입하는 것이 가능해진다.

코일에 교류 전압을 인가하는 경우에는, 전원과 유도 가열기의 사이에, 인버터를 접속하여, 그 인버터의 스위칭 소자를 온오프할 필요가 있다. 여기서, 상기한 바와 같이, 유도 가열기의 저항은 작으므로, 유도 가열기로의 전력 투입량을 크게 하고자 하면, 발열체에 발생하는 유도 기전력을 크게 할 필요가 있고, 자속의 시간 변화를 크게 할 필요가 있다. 즉, 코일을 흐르는 전류의 시간 변화를 크게 할 필요가 있다. 인버터의 스위칭 동작에서는, 코일에 전류가 흐르는 것을 차단할 필요가 있으므로, 스위칭 소자에 전류를 흐르게 한 상태에서 스위칭 동작을 한다. 따라서, 큰 전류에서 스위칭하는 경우에는, 이 스위칭에 의한 손실이 커져, 인버터의 소자가 발열하여, 파괴에 이르는 경우가 있다. 이러한 사태를 피하기 위해서는, 인버터의 스위칭에 의한 손실을 저감시킬 필요가 있다. 그래서, 일반적으로는, 유도 가열기에, 콘덴서 등을 접속함으로써, 공진 회로를 형성하여, 그 공진 동작에 따른 공진 전압, 또는 공진 전류를 유도 가열기에 인가하여 인버터를 구동한다. 이 경우, 스위칭 소자에도 공진 전류나, 공진 전압이 인가되므로, 스위칭의 타이밍에 따라서는, 인버터를 흐르는 전류가 작은 경우, 또는 인버터의 소자의 전압이 작은 경우에, 스위칭 동작을 행하는 것이 가능해진다. 이 때문에, 스위칭의 손실을 크게 저감할 수 있다.

여기서, 상기한 공진 회로를 이용하는 경우의 주파수는, 비교적 높게 할 필요가 있다. 일반적으로, 공진 회로를 이용하여 전력 투입을 행하는 경우, 인버터의 주파수를, 공진 회로의 공진 주파수 부근으로 한다. 이것은, 구동 주파수가 공진 주파수와 크게 다르면, 공진 회로를 구성하는 저항 이외의 소자, 인덕터나 캐패시터 등의 임피던스가 크게 보여, 발열체의 저항에 전력을 투입하기 어려워지기 때문이다. 상기 공진 회로의 공진 주파수는, 인덕터와 캐패시터와 저항의 값에 따라 정해진다. 일반적으로는, 상기 공진 회로의 인덕터와 캐패시터의 값이 작을수록, 공진 주파수는 높아진다. 인덕터나 캐패시터의 값은, 그 사이즈에 비례하므로, 가능한 한 작은 쪽이 좋다. 따라서, 공진 주파수는 가능한 한 높은 쪽이 좋게 된다. 그런데, 인버터의 구동 주파수는, 그 구성 소자에 따라 다르지만, 수 ㎐~수 ㎒까지 한정된다. 이 때문에, 공진 회로의 공진 주파수도, 상기 수 ㎐로부터 수 ㎒의 사이로 설정할 필요가 있다. 이상으로부터, 유도 가열기는, 가능한 한 고주파의 교류 파형으로 구동할 필요가 있다고 할 수 있다.

여기서, 유도 가열기 구동용 인버터의 일례로서, 풀 브리지 인버터(41)와 직렬 공진 회로(42)를 이용한 엘리베이터의 제어 회로를 도 7에 나타낸다. 도 7에 있어서, Q1, Q2, Q3, Q4는, 그 출력에 유도 가열기(18)를 접속하여, 풀 브리지 인버터(41)를 구성하고 있는 스위칭 소자이다. 또한, 유도 가열기(18)에는 콘덴서가 직렬로 접속되어 직렬 공진 회로(42)가 구성되어 있다. 이와 같이, 도 7에 있어서는, 유도 가열 장치(40)는, 입력 필터 회로(15)와 스위칭 소자 Q1, Q2, Q3, Q4로 구성된 풀 브리지 인버터(41)와 유도 가열기(18)와 콘덴서로 구성된 직렬 공진 회로(42)로 구성되어 있다. 다른 구성에 대해서는, 도 1과 같으므로, 여기서는 동일 부호를 붙여 나타내고, 그 설명은 생략한다.

도 7의 구성을 예로 하여, 유도 가열기(18)를 이용하여 회생 전력을 소비하는 경우의 장치의 동작을 이하에 나타낸다.

엘리베이터 카고(8)가 균형추(7)에 비하여 가벼운 경우에는, 카고 상승시에, 한편, 엘리베이터 카고(8)가 균형추(7)에 비하여 무거운 경우에는, 카고 하강시에, 전동기의 단자간에 기전압이 생겨, 구동 회로측에 전력을 회생하는, 회생 운전이 된다. 즉, 부하로서의 전동기(4)가 전력을 발생시키고, 이 부하가 발생시킨 회생 전력을 유도 가열기(18)에 의해 소비한다.

회생 운전이 개시되면, 전동기 구동용 인버터(3)는, 전원 평활용 콘덴서(2)측에 회생 전류를 흐르게 한다. 회생 운전시의 대책이 이루어져 있지 않은 경우, 이 회생 전류에 의해 전원 평활용 콘덴서(2)가 충전되어, 그 양단 전압이 상승한다. 상술했지만, 이 콘덴서(2)의 전압 상승은, 3상 전원 정류용 컨버터(1)나, 전동기 구동용 인버터(3), 전원 평활용 콘덴서(2) 자신 등의 파괴로 이어지므로, 콘덴서(2)의 전압이 어느 일정 이상 상승하지 않도록 할 필요가 있다.

그래서, 회생 전력 처리 장치에서는, 전원 평활용 콘덴서(2)의 전압의 상승을 방지하기 위해, 회생 전력이 콘덴서(2)에 충전되지 않도록, 회생 전력을 바이패스하는 역할을 한다. 회생 전력 처리 장치에서는, 우선, 전원 평활용 콘덴서(2)의 전압을, 예컨대, 저항 분압 등으로 구성되는 전압 검출 회로(10)에 의해, 0으로부터 5V 정도의 범위의 전압 검출 신호로 변환한다. 전압 검출 회로(10)의 출력 전압값은, 예컨대, 전원 평활용 콘덴서(2)의 전압이 100V인 경우에 1V, 300V인 경우에는 3V로, 전원 평활용 콘덴서의 전압에 비례하고 있다.

다음으로, 비교기(12)에 의해, 상기 전압 검출 신호를, 미리 정해져 있는 기준 전압(11)과 비교한다. 이때의 기준 전압(11)은, 예컨대, 전원 평활용 콘덴서(2)의 전압의 상한치를 전압 검출 신호로 변환했을 때의 전압값이다.

회생 운전이 개시되면, 전원 평활용 콘덴서(2)의 전압 검출 신호가, 상기 기준 전압(11)보다 커진다.

시간적인 회생 전력 패턴의 일례를, 엘리베이터에 이용되는 전동기의 경우에 있어서 나타낸 도면을 도 8에 나타낸다. 도 8에 있어서, 가로축은 시간, 세로축은 전력을 나타낸다.

도 8에 나타낸대로, 전동기(4)로부터의 회생 전력은 시간적으로 변동한다. 이 때문에, 유도 가열기(18)에서 소비하는 전력도, 시간적으로 변화하는 회생 전력에 따라 조정할 필요가 있다.

이하에, 본 실시의 형태 1에 있어서의, 전력 제어시의 풀 브리지 인버터(41)의 동작에 대하여 설명한다. 현재의 전원 평활용 콘덴서(2)의 전압 검출 신호 Vca와 기준 전압 Vba에 차가 생기면, 비교기(12)는, 그 차에 따른 전압 신호를 출력한다.

구체적으로는, 비교기(12)는, 상기한 Vca와 Vba의 차를, 예컨대, -5V로부터 5V의 전압 신호로 변환하여 출력한다. 예컨대, Vca=Vba일 때, 비교기(12)의 출력이 0V이며, Vca>Vba인 경우에는, 비교기의 출력은 0V 이상이며, Vca<Vba인 경우에는, 비교기(12)의 출력은 0V 이하이며, Vca와 Vba의 차가 커질수록, 비교기(12)의 출력 전압값이, Vca>Vba인 경우에는 양으로 커지고, Vca<Vba인 경우에는 음으로 커진다. 비교기의 종류에 따라서는, 상기 Vca와 Vba의 차가 변화한 경우 등에, 새롭게 구한 차에 따른 전압 신호까지, 어느 정도의 시간을 들여 출력을 변화시키는 것도 있다.

다음으로, 비교기(12)의 출력 신호는, 스위칭 파형 결정 회로(13)에 입력된다. 스위칭 파형 결정 회로(13)는, 그 신호에 따라, 풀 브리지 인버터(41)의 구동 파형을 결정한다. 구체적으로는, 비교기(12)의 출력이 상기한 특성인 경우에, 예컨대, 비교기(12)의 출력이 0V 이상이며, 그 전압값이 커진 경우에는, 유도 가열기(18)에서 소비하는 전력이 커지도록, 풀 브리지 인버터(41)의 구동 듀티를 크게 하고, 비교기(12)의 전압값이 작아진 경우에는, 유도 가열기(18)에서 소비하는 전력이 작아지도록, 풀 브리지 인버터(41)의 구동 듀티를 작게 하고, 비교기(12)의 출력이 0V 이하인 경우에는, 그 전압값이 음으로 커진 경우에는, 유도 가열기(18)에서 소비하는 전력이 작아지도록, 풀 브리지 인버터(41)의 구동 듀티를 작게 하고, 비교기(12)의 전압값이 음으로 작아진 경우에는, 유도 가열기(18)에서 소비하는 전력이 커지도록, 풀 브리지 인버터(41)의 구동 듀티를 크게 하는 펄스폭 변조 제어 방식(Pulse-Width Modulation : PWM)을 이용하여 전력을 조정한다. 혹은, 다른 제어 방법이라도 좋고, 예컨대, 비교기(12)의 출력이 0V 이상이며, 그 전압값이 커진 경우에는, 유도 가열기(18)에서 소비하는 전력이 커지도록, 풀 브리지 인버터(41)의 구동 주파수와 공진 주파수의 차를 작게 하고, 비교기(12)의 전압값이 작아진 경우에는, 유도 가열기(18)에서 소비하는 전력이 작아지도록, 풀 브리지 인버터(41)의 구동 주파수와 공진 주파수의 차를 크게 하고, 비교기(12)의 출력이 0V 이하인 경우에는, 그 전압값이 음으로 커진 경우에는, 유도 가열기(18)에서 소비하는 전력이 작아지도록, 풀 브리지 인버터(41)의 구동 주파수와 공진 주파수의 차를 크게 하고, 비교기(12)의 전압값이 음으로 작아진 경우에는, 유도 가열기(18)에서 소비하는 전력이 커지도록, 풀 브리지 인버터(41)의 구동 주파수와 공진 주파수의 차를 작게 하는 주파수 변조 제어 방식(Pulse-Frequency Modulation : PFM), 또는, 예컨대, 비교기(12)의 출력이 0V 이상이며, 그 전압값이 커진 경우에는, 유도 가열기(18)에서 소비하는 전력이 커지도록, 풀 브리지 인버터(41)의 구동 펄스와 부하의 전류의 위상차를 작게 하고, 비교기(12)의 전압값이 작아진 경우에는, 유도 가열기(18)에서 소비하는 전력이 작아지도록, 풀 브리지 인버터(41)의 구동 펄스와 부하의 전류의 위상차를 크게 하고, 비교기(12)의 출력이 0V 이하인 경우에는, 그 전압값이 음으로 커진 경우에는, 유도 가열기(18)에서 소비하는 전력이 작아지도록, 풀 브리지 인버터(41)의 구동 펄스와 부하의 전류의 위상차를 크게 하고, 비교기(12)의 전압값이 음으로 작아진 경우에는, 유도 가열기(18)에서 소비하는 전력이 커지도록, 풀 브리지 인버터(41)의 구동 펄스와 부하의 전류의 위상차를 작게 하는 위상 변조 제어 방식(Pulse-Phased Modulation : PPM), 또는, 예컨대, 비교기(12)의 출력이 0V 이상이며, 그 전압값이 커진 경우에는, 유도 가열기(18)에서 소비하는 전력이 커지도록, 풀 브리지 인버터(41)의 구동 펄스의 출력 빈도를 늘리고, 비교기(12)의 전압값이 작아진 경우에는, 유도 가열기(18)에서 소비하는 전력이 작아지도록, 풀 브리지 인버터(41)의 구동 펄스의 출력 빈도를 줄이고, 비교기(12)의 출력이 0V 이하인 경우에는, 그 전압값이 음으로 커진 경우에는, 유도 가열기(18)에서 소비하는 전력이 작아지도록, 풀 브리지 인버터(41)의 구동 펄스의 출력 빈도를 줄이고, 비교기(12)의 전압값이 음으로 작아진 경우에는, 유도 가열기(18)에서 소비하는 전력이 커지도록, 풀 브리지 인버터(41)의 구동 펄스의 출력 빈도를 늘리는 간헐 발진 제어 방식 등을 이용하여 전력을 조정한다. 이와 같이, 스위칭 파형 결정 회로(13)는, 상기한 어느 한 제어 방식에 따라, 비교기(12)의 출력 신호에 따라, 유도 가열기(18)를 구동하는 풀 브리지 인버터(41)의 구동 펄스를 제어함으로써, 유도 가열기(18)에서 소비하는 전력을 조정한다.

이렇게 해서, 스위칭 파형 결정 회로(13)는, 각 제어 방식에 따른 펄스 파형을 스위칭 소자 드라이브 회로(14)에 전송한다. 스위칭 소자 드라이브 회로(14)는, 스위칭 파형 결정 회로(13)로부터 입력된 펄스 파형을, 스위칭 소자 Q1~Q4를 구동하기에 최적의 전압으로 변환하고, 그것에 의해 스위칭 소자 Q1~Q4를 각각 구동한다.

각 제어를 이용한 경우의, 스위칭 소자 Q1~Q4에 입력되는 펄스와, 유도 가열기(18)에 흐르는 전류 파형의 모식도를, 각각, PWM에 대해서는 도 9에, PFM에 대해서는 도 10에, PPM에 대해서는 도 11에, 간헐 발진 제어에 대해서는 도 12에 나타낸다. 또, 각 도면에 있어서는, 스위칭 소자에 인가되는 파형이 플러스일 때, 스위칭 소자는 온하고, 스위칭 소자에 인가되는 파형이 0 또는 마이너스일 때, 스위칭 소자는 오프하는 것으로 하고 있다. 또한, 도면에 있어서의 Q1, Q2, Q3, Q4는 도 7에 있어서의 스위칭 소자의 기호에 대응하고 있고, 유도 가열기에 흐르는 전류에 있어서는, 실제로는 파형이 비뚤어져, 스위칭 파형과의 위상이 다른 경우 등, 도 9~도 12에 나타낸 것과 다른 경우도 있다.

또한, 상기한 스위칭 소자 Q1~Q4의 각 제어 방식은, 유도 가열기(18)에서 소비하는 전력을 제어할 수 있으면, 어떤 제어 방식을 이용하더라도 좋고, 각각의 제어 방식을 복합적으로 사용하더라도 좋다. 또한, 유도 가열기(18)에서 소비하는 전력을 제어할 수 있으면, 어떠한 스위칭 파형을 이용하더라도 좋다.

이상과 같이, 유도 가열기(18)의 전력을 실시간으로 제어함으로써, 전동기(4)의 회생 동작시에, 전원 평활용 콘덴서(2)의 전압을, 상기한 소자 파괴 등을 야기하는 전압보다 작은 전압으로 유지할 수 있고, 또한, 전원 평활용 콘덴서(2)의 전압의 변동을 작게 할 수 있어, 전원 평활용 콘덴서(2)에 있어서의 전압 변동에 의한 손실을 저감할 수 있다.

또한, 유도 가열기(18)를 이용하는 경우, 그 이점으로부터, 종래의 저항기를 이용하는 경우에 비하여 부피를 작게 할 수 있지만, 그 부피를 작게 함으로써, 전력에 대한 온도의 변화율은 커진다.

도 14에 나타내는, 종래와 같은 저항기에서의 회생 전력의 처리 장치에 있어서는, 회생 운전시에 저항기로의 통전을 제어하는 스위칭 소자를, 수 ㎐~수 ㎑의 스위칭 주파수로 구동하고 있었다. 그러나 상기한 바와 같이, 유도 가열기는 그 부피가 작아, 전력에 대한 온도의 변화율이 크므로, 종래의 저항기와 같은 통전 제어에서는, 열의 변동이 커져, 열 사이클에 의한 피로에 의해, 유도 가열기를 유지하는 부재나, 유도 가열기 자신의 수명의 신뢰성을 저하시켜버린다.

종래의 저항기로 구성되는 회생 전력의 처리 장치에 있어서의 저항기의 온도 변화와, 이와 같은 제어로 유도 가열 장치를 구동한 경우의 유도 가열기의 온도 변화, 및 상기한 실시간 전력 제어를 이용한 경우의 유도 가열기의 온도 변화의 비교의 모식도를 도 13에 나타낸다. 도 13에 있어서, (a)가 종래의 저항기로 구성되는 회생 전력의 처리 장치에 있어서의 저항기의 온도 변화, (b)가 이와 같은 제어로 유도 가열 장치를 구동한 경우의 유도 가열기의 온도 변화, (c)가 상기한 실시간 전력 제어를 이용한 경우의 유도 가열기의 온도 변화이다. 도 13으로부터 분명하듯이, (b)의 경우가 온도 변화가 가장 크고, 다음이 (a)이고, (c)의 경우가 가장 온도 변화가 작다. 이와 같이, 도 13에 나타낸 바와 같이, 본 실시의 형태에 있어서는, 유도 가열기를 이용한 회생 전력 처리 장치에 있어서, 상기한 실시간으로 전력을 제어하는 방식을 이용함으로써, 유도 가열기의 급격한 온도 변화를 방지할 수 있어, 유도 가열기를 유지하는 부재나, 유도 가열기의, 열 사이클에 의한 피로를 저감하여, 수명에 대한 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.

이와 같이, 전동기의 회생 전력 처리 장치로서, 유도 가열 장치를 이용함으로써, 저항기를 이용한 경우에 비하여, 회생 전력 처리 장치의 부피, 사이즈를 저감할 수 있어, 전동기의 제어 장치 전체의 부피, 사이즈를 작게 하는 것이 가능하다.

또, 본 실시의 형태에서 설명한, 유도 가열기를 구동하는 인버터는, 풀 브리지 외에도, 하프 브리지나 스위칭 소자를 하나 이용한 1석식 컨버터, 트랜스를 이용한 푸시풀(push-pull), 플라이백(flyback), 포워드(forward) 등, 어떠한 회로 구성을 이용하더라도 좋다.

또한, 유도 가열기를 포함하는 공진 회로는, 유도 가열기와 콘덴서를 직렬로 연결한 직렬 공진 회로, 유도 가열기와 콘덴서를 병렬로 연결한, 병렬 공진 회로 등, 어떠한 형식을 취하더라도 좋다.

이상과 같이, 본 실시의 형태에 따른 전력 처리 장치는, 도 1 및 도 7에 나타내는 바와 같이, 전동기(4)를 구동하는 전동기 구동용 인버터(3)에 병렬로 접속되는 전원 평활용 콘덴서(2)에 병렬로 접속되는, 직류 전압을 수 ㎑로부터 수 백 ㎑의 교류 전압으로 변환하기 위한, 적어도 하나 이상의 스위칭 소자로 구성되는 유도 가열기 구동용 인버터(16) 또는 풀 브리지 인버터(41)와, 그 인버터(16, 41)의 출력에 접속되어, 적어도 하나 이상의 코일(21)과, 코일(21)에서 발생한 자속이 지나는 위치에 마련된, 발열체(20)로 이루어지는 유도 가열기(18)에 의해 구성되는 유도 가열 장치(9, 40)를 구비하고, 전동기(4)의 전력 회생시에, 유도 가열 장치(9, 40)를 구동하여, 회생 전력을 유도 가열기(18)에 의해 열로서 소비하는 것을 특징으로 하고 있다. 이와 같이, 본 실시의 형태에 따르면, 전동기(4)의 회생 전력의 전력 처리 장치로서, 유도 가열기(18)를 이용함으로써, 그 장치를 소형이며 단순한 구성으로 실현할 수 있으므로, 제조 비용 삭감도 도모할 수 있다.

또한, 도 1에 나타내는 바와 같이, 유도 가열기(18)와, 유도 가열기(18)에 직렬 또는 병렬로, 하나 이상의 인덕터 또는 콘덴서 또는 그 양쪽을 접속한 공진 회로(17)를 구비하도록 한 경우, 유도 가열기(18)를 포함하는 공진 회로(17)를 구비함으로써, 그 공진 회로(17)의 특성을 이용하여, 인버터의 손실을 저감하는 스위칭을 행할 수 있다.

또한, 도 4에 나타내는 바와 같이, 코일(21)과 발열체(20)의 사이에, 열 저항이 큰 단열재(30)를 마련한 경우에는, 발열체의 열이 코일에 전달되는 것을 경감하여, 코일의 상승 온도를 억제할 수 있어, 코일의 온도로 결정되는 유도 가열 장치의 상한 온도를 높게 할 수 있어, 같은 전력을 소비하는 경우의 유도 가열 장치의 부피를 작게 할 수 있다. 또한, 코일과 발열체의 사이에 공기를 흐르게 하여, 코일을 방열하는 것으로도 같은 효과를 얻을 수 있다.

또한, 도 6(b)에 나타내는 바와 같이, 유도 가열기(18)에 있어서의 발열체(20)의 형상을, 핀 형상으로 한 경우에는, 핀 형상으로 함으로써, 공기와의 접촉 면적을 크게 할 수 있어, 발열체의 공기로의 열 전달률을 크게 할 수 있으므로, 같은 전력을 소비하는 경우의 발열체의 부피를 작게 할 수 있다.

또한, 본 실시의 형태에 있어서는, 전동기(4)를 구동하는 인버터(3)에 병렬로 접속되는 전원 평활용 콘덴서(2)의 전압을 전압 검출 회로(10)에 의해 검출한, 전압 검출 신호를, 미리 정해진 기준 전압(11)과 비교하여, 그 차를 출력하는 비교기(12)와, 비교기(12)의 출력에 따라, 유도 가열기(18)를 구동하는 인버터(16)의 스위칭 파형을 결정함으로써, 유도 가열기(18)의 전력을 조정하는 스위칭 파형 결정 회로(13)와, 그 스위칭 파형 결정 회로(13)로부터의 신호를, 인버터(16)의 스위칭 소자를 구동하기에 최적의 전압으로 변환하는, 스위칭 소자 드라이브 회로(14)에 의해, 유도 가열기(18)를 구동하는 인버터의 스위칭을 행하므로, 이와 같이, 항상 전원 평활용 콘덴서(2)의 전압을 기준 전압(11)과 비교하여 전력 제어를 행함으로써, 전원 평활용 콘덴서(2)의 전압이, 소자 파괴 등이 일어나는 전압이 되는 것을 방지할 수 있고, 또한, 전원 평활용 콘덴서(2)의 전압 변동을 작게 할 수 있으므로, 전원 평활용 콘덴서(2)의 손실을 작게 할 수 있어, 전원 평활용 콘덴서(2)의 수명 등에 있어서의 신뢰도를 높일 수 있다. 또한, 이 전력 제어에 의해, 유도 가열기(18)에 있어서의 열의 변동을 억제하여, 열 사이클에 의한 유도 가열기(18) 자신이나, 유도 가열기(18)를 지지하는 부재의 열 피로를 억제하는 효과가 있다.

또, 본 실시의 형태에서는, 본 발명의 회생 전력 처리 장치를 엘리베이터에 적용하는 경우에 대하여 말했지만, 이것에 한정되는 것이 아니라, 전동기를 이용하는 에스컬레이터, 전차(電車), 팬 등의 다른 장치에 적용하더라도 좋고, 같은 효과를 나타낸다.

(실시의 형태 2)

도 15는 본 발명의 실시의 형태 2에 따른 유도 가열 장치, 전력 변환 회로, 및, 전력 처리 장치를 이용한 엘리베이터의 제어 장치의 주요 회로 구성을 나타내는 블록도이다. 본 실시의 형태 2에 있어서는, 제어 장치는, 3상 교류 전원 R, S, T를 직류로 변환하기 위한 정류 다이오드 브리지 등으로 구성된 컨버터(1)와, 컨버터(1)의 출력에 접속된 전원 평활용 콘덴서(2)와, 콘덴서(2)에 병렬로 접속되어, 직류 전압을 전동기를 구동하는데 필요한 전력으로 변환하여 전동기에 공급하는 전동기 구동용 전력 변환기(53)와, 전력 변환기(53)의 출력에 접속된 전동기(직류 전동기)(54)와, 전동기(54)의 회전을 전달하기 위한 감속 기어(5)와, 감속 기어(5)에 의해 구동되는 구동 도르래(6)와, 구동 도르래(6)에 접속된 균형추(7)와, 엘리베이터 카고(8)와, 전원 평활용 콘덴서(2)에 병렬로 접속된 유도 가열 장치(9)와, 전원 평활용 콘덴서(2)의 양단 전압을 검출하는 전압 검출 회로(10)와, 전압 검출 회로(10)의 검출 전압과 기준 전압을 비교하여, 그 차에 따른 신호를 출력하는 비교기(12)와, 비교기(12)의 출력에 의해, 유도 가열 장치(9)에 마련된 후술하는 인버터(16)를 구성하는 스위칭 소자의 구동 파형을 결정하는, 스위칭 파형 결정 회로(13)와, 스위칭 파형 결정 회로(13)로부터의 신호에 따라, 스위칭 소자를 구동하는, 스위칭 소자 드라이브 회로(14)에 의해 구성된다.

상술한 바와 같이, 본 실시의 형태 2의 엘리베이터의 제어 장치에서는, 회생 전력의 전력 처리 장치로서, 전원 평활용 콘덴서(2)에 병렬로 유도 가열 장치(9)를 접속한다. 유도 가열 장치(9)는, 전원 평활용 콘덴서(2)의 전압이나 전류의 변동을 억제하기 위한, 인덕터와 콘덴서 등으로 구성되는 입력 필터 회로(15)와, 직류 전압을 수 ㎑~수 백 ㎑ 정도의 교류 전압으로 변환하여 유도 가열기(18)에 공급하기 위한, 적어도 하나 이상의 스위칭 소자로 구성되는 유도 가열기 구동용 인버터(16)와, 유도 가열기(18)와 그것에 직렬 또는 병렬로 접속한 하나 이상의 인덕터 또는 콘덴서 또는 그 양쪽 등에 의해 구성되는 공진 회로(17)를 구비하고 있다. 또, 유도 가열기(18)를 구동하기 위한 유도 가열기 구동용 인버터(16)를 구성하는 소자로서는, MOSFET, IGBT, 사이리스터, 다이오드 등, 스위칭 기능을 갖는 것이라면, 어떠한 소자를 이용하더라도 좋다. 또한, 입력 필터 회로(15)는, 전원 평활용 콘덴서(2)의 전압 변동이나 전류 변동이, 전원 평활용 콘덴서(2) 자신이나 그 밖의 회로에 영향을 미치지 않는 경우는 이용하지 않더라도 좋다.

본 실시의 형태 2에 있어서의 유도 가열기(18)를 이용한 경우의 이점 및 유도 가열기(18)를 이용하여 회생 전력을 소비하는 경우의 장치의 동작은 실시의 형태 1에 기재한 것과 같으므로, 여기서는 설명을 생략한다.

여기서, 종래의 직류 전동기를 이용한 엘리베이터의 제어 장치의 구성을 나타낸 블록도를 도 17 및 도 18에 나타낸다. 이들 도면에 있어서, 101은 3상 교류 전원 R, S, T를 직류로 변환하기 위한 정류 다이오드 브리지로 구성된 컨버터, 102는 컨버터(101)의 출력에 접속된 전원 평활용 콘덴서, 113은 콘덴서(102)에 병렬로 접속되어, 직류 전압을 전동기를 구동하는데 필요한 전력으로 변환하여 전동기에 공급하는 전동기 구동용 전력 변환기, 114는 전력 변환기(113)의 출력에 접속된 전동기(직류 전동기), 105는 전동기(114)의 회전을 전달하기 위한 감속 기어, 106은 감속 기어(105)에 의해 구동되는 구동 도르래, 107 및 108은 각각, 구동 도르래(106)에 접속된 균형추와 엘리베이터 카고, 109 및 110은 각각, 전원 평활용 콘덴서(102)에 병렬로 접속되는, 회생 전력을 처리하기 위한 스위치와 저항기, 100은 전원 평활용 콘덴서(102)의 양단 전압을 검출하는 전압 검출 회로, 112는 전압 검출 회로(100)의 검출 전압과 기준 전압(111)을 비교하여, 그 차에 따른 신호를 출력하는 비교기, 116은 비교기(112)의 출력에 의해, 스위치(109)를 구동하는 스위칭 소자 드라이브 회로이다. 또, 스위치(109)와 저항기(110)는 회생 전력을 처리하기 위한 전력 처리 장치(115)를 구성하고 있다.

종래의 직류 전동기를 이용한 엘리베이터의 제어 장치에서는, 전동기 구동용 전력 변환기(113)의 형태에 따라, 전력 처리 장치(115)의 접속 부분이 다르다. 즉, 전동기 구동용 전력 변환기(113)가, 쌍방향의 전력 전달이 가능한 것인 경우에는, 전동기(114)에서 발생한 회생 전력은, 전원 평활용 콘덴서(102)에 전달되므로, 도 17에 나타내는 바와 같이, 전력 처리 장치(115)는, 전원 평활용 콘덴서(102)에 병렬로 접속한다. 한편, 이에 비하여, 전동기 구동용 전력 변환기(113)가 한 방향만으로 전력 전달이 가능한 것인 경우에는, 회생 전력은 전원 평활용 콘덴서(102)에 전달되지 않으므로, 도 18에 나타내는 바와 같이, 회생 전력은, 전동기(114)와 전력 변환기(113) 사이의 접속선에 회생 전력 처리 장치(115)를 병렬로 접속함으로써 소비되든지, 또는, 전동기(114) 내부에서 열로서 소비된다.

상술한 바와 같이, 직류 엘리베이터의 제어 장치에서는, 전동기 구동용 전력 변환기(113)의 형태에 따라 전력 처리 장치(115)의 접속 부분이 다르다. 이로부터, 본 실시의 형태 2에 있어서의 유도 가열기를 이용한 회생 전력 처리 장치는, 상술한 도 15의 구성에 한정되지 않고, 전동기 구동용 전력 변환기의 형태에 따라, 도 16에 나타내는 바와 같이, 유도 가열 장치(9)를 전력 변환기(53)와 전동기(54) 사이의 접속선에 병렬로 접속함과 아울러, 전압 검출 회로(10)를 전력 변환기(53)와 전동기(54) 사이에 마련하여, 전동기(54)로의 출력 전압을 감지하여, 그 출력 전압에 따라 유도 가열기(18)를 구동하는 인버터(16)의 구동을 제어하도록 하더라도 좋다.

이상과 같이, 본 실시의 형태 2에 따르면, 직류 전동기(54)의 회생 전력의 처리 장치로서, 유도 가열기(18)를 이용함으로써, 그 장치를 소형이면서 단순한 구성으로 실현할 수 있어, 제조 비용 삭감도 도모할 수 있다.

(실시의 형태 3)

상기한 바와 같이, 유도 가열 장치를 이용함으로써, 회생 전력 처리 장치를 소형으로 할 수 있다. 이러한 유도 가열 장치는, 전동기의 회생 전력 처리 장치로서 뿐만 아니라, 전력 변환기에 있어서의, 인덕터나 콘덴서 등의 소자에 모여, 부하에 공급되지 않고서 열로서 소비되는 잉여 에너지를 소비하는 경우에도 이용할 수 있다. 본 실시의 형태 3에 있어서는, 유도 가열 장치는, 입력되는 전력을 소비하는 것이며, 유도 가열 회로에 입력되는 전력은, 전력 변환 회로 중 또는 이 전력 변환 회로에 접속된 부하 중에 자계 또는 전계로서 축적되고, 부하에서 소비되지 않는 전력 또는 부하에서 발생하여 부하에서 소비되지 않는 전력이다.

상기 잉여 에너지가, 부하(70)에 공급되지 않고서, 열로서 소비되는 예로서, 도 19에, 일반적인 출력 전압 제어형 DC/DC 컨버터의 회로 구성을 나타내는 블록도를 나타낸다.

DC/DC 컨버터는, 전원(60)과, 전원 전압을 소정의 전압으로 변환하기 위한 트랜스 T1과, 스위칭 소자 Q1과, 트랜스 T1의 출력을 정류하는 정류기(61)와, 정류기(61)의 출력에 접속되어, 전압을 직류화하기 위한 평활 콘덴서 Co와, 평활 콘덴서 Co의 양단 전압을 검출하는 전압 검출기(62)와, 전압 검출기(62)의 전압을 검출하여, 평활 콘덴서 Co의 양단 전압이 소정의 값이 되도록, 스위칭 소자 Q1의 스위칭 파형을 결정하는 제어 회로(63)와, 스위칭 소자 Q1의 드레인(또는 콜렉터)에 접속되어, 회로의 잉여 에너지를 소비하기 위한 다이오드 Ds, 콘덴서 Cs, 및, 저항 Rs로 구성되는 스너버 회로(64)에 의해 구성된다. 또, 도면 중 점선으로 나타낸 Lg는, 트랜스 T1의 누설 인덕턴스 등의 회로에 기생하는 인덕턴스이다.

도 19에 나타낸 DC/DC 컨버터에서는, 그 회로 동작에 있어서, 인덕턴스 Lg에 모인 에너지가 방출될 때에, 스위칭 소자 Q1의 드레인 소스 사이의 기생 용량(출력 용량)이 충전됨으로써, 고전압이 스위칭 소자 Q1에 인가되고, 이 고전압에 의해, 스위칭 소자 Q1이 파괴될 우려가 있다. 이것을 방지하기 위해, 스너버 회로(64)를 설치하고 있다. 스너버 회로(64)는, 인덕턴스 Lg에 축적된 에너지가 방출될 때에, 다이오드 Ds가 도통하여, 인덕턴스 Lg의 에너지를 콘덴서 Cs에 충전하고, 또한, 저항 Rs에서 소비하고 있다. 또한, 인덕턴스 Lg에 에너지를 모으고 있을 때는, 다이오드 Ds가 비도통이 되어, 저항 Rs에서 콘덴서 Cs의 에너지를 소비한다. 이에 따라, 콘덴서 Cs의 전압이 일정 이상으로 상승하지 않도록 할 수 있다. 이때, 콘덴서 Cs를 기생 콘덴서에 비하여 충분히 크게 하여 둠으로써, 전압의 과잉 상승을 방지할 수 있어, 스위칭 소자 Q1에 고전압이 인가되는 것을 막는 역할을 한다. 즉, 인덕턴스 Lg에 축적되는 회로의 잉여 에너지를, 저항 Rs에서 열로서 소비하고 있다.

도 20은 본 실시의 형태 3에 있어서의, 도 19에 나타낸 DC/DC 컨버터의 스너버 회로(64)의 저항 Rs를, 회생 전력 처리 장치를 이용하여 실현한 예이다. 도 20에 있어서, 회생 전력 처리 장치 부분 이외는, 도 19의 구성과 마찬가지이다.

도 20에 있어서의 회생 전력 처리 장치는, 스너버 콘덴서 Cs에 병렬로 접속된 유도 가열 장치(9)와, 스너버 콘덴서 Cs의 양단 전압을 검출하는 전압 검출 회로(65)와, 전압 검출 회로(65)의 검출 전압과 기준 전압(11)을 비교하여, 그 차에 따른 신호를 출력하는 비교기(12)와, 비교기(12)의 출력에 의해, 유도 가열 장치(9)에 마련된 인버터(16)를 구성하는 스위칭 소자의 구동 파형을 결정하는 스위칭 파형 결정 회로(13)와, 스위칭 파형 결정 회로(13)로부터의 신호에 따라 당해 스위칭 소자를 구동하는 스위칭 소자 드라이브 회로(14)에 의해 구성된다. 또, 도면 중 점선으로 나타낸 Lg는, T1의 누설 인덕턴스 등, 회로에 기생하는 인덕턴스이다.

유도 가열 장치(9)는, 인덕터와 콘덴서 등으로 구성되는 입력 필터 회로(15)와, 직류 전압을 수 ㎑~수 백 ㎑ 정도의 교류 전압으로 변환하여, 유도 가열기(18)에 공급하기 위한, 적어도 하나 이상의 스위칭 소자로 구성되는 유도 가열기 구동용 인버터(16)와, 유도 가열기(18)와, 그것에 직렬 또는 병렬로 접속한 하나 이상의 인덕터 또는 콘덴서 또는 그 양쪽 등에 의해 구성되는 공진 회로(17)를 구비하고 있다. 또, 유도 가열기(18)를 구동하기 위한 유도 가열기 구동용 인버터(16)를 구성하는 소자로서는, MOSFET, IGBT, 사이리스터, 다이오드 등, 스위칭 기능을 갖는 것이라면, 어떠한 소자를 이용하더라도 좋다. 또한, 입력 필터 회로(15)는, 스너버 콘덴서 Cs의 전압 변동이나 전류 변동이, 스너버 콘덴서 Cs 자신이나 그 밖의 회로에 영향을 미치지 않는 경우는 이용하지 않더라도 좋다.

유도 가열 장치(9)의 구동 방법은, 도 20에 있어서의 비교기(12)에 입력하는 전압 검출기(65)의 접속 부분, 및, 유도 가열 장치(9)의 접속 부분이, 스너버 콘덴서 Cs의 양단인 것 외에는, 실시의 형태 1과 거의 같다. 인덕턴스 Lg 등에 모인 회로의 잉여 에너지가 방출될 때에, 다이오드 Ds가 도통하여, 스너버 콘덴서 Cs가 충전되어, 전압이 상승한다. 스너버 콘덴서 Cs의 양단 전압이, 어느 일정 이상이 된 것을 전압 검출기(65)로부터의 전압 검출 신호와 비교기(12)에 의해 검출하여, 유도 가열 장치(9)의 구동을 개시한다. 유도 가열 장치(9)를 구동함으로써, 스너버 콘덴서 Cs의 양단 전압은, 거의 일정히 유지된다. 즉, 인덕턴스 Lg 등에 모인 회로의 잉여 에너지를 유도 가열기(18)에 의해 소비하므로, 스위칭 소자 Q1로의 고전압의 인가가 방지된다.

본 실시의 형태 3에 따르면, 도 19의 스너버 회로(64)의 저항기 Rs의 대체로서, 유도 가열 장치(9)를 이용하는 것과, 전술한 유도 가열기(18)의 이점으로부터, 스너버 회로를 소형으로 할 수 있다고 하는 효과가 있다.

또한, 도 20에 나타낸 회로는, 스너버 콘덴서 Cs를 이용하지 않고, 스위칭 소자 Q1의 양단에 병렬로 유도 가열 장치(9)를 접속하여, 스위칭 소자 Q1의 양단 전압을 검지하여, 그 양단 전압이 어느 일정 이상이 되지 않도록, 유도 가열 장치(9)를 구동한다고 하는 방식에 의해서도 실현하는 것이 가능하다. 이 경우, 도 20에 있어서의 스너버 콘덴서 Cs와 입력 필터 회로(15)가 불필요해져, 더 간단한 구성으로 회로의 잉여 에너지를 처리하는 것이 가능하다.

또한, 도 21에 나타내는 바와 같이, 유도 가열기를 이용한 스너버 회로(66)는, 스너버 콘덴서 Cs에 병렬로 유도 가열기(18)를 접속하는 것만으로도 실현할 수 있다. 이 경우, 스너버 콘덴서 Cs와 유도 가열기(18)를 구성하는 인덕턴스 성분과 저항 성분의 자유 공진에 의해, 회로의 잉여 에너지가 소비되게 된다.

또한, 상술한 회로의 잉여 에너지는, DC/DC 컨버터만이 아니라, 풀 브리지 인버터나 하프 브리지 인버터, 기타 여러 가지의 전력 변환기에서 발생하는 것이며, 그 잉여 에너지를 소비할 필요가 있는 경우에, 상기 유도 가열 장치를 이용하는 것이 가능하고, 저항기 등에 비하여, 소형의 구성으로 잉여 에너지를 소비할 수 있는 효과가 있다.

Claims (12)

1. 입력되는 전력을 소비하는 유도 가열 장치에 있어서,
   상기 입력되는 전력은, 상기 유도 가열 장치와는 별도로 마련한 전력 변환 회로 중 또는 이 전력 변환 회로에 접속된 부하 중에 자계 또는 전계로서 축적되고, 상기 부하에서 소비되지 않는 전력 또는 상기 부하에서 발생하여 상기 부하에서 소비되지 않는 전력인 것을 특징으로 하는 유도 가열 장치.
   
2. 전원으로부터 공급되는 전력을 부하에 공급하기 위한 전력 변환 회로에 있어서,
   상기 부하에서 소비되지 않고서 상기 전력 변환 회로 중 또는 상기 부하 중에 축적된 전력 또는 상기 부하에서 발생하여 부하에서 소비되지 않는 전력을 상기 부하와는 별도로 마련한 유도 가열 장치에서 소비하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 회로.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 전력 변환 회로 중 또는 상기 부하 중에 자계 또는 전계로서 축적된 전력을 상기 유도 가열 장치에서 소비하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 회로.
4. 청구항 1에 기재된 유도 가열 장치를 이용한 것을 특징으로 하는 전력 처리 장치.
   
5. 청구항 2 또는 청구항 3에 기재된 전력 변환 회로를 이용한 것을 특징으로 하는 전력 처리 장치.
   
6. 전동기를 구동하는 전동기 구동용 전력 변환기에 병렬로 접속되어, 직류 전압을 교류 전압으로 변환하기 위한, 적어도 하나 이상의 스위칭 소자로 구성되는 유도 가열기 구동용 인버터와,
   상기 유도 가열기 구동용 인버터에 접속되어, 적어도 하나 이상의 코일과, 상기 코일에서 발생한 자속이 지나는 위치에 마련되고, 이 자속에 의해 유도 가열되는 발열체로 이루어지는 유도 가열기를 갖는 유도 가열 장치
   를 구비하고,
   상기 전동기의 전력 회생시에, 상기 유도 가열기 구동용 인버터에 의해 상기 유도 가열기를 구동하여, 회생 전력을 상기 유도 가열기에 의해 열로서 소비하는 것
   을 특징으로 하는 전력 처리 장치.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 유도 가열 장치는 공진 회로를 구비하고,
   상기 공진 회로는, 상기 유도 가열기와, 상기 유도 가열기에 직렬 또는 병렬로 접속된 하나 이상의 인덕터 또는 콘덴서 또는 그 양쪽으로 구성되어 있는 것
   을 특징으로 하는 전력 처리 장치.
   
8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
   상기 유도 가열기의 상기 코일과 상기 발열체의 사이에 단열재를 마련한 것을 특징으로 하는 전력 처리 장치.
   
9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 유도 가열기에 있어서의 상기 발열체의 형상을 핀(fin) 형상으로 한 것을 특징으로 하는 전력 처리 장치.
   
10. 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전동기를 구동하는 상기 전동기 구동용 전력 변환기에 인가되는 전압을 검출하는 전압 검출 회로와,
    상기 전압 검출 회로로부터의 검출 전압을, 미리 정해진 기준 전압과 비교하여, 그 차를 출력하는 비교기와,
    상기 비교기의 출력에 따라, 상기 유도 가열기를 구동하는 상기 유도 가열기 구동용 인버터의 스위칭 소자의 스위칭 파형을 결정하여, 상기 유도 가열기에서 소비하는 전력을 제어하는 스위칭 파형 결정 회로와,
    상기 스위칭 파형 결정 회로로부터의 신호를, 상기 유도 가열기 구동용 인버터를 구동하기에 최적의 전압으로 변환하여, 상기 스위칭 소자를 구동하는 스위칭 소자 드라이브 회로
    를 더 구비하여,
    상기 유도 가열기를 구동하는 상기 유도 가열기 구동용 인버터의 스위칭을 행하는 것
    을 특징으로 하는 전력 처리 장치.
    
11. 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전동기의 전압을 검출하는 전압 검출 회로와,
    상기 전압 검출 회로로부터의 검출 전압을, 미리 정해진 기준 전압과 비교하여, 그 차를 출력하는 비교기와,
    상기 비교기의 출력에 따라, 상기 유도 가열기를 구동하는 상기 유도 가열기 구동용 인버터의 스위칭 소자의 스위칭 파형을 결정하여, 상기 유도 가열기에서 소비하는 전력을 제어하는 스위칭 파형 결정 회로와,
    상기 스위칭 파형 결정 회로로부터의 신호를, 상기 유도 가열기 구동용 인버터를 구동하기에 최적의 전압으로 변환하여, 상기 스위칭 소자를 구동하는 스위칭 소자 드라이브 회로
    를 더 구비하여,
    상기 유도 가열기를 구동하는 상기 유도 가열기 구동용 인버터의 스위칭을 행하는 것
    을 특징으로 하는 전력 처리 장치.
    
12. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    스너버 회로(snubber circuit)를 구비하고,
    상기 스너버 회로를 구성하는 저항으로서, 상기 유도 가열 장치를 이용한 것
    을 특징으로 하는 전력 변환 회로.

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